• [C++]打开新世界的大门之C++入门

    🥁作者：华丞臧
    📕​​​​专栏：【C++】
    各位读者老爷如果觉得博主写的不错，请诸位多多支持(点赞+收藏+关注)。如果有错误的地方，欢迎在评论区指出。

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    目录

    一、C++关键字（C++98）

    二、命名空间 

    2.1 命名空间定义

    2.2 命名空间使用

    三、C++输入&输出

    四、缺省参数

    4.1 缺省参数概念

    4.2 缺省参数分类

    全缺省参数

    半缺省参数

    五、函数重载

    5.1 函数重载概念

    5.2 C++支持函数重载的原理--名字修饰(name mangling)

    六、内联函数

    6.1 内联函数概念

    6.2 特性

    七、auto关键字(C++11)

    7.1 类型别名思考

    7.2 auto

    7.3 auto使用细则

      1. auto与指针和引用结合起来使用

      2. 在同一行定义多个变量

    7.4 auto不能推导的场景

    八、基于范围的for循环（C++11）

    8.1 范围for的语法

    8.2 范围for的使用条件

    九、指针空值nullptr(C++)

    9.1 C++98中的指针空值

    一、C++关键字（C++98）

    C++总计63个关键字，对比C语言32个关键字。

    二、命名空间 

    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。

    在C语言当中，不能有相同名字的变量或者函数名。

    1. #include <stdio.h>
    2. #include <stdlib.h>
    3. int rand = 10;
    4. // 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
    5. int main()
    6. {
    7.  printf("%d\n", rand);
    8. return 0;
    9. }
    10. // 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

    2.1 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。

    1. // bit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。
    2. // 我们上课用的是bit，大家下去以后自己练习用自己名字缩写即可，如张三：zs
    3. // 1. 正常的命名空间定义
    4. namespace bit
    5. {
    6.  // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    7.      int rand = 10;
    8.      int Add(int left, int right)
    9.      {
    10.          return left + right;
    11.      }
    12.      struct Node
    13.      {
    14.          struct Node* next;
    15.          int val;
    16.      };
    17. }
    18. //2. 命名空间可以嵌套
    19. // test.cpp
    20. namespace N1
    21. {
    22.     int a;
    23.     int b;
    24.     int Add(int left, int right)
    25.     {
    26.         return left + right;
    27.     }
    28.     namespace N2
    29.     {
    30.         int c;
    31.         int d;
    32.         int Sub(int left, int right)
    33.         {
    34.             return left - right;
    35.         }
    36.     };
    37. }
    38. //3. 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。
    39. // ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
    40. // test.h
    41. namespace N1
    42. {
    43.     int Mul(int left, int right)
    44.     {
    45.         return left * right;
    46.     }
    47. }
    48.

    注意：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

    2.2 命名空间使用

    命名空间中成员该如何使用呢？

    1. #include <stdio.h>
    2.  
    3. namespace bit
    4. {
    5.     //命名空间中可以定义变量/函数/类型
    6. 	int a = 0;
    7. 	int b = 1;
    8.  
    9. 	int Add(int left, int right)
    10. 	{
    11. 		return left + right;
    12. 	}
    13.  
    14. 	struct Node
    15. 	{
    16. 		struct Node* next;
    17. 		int val;
    18. 	};
    19. }
    20.  
    21. int main()
    22. {
    23.     //编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
    24. 	printf("%d\n", a);
    25.     //正确使用
    26.     printf("%d\n",bit::a);
    27. 	return 0;
    28. }

    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
    1. int main()
    2. {
    3.     printf("%d\n", N::a);
    4.     return 0;    
    5. }
    • 使用 using 将命名空间中某个成员引入，即部分展开
    1. using N::b;
    2. int main()
    3. {
    4.     printf("%d\n", N::a);
    5.     printf("%d\n", b);
    6.     return 0;    
    7. }
    • 使用 using namespace 命名空间名称 引入，即完全展开
    1. using namespce N;
    2. int main()
    3. {
    4.     printf("%d\n", N::a);
    5.     printf("%d\n", b);
    6.     Add(10, 20);
    7.     return 0;    
    8. }

    命名空间中的变量是全局变量，命名空间不会影响变量的生命周期；只是限定变量的作用域，影响编译查找规则；命名空间定义是在全局，所以放在静态区。

    三、C++输入&输出

    第一个C++程序

    1. #include <iostream>
    2.  
    3. using namespace std;
    4.  
    5. int main()
    6. {
    7. 	cout << "Hello world!" << endl;
    8. 	return 0;
    9. }

    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，表示换行输出等同于‘\0’，他们都包含在头文件中。
    3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
    4. 使用这种C++输入输出方式更加方便，相较于C语言C++不需要手动控制格式，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。

    四、缺省参数

    4.1 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。在调用这个函数时，如果用户没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定实参。

    4.2 缺省参数分类

    • 全缺省参数

    所谓全缺省参数就是指一个函数的全部参数都指定一个缺省值。

    1. void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
    2. {
    3.     cout<<"a = "<<a<<endl;
    4.     cout<<"b = "<<b<<endl;
    5.     cout<<"c = "<<c<<endl;​​
    6. }

    • 半缺省参数

    所谓半缺省参数就是指函数参数中至少有一个非缺省参数。 

    1. //错误
    2. void Func(int a = 10, int b = 20, int c)
    3. {
    4.     cout<<"a = "<<a<<endl;
    5.     cout<<"b = "<<b<<endl;
    6.     cout<<"c = "<<c<<endl;​​
    7. }
    8.  
    9. //正确
    10. void Func(int a, int b = 20, int c = 10)
    11. {
    12.     cout<<"a = "<<a<<endl;
    13.     cout<<"b = "<<b<<endl;
    14.     cout<<"c = "<<c<<endl;​​
    15. }

    注意：

    1. 半缺省参数必须从右往左依次给出，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；
    3. 缺省值必须是常量或者全局变量；
    4. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现；当同时有声明和定义时，缺省参数只能在.h当中。
    5. C语言不支持缺省参数(编译器不支持)。

    五、函数重载

    5.1 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。

    1. #include<iostream>
    2. using namespace std;
    3. // 1、参数类型不同
    4. int Add(int left, int right)
    5. {
    6. 	cout << left + right << endl;
    7. 	return left + right;
    8. }
    9. double Add(double left, double right)
    10. {
    11. 	cout << left + right << endl;
    12. 	return left + right;
    13. }
    14. // 2、参数个数不同
    15. void f()
    16. {
    17. 	cout << "f()" << endl;
    18. }
    19. void f(int a)
    20. {
    21. 	cout << "f(int a)" << endl;
    22. }
    23. // 3、参数类型顺序不同
    24. void f(int a, char b)
    25. {
    26. 	cout << "f(int a,char b)" << endl;
    27. }
    28. void f(char b, int a)
    29. {
    30. 	cout << "f(char b, int a)" << endl;
    31. }
    32. int main()
    33. {
    34. 	Add(1, 2);
    35. 	Add(1.1, 2.2);
    36. 	f();
    37. 	f(10);
    38. 	f(10, 'a');
    39. 	f('a', 10);
    40. 	return 0;
    41. }

      

    5.2 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。在编译阶段，编译器会汇总全局的符号，如main函数、全局变量、函数名等；然后在汇编阶段，编译器会给编译时汇总的每个符号分配一个地址(注意如果符号只是声明则会分配一个无效的地址)，并且在对应的.o文件中形成一个符号表；各个.o文件的符号表在链接时会合并，并且在合并时同名的符号会选择有效的地址进行合并。

            在C语言当中，C语言的编译器并不会根据函数参数的特性对函数名进行修饰；这就导致即使函数形参列表不同只要函数名相同，那么符号汇总时就会出现同名的符号，这时编译器就会报错。

            在C++中，同名的函数只要形参列表不同，C++编译器会根据名字修饰规则对函数名进行修饰，这时在编译时同名但形参列表不同的函数就会形成不同的符号；既然不出现同名符号，编译器自然不会报相应的错误。

            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，因为调用是存在二义性，编译器无法区分。

    注意：不同平台的C++编译器的名字修饰规则不一样，但是产生的效果是一样的。

    六、内联函数

    6.1 内联函数概念

    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。

    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)

    6.2 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。

    在《C++prime》第五版中关于inline的建议：

    内联说明只是向编译器发出一个请求，编译器可以选择忽略这个请求。

    一般来说，内联机制用于优化规模较小、流程直接、频繁调用的函数。很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不太可能在调用点内联展开(75不是编译器规定的)。

         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。

    注意：

    当内联函数太长，编译不会将其在调用内联函数的地方展开；此时函数相当于一个正常的函数，编译器给该函数符号分配地址合成在符号表中，然后通过符号表调用该函数。

     说明：func是一个很长的函数。

    如上图所示，当内联函数很长时，编译器不会在调用内联函数的地方展开 ，可以看到内联函数会分配一个地址，然后编译器调通过地址调用该内联函数。

    【面试题】

    1. 宏的优缺点？

    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. 没有类型安全检查。

    2. C++有哪些技术替换宏？

    1. 常量定义换用 const enum；
    2. 短小函数定义 换用内联函数。

    七、auto关键字(C++11)

    7.1 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
    1. //这是一个例子
    2. //下面的代码不一定认识
    3. //但是这是C++的代码
    4. #include <string>
    5. #include <map>
    6. int main()
    7. {
    8.  std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange", 
    9. "橙子" }, 
    10.    {"pear","梨"} };
    11.  std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
    12.  while (it != m.end())
    13.  {
    14.  //....
    15.  }
    16.  return 0;
    17. }

    可以看到上述代码中：

    1. //这是一个类型，但是该类型太长，容易写错
    2. std::map<std::string, std::string>::iterator

    我们可以使用typedef给类型取别名以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

    1. //如：typedef std::map<std::string, std::string>::iterator iterator;
    2.  
    3.  
    4. typedef char* pstring;
    5. int main()
    6. {
    7.  const pstring p1;    // 编译成功还是失败？
    8.  const pstring* p2;   // 编译成功还是失败？
    9.  return 0;
    10. }

    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。

    7.2 auto

    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。

    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。

    1. #include <iostream>
    2.  
    3. using namespace std;
    4.  
    5. int TestAuto()
    6. {
    7.     return 10;
    8. }
    9.  
    10. //typeid().name() 用来求变量的类型对于的字符串
    11. int main()
    12. {
    13.     int a = 10;
    14.     auto b = a;
    15.     auto c = 'a';
    16.     auto d = TestAuto();
    17.     cout << typeid(b).name() << endl;
    18.     cout << typeid(c).name() << endl;
    19.     cout << typeid(d).name() << endl;
    20.     //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
    21.     return 0;
    22. }

    运行程序，可以看到下图：  

    【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。

    7.3 auto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&。

    1. #include <iostream>
    2.  
    3. using namespace std;
    4.  
    5. int main()
    6. {
    7.     int x = 10;
    8.     auto a = &x;
    9.     auto* b = &x;
    10.     auto& c = x;
    11.     cout << typeid(a).name() << endl;
    12.     cout << typeid(b).name() << endl;
    13.     cout << typeid(c).name() << endl;
    14.     *a = 20;
    15.     *b = 30;
    16.     c = 40;
    17.     return 0;
    18. }

      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。

    1. void TestAuto()
    2. {
    3.     auto a = 1, b = 2; 
    4.     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
    5. }

    上述代码编译会出错，如下图所示： 

    7.4 auto不能推导的场景

    1. auto不能作为函数的参数；

    auto不能作为形参类型，因为编译器无法对形参的实际类型进行推导。

    2. auto不能直接用来声明数组；

    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。

    八、基于范围的for循环（C++11）

    8.1 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：

    1. void TestFor()
    2. {
    3.     int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    4.  
    5.     for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    6.          array[i] *= 2;
    7.  
    8.     for (int* p = array; p < array + sizeof(array)/ sizeof(array[0]); ++p)
    9.          cout << *p << endl;
    10. }

     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。

    1. void TestFor()
    2. {
    3.     int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    4.     for(auto& e : array)
    5.         e *= 2;
    6.     //注意下面代码中e是数组元素的拷贝，改变e不会改变数组当中的元素
    7.     for(auto e : array)  
    8.          cout << e << " ";
    9. }

    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。  

    上述程序同样可以遍历数组，使用引用可以改变数组的值；

    8.2 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。

    1. //注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定
    2. void TestFor(int array[])
    3. {
    4.     for(auto& e : array)
    5.         cout<< e <<endl;
    6. }

    2. 迭代的对象要实现++和==的操作。（了解一下就行） 

    九、指针空值nullptr(C++)

    9.1 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：

    1. void TestPtr()
    2. {
    3. int* p1 = NULL;
    4. int* p2 = 0;
    5. // ……
    6. }

    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： 

    1. #ifndef NULL
    2. #ifdef __cplusplus  //C++中NULL为0，而不是空指针
    3. #define NULL   0
    4. #else
    5. #define NULL   ((void *)0)
    6. #endif
    7. #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： 

    1. #include<iostream>
    2.  
    3. using namespace std;
    4.  
    5. void f(int)
    6. {
    7.      cout<<"f(int)"<<endl;
    8. }
    9. void f(int*)
    10. {
    11.      cout<<"f(int*)"<<endl;
    12. }
    13.  
    14. int main()
    15. {
    16.      f(0);
    17.      f(NULL);
    18.      f((int*)NULL);
    19.      return 0;
    20. }

     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。

    在C++中，增加了一个关键字 nullptr 表示一个空指针。

    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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