C++入门
- 七、引用
- (一)引用 概念
- (1)引用 概念
- (2)引用 使用
- ★☆(3)引用 特性
- (4)常引用
- (二)引用的 实际应用 及 其意义
- ☆(1)做参数 —— &形参取别名 可做到 形参的改变可影响实参
- ☆★ 1.1 传值、传引用效率比较
- 1.2 传值、引用传参 性能测试对比
- (2)做返回值
- ★ 讨论:传引用返回值时 的函数调用完后栈帧销毁,收回空间使用权后是否还能找到数据 问题
- ★☆ 探讨:临时变量
- (一) 类型转换 [ 1. 类型提升、2. 类型截断 3. 强制类型转换 ] 都要生成临时变量
- 1.1 类型提升
- 1.2 类型截断
- 1.3 强制类型转换
- (二) 传值、传参,传值返回,都要生成临时变量
- 2.1 传参
- 2.2 传值返回
- 3. 临时变量具有**常性**,**不可修改**
- (三) 传值返回 和 传引用返回 的性能比较
- ★ 引用 与 指针 的区别
- 总结:引用和指针的不同点( 使用 和 概念 上的区别 )
- 八、内联函数
- (一)前言:C中的 宏
- (二)宏的优点
- (三)宏的缺点
- C++针对宏的缺点作出的改进:用 enum const inline内联函数 替代 宏
- (2)inline 替代 宏函数
- 内联函数
- (一)概念
- 内联展开 查看方式:
- (二)特性
- 总结内联函数inline 优点:
- 九、auto 关键字(C++11)
- 前言:类型别名思考
- typeid 打印类型
- typedef 给类型取别名
- (一)auto简介
- (二)auto的使用细则
- (三)auto 不能推导的场景
- 十、基于范围的for循环(C++11)
- 前言
- (一)范围for的语法
- (二)语法的含义
- (三)范围for的使用条件
- 十一、指针空值nullptr(C++11)
- 前言:C++98中的指针空值
- (一)指针空值nullptr (C++11)
七、引用
(一)引用 概念
(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 。
就好比 鲁迅 和 周树人 是同一个人。
(2)引用 使用
引用就是取别名;
类型 &
引用变量名(对象名) = 引用实体;
【★☆★ 注意:引用类型 必须和 引用实体 是 同种类型 的】
在这里插入代码片
★☆(3)引用 特性
-
引用在定义时必须初始化
-
一个变量可以有多个引用
别名也可以再取别名
也可对常量进行别名
- 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体
定义了是一个实体的别名,就不能再改变成其他实体的别名了 。
- C++中无法通过
=
符号,将引用一个实体得到的别名,更改为另一实体的别名。 - 但Java中可以 通过
=
符号,改变别名的引用的方向。
所以,别名不能完全替代指针,更多的是 别名 与 指针 配合使用
(4)常引用
//常引用
int main(){
const int a = 10;
int& b = a;
return 0;
}
大家可以去自己的编译器下运行一下这段代码,看看会出现什么问题
详解
-
const 修饰:
- 可做 const修饰的 变量的别名 (权限可平移)
- 也可做 非const修饰的 变量的别名(权限可缩小)
-
指针也同样存在权限放大缩小的问题:
const + 指针 也不能传给 非const的指针 去保存。(在const修饰下,还存在可修改的可能,这是不合法的) -
总结:
权限可平移,可缩小,但不能放大 。
这里则是 定义了另外一个变量空间b,将a的值赋值给b,对值的拷贝,对a的权限没有影响,所以是合法的。
(二)引用的 实际应用 及 其意义
也正是因为别名和它引用的变量 共用同一块内存空间这一特性,所以 取别名就跟把地址传过去一样,改变的内存空间都是同一块。为后文,做参数时,大大提高了写代码的效率【请看下文】
☆(1)做参数 —— &形参取别名 可做到 形参的改变可影响实参
☆★ 1.1 传值、传引用效率比较
- 传值
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。
- 传引用 = 传指针(且还会比传指针更方便)
正是因为 别名和它引用的变量 共用同一块内存空间这一特性,所以 取别名就跟把地址传过去一样,改变的内存空间都是同一块。
所以,对 传过来的参数取别名(作为形参) = 在 解引用*
实参的地址,直接对实参的地址进行操作,不需要再拷贝内容了 。
1.2 传值、引用传参 性能测试对比
(2)做返回值
问题一:下面代码输出什么结果?为什么?
int& Add(int a, int b)
{
int c = a + b;
return c;
}
int main()
{
int& ret = Add(1, 2);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
Add(3, 4);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
return 0;
}
答案是 3,7;
解析
★ 讨论:传引用返回值时 的函数调用完后栈帧销毁,收回空间使用权后是否还能找到数据 问题
- 在传值返回中,传回去的是 n值的拷贝
- 而在传引用返回中,则是 相当于 引用n取了个别名tmp(别名与实体 共用同一块空间,地址相同),把tmp传回去,相当于就是把n传回去(因为地址相同)。
☆ 但会出现类似野指针的问题,因为函数调用完了,函数开辟的栈帧就被销毁了,空间的使用权被操作系统收回,但空间还在,操作系统继续运行程序时,再重新将这块空间进行分配,重复利用。
所以 返回的是多少取决于:
- 编译器是否在销毁栈帧时清理n的空间
- 以及,是否在空间使用权收回后,分配给下一个程序,是否有程序运行产生的数据将其要返回的原空间 变量n储存的数值 覆盖
【函数栈帧的调用与销毁 不懂的同学建议去看一下这篇文章,了解其底层原理,能帮助我们更好的掌握知识,串联知识。】
改进:用 static 进行修饰,出了作用域,对象还在(合法化),才能引用返回
- 问题二:那要是把条件改为 static int c = a + b;和 结果又会发生什么变化呢
int& Add(int a, int b)
{
static int c = a + b; //局部静态变量,只会被初始化一次
return c;
}
int main()
{
int& ret = Add(1, 2);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
Add(3, 4);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
return 0;
}
- 问题三:static int c; c = a + b; 值又是多少呢?
int& Add(int a, int b)
{
static int c;
c = a + b;
return c;
}
int main()
{
int& ret = Add(1, 2);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
Add(3, 4);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
return 0;
}
★☆ 探讨:临时变量
(一) 类型转换 [ 1. 类型提升、2. 类型截断 3. 强制类型转换 ] 都要生成临时变量
1.1 类型提升
x 类型提升后,就变成无符号了吗? 并没有,对 x 本身并没有什么影响。
1.2 类型截断
都是通过 对ii的临时变量 进行截断,再用这个截断后的临时变量对ch进行赋值。对其原变量没有影响。
1.3 强制类型转换
(二) 传值、传参,传值返回,都要生成临时变量
2.1 传参
形参是实参的一份临时拷贝
2.2 传值返回
都要生成临时变量,都是在对生成的临时变量进行处理,对其本来的变量没有影响
3. 临时变量具有常性,不可修改
(三) 传值返回 和 传引用返回 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;
}
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
★ 引用 与 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 。
- 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 。
【 在实际运行显示出来的,还是要以语法为主(虽然其底层实现是靠指针实现): 引用 没开空间;指针 开了空间。】
总结:引用和指针的不同点( 使用 和 概念 上的区别 )
-
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(则容易出现 野指针问题)
-
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
[ 3、4点提现:引用更安全,但也不是绝对的安全 ] -
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 显式解引用
*
,引用 编译器自己处理 -
引用 比指针使用起来 相对更安全
八、内联函数
(一)前言:C中的 宏
由于在程序运行时,函数建立栈帧 是一件消耗很大的事情
- 保存寄存器
- 给寄存器开空间
为解决这个问题,C语言推出了宏的概念。
【想了解关于宏的更多知识,目前还没来的及更新,敬请期待,我会将文章链接放在这】
(二)宏的优点
- 增强代码的复用性
- 宏用起来跟函数类似:直接替换,不需要建立栈帧,提高效率
(三)宏的缺点
-
不方便调试宏。(因为 在预编译阶段 就已经进行了替换,调试时是已经编译完了的)
-
要进行替换的内容,离要替换进去的位置是有一定距离的,要检查就没有办法像直接写在程序中来的直观,不能一眼直接检查出代码中出现的问题 。
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
C++针对宏的缺点作出的改进:用 enum const inline内联函数 替代 宏
(1)enum const 替代 宏常量
(2)inline 替代 宏函数
内联函数
(一)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。
inline修饰后,编译时C++编译器 会在 调用内联函数的地方展开
内联展开 查看方式:
-
右键 <文件名>
-
点击 <属性>
-
在 release模式下,查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add 【 默认条件下,函数还是会建立栈帧 】
-
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vs2013的设置方式)
(二)特性
- 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:不用建立栈帧,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,大概10行以内 )、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:
- 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(直接在程序中展开,就不需要地址了),就没有函数地址了,链接就会找不到。
//声明和定义分离
// 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 __cdeclf(int)" (?f@@YAXH@Z),该符号在函数 _main 中被引用
总结内联函数inline 优点:
- inline + 函数 ——> 内联函数 [ 好写,语法简单 ]
- 效率和宏一样:不需要进建立栈帧(会展开(编译器会将函数的逻辑调出来))
- 还能调试
对于宏的缺点,内联函数inline 都能克服。
九、auto 关键字(C++11)
前言: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:
- 类型难于拼写
- 含义不明确导致容易出错
typeid 打印类型
#include <string>
#include <map>
int main()
{
std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",
"橙子" },
{"pear","梨"} };
std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
while (it != m.end())
{
//....
}
return 0;
}
auto 对于像int 3个字符,auto 4个字符,差别不大,没有任何意义。
- auto主要的用处还得是 在定义对象时,类型较长,用它比较方便:
std::map<std::string, std::string>::iterator
是一个类型,但是该类型太长了,特别容易写错。
typedef 给类型取别名
聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,比如:
#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
Map::iterator it = m.begin();
while (it != m.end())
{
//....
}
return 0;
}
使用typedef给类型取别名确实可以简化代码,但是typedef有会遇到新的难题:
typedef char* pstring;
int main()
{
const pstring p1; // 编译成功还是失败?
const pstring* p2; // 编译成功还是失败?
return 0;
}
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。
(一)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。
- 因此,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。】
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;
}
(二)auto的使用细则
-
auto与指针
用auto声明指针类型时,用auto和auto*没有任何区别 -
auto与引用
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;
}
- 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
}
(三)auto 不能推导的场景
- auto 不能作为函数的参数 ,函数返回值也不支持
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【其原因 与auto初始化一样】。要是函数不进行调用了,那么这个形参auto a;就相当于没有被初始化了
// 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。
//要是函数不进行调用了,那么这个形参auto a;就相当于没有被初始化了
void TestAuto(auto a) X
{}
int main(){
//TestAuto(5);
}
- 函数返回值也不支持
X
auto TestAuto(auto a)
{}
int main(){
//TestAuto(5);
}
这是非常坑的。
- auto 不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
int a[] = {1,2,3};
auto b[] = {4,5,6};
}
-
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 就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环,还有lambda表达式等进行配合使用。
十、基于范围的for循环(C++11)
前言
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 。
(一)范围for的语法
- 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;
}
【 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。 】
(二)语法的含义
依次取数组中的数值赋值给e,自动判断结束,自动++往后走。
(三)范围for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。
注意:以下代码就有问题,因为for的范围不确定
void TestFor(int array[])
{
//用auto:要是数组类型变了,这里也不用动类型
for(auto& e : array) //这里,auto& 即可改变数组array (指针无法替代)
cout<< e <<endl;
//也可以用实际类型
for(int& e : array)
cout<< e <<endl;
}
这里,auto& 即可改变数组array (指针无法替代)。 只有&引用能做到,指针不能。
- 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题,以后会讲,现在提一下,没办法讲清楚,现在大家了解一下就可以了)
十一、指针空值nullptr(C++11)
前言: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;
// ……
}
- 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()
{
//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。
f(0);
f(NULL);
//如果要将其按照指针方式来使用,必须对其进行强转(void*)0。
f((int*)NULL);
return 0;
}
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。
(一)指针空值nullptr (C++11)
-
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。
-
C++为了弥补C:NULL的不足,定义出nullptr 。
nullptr
- 注意:
-
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。
-
在C++11中,sizeof(nullptr) 与 sizeof((void * )0) 所占的字节数相同 。
-
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。