C++ 基础

news2024/12/24 2:15:10

命名空间

在 C/C++ 中，变量、函数和类都是大量存在的，这些变量、函数和类的名称将都存在全局作用域中，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。

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. 命名空间中可以定义变量/函数/类
  2. 命名空间可以嵌套
  3. 同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间，编译器会合成为一个命名空间

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。

使用方式

  1. 加命名空间名称及作用域限定符

  2. 使用 using 将命名空间中成员引入

  3. 使用 using namespace 命名空间名称引入

// 分别对应上面三种方式
// 1. std::cin
// 2. using std::cin
// 3. using namespce std

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默认值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该默认值，否则使用指定的实参。

分类

  1. 全缺省参数
  2. 半缺省参数
// 分别对应上面两种形式
// 1. void test1(int a = 1, int b = 2, int c = 3)
// 2. void test2(int a, int b = 2, int c = 3)

注意：

  1. 半缺省参数必须从右往左依次给出，不能间隔
    • 一旦某个参数被赋予了默认值，它后面的所有参数都必须有默认值
  2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现
    • 在给定的作用域中一个形参只能被赋予一次默认实参
  3. 局部变量不能作为默认实参
    • 除此之外，只要表达式的类型能转化成形参所需的类型，该表达式就能作为默认实参
    • 用作默认实参的名字在函数声明所在的作用域解析，而这些名字的求值过程发生在函数调用时
// 多次声明同一个函数，为其不同参数添加默认值是合法的，但是不推荐
void test(int a, int b = 2, int c = 3);
void test(int a = 1, int b, int c);

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。

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（参数个数或类型或顺序）不同，返回值不作要求，常用来处理实现功能类似数据类型不同的问题。

重载示例：

int Add(int left, int right);
long Add(long left, long right);
double Add(double left, double right);

Name Mangling

C

早期 Unix 下的 C 语言因为历史原因规定，C 语言源代码文件中的所有全局变量和函数经过编译以后，相对应的符号前加上下划线 _。在现在 Linux 下的 GCC 编译器中，默认情况已经去掉了在 C 语言符号前面加下划线的方式，而是直接使用函数名。

C 语言不支持函数重载，因为 C 语言直接使用函数名去表示和查找，而重载函数函数名相同。编译的时候，两个函数名相同的函数，在符号表中存在歧义和冲突，其在链接的时候也存在歧义和冲突。

C++

C++ 的目标文件符号表中不是直接用函数名来标识和查找函数。

g++ 的函数名修饰规则：

  • 所有的符号都以 _Z 开头，对于嵌套的名字（在名称空间或在类里面的），后面紧跟 N，然后是各个名称空间和类的名字，每个名字前是名字字符串长度，再以 E 结尾
  • 对于一个函数来说，它的参数列表紧跟在函数名 或 E 后面
  • 全局变量和静态变量也有同样的机制，不过修饰并没有使用变量类型

命名修饰

有了函数名修饰规则，只要参数列表不同，符号表存储的修饰后的函数名就不同，也就不存在二义性和冲突了。

extern “C”

有时候在 C++ 工程中可能需要将某些函数按照 C 的风格来编译，在函数前加 extern “C”，意思是告诉编译器，将该函数按照 C 语言规则来编译。

那么 C 语言的项目可以使用 C++ 编写的库吗？

是可以的，库是一种二进制文件，只要能够找到相应的函数就可以使用。若有函数重载的话，是没办法使用的。

引用

概念

引用不是新定义一个变量，而是给已存在变量取一个别名，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。

语法：类型& 引用变量名 = 引用实体

int a = 10;
int& ra = a;

引用类型必须和引用实体是同种类型的。

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
  3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

使用场景

  1. 做参数（提高效率，形参的改变可以影响实参）
  2. 做返回值（提高效率，修改返回变量）

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还未还给系统，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。

传值和传引用效率比较

以值作为参数或返回值类型，在函数传参/返回时，不会直接传递实参/将变量本身直接返回，而是传递/返回一份变量的临时的拷贝，因此用值作为参数/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。

指针和引用的区别

在语法概念上引用就是一个别名，没有独立空间，和其引用体公用一块空间。

在底层实现上实际是有空间的，引用是按照指针的方式来实现的。

引用和指针的不同点：

  1. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
  2. 引用在初始化时绑定一个实体后，就不能再绑定其他实体，而指针可以改变指向
  3. 没有 NULL 引用，但有 NULL 指针
  4. 在 sizeof 中含义不同：引用结果为引用类型的大小，但指针始终是指针类型所占字节个数
  5. 有多级指针，但是没有多级引用
  6. 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

内敛函数

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，没有函数压栈的开销，内联函数可以提升程序运行的效率。

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，增加了内存和磁盘占用，所以代码很长或者有循环/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请求，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请求
  3. inline 不能将声明和定义分离，分离会导致链接错误

功能

宏的优点：

  1. 增强代码的复用性
  2. 提高性能

宏的缺点：

  1. 不方便调试宏（预处理阶段进行了替换）
  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

函数定义换用内联函数

  • 在类内定义的成员函数会默认加上内敛（隐式内敛）
  • 内敛声明定义必须一起，否则不起作用

常量定义换用 const

C++ 中被 const 修饰的变量：编译器看到变量被 const 修饰，默认其不会改变，若后面有用到该变量会将其值放入寄存器中，使用时直接读取寄存器中数据，而不是到内存中读取。

  • 编译器一般不会为整数型 const 对象在内存中开辟空间，除非指针或引用等必须用它的地址的情况

  • 可以用 volatile 修饰该变量，让每次取值都必须到内存中读取

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // volatile const int a = 10;
    const int a = 10;
    int* p = (int*)(&a);
    *p = 20;
    // 此时打印 a 的值是 10, *p 的值是 20
    cout << a << " " << *p << endl;
    return 0;
}

constexpr

常量表达式（const expression）是指值不会改变并且在编译过程就能得到计算结果的表达式。

一个对象（或表达式）是不是常量表达式由它的数据类型和初始值共同决定，例如：

const int num1 = 1230;		// num1 是常量表达式
const int num2 = num1 + 1;	// num2 是常量表达式
int num3 = 1002;		    // num3 不是常量表达式
const int num4 = GetNum();  // num4 不是常量表达式

尽管 num3 的初始值是个字面值常量，但由于它的数据类型只是普通的 int 而非 const int，所以它不属于常量表达式。另一方面，尽管 num4 本身是一个常量，但它的具体值直到运行时才能获取到，所以也不是常量表达式。

constexpr 变量

C++ 11 新标准规定，允许将变量声明为 constexpr 类型以便编译器来验证变量的值是否是一个常量表达式。声明为 constexpr 的变量一定是一个常量，而且必须用常量表达式初始化。

constexpr int num1 = 1230;		// 1230 是常量表达式
constexpr int num2 = num1 + 1;	// num1 + 1 是常量表达式
constexpr int num3 = GetNum();	// 只有当 GetNum 是一个 constexpr 函数时，才是一条正确的声明语句

指针和引用都能定义成 constexpr，但它们的初始值却受到严格的限制。一个 constexpr 指针的初始值必须是 nullptr 或 0，或者是存储于某个固定地址中的对象。

  • 固定地址：函数体外定义的对象（全局对象）、static 修饰的对象
  • constexpr 修饰指针，只限定指针的指向不能更改，对指向空间的值不作限制

constexpr 函数

constexpr 函数（constexpr function）是指能用于常量表达式的函数。

需要遵守两个约定：

  • 函数的返回类型及所有形参的类型都得是字面值类型
  • 函数体中必须有且只有一条 return 语句

执行初始化任务时，编译器把 constexpr 函数的调用替换成其结果值。为了能在编译过程中随时展开，constexpr 函数被隐式地指定为内敛函数。constexpr 函数体内也可以包含其他语句，只要这些语句在运行时不执行任何操作就行。例如，空语句、类型别名以及 using 声明。

nullptr

由于 C++ 中 NULL 被定义成字面量 0，这样就可能回带来一些问题，因为 0 既能指针常量，又能表示整形常量。所以出于清晰和安全的角度考虑，C++11 中新增了 nullptr，用于表示空指针。

//stddef.h
#ifndef NULL
    #ifdef __cplusplus
        #define NULL 0
    #else
        #define NULL ((void *)0)
    #endif
#endif

注意：

  1. 在使用 nullptr 时，不需要包含头文件，因为 nullptr 是 C++11 新增的关键字
  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，在表示指针空值时建议使用 nullptr

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