C++入门精讲——入门看完这一篇就够了

文章目录

  • 前言
  • 1. C++发展历史
  • 2. 关键字
  • 3. 命名空间
    • 3.1 命名空间的概念
    • 3.2 命名空间的定义
    • 3.3 命名空间的使用
  • 4. C++输入、输出
  • 5. 缺省参数
    • 5.1 全缺省
    • 5.2 半缺省
  • 6. 函数重载
    • 6.1 几种不同类型的函数重载
    • 6.2 函数重载的原理——名字修饰(name Mangling)
      • 6.2.1 C程序为什么不支持函数重载?
      • 6.2.2 C++函数名修饰规则
  • 7. 引用
    • 7.1 引用的概念
    • 7.2 引用特性
    • 7.3 常引用
    • 7.4 使用场景
      • 7.4.1 做函数参数
      • 7.4.2 做函数返回值
      • 7.4.3 传值和传引用的效率分析
    • 7.5 引用和指针的联系
  • 8. 内联函数
    • 8.1 概念
    • 8.2 特性
    • 8.3 和宏对比
  • 9. auto的使用细则
    • 9.1 认识auto
    • 9.2 对指针和引用的区别
    • 9.3 一行多次定义的场景
    • 9.4 auto无法使用的场景
  • 10. 基于范围的for循环
    • 10.1 范围for的语法
    • 10.2 范围for的使用条件
  • 11. 指针空值nullptr

前言

什么是C++?

  • C语言是结构化和模块化的语言,适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题,规模较大的程序,需要高度的抽象和建模时,C语言则不合适。为了解决软件危机, 20世纪80年代, 计算机界提出了==OOP(object oriented programming:面向对象)==思想,支持面向对象的程序设计语言应运而生。
  • 1982年,Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念,发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系,命名为C++。因此:C++是基于C语言而产生的,它既可以进行C语言的过程化程序设计,又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计,还可以进行面向对象的程序设计

1. C++发展历史

1979年,贝尔实验室的本贾尼等人试图分析 unix 内核的时候,试图将内核模块化,于是在C语言的基础上进行扩展,增加了类的机制,完成了一个可以运行的预处理程序,称之为C with classes。

语言的发展就像是练功打怪升级一样,也是逐步递进,由浅入深的过程。我们先来看下C++的历史版本。

阶段 内容
C with classes 类及派生类、公有和私有成员、类的构造和析构、友元、内联函数、赋值运算符 重载等
C++1.0 添加虚函数概念,函数和运算符重载,引用、常量等
C++2.0 更加完善支持面向对象,新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静 态成员以及const成员函数
C++3.0 进一步完善,引入模板,解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处 理
C++98 C++标准第一个版本,绝大多数编译器都支持,得到了国际标准化组织(ISO)和美 国标准化协会认可,以模板方式重写C++标准库,引入了STL(标准模板库)
C++03 C++标准第二个版本,语言特性无大改变,主要:修订错误、减少多异性
C++05 C++标准委员会发布了一份计数报告(Technical Report,TR1),正式更名 C++0x,即:计划在本世纪第一个10年的某个时间发布
C++11 增加了许多特性,使得C++更像一种新语言,比如:正则表达式、基于范围for循 环、auto关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++14 对C++11的扩展,主要是修复C++11中漏洞以及改进,比如:泛型的lambda表 达式,auto的返回值类型推导,二进制字面常量等
C++17 在C++11上做了一些小幅改进,增加了19个新特性,比如:static_assert()的文 本信息可选,Fold表达式用于可变的模板,if和switch语句中的初始化器等
C++20 自C++11以来最大的发行版,引入了许多新的特性,比如:模块(Modules)、协 程(Coroutines)、范围(Ranges)、概念(Constraints)等重大特性,还有对已有 特性的更新:比如Lambda支持模板、范围for支持初始化等
C++23 制定ing

C++还在不断的向后发展。但是:现在公司主流使用还是C++98和C++11。

关于那些更新的版本特性,待我们将C++学习的很深入了,再去慢慢探寻它的真谛。

2. 关键字

在认识完C++后,话不多说直接进入C++的学习。

C++总计63个关键字,C语言32个关键字。这些关键字不需要特别记,在平常使用中,我们都会熟悉到。

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3. 命名空间

3.1 命名空间的概念

先来看一个问题,我们在写C语言时,我们取的变量名,有时会与库中的变量名发生命名冲突

例如:

#include
#include

int rand = 10;
int main()
{
	printf("%d", rand);
	return 0;
}

运行,程序报错

在这里插入图片描述

这是因为在库中已经有了 rand 这个函数,再次使用 rand 这个名字定义变量或者函数时,编译器会分不清你到底想使用哪个 rand

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关键字的出现就是针对这种问题的。

3.2 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。

  1. 正常的命名空间的定义
namespace czh
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int rand = 10;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}

	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}
  1. 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
	{
		int c;
		int d;
		int Sub(int left, int right)
		{
			return left - right;
		}
	}
}
  1. 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
// test.cpp
namespace N1
{
	int a;
	int b;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
	namespace N2
	{
		int c;
		int d;
		int Sub(int left, int right)
		{
			return left - right;
		}
	}
}
// test.h
namespace N1
{
	int Mul(int left, int right)
	{
		return left * right;
	}
}
// 最终上面test.h和test.cpp中的两个N1会被合成一个。

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

3.3 命名空间的使用

命名空间中成员该如何使用呢?

namespace N
{
	int a = 0;
	int b = 1;

	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}

	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}

方法一:加命名空间名称及作用域限定符

这里的::就是作用域限定符,可以指定要访问命名空间中的成员。

int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	return 0;
}

方法二: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;
}

方法三:使用using namespace 命名空间名称引入

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

4. C++输入、输出

#include

using namespace std;

int main()
{
	// 输入
	int a = 0;
	cin >> a;

	// 输出
	cout << "Hello world!!!" << endl;
	cout << "a = " << a << endl;
	return 0;
}

说明:

  1. 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。
  2. 使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时,必须包含头文件以及按命名空间使用方法使用std
  3. coutcin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。
  4. <<是流插入运算符,>>是流提取运算符。
  5. 使用C++输入输出更方便,不需要像printf/scanf输入输出时那样,需要手动控制格式。C++的输入输出可以自动识别变量类型。
  6. 实际上coutcin分别是ostreamistream类型的对象,>><<也涉及运算符重载等知识,这些知识我们我们后续才会学习。

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。

5. 缺省参数

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。

缺省参数说的简单点,就是给函数参数写默认值

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,使用指定的实参10
	return 0;
}

缺省参数分类:

  1. 全缺省
  2. 半缺省

5.1 全缺省

全缺省指的是函数的所有参数都给缺省值

像这样:

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

有四种调用此函数的方式

  1. 什么都不传
Func();

此时a,b,c的值为函数的默认参数值10,20,30。

  1. 传一个参数
Func(0);

此时a的值为0,b和c的值为默认值20和30。

  1. 传两个参数
Func(0, 1);

此时a和b的值为0和1,c的值为默认值30。

  1. 传三个参数
Func(0, 1, 2);

此时a,b,c的值为0,1,2;

注意

传参不能写成这种形式

Func(, 1, );
Func(, , 2);
Func(, 1, 2);
Func(0, , 2);

总结

实参是从左向右依次填充的。

5.2 半缺省

只要有参数没有给缺省值,那么它就是半缺省的

像这样:

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

注意:

  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(一般都是声明给,定义不给
  3. 缺省值必须是常量或者全局变量

理解:

  1. 不能写成这种形式
void Func1(int a = 10, int b, int c);
void Func2(int a = 10, int b = 20, int c);
  1. 如果声明与定义同时出现缺省值,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。

调用方法同全缺省。

6. 函数重载

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。

6.1 几种不同类型的函数重载

  1. 参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

double Add(double left, double right)
{
	return left + right;
}
  1. 参数个数不同
void f()
{
	cout << "f()" << endl;
}

void f(int a)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}
  1. 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;
}

注意:这样不属于函数重载,会报错

long long Add(int x, int y)
{
	return x+y;
}

int Add(int x, int y)
{
	return x+y;
}

因为它们参数类型,数量,顺序都一样,只是返回值不同,不构成函数重载;调用函数时,传两个int类型的值,但是编译器不知道你要调用哪个函数,编译报错。

总结:函数重载只与函数名和参数有关,和返回类型无关。

6.2 函数重载的原理——名字修饰(name Mangling)

6.2.1 C程序为什么不支持函数重载?

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。

我们定义两个源文件和一个头文件来解释:

  • func.h
  • func.c
  • main.c

在 func.c 文件中定义并在 func.h 文件中声明这两个函数:

int func(int x,int y);
int func(int x,double y);

func.c 和 main.c 函数会经过预处理、编译、汇编形成对应的 func.o 文件和 main.o 文件。

链接时会将两个.o文件合并到一起,包括:

  • 合并段表
  • 符号表的合并与重定位

每一个.o文件都有一个符号表,符号表中存放着函数的地址。main函数调用函数时会去符号表中找相应函数的地址,然而我们定义的两个func函数形成了两个地址,导致编译器不知道调用哪个,所以报错。所以C程序不支持函数重载。

6.2.2 C++函数名修饰规则

相比起C程序而言,C++新增了一个函数名修饰规则来支持函数重载

这个规则就是将函数的参数带入符号表,所以函数参数的类型,数量,顺序不同代表的是不同的函数,找地址时就不会出错

  • 采用C语言编译器编译的结果:

C++入门精讲——入门看完这一篇就够了_第2张图片

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++编译器编译的结果:

C++入门精讲——入门看完这一篇就够了_第3张图片

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。格式为:_Z+函数长度+函数名+类型首字母

7. 引用

7.1 引用的概念

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;

引用符号:&

举例说明:

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;//<====定义引用类型
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
    return 0;
}

运行结果:(打印出来地址相同

在这里插入图片描述

并且改变引用对象的值,原先的值也会改变!

注意:引用类型必须和引用实体是同种类型的

7.2 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

代码举例加深理解:

int main()
{
	int a = 10;
	// int& ra; // 该条语句编译时会出错,违背特性1
	
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	printf("&a:%p &ra:%p &rra:%p\n", &a, &ra, &rra); // 一个变量可以有多个引用

	int b = 20;
	ra = b; // 这条语句的意思是将b的值赋值给a,而不是ra从对a的引用变成对b的引用
	printf("&b:%p &ra:%p ra:%d\n", &b, &ra, ra);
	
	return 0;
}

运行结果:

在这里插入图片描述

7.3 常引用

顾名思义就是对常量的引用,但是常量具有不可修改性,所以引用一个常量时要加上const

代码举例加深理解:

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 double& rd = d;
	return 0;
}

7.4 使用场景

7.4.1 做函数参数

之前在写C程序的交换函数时,因为形参是实参的一份拷贝,想要改变实参就要传地址,而现在有了引用就不用传地址了。

引用作为形参,在函数体内我们对引用的修改,就是对实参的修改。

例如:

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

7.4.2 做函数返回值

引用做返回值时,可在函数外面修改函数里面的内容,前提是引用的变量出了函数不会销毁

int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}

这段代码传引用返回是错误的,因为函数调用完后c变量就被销毁了,而将c的引用返回后,会有类似于使用野指针的风险。

结论: 在函数返回时,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

7.4.3 传值和传引用的效率分析

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。

7.5 引用和指针的联系

  • 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。
  • 引用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。

引用和指针的的汇编代码对比

C++入门精讲——入门看完这一篇就够了_第4张图片

可以看到引用和指针在底层是一模一样的

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。

8. 内联函数

8.1 概念

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。

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如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数,在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

查看方式:

  1. 在release模式下,查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add

  2. 在debug模式下,需要对编译器进行设置,否则不会展开(因为debug模式下,编译器默认不会对代码进行优化,以下给出vs2022的设置方式)

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内联函数 Add 的汇编

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8.2 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:

C++入门精讲——入门看完这一篇就够了_第8张图片

  1. inline不建议声明和定义分离,分离会导致链接错误。因为inline在编译阶段被展开,就没有函数地址了,链接时就会找不到

8.3 和宏对比

宏的优缺点?

优点:

  1. 增强代码的复用性。

  2. 提高性能。

缺点:

  1. 不方便调试宏。(因为预编译阶段进行了替换)
  2. 导致代码可读性差,可维护性差,容易误用。
  3. 没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏?

  1. 常量定义,换用const enum

  2. 短小函数定义,换用内联函数

9. auto的使用细则

9.1 认识auto

  • 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。
  • 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。

注:

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。

9.2 对指针和引用的区别

  1. 对指针来说*可有可无
int x = 0;
auto a = &x;
auto* b = &x;
  • a的类型是int*,此时autoint*
  • b的类型是int*,此时autoint

结论:使用auto加不加*都行,效果一样

  1. 对引用来说必须加上&
int x = 0;
auto& a = x;
auto b = x;
  • a的类型是int&autoint
  • b的类型是intautoint

结论:如果想用auto定义一个引用变量则必须加上引用符&

9.3 一行多次定义的场景

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。

例如:

auto a = 1, b = 2; // 没问题
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

9.4 auto无法使用的场景

  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)
{}
  1. auto不能用于声明数组
void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4,5,6};
}

10. 基于范围的for循环

10.1 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:

  • void TestFor()
    {
        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;
    }
    

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

上述代码可以改成这样:

void TestFor()
{
    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。
  • 中间的:是范围for的规定写法,没有特殊意义

10.2 范围for的使用条件

  1. for循环迭代的范围必须是确定的
    对于数组而言,就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围;对于类而言,应该提供begin和end的方法,begin和end就是for循环迭代的范围。注意:以下代码就有问题,因为for的范围不确定。
void TestFor(int array[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}
  1. 迭代的对象要实现++和==的操作(这里入门仅作了解,后续深入学习)

11. 指针空值nullptr

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)"<<endl;
}
void f(int*)
{
    cout<<"f(int*)"<<endl;
}
int main()
{
    f(0);
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    return 0;
}

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被定义成0,因此与程序的初衷相悖。
在C++98中,字面常量0既可以是一个整型数字,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型常量,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:

  1. 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。

  2. 在C++11中,sizeof(nullptr)sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

  3. 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

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