C++基础（2）

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C++基础（2）

前言

1.C++关键字

2. 命名空间

2.1命名空间定义

2.2命名空间使用

3. C++输入&输出

4. 缺省参数

4.1缺省参数概念

4.2缺省参数分类

5. 函数重载

5.1函数重载概念

5.2C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)

6. 引用

6.1引用概念

6.2引用特性

6.3常引用

6.4使用场景

6.5传值、传引用效率比较

6.5.2值和引用的作为返回值类型的性能比较

6.6引用和指针的区别

7. 内联函数

7.1概念

7.2特性

8. auto关键字(C++11)

8.1类型别名思考

8.2auto简介

8.3auto的使用细则

8.4auto不能推导的场景

9.基于范围的for循环(C++11)

9.1范围for的语法

9.2范围for的使用条件

10.指针空值---nullptr(C++11)

10.1C++98中的指针空值

前言

C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库，以及编程范式等。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助，本章博客主要目标：

  1. 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。

  2. 为后续类和对象学习打基础。

1.C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字

image.png

2.命名空间

namespace是什么？namespace怎么用？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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

//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。
int rand = 0;
int main()
{
   printf("%d", rand);
   return 0;
}

image.png

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。

//一般开发中会使用项目名做命名空间
//1.正常定义命名空间
namespace quantian
{
// 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,编译器最后会合成同一个命名空间中。
// 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
// test.h
namespace N1
{
  int Mul(int left, int right)
 {   
     return left * right;
 }
}

ps：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？

比如：

#include<iostream>

namespace quantian
{
	//命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int a = 10;
	int b = 2;

	int ADD(int right, int left)
	{
		return right + left;
	}

	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}

int main()
{
	printf("%d", a);
	return 0;
}

image.png

命名空间的使用有三种方式（using是什么？using怎么用？）

1.加命名空间名称及作用域限定符

int main()

{

printf(“%d”，quantian::a);

return 0;

}

2.使用using将命名空间中某个成员引入

//using作为C++的关键字用于声明命名空间的别名或引入命名空间中的特定成员到当前的作用域中

using quantian::a;

3.使用using namespace 命名空间名称引入

using namespace quantian;

3.C++输入&输出

cin和cout是什么？他们怎么用？先让我们用C++来写个Hello World！

#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(c就是 控制台console)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，他们都包含在包含< 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。

  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， 这些知识我的后续博客会涉及到，所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还有一章博客会更深入的学习IO流用法及原理。(ps:早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用+std的方式。)

#include<iostream>

using namespace std;

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;
}

ps:不要在函数体外使用cin和cout，因为这在.cpp文件下会报以下错误： 此声明没有存储类或类型说明符 image.png

在.c文件下会报以下错误：声明与“int_cdecl printf(const char*const_Format,...)"(已声明 所在行数：950，所属文件："C:\Program Files(x86)\Windows Kits\Include\10.0.19041.0\ucrt\stdio.h")不兼容 image.png 应输入类型说明符 image.png

具体原因是因为cin依赖于标准输入流，而标准输入流在程序启动时还没有被初始化。因此，必须等到程序进入某个函数时，标准输入才能被正确地初始化。同理，C语言中的scanf和printf也是一样的。

ps：关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等。因为C++兼容C语言的用法，这些又用得不是很多，我们这里就不展开讨论了。后续如果有需要，可以call我，我会再出篇专门的博客讲解。

std命名空间的使用惯例：

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

  1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。

  2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

4.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。

#include<iostream>

using namespace std;

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 = 10, int c = 20)
{   
   cout<<"a = "<<a<<endl;   
   cout<<"b = "<<b<<endl;  
   cout<<"c = "<<c<<endl;
}

注意：

  1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，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
//a.h
 void Func(int a = 10);
 // a.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那个缺省值。
  1. 缺省值必须是常量或者全局变量
  2. C语言不支持（编译器不支持）

5.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。

#include<iostream>

using namespace std;

// 1、参数类型不同

int Add(int left, int right) 
{ 
cout << "int Add(int left, int right)" << endl;
return left + right;
}

double Add(double left, double right) 
{ 
cout << "double Add(double left, double right)" << endl;
return left + right; 
}

// 2、参数个数不同

void f() { cout << "f()" << endl; }

void f(int a){ cout << "f(int a)" << endl; }

// 3、参数类型顺序不同

void f(int a, char b) { cout << "f(int a,char b)" << endl; }

void f(char b, int a) { cout << "f(char b, int a)" << endl; }

int main() 
{ 
Add(10, 20); 
Add(10.1, 20.2); 
f(); 
f(10);
f(10, 'a');
f('a', 10);
return 0;
}

5.2C++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。

image.png

image.png

  1. 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？

  2. 所以链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。3. 那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

  3. 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我使用了g++演示了这个修饰后的名字。

  4. 通过下面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】。

image.png 结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

采用C语言编译器编译后结果

image.png 结论：在linux下，采用g++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。

Windows下名字修饰规则

image.png 对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的，我们就不做细致的研究了。

【扩展学习：C/C++函数调用约定和名字修饰规则--有兴趣好奇的掘友可以看看，里面有对vs下函数名修饰规则讲解】

(1条消息) C/C++ 函数调用约定_低调的狮子的博客-CSDN博客

  1. 通过这里就理解了C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。

  2. 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。

比如：“张三”，小名是小宝，你叫小宝实际还是在叫张三。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

#include<iostream>

using namespace std;

void Test()
{
	int a = 10;
	int& b = a;//<===定义引用类型

	printf("%p", &a);
	printf("%p", &b);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

ps:引用类型和引用实体必须是同类型

6.2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

  3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

image.png

6.3常引用

void TestRef()
{
	const int a = 10;
	//int& b = a;编译报错,将“int&”类型的引用绑定到“const int”类型的初始值设定项时，限定符将被丢弃
	const int& b = a;
	//int& c = 10;编译报错非常量引用的初始值必须为左值
	const int& c = 10;
	double x = 1.1;
	//int& y = x;编译报错，无法用“double”类型的值初始化“int&”类型的引用（非常量限定）
	double& y = x;
}

6.4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 a = 0;
	a++;
	//...
	return a;
}

可以尝试思考以下代码的结果？为什么？

#include<iostream>

using namespace std;

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;
}

image.png ps：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。

6.5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。

struct A
{
	int a[1000];
};

void func(A a){}
void func2(A& a){}
void func3()
{
	A a;
	//以值作为函数参数
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; i++)func(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++)func2(a);
	size_t end2 = clock();

	//分别计算两个函数运行结束的时间
	cout << "func(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "func(&A)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

6.5.2值和引用的作为返回值类型的性能比较

struct A
{
	int a[1000];
};
A a;
//值返回
A func() { return a; }
//引用返回
A& func2() { return a; }

void func3()
{
	//以值作为函数的返回类型
	size_t begin1 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; i++)func();
	size_t end1 = clock();

	//以引用作为函数的返回类型
	size_t begin2 = clock();
	for (size_t i = 0; i < 10000; i++)func2();
	size_t end2 = clock();

	//分别计算两个方式的时间
	cout << "func(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
	cout << "func(&A)-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。

6.6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;
}

让我们从汇编的角度看看其底层实现

image.png 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，64位平台下占8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。

image.png 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)

image.png

image.png

7.2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。下图为 《C++prime》第五版关于inline的建议：

image.png 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。

// 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

以下是一些面试题，我们可以来看看。 【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：

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.没有类型安全的检查 。

C++有哪些技术替代宏？

  1. 常量定义换用const enum 2. 短小函数定义换用内联函数

8.auto关键字（C++11）

8.1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<string>
#include<map>

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;
}

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<string>
#include<map>
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。

8.2auto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。

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。

8.3auto的使用细则

  1. auto与指针和引用结合起来使用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&

image.png

8.4auto不能推导的场景

  1. auto不能作为函数的参数

image.png 2. auto不能直接用来声明数组

image.png 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

  1. 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。

9.基于范围的for循环

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：

image.png 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。

image.png ps：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

  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

image.png 2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后的博客会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

10.指针空值nullptr(C++11)

10.1C++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：

image.png 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：

image.png 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：

image.png 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。

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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