【C++初阶】1. C++入门

news2024/9/21 12:40:42

1. 前言

1. 什么是C++

C语言是结构化和模块化的语言，适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题，规模较大的程序，需要高度的抽象和建模时，C语言则不合适。为了解决软件危机， 20世纪80年代， 计算机界提出了OOP(object oriented programming：面向对象)思想，支持面向对象的程序设计语言应运而生。
1982年，Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念，发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系，命名为C++。因此：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。

2. 命名空间

2.1 由来和性质

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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。

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namespace 空间还可以嵌套定义
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2.2 命名空间的使用

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

#include <iostream>

//std C++官方库内容定义的命名空间
int main()
{
	std::cout << "hello world" << std::endl;
	std::cout << "hello world" << std::endl;
	std::cout << "hello world" << std::endl;

	return 0;
}

2 使用using将命名空间中某个成员引入

#include <iostream>
// 指定展开 -- 常用展开，自己定义的时候避免跟常用重名即可
using std::cout;

int main()
{
	cout << "hello world" << std::endl;
	cout << "hello world" << std::endl;
	std::cout << "hello world" << std::endl;

	return 0;
}

3 使用using namespace 命名空间名称引入

#include <iostream>
using namespace std;

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

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3. C++输入&输出

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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

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<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用<iostream>+std的方式。

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

  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。

4. 缺省参数

4.1 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。
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4.2 缺省参数分类

  • 全缺省参数
  • 半缺省参数
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    缺省值必须是常量或者全局变量
    缺省值的使用场景：
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5. 函数重载

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。

5.1 函数重载概念

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5.2 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?

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。
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  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。
  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？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，通过观察来理解名字的修饰规则
  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】。
    Linux下的名字修改规则：
    在这里插入图片描述
    Windows下的名字修改规则：
    在这里插入图片描述
    相较于Linux，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但大致思想相同（对C语言进行名字修饰的优化）
    这里不过多赘述。
  6. 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。在这里插入图片描述

6. 引用

6.1 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。
比如：李逵，在家称为 “铁牛”，江湖上人称 “黑旋风”。
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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
  3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

6.3 使用场景

6.3.1 做参数

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6.3.2 做返回值

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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。

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6.4 常引用

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当然，如果是需要交换变量的函数（Swap(int& x,int& y)），参数不能采用常引用

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。 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：

  1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
  2. 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)
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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。
    下图为 《C++prime》第五版关于inline的建议：
    在这里插入图片描述
  3. 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。

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内联函数的编译链接过程
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小知识点:

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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
    在这里插入图片描述

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，但遗憾的是一直没有人去使用它 为什么？
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。

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&
    在这里插入图片描述

【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。

  1. 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
}

8.3 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

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。
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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)
        cout<< e <<endl;
}

在C++中数组不能作为参数接收，函数只会接收作为数组的首元素地址

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：
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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：

  1. 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。
  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，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。

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