【C++】第一节：C++入门

server/2024/12/22 2:29:20/

1、C++关键字

2、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的。

2.1 命名空间定义

// 1. 命名空间定义
namespace yf
{// 命名空间中可以定义变量/函数/类型int rand = 10;int Add(int left, int right){return left + right;}struct Node{struct Node* next;int val;};
}// 2. 命名空间可以嵌套
// test.cpp
namespace N1
{int a;int b;int Add(int left, int right){return left + right;}namespace N2{int c;int d;int Sub(int left, int right){return left - right;}}
}// 3. 同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间,编译器最后会合成在同一个命名空间中
// 一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
// test.h
namespace N1
{int Mul(int left, int right){return left * right;}
}

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 命名空间的使用

命名空间的使用有三种方式：

  • 加命名空间名称及作作用域限定符
namespace N
{int a = 10;int b = 20;int Add(int left, int right){return left + right;}
}int main()
{printf("%d\n", N::a);return 0;
}
  • 使用using将命名空间中的某个成员引入
using N::b;
int main()
{printf("%d\n", b);return 0;
}
  • 使用using namespace将命名空间名称引入
using namespace N;
int main()
{int c = Add(a, b);printf("%d\n", c);return 0;
}

3、C++输入&输出

#include <iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;int main()
{cout << "hello world" << endl;return 0;
}

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< iostream >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，他们都包含在< iostream >头文件中。
  3. << 是流插入运算符，>> 是流提取运算符。
  4. 使用 C++ 输入输出更方便，不需要像 printf / scanf 输入输出时那样，需要手动控制格式。C++ 的输入输出可以自动识别变量类型。
int main()
{int a;double b;char c;// 可以自动识别变量的类型cin >> a;cin >> b >> c;cout << a << endl;cout << b << " " << c << endl;return 0;
}

4、缺省参数

4.1 缺省参数的概念

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。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参。

void Func(int a = 0)
{cout << a << endl;
}int main()
{Func();      // 没有传参时，使用参数的默认值Func(10);    // 传参时，使用指定的实参return 0;
}

4.2 缺省参数分类

  • 全缺省参数
void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;
}
  • 半缺省参数
void Func(int a, int b = 20, int c = 30)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;
}

注意：

  • 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给

  • 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

// test.h
void Func(int a = 10);// test.cpp
void Func(int a = 20)
{}
// 注意：如果声明与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该用哪个缺省值

5、函数重载

5.1 函数重载的概念

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. 参数类型不同
int Add(int left, int right)
{return left + right;
}double Add(double left, double right)
{return left + right;
}// 2. 参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{}void f(char a, int b)
{}

注意：

  • C++支持函数重载的原理：编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。
  • 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，因为调用时编译器没办法区分。

6、引用

6.1 引用的概念

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体； 

int main()
{int a = 10;int& ra = a;printf("%p\n", &a);printf("%p\n", &ra);return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

6.2 引用特性

  • 引用在定义时必须初始化

  • 一个变量可以有多个引用

int main()
{int a = 10;int& ra = a;int& rra = ra;// 所有引用都指向同一个内存位置，通过任何一个引用修改值，都会影响原变量及其他引用return 0;
}

  • 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int main()
{int a = 10;int b = 20;int& ra = a;ra = b; // 这里其实是把b的值赋给aint& rb = b;// 定义新的引用绑定到breturn 0;
}

 6.3 常引用

在引用的过程中，权限可以平移、缩小，但是不能放大。

void TestConstRef()
{const int a = 10;// 权限的放大//int& ra = a; //编译出错，a为常量// 权限的平移const int& ra = a;// 权限的缩小int x = 0;const int& y = x;
}

6.4 使用场景

  • 做参数
void Swap(int& left, int& right)
{int tmp = left;left = right;right = tmp;
}
  • 做返回值
int& Count()
{static int n = 0;n++;return n;
}

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;
}

注意：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。

6.5 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;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;
}

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

  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

7、内联函数

7.1 内联函数的概念

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。

7.2 内联函数的特性

  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. 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。

看下面一段代码：

// F.h
#include <iostream>
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

  • 定义不一致：在 F.h 中 f 被声明为 inline ，但在 F.cpp 中却没有定义为 inline。

  • 链接器找不到定义：当编译 main.cpp 时，仅包含了 F.h，而 F.cpp 中的定义没有被视为 inline，导致链接器找不到 f 的 inline 定义，从而报错。

// F.h
inline void f(int i)
{cout << i << endl;
}// main.c
int main()
{f(10);return 0;
}

注意：

  • inline 函数的定义必须放在头文件中
  • 内联函数可以代替宏

8、auto关键字（C++11）

8.1 auto简介

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。

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;
}

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。

8.2 auto的使用细则

  • 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;return 0;
}

  • 在同一行定义多个变量时，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。

8.3 auto不能推导的场景

  • auto 不能作为函数的参数

  • auto 不能直接用来声明数组

9、基于范围的for循环（C++11）

9.1 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 arr[] = { 1,2,3,4,5 };for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)arr[i] *= 2;for (int* p = arr; p < arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[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 arr[] = { 1,2,3,4,5 };for (auto& e : arr)e *= 2;for (auto e : arr)cout << e << " ";
}

auto：自动类型推导。在这里，arr 是一个 int 数组，所以 e 的类型是 int&（整型引用）。
&：使 e 成为 arr 中元素的引用，从而可以直接修改数组中的元素。

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。

 9.2 范围for的使用条件

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。

10、指针空值nullptr（C++11）

10.1 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：

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，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;
}

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 既可以是一个整型数字，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型常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

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。


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