【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】

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七、引用

（一）引用 概念

（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 。

就好比 鲁迅 和 周树人 是同一个人。

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（2）引用 使用

引用就是取别名；

类型 & 引用变量名(对象名) = 引用实体；
【★☆★ 注意：引用类型 必须和 引用实体 是 同种类型 的】

在这里插入代码片

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★☆（3）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
   别名也可以再取别名

也可对常量进行别名

4. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
   
   定义了是一个实体的别名，就不能再改变成其他实体的别名了 。

• C++中无法通过=符号，将引用一个实体得到的别名，更改为另一实体的别名。
• 但Java中可以 通过=符号，改变别名的引用的方向。

所以，别名不能完全替代指针，更多的是 别名 与 指针 配合使用

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（4）常引用

//常引用
int main(){
   const int a = 10;
   int& b = a;
   
   return 0;
}

大家可以去自己的编译器下运行一下这段代码，看看会出现什么问题

详解

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• const 修饰：

  1. 可做 const修饰的 变量的别名 （权限可平移）
  2. 也可做 非const修饰的 变量的别名（权限可缩小）

• 指针也同样存在权限放大缩小的问题：
  const + 指针 也不能传给 非const的指针 去保存。（在const修饰下，还存在可修改的可能，这是不合法的）

• 总结：
  权限可平移，可缩小，但不能放大 。

这里则是 定义了另外一个变量空间b，将a的值赋值给b，对值的拷贝，对a的权限没有影响，所以是合法的。

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（二）引用的 实际应用 及 其意义

也正是因为别名和它引用的变量 共用同一块内存空间这一特性，所以 取别名就跟把地址传过去一样，改变的内存空间都是同一块。为后文，做参数时，大大提高了写代码的效率【请看下文】

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☆（1）做参数 —— &形参取别名 可做到 形参的改变可影响实参

☆★ 1.1 传值、传引用效率比较

• 传值
  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。

• 传引用 = 传指针（且还会比传指针更方便）
  正是因为 别名和它引用的变量 共用同一块内存空间这一特性，所以 取别名就跟把地址传过去一样，改变的内存空间都是同一块。
  所以，对 传过来的参数取别名（作为形参） = 在 解引用* 实参的地址，直接对实参的地址进行操作，不需要再拷贝内容了 。
  
  
  

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1.2 传值、引用传参 性能测试对比

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（2）做返回值

问题一：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);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

答案是 3，7；

解析

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★ 讨论：传引用返回值时 的函数调用完后栈帧销毁，收回空间使用权后是否还能找到数据 问题

• 在传值返回中，传回去的是 n值的拷贝
• 而在传引用返回中，则是 相当于 引用n取了个别名tmp（别名与实体 共用同一块空间，地址相同），把tmp传回去，相当于就是把n传回去（因为地址相同）。

☆ 但会出现类似野指针的问题，因为函数调用完了，函数开辟的栈帧就被销毁了，空间的使用权被操作系统收回，但空间还在，操作系统继续运行程序时，再重新将这块空间进行分配，重复利用。

所以 返回的是多少取决于：

1. 编译器是否在销毁栈帧时清理n的空间
2. 以及，是否在空间使用权收回后，分配给下一个程序，是否有程序运行产生的数据将其要返回的原空间 变量n储存的数值 覆盖
   
   

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【函数栈帧的调用与销毁 不懂的同学建议去看一下这篇文章，了解其底层原理，能帮助我们更好的掌握知识，串联知识。】

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改进：用 static 进行修饰，出了作用域，对象还在（合法化），才能引用返回

• 问题二：那要是把条件改为 static int c = a + b；和 结果又会发生什么变化呢

int& Add(int a, int b)
{
    static int c = a + b;        //局部静态变量，只会被初始化一次
    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;
}

• 问题三：static int c; c = a + b; 值又是多少呢？

int& Add(int a, int b)
{
    static int c;
    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;
}

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★☆ 探讨：临时变量

（一） 类型转换 [ 1. 类型提升、2. 类型截断 3. 强制类型转换 ] 都要生成临时变量

1.1 类型提升

x 类型提升后，就变成无符号了吗？ 并没有，对 x 本身并没有什么影响。

1.2 类型截断

都是通过 对ii的临时变量 进行截断，再用这个截断后的临时变量对ch进行赋值。对其原变量没有影响。

1.3 强制类型转换

（二） 传值、传参，传值返回，都要生成临时变量

2.1 传参

形参是实参的一份临时拷贝

2.2 传值返回

都要生成临时变量，都是在对生成的临时变量进行处理，对其本来的变量没有影响

3. 临时变量具有常性，不可修改

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(三) 传值返回 和 传引用返回 的性能比较

#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;
}

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

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★ 引用 与 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 。

• 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 。

【 在实际运行显示出来的，还是要以语法为主（虽然其底层实现是靠指针实现）： 引用 没开空间；指针 开了空间。】

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总结：引用和指针的不同点（ 使用 和 概念 上的区别 ）

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（则容易出现 野指针问题）

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
   [ 3、4点提现：引用更安全，但也不是绝对的安全 ]

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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八、内联函数

（一）前言：C中的 宏

由于在程序运行时，函数建立栈帧 是一件消耗很大的事情

1. 保存寄存器
2. 给寄存器开空间

为解决这个问题，C语言推出了宏的概念。

【想了解关于宏的更多知识，目前还没来的及更新，敬请期待，我会将文章链接放在这】

（二）宏的优点

1. 增强代码的复用性
2. 宏用起来跟函数类似：直接替换，不需要建立栈帧，提高效率

（三）宏的缺点

1. 不方便调试宏。（因为 在预编译阶段 就已经进行了替换，调试时是已经编译完了的）

2. 要进行替换的内容，离要替换进去的位置是有一定距离的，要检查就没有办法像直接写在程序中来的直观，不能一眼直接检查出代码中出现的问题 。
   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

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C++针对宏的缺点作出的改进：用 enum const inline内联函数 替代 宏

（1）enum const 替代 宏常量

（2）inline 替代 宏函数

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内联函数

（一）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。

inline修饰后，编译时C++编译器 会在 调用内联函数的地方展开

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内联展开 查看方式：

1. 右键 <文件名>

2. 点击 <属性>

3. 在 release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add 【 默认条件下，函数还是会建立栈帧 】

4. 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)
   
   
   

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（二）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：不用建立栈帧，提高程序运行效率

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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，大概10行以内 )、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：

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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（直接在程序中展开，就不需要地址了），就没有函数地址了，链接就会找不到。

//声明和定义分离
// 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 __cdeclf(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

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总结内联函数inline 优点：

1. inline + 函数 ——> 内联函数 [ 好写，语法简单 ]
2. 效率和宏一样：不需要进建立栈帧（会展开（编译器会将函数的逻辑调出来））
3. 还能调试

对于宏的缺点，内联函数inline 都能克服。

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九、auto 关键字（C++11）

前言：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

typeid 打印类型

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

auto 对于像int 3个字符，auto 4个字符，差别不大，没有任何意义。

• auto主要的用处还得是 在定义对象时，类型较长，用它比较方便：
  

std::map::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。

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typedef 给类型取别名

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<std::string, std::string> 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：

typedef char* pstring;
int main()
{
 const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
 const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
 return 0;
}

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。

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（一）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。

  • 因此，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。】

int TestAuto()
{
return 10;
}
int main()
{
int a = 10;
auto b = a;
auto c = 'a';
auto d = TestAuto();

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;
}

（二）auto的使用细则

1. auto与指针
   用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别

2. auto与引用
   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;
    
    cout << typeid(a).name() << endl;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    
    *a = 20;
    *b = 30;
     c = 40;
    return 0;
}

3. 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
}

（三）auto 不能推导的场景

1. auto 不能作为函数的参数 ，函数返回值也不支持

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【其原因 与auto初始化一样】。要是函数不进行调用了，那么这个形参auto a;就相当于没有被初始化了

// 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。
//要是函数不进行调用了，那么这个形参auto a;就相当于没有被初始化了
void TestAuto(auto a) X
{}

int main(){
//TestAuto(5);
}

2. 函数返回值也不支持

X 
auto TestAuto(auto a)
{}

int main(){
//TestAuto(5);
}

这是非常坑的。

3. auto 不能直接用来声明数组

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

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。

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十、基于范围的for循环(C++11)

前言

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 。

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（一）范围for的语法

• 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)
     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。 】

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（二）语法的含义

依次取数组中的数值赋值给e，自动判断结束，自动++往后走。

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（三）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[])
{
   //用auto：要是数组类型变了，这里也不用动类型
    for(auto& e : array)     //这里，auto& 即可改变数组array (指针无法替代)
        cout<< e <<endl;
    
   //也可以用实际类型    
    for(int& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

这里，auto& 即可改变数组array (指针无法替代)。 只有&引用能做到，指针不能。

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)

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十一、指针空值nullptr(C++11)

前言：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()
{
//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。
 f(0);
 f(NULL);

//如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0。
 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。

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（一）指针空值nullptr (C++11)

• 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。

• C++为了弥补C：NULL的不足，定义出nullptr 。
  
  
  

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nullptr

• 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。