C++（第一篇）：C++基础入门知识(函数重载、引用、内联函数...)
前言
大家好，从本文开始，往后将开始更新C++的知识点以及STL的讲解和模拟实现。希望大家能多多支持。
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本文所属专栏： 【C++拒绝从入门到跑路】
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作者水平有限，如果发现错误，敬请指正！感谢感谢！
本文导航
- 一. 命名空间
-
- 1.1 命名空间产生的原因
- 1.2 命名空间定义
- 1.3 命名空间的使用
- 二. C++的输入和输出
- 三. 缺省参数
-
- 3.1 缺省参数概念
- 3.2 缺省参数分类
-
- ① 全缺省参数
- ② 半缺省参数
- 四. 函数重载
-
- 4.1 函数重载概念
- 4.2 名字修饰
- 4.3 extern “C”
- 五. 引用（）
-
- 5.1 概念
- 5.2 引用特性
- 5.3 const 常引用
- 5.4 引用和指针的区别
- 5.5 引用在函数上的使用
-
- ①做函数参数
- ②做函数返回值（要非常的谨慎）
- 5.6 引用的效率
-
- ①传值&传引用的效率比较
- ②值返回&引用返回的性能比较
- 六. 内联函数-inline
-
- 6.1 概念
- 6.2 特性
- 七. auto关键字（C++11）
- 八. 基于范围的for循环（C++11）
-
- 8.1 范围for的语法
- 九. 指针空值——nullptr（C++11）
一. 命名空间
1.1 命名空间产生的原因
C++包含有 局部域 全局域 命名空间域 类域
在C/C++中，变量、函数和类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称如果都存在于全局作用域中，可能会导致很多冲突。
使用命名空间的目的是对标识符的名称进行本地化，以避免命名冲突或名字污染，namespace关键字的出现就是针对这种问题的。
1.2 命名空间定义
定义命名空间，需要使用到namespace关键字，后面跟命名空间的名字，然后**接一对{}**即可，{}中即为命名空间的成员。namespace关键字定义的是一个域，用来解决C语言命名冲突的问题。
//1.普通的命名空间
namespace N1 // N1为命名空间的名称
//命名空间中的内容，既可以定义变量，也可以定义函数
int a;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
//2.命名空间可以嵌套
namespace N2
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
return left + right;
namespace N3
{
int C;
int d;
int Sub(int left, int right)
return left - right;
}
}
//3.同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间，编译器最后会合成到同一个命名空间中。
namespace N1
{
int Mu1(int left, int right)
return left*right;
}
注：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中。
1.3 命名空间的使用
命名空间的使用有三种方式:
1、加命名空间名称及作用域限定符（比较麻烦，不够便捷）
int main()
{
printf("%d\n", N::a);
return 0;
}
2、使用using将命名空间中成员引入（项目中经常使用，是1和3方法的折中）
using N: :b;
int main()
{
printf("%d\n"，N::a);
printf("%d\n"，b);
return 0;
}
3、使用using namespace命名空间名称引入（最便捷，但是在大项目中不推荐）
using namespce N;
int main()
{
printf("%d\n", N::a);
printf("%d\n", b);
Add(10，20);
return 0;
}
二. C++的输入和输出
#include
using namespace std;
int main()
{
cout<<"Hello world!!!"< 说明:
- 使用 cout标准输出(控制台)和cin标准输入(键盘) 时，必须包含< iostream >头文件以及std标准命名空间。
注意:早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中,使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间,规定C++头文件不带h; 旧编译器(vC 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持,因此推荐使iostream+std的方式。 - 使用C++输入输出更方便,不需增加数据格式控制，比如:整形–%d, 字符–%c
#include
using namespace std;
int main()
{
int a;
double b;
char c;
cin>>a;
cin>>b>>c;
cout< 注：但是对于有特别的格式要求的输出，如输出小数点后几位则建议使用printf（cout 会非常的麻烦）
三. 缺省参数
3.1 缺省参数概念
缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个默认值。
在调用该函数时,如果没有指定实参则采用该默认值，否则使用指定的实参。
void TestFunc(int a = 0)
{
cout<3.2 缺省参数分类
① 全缺省参数
void TestFunc(int a = 10，int b = 20，int C = 30)
{
cout<<"a = "<void TestFunc(int a，int b = 10，int C = 20)
{
cout<<"a = "<//a.h 头文件声明
void TestFunc(int a = 10);
//a.c 源文件定义
void TestFunc(int a = 20)
{}
如果声明与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该用哪个缺省值。
- 注意：
- 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给
- 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现
- 缺省值必须是常量或者全局变量
- C语言不支持（编译器不支持）
四. 函数重载
自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。
4.1 函数重载概念
函数重载:是函数的一种特殊情况，C++ 允许在同一作用域中声明几个功能类似的同名函数，这些同名函数的形参列表(参数个数或类型或顺序)必须不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题
int Add(int 1eft, int right)
{
return left+right;
}
doub1e Add(double 1eft, double right)
{
return 1eft+right;
}
1ong Add(1ong 1eft, 1ong right)
{
return 1eft+right;
}
//以上函数构成重载
int main()
{
Add(10，20);
Add(10.0, 20.0);
Add(10L，20L);
return 0;
}
注意
- 函数是否重载一定是在函数名相同下关于函数参数是否不同（函数参数的类型，个数，顺序三者满足其中之一即可）
- 缺省不符合重载条件
4.2 名字修饰
现在我们想一个问题，为什么C语言不支持函数重载而C++支持呢？ 这就引入了名字修饰这个技术。
- 在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。
编译链接的过程：
初始文件：f.h f.cpp main.cpp
- 预处理-E —— 头文件展开 + 宏替换 + 去掉注释 + 条件编译
f.i main.i
- 编译-S —— 检查语法，把C语言代码转换成汇编代码
f.s main.s
- 汇编-c —— 把汇编代码转成二进制机器码，形成符号表
f.o main.o
- 链接 —— .o文件链接到一起，完成段表合并、符号表的合并和重定位，生成可执行程序
a.out
预处理：相当于根据预处理指令组装新的C/C++程序。经过预处理，会产生一个没有头文件（都已经被展开了）、宏定义（都已经替换了），没有条件编译指令（该屏蔽的都屏蔽掉了），没有特殊符号的输出文件，这个文件的含义同原本的文件无异，只是内容上有所不同。
编译：将预处理完的文件逐一进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后，产生相应的汇编代码文件。编译是针对单个文件编译的，只校验本文件的语法是否有问题，不负责寻找实体。
链接：通过链接器将一个个目标文件（或许还会有库文件）链接在一起生成一个完整的可执行程序。 链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接，也就是将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来，使得所有的这些目标文件成为一个能够被操作系统装入执行的统一整体。在此过程中会发现被调用的函数未被定义。需要注意的是，链接阶段只会链接调用了的函数/全局变量，如果存在一个不存在实体的声明（函数声明、全局变量的外部声明），但没有被调用，依然是可以正常编译执行的。
- 当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时：
- 编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中
- 链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起
- 链接时，面对Add函数，连接器会根据编译器自己的函数名修饰规则去找对应出现的函数，而C/C++的命名修饰是不同的
为什么C语言不支持函数重载？C++支持？C++底层是如何支持重载的？
- 使用gcc演示修饰后的函数名字
说明：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变
C不支持函数重载：
如果有重载函数（函数名相同，参数不同），根据C语言的名字修饰规则，那么在编译后生成的符号表则会存在多个相同的函数名，在链接对应函数的地址时则会有歧义，无法链接成功，也就无法支持函数重载
- 采用C++编译器编译后结果
说明：在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息根据规则添加到修改后的名字中
C++支持函数重载：
在链接对应函数地址时，其函数名字修饰规则会根据参数生成不同的函数名字，从而使得能够成功找到对应函数地址，并链接成功，也就支持了函数重载
注：windows命名规则比linux复杂，但本质上原理都是一致的；也因为函数名字修饰的规则，函数重载要求参数不同，而跟返回值没关系
4.3 extern “C”
有时候在C++工程中可能需要将某些函数按照C的风格来编译，在函数前加extern “C”，意思是告诉编译器,将该函数按照C语言规则来编译。
比如:
tcmalloc 是 google 用C++实现的一个项目，他提供 tcmalloc 和 tcfree 两个接口来使用，但如果是C项目就没办法使用，那么他就使用extern “C”来解决。
extern "C" int Add(int left, int right);
int main()
{
Add(1,2);
return 0;
}
//链接时报错：error LNK2019: 无法解析的外部符号_Add，该符号在函数 _main 中被引用
如果你写的程序是中间件程序，C语言和C++都能调用，就应该加上这个。加在声明的地方。告诉编译器不要用C++的编译规则，用C语言的编译规则，加了这个之后这个函数就不能重载了。
要调用中间件程序的C++程序也要加上对应的声明，比如extern "C" void* tcmalloc(unsigned int)
五. 引用（）
5.1 概念
引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取了一个别名，编译器不会为引用变量开辟内存空间，它和它引用的变量共用同一块内存空间。
语法格式： 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
void TestRef()
{
int a = 10;
int& ra = a;//<====定义引用类型
//打印的地址相同
printf("%p\n", &a);
printf("%p\n", &ra);
}//打印地址相同
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的
5.2 引用特性
-
引用在定义时必须初始化
int& b; //error -
一个变量可以有多个引用（别名）
int a = 10; int& b = a; int& c = a; -
引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
int main() { int a = 10; int& b = a; int c = 20; b = c; //error return 0; }
5.3 const 常引用
const 修饰的原理：缩小了原有的「读写权限」，由「可读可写」变成了「只能读不能写
int main()
{
const int a = 10;
// int& ra = a; //->ra引用a属于权限放大，所以不行
const int& ra = a; //能编译过
int b = 10;
int& rb = b;
const int& crb = b; // -》crb引用b属于权限缩小，所以可以编译
return 0;
}
隐式类型转换问题：
int i = 10;
double d = 1.11;
d = i; // 隐式类型转换
//形成临时变量,进行隐式类型转换
//double& ri = i; //error
const double& ri = i;
为什么加个 const 就可以了，并不是因为类型的原因，而是：
再来看一个例子：隐式类型转换也会产生临时变量，所以程序运行结果是：不相同
int main()
{
char ch = 0xff;
int j = 0xff;
if (ch == j) //ch被整型提升成int类型，生成一个int类型的临时变量与 j 比较
{
cout << "相同" << endl;
}
else
{
cout << "不相同" << endl;
}
return 0;
}
5.4 引用和指针的区别
在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用实体共用同一块空间。
int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
//打印的地址相同
cout<<"&a = "<<&a<int main()
{
int x = 3, y = 5;
int* p1 = &x;
int* p2 = &y;
int*& p3 = p1; //给指针变量取别名
*p3 = 10;
p3 = p2;
return 0;
}
引用和指针的不同点:
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
- 引用在初始化时引用一个实体后，就不能再引用其他实体，而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体
- 没有NULL引用，但有NULL指针
- 在sizeof中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占4个字节)
- 引用自加即引用的实体增加1，指针自加即指针向后偏移一个类型的大小
- 有多级指针，但是没有多级引用
- 访问实体方式不同，指针需要显式解引用，引用编译器自己处理
- 引用比指针使用起来相对更安全
5.5 引用在函数上的使用
①做函数参数
- 实例（1）：形参变量的改变，要影响到实参，用指针或引用解决
//交换两数的值（指针做参数）-- 原来的写法
void Swap(int* p1, int* p2)
{
int tmp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = tmp;
}
//交换两数的值（引用做参数）-- 现在的写法
void Swap(int& ra, int& rb)
{
int tmp = ra;
ra = rb;
rb = tmp;
}
int main()
{
int a = 3, b = 5;
//Swap(&a, &b);
Swap(a, b);
return 0;
}
- 实例（2）：引用在顺序栈中应用，如果为了减少传参时的拷贝，提高效率，以及保护形参不会被改变，用const 常引用
typedef struct Stack
{
int* a;
int top;
int capacity;
}Stack;
//这里的引用是为了通过改变形参来影响实参
void StackInit(Stack& s)
{
//...栈的初始化会改变指针的指向
}
//这里的常引用是为了减少传参时的拷贝，提高效率，以及保护形参不会被改变
void StackPrint(const Stack& s)
{
//...
}
int main()
{
Stack st;
StackInit(st);
StackPrint(st);
return 0;
}
- 实例（3）：const常引用做参数的第二个好处，既可以接收变量，也可以接收常量
void func(const int& n)
{
//...
}
int main()
{
int i = 10;
func(i); //（1）传变量
func(20); //（2）传常量
const int j = 30;
func(j); //（3）传常变量
return 0;
}
- 总结
- 引用做参数，通过改变形参来影响实参
- 引用做参数，减少传参时的拷贝，提高效率（尤其是当参数变量比较大时）
- 如果函数中不改变形参的话，建议用 const 常引用做参数，因为
- 可以保护形参避免被误改变
- 即可以传普通对象，还可以传 const 对象
②做函数返回值（要非常的谨慎）
- 先来看两个例子
- 首先来看一个例子：函数的传值返回，过程中会发生什么呢？
//传值返回 int Add(int a, int b) { int c = a + b; return c; } int main() { int ret = Add(1, 2); cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl; return 0; }运行结果是：3（那么中间究竟发生了什么呢？）
原理分析：传值返回会产生一个变量 c 的临时拷贝，作为返回值，并不是直接返回变量 c，因为变量 c 随着函数 Add 栈帧销毁已经还给操作系统了
- 再来看这个例子：函数的传引用返回，过程中会发生什么呢？（这个是错误用法）
//传引用返回 int& Add(int a, int b) { int c = a + b; return c; } int main() { int ret = Add(1, 2); cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl; return 0; }这里就没有产生临时变量了，Add函数返回了整型变量 c 的引用 int&，严格意义上来讲，这里 Add(1, 2) 的结果是不确定的，取决于平台销毁栈帧时是否会清理栈帧空间中的数据，如果清理了，则是随机值，如果没有清理，则是 3。（此段代码在VS上运行时结果是 3，说明VS上没有清理栈帧）
当函数返回，栈帧销毁（所以变量 c 所在的空间已被销毁），我们又通过 tmp 去访问已经被销毁的空间去赋值给 ret，本身就是一种越界行为，是错误的，访问到到的值也是不确定的，所以这里的传引用返回是错误用法，只是为了帮助大家理解下传值返回和传引用返回，编译器的特性是什么。
原理分析：
用内存空间就像租房子一样，操作系统是房东，我们申请内存就像房东把房子租给我们用，法律保护别人不会到你的房子里面来，释放内存就像是我们退租了，房子还在，但使用权不是我们的了，房东可能把房子又继续租给别人。上题相当于我们退租后再拿着引用钥匙去访问房子，属于非法访问了。
- （重点）什么情况下才可以正确的去使用引用返回
- 举例如下：
int& func() { static int n = 0; // 静态b n++; // ... return n; } 1234567
- 总结
引用返回的价值是减少了拷贝（比如返回的是一个很大的结构体，优势一下子就体现出来了）
……其它价值后续在讲解……
- 注意
如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，则可以使用引用返回，如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。
5.6 引用的效率
①传值&传引用的效率比较
以值作为参数或者返回值类型，在传参和返回期间，函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回，而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是非常低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。
②值返回&引用返回的性能比较
与上同理，值返回涉及拷贝，效率低
六. 内联函数-inline
6.1 概念
以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数压栈的开销，内联函数提升程序运行的效率。
6.2 特性
- inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额开销。所以代码很长或者有循环/递归的函数不适宜 使用作为内联函数。
- inline对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/递归等 等，编译器优化时会忽略掉内联。
- inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。
// F.h
#include
using namespace std;
inline void f(int i);//声明
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
f(10);
return 0;
}
// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用
链接的前提是，有声明，没定义，才回去链接。 简单来讲，如果你有函数的定义就直接展开了，没有定义就要去链接，但是inline函数不进入符号表，如果你只有声明没有定义的话就找不到对应的指令，直接就报链接错误。即便你加inline的函数很长不会被展开，他也会发生链接错误。展不展开取决于调用它的地方。
补充：
inline 内联函数在 debug 模式下默认是不会展开的（需要对编译器设置一下才行，因为debug模式下编译器不会对代码优化），release 模式下会展开，我们可以通过查看编译器生成的汇编代码中是否存在
call Add
inline int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int ret = Add(10, 20);
return 0;
}
调式模式下查看汇编代码，可以看到函数展开了，没有函数调用指令
七. auto关键字（C++11）
C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。
#include
#include
using namespace std;
int TestAuto()
{
return 10;
}
int main()
{
int a = 10;
auto b = a;
auto c = 'a';
auto d = TestAuto();
cout << typeid(b).name() << endl; //int
cout << typeid(c).name() << endl; //char
cout << typeid(d).name() << endl; //int
//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
return 0;
}
注意
使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。
-
auto与指针和引用结合起来使用
用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加& -
在同一行定义多个变量
当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。
-
auto不能推导的场景
-
auto不能作为函数的参数
-
auto不能直接用来声明数组
-
为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
-
auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式进行配合使用。
-
八. 基于范围的for循环（C++11）
8.1 范围for的语法
在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：
//C语言，一般方式
void TestFor1()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
{
array[i] *= 2;
}
for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
{
cout << *p << endl;
}
}
//范围for
void TestFor2()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for(auto& e : array)
e *= 2;
for(auto e : array)
cout << e << " ";
return 0;
}
注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。
对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：
第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围
九. 指针空值——nullptr（C++11）
在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：
void TestPtr()
{
int* p1 = NULL;
int* p2 = 0;
// ……
}
NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：
#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif
可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：
void f(int)
{
cout<<"f(int)"<程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int* )函数，但是由于NULL被宏定义成0，调用的是int版本的f(int) 函数，因此与程序的初衷相悖。
在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void* )常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void * )0。
注意：
-
在使用
nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。 -
在C++11中，
sizeof(nullptr)与sizeof((void\*)0)所占的字节数相同。 -
为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用
nullptr。