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C++基础入门

殿下p 2023-05-29 00:00:03

简介C++基础入门

前言：

C++是在C的基础之上，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，本章节主要目标：

补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。
为后续类和对象学习打基础。

一.C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字。
(下面只是看一下C++有多少关键字，不对关键字进行具体的讲解。等后续章节学到以后再细讲。)
在这里插入图片描述

二.命名空间

1.引例

先看下面一段代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int rand = 10;
 
int main()
{
    printf("%d
", rand);
    return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
rand是一个库函数，我们再定义变量rand就会与其发生冲突。

以后工作时，我们面对海量的代码，势必会有各种各样相同的变量名字或函数名造成命名冲突，为了弥补这种语法的不足，C++引出了命名空间：即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。

2.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（类似结构体）：

//该命名空间的名字为dx(殿下p）
namespace dx
{
    //定义自己的变量/函数/类型等
	int rand = 10;
 	
 	//函数
	void qsort(int* a, int n)
	{
		//...
	}
 	//类型
	struct Node
	{
		int val;
		struct Node* next;
		//...
	};
}

命名空间可以嵌套：

namespace dx
{
	int rand = 10;
 
	namespace dx2
	{
        int rand = 20;
        
		namespace dx3
		{
			//....
		}
	}
}

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。

//test.cpp中定义
namespace dx
{
	int rand = 10;
 
	void qsort(int* a, int n)
	{
		//...
	}
 
	struct Node
	{
		int val;
		struct Node* next;
		//...
	};
}
//test.h中定义
namespace dx
{
	int sum = 0;
 
	int add(int a, int b)
	{
		//...
	}
}
 
//两个dx会被合并成为一个

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

3.命名空间的使用

定义了命名空间，那怎么使用命名空间中的内容呢？
比如：

namespace dx
{
 	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
 	int a = 0;
 	int b = 1;
 	int Add(int left, int right)
 	{
		return left + right;
	}
 	struct Node
 	{
 		struct Node* next;
 		int val;
 	};
}
int main()
{
	printf("%d
", a);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
无法直接使用。下面介绍3种命名空间的使用方式：

加命名空间名称及作用域限定符

int main()
{
    printf("%d
", dx::a);
    return 0;    
}

使用using将命名空间中某个成员引入

using dx::b;
int main()
{
    printf("%d
", dx::a);
    printf("%d
", b);
    return 0;    
}

使用using namespace命名空间名称引入

using namespce dx;
int main()
{
    printf("%d
", N::a);
    printf("%d
", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

4.注意事项

在日常学习的时候，我们经常会见到这样的语句：

using namespace std;

这句话的含义是什么呢？

首先要知道，标准命名空间std是C++标准库中的命名空间，包含了很多常用的函数和对象，字符串，数学运算等，那么using namespace std就是引入了标准命名空间。

引入标准命名空间会使代码更简洁易读，但如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。因此在开发大型项目时，我们一般使用：

作用域限定符访问

//作用域限定符访问
#include <iostream>
 
int main()
{
	std::cout << "hello world" << std::endl;
	return 0;
}

常使用的进行展开

using std::cout;
using std::endl;
 
int main()
{
	cout << "hello world" << endl;
	return 0;

但是在日常学习练习的时候，使用using namespace std会方便很多。

三.缺省参数

1.缺省参数的定义

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。

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;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2.缺省参数的分类

（1）全缺省参数

传参时，必须从左往右依次给

void F(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
	cout << endl;
}
 
int main()
{
	F(100);
	F(100, 200);
	F(100, 200,300);
	
	//错误示例：
	//F(100, ,300);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

（2）半缺省参数

void F(int a , int b , int c = 30)
{
	cout << "a = " << a << endl;
	cout << "b = " << b << endl;
	cout << "c = " << c << endl;
	cout << endl;
}
 
int main()
{
	F(100,200);
	F(100, 200, 300);
 
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

3.注意事项

半缺省参数必须从右向左给，不能间隔给
缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，只能出现在函数声明中
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）

四.函数重载

1.函数重载的概念

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 a, int b)
{
	return a + b;
}
double Add(double a, double b)
{
	return a + b;
}
 
//2.参数个数不同
int Add(int a, int b)
{
	return a + b;
}
int Add(int a, int b, int c)
{
	return a + b + c;
}
 
//3.参数类型的顺序不同
 
void F(int a, char b)
{
	//...
}
void F(char a, int b)
{
	//...
}
 
int main()
{
	Add(10, 20);
	Add(10, 20, 30);
	Add(2.2, 3.3);
	F(10, 'a');
	F('a', 10);
 
	return 0;
}

注意：函数重载与函数的返回值无关

2.C++为什么支持函数重载？

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。当我们用函数重载定义了两个同名的函数Add，很显然我们自己知道传什么参数该调用哪个函数，但在编译器链接时，面对Add函数，链接器会使用哪个名字去找对应的栈帧呢？

int Add(int a, int b)
{
	return a + b;
}
 
void func(int a, double b, int* p)
{
}
 
int main()
{
	Add(1, 2);
	func(1,2,0);
 
	return 0;
}

其实编译器在编译与汇编阶段，会对函数名做修饰。不同的编译器对函数名的修饰也不同，为了方便观察，这里以Linux环境下的g++编译器为例。输入指令查看可执行程序反汇编的代码：

g++ Test.cpp -o Testcpp
objdump -S Testcpp

以下是Linux下g++修饰的汇编代码：
在这里插入图片描述

函数名修饰后变成 _Z+函数长度+函数名+类型首字母
为了作对比，我们再看看没有函数重载的C语言是否会对函数名做修饰：

gcc Test.c -o Testc
objdump -S Testc

在这里插入图片描述

在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变，这样就理解了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。

五.引用

1.引用的概念

引用：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。

比如：李火旺和火子哥是同一个人
格式： 类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	cout << a << endl;
	cout << ra << endl;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。
下面来比较一下引用与变量的地址是否相同：

//比较二者的地址
cout << &a << endl;
cout << &ra << endl;

运行结果：

在这里插入图片描述

可以看出引用变量与原变量用的是同一块地址空间。

2.引用的性质

引用在定义时必须初始化

int a = 0;
int& ra = a; 
//int& ra;    //错误的写法

一个变量可以有多个引用

int a = 0;
int& b = a;
int& c = a;
//...
// 三个变量都是a

引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int a = 0;
int b = 0;
 
int& ra = a;
ra = b;   // 不能再引用其他变量
// 对比指针
int* pa = &a;
pa = &b;

引用变量的类型与引用实体的类型要相同

int a = 0;
int& ra = a;
 
char ch = 'a';
char& rch = ch;

3.常引用

正常的变量是可以随意修改的：
（以int型举例）

 // 两者都是可读可写型
 int a = 10;
 int & b = a;

如果在变量前加const，那变量就只读，没有修改的权限，具有常量性。引用被const修饰的变量，不可以赋予该引用修改变量的权限，也就是不可以权限扩大：

// 只读型(const)
const int a = 20;
 
// 引用b是可读可写型  报错！（扩大了权限）
int& b= a;      × × ×
 
// 权限平移：都是只读型
const int& c = a;   √ √ √

但是引用一个无修饰的变量，可以赋予该引用只读的权限，也就是可以权限缩小：

//可读可写型
int e = 30;
 
//只读型
const int &f = e;

注意：当两个不同类型的变量比较大小或者类型转换的时候，并不会改变变量的类型，而是会在中间过程产生一个临时变量，临时变量具有常量性：

int ii = 1;

// 报错：引用rdd是变量ii的别名，但是rdd是double型，ii是int型，因此ii要先发生类型转换，
// 但转换的并不是ii本身，而是产生一个临时变量，该临时变量是double型，且具有常量性，
// 所以直接引用ii权限就被扩大了
double &rdd = ii;      
// 正确：权限平移
const double &rdd = ii;

在这里插入图片描述

4.使用场景

（1）引用做参数

根据引用的特性，会直接改变外部实参的值：

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

运行结果：

在这里插入图片描述

（2）引用做返回值

先看下面的代码：

int& Count(int x)
{
    int n = x;
    n++;
    return n;
}

int main()
{
    int& ret = Count(10);
    cout << ret << endl;
    printf("SSSSSSSSS
");
    cout << ret << endl;

    return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

出现随机值了，这是为什么呢？

这其实涉及到函数栈帧的开辟与销毁，详细知识点请点击此处，在本文我简单介绍一下：

函数运行时，系统需要给函数开辟独立的栈空间，用来保存该函数的形参，局部变量以及一些寄存器的信息，也就是函数栈帧的开辟。
函数运行结束后，该函数对应的栈帧就被系统回收了，就是函数栈帧的销毁
空间被回收指这块栈空间暂时不能使用，但是内存还在，保存的数据还在。举个例子：放学后，教室需要锁门，使用权限就还给了学校，但是教室本身还在，教室里仍存放着书本文具等。

据此，我们再分析上述代码，调用Count函数后，n 的别名返回后给 ret 接受，ret 引用的是一块被回收的空间，此时这块空间存的仍是n的值11，然后用printf函数打印一行字符串，又一次栈帧创建与销毁后，覆盖了原来的内存空间，存放的n的值11也就成了随机值。

引用做返回值正确的使用姿势：

int& Count(int x)
{
    static int n = x;
    n++;
    return n;
}

int main()
{
    int& ret = Count(10);
    cout << ret << endl;
    printf("SSSSSSSSS
");
    cout << ret << endl;

    return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

所以，引用作返回值时，如果函数返回时，出了函数作用域，但是返回对象还在(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。

引用作函数返回值时，调用函数时可修改返回对象：

#define N 10

typedef struct Array {
	int a[N];
	int size = N;
}Array;
 
int& Test(Array& a, int i)
{
	assert(i < N);
 
	return a.a[i];
}
 
int main()
{
	Array a;
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		Test(a, i) = i * 10;
	}
	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		cout << Test(a, i) << " ";
	}
	cout << endl;
 
	return 0;
}

运行结果：

在这里插入图片描述

5.引用的效率

（1）传值与传引用的效率比较

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，而是传递形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。

//一组测试代码
#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;
}
 
int main()
{
	TestRefAndValue();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

（2）值和引用作为返回值的性能比较

//一组测试代码
#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;
}
int main()
{
	TestReturnByRefOrValue();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

6.引用和指针的区别

引用与指针的用法及原理在我们使用者看来是不相同的（引用是给变量取别名，指针是指向变量的地址），但是其实引用的底层实现就是以指针的方式实现的。例如：

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

对比一下指针与引用的汇编代码，发现二者完全相同：

在这里插入图片描述
虽然底层实现相同，但在使用时我们依旧要注意二者的区别：

引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址
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

六.内联函数

1.概念

内联函数 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，不会建立函数栈帧。类似于宏

//定义一个内联函数
inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
 
int main()
{
	int a = 3, b = 5;
 
	int ret = Add(a, b);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

非内联函数在调用时，会建立函数栈帧，内联函数则不会。下面我们就在调用两种不同的函数时，查看各自的汇编代码：

//非内联函数
int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
 
int main()
{
	int a = 3, b = 5;
 
	int ret = Add(a, b);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
如上图所示，该指令就是调用函数的指令，调用函数必会建立函数栈帧。再来看看内联函数：

//内联函数
inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
 
int main()
{
	int a = 3, b = 5;
 
	int ret = Add(a, b);
	cout << ret << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
如图，此处并没有调用函数的过程，而是直接展开。

2.特性

内联函数并不总是最好的选择，它也是有利有弊：

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。
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。
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。

回顾一下宏的优缺点：

优点：

增强代码的复用性。
提高性能。

缺点：

不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
没有类型安全的检查。

七.auto关键字(c++11)

1.什么是auto

C++中引入了新的关键字auto，其作用为自动推导类型：

int main()
{
	int a = 0;
	auto b = a;
	auto c = &a;

	//打印变量的类型
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;

	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2.auto使用细则

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：

	//错误示例
	auto a;

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 a = 0;
	auto b = a;
	auto c = &a;
	auto& d = a;

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：

	auto a = 1, b = 2;
	auto c = 3, d = 4.0;  // error: c和d的初始化表达式类型不同

auto 不能推导的场景:

auto 不能作为函数的参数:

//错误示例
void Func(auto n)
{
	//...
}

auto 不能直接用来声明数组；

	//错误示例
	auto arr[] = { 1,2,3 };

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；
auto 在实际中最常见的优势用法就是接下来会讲到的 C++11 提供的新式for循环，还有 lambda 表达式等进行配合使用

八.基于范围的for循环(c++11)

1.范围for循环

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

例如：

void TestFor()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
}

运行结果：

在这里插入图片描述

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

2.范围for循环的使用条件

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。
迭代的对象要实现++和==的操作

//错误示例
void TestFor(int array[])
{
	for (auto& e : array)
		cout << e << endl;
}

九.指针空值nullptr(c++11)

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：

	int* p = NULL;

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;
}

运行结果：

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。
为了避免出现类似的问题，C++11 中引进了新的关键字 nullptr ，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 。

本文到此结束，码文不易，还请多多支持哦！

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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C++基础入门

文章目录

一.C++关键字

二.命名空间

1.引例

2.命名空间定义

3.命名空间的使用

4.注意事项

三.缺省参数

1.缺省参数的定义

2.缺省参数的分类

（1）全缺省参数

（2）半缺省参数

3.注意事项

四.函数重载

1.函数重载的概念

2.C++为什么支持函数重载？

五.引用

1.引用的概念

2.引用的性质

3.常引用

4.使用场景

（1）引用做参数

（2）引用做返回值

5.引用的效率

（1）传值与传引用的效率比较

（2）值和引用作为返回值的性能比较

6.引用和指针的区别

六.内联函数

1.概念

2.特性

七.auto关键字(c++11)

1.什么是auto

2.auto使用细则

八.基于范围的for循环(c++11)

1.范围for循环

2.范围for循环的使用条件

九.指针空值nullptr(c++11)

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