C++初阶 —— 入门/概念_c+:+新奥赛的初级指什么

目录

一，关键字（C++98）

二，命名空间 

命名空间定义

命名空间使用

三，C++输入/输出

四，缺省参数

五，函数重载

六，引用

七，内联函数

八，auto关键字(C++11)

九，基于范围的for循环(C++11)

十，指针空值nullptr(C++11)

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一，关键字（C++98）

• C语言32个关键字；
• C++98总共63个关键字；

二，命名空间 

        在C/C++，如大量变量、函数、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（namespace）的目的就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；

        std是C++ 标准库中命名空间的名称，其中包含了大部分标准库的函数和类，使用std命名空间来访问其中的类和函数；

命名空间定义

namespace + 命名空间名字 + { }；

• 命名空间可嵌套；
• 同一个工程可存在多个相同命名空间，编译器最后会合成到同一个命名空间中；
• 一个命名空间即定义一个新的作用域，其中所有内容都局限于该空间中；
• VS19编译器，关键字namespace不可在函数内定义命名空间；

//命名空间，N为命名空间名字
namespace N
{
    //可定义变量，也可定义函数
	int a;
	void fun() {};
}

//可嵌套
namespace N
{
	int a;
	void fun() {};
	namespace N
	{
		int a;
		void fun() {};
	}
}

//命名空间可相同，最后会合并
namespace N
{
	int a;
	void fun1() {};
}
 
namespace N
{
	int b;
	void fun2() {};
}

命名空间使用

• 使用命名空间成员
  • 命名空间名称 + 作用域限定符（"::"）；
  • 优：不存在命名污染；缺：使用麻烦；
• 将内部成员全部展开（全部内容，类似全局）
  • using namespace + 命名空间名称；
  • 优：使用方便；缺：暴漏自身，容易命名污染；
• 引入指定成员（指定内容，类似全局）
  • using + 命名空间名称::命名空间成员；

//命名空间名称+限定符
int main()
{
	N::a = 2;
    N::N::a = 2;
	return 0;
}

//using namespace + 命名空间名称
using namespace N;
int main()
{
	a = 2;
	b = 2;
	return 0;
}

//using + 命名空间成员
using N::a;
int main()
{
	a = 2;
	return 0;
}

using关键字

• 引入命名空间所有成员，using namespace N；
• 引入命名空间特定成员（变量或函数），using N::a；
• C++11引入简化类型名称，即创建别名，using name = type；
  • 传统C语言使用typedef创建别名；

//声明类模板别名，不可在函数内使用
template<typename T>
using IntVector = std::vector<T>;
 
//声明实例类（类型）别名
using IntVector = std::vector<int>;

//在类内部声明的别名
template<class T>
class A
{
public:
	using MyInt = int; //类内可以直接使用
private:
	MyInt _i;
	T _var;
};
 
A<int>::MyInt var; //但在内外使用必须加上所属类作用域

三，C++输入/输出

• cout 标准输出（控制台）；
• cin 标准输入（键盘）；

• 需包含头文件<iostream>，及标准命名空间std；
• endl一行输出结束输出下一行（等价于"\n"）；

#include <iostream>
int main()
{
	std::cout << "hello world!" << std::endl;
	return 0;
}

//推荐此方式
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "hello world!" << endl;
	return 0;
}

//输入输出
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a, b;
	cin >> a >> b;
	cout << a << "/" << b << endl;
	return 0;
}

注：

• 早期标准库没有在std命名空间中实现，只需包含.h的头文件即可，后来为了和C头文件区分及正确使用命名空间，规定头文件不带.h；
• 使用C++输入输出更方便，无需数据格式控制，自动识别类型，如%d/%c等，浮点数最多输出五位，但类似结构体的连续输出用printf更好；

四，缺省参数

• 是指声明或定义函数时，为函数的参数指定一个默认值；
• 在调用函数时，如未指定实参则使用该默认值；

#include <iostream>
using namespace std;
void fun(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	fun();
	fun(10);
	return 0;
}

 分类

• 全缺省参数；
• 半缺省参数；

//全缺省参数
void fun(int a = 0, int b = 1, int c = 2)
{
	cout << a << b << c << endl;
}

//半缺省参数
void fun(int a , int b = 1, int c = 2)
{
	cout << a << b << c << endl;
}

注：

• 参数必须从右往左依次给出，不可间隔；
• 缺省参数不可在函数声明和定义中同时出现，如声明和定义缺省位置默认值不同，编译器无法确定默认值，即使默认值相同也不可，此时建议定义是不加默认值；
• 缺省值必须是常量或全局变量；
• C不支持；

//支持全局变量
int ab = 1212;
void fun(int a = ab)
{
	cout << a << endl;
}

五，函数重载

        函数重载是函数的一种特殊情况，C++允许同一个作用域中声明几个功能类似的同名函数，其形参列表（参数个数或类型或顺序）必须不同，常用来实现功能类似数据类型不同的问题；进而保持代码的可读性和维护性；

函数名相同，参数不同；即通过传递的参数不同，调用不同函数；

• 必须在同一作用域，同一命名空间下；
• 必须有不同参数列表，即参数个数、类型、顺序不同；
• 不可仅通过返回值类型不同来区分函数，会被认为是函数重定义，导致编译错误；
  • 语法调用层面，无法区分，严重歧义；
• 可与默认参数一起使用，即缺省参数时使用默认值；
• 返回值要匹配返回类型；

//可根据参数不同调用不同函数
int Add(int a, int b) { return a + b; }
double Add(double a, double b) { return a + b; }
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

名字修饰（name mangling）

        运行程序时，需经历：预处理、编译、汇编、链接；在编译后链接前，如a.o目标文件中无Add函数的地址，地址在b.o文件中，链接器会到b.o符号表中查找地址，然后链接；链接时，依据名字（函数名修饰）查找，不同编译器修饰规则不同；如：g++函数名修饰规则，[_Z+函数长度+函数名+类型首字母]；

• C语言不支持重载，因为同名函数无法区分；
• C++通过函数名修饰规则来区分，修饰出来的名字不一样；

注：(f.h/f.c/test.c)

• 预处理：头文件的展开、宏替换、条件编译、去掉注释，f.i/test.i；
• 编译：检查语法，生成汇编代码，f.s/test.s；
• 汇编：把汇编代码转化为二进制机器码，目标文件f.o/test.o；
• 链接：链接到一起，生成可执行程序.exe；

extern "C"

        在C++中有时候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"；即编译后的函数修饰名，可调用C库；C++编译器，既可识别C++函数名修饰规则，也可识别C的修饰规则（兼容C）；如C的项目调用C++的库，可在C++库的函数前添加extern “c”即可；

//按C编译
extern "C" int Add(int a, int b) { return a + b; }

六，引用

• 不是定义一个新的变量，而是给已存在的变量取个别名；
• 编译器不会为引用的变量开辟内存空间，是共用同一块内存空间的；

类型 + & + 引用变量名(即别名) = 引用实体

• 引用类型必须和引用实体类型一致；

//引用变量
int a = 10;
int& ra = a;

//引用变量
int a = 10;
int* pa = &a;
int*& rpa = pa;

特性

• 引用在定义时必须初始化；
• 一个变量可以有多个引用(即多个别名)；
• 引用一旦引用一个实体，再也不能引用其他实体(即不能同时引用两个实体)；
• 不可引用常量或字面值；

int& ra; //此时会报错，必须初始化；

//一个变量可以有多个引用(即多个别名)
int a = 10;
int& ra = a;
int& rb = a;

//引用一旦引用一个实体，再也不能引用其他实体(即不能同时引用两个实体)
int a = 10;
int b = 20;
int& ra = a;
int& ra = b;

常引用

• 可保护形参，形参不会被改变；
• 即可传变量，也可传常量；

const int a = 10; 
//int& ra = a; //编译时会报错，因为a为常变量，且不可扩大读写权限
const int& ra = a;

//int& ra = 10; //编译时会报错，因为10为常量
const int& ra = 10;

//可缩小读写权限，但不可放大读写权限
int a = 10;
int& ra = a;
const int& rb = a;
//保护形参，避免误改
void PrintStack(const ST& s);

//即可传变量，也可传常量
int Add(const int& a, const int& b)
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	Add(a, b);
	Add(1, 2);
	return 0;
}

int a = 3.14;
double b = a; //类型转换中间会产生一个临时变量
//double& ra = a; 
const double& ra = a; //类型转换中间会产生一个临时变量，临时变量具有常性

使用场景

• 做参数，避免拷贝提高效率(引用传参)、可修改参数(输出型参数)；
• 做返回值；

//做参数
//因为是实参的别名，实际交换的就是原本的参数变量，类似指针；
void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

//C语法
void SListPushBack(SLTNode** phead, int x);
//C++语法
void SListPushBack(SLTNode*& phead, int x);

//传值返回
//c出作用域会销毁，编译器会生成一个临时变量，复制c的值
//临时变量，如比较小通常再寄存器，如比较大会再main中开辟一块空间
int Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
 
//传引用返回
//临时引用，int& tmp=c;
int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}

注：如函数返回时，出了函数作用域，返回对象还未还给系统，则可使用引用返回，如已还给系统，则必须传值返回；

传值/传引用效率对比

用值作为参数或返回值，效率低下，尤其是非常大时；

• 以值作为参数，在传参时函数不会直接传递实参，而是传递实参的拷贝；
• 以值作为返回值，在返回期间函数不会将变量本身直接返回，也是返回变量的一份临时拷贝；

引用和指针的区别

在语法上，引用是别名无独立空间，和引用实体共用同一块空间；

在实现上，实际是有空间的，因为引用是按照指针方式实现的（汇编代码完全类似）；

• 引用在定义时必须初始化，指针没有要求；
• 引用初始化后，不能在引用其他实体，而指针可在任何时候指向任何同类型实体；
• 没有NULL引用，但有NULL指针；
• sizeof含义不同，引用为引用类型的大小，指针始终是地址空间字节个数(4/8)；
• 自加不同，引用为引用实体加1，指针则为向后偏移一个类型大小；
• 有多级指针，无多级引用；
• 指针需显式解引用，引用编译器自动处理；
• 引用比指针使用相对安全；

七，内联函数

        以inline修饰的函数叫做内联函数，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；C语言是利用宏实现的；

特性

• inline是一种以空间交换时间的做法，省去调用函数的开销，所以代码很长或有循环/递归函数不宜使用做为内联函数；
• inline对于编译器只是个建议，编译器会自动优化，如定义为inline的函数体内有循环/递归等，编译器会优化忽略掉内联；
• 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；

宏优点

• 增强代码复用性；
• 提高性能； 

宏缺点

• 语法复杂，容易出错；
• 无类型安全检查；
• 无法调试和递归；

C++替代宏

• const/enum替代宏常量；
• inline替代宏函数；

八，auto关键字(C++11)

        早期C/C++中，使用auto修饰的变量具有自动生命周期变量(多余，变量默认拥有自动的生命周期)，但一直没有人去使用；C++11中，auto不在是一个存储类型标识符，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推导而得；

• 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，编译器在编译时会将auto替换为实际变量类型；

//通过右边赋值对象，自动推导变量类型
int a = 10;
auto b = a;
 
//定义变量时，必须初始化
//auto b;

auto使用细则

• auto可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*没有区别，但用auto声明引用类型时则必须加&；
• 在同一行定义多个变量，但在同一行声明多个变量时，必须是相同类型，否则编译器报错，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；

int a = 10;
int& ra = a;
auto b = a; //int
//推导指针
auto c = &a; //int*
auto* cc = &a; //int*
//推导引用
auto d = ra; //int
auto& dd = a; //int&

//定义多个变量，必须是相同类型
int a;string b;
//auto c = a, d = b;

auto不能推导的场景

• auto不能作为函数的参数；
• auto不能直接用来声明数组；
• 为了避免与C++98中的auto混淆，C++11保留了auto作为类型指示符的用法；
• auto实际中最常见的优势用法，是跟新式for循环及lambda表达式等进行配合使用；

//auto不能作为函数的参数
void fun(auto a){}
//auto不能直接用来声明数组
auto arr[] = { 1,2,3 };

注：auto关键字详解链接！

九，基于范围的for循环(C++11)

        对于有范围的集合，有程序员来说明循环的范围是多余的，有时还会容易犯错误；因此C++11中引入基于范围的for循环；

语法：for（ 用于迭代的变量 ：被迭代的范围）{ 循环体 }

int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3 };
	for (auto& i : arr)
	{
		i = 1;
	}
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << endl;
	}
	return 0;
}

注：与普通循环类似，可用continue来结束本次循环，或break来跳出整个循环；

范围for使用条件

• for循环迭代的范围必须是确定的；
• 迭代的对象要实现++和==操作；

注：范围for详解链接；

十，指针空值nullptr(C++11)

        空指针，不是内存不存在的指针，是内存为第一个字节的编号，一般不使用这个字节数据；空指针一般用来初始化，表示指针指向无效的空间；

C++98中的指针空值

• NULL实际是一个宏，可能被定义为字面常量0，或无类型指针常量(void*)；

//C语言
#define NULL ((void *)0)
 
//一个指针没有合法的指向时，指定一个空值
//把void*类型赋予p1,其实会隐式转换相应的类型
int* p1 = NULL;
int* p2 = 0;

C++11指针空值nullptr

C++为强类型，无法隐式转换，引入nullptr表示空指针；

• 不需包含头文件，nullptr是作为新关键字引入的；
• 用来代替传统C++中的0或NULL表示空指针的做法；
• sizeof(nullptr)与sizeof((void*)0)所占字节数相同；

优点：

• nullptr更能体现指针本质，清晰明了；
• 使用模板时，传递0或NULL给指针参数容易导致问题；
• 为了提高代码的健壮性，后续表示指针空值时建议最好使用nullptr；

void f(int a){cout << "f(int)" << endl;}
void f(int* a){cout << "f(int*)" << endl;}
int main()
{
	f(0); //f(int)
	f(NULL); //f(int)
	f((int*)NULL); //f(int*)
    f(nullptr); //f(int*)
}

#ifndef NULL
    #ifdef __cplusplus
        #define NULL 0
    #else
        #define NULL ((void *)0)
    #endif
#endif