02 c++入门

0. 本节知识点安排目的

c++是在c的基础上，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

1.补充c语言语法的不足，以及c++如何对c语言设计不合理的地方进行优化，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下基础

1. c++关键字(c++98)

c++总共63个关键字，c语言32个关键字
ps：下面我们只是看一下c++有多少关键字，不对关键字进行具体的讲解。后面我们学到以后再细讲
在这里插入图片描述

2. 命名空间

在c/c++中，变量、函数和后面学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称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，避免命名冲突或名字污染，namespace关键字的出现就是针对这个问题的

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

int rand = 10;
//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 main()
{
	printf("%d\n", rand);
	return 0;
}

//编译后报错;error c2365:"rand":重定义;以前的定义是"函数",用来生成随机数

2.1 命名空间定义

定义命名空间，需要使用namespace关键字，后面跟命名空间的名字，然后接一对{}即可，{}中为命名空间的成员

1.正常的命名空间定义
namespace zhangsan
{
	//命名空间可以定义变量/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
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.同一个工程中允许多个相同名称的命名空间,最后会合并成一个命名空间

}

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 命名空间使用

有三种方式
加命名空间名称及作用域限定符

int main()
{
printf(“%d\n”, N::a);
return 0;
}

使用using将命名空间中某个成员引入

using N::b
int main()
{
printf(“%d\n”, N::a);
printf(“%d\n”, b);
return 0;
}

使用using namespace命名空间名称引入

using namespace N;
int main()
{
printf(“%d\n”, N::a);
printf(“%d\n”, b);
Add(10, 20);
return 0;
}

3. c++输入&输出

#include
//std是c++标准库的命名空间名,c++将标准库定义实现都放在了这个命名空间中
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，它们都包含头文件中

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，不需要想printf/scanf输入输出那样，需要手动控制格式

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，后续会了解到

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h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（vc6.0）还支持<iostream.h>格式,后续编译器不支持,因此推荐使用+std方式

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{
	int a;
	double b;
	char c;

	//可以自动识别变量的类型

	cout << a << endl;
	cout << b << " " << c << endl;
	return 0;
}

关于cout和cin还有更多用法，比如控制浮点数精度，控制整形输出进制格式等，因为c++兼容c用法，可以配合文档查看

std命名空间的使用惯例：
std
std是c++标准的命名空间，如何展开std使用更合理呢？
1.日常联系中，建议直接using展开，更方便
2.如果将标准库全部展开，定义了重名的类型/对象/函数等，冲突问题，日常练习中不太会出现。所以开发中，可以指定展开库对象，using std::cout

4. 缺省参数

4.1 缺省参数概念

声明或定义时为函数的参数指定一个缺省值,调用时如果没有指定缺省值,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=10, int c=20)
{
cout<<"a = "<<a<<endl;
cout<<"b = "<<b<<endl;
cout<<"c = "<<c<<endl;
}

1.半缺省参数必须从右往左依次给出,不能间隔
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。

3.缺省值必须是常量或全局变量
4.传入部分参数，按从左往右给值
5.c语言不支持(编译器不支持)

5. 函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，函数重载是一种特殊情况，c++允许同一作用域声明几个类似的同名函数，它们的形参列表（参数个数、类型、类型顺序）不同，常用来处理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;
}

5.2 重载的原理–名字修饰（name Mangling）

为什么c++支持重载，而c语言不支持

1.实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，通过c语言的编译链接知道，当a.cpp调用了b.cpp定义的Add函数时，编译链接前，a.o的目标文件没有Add函数地址,因为Add实在b.cpp中定义的,所以Add的地址在b.o中

2.链接阶段就是专门处理这个问题，连接器看到a.o调用Add,没有Add的地址,就会到b.o符号表中找Add的地址,连接到一起

3.对于Add函数,每个编译器都有函数名修饰的规则

4.windows的修饰规则过于复杂，Liux下简单易懂，所以用g++演示

通过下面可以看出Add函数修饰后的名字，【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】

c编译后的结果并未改变,c++变了
在这里插入图片描述

g++编译后,函数名字的修饰改变,将函数参数类型信息添加到了修饰后的名字中

windows下名字修饰规则
在这里插入图片描述
对比linux会发现,winidwos的比较复杂,但道理都是类似的

扩展: c/c++调用约定

6.这个就解释了为什么c语言不支持重载,因为同名函数无法区分
7.如果两个函数名和参数一样,返回值不同是不构成重载的,因为调用时无法区分需不需要返回值

6. 引用

引用不是新定义变量，而是给已存在的变量取一个别名，不会开辟内存空间，和引用的变量共用一块内存空间

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("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

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

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,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 = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

6.3 常引用

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;
}

变量的限制可以收紧但不能放开,由const转为非const是限制的放开,不允许,非const转const可以

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
函数调用传值返回在返回变量时，会用一个临时变量来返回，返回完销毁。传引用返回的可以理解为n的别名
在这里插入图片描述

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

下面会输出什么？

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;
}

在这里插入图片描述

函数在第一次调用时，记录了返回值c=3，因为两次函数调用栈帧空间是一样的，这时又给c赋值为7，ret是c的引用，所以ret由3变为7，当cout输出的时候，栈帧将c的值覆盖了，所以值是不确定的

如果函数返回时，出了函数作用域，返回对象还在，没还给系统，可以引用返回，如果已经还了，则必须使用传值返回

6.5 传值、传引用效率高

以值为参数或返回值类型，传参和返回期间，函数不会直接传递实参或变量本身返回，而是返回一份临时拷贝，尤其是参数或返回值非常大时，效率就更低

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;
}

在这里插入图片描述

值和引用作为返回值类型的性能的比较

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;
}

在这里插入图片描述

通过上述比较，传值和指针在作为传参和返回值类型上效率相差很大

6.6 引用和指针的区别

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实现的

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

在这里插入图片描述
汇编两者都是一样的

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.引用在初始化引用一个实体后，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
6.引用自加即引用的实体增加1，指针自加指针向后偏移一个类型的大小
7.有多级指针，但没有多级引用
8.引用比指针使用起来相对更安全

7. 内联函数

7.1 概念

inlin修饰的函数叫内联函数,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,提升运行的效率

在这里插入图片描述

如果将上面改为内联函数,就不会有调用
1.release模式下直接查看汇编代码是否存在call Add
2.debug模式需要设置,否则不会展开(debug模式下,编译器默认不会对代码优化)
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

7.2 特性

1.inline是一种空间换时间的做法，可执行程序变大，如果编译器将函数当成内联函数，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，提高运行效率

2.inline对于编译器只是一个建议，不同编译器对于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）、不管是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline，下图为《c++prime》第五版关于inline的建议

内联说明只是向编译器发一个请求，编译器可以选择忽略
一般来说，内联机制用于优化规模较小、流程直接、频繁调用的函数，很多编译器不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不太可能在调用内联展开

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

宏的优缺点：
优点：1.增强代码复用性 2.提高性能
缺点：1.不方便调试宏（编译阶段进行了替换） 2.可读性差，可维护性差，容易误会 3.没有类型安全的检查
c++有哪些技术可以替代宏
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

std::map<std::string, std::string> m{ {"apple", "苹果"}, {"orange", "橙子"} };
std::map<std::string, std::string> ::iterator it = m.begin();

while (it != m.end())
{
	//....
}

std::map<std::string, std::string> ::iterator 是一个类型，但是太长了，容易写错。也可以通过typedef起别名，如：

typedef std::map<std::string, std::string> Map

	Map m{ {"apple", "苹果"}, {"orange", "橙子"} };
	Map::iterator it = m.begin();

	while (it != m.end())
	{
		//....
	}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef也有新的问题

typedef char* pstring;

	const pstring p1;
	const pstring* p2;

上面的p1会报错，typedef替换后变为 char*const p1，变为常量，不初始化报错
尝尝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的知道表达式的类型，这点并不容易，因此c++11给auto赋予了新含义

8.2 auto简介

早期含义是：使用auto修饰的变量，具有自动存储器的局部变量，但没人使用
c++11赋予了新的含义：不再是一个存储类型指示符，作为一个新的类型指示符指示编译器，auto的声明必须由编译器编译期间推导而得

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;
}

typeid可以根据按上述方法得出变量的类型
使用auto定义变量时必须对其初始化，编译阶段编译器需要根绝初始化来推导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”，编译器编译期间会将auto替换为变量实际的类型

8.3 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，auto指明了一定是指针类型，但用auto声明引用类型必须加&

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，否则编译器报错，编译实际只对第一个类型推导，然后定义其他变量

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在实际中优势用法在新式for循环，还有lambda表达式配合使用

9. 基于范围的for循环（c++11）

9.1 用法

c++98遍历一个数组

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，说明循环的范围是多余的，含容易犯错误，因此c++11引入了范围的for循环，for后括号由冒号分为两部分，第一部分用于迭代的变量，第二部分用于迭代的范围

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
//引用类型可以修改原数组值
for(auto& e : array)
     e *= 2;
for(auto e : array)
     cout << e << " ";
return 0;
}

与普通循环类似，可以用continue结束本次循环，也可以break跳出

9.2 范围for循环的条件

对于数组而言，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

以下代码有问题，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（后面会说明）

10. 指针空值nullptr（c++11）

10.1 c++98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，否则可能出现不可预料的结果，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 __cplisplus
#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,使用空值的指针时,都不可避免的会遇到一些麻烦

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NULL调用指针版本的(int*)函数，但由于NULL被定义为0，因此和程序本意项伯

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,如果将其按照指针方式使用,必须强转为(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，后续指针空值时最好使用nullptr

02 c++入门

目录

0. 本节知识点安排目的

1. c++关键字(c++98)

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

5.2 重载的原理–名字修饰（name Mangling）

6. 引用

6.2 引用特性

6.3 常引用

6.4 使用场景

6.5 传值、传引用效率高

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

8.2 auto简介

8.3 auto的使用细则

8.3 auto不能推导的场景

9. 基于范围的for循环（c++11）

9.1 用法

9.2 范围for循环的条件

10. 指针空值nullptr（c++11）

10.1 c++98的指针空值

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