c++入门（二）

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前言

继续进行c++的入门学习，因为c++的细节比较多，所以想要入门也要花多点时间，学好c++就更要花功夫去理解专研那些难的语法和用法；学习不是一蹴而就的，要懂得静下心来，一步一步走，才走得稳，为后面的走得快打好基础！！！

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一、引用

1.1 引用的概念

1. 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。
2. 当然，这个是概念，我们这么理解就行了，但是其实底层实现还是用了指针的，我们后面会提到；
3. 比如，我们有自己的小名，自己的外号，自己的身份证上的名字，但是其实都是指我们自己，只是很多是外号而已，而引用也是一样的；
4. 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
5. 注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的;

void TestRef()
{
  int a = 10;
  int& ra = a;//<====定义引用类型
  printf("%p\n", &a);
  printf("%p\n", &ra);//其实两个打印出来的地址是一样的，同一个；
}

1.2 引用的特性

1. 引用在定义时必须初始化
2. 一个变量可以有多个引用
3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

void TestRef()
{
 int a = 10;
 // int& ra;  // 该条语句编译时会出错
 int& ra=a;//
 int& rra = ra;//这个也是可以的哦！
 int& rrra = a;
 printf("%p %p %p %p\n", &a, &ra, &rra, &rrra); //全部都是一样的地址
}

1.3 常引用

1. 我们引用的权限不能变大，但是可以变小；也就是说如果一开始的变量是用const修饰了的，我们的引用也要用const修饰才行，不然会报错，因为如果不用const修饰，我们就可以随意更改值，但是原意是用了const 本来就不行被改变，但是不加const的引用就可以更改值了，所以不能进行权限放大；但是原来是没有const修饰，但是引用加了const修饰是可以的，而且和原变量是互不干扰的，原来的还可以进行修改；
2. 常量相当于用const修饰了的，所以引用是不可以有修改的，也要用const修饰才行；注意：强制类型转换是要开拷贝变量在进行赋值的，而拷贝变量相当于常量，所以强制类型转换也是要引用加const修饰才行的哦！！！包括函数传参的时候也要注意权限的大小哈~~

void TestConstRef()
{
  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;
  double d = 12.34;
  //相当于进行强制类型转换，int temp=12;
  //const int& rd=temp;
  //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
  const int& rd = d;
}

1.4 引用的使用场景

1. 做参数

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

2. 做返回值

int& Count()
{
 static int n = 0;
 n++;
 // ...
 return n;//注意：传引用是可以改原值的；
}

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

1. 这里的答案是不确定的，因为ret是传引用返回的，相当于ret就是Add函数中临时变量c的别名，但是Add函数调用完后被操作系统回收了，而变量也随之销毁了，虽然ret还是c的别名，但是不知道c中放的是什么值了。可能是7，因为后面又调了一次Add函数，位置还是一样的，因为空间可以重复利用的，所以c值改成7了，而ret也可能改成7了；也可能是其它值，因为这个空间不受保护了，可以被别人用，可以被别人改值，ret也可能随之改变；
2. 故答案不确定；
3. 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。也就是在不在函数栈帧里的东西嘛；函数栈帧里的出了作用域是会被操作系统回收的；

1.5 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。
以下代码可以试试；

#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;
}

1.6 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;
// 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。可以体现出用引用还是有优势的哈；

1.7 引用和指针的区别

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。

int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
cout<<"&a = "<<&a<<endl;
cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;//会发现地址都是相同的
return 0;
}

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。

int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
ra = 20;
int* pa = &a;
*pa = 20;
return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

会发现汇编代码是一样的。证明其实底层实现是用指针实现的，只是在语法上看是一个变量的另一个别名而已；
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，但是用的时候要注意，不要变成野指针哦！！！
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，因为容易有野指针产生嘛；

二. 内联函数

2.1 内联函数的概念

1. 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。

注意：要转到反汇编去观察汇编代码哦！！！

第二张图片就是内联函数展开的汇编代码；这里没有调用函数的汇编代码；

2.2 内联函数特性

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。
3. 下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：

4. 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。因为在链接的时候会合并形成的符号表，而且只有声明的源文件的符号表会去找对应函数地址，要是找不到就报链接错误；
   这里的话内联函数都不会将真正的函数地址放进符号表中，所以链接错误；

// 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

【面试题】
宏的优缺点？
优点：

1. 增强代码的复用性。
2. 提高性能。
   缺点：
3. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
4. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
5. 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 和 enum；
2. 短小函数定义 换用内联函数；

三. auto关键字(C++11)

3.1 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

#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;
}

看不懂没关系，我也看不懂；
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<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;
}
'
运行
运行

上面的代码其实对于解读还是不容易的，没有易读性，可读性；
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。

3.2 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。
说实话，上面一堆的介绍废话；具体运用是赋值的时候右值是有类型的值，然后左边用auto赋值，左边的变量就不用类型，用auto就行了，auto会自动识别右边的类型；

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	//typeid(auto修饰的变量).name()用法
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = TestAuto();
	cout << typeid(b).name() << endl;//typedi(auto修饰的变量).name()就是用来识别该变量的类型的
	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;
}

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。

3.3 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&；

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;
}

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。

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
}

3.4 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

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。

4. 基于范围的for循环(C++11)

4.1 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 };//用了上面auto的用法，然后e其实表达的就是每一个元素，每次循环都是一个array里的元素；
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。

4.2 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

void TestFor(int array[])
{
  for(auto& e : array)
    cout<< e <<endl;
}

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)

五. 指针空值nullptr(C++11)

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;
}

从上图看得出来，NULL这个时候就是0的意思；
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。
这个时候我们c11我们有了nullptr代替NULL；
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。//注意：是关键字哦
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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总结

提示：这里对文章进行总结：
例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了pandas的使用，而pandas提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法。