【C++入门:C++世界的奇幻之旅】

  • 1. 什么是C++

  • 2. C++发展史

  • 3. C++的重要性

  • 4. C++关键字

  • 5. 命名空间

  • 6. C++输入&输出

  • 7. 缺省参数

  • 8. 函数重载

  • 9. 引用

  • 10. 内联函数

  • 11. auto关键字(C++11)

  • 12. 基于范围的for循环(C++11)

  • 13. 指针空值---nullptr(C++11)05. 

1. 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。

        C++是在C的基础之上,容纳进去了面向对象编程思想,并增加了许多有用的库,以及编程范式 等。熟悉C语言之后,对C++学习有一定的帮助,

本章节主要目标:

  • 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。

2. C++的发展史

        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 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++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,所有大家不用追求最 新,重点将C++98和C++11掌握好,等工作后,随着对C++理解不断加深,有时间可以去琢磨下更 新的特性。

关于C++2X最新特性的讨论:链接

3. C++的重要性

3.1 语言的使用广泛度

下图数据来自TIOBE编程语言社区2023年最新的排行榜,在30多年的发展中,C/C++几乎一 致稳居前5。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第1张图片

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第2张图片

TIOBE 编程语言社区排行榜是编程语言流行趋势的一个指标,每月更新,这份排行榜排名基于互 联网上有经验的程序员、 课程和第三方厂商的数量。排名使用著名的搜索引擎(诸如 Google、 MSN、Yahoo!、Wikipedia、YouTube 以及 Baidu 等)进行计算。 注意:排名不能说明那个语言好,那个不好,每门编程语言都有适应自己的应用场景。

3.2 在工作领域

1. 操作系统以及大型系统软件开发

所有操作系统几乎都是C/C++写的,许多大型软件背后几乎都是C++写的,比如: Photoshop、Office、JVM(Java虚拟机)等,究其原因还是性能高,可以直接操控硬件。

2. 服务器端开发

后台开发:主要侧重于业务逻辑的处理,即对于前端请求后端给出对应的响应,现在主流采 用java,但内卷化比较严重,大厂可能会有C++后台开发,主要做一些基础组件,中间件、 缓存、分布式存储等。服务器端开发比后台开发跟广泛,包含后台开发,一般对实时性要求 比较高的,比如游戏服务器、流媒体服务器、网络通讯等都采用C++开发的。

3. 游戏开发

PC平台几乎所有的游戏都是C++写的,比如:魔兽世界、传奇、CS、跑跑卡丁车等,市面上 相当多的游戏引擎都是基于C++开发的,比如:Cocos2d、虚幻4、DirectX等。三维游戏领 域计算量非常庞大,底层的数学全都是矩阵变换,想要画面精美、内容丰富、游戏实时性 搞,这些高难度需求无疑只能选C++语言。比较知名厂商:腾讯、网易、完美世界、巨人网 络等。

4. 嵌入式和物联网领域

嵌入式:就是把具有计算能力的主控板嵌入到机器装置或者电子装置的内部,能够控制这些 装置。比如:智能手环、摄像头、扫地机器人、智能音响等。

谈到嵌入式开发,大家最能想到的就是单片机开发(即在8位、16位或者32位单片机产品或者 裸机上进行的开发),嵌入式开发除了单片机开发以外,还包含在soc片上、系统层面、驱动 层面以及应用、中间件层面的开发。

常见的岗位有:嵌入式开发工程师、驱动开发工程师、系统开发工程师、Linux开发工程 师、固件开发工程师等。

知名的一些厂商,比如:以华为、vivo、oppo、小米为代表的手机厂;以紫光展锐、乐鑫为 代表的芯片厂;以大疆、海康威视、大华、CVTE等具有自己终端业务厂商;以及海尔、海 信、格力等传统家电行业。

随着5G的普及,物联网(即万物互联,)也成为了一种新兴势力,比如:阿里lot、腾讯lot、京 东、百度、美团等都有硬件相关的事业部。

5. 数字图像处理

数字图像处理中涉及到大量数学矩阵方面的运算,对CPU算力要求比较高,主要的图像处理 算法库和开源库等都是C/C++写的,比如:OpenCV、OpenGL等,大名鼎鼎的Photoshop 就是C++写的。

6. 人工智能

一提到人工智能,大家首先想到的就是python,认为学习人工智能就要学习python,这个 是误区,python中库比较丰富,使用python可以快速搭建神经网络、填入参数导入数据就 可以开始训练模型了。但人工智能背后深度学习算法等核心还是用C++写的。

7. 分布式应用

近年来移动互联网的兴起,各应用数据量业务量不断攀升;后端架构要不断提高性能和并发 能力才能应对大信息时代的来临。在分布式领域,好些分布式框架、文件系统、中间组件等 都是C++开发的。对分布式计算影响极大的Hadoop生态的几个重量级组件:HDFS、 zookeeper、HBase等,也都是基于Google用C++实现的GFS、Chubby、BigTable。包括分 布式计算框架MapReduce也是Google先用C++实现了一套,之后才有开源的java版本。

除了上述领域外,在:科学计算、浏览器、流媒体开发、网络软件等都是C++比较适合的场景, 作为一名老牌语言的常青树,C++一直霸占编程语言前5名,肯定有其存在的价值。

4. C++关键字(C++98)

C++总计63个关键字,C语言32个关键字

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第3张图片

5. 命名空间

我们首先来看一下一个C++程序的样子。

#include//头文件
using namespace std;//命名空间std

int main()
{
	cout << "hello world" << endl;//输出并换行

	return 0;
}

5.1 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。现在我们来介绍一下命名空间,注意:C++是兼容90%的C语言。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第4张图片

当我们加入头文件时程序就报错了,因为该文件下有一个rand函数,和我们当前的全局变量rand出现了命名冲突的问题。

#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rand是“函数”

        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。

命名冲突解决方法如下:不指定命名空间的名字不能访问该全局变量

#include 
#include 

namespace yu //是命名空间的名字,一般开发中是用项目名字做命名空间名。
{
	int rand = 10;
}//这里没有分号

int main()
{
	printf("%p\n", rand);//这里rand是函数,需要%p打印
    
    // :: 域作用限定符
	printf("%d\n", yu::rand);//这里rand是变量,需要%d打印
	return 0;
}

命名空间中可以定义变量 / 函数 / 类型:

namespace yu //是命名空间的名字,一般开发中是用项目名字做命名空间名。
{
	int rand = 10;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}//这里没有分号


//命名空间变量
yu::rand;
yu:Add(1,2);
struct yu::Node node;

命名空间可以嵌套:

namespace yu 
{
	namespace yu1
	{
		int rand = 10;
	}
	namespace yu2
	{
		int rand = 10;
	}
}

printf("%d\n", yu::yu1::rand);//输出
printf("%d\n", yu::yu2::rand);//输出

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。

// ps:一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个yu会被合并成一个
// test.h
namespace yu
{
    int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
}

5.2 命名空间使用

命名空间中成员该如何使用呢?比如:

#include 
#include 
namespace yu
{
	// 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;
}

命名空间的使用有三种方式:

  • 加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
    printf("%d\n", yu::a);
    return 0;    
}
  • 使用using将命名空间中某个成员引入
using yu::b;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;    
}
  • 使用using namespace 命名空间名称 引入
using namespce yu;
int main()
{
    printf("%d\n", yu::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

总结:

std是C++标准库的命名空间,如何展开std使用更合理呢?

  • 1. 在日常练习中,建议直接using namespace std即可,这样就很方便。
  • 2. 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。

6. 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。
【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第5张图片

#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()
{
	cout << "Hello world!!!" << endl;
	return 0;
}

说明:

  • 1. 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。
  • 2. 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< iostream >头文件中。
  • 3. <<是流插入运算符,>>是流提取运算符。
  • 4. 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。
  • 5. 实际上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, 这些知识我们我们后续才会学习,所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还有有 一个章节更深入的学习IO流用法及原理。

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。

#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()
{
	int a = 1;
	double d = 1.1;
	// 可以自动识别变量的类型
	cout << a << endl;
	cout << d << endl;
	// 可以多种类型拼接
	cout << a << "+" << d <<  "=" <<  a + d << endl;
	return 0;
}

运行结果:

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// ps:关于cout和cin还有很多更复杂的用法,比如控制浮点数输出精度,控制整形输出进制格式等等。因为C++兼容C语言的用法,这些又用得不是很多,我们这里就不展开学习了。后续如果有需要,我们再配合文档学习。如果需要,可以使用C语言的printf去控制精度。

7. 缺省参数

7.1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。

#include

using std::cout;
using std::endl;

void Func(int a = 0 ,int b = 1)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl << endl;
}
int main()
{
	Func();       // 没有传参时,使用参数的默认值
	Func(10);     // 传参时,使用指定的实参 -> 传参顺序:10->a
	Func(10, 20); // 传参时,使用指定的实参 -> 传参顺序:10->a,20->b
	return 0;
}

运行结果:

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7.2 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;
}

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
//a.h
void Func(int a = 10);
  
// a.cpp
void Func(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那个缺省值。

//规定:在声明的地方写缺省参数
//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
  • 4. C语言不支持(编译器不支持)

8. 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!”

8.1 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;

//重载:函数名相同,参数不同(类型不同,个数不同,类型顺序不同)返回值可同可不同

// 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;
}

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

// 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()
{
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);

	f();
	f(10);

	f(10, 'a');
	f('a', 10);
	return 0;
}

问:下面这个能构成重载吗? --- 构成(参数不同构成重载),但是实际上不会写这样的代码,不传参的时候调用存在二义性。

#include
using namespace std;
void f()
{
	cout << "f()" << endl;
}
void f(int a = 0)
{
	cout << "f(int a = 0)" << endl;
}

8.2 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。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第8张图片

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. 由于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,下面我们使 用了g++演示了这个修饰后的名字。

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】。

  • 采用C语言编译器编译后结果

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第9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++编译器编译后结果

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第10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。

  • Windows下名字修饰规则

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第11张图片

结论:对比一下发现修饰后的格式为:? + 函数名 + @@YA + 返回值 + 参数1 + 参数2 + @Z,int类型对应的是字母H,void类型对应的是字母X,double类型对应的是字母N。扩展:float类型对应的是字母M

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,我们就不做细致的研究了。【扩展学习:C/C++函数调用约定和名字修饰规则--有兴趣好奇的同学可以看看,里面 有对vs下函数名修饰规则讲解】

C/C++的调用约定

6. 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。

7. 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。

9. 引用

9.1 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"。
【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第12张图片

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体;

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第13张图片

注意:引用类型必须和引用实体是同种类型的。

9.2 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,可以给别名起别名
  • 3. 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体,此时引用只是赋值,不改变指向

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9.3 常引用

void TestConstRef()
{
	// 权限不能放大
	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;

	int c = 10;
	const int& rc = c;//权限可以缩小

	double d = 12.34;
	int& rd = d; // 该语句编译时会出错,类型不同
	const int& rd = d;//产生了临时变量12,此时是给临时变量取别名
}

9.4 使用场景

1. 做参数

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

2. 做返回值

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

int main()
{
	int ret = Count();
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

上面这个程序ret接收的是n还是n的拷贝???这里接收的是n的拷贝,当Count函数调用完后,局部变量就销毁了,所以我们这里是传值返回。如果我们引用返回呢???

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

int main()
{
	int ret = Count();
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

这里的ret值是不确定的,它返回的是n的别名然后赋值给ret,但是这要取决于编译器在释放了函数栈帧后有没有将n这个变量的值清理掉。vs编译器下,函数栈帧释放后不会将值清理掉。

运行结果:

下面代码输出什么结果?为什么?

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第15张图片

ret是上面c的别名,但是局部变量c出了函数作用域,返回对象就销毁了,不能用引用返回,否则结果是不确定滴。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第16张图片

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。

那引用作返回值我们该如何使用呢?我们可以给变量增加static修饰。

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

    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
    return 0;
}

运行结果:

这里输出这样的结果是因为静态局部变量只会初始化一次,后面再调用就不会执行。

9.5 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 
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;
}

运行结果:

值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include 
struct A { int a[10000]; };
A a; //全局变量
// 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,发现传值引用在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

9.6 引用和指针的区别

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。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第17张图片

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;
	// 语法,ra没有开空间
	int& ra = a;
	ra = 20;
	// 语法,pa开了空间
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第18张图片

这里可以验证引用就是变量的别名,没有开空间,语法上这里引用只占一个字节。我们来看下引用和指针的汇编代码对比:

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第19张图片

现象:底层上引用和指针的汇编代码一样,引用是按照指针方式来实现的。

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

10. 内联函数

10.1 概念

稍微介绍一下宏:

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

所以C++出现内联函数,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。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第20张图片

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vs2013的设置方式)

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第21张图片【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第22张图片

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第23张图片

这里就直接展开了,没有call去函数内部。

10.2 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:C++世界的奇幻之旅】_第24张图片

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。?

// F.h
#include 
using namespace std;
inline void f(int i);

// 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

11. auto关键字(C++11)

11.1 auto简介

        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?

        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 TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
    //typeid ->输出变量的类型
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << 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;
}

运行结果:

【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。​​​​​​

​​​​​​​11.2 类型别名思考

随着程序越来越复杂,程序中用到的类型也越来越复杂,经常体现在:

  • 1. 类型难于拼写
  • 2. 含义不明确导致容易出错
#include 
#include 
int main()
{
	std::map m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",
   "橙子" },
	  {"pear","梨"} };
	std::map::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

std::map::iterator 是一个类型,但是该类型太长了,特别容 易写错。聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,比如:

#include 
#include 
typedef std::map Map;
int main()
{
	Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
	Map::iterator it = m.begin();
	while (it != m.end())
	{
		//....
	}
	return 0;
}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码,但是typedef有会遇到新的难题:

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第25张图片

在编程时,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。

11.3 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&

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第26张图片

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。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第27张图片

11.4 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

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第28张图片

3. 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

4. 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表达式等进行配合使用。

12. 基于范围的for循环(C++11)

12.1 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。

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	// 依次取数组中的数赋给e
	// 自动判断结束,自动++往后走
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
}

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。

12.2 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。

【C++入门:C++世界的奇幻之旅】_第29张图片

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题,以后会讲,现在提一下,没办法 讲清楚,现在大家了解一下就可以了)

13. 指针空值nullptr(C++11)

13.1 C++98中的指针空值

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;
}

运行结果:

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。

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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) 与 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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