C++初阶之入门

零、什么是C++

C++是基于C语言而产生的，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行面向对象的程序设计。

C++缺点之一，是相对许多语言复杂，而且难学难精。许多人说学习C语言只需一本K&R《C程序设计语言》即可，但C++书籍却是多不胜数。我是从C进入C++，皆是靠阅读自学。在此分享一点学习心得。个人认为，学习C++可分为4个层次：

第一个层次，C++基础 (平平常常) 挑选一本入门书籍，如《C++ Primer》、《C++大学教程》或Stroustrup撰写的经典《C++程序设计语言》或他一年半前的新作《C++程序设计原理与实践》，而一般C++课程也止于此，另外《C++ 标准程序库》及《The C++ Standard Library Extensions》可供参考;

第二个层次，正确高效的使用C++ (驾轻就熟) 此层次开始必须自修，阅读过《(More)Effective C++》、《(More)Exceptional C++》、《Effective STL》及《C++编程规范》等，才适宜踏入专业C++开发之路;

第三个层次，深入解读C++ (出神入化) 关于全局问题可读《深入探索C++对象模型》、《Imperfect C++》、《C++沉思录》、《STL源码剖析》，要挑战智商，可看关于模版及模版元编程的书籍如《C++ Templates》、《C++设计新思维》、《C++模版元编程》;

第四个层次，研究C++ (返璞归真) 阅读《C++语言的设计和演化》、《编程的本质》(含STL设计背后的数学根基)、C++标准文件《ISO/IEC 14882:2003》、C++标准委员会的提案书和报告书、关于C++的学术文献。

C++只是软件开发的一环而已，单凭语言并不能应付业务和工程上的问题。建议读者不要强求几年内“彻底学会C++的知识”，到达第二层左右便从工作实战中汲取经验，有兴趣才慢慢继续学习更高层次的知识。虽然学习C++有难度，但也是相当有趣且有满足感的。

一、C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字

二、命名空间

在C/C++中，变量、函数和后面要学到的类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称将都存在于全局作用域中，可能会导致很多冲突。使用命名空间的目的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，namespace关键字的出现就是针对这种问题的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int rand = 10;

// C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

1、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。

// 1. 正常的命名空间定义
namespace lucas
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int rand = 10;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}

//2. 命名空间可以嵌套
// test.cpp
namespace N1
{
	int a;
	int b;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
	namespace N2
	{
		int c;
		int d;
		int Sub(int left, int right)
		{
			return left - right;
		}
	}
}

//3. 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。
// ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
// test.h
namespace N1
{
	int Mul(int left, int right)
	{
		return left * right;
	}
}

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

2、命名空间的使用

namespace Laplace{
	// 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(){
	// 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
	printf("%d\n", a);
	return 0;
}

命名空间的使用有三种方式：

加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	return 0;
}
使用using将命名空间中某个成员引入
using N::b;
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	printf("%d\n", b);
	return 0;
}
使用using namespace 命名空间名称引入
using namespce N;
int main()
{
	printf("%d\n", N::a);
	printf("%d\n", b);
	Add(10, 20);
	return 0;
}

三、C++输入&输出

#include<iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;
int main()
{
	cout << "Hello world!!!" << endl;
	return 0;
}
说明：

使用cout标准输出对象(控制台)和cin标准输入对象(键盘)时，必须包含< iostream >头文件 以及按命名空间使用方法使用std。
cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含< iostream >头文件中。
<<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。 C++的输入输出可以自动识别变量类型。
实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用+std的方式。
#include<iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;

int main()
{
	cout << "Hello world!!!" << endl;
	return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a;
	double b;
	char c;

	// 可以自动识别变量的类型
	cin >> a;
	cin >> b >> c;

	cout << a << endl;
	cout << b << " " << c << endl;
	return 0;
}

// ps：关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等
等。因为C++兼容C语言的用法，这些又用得不是很多，我们这里就不展开学习了。后续如果有需要，我
们再配合文档学习。
std命名空间的使用惯例：

在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

四、缺省参数

1、缺省参数概念

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;
}

2、缺省函数分类

全省参数
void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30){
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }
半缺省参数
void Func(int a, int b = 10, int c = 20) {
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }
注意：

半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给
缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现
  //a.h
  void Func(int a = 10);
  
  // a.cpp
  void Func(int a = 20)
 {}
  
  // 注意：如果生命与定义位置同时出现，恰巧两个位置提供的值不同，那编译器就无法确定到底该
用那个缺省值。
3.缺省值必须是常量或者全局变量

4.C语言不支持（编译器不支持）

五、函数重载

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。

#include<iostream>
using namespace std;

// 1、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;
}

// 2、参数个数不同
void f(){
	cout << "f()" << endl;
}
void f(int a){
	cout << "f(int a)" << endl;
}

// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b){
	cout << "f(int a,char b)" << endl;
}
void f(char b, int a){
	cout << "f(char b, int a)" << endl;
}
int main(){
	Add(10, 20);
	Add(10.1, 20.2);
	f();
	f(10);
	f(10, 'a');
	f('a', 10);
	return 0;
}

2、C++支持函数重载的原理--名字修饰(name Mangling)

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？

实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？
所以链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。
那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。
由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。
通过下面我们可以看出gcc的函数修饰后名字不变。而g++的函数修饰后变成【_Z+函数长度 +函数名+类型首字母】。

采用C语言编译器编译后结果

结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

采用C++编译器编译后结果

结论：在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。

Windows下名字修饰规则

对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的。

C/C++调用约定

6.通过这里就理解了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。

7.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。

六、引用

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；
void TestRef()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}
注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

2、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
引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

3、常引用

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;
    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

4、使用场景

1. 做参数
void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}
2. 做返回值
int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}
下面代码输出什么结果？
int& Add(int a, int b)
{
    int c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}
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。

5、效率比较

1.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。
#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.值和引用的作为返回值类型的性能比较
#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。

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;
	int& ra = a;
	ra = 20;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}
我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

引用和指针的不同点:

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

七、内联函数

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。

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：

在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
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)

2、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：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。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，就没有函数地址了，链接就会找不到。
// 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 __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

八、auto关键字

1、类型别名

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
#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;
}
std::map::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。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。

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。
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;
}
【注意】

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。

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&
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;
}
2. 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。
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
}

4、auto不能推导的场景

1.auto不能作为函数的参数
// 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提供的新式for循环，还有 lambda表达式等进行配合使用。

九、基于范围的for循环

1、范围for的语法

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。
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。

2、范围for的使用条件

1. 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[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}
2. 迭代的对象要实现++和==的操作。

十、指针空值nullptr

1、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()
{
	f(0);
	f(NULL);
	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。

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：

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。