第一部分：C++入门

前言

1、C++关键字(C++98)

2、命名空间

2.1、命名空间定义

2.2、命名空间的使用

3、C++输入&输出

4、缺省参数

4.1、缺省参数的概念

4.2、缺省参数的分类

5、函数重载

5.1、函数重载的概念

5.2、C++支持函数重载的原理

6、引用

6.1、引用的概念

6.2、引用特性

6.3、常引用

6.4、使用场景

6.5、传值、传引用效率

6.6、引用和指针的区别

7、内联函数

7.1、概念

7.2、特性

8、auto关键字(C++11)

8.1、类型别名思考

8.2、auto简介

8.3、auto的使用细则

8.4、auto不能推导的场景

9、基于范围的for循环(C++11)

9.1、范围for的语法

9.2、范围for的使用条件

10、指针空值nullptr(C++11)

10.1、C++98中的指针空值

10.2、nullptr(C++11)

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。学习这一部分就不再重复之前的C语言的内容。

C++是兼容C语言的，也就是说可以使用之前的C语言的语法。

1、C++关键字(C++98)

C++总计63个关键字，C语言32个关键字。这里只是总览一下C++的关键字，等到学到的时候再进行具体讲解。

2、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。

例如：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//加上这个就会报错，不加这个就可以正常运行

int rand = 10;

int main()
{
    printf("%d ", rand);
    return 0;
}
//这个是我们自己定义的名字与库里面的名字冲突，在
//项目组中，多个人之间定义的名字冲突

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

C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了用namespace来解决。

2.1、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。命名空间域只影响使用，不影响生命周期。

例如：

namespace bit//同一个域中不能有同名的变量，不同的域中可以有同名的变量。
{
    // 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;
    };
}


//命名空间是可以嵌套的
// 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;
        }
    }
}

//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。
//比如：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

另外，计算机识别变量是先从局部找，局部找不到，再去全局找。编译器默认是不会去命名空间中找变量的。

2.2、命名空间的使用

例如：

namespace bit
{
    // 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：

1、加命名空间名称及作用域限定符（指定展开的对象）

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

2、使用using将命名空间中某个成员引入（部分展开）

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

3、使用using namespace 命名空间名称引入（全局展开，但一般不建议这样使用）

using namespace bit;
int main()
{
    printf("%d\n", bit::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;
}

举个结构体的例子：

namespace bit1
{
	struct A
	{};
	int min;
}

namespace bit2
{
	struct A
	{};
	int min;
}

int main()
{
	struct bit1::A a;//注意这里的使用方法
	struct bit2::A b;
	bit1::min++;
	bit2::min++;

	return 0;
}

3、C++输入&输出

例如：

#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;
}
//这里的endl等价于'\n'，改写为cout<<"hello world!!!"<<'\n';也是一样的效果

说明：

1. 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。

2. 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。

3.<<是流插入运算符，>>是流提取运算符。

4. 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。

5. 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，这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还会更深入的学习IO流用法及原理。

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<iostream>+std的方式。

例如：

#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;
}

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，再配合文档学习。

std命名空间的使用惯例：

1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。

2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库中的类型/对象/函数重名，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或 using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

4、缺省参数

4.1、缺省参数的概念

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;
}

4.2、缺省参数的分类

1、全缺省参数

void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl;
}

使用缺省值的时候，必须从左向右连续使用，不可空着。例如：

//下面的四种使用方法是支持的
Func(1,2,3);
Func(1,2);
Func(1);
Func();
//下面的两种使用方法是错误的
Func(, 2, );
Func(, , 3);

2、半缺省参数（必须从右往左连续缺省）

void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl;
}

注意：

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给。

2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现（否则会报错）。（只能给其中的一个，但是我们一般建议给函数声明，如果声明和定义不在一个文件的话，就把缺省参数给声明不能给定义）。

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）。

5、函数重载

5.1、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。

#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;
}

5.2、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。

1. 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？

2. 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。(回顾一下)

3. 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。

4. 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。

5. 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】。

例如：

1、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。

2、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。

3、Windows下名字修饰

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，我们就不做细致的研究了。

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。

6、引用

6.1、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。

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);
}
//a和ra的地址是一样的

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

6.2、引用特性

1. 引用在定义时必须初始化

2. 一个变量可以有多个引用，引用变量本身还可以被引用。

3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

例如：

void TestRef()
{
    int a = 10;
    // int& ra;   // 该条语句编译时会出错，未初始化
    int& ra = a;
    int& rra = a;
    printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);
}

6.3、常引用

无论强制类型转换还是隐式类型转换都会产生中间变量，这个中间变量是临时的，具有常性。指针和引用在赋值或初始化时，权限可以缩小，但是不能放大。

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量，权限被放大了
    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;
}

6.4、使用场景

1、做参数

例如：这样的好处就是我们可以使用引用来取代一部分使用指针的场景。

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

2、做返回值

例如：

int& Count()
{
    static int n = 0;
    n++;
    // ...
    return n;
}

int main()
{
    int ret = Count();
    return 0;
}

如果没有上面的static和返回值的引用的话，n在出作用域后就被销毁了，之所以能让ret被赋值是因为n在销毁之前会给一个临时变量，让这个临时变量给ret来赋值。如果仅有static的话，n在出作用域后不会被销毁，但n仍不会直接赋值给ret，仍要先给一个临时变量，让这个临时变量给ret赋值。如果在有static的基础上，加上返回值的引用的话，就相当于给返回值n取了一个别名，返回了n的别名，在这个过程中就没有了临时变量这个中间量，效率就会变高。

我们看一道问题：程序在x86的环境下，运行结果为？

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;
}

所以在x86的环境下结果为7。

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。返回对象的引用一般在静态、全局、上一层栈帧、以及动态内存等情况出现。

6.5、传值、传引用效率

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。而传引用效率也就相对较高，因为缺少中间变量带来的消耗。

6.6、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;
}

但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。

注：语法概念与底层实现还是有一定差异的。从底层来看引用还是使用指针来实现的。

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

7、内联函数

7.1、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。

例如：

inline int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int ret = 0;
	ret = Add(2, 3);
	return 0;
}

7.2、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是不能声明和定义分离，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。（建议：直接在头文件中定义即可）

注意：在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则内联函数是不会展开的，这样做的目的是为了方便进行调试。

例如：

// 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

面试题：

宏的优缺点是什么？

优点：

1.增强代码的复用性。 2.提高性能。

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. const和enum替代宏常量

2. 内联函数替代宏函数

8、auto关键字(C++11)

8.1、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

有人可能想到可以使用typedef来给类型取别名，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？失败，编译后变成char* const p1;要求初始化。
	const pstring* p2;// 编译成功还是失败？成功，编译后变成char* const* p2。
	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。

8.2、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。当类型很长的时候，可以考虑使用auto进行自动推导。

例如：

int TestAuto()
{
	return 10;
}
int main()
{
	int a = 10;  //使用cout<<typeid(变量名).name()<<endl;是可以获取变量的类型信息的
	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。

8.3、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&。但是要注意，如果不是声明指针类型，用auto*是会报错的。

例如：

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。

例如：

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
}

8.4、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。

9、基于范围的for循环(C++11)

9.1、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。例如：

void TestFor()
{      //不一定非要使用auto也是可以写具体的类型的。
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (auto& e : array)
        e *= 2;
    for (auto e : array)//自动的依次取数组中数据赋值给e对象，自动判断结束。
        cout << e << " ";//原理就是编译时编译器进行了替换，替换为了迭代器
}
//

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。

9.2、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)//传参传过来的是指针，所以这样使用是不可以的。
        cout << e << endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会提，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

10、指针空值nullptr(C++11)

10.1、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)//这里就是函数重载，是可以这样写的
{
	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。