【C++】初窥门径—入门篇
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前言
经过前面对C语言和数据结构初阶的学习，自己也初步进入了编程的世界。
从最初的兴趣至极，到热情消减，转至平淡，再到现在代码已经逐渐为生活的一部分。
越发感觉代码的奇妙，编程世界的广阔无垠。
希望两年后的自己回首往昔，能够为之感叹~
感谢各位读者的点赞与支持，与君共勉！
从本章开始，将进入C++学习阶段。
1.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。
例如：自己定义的变量(函数，类)名与C++内置函数名等冲突，在C语言中是解决不了的。
在大型的工程中，自己定义的变量(函数，类)名与其他人定义的相冲突等问题。
1.1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. 普通的命名空间
namespace N1 // N1为命名空间的名称
{
// 命名空间中的内容，既可以定义变量，也可以定义函数
int a;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
}
//2. 命名空间可以嵌套
namespace N2
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
namespace N3
{
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。
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。
1.2 命名空间使用
命名空间是一个作用域，如果在使用的里面的变量时，只写变量名，编译器肯定是无法识别的。
例如：
namespace N
{
int a = 10;
int b = 20;
int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}
int Sub(int x, int y)
{
return x - y;
}
}
int main()
{
printf("%dn", a); // 该语句编译出错，无法识别变量a
return 0;
}那该如何使用命名空间中的成员呢？
这里有三种方法：
方法1：加命名空间名称及作用域限定符(::) (最安全可靠，但使用时不太方便)
int main()
{
printf("%dn", N::a);
return 0;
}方法二：使用using将命名空间中成员引入 (展开命名空间中常用的成员)
using N::b; // 展开后，后续可直接使用
int main()
{
printf("%dn", N::a);
printf("%dn", b);
return 0;
}方法三：使用using namespace 命名空间名称引入(不可靠，在项目中不能使用该方法) (展开命名空间中所有成员)
using namespce N;
int main()
{
printf("%dn", N::a);
printf("%dn", b);
Add(10, 20);
return 0;
}注意：
- 在命名空间中定义的成员本质是全局的，放在静态区。
- 命名空间中变量可以初始化，但不能赋值。
namespace N
{
int a;// 定义变量a，未初始化
a = 0;// 不能在命名空间中赋值
int b = 10;// 定义变量b，同时初始化
}2. C++的输入和输出
C++中有新的输入和输出方式，但C++是包容C语言的，所以C语言中对的输入和输出在C++中同样适用。
Hello world!!!
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
cout<<"Hello world!!!"<<endl;//C++的输出
return 0;
}#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int a;
double b;
char c;
cin>>a;
cin>>b>>c;
cout<<a<<endl;
cout<<b<<" "<<c<<endl;
return 0;
}对于上面的代码，你是否有许多疑惑，没关系我们来依次解答。
- 使用cout标准输出(控制台)和cin标准输入(键盘)时，必须包含< iostream >头文件以及std标准命名空间。
- 在平常写代码练习时，我们可以直接将std命名空间展开。
- C++中的输入是 cin 输出是 cout 。
- 至于>>和<<表示将数据输入和输出到流，也可以表示移位运算(在C++中被重载了,后面会将这里不用深究)
- endl(end line)表示换行。
- 使用C++输入输出更方便，不需增加数据格式控制，比如：整形--%d，字符--%c。
注意：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<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用<iostream>+std的方式。
3.缺省参数
3.1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默认值。
在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该默认值，否则使用指定的实参。
例如：
void TestFunc(int a = 0)//默认参数为0
{
cout<<a<<endl;
}
int main()
{
TestFunc(); // 没有传参时，使用参数的默认值
TestFunc(10); // 传参时，使用指定的实参
}编译结果：
3.2缺省参数分类
- 全缺省参数
// 函数中所有参数都指定默认值
void TestFunc(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
//函数中部分参数指定默认值
void TestFunc(int a, int b = 10, int c = 20)
{
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
- 缺省值必须是常量或者全局变量
-
C语言不支持（编译器不支持）
//下面两种均是错误写法！
void TestFunc(int a = 10, int b, int c)
void TestFunc(int a = 10, int b, int c = 30)
//a.h(声明)
void TestFunc(int a = 10);
// a.c(定义)
void TestFunc(int a = 20)
{}
// 注意：如果生命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。4.函数重载
4.1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 顺序)必须不同，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。
int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
double Add(double a, double b)
{
return a + b;
}
long Add(long a, long b)
{
return a + b;
}
int main()
{
Add(10, 20);
Add(10.0, 20.0);
Add(10L, 20L);
return 0;
}
//上面的函数功能相同，函数名相同，参数类型不同。
//当然这里的重载函数还可以 参数个数不同，参数顺序不同下面两个函数属于函数重载吗？
short Add(short a, short b)
{
return a + b;
}
int Add(short a, short b)
{
return a + b;
}
// 注意：上面两个函数不属于函数重载，返回值不是定义函数重载的标准，调用的时候不能区分// 1、缺省值不同，不能构成重载
void f(int a)
{
cout << "f()" << endl;
}
void f(int a = 0)
{
cout << "f(int a)" << endl;
}
// 2、构成重载，但是使用时会有问题 ： f(); // 调用存在歧义
void f()
{
cout << "f()" << endl;
}
void f(int a = 0)
{
cout << "f(int a)" << endl;
}
4.2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。
1. 实际我们的项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过我们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，连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。
4. 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下gcc的修饰规则简单易懂，下面我们使用了gcc演示了这个修饰后的名字。
5. 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】。
采用C语言编译器编译后结果
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++编译器编译后结果
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下名字修饰规则比较复杂，这里不再讲解。
6. 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。
7. 另外我们也理解了，为什么函数重载要求参数不同！而跟返回值没关系。
5.extern “C”
有时候在C++工程中可能需要将某些函数按照C的风格来编译，在函数前加extern "C"，意思是告诉编译器，将该函数按照C语言规则来编译（例如函数名修饰规则）。
extern "C" int Add(int a, int b);
int main()
{
Add(1,2);
return 0;
}6.引用
6.1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
void TestRef()
{
int a = 10;
int& ra = a;//<====定义引用类型
printf("%pn", &a);
printf("%pn", &ra);
}注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的
从上图结果可以看出，ra 和 a 共同一块空间。
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
void TestRef()
{
int a = 10;
// int& ra; // 该条语句编译时会出错
int& ra = a;// 一个变量可以有多个引用
int& rra = a;
printf("%p %p %pn", &a, &ra, &rra);
}6.3 常引用
在引用常量时，需在类型前加const。
引用时如存在隐式类型转换，也需在类型前加const，且这时引用的不是变量本身，而是隐式类型转换时的临时空间。
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;
//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
const int& rd = d;
}
6.4 使用场景
1. 做参数
void Swap(int& a, int& b)//因为引用使用的是变量原空间，所以可以直接交换
{
int temp = a;
a = b;
b = temp;
}2. 做返回值
由于存在栈中的地址，在函数结束后回还给操作系统，所以引用做返回值时，不能用栈中的地址。
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;
}这里的c是局部变量，引用做返回值，返回的是c的别名，而c已经被还给操作系统了。
这里的结果是：
了解函数栈帧的朋友应该知道，第一次调用Add函数之后，c空间就被释放了，但这块空间还是存在于栈中的，而且里面的值(3)没有被修改；
第二次调用Add后会在相同的地址开辟c空间，这时里面的值就被第二次得到的结果覆盖了，所以输出这块空间中的值时得到的是 7。
int& Count()
{
static int n = 0；// 加上static之后该变量就被存放在静态区中，函数返回后该空间不会被释放
n++;
// ...
return n;
}注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，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。
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;
}汇编代码比较：
引用和指针的不同点:
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
- 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
- 没有NULL引用，但有NULL指针
- 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)
- 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
- 有多级指针，但是没有多级引用
- 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
- 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，没有函数压栈的开销，内联函数提升程序运行的效率。
如果不是内联函数，使用时会有调用函数的操作：
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。不会有函数压栈的开销。
7.2 特性
1. inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额开销。所以代码很长或者有循环/递归的函数不适宜使用作为内联函数。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，编译器会自动优化，如果定义为inline的函数体内有循环/递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。
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。4.频繁使用的小函数，可以定义成内联函数
例如：
// 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;
}上面这段代码，在main函数中f函数的声明和定义是分离的，在F.h展开后，f函数也会被直接展开，而F.h中只有声明，在链接时找不到f函数的地址，程序就会出现链接错误。
8. auto关键字(C++11)
8.1 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。
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自动识别a的类型
auto c = 'a';
auto d = TestAuto();
cout << typeid(b).name() << endl;//C++中tyoeid().name可以输出变量类型
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
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
}
8.3 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(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 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 };
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。
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
void TestFor(int array[])
{
for(auto& e : array)
cout<< e <<endl;
}2. 迭代的对象要实现++和==的操作。
10. 指针空值nullptr(C++11)
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;
}结果如下：
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。