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C++专栏：C++程序设计

一、C++发展历史

TIOBE排⾏榜是根据互联网上有经验的程序员、课程和第三⽅⼚商的数量，并使⽤搜索引擎（如Google、Bing、Yahoo!）以及Wikipedia、Amazon、YouTube和Baidu（百度）统计出排名数据，只是反映某个编程语⾔的热⻔程度，并不能说明⼀⻔编程语⾔好不好，或者⼀门语⾔所编写的代码数量多少。

2024年6⽉TIOBE发布的编程语⾔排⾏榜

二、C++的第一个程序

        C++兼容C语⾔绝⼤多数的语法，所以C语⾔实现的hello world依旧可以运⾏，C++中需要把定义⽂件代码后缀改为.cpp，vs编译器看到是.cpp就会调⽤C++编译器编译。

//定义文件后缀是.cpp时仍可运行含C语法的程序
#include <stdio.h>
int main() 
{
	printf("hello world!\n");
	return 0;
}

        当然C++有⼀套⾃⼰的输⼊输出，严格说C++版本的hello world应该是这样写的。

// test.cpp
// 这⾥的std cout等我们都看不懂，没关系，下⾯我们会依次讲解
#include <iostream>
using namespace std;

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

C++的输入输出

• <iostream> 是 Input Output Stream 的缩写，是标准的输⼊、输出流库，定义了标准的输⼊、输出对象。
• std::cin 是 istream 类的对象，它主要⾯向窄字符（narrow characters (of type char)）的标准输⼊流。
• std::cout 是 ostream 类的对象，它主要⾯向窄字符的标准输出流。
• std::endl 是⼀个函数，流插⼊输出时，相当于插⼊⼀个换⾏字符加刷新缓冲区。
• <<是流插⼊运算符，>>是流提取运算符。（C语⾔还⽤这两个运算符做位运算左移/右移）
• 使⽤C++输⼊输出更⽅便，不需要像printf/scanf输⼊输出时那样，需要⼿动指定格式，C++的输⼊输出可以⾃动识别变量类型(本质是通过函数重载实现的，这个以后会讲到)，其实最重要的是C++的流能更好的⽀持⾃定义类型对象的输⼊输出。
• IO流涉及类和对象，运算符重载、继承等很多⾯向对象的知识，这些知识我们还没有讲解，所以这⾥我们只能简单认识⼀下C++ IO流的⽤法，后⾯我们会有专⻔的⼀个章节来细节IO流库。
• cout/cin/endl等都属于C++标准库，C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中，所以要通过命名空间的使⽤⽅式去⽤他们。
• ⼀般⽇常练习中我们可以using namespace std，实际项⽬开发中不建议using namespace std。
• 这⾥我们没有包含<stdio.h>，也可以使⽤printf和scanf，在包含<iostream>间接包含了。vs系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
    // 流输入
    int a,b=2,c=3;
    cin >> a;  // 类似scanf,输入1
    cout << a; // 类似printf，打印1
    return 0;

    // 依次输出
    cout << a << b << c; // 结果:123

    // std::endl的作用和'\n'类似
    cout << a << b << c << endl;
    cout << a << b << c << '\n'; // 效果一样

    return 0;
}
    

三、命名空间

1.域

        C++中的域有局部域、全局域、命名空间域、类域等。在程序中，变量、函数、类都有自己的作用域。

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。

        c语⾔项⽬类似下⾯程序这样的命名冲突是普遍存在的问题，C++引⼊namespace就是为了更好的解决这样的问题。

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

int rand = 10;

int main()
{
 // 编译报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”
 printf("%d\n", rand);
 return 0;
}

• ---

  在C++中可以利用命名空间解决命名冲突的问题。

namespace zut {
	int rand = 10;
}
int main() 
{
	printf("%d\n", zut::rand);// 编译正常，运行结果：10
	return 0;
}

        namespace是定义命名空间的关键字，后跟空间名和大括号，大括号内可以是变量、函数，在大括号内定义的成员通过域作用限定符：：引用，引用格式空间名：：成员变量，namespace本质是定义出⼀个域，这个域跟全局域各⾃独⽴，不同的域可以定义同名变量，所以下⾯的rand不在冲突了。

3. 注意事项

• namespace只能定义在全局，当然他还可以嵌套定义。

// 命名空间嵌套定义
namespace zut {
	namespace software {
		char str[] = "软件学院";
	}

	namespace computer {
		char str[] = "计算机学院";
	}
}
int main() 
{
	printf("%s\n", zut::software::str);
	printf("%s\n", zut::computer::str);
	return 0;
}

// 运行结果：
// 软件学院
// 计算机学院

• 项⽬⼯程中多⽂件中定义的同名namespace会认为是⼀个namespace，不会冲突。

// 文件：cppdemo01.h
namespace zut {
    int a = 10;
}

// 文件：cppdemo02.h
namespace zut {
    int b = 20;
}

//文件：test.cpp
#include <stdio.h>
#include "cppdemo01.h"
#include "cppdemo02.h"
int main() {
    printf("a=%d\n",zut::a);
    printf("b=%d\n",zut::b);
    return 0;
}

// 运行结果：
// a=10
// b=20

• C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

using namespace std;

4.命名空间的使用

         编译查找⼀个变量的声明/定义时，默认只会在局部或者全局查找，不会到命名空间⾥⾯去查找。所以下⾯程序会编译报错。所以我们要使⽤命名空间中定义的变量/函数，有三种⽅式：

• 指定命名空间访问，项⽬中推荐这种⽅式。

namespace bit {
    int a = 0;
    int b = 1;
}

// 不指定命名空间
int main(){
    // 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}

// 指定命名空间访问
int main(){
    printf("%d\n", N::a);
    return 0;
}

---

• 使用关键字using将命名空间中某个成员展开，项⽬中经常访问的不存在冲突的成员推荐这种⽅式。

// using将命名空间中某个成员展开
using N::b;
int main(){
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}

---

• 展开命名空间中全部成员，项⽬不推荐，冲突⻛险很⼤，⽇常⼩练习程序为了⽅便推荐使⽤。

// 展开命名空间中全部成员
using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}

 四、缺省参数 

• 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，缺省参数分为全缺省和半缺省参数。（有些地⽅把缺省参数也叫默认参数）。
• 全缺省就是全部形参给缺省值，半缺省就是部分形参给缺省值。C++规定半缺省参数必须从右往左依次连续缺省，不能间隔跳跃给缺省值。
• 带缺省参数的函数调⽤，C++规定必须从左到右依次给实参，不能跳跃给实参。
• 函数声明和定义分离时，缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，规定必须函数声明给缺省值。

// 全缺省
void Func1(int a = 10, int b = 20, int c = 30){
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}

// 半缺省
void Func2(int a, int b = 10, int c = 20){
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}

int main(){
    Func1();                // a = 10 b = 20 c = 30 
    Func1(1);               // a = 1 b = 20 c = 30
    Func1(1,2);             // a = 1 b = 2 c = 30
    Func2(100);             // a = 100 b = 2 c = 30
    Func2(100, 200);        // a = 100 b = 200 c = 30
    Func2(100, 200, 300);   // a = 100 b = 200 c = 300
    return 0;
}

 五、函数重载

• C++⽀持在同⼀作⽤域中出现同名函数，但是要求这些同名函数的形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。这样C++函数调⽤就表现出了多态⾏为，使⽤更灵活。C语⾔是不⽀持同⼀作⽤域中出现同名函数的。

函数重载不同类型：

• 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 f(){
    cout << "f()" << endl;
}

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

---

• 参数顺序不同

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;
}

---

• 返回值不同不能作为函数重载的条件，因为调用时无法区分

void fxx(){}

int fxx(){
    return 0;
}

---

• 下⾯两个函数构成重载 ，但是调⽤时，会报错，存在歧义，编译器不知道调⽤谁

void f1()
{
    cout << "f()" << endl;
}

// 缺省参数，可以传参也可以不传参
void f1(int a = 10)
{
    cout << "f(int a)" << endl;
}

六、引用

1.引用的定义

        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。⽐如：⽔壶传中李逵，宋江叫"铁⽜"，江湖上⼈称"⿊旋⻛"；林冲，外号豹⼦头；语法：类型& 引⽤别名 = 引⽤对象;

        C++中为了避免引⼊太多的运算符，会复⽤C语⾔的⼀些符号，⽐如前⾯的<< 和 >>，这⾥引⽤也和取地址使⽤了同⼀个符号&，⼤家注意使⽤⽅法⻆度区分就可以。

int a = 0;

// 引⽤：b和c是a的别名
int& b = a;
int& c = a;
// 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名
int& d = b;

++d;

// 这⾥取地址我们看到是⼀样的
cout << &a << endl;
cout << &b << endl;
cout << &c << endl;
cout << &d << endl;

2.引用的特性

• 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

---

第三条：在C++中引用一旦定义他的指向就不会再发生改变

int a = 10;

// 一个变量的引用也可以有引用
int& b = a;
int& c = b;// b是a的别名，c是b的别名

int d = 20;

// 引用一旦建立他的指向就不会改变
// 下面的式子只是在赋值
b = d;

3.引用的使用      

• 引⽤在实践中主要是于引⽤传参和引⽤做返回值中减少拷⻉提⾼效率和改变引⽤对象时同时改变被引⽤对象。
• 引⽤传参跟指针传参功能是类似的，引⽤传参相对更⽅便⼀些。
• 引⽤返回值的场景相对⽐较复杂，我们在这⾥简单讲了⼀下场景，还有⼀些内容后续类和对象章节中会继续深⼊讲解。
• 引⽤和指针在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。C++的引⽤跟其他语⾔的引⽤(如Java)是有很⼤的区别的，除了⽤法，最⼤的点，C++引⽤定义后不能改变指向，Java的引⽤可以改变指向。
• ⼀些主要⽤C代码实现版本数据结构教材中，使⽤C++引⽤替代指针传参，⽬的是简化程序，避开复杂的指针，但是很多铁铁没学过引⽤，导致⼀头雾⽔。

---

// 相当于给实参起了一个别名，可以减少指针的使用
void Swap(int& rx, int& ry)
{
    int tmp = rx;
    rx = ry;
    ry = tmp;
}

int main()
{
    int x = 0, y = 1;
    cout << x <<" " << y << endl;

    Swap(x, y);
    cout << x << " " << y << endl;

    return 0;
}

 4.指针和引用的关系

        C++中指针和引⽤就像两个性格迥异的亲兄弟，指针是哥哥，引⽤是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有⾃⼰的特点，互相不可替代。

• 语法概念上引⽤是⼀个变量的取别名不开空间，指针是存储⼀个变量地址，要开空间。
• 引⽤在定义时必须初始化，指针建议初始化，但是语法上不是必须的。
• 引⽤在初始化时引⽤⼀个对象后，就不能再引⽤其他对象；⽽指针可以在不断地改变指向对象。
• 引⽤可以直接访问指向对象，指针需要解引⽤才是访问指向对象。
• 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，64位下是8byte)
• 指针很容易出现空指针和野指针的问题，引⽤很少出现，引⽤使⽤起来相对更安全⼀些。

5.const引用

• 可以引⽤⼀个const对象，但是必须⽤const引⽤。const引⽤也可以引⽤普通对象，因为对象的访问权限在引⽤过程中可以缩⼩，但是不能放⼤。
• 不需要注意的是类似 int& rb = a*3; double d = 12.34; int& rd = d; 这样⼀些场景下a*3的和结果保存在⼀个临时对象中， int& rd = d 也是类似，在类型转换中会产⽣临时对象存储中间值，也就是时，rb和rd引⽤的都是临时对象，⽽C++规定临时对象具有常性，所以这⾥就触发了权限放⼤，必须要⽤常引⽤才可以。
• 所谓临时对象就是编译器需要⼀个空间暂存表达式的求值结果时临时创建的⼀个未命名的对象，C++中把这个未命名对象叫做临时对象。

const int a = 10;
// 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“const int”转换为“int &”
// 这⾥的引⽤是对a访问权限的放⼤
//int& ra = a;

// 这样才可以
const int& ra = a;
// 编译报错：error C3892: “ra”: 不能给常量赋值
//ra++;

// 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩
int b = 20;
const int& rb = b;
// 编译报错：error C3892: “rb”: 不能给常量赋值
//rb++;

---

产生临时变量的常见情况：

1. 调用函数，函数传值返回
2. 类型转换
3. 表达式运算

---

        前文中写到在C++中临时变量具有常性，我们可以简单理解为这个临时变量被const修饰了，因此在引用时需要注意权限的缩小。当要引用的对象是常量、表达式或发生了类型转换时，都要用const修饰引用后的变量。

int a = 10;

const int& ra = 30;

// 表达式
// 编译报错: “初始化”: ⽆法从“int”转换为“int &”
// int& rb = a * 3;
const int& rb = a*3;

// 类型转换
double d = 12.34;
// 编译报错：“初始化”: ⽆法从“double”转换为“int &”
// int& rd = d;

const int& rd = d;

七、内联函数

• ⽤inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调⽤的地⽅展开内联函数，这样调⽤内联函数就不需要建⽴栈帧了，就可以提⾼效率。
• inline对于编译器⽽⾔只是⼀个建议，也就是说，你加了inline编译器也可以选择在调⽤的地⽅不展开，不同编译器关于inline什么情况展开各不相同，因为C++标准没有规定这个。inline适⽤于频繁调⽤的短⼩函数，对于递归函数，代码相对多⼀些的函数，加上inline也会被编译器忽略。
• C语⾔实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错的，且不⽅便调试，C++设计了inline⽬的就是替代C的宏函数。
• vs编译器debug版本下⾯默认是不展开inline的，这样⽅便调试，debug版本想展开需要设置⼀下以下两个地⽅。

• inline不建议声明和定义分离到两个⽂件，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。

八、空指针nullptr

• C++中NULL可能被定义为字⾯常量0，或者C中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，本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(int x)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);调⽤会报错。
• C++11中引⼊nullptr，nullptr是⼀个特殊的关键字，nullptr是⼀种特殊类型的字⾯量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使⽤nullptr定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被隐式地转换为指针类型，⽽不能被转换为整数类型。