一、C++入门
1 C++关键字
C语言中有32个关键字，而在C++中有63个关键字。
当前我们不对关键字进行具体了解，等后续要用到的时候再学习该如何使用。
2 命名空间
在C和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。
为了避免命名冲突或名字污染，我们使用命名空间来对标识符的名称进行本地化，namespace关键字的出现就是解决这个问题。
例1：
#include 输出结果：
例2：
#include
#include
int rand = 10;
int main()
{
printf("%d\n", rand);
return 0;
}
输出结果：
例2和例1相比，只是多了一个头文件rand刚好在头文件rand，就和库里面的名字相冲突了，所以编译器会警告"rand"重定义。
这种情况在生活中其实也会经常出现的，比如一个项目组里面两个人分别用同一个名字定义了一个函数和一个变量，两个人各自运行自己的代码的时候是没有问题的，而当两个人将他们的代码组合在一起再运行的时候，就会出现上面的问题。
在C语言中，这种情况实际上是没办法解决的，所以C++提出了namespace来解决。
2.1 命名空间的定义
定义命名空间，需要使用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。
一般的命名空间定义：
//Kevin是命名空间的名字，一般开发中用项目名字做命名空间名。
namespace Kevin
{
// 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;
};
}
除了一般的命名空间定义外，命名空间还可以嵌套。
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;
}
}
}
同一个工程中，允许存在多个相同名称的命名空间，编译器会将名称相同的命名空间合并成同一个命名空间。
例：
// test.h
namespace N1
{
int Mul(int left, int right)
{
return left * right;
}
}
//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;
}
}
}//一个工程中的test.h和test.cpp中的两个N1会被合并成一个
2.2 命名空间的使用
定义了命名空间后，该怎么使用呢？
#include 上面的代码如果我们运行的话，编译器会报错error C2065: “a”: 未声明的标识符，这是因为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。
要使用命名空间的内容，有以下三种方式：
2.2.1 制定命名空间访问
使用这种方式，需要在待访问变量前加命名空间名称及作用域限定符：：
int main()
{
printf("%d\n", Kevin::a);
printf("%d\n", Kevin::N2::c);//嵌套命名空间的使用
return 0;
}
2.2.2 部分展开
使用using + 命名空间名称可以将命名空间中某个成员引入：
using Kevin::b;
int main()
{
printf("%d\n", Kevin::a);//制定命名空间访问
printf("%d\n", b);//部分展开
return 0;
}
实际开发项目工程时，一般采用部分展开的方式较好，这样做可以只将需要用的对象引入，而最大限度地避免库建立的命名空间和自己建立的命名空间产生冲突。
2.2.3 全局展开
如果不想每次都要制定命名空间访问的话，还可以使用using namespace + 命名空间名称来引入：
using namespace Kevin;
int main()
{
printf("%d\n", a);
printf("%d\n", b);
Add(10, 20);
return 0;
}
全局展开通常适用于项目较小及平时练习的时候，面对一些较大的项目，不建议全局展开。
下面我们对上面的三种方式同时测试一下：
#include 输出结果：
3 C++输入&输出
在C中我们用scanf和printf函数来实现输入输出，那么在C++中要怎么实现呢？
例1：
#include输出结果：
例2：
#include 输出结果：
通过观察上面两段代码，再和C中的scanf和printf类比，我们似乎可以发现cout就相当于C中的printf函数，而cin就相当于C中的scanf函数。可以感受到，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。
除此之外我们还注意到，代码中使用了名为std的命名空间，std实际上是C++标准库的命名空间，由于使用using namespace std展开后，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义的类型、对象、函数跟库里面的重名，就存在冲突问题。虽然该问题在日常练习中很少出现，但是当项目开发中代码较多、规模较大时，冲突就容易出现。所以在项目开发中建议采用像std::cout这样使用时指定命名空间或者用部分展开将常用的库对象、类型引入即可。
注意：早期的标准库中，所有功能都是声明在.h后缀的头文件中在全局域中实现的，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的后缀，虽然旧编译器（比如VC 6.0）中还支持
就目前来说，我们使用cin和cout的要点有：
- 使用
cout和cin，必须包含std。 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<<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
实际上，cout的一个更正式的叫法是标准输出对象(控制台)，cin的一个更正式的叫法是标准输入对象(键盘)。cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识。除此之外，关于cout和cin还有更多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等，在这里我们先简单学习它们的使用，等到后续有需要的时候我们再更深入地学习如何使用。
4 缺省参数
4.1 缺省参数的概念
缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定的实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。
缺省值必须是常量或者是全局变量。
#include 输出结果：
4.2 缺省参数的分类
4.2.1 全缺省参数
当函数有多个参数而每个参数都有缺省值的时候就称这个函数的参数为全缺省参数。
#include 输出结果：
注意：参数不能跳跃缺省，比如像Func(, , 3)或Func(, 2, )这种前面缺省而后面又有不缺省的情况是不被语法所认可的。也就是说，参数只能从右往左缺省，而不能从左向右缺省。
4.2.2 半缺省参数
当函数中部分参数有缺省值而部分参数又没有的时候就称这个函数的参数为半缺省参数，也称部分缺省参数。
#include 输出结果：
和全缺省参数一样，半缺省参数也只能从右往左缺省，不能从左向右缺省。
4.3 缺省参数的意义
以创建堆为例。我们在C语言中给堆初始化时，通常是这样做的：
struct Stack
{
int* a;
int top;
int capacity;
};
void StackInit(struct Stack* ps)
{
ps->a = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);//堆的容量为4
if (ps->a == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
ps->top = 0;
ps->capacity = 4;
}
这样做其实有一个不好的地方，就是这样初始化之后这个堆的容量就被固定了，当我们不确定堆的容量时，就容易造成内存的浪费，在C++中有了缺省参数的话我们就可以这样写：
void StackInit(struct Stack* ps, int defaultCapicity = 4)
{
ps->a = (int*)malloc(sizeof(int) * defaultCapicity);
if (ps->a == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
ps->top = 0;
ps->capacity = defaultCapicity;
}
上面的代码中，我们定义了一个缺省参数defaultCapicity，这样一来当我们不确定容量的大小时，函数就会读取缺省值来作为容量的大小，有确定的大小时也可以用给定的大小来确定容量，这样就灵活很多。
注意：缺省参数不能在函数的声明和函数的定义中同时出现，如果缺省参数在声明与定义中同时出现，由于两个地方提供的值不同，那么编译器就无法确定到底该用哪个缺省值，一般规定在声明的地方给出缺省参数。
//错误示例
//a.h
void Func(int a = 10);
//a.cpp
void Func(int a = 20)
{
}
5 函数重载
5.1 函数重载的概念
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、类型、类型顺序）不同，常用来实现功能类似但数据类型不同的问题。
例：
#include 输出结果：
5.2 函数重载的原理
为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？这就涉及到函数重载的原理——名字修饰。
一个实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成。通过在C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，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。
当某源文件a.cpp中调用了另一源文件b.cpp中定义的x函数时，由于x函数是在b.cpp中定义的，所以在编译后链接前的阶段，x函数的地址在b.o中，而在a.o的目标文件中没有x函数的地址，要想顺利实现调用，就需要在链接的阶段解决这个问题。
当链接器发现a.o调用了x函数，但是没找到x函数的地址，就会到b.o的符号表中找x函数的地址，然后链接到一起。
那么在链接时，面对x函数，链接器会使用哪个名字去找呢？这就涉及到编译器的函数名修饰规则。
由于每个编译器都有自己的函数名修饰规则，所以下面我们仅以VS2019编译器为例，通过写两段错误的代码来观察编译器是如何修饰函数名的。
- 采用C语言编译器编译：
#include 错误信息：
结论：采用C语言编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。
- 采用C++编译器编译：
#include 
可以看到，VS2019编译器对函数名字的修饰规则有些复杂难懂，不过实际上在这里我们并不需要理解它到底是怎么修饰的，现在只要知道编译器对函数名进行了修饰即可。
结论：采用C++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等信息添加到修改后的名字中。
到这里，C语言无法支持重载的原因就显而易见了，因为同名函数无法进行区分，而C++通过修饰规则对同名函数进行区分，所以支持重载。
注意：对于两个函数名和参数相同但返回类型不同的函数并不构成重载，因为调用时编译器无法进行区分。
6 引用
6.1 引用的概念
在C++中，给已存在的变量取一个别名叫引用，它不是新定义一个变量，编译器不会为引用变量开辟内存空间，而是它和它引用的变量共用同一块内存空间。
引用的用法：类型& 引用变量名 = 引用实体；
例：
void TestRef()
{
int a = 10;
int& ra = a;//<====定义引用类型
printf("%p\n", &a);
printf("%p\n", &ra);
}
注意：引用类型必须和引用实体为同一种类型。
6.2 引用的特性
- 引用在定义时必须初始化。
- 一个变量可以有多个引用。
- 引用也可以有引用。
- 引用一旦引用一个实体，将不能再引用其他实体。
例：
#include 输出结果：
6.3 常引用
我们在学指针的时候知道，在对其进行赋值或初始化时，权限只能缩小，但是不能放大，也就是说对于一个变量的指针，可以通过指针对其进行修改，也可以用const修饰后进行限制；但是对于一个常量的指针，我们就只能通过指针来进行访问而不能进行修改。
对于引用其实也有类似的性质，这就是常引用。
void TestConstRef()
{
const int a = 10;
//int& ra = a; // 该语句编译时会出错，a为常量
const int& ra = a;//正确引用
// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
const int& b = 10;//正确引用
double d = 12.34;
//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
const int& rd = d;//正确引用
int x = 1;
const int& y = x;//正确引用
}
6.4 引用的使用
6.4.1 做参数
例：
#include 输出结果：
6.4.2 做返回值
例1：
#include 输出结果：
例2：
#define N 10
#include 输出结果：
例3：
//下面代码输出结果是什么？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;
cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
return 0;
}
输出结果：
为什么第一次输出的结果是7而第二次输出的结果是一串数字呢？
我们知道，函数运行时，系统需要给该函数开辟独立的栈空间，用来保存该函数的形参、局部变量以及一些寄存器信息等。当函数运行结束后，该函数对应的栈空间就被系统回收了。但需要注意的是，空间被回收指的是该块栈空间暂时不能使用，但是内存还在，也就是说这块空间有没有被清理并不确定。
在上面的例子中，当第一次运行Add函数结束后变量c就被销毁了，虽然在main函数中ret引用了Add函数的返回值c，但实际引用的只是一块已经被释放的空间。而第二次运行Add函数结束后，由于c被修改成了7，所以引用ret的值也发生了改变。又因为原本被Add函数占用的空间被释放后，其空间有没有被清理并不确定，所以两次输出的结果不同。
图解：
结论：函数返回时，如果出了作用域返回对象还未被销毁，则可以使用引用返回，如果已经被销毁，则必须使用传值返回。
6.5 传值返回和引用返回的效率比较
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拷贝，因此用值作为参数或者返回值类型，效率是比较低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时，效率就更低。
例1：
#include 输出结果：
例2：
#include 输出结果：
6.6 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。
例：
#include 输出结果：
- 在底层实现上，引用其实是有空间的，而且是按照指针的方式来实现的。
我们通过对比下面代码的汇编代码来理解一下：
#include 汇编代码：
可以看到，从汇编层面上看，引用也是用指针去实现的。
引用和指针的不同点：
- 引用概念上定义一个变量的别名，而指针存储一个变量地址。
- 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。引用的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。 - 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，引用则通过编译器自行处理。
- 相对来说引用使用起来比指针更安全。
7 内联函数
在C语言中，为了增强代码的复用性我们引入了宏。但是由于宏不能调试，而且没有类型安全的检查，以及在有些场景下使用起来非常复杂，于是C++中引入了内联函数来解决这些问题。
7.1 内联函数的概念
以inline修饰的函数叫做内联函数，由于C++编译器在编译时会将调用内联函数的地方进行展开，所以不会产生建立函数栈帧的开销，从而提升程序运行的效率。
如果在上面的Add函数前增加inline关键字将其修改为内联函数，那么在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。
查看方式（VS2019):
- 在
release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add。 - 在
debug模式下，需要对编译器进行如下设置，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）。
7.2 内联函数的特性
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，由于在编译阶段，会用函数体替换函数调用，虽然少了调用开销，提高了程序运行的效率，但是也有可能会使目标文件变大。inline对于编译器而言只是一个建议，也就是说编译器可以选择忽略这个请求，而且不同编译器对于inline实现机制也有所不同。所以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。inline不建议声明和定义分离，因为用inline修饰函数后，函数就被展开从而失去了函数地址，此时如果将声明和定义分离就会导致链接错误。
例：
// F.h
#include 8 auto关键字（C++11)
8.1 auto的引入
随着我们学习的逐渐深入，我们写的代码也会越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：
- 类型难以拼写。
- 含义不明确导致容易出错。
例：
#include 上面这段代码我们现在不需要看懂，只需要知道std::mapstd::string>::iterator是一个类型，显然这样的类型太长了，在以往我们可能会想到使用typedef来简化代码：
#include 但实际上typedef有时也会遇到难题：
#include 输出结果：
在上面的例子中，我们本想让const pstring p1这条语句等价于const char* p1，但是被typedef重命名后这条语句等价成了char* const p1，这里并没有更深层的原因，只是受语法的限制，我们只需清除typedef在这种情况下的缺陷即可。
除了上面这种情况，我们常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。
8.2 auto的含义
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，大家可思考下为什么？
在C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义：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。
例：
#include 输出结果：
注意：使用auto定义变量时必须对其进行初始化，由于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”，编译器在编译时会将auto替换为变量实际的类型。
8.3 auto的使用规则
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&。
例：
#include 输出结果：
- 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。
例：
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
}
8.4 auto的限制
- 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)
{
}
- auto不能直接声明数组
#include 编译结果：
- 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。
8.5 auto的应用：基于范围的for循环
8.5.1 范围for的语法
在C++98中如果要遍历一个数组，通常按照以下方式进行：
#include 输出结果：
实际上，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: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。
例：
#include 输出结果：
注意：与普通循环一样，基于范围的for循环可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。
8.5.2 范围for的使用条件
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。
例：
void TestFor(int array[])
{
for (auto& e : array)
cout << e << endl;
}
上面的代码就有问题，因为数组作为参数传入函数实际上传的是数组的首地址，从而导致for的范围不确定。
- 迭代的对象要实现
++和==的操作。（暂时不用理解，后续会讲）
9 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;
}
而在C++98中，NULL实际是一个宏，在传统的C头文件
#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：
#include 输出结果：
上面的代码中，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。
为了避免上述情况的发生，在C++11中引入了nullptr来解决这个问题。
关于nullptr，需注意以下几点：
- 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。