C++入门基础(万字详解!!!)

前言

  C语言是结构化和模块化的语言,适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题,规模较大的程序,需要高度的抽象和建模时,C语言则不合适。为了解决软件危机, 20世纪80年代, 计算机界提出了OOP(object oriented programming:面向对象)思想,支持面向对象的程序设计语言应运而生。
  1982年,Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念,发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系,命名为C++。因此:C++是基于C语言而产生的,它既可以进行C语言的过程化程序设计,又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计,还可以进行面向对象的程序设计。

阶段 内容
C with classes 类及派生类、公有和私有成员、类的构造和析构、友元、内联函数、赋值运算符重载等
C++1.0 添加虚函数概念,函数和运算符重载,引用、常量等
C++2.0 更加完善支持面向对象,新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静态成员以及const成员函数
C++3.0 进一步完善,引入模板,解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处理
C++98 C++标准第一个版本,绝大多数编译器都支持,得到了国际标准化组织(ISO)和美国标准化协会认可,以模板方式重写C++标准库,引入了STL(标准模板库)
C++03 C++标准第二个版本,语言特性无大改变,主要:修订错误、减少多异性
C++05 C++标准委员会发布了一份计数报告(Technical Report,TR1),正式更名C++0x,即:计划在本世纪第一个10年的某个时间发布
C++11 增加了许多特性,使得C++更像一种新语言,比如:正则表达式、基于范围for循环、auto关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++14 对C++11的扩展,主要是修复C++11中漏洞以及改进,比如:泛型的lambda表达式,auto的返回值类型推导,二进制字面常量等
C++17 在C++11上做了一些小幅改进,增加了19个新特性,比如:static_assert()的文本信息可选,Fold表达式用于可变的模板,if和switch语句中的初始化器等
C++20 自C++11以来最大的发行版,引入了许多新的特性,比如:模块(Modules)、协程(Coroutines)、范围(Ranges)、概念(Constraints)等重大特性,还有对已有特性的更新:比如Lambda支持模板、范围for支持初始化等
C++23 制定ing

1.C++关键字

  这是C++的所有关键字,每一个都有特殊含义,此处一个一个讲麻烦且不易理解,因此等以后遇到了再具体讲解。
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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。
  举个例子,比如在<stdlib.h>中有一个rand()函数,是用来产生随机数的一个函数。
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  此时我们可以看到在还没有包<stdlib.h>头文件时是可以正常运行的,那么我们再看看包头文件之后会发生什么。
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  我们发现竟然编译失败了,这是因为在编译时会将头文件内的内容展开,就会出现rand()函数与我们定义的全局变量 rand 一样的名字,因此就会产生重定义,因此 namespace 命名空间就随之产生了,它的作用就是为了避免这种情况的发生。
  命名空间就是用 namespace 关键字加上任意的名字和花括号即可。但是大家可以观察到在输出的那一行我写的是WY : : rand,这个的意思就是输出 WY 命名空间中的 rand,而不是使用头文件中的 rand。
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  命名空间就像一堵无形的墙,将同名的变量分隔到了不同的空间,你需要哪个空间的变量,就去哪个空间去寻找。但是一个命名空间里又有同名的变量存在呢?C++开创者也早已想到了这个问题,那就是在命名空间中还可以再开辟命名空间,俗称套娃。
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  命名空间可以定义变量、函数以及类型。但是需要注意的是在定义结构体类型时,在访问时是要在 struct 后面写的。同时同一个工程中是允许出现同名的命名空间的,在编译时编译器会自动将其合并

int rand = 0;//全局变量
namespace WY
{
	int rand = 1;

	int Add(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}

	struct Node
	{
		int data;
		int* next;
	};
}
int main()
{
  //域作用限定符
	printf("%d", rand);
	printf("%d", WY::rand);
	printf("%d", WY::Add(1,2));
	struct WY::Node node;

	return 0;
}

  前面都还是用C语音来模拟一些环境,那么C++本身是什么样的呢?C++有自己专属的命名空间和头文件。

//C++标准库的命名空间,将标准库的定义与实现都放入了这个命名空间中
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "Wang You" << endl;
}

  但是这样的写法就是将命名空间中的所有内容全部展开了,是非常容易造成重定义问题的,比如在你和其他人共同写一个项目时,用到了同一个变量名字,结果在最后一起运行时都将自己的命名空间全部展开,那么岂不是还会出现重定义的情况吗?因此这种写法在与他人共同合作时不可取,但是在自己日常练习中还是可以的,毕竟变量名都是由自己控制的,可以避免这种情况。
  同时展开也全部展开和部分展开,比如 Add 函数需要经常使用,就可以进行部分展开,这样就不用在每次使用前都加域作用限定符( : : )了。

//全部展开
using namespace WY;

//部分展开
using WY::Add;

3.C++的输入输出

  在上面其实也写过一次,请看:

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a;
	cin >> a;
	cout << "Wang You" << endl;
	return 0;
}

cout是输出时使用的,与C语言中的 printf 作用一致,还有一个是 cin,与 scanf 作用一致。

与C语言相比需要注意的是

  1. 在使用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,这些知识后续将会进行讲解,所以这里只是简单学习他们的使用。

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,就会存在冲突问题。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

  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。
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  一般在调用一个函数时,我们都会对它进行传参,缺省参数的意义在于,当你没有给函数传参时,它会自动默认传入你设置的缺省参数(int a = 0)。

4.1 全缺省

void fun(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << a << " ";
	cout << b << " ";
	cout << c << " ";
	cout << endl;
}

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  由此我们也可以看出缺省参数必须从右往左给,因此我们给的参数是从左往右的,左边的数据可以我们显示传参,右边的可以使用缺省参数。

4.2 半缺省

  那我们就再来看看半缺省,顾名思义就是只有一部分有缺省值。

void fun(int a,int b,int c = 30)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

在这里插入图片描述

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
  3. 缺省值必须是常量或者全局变量
  4. C语言不支持(编译器不支持)

  不同声明和定义中同时出现是因为如果定义中给的默认参数与声明中给的默认参数不同的话,编译器是无法分别的,因此统一都是在定义是再给默认参数(缺省参数)。

5.函数重载

  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(参数个数类型类型顺序)不同,常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。
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  系统会根据它们的参数类型自动匹配最相符的函数进行调用,即使函数名相同也是可以的。

但是必须要满足形参列表(参数个数类型类型顺序)不同,这三个条件中的一个才可以。

那么编译器是如何区分的呢?

  其实在编辑器内部调用这个函数时,是通过它的函数名加地址去寻找它的,每一个函数在链接时在内部的函数名,编译器都会在你书写的函数名(fun)的基础上再根据它的参数来进行添加一些符号来修饰它。比如在VS2019中,在链接过程中这个两个函数的函数名就是如图这样的,在后面一个是 HN,一个是NH。因此编译器才会准确的区分它们。
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  而在C语言中,对于内部的函数名修饰是一样,所以编译器是无法区别的。 通过这里就理解了C语言为什么没办法支持重载了,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。

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

  引用不是新定义一个变量,而是给已存在的变量取了一个别名(也就是外号),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。
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  就比如一块空间名字是 a,你又给它起了个外号叫 b,虽然名字不一样,但是是同一块空间。
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  看似两个名字,实则是同一块空间,一荣俱荣一损俱损,你是我,我是你的关系。需要注意的是引用类型必须和引用实体是同种类型的

6.1 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
int main()
{
	int a = 10;
	int& b;
	//正确写法:int& b = a;
	return 0;
}

  这样写是不行的,因为你是在给已存在变量取别名,不初始化是无法作为别人的外号存在的。

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	int& raa = a;
	return 0;
}

  这样写是可以的,一个变量可以有很多个外号。但是一个外号只能给一个人用,谁都能用岂不是就乱套了,所以引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体
  对于 const 修饰的变量意味着只能读不能写,因此在为 const 变量取别名时也要加 const,不能出现本来无法修改,你加个外号就能修改的情况吧。

void test()
{
    const int a = 10;
    int& ra = a;   // 该语句编译时会出错,a为常量
    //正确写法:const int& ra = a;
    
    const int& ra = a;
    int& b = 10; // 该语句编译时会出错,b为常量
    //正确写法:const int& b = 10;
    
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    int& rd = d; // 该语句编译时会出错,类型不同
    //正确写法:const int& rd = d;
}

  而对于最后一个类型不一样的,为什么加了 const 就可以了呢?这是因为在进行隐式类型转化时,会先生成一个临时的 int 常量,先将 d 的值由 double 类型转为 int 类型赋给临时变量,然后再为临时变量取的别名。因为是常量无法修改,所以在取别名时也需要加 const。

6.2 引用的使用场景

  作为函数的参数,这样不需要指针就可以交换两个变量的值。

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

  作返回值。引用返回效率会更快一点,因为直接返回的是变量的别名。在正常的函数中,因此函数在调用完就被销毁了,因此它是将返回值先给了一个临时变量,由临时变量返回给主函数。因此需要注意的是,引用返回时返回的必须是静态变量或者是堆上的变量

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

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。

6.3 引用和指针

  指针和引用使用起来不一样,但在底层实现是其实是一样的,我们来看这样一段代码。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	int& ra = a;

	++(*pa);
	++ra;
	return 0;
}

  虽然对于汇编不太理解,但是不妨碍我们可以看出对于指针运算和引用运算,编译器在底层用汇编实现是一致的,因此我们就可以知道引用实际上也是通过指针来实现的。
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  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

  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,内联函数提升了程序运行的效率。

inline void Fun(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	Fun(a, b);
	return 0;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
	return 0;
}

  内联函数的作用就是将上面的代码转化为下面的代码,也就是不去调用函数了,而是将函数代码在原地展开。那大家有没有发现这和C语言中的什么比较相似呢?没错,就是

#define Add(a,b) ((a) + (b))

  这是用宏实现了一个加法函数,我们知道宏就是直接在相应的位置替换,但是我们知道操作符是有优先级的,直接替换过去是有可能发生操作符优先级不正确导致出错的。

宏的缺点:

  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 。

宏的优点

  1. 没有类型的严格控制。
  2. 针对频繁调用小函数,不需要建立栈帧,提高性能。

  因此为了避免这种错误,C++新增了内联函数inline来解决这个问题。不需要大家刻意的写很多括号来保证操作符的正确使用顺序。

7.1 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。《C++prime》第五版关于inline的建议:内联只是向编译器发出一个请求,编译器可以忽略这个请求
  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。

8.auto关键字

  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。
在这里插入图片描述
  也就是 auto 会自动推到出变量的类型,在对于一些变量类型比较长是会方便的,后续就会遇到。

typeid().name() 的作用就是识别一个变量的类型。

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。

8.1 注意事项

  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&。
在这里插入图片描述
  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 test_auto()
{
    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
}
  1. auto不能作为函数的参数。
  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。

9. 基于范围的for循环

  我们通常遍历一个数组是这样的:

int main()
{
	int a[5] = { 0,1,2,3,4 };
	for(int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << a[i] << " ";
	}
	return 0;
}

  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。
在这里插入图片描述
  实际过程是将 arr 中的一个数拿出来放到 e 中,进行输出,再继续拿第二个数……

9.1 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。
void test_for(int arr[])
{
    for(auto& e : arr)
        cout<< e <<endl;
}

  这样写就是有问题的,因为 for 的范围不确定。
2. 迭代的对象要实现++和==的操作,这里针对的是类。

10.指针控制nullptr

  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 test_ptr()
{
	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;
}

在这里插入图片描述

  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。
  因此在C++中,区分了这种情况,让 nullptr 专门代指了指针。

10.1 注意事项

  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。

11.总结

  在初学C++时,需要记忆的地方有很多,难度不大但细节较多,建议大家整理一些笔记来帮助日后的复习。
  此篇内容字数尚可,初学C++还是略感疲惫(叹气),不过与之前相比好多了(愉悦)。如果大家发现有什么错误的地方,可以私信或者评论区指出喔(虚心请教,渴望大佬帮助)。我会继续深入学习C++,希望能与大家共同进步,那么本期就到此结束,让我们下期再见!!觉得不错可以点个赞以示鼓励喔!!

本图文内容来源于网友网络收集整理提供,作为学习参考使用,版权属于原作者。
THE END
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