【C++初阶】C++入门（2）

news2024/12/23 17:57:36

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文章目录

  • 一、函数重载
    • 1.1 函数重载的概念
    • 1.2 函数重载的种类
    • 1.3 C++支持函数重载的原理
  • 二、引用
    • 2.1 引用概念
    • 2.2 引用特性
    • 2.3 常引用
    • 2.4 引用的使用场景
    • 2.5 传值和引用性能比较
    • 2.6 引用和指针区别
  • 三、内联函数
    • 3.1 概念
    • 3.2 特性
  • 四、auto关键字（C++11）
    • 4.1 类型别名思考
    • 4.2 auto简介
    • 4.3 auto的使用细则
    • 4.4 auto不能推导的场景
  • 五、指针空值nullptr（C++11）
    • 5.1 C++98中的指针空值

一、函数重载

自然语言中，一个词可以有多重含义，人们可以通过上下文来判断该词真实的含义，即该词被重载了。 比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个 是男足。前者是“谁也赢不了！”，后者是“谁也赢不了！”

1.1 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。

1.2 函数重载的种类

  • 参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

double Add(double left, double right)
{
	return left + right;
}

int main()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;
	cout << Add(1.23, 7.8) << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述上面的代码定义了两个同名的Add函数，但是它们的参数类型不同，第一个函数的两个参数都是int型，第二个函数的两个参数都是double型，在调用Add函数的时候，编译器会根据所传实参的类型自动判断调用哪个函数。

  • 参数个数不同
void fun()
{
	cout << "fun()" << endl;
}

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

int main()
{
	fun();
	fun(8);
	return 0;
}

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  • 参数类型顺序不同
void Test(int a, char b)
{
	cout << "Test(int a,char b)" << endl;
}

void Test(char a,int b)
{
	cout << "Test(char a,int b)" << endl;
}

int main()
{
	Test(1, 'i');
	Test('i', 1);
	return 0;
}
  • 有缺省参数的
void Fun()
{
    cout << "f()" << endl;
}
 
void Fun(int a = 10)
{
    cout << "f(int a)" << endl;
}
 
int main()
{
    Fun();     //无参调用会出现歧义
    Fun(1);    //调用的是第二个
    return 0;
}

上面代码中的两个Fun函数构成函数重载，编译可以通过，因为第一个没有参数，第二个有一个整型参数，属于上面的参数个数不同的情况。但是Fun函数存在一个问题：在没有参数调用的时候会产生歧义，因为有缺省参数，所以对两个Fun函数来说，都可以不传参。

注意：返回值的类型与函数是否构成重载无关。

1.3 C++支持函数重载的原理

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。

我们想理解清楚函数重载，还要了解函数签名的概念，函数签名包含了一个函数的信息，包括函数名、它的参数类型、他所在的类和名称空间以及其他信息。函数签名用于识别不同的函数。 C++编译器和链接器都使用符号来标识和处理函数和变量，所以对于不同函数签名的函数，即使函数名相同，编译器和链接器都认为他们是不同的函数。

Linux环境下采用C语言编译器编译后结果

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可以看出经过gcc编译后，函数名字的修饰没有发生改变。这也就是为什么C语言不支持函数重
载，因为同名函数没办法区分。

采用C++编译器编译后结果

在这里插入图片描述

其中_Z是固定的前缀；3表示函数名的长度；Add就是函数名；i是int的缩写，两个i表示两个参数都是int类型，d是double的缩写，两个d表示两个参数都是double类型。C++就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。通过分析可以发现，修饰后的名称中并不包含任何于函数返回值有关的信息，因此也验证了上面说的返回值的类型与函数是否构成重载无关。

总结：

  1. C语言之所以没办法支持重载，是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。
  2. 如果两个函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为调用时编译器没办法区分。

二、引用

2.1 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

    int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;
	return 0;
}

    注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

应用：

void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

数据进行交换，可以不用传指针，可以用引用

2.2 引用特性

  • 引用在定义时必须初始化
int main()
{
    int a = 10;
    int& b;    //错误的
    return 0;
}

在使用引用时，我们必须对变量进行初始化。int& b = a;，这样的代码才是被允许的。

  • 一个变量可以有多个引用
int main()
{
    int a = 10;
    int& b = a;
    int& c = a;
    return 0;
}

上面代码中，b和c都是a的别名。就像孙悟空一样，孙行者、悟空也都是他的名字，所以一个变量也可以同时有多个引用。

  • 引用不能改变指向
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    int& c = a;
    c = b;
    return 0;
}

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我们可以看到b和c的地址不同，所以c = b表示的不是c是b引用，而是是把b变量的值赋值给c引用的实体，c依旧是a的引用，所以引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体，也就是引用不能改变指向。

2.3 常引用

const修饰的变量，只能读不能写（这里的权限，指的是读和写）

#include <iostream>

int main()
{
	int a = 0;
	int& b = a;//权限不变

	const int c = 2;
	int& d = c;//这里是错误的，权限不能被放大

	const int x = 3;
	const int& y = x;//这里是可以的，权限不变

	int m = 6;
	const int& n = m;//这里是可以的，权限缩小
	return 0;
}

取别名原则：对于引用类型，权限只能缩小，不能放大

临时变量具有常性

#include <iostream>

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;

	const int& c = 20;//常量也可以取别名

	double d = 15.3;
	int f = d;//在这里，相当于f把自己的整数部分给一个临时变量，临时变量把值赋给f（临时变量具有常性）
	const int& e = d;//这里的e不是d的引用，而是临时变量的引用
	return 0;
}

2.4 引用的使用场景

📖做参数

引用做参数的意义：

  • 做输出型参数，即要求形参的改变可以影响实参
  • 提高效率，自定义类型传参，用引用可以避免拷贝构造，尤其是大对象和深拷贝对象

交换两个整型变量：

void Swap(int& num1, int& num2)
{
   int tmp = num1;
   num1 = num2;
   num2 = tmp;
}

int main()
{
   int a = 5;
   int b = 10;
   Swap(a,b);
   return 0;
}

如上代码，我们可以使用引用做参数实现了两个数的交换，num1是 a 的引用，和 a 在同一块空间，对num1的修改也就是对 a 修改， b 同理，所以在函数体内交换num1和num2实际上就是交换 a 和 b 。以前交换两个数的值，我们需要传递地址，还要进行解引用，相对繁琐。

交换两个指针变量：

void Swap(int*& p1, int*& p2)
{
   int* tmp = p1;
   p1 = p2;
   p2 = tmp;
}

int main()
{
   int a = 5;
   int b = 10;
   int* pa = &a;
   int* pb = &b;
   Swap(pa,pb);
   return 0;
}

如果用C语言来实现交换两个指针变量，实参需要传递指针变量的地址，那形参就需要用二级指针来接收，这显然十分容易出错。有了引用之后，实参直接传递指针变量即可，形参用指针类型的引用。

📖做返回值

引用做返回值的意义：

  • 减少拷贝，提高效率。
  • 可以同时读取和修改返回对象
int& add(int x, int y)
{
    int sum = x + y;
    return sum;
}
 
int main()
{
    int a = 5;
    int b = 10;
    int ret = add(a, b);
    cout << ret << endl;
    return 0;
}

如上代码，我们使用传值返回，调用函数要创建栈帧，sum是add函数中的一个局部变量，存储在当前函数的栈帧中，函数调用结束栈帧销毁，sum也会随之销毁，对于这种传值返回，会生成一个临时的中间变量，用来存储返回值，在返回值比较小的情况下，这个临时的中间变量一般就是寄存器。

如上代码，传引用就是给sum起了一个别名，返回的值就是sum的别名，但是这里会出现问题，函数调用结束栈帧销毁，sum也会随之销毁，返回它的值再进行调用就是越界访问，打印出的值为随机值。

2.5 传值和引用性能比较

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。

struct A
{
    int a[100000];
};
 
void TestFunc1(A a)
{
    ;
}
 
void TestFunc2(A& a)
{
    ;
}
 
void TestFunc3(A* a)
{
    ;
}
 
//引用传参————可以提高效率（大对象或者深拷贝的类对象）
void TestRefAndValue()
{
    A a;
    // 以值作为函数参数
    size_t begin1 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)//就是单纯的调用一万次这个函数传一万次参
        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);//这里直接传的是变量名
    size_t end2 = clock();
 
    //以指针作为函数参数
    size_t begin3 = clock();
    for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
        TestFunc3(&a);
	}
    size_t end3 = 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;
    cout << "TestFunc3(A*)-time:" << end3 - begin3 << endl;
}

int main()
{
    TestRefAndValue();
    return 0;
}

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值和引用的作为返回值类型的性能比较：

struct A
{
    int a[100000];
};
A a;//全局的，函数栈帧销毁后还在
 
// 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();//就让他返回不接收
    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;
}

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2.6 引用和指针区别

  • 引用在概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量的地址。
  • 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空指针。
  • 在sizeof中的含义不同，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位机下占四个字节，64位机下占八个字节）。
  • 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，但是没多级引用。
  • 访问实体方式不同。指针显式解引用，引用编译器自己做处理。
  • 引用比指针使用起来相对更安全。

三、内联函数

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。
在函数前增加 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。 inline存在的意义：

  1. 解决宏函数晦涩难懂、容易写错
  2. 宏不支持调试

优点：

  1. debug支持调试
  2. 不易写错，就是普通函数的写法
  3. 提升程序的效率

3.2 特性

  1. inline 是一种 以空间换时间 的做法，省去调用函数额开销。所以 代码很长（大于10行） 或者有 循环 / 递归 的函数不适宜使用作为内联函数。
  2. inline 对于编译器而言 只是一个建议 ，编译器会自动优化，如果定义为 inline 的函数体内有循环 / 递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。
  3. inline 不建议声明和定义分离 （头文件中，两个都写），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。

四、auto关键字（C++11）

4.1 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

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auto可以自动定义类型，根据等号后面的变量

C++中，typeid(A).name();可以知道A的类型是什么

4.2 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
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 。

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 。

4.3 auto的使用细则

  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 &
（auto*定义的必须是指针类型）

  1. 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 。

auto意义之一：类型很长时，懒得写，可以让他自动推导。

4.4 auto不能推导的场景

  1. auto 不能作为函数的参数以及函数的返回值

    // 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)
{}

  2. auto 不能直接用来声明数组

    void TestAuto()
{
 int a[] = {1,2,3};
 auto b[] = {4，5，6};
}

  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。

五、指针空值nullptr（C++11）

5.1 C++98中的指针空值

 	//指针初始化
	int* p1 = NULL;
	int* p2 = 0;
	int* p3 = nullptr;//建议用这一种

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

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