c++入门篇_c++ 入门

前言

欢迎进入c++世界！这是一种令人兴奋的语言，它在c语言的基础上添加了面向对象编程和泛型编程的支持，在20世纪90年代便是最重要的编程语言之一，，并在21世纪仍保持强劲势头。c++继承了c语言高效、快速、和可移植的传统。c++面向对象的特性带来了全新的编程方法，这种方法是为应付复杂程度不断提高的现代编程任务而设计的。c++的模板特性提供了一种全新的编程方法——泛型编程。这三件法宝既是福也是祸，一方面让c++语言功能强大，另一方面则意味着有更多的东西需要学习。

目录

1. C++关键字
2. 命名空间
3. C++输入&输出
4. 缺省参数
5. 函数重载
6. 引用
7. 内联函数
8. auto关键字(C++11)
9. 基于范围的for循环(C++11)
10. 指针空值—nullptr(C++11)

1. C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字。
这里只是展示一下C++的关键字，目前不做解释，等后续更新博客再一 一讲解。

2.命名空间

在C语言中，我们都是规范命名变量或函数名称，尽量不与库里的关键字冲突;为了解决这一问题，C++引入了命名空间的概念。 命名空间的提出主要就是针对于这类问题的。 在C/C++中，变量、函数和类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称都将存在于 全局作用域 中，可能会导致很多的命名冲突。 使用命名空间的目的 是 对标识符的名称进行本地化,归类于特定的空间，以避免 命名冲突或名字污染 。

以rand为例，发现在c语言中它作为全局变量去编译时发现编译不通过。

代码：

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


int rand = 2023;

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

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编译后出错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”。
c语言没有办法解决这类问题，所以c++提出了命名空间namespace来进行解决这类问题。

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。

如下代码：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>

//定义一个名字为date的命名空间（函数变量）
namespace date
{
	int year = 2023;
	int month = 7;
	int day = 2;
	int a = 20;
	int b = 10;

}
//定义一个名字为xiaobai的命名空间（函数变量）
namespace xiaobai
{
	int a = 100;
	int b = 200;

	int add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}

using std::cout;
using std::endl;
int main()
{
	cout << "date中的 a = " << date::a << " date中的 b = " << date::b << endl;
	cout << "xiaobai中的 a = " << xiaobai::a << " xiaobai中的 b = " << xiaobai::b << endl;

	return 0;
}

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运行结果如下：

2.２ 命名空间只能全局范围内定义

如上图所示，局部定义命名空间是错误的。

2.３ 命名空间可以嵌套

运行结果如下：

2.４ 相同命名空间可以合并

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。

访问同一个命名空间的各个变量运行结果和代码如下：

2.５ 命名空间可以定义变量和函数

2.６ 命名空间的函数可以在“命名空间”外定义函数

2.７　无名命名空间，意味着命名空间只能在本文件内访问

代码及执行结果：

2.８给命名空间取别名

2.９　命名空间的使用

命名空间的三种使用方式：

• 加命名空间名称及作用域限定符
  
• 使用using将命名空间中某个成员引入
  
• 使用using namespace 命名空间名称 引入
  

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;
}
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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，这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还有有一个章节更深入的学习IO流用法及原理。
   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。

#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;
}
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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

一般情况下，函数调用时的实参个数应与形参相同，但为了更方便的使用函数，C++也允许定义具有缺省参数的函数，这种函数调用时，实参个数可以与形参不相同。
缺省参数指在定义函数时为形参指定缺省值（默认值）。
这样的函数在调用时，对于缺省参数，可以给出实参值，也可以不给出参数值。如果给出实参，将实参传递给形参进行调用，如果不给出实参，则按缺省值进行调用。
缺省参数的函数调用：缺省实参并不一定是常量表达式，可以是任意表达式，甚至可以通过函数调用给出。如果缺省实参是任意表达式，则函数每次被调用时该表达式被重新求值。但表达式必须有意义。

4.2 缺省参数分类

• 全缺省参数

//全缺省
void Function(int x = 10,int y = 20,int z = 30)
{
	cout <<"x = "<< x << endl;
	cout << "y = " << y << endl;
	cout <<"z = " << z << endl;
}
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• 半缺省参数

//半缺省
void Function(int x , int y = 20, int z = 30)
{
	cout << "x = " << x << endl;
	cout << "y = " << y << endl;
	cout << "z = " << z << endl;
}

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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：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者全局变量
4. 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。

// 1、参数类型不同
int Add(int x, int y)
{
	cout << "int Add(int x, int y)" << endl;
	return x + y;
}
double Add(double a, double b)
{
	cout << "double Add(double a, double b)" << endl;
	return a + b;
}


// 2、参数个数不同
void func()
{
	cout << "func()" << endl;
}
void func(int a)
{
	cout << "func(int a)" << endl;
}

// 3、参数类型顺序不同
void func(int a, char b)
{
	cout << "func(int a,char b)" << endl;
}
void func(char b, int a)
{
	cout << "func(char b, int a)" << endl;
}



int main()
{
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);
	func();
	func(10);
	func(10, 'a');
	func('a', 10);
	return 0;
}
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运行结果：

5.2 C++支持函数重载的原理–名字修饰(name Mangling)

关键就在于C++有函数名修饰规则，而C语言没有，下面详细说这个函数名修饰规则是怎样支持函数重载的。（需要一些有关C/C++程序运行相关前置知识）

C/C++ 的源代码到可执行文件，需要经过预处理，编译，汇编，链接四个阶段；
当当前程序的执行流程调用某个函数时，它会根据调用位置处留下的函数地址跳转到函数位置去执行（函数的实现可能在不同的文件）在链接执行之前，函数调用处是没有函数地址的在汇编阶段，编译器会生成符号表记录函数名称和函数地址（函数名修饰规则就在这个阶段起作用）若无函数名修饰规则，那么编译器只根据原始函数名来生成放在符号表中的函数名；如果有修饰规则，那么会将形参个数，类型，顺序也添加进考虑范围，以形成新的函数名回到链接阶段，链接器将为每个函数调用处匹配相应的函数地址，通过查看符号表来匹配，所以我们可以得出，能否为有相同原始名称的函数生成不同名的函数名，就是在链接阶段找到对应函数的关键，也就决定了能否实现重载。

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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

void Test()
{
  int a = 10;
  int& aa = a;//<====定义引用类型
  printf("%p\n", &a);
  printf("%p\n", &aa);
}
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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，再不能引用其他实体

void Test()
{
 int a = 10;
 // int& aa;  // 没有初始化，所以该条语句编译时会出错
 int& aa = a;
 int& aaa = a;
 printf("%p %p %p\n", &a, &aa, &aaa); 
}
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6.3常引用

void Test()
{
  const int a = 10;
  //int& aa = a;  // 该语句编译时会出错，a为常量
  const int& aa = 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& dd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
  const int& dd = d;
}
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6.4引用的使用

1.做参数

void Swap(int& a, int& b)
{
 int temp = a;
 a = b;
 b = temp;
 }
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2做返回值

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

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注意： 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。

#include <time.h>
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;
}
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运行结果：

6.5.2 值和引用的作为返回值类型的性能比较

#include <time.h>
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;
}
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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;
}
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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;
}
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我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

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。

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。

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：
   

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
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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
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。

8.2 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，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;
}
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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的使用规则

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，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;
}
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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
}
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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)
{}
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2. auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
  int a[] = {1,2,3};
  auto b[] = {4，5，6};
}
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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(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;
}
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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;
}
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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;
}
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2. 迭代的对象要实现++和==的操作。

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;
// ……
}
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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
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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;
}
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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 。