从C语言到C++：C++入门知识（2）

朋友们、伙计们，我们又见面了，本期来给大家解读一下有关C++的基础知识点，如果看完之后对你有一定的启发，那么请留下你的三连，祝大家心想事成！

C 语言专栏：C语言：从入门到精通

数据结构专栏：数据结构

个人主页：stackY、

前言：

1. 函数重载

1.1函数重载概念

1.2C++支持函数重载的原理

2. 引用

2.1引用的概念

2.2引用特性

2.3常引用

2.4使用场景

2.5传值、传引用效率比较

2.6引用和指针的区别

3. 内联函数

3.1概念

3.2特性

4. auto关键字（C++11）

4.1auto简介

4.2auto的使用细则

4.3auto不能推导的场景

5. 基于范围的for循环

5.1范围for语法

5.2范围for的使用条件

6. 指针空值nullptr（C++11）

6.1 C++98中的指针空值

前言：

上篇我们对C++的历史以及C++的命名空间，C++关键字，输入、输出，缺省参数进行了了解，那么承接上篇的知识点再来将C++的基础知识了解完毕。

1. 函数重载

1.1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（函数返回值不同不能构成重载）。

代码演示：
#include <iostream>

using namespace std;

//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;
}

//参数个数不同
void Func()
{
	cout << "void Func()" << endl;
}

void Func(int a)
{
	cout << "void Func(int a)" << endl;
}

//参数类型顺序不同
void Func(int a, char ch)
{
	cout << "void Func(int a, char ch)" << endl;
}
void Func(char ch, int a)
{
	cout << "void Func(char ch, int a)" << endl;
}

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.1, 2.2);

	Func();
	Func(1);
		
	Func(1, 'a');
	Func('a', 1);

	return 0;
}

1.2C++支持函数重载的原理

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载？

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。

2. 引用

在之前C语言阶段中我们了解到了指针，并且也知道了指针如何使用，那么关于指针还是有些许的难理解，那么在C++中使用的引用这个概念

2.1引用的概念

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。

也就是说给变量起了一个“外号”，叫它的本来的名字可以找到它，叫它的外号也可以找到它。

使用方法：

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；
void Test()
{
	int a = 10;
	//定义引用类型
	int& ra = a;
	int& rb = ra;
	
	//类型需一样
	//double& rc = rb;

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

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
注意：

引用类型 必须和引用实体是 同种类型 的

2.2引用特性

1. 引用在 定义时必须初始化

void Test()
{
	int a = 10;
	//定义引用类型

	//int& ra;	//必须初始化
	int& ra = a;
}

2. 一个变量可以有多个引用

void Test()
{
	int a = 10;

	//定义引用类型
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	int& rrra = a;
}

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 b = 20;

	//定义引用类型
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	
	//int& ra = b;   //不能再引用其他实体
	int& rb = b;
}

2.3常引用

在引用的过程中，权限可以平移、缩小，但是万万不能放大。

代码演示：

void Test()
{
	const int a = 10;
	
	//权限的放大
	//int& ra = a;

	
	//权限平移
	const int& b = a;

	//权限缩小
	int c = 20;
	const int& rc = c;
}

那么还有一种情况：

void Test()
{
	const int a = 10;

	int b = a;  //这里是赋值拷贝，修改b并不影响a

	int c = 20;
	double d = c;  //会发生类型转化

	int x = 10;
	//double& y = x;   //发生类型转会产生临时变量，而临时变量具有常性，所以权限不能放大
	const double& y = x;
}

2.4使用场景

1. 做参数
// 1.做参数 
void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}
2. 做返回值
// 2.做返回值
int& Func()
{
    //静态变量
	static int n = 0;
	n++;
	//......
	return n;
}
那么在使用引用做返回值的时候，如果返回的是一个局部变量会发生什么呢？

下面这段代码的结果是什么呢？
int& Add(int x, int y)
{
	//局部变量
	int c = x + y;
	return c;
}

int main()
{
	int& ret = Add(10, 20);
	Add(30, 40);
	cout << "Add(10, 20) = " << ret << endl;
	cout << "Add(10, 20) = " << ret << endl;
	return 0;
}
可以看到当我们使用局部变量的引用作为返回值，也是可以得到我们想要的结果，那么事实真的如此吗？

在函数中的这个局部变量的生命周期只在这个函数内部，当函数返回局部变量之后，函数栈帧也会跟着销毁，所以这个局部变量的引用其实是一块已经被释放了的空间，这时如果没有人去改变这块空间的内容，那么就还是原来的值，若有人去改变了这块空间的内容，那么就会变为随机值。

**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。

2.5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。

2.5.1传址和传引用效率比较

//计算传值和传引用的效率
#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;
}

2.5.2传址返回和传引用返回效率比较

//传值返回和传引用返回比较
#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;
}

总结：

1. 传引用传参（任何时候都可以使用）

提高效率，形参的修改影响实参

2. 传引用返回（出了函数作用域对象还在才可以使用）

提高效率，修改返回对象

2.6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;
}
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;

	//引用
	int& ra = a;
	ra = 20;

	//指针
	int* pa = &a;
	*pa = 20;

	return 0;
}
可以看到引用和指针非常相似，在某种程度上来讲他就可以是指针

可以看一看指针和引用的汇编代码对比：

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。

3. 内联函数

在了解内联函数之前我们先要对C语言阶段学习的宏进行复习：

定义的一个宏常量或者是宏函数会在编译的时候进行展开替换，并且宏不能进行调试也不能实现函数递归（C语言：程序环境和预处理）。

3.1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，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。
int Add(int& x, int& y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int ret = 0;
	ret = Add(10, 20);
	
	return 0;
}
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。

查看方式：
1. 在Release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为Debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2019的设置方式)
//内联函数
inline int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int ret = 0;
	ret = add(1, 2);
	
	return 0;
}

3.2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。

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。

总结：

宏的优点：

1. 增强代码的复用性。

2. 提高性能。

宏的缺点：

1. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）

2. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。

3. 没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义换用const enum

2. 短小函数定义换用内联函数

4. auto关键字（C++11）

随着学习的不断深入，程序也越来越复杂，我们也可以发现许多程序中用到的类型也是越来越复杂，就比如：

1. 类型难于拼写

2. 含义不明确导致容易出错