【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】

C++入门

  • 七、引用
  • (一)引用 概念
    • (1)引用 概念
    • (2)引用 使用
    • ★☆(3)引用 特性
    • (4)常引用
  • (二)引用的 实际应用 及 其意义
    • ☆(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
      • 1.2 传值、引用传参 性能测试对比
    • (2)做返回值
    • ★ 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
    • ★☆ 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
      • 1.2 类型截断
      • 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
      • 2.2 传值返回
      • 3. 临时变量具有**常性**,**不可修改**
    • (三) 传值返回 和 传引用返回 的性能比较
  • ★ 引用 与 指针 的区别
    • 总结:引用和指针的不同点( 使用 和 概念 上的区别 )
  • 八、内联函数
  • (一)前言:C中的 宏
    • (二)宏的优点
    • (三)宏的缺点
    • C++针对宏的缺点作出的改进:用 enum const inline内联函数 替代 宏
    • (2)inline 替代 宏函数
  • 内联函数
  • (一)概念
      • 内联展开 查看方式:
  • (二)特性
    • 总结内联函数inline 优点:
  • 九、auto 关键字(C++11)
  • 前言:类型别名思考
      • typeid 打印类型
  • typedef 给类型取别名
  • (一)auto简介
  • (二)auto的使用细则
  • (三)auto 不能推导的场景
  • 十、基于范围的for循环(C++11)
    • 前言
    • (一)范围for的语法
    • (二)语法的含义
    • (三)范围for的使用条件
  • 十一、指针空值nullptr(C++11)
    • 前言:C++98中的指针空值
    • (一)指针空值nullptr (C++11)



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
【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第1张图片

就好比 鲁迅 和 周树人 是同一个人。



(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 引用实体同种类型 的】

在这里插入代码片


★☆(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

【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第2张图片
也可对常量进行别名
在这里插入图片描述

  1. 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 别名指针 配合使用



(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 。

【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第4张图片
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。



(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】



☆(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



(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

  • 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。
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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。
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1.3 强制类型转换

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(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

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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



★ 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

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  • 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。】



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. 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. 引用自加引用的实体增加1指针自加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

【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第17张图片
在这里插入图片描述



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



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



内联函数

(一)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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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. 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. 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


  1. 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:
  • 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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  1. 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


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。



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:
    【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第22张图片

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



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。



(一)auto简介

  • 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;
}

【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第23张图片

  1. 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);
}

  1. 函数返回值也不支持
X 
auto TestAuto(auto a)
{}

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

这是非常坑的。
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  1. auto 不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {456};
}
  1. 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

  2. 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。



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 。



(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。



(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。



(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。
【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第25张图片


  1. 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)


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。



(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
    【C++】C++入门详解 II【深入浅出 C++入门 这一篇文章就够了】_第26张图片


nullptr
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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)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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