【C++入门指南】C如何过渡到C++？祖师爷究竟对C++做了什么？

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前言

本篇博客主要有两个目的：

1. 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。
2. 为后续类和对象学习打基础。

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一、命名空间

 在C/C++中，变量、函数和后面要学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称将都存
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关键字由此而生。

实例：

#include 
#include 
int rand = 10;
// C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{
 printf("%d\n", rand);
return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

1.1 命名空间的定义

 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。
Tips: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. 正常的命名空间定义
namespace N1
{
 // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	 int rand = 10;
 
	 int Add(int left, int right)//函数
	 {
		 return left + right;
	 }
 
	 struct Node//结构体类型
	 {
	 struct Node* next;
	 int val;
	 };
}

//2. 命名空间可以嵌套
namespace N1
{
	int a;
	int b;
	int Add(int left, int right)
	 {
	     return left + right;
	 }
	 
	namespace N2//嵌套命名空间
	 {
 	    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,编译器最后会合成同一个命名空间中。

//Queue.h
namespace N1
{
	void QueueInit()
	{
		cout << "QueueInit()" << endl;
	}
}
//Stack.h
namespace N1
{
	void StackInit()
	{
		cout << "StackInit()" << endl;
	}
}

//下面两个文件在Cpp文件中展开时，两个相同命名空间会自动合并成一个
Test.cpp
#include "Queue.h"
#include "Stack.h"

1.2 命名空间使用

命名空间中成员该如何使用呢？比如下面直接访问：

namespace bit
{
	 // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	 int a = 0;
	 int b = 1;
 	int Add(int left, int right)
	 {
		 return left + right;
	 }
	 struct Node
	 {
	 struct Node* next;
	 int val;
	 };
}
	
int main()
{
	 // 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
	 printf("%d\n", a);
	return 0;
}

正确命名空间有下面3中用法：

1. 加命名空间名称及作用域限定符

int main()
{
    printf("%d\n", N::a);//::是作用限定符
    return 0;    
}

2. 使用using将命名空间中某个成员引入

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

using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

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二、C++输入、输出

 新生婴儿会以自己独特的方式向这个崭新的世界打招呼，C++刚出来后，也算是一个新事物，那C++是否也应该向这个美好的世界来声问候呢？我们来看下C++是如何来实现问候的。

#include
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;
int main()
{
	char c,int i，double d;
	//自动识别变量的类型
	cin>>c>>i>>d;//输入c/i/d
	cout<<c<<i<<d<<endl;//输出c,i,d
	cout<<"Hello world!!!"<<endl;//输出字符串
	return 0;
}

说明：

• 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
• <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
• 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象。 cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出(，他们都包含在包含头文件中。使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格。C++的输入输出可以自动识别变量类型。

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，因此推荐使用+std的方式

2.1 std命名空间的使用惯例

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

• 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
• using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

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三、缺省参数

在实际项目中，当需要开辟一块空间时，我们经常会遇到这样一个问题：空间应该开多大。开大了，浪费空间；开小了，虽然realloc可以扩容，但当如果这块空间很大，多次扩容不仅麻烦，而且会导致性能下降。为了解决这个问题，祖师爷本贾尼给出了缺省参数。

3.1 缺省参数的定义

缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。

void Func(int a = 0)
{
 	cout<<a<<endl;
}

int main()
{
	Func();     // 没有传参时，使用参数的默认值0
	Func(10);   // 传参时，使用指定的实参
	return 0;
}

3.2 缺省参数分类

• 全缺省参数

void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
 {
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }

• 半缺省参数

void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
 {
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }

Tips:

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给。
2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现。（一般声明给，定义不给）

 //a.h
  void Func(int a = 10);
  
  // a.cpp
  void Func(int a = 20)
 {}
  
  // 注意：如果生命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那个缺省值。

//正确：
//a.h
  void Func(int a = 10);
  
  // a.cpp
  void Func(int a )
 {}

3. 缺省值必须是常量或者全局变量。

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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。
比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个
是男足。前者是“谁也赢不了！”，后者是“谁也赢不了！”

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 类型顺序)不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

#include
using namespace std;

// 1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
	 cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
	 return left + right;
}
double Add(double left, double right)
{
	 cout << "double Add(double left, double right)" << endl;
	 return left + right;
}
int main()
{
 	Add(10, 20);
 	Add(10.1, 20.2);
	 return 0;
}

// 2、参数个数不同
void f()
{
	 cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
}
	 cout << "f(int a)" << endl;
}
int main()
{
	 f();
 	f(10);
	 return 0;
}

// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{
	 cout << "f(int a,char b)" << endl;
}
void f(char b, int a)
{
	 cout << "f(char b, int a)" << endl;
}
int main()
{
	 f(10, 'a');
	 f('a', 10);
	 return 0;
}

4.2 C++支持函数重载的原理–名字修饰(name Mangling)

为什么C++支持函数重载，而C不支持函数重载呢？

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。

1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，编译时【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，在编译后链接前，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。那么怎么办呢？
2. 所以链接阶段就是专门处理这种问题，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。
3. 那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

• 下面给出gcc和g++的函数名修饰

采用C语言编译：

结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

采用C++编译器编译后结果：

结论：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添加到修改后的名字中。

通过上面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字】

4. 通过这里就理解了C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修
   饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。

Tips:如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办
法区分。

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五、引用

5.1 引用概念

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。
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

void Test()
{
    int a = 10;
    //引用类型必须和引用实体是同种类型的
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

运行结果：

5.2 引用特性

1. 引用在定义时必须初始化
2. 一个变量可以有多个引用
3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
4. 引用只是对象的别名，它本身不占有内存空间，也没有自己的地址。因此，引用本身无法被销毁或删除

int main()
{
	int a = 10;
	//int& b;  该语句编译时会报错
	int& b = a;//定义时必须初始化
	
	//1个变量可以有多个引用(a被多次引用)
	int& c=a;
	int& d=a;
	
	//引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
	int x=2;
	//这里c在前面已经引用了一个实体a,不能在引用x
	//所以此处c=x为赋值语句，而不是c引用实体x
	c=x;
	return 0;
}

5.3 常引用

在C++中，常引用权限可以平移、缩小，但不能放大。

int func()
{
	int a = 0;
	return a;
}
int main()
{
	const int& ret = func();//const引用后，会延长临时变量的生命周期
	const int a = 10;
	//int& b = a;//权限扩大
	int b = a;//赋值，只有涉及引用时，才会涉及权限问题

	const int& b = a;//平移
	int c = 12;
	const int& d = c;//缩小

	int i = 10;
	double d = i;
	const double d = i;//C/C++中，类型转化会将原值存放到一个临时变量中，而临时变量具有常性
	return 0;
}

5.4 使用场景

1. 做参数

传引用传参在任何时候都可用，同时可以提高效率、作输出型参数形参修改可以直接影响实参。

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

2. 做返回值

传引用返回只有在出了函数作用域对象还存在时在能使用。传应用返回不仅可以提高效率还可以修改返回对象

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   return n;
}

接下来我们来看看下面代码输出什么结果？为什么？

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

解释：

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在(还没还给系统)，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。

5.5 传值、传引用效率比较

 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。

值和引用的作为参数类型的性能比较

#include 
using namespace std;
#include 
struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {};
void TestFunc2(A& a) {};
void TestRefAndValue()
{
	A a;
	// 以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc1(a);
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数参数
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
		TestFunc2(a);
	size_t end2 = clock();
	// 分别计算两个函数运行结束后的时间
	cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include 
using namespace std;
#include 
struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
void TestReturnByRefOrValue()
{
	// 以值作为函数的返回值类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc1();
	size_t end1 = clock();
	// 以引用作为函数的返回值类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
		TestFunc2();
	size_t end2 = clock();
	// 计算两个函数运算完成之后的时间
	cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

5.6 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。但在底层实现上实际是有空间的，因为引用是按照指针方式来实现的。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

接下来，我们来看看上述代码引用和指针的汇编：（不知道为啥每次用微软自带画图都模糊，各位将就看吧）

引用和指针的不同点:

1. 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
2. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
3. 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
4. 没有NULL引用，但有NULL指针
5. 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)
6. 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
7. 有多级指针，但是没有多级引用
8. 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
9. 引用比指针使用起来相对更安全

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六、内联函数

首先我们来看看C如何实现一个简单的加法宏函数呢？

//下面给出3种最常见的错误
//#define ADD(x, y) x+y;     --->执行printf("%d",ADD(1,2));语句 ,带分号会报错
//#define ADD(x, y) x+y      --->执行printf("%d",ADD(1,2)*3);语句，已发现和实际结果不同
//#define ADD(x, y) (x+y)	--->执行printf("%d",ADD(1|2,6&3));语句，同样得不到我们想要的结果。因为+的优先级高于|、&

#define ADD(x, y) ((x)+(y))//正确

我们发现用宏定义一个宏函数，语法坑很多，非常容易出错。为此，祖师爷提出了内联函数。

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，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

#include 
using namespace std;
inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int c = Add(1, 2);
	return 0;
}

汇编代码：

6.2 特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
   
3. 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。

6.3 面试题

宏的优缺点？
优点：没有严格的类型检查，更加灵活。针对频繁调用的小函数，不需要创建栈帧，提高效率。
缺点：语法坑多、没有类型的安全检查、不能调试。

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七、auto关键字(C++11)

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它。在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。

int main()
{
	int a = 10;
	//b、c的类型编译器会自动匹配
	auto b = a;
	auto c = 'a';

cout << a << endl;
cout << b << endl;
cout << c << endl;
	//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;
}

7.1 auto的使用细则

1. 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&

int main()
{
    int x = 10;
    auto a = &x;
    auto* b = &x;
    auto& c = x;

    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0;
}

2. 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。

void TestAuto()
{
    auto a = 1, b = 2; 
    auto c = 3, d = 4.0;  // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同
}

6.3 auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void TestAuto(auto a)
{}

2. auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4，5，6};//err
}

八、基于范围的for循环(C++11)

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。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; 
	for(auto e : array)//依次取数组中的数据赋值给e，自带判断结束，自动迭代
    	 cout << e << " ";
   	 cout<<endl;
   	 
	for(auto& e : array)//这里是把数组中的值赋值给e,的改变不会影响数组，所以要传引用
     	e *= 2;
     for(auto e : array)
    	 cout << e << " ";
   	 cout<<endl;
	return 0;
}

Tips: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。

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九、指针空值nullptr(C++11)

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

我们发现在C++中，NULL直接定义为0，留下了一个大坑。
为此，c++11引入关键字nullptr表示空指针。
Tips:

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件。
2. . 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

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好了，本篇博客到此就结束了，希望对你有帮助。