【C++】第一节：C++入门

1、C++关键字

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。

2.1 命名空间定义

// 1. 命名空间定义
namespace yf
{
	// 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,编译器最后会合成在同一个命名空间中
// 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。

2.2 命名空间的使用

命名空间的使用有三种方式：

加命名空间名称及作用于限定符

namespace N
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}
}

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

使用using将命名空间中的某个成员引入

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

使用using namespace将命名空间名称引入

using namespace N;
int main()
{
	int c = Add(a, b);
	printf("%d\n", c);
	return 0;
}

3、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< 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。

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;
}

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 缺省参数分类

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;
}

半缺省参数

void Func(int a, int b = 20, int c = 30)
{
	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

// test.h
void Func(int a = 10);

// test.cpp
void Func(int a = 20)
{}
// 注意：如果声明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哪个缺省值

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。

// 1. 参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

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

// 2. 参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
{}

void f(char a, int b)
{}

注意：

C++支持函数重载的原理：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。
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；

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &ra);
	return 0;
}

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

引用在定义时必须初始化

一个变量可以有多个引用

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;
	int& rra = ra;
	// 所有引用都指向同一个内存位置，通过任何一个引用修改值，都会影响原变量及其他引用
	return 0;
}

引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int& ra = a;
	ra = b; // 这里其实是把b的值赋给a
	int& rb = b;// 定义新的引用绑定到b
	return 0;
}

6.3 常引用

在引用的过程中，权限可以平移、缩小，但是不能放大。

void TestConstRef()
{
	const int a = 10;
	// 权限的放大
	//int& ra = a; //编译出错，a为常量

	// 权限的平移
	const int& ra = a;

	// 权限的缩小
	int x = 0;
	const int& y = x;
}

6.4 使用场景

做参数

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

做返回值

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

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);
	Add(3, 4);
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

注意：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。

6.5 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;
}

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

7、内联函数

7.1 内联函数的概念

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。

7.2 内联函数的特性

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。
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。

看下面一段代码：

// 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

定义不一致：在 F.h 中 f 被声明为 inline ，但在 F.cpp 中却没有定义为 inline。

链接器找不到定义：当编译 main.cpp 时，仅包含了 F.h，而 F.cpp 中的定义没有被视为 inline，导致链接器找不到 f 的 inline 定义，从而报错。

// F.h
inline void f(int i)
{
    cout << i << endl;
}

// main.c
int main()
{
    f(10);
    return 0;
}

注意：

inline 函数的定义必须放在头文件中
内联函数可以代替宏

8、auto关键字（C++11）

8.1 auto简介

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。

8.2 auto的使用细则

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;
	return 0;
}

在同一行定义多个变量时，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。

8.3 auto不能推导的场景

auto 不能作为函数的参数

auto 不能直接用来声明数组

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 arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)
		arr[i] *= 2;
	for (int* p = arr; p < arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[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 arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	for (auto& e : arr)
		e *= 2;
	for (auto e : arr)
		cout << e << " ";
}

auto：自动类型推导。在这里，arr 是一个 int 数组，所以 e 的类型是 int&（整型引用）。
&：使 e 成为 arr 中元素的引用，从而可以直接修改数组中的元素。

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

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。

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，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 既可以是一个整型数字，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型常量，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。