C++学习专栏【基础知识1】C++程序结构&命名空间&关键字&标识符&三字符序列
一、C++程序结构
让我们看一个简单的代码，它将打印Hello World一词。
#include
using namespace std;
int main() {
cout << "Hello World"; // prints Hello World
return 0;
} C++语言定义了几个头文件，其中包含对你的程序必要或有用的信息。对于这个程序，需要头文件
using namespace std;这一行告诉编译器使用std命名空间。命名空间是C++中相对较新的一个添加内容
int main() 是程序执行开始的主函数
cout << "Hello World"; 导致屏幕上显示消息"Hello World"
return 0; 终止 main() 函数并使其返回值为 0 给调用进程
二、C++命名空间是什么？
想象一下，你住在一座大城市，这个城市被划分成不同的区域：市中心、住宅区、商业区等等。每个区域都有独特的街道、建筑和规则。在这个场景中，每个区域就是一个命名空间，它们提供了独立的作用域，允许你在其中声明和使用标识符，而这些标识符的名字在不同的命名空间中可以重复使用，因为它们互相隔离。
普通命名空间定义
在C++中，我们可以使用关键字namespace来定义命名空间。比如：
// 定义名为math的命名空间
namespace math {
const double PI = 3.14159;
double areaOfCircle(double radius) {
return PI * radius * radius;
}
}
上面的代码定义了一个名为 math 的命名空间。它包含了一个常量 PI 和一个计算圆面积的函数 areaOfCircle。
就像城市中的区域可以进一步划分为子区域一样，命名空间也可以嵌套定义。例如：
命名空间的嵌套
namespace university {
namespace department {
void displayInfo() {
std::cout << "Welcome to Computer Science Department!" << std::endl;
}
}
}
这里，我们有一个嵌套的命名空间结构。university 是外层命名空间，内部有 department 命名空间，其中包含了一个显示信息的函数。
命名空间的使用
使用命名空间可以通过两种主要的方式：
限定名：使用作用域解析运算符::来访问命名空间中的成员，例如：
std::cout << "Hello, World!";
university::department::displayInfo();
这里的 std:: 表示标准命名空间，cout 是其中的一个成员。
小知识：
C++标准库中的
std命名空间是什么？为什么要使用它？
std命名空间是 C++ 标准库的命名空间，包含了标准库中的大部分功能、类和对象。使用std命名空间可以避免与用户定义的标识符产生冲突，并让代码更具可移植性。要使用标准库的标识符（如std::cout、std::vector），需要显式地指明其命名空间。
使用指令：通过 using 指令将整个命名空间的内容引入当前作用域，例如
using namespace math;
using namespace university::department;
这将使得 math 命名空间中的所有内容在当前作用域内可用，但要注意这种方法可能会引入命名冲突。
示例：使用普通命名空间
现在，让我们结合实际的例子来展示命名空间的使用：
#include
// 定义名为math的命名空间
namespace math {
const double PI = 3.14159;
double areaOfCircle(double radius) {
return PI * radius * radius;
}
}
int main() {
// 使用限定名调用命名空间中的函数
std::cout << "Area of circle with radius 2: " << math::areaOfCircle(2.0) << std::endl;
// 使用指令引入命名空间中的常量
using namespace math;
std::cout << "Value of PI: " << PI << std::endl;
return 0;
}
这个示例中，我们展示了如何使用限定名来调用命名空间中的函数，以及如何使用 using namespace 指令将命名空间中的常量引入当前作用域。
示例：使用嵌套命名空间
#include
namespace university {
namespace department {
void displayInfo() {
std::cout << "Welcome to Computer Science Department!" << std::endl;
}
}
}
int main() {
// 通过限定名调用嵌套命名空间中的函数
university::department::displayInfo();
// 使用指令引入嵌套命名空间
using namespace university::department;
displayInfo(); // 现在可以直接使用 displayInfo()，因为已经引入了 department 命名空间
return 0;
}
在这个示例中，我们展示了使用限定名和使用指令两种方式来使用嵌套命名空间。通过这些方法，我们可以方便地访问嵌套命名空间中的成员，使得代码更具有结构性和可读性。
总的来说，命名空间是C++中一种强大的工具，帮助我们组织和管理代码，避免命名冲突，提高代码的可读性和可维护性。
三、C++的关键字
下面的列表显示了 C++ 中的保留字。这些保留字不得用作常量、变量或任何其他标识符名称，加粗的为C语言的关键字
| asm | else | new | this |
| auto | enum | operator | throw |
| bool | explicit | private | true |
| break | export | protected | try |
| case | extern | public | typedef |
| catch | false | register | typeid |
| char | float | reinterpret_cast | typename |
| class | for | return | union |
| const | friend | short | unsigned |
| const_cast | goto | signed | using |
| continue | if | sizeof | virtual |
| default | inline | static | void |
| delete | int | static_cast | volatile |
| do | long | struct | wchar_t |
| double | mutable | switch | while |
| dynamic_cast | namespace | template |
以下是 C++ 中关键字的解释：
- Asm：用于声明需要传递给汇编器的代码块。
- auto：用作存储类别说明符，在特定块中定义对象。
- break：终止任何 switch 语句或循环。
- case：在 switch 语句中使用，指定语句表达式的匹配项。
- catch：指定异常发生时应采取的操作。
- char：C++ 语言中的基本数据类型之一，定义字符对象。
- class：用于声明封装特定类的数据成员、操作或成员函数的用户定义数据类型。
- const：帮助定义在程序执行的整个生命周期中值不会改变的对象。
- continue：将控制转移到循环的起始点。
- default：处理 switch 语句中无法处理的表达式值。
- delete：内存释放运算符。
- do：指示 do-while 语句的起点，在其中子语句将重复执行，直到表达式的值为逻辑假。
- double：用于定义浮点数的基本数据类型。
- else：特定于 if-else 语句的使用。
- enum：声明用户定义的枚举数据类型。
- extern：指定为外部的标识符与块具有外部链接。
- float：用于定义浮点数的基本数据类型。
- for：指示开始一个语句以实现重复控制。
- friend：一个类或操作，其实现可以访问另一个类的私有数据成员。
- long：数据类型修饰符，定义 32 位整数或扩展双精度数。
- new：内存分配运算符。
- operator：使用新声明重载 C++ 运算符。
- private：声明在类外部不可见的类成员。
- protected：声明对派生类除外的私有类成员。
- public：声明在类外部可见的类成员。
- register：存储类别说明符，是 auto 说明符，但也指示编译器将频繁使用的对象保留在寄存器中。
- goto：帮助将控制权转移到指定的标签。
- if：指示开始 if 语句以实现选择性控制。
- inline：函数说明符，指示编译器优先选择内联替换函数体，而不是通常的函数调用实现。
- int：定义整数对象的基本数据类型。
- return：将对象返回给函数的调用者。
- short：定义 16 位整数的数据类型修饰符。
- signed：数据类型修饰符，指示对象的符号存储在高阶位。
- sizeof：以字节为单位返回对象的大小。
- static：静态定义的对象生存期存在于程序执行的整个生命周期。
- struct：声明封装数据和成员函数的新类型。
- switch：用于 switch 语句。
- template：参数化或通用类型。
- this：指向类的对象或实例的类指针。
- throw：生成异常。
- try：指示异常处理程序块的开始。
- typedef：另一个整数或用户定义类型的同义词。
- union：类似于结构体 struct，可以容纳不同类型的数据，但联合体只能同时容纳一个成员。
- unsigned：数据类型修饰符，指示高阶位将用于一个对象。
- virtual：函数说明符，声明一个类的成员函数将由派生类重新定义。
- void：标识缺乏类型或函数参数列表的关键字。
- volatile：这个特定关键字定义了一个对象，其值可能以编译器无法检测到的方式变化。
- while：帮助启动 while 语句并结束 do...while 循环。
在编译器优化中，inline 关键字用于向编译器建议将函数内容直接插入函数调用的地方，而不是进行常规的函数调用。这样的建议通常用于短小的函数，以提高程序的执行效率。
1、inline 关键字
1.1 inline 关键字的作用：
-
减少函数调用开销： 普通函数的调用涉及堆栈操作、参数传递、指令跳转等开销，而使用
inline关键字可以避免这些开销，直接将函数体内容嵌入到调用点处。 -
减少函数开销： 函数调用会产生一定的开销，如保存寄存器状态等。将函数内联可以减少这些开销，尤其在多次调用的场景中。
-
优化循环和小函数：
inline更适合用于简单的、执行频率高的函数或者循环体，因为在这些情况下，函数调用的开销相对更大。
1.2 影响程序性能的因素：
-
代码膨胀：
inline函数的函数体直接嵌入调用点，可能导致代码的膨胀，增加可执行代码的大小，对缓存和内存占用可能产生影响。 -
适用范围有限： 编译器可能会忽略
inline关键字的建议，特别是对于复杂的函数、递归函数或函数体过大的情况。因此，即使使用了inline，也不一定会被编译器完全内联。 -
编译器依赖： 编译器对
inline关键字的处理方式可能因编译器而异，不同编译器可能会有不同的优化方式，对程序性能的影响也会有所不同。 -
适用于简短函数： 对于函数体较大、复杂的情况，
inline的效果可能不如预期，甚至可能因代码膨胀而降低性能。
#include
// 定义一个简单的加法函数
inline int add(int a, int b) {
return a + b;
}
int main() {
int x = 5, y = 10;
int result = add(x, y); // 调用 add() 函数
std::cout << "Result: " << result << std::endl;
return 0;
}
总的来说，inline 关键字能够在一定程度上提高程序性能，但使用时需慎重考虑函数的大小、调用频率以及编译器的优化能力，避免不必要的代码膨胀，从而达到更好的性能优化效果。
四、C++ 标识符
C++ 标识符是用于标识变量、函数、类、模块或任何其他用户定义项的名称。标识符以字母 A 到 Z 或 a 到 z 或下划线 (_) 开头，后跟零个或多个字母、下划线和数字（0 到 9）。
C++ 不允许在标识符中使用标点符号，C++ 是一种区分大小写的编程语言。
五、三字符序列（Trigraphs）
三字符序列是一种用于代表单个字符的替代表示方法，通常由三个字符组成，并且序列始终以两个问号开始。
三字符序列可以在出现的任何地方进行扩展，包括字符串字面值和字符字面值、注释以及预处理指令。
以下是最常用的三字符序列及其替换方式：
| 三字符序列 | 替换 |
|---|---|
| ??= | # |
| ??/ | \ |
| ??' | ^ |
| ??( | [ |
| ??) | ] |
| ??! | | |
| ??< | { |
| ??> | } |
| ??- | ~ |
并非所有编译器都支持三字符序列，而且由于它们容易造成混淆，不建议使用。
六、思考总结
C++ 中的 const 和 volatile 关键字有什么作用？它们在嵌入式系统中有什么应用？
-
const关键字：用于定义常量，标识变量的数值不可修改。在嵌入式系统中，const关键字常用于声明设备寄存器地址、常量表和程序代码的位置等。 -
volatile关键字：用于声明易变的变量，告诉编译器该变量的值可能在程序控制之外发生改变，不应该被优化掉。在嵌入式系统中，volatile常用于多线程编程、并行处理、硬件寄存器和中断服务程序中，确保编译器不会对这些值进行优化或缓存。
请解释关键字 auto 和 register 在 C++ 中的用途及其区别。
-
auto关键字：在 C++11 中，auto关键字用于自动推断变量的类型。它允许编译器根据变量的初始化表达式来推断变量的数据类型。 -
register关键字：register告诉编译器将变量存储在寄存器中以便快速访问。然而，现代编译器已经足够智能，在大多数情况下能够自行决定将变量存储在寄存器还是内存中。因此，register关键字在现代编译器中往往不再被频繁使用。
typedef 关键字在 C++ 中有何作用？能否给出一个使用 typedef 的实际例子？
typedef关键字：用于为现有的类型创建别名。它可以帮助简化复杂的类型名称，提高代码可读性，并减少代码中的重复。
// 实际例子：
typedef int IntArray[5]; // 创建一个名为 IntArray 的数组类型别名
int main() {
IntArray arr = {1, 2, 3, 4, 5}; // 使用 IntArray 类型别名创建数组
// ...
return 0;
}
在上面的例子中，IntArray 被定义为一个具有5个整数元素的数组类型别名，使得声明数组变得更简洁。
C++ 中的 static 关键字有什么作用？
static关键字在不同的上下文中有不同的作用。在类内部，它用于声明静态成员变量和静态成员函数。在函数内部，它表示局部变量的生命周期在程序的整个执行过程中都存在。