【C++初阶】C++入门篇(二)

大家好我是沐曦希

CSDN话题挑战赛第2期
参赛话题：学习笔记

往期博客：【C++初阶】C++入门上

涉及博客：【C语言进阶】程序环境和预处理

1.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。

例如：C++的自动识别变量的类型

1.1 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。

即函数名相同，参数不同(个数，类型，顺序)就是函数重载。

1.1.1 参数类型不同

#include
using namespace std;
//1.参数的类型不同
int Add(int a, int b)
{
	cout << "Add(int a, int b)" << endl;
	return a + b;
}
double Add(double a, double b)
{
	cout << "Add(double a, double b)" << endl;
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	double c = 10.1, d = 20.2;
	int x = Add(a, b);
	double y = Add(c, d);
	cout << "x = " << x << endl;
	cout << "y = " << y << endl;
	return 0;
}

1.1.2 参数的个数不同

#include
using namespace std;
//参数的个数不同
void func()
{
	cout << "func()" << endl;
}
void func(int a)
{
	cout << "func(int a)" << endl;
}
int main()
{
	func();
	func(10);
	return 0;
}

需要注意的是：缺省参数和函数重载结合用，有时候会报错。

都是这是函数重载，直接无参数调用func()，调用会报错，存在歧义。

1.1.3 参数类型顺序不同

参数顺序不同是指参数类型不同，顺序不同。

#include
using namespace std;
//参数顺序不同
void func(int a, char b)
{
	cout << "func(int a, char b)" << endl;
}
void func(char a, int b)
{
	cout << "func(char a, int b)" << endl;
}
int main()
{
	int x = 10;
	char y = 'y';
	func(x, y);
	func(y, x);
	return 0;
}

1.2 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语言不支持函数重载呢？
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，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【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。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。
4. Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂。
5. 通过下面我们可以看出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+类型首字母】。

1.2.1 采用C语言编译器编译后结果

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。

1.2.2 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。

1.2.3 Windows下名字修饰规则

对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的。
【扩展学习：C/C++函数调用约定和名字修饰规则–里面有对vs下函数名修饰规则讲解】
C/C++ 函数调用约定

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。
注意：**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。**存在二义性，调用返回时候不能指定返回值类型。
例如：

#include
using namespace std;
int func(int a, double b)
{
	cout << "func(int a, double b)" << endl;
	return (int)(a + b);
}
double func(int a, double b)
{
	cout << "func(int a, double b)" << endl;
}
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 20.2;
	int x = func(a, b);
	double y = func(a, b);
	return 0;
}

C++无法重载仅按返回类型区分的函数。

2.引用

2.1 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。
比如：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

引用是用来使指针更方便，代码更简化。

2.1.1 类型& 引用变量名(对象名) =引用实体

#include
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//引用--ra就是a的别名
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "ra = " << ra << endl;
	cout << "&a = " << &a << endl;
	cout << "&ra = " << &ra << endl;
	a++;
	cout << "a = " << a << " " << "ra = " << ra << endl;
	ra++;
	cout << "a = " << a << " " << "ra = " << ra << endl;
	return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

2.2 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

#include
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	// int& ra; // 该条语句编译时会出错
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	int& pa = rra;
	cout << "&a = " << &a << "  " << "&ra = " << &ra << "  " << " &rra = " << &rra << "  " << " &pa" << &pa << endl;
	return 0;
}

2.3 常引用

#include
using namespace std;
int main()
{
	const int a = 10;
	//int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;
	// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
	const int& b = 10;
	double d = 12.34;
	//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
	const int& rd = d;
	return 0;
}

权限可以缩小和平移，但是不能扩大。
例如：

#include
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//权限平移
	const int& rra = a;//权限的缩小
	const int b = 10;
	//int& rb = b;//权限的放大，该语句编译会出错
	const int& rb = b;//权限的平移
	const int& p = 10;//权限平移
	return 0;
}

被const修饰的引用只能够读，而不能写，即不能修改引用变量的值。

2.4 使用场景

2.4.1 做参数

#include
using namespace std;
void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	Swap(a, b);
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	return 0;
}

引用不能代替指针实现链表。
因为引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体，而链表要增删节点。

优点：
1、减少空间浪费，提高程序效率。在C语言中，形参是实参的一份临时拷贝，既然是拷贝，就有时间和空间上的开销；而引用是实参的别名，相当于我们直接对实参进行操作，没有数据拷贝的过程，从而减少空间和时间的浪费，提高代码的效率。

2、引用可以直接改变实参，作为输入性参数及输出型参数可以不再传递指针；比如上面的 Swap 函数，在 Swap 函数内部交换的其实就是两个实参的值，不用再像以前一样需要传递实参的指针；

2.4.2 做返回值

#include
using namespace std;
int& Func()
{
	static int n = 0;
	n++;
	return n;
}
int main()
{
	cout << Func() << endl;
	cout << Func() << endl;
	cout << Func() << endl;
	return 0;
}

下面代码输出什么结果？为什么？


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。

优点:
1.减少一次数据拷贝，节省空间，提高效率；
2.直接返回变量本身，从而可以通过返回值修改变量。

2.5 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。

#include
#include 
using namespace std;
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;
}

2.6 值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include
#include 
using namespace std;
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;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

2.7 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。

#include
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	cout << "&a = " << &a << endl;
	cout << "&ra = " << &ra << endl;
}

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。

#include
int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	int* pa = &a;
	std::cout << "&a = " << &a << std::endl;
	std::cout << "&ra = " << &ra << std::endl;
	std::cout << "&pa = " << &pa << std::endl;
	std::cout << "*pa = " << pa << std::endl;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

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

3.写在最后

那么这次的C++入门篇（二）就到这里了。