＜C++＞一、C++入门

在学习完C语言的基础上，继续开始C++的学习。

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。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助，本章节主要目标：

1. 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用 域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。 2. 为后续类和对象学习打基础。

C++兼容C语言语法

#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("hello world\n");
    return 0;
}

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    cout << "hello world" << endl;  //hello world
    printf("hello world\n");  //hello world
    return 0;
}

1.C++关键字(C++98)

C++总计63个关键字，C语言32个关键字

这些关键字没必要记住，以后在学习的过程中，遇到一个学一个即可

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 我们自己定义和库里面的名字冲突
// 项目组，多个人之间定义的名字冲突
int rand = 10; // rand为C语言stdlib里面的函数名，不能定义

// 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namespace来解决
int main()
{
    printf("%d\n", rand);

    return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

域：全局域和局部域

 //域
 //局部域/全局域：1、使用  2、生命周期
int a = 2;

void f1()
{
    int a = 0;
    printf("%d\n", a);   //0
    printf("%d\n",::a);  // 2 ::域作用限定符,表示全局域
}

int main()
{
    printf("%d\n", a);  //2
    f1();

    return 0;
}

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。

// phw是命名空间的名字，一般开发中是用项目名字做命名空间名。
//1. 正常的命名空间定义
namespace phw
{
    // 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,编译器最后会合成同一个命名空间中。
//ps：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

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

//2.使用using将命名空间中某个成员引入
using phw::b;
int main()
{
    printf("%d\n", phw::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;    
}

//3.使用using namespace 命名空间名称引入
using namespce phw;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

3.C++输入&输出

#include<iostream>
using namespace std;
// 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
int main()
{
    //  << 流插入  endl会清楚缓冲区
    cout << "Hello World" << endl;
    cout << "Hello World" << '\n';
    return 0;
}

说明：

使用cout和cin，必须包含#include<iostream>文件
cout和cin可以自动识别变量类型
<<是流插入运算符，>>是流提取运算符
实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象
C++的头文件不带.h
C++的格式化输入输出比较麻烦，推荐使用C语言的printf，scanf进行格式化输入输出

#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;
}

std命名空间的使用惯例：

1.在日常练习中，使用using namespace std即可
2.using namespace std展开后，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。

#include <iostream>
using namespace std;
// 实际开发的项目工程
// 1、指定命名空间访问
// 3、常用部分展开

// 小的程序，日常练习，不太会出现冲突
// 2、全局展开.一般情况，不建议全局展开的。

// 常用展开
using std::cout;
using std::endl;

4.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。

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

int main()
{
    // 使用缺省值，必须从右往左连续使用
    Func(1, 2, 3);   // 传参时，使用指定的实参
    Func(1, 2);
    Func(1);     
    Func();       // 没有传参时，使用参数的默认值

    //Func(,2,);
    //Func(, , 3);

    return 0;
}

// 半缺省
// 必须从右往左连续缺省
void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
{
    cout << "a = " << a << " ";
    cout << "b = " << b << " ";
    cout << "c = " << c << " ";
    cout << endl;
}

int main()
{
    // 使用缺省值，必须从右往左连续使用
    Func(1, 2, 3);   
    Func(1, 2);     
    Func(1);        

    return 0;
}

总结：

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
缺省值必须是常量或者全局变量
C语言不支持（编译器不支持）

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

// a.cpp
void Func(int a = 20)
{}

// 注意：如果生命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那个缺省值。

5.函数重载

//1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
{
    cout << "int Add(int left, int right)" << endl;

    return left + right;
}

// _Z3Adddd
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 fun(int a);
void fun(int a,int b);
// 参数相同，返回类型不同，不构成重载
void f(int a, char b)
{
    cout << "f(int a,char b)" << endl;
}

int f(int a, char b)
{
    cout << "f(int a,char b)" << 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(1, 2);     // call  _Z3Addii(0x313131310)
    Add(1.1, 2.2); // call  _Z3Adddd(0x313131320)

    f(1, 'x');
    f(1, 'x');

    return 0;
}

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。

int main()
{
    int a = 0;
    int& b = a;   //b是a的别名
    int& c = b;   //c是b的别名

    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;

    int x = 10;
    c = x;

    cout << c << endl;  //10

    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

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

6.3常引用

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;  
    int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;  //常引用，用来引用常变量或者变量
    int& b = 10; // 该语句编译时会出错，10为常量
    const int& b = 10;  //常引用，用来引用常量
    double d = 12.34;
    int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;  //d赋值会产生临时变量，这个变量具有常属性，所以可以引用
}

6.4使用场景

1.做参数：

// 输出型参数
// 形参的改变，影响实参
void swap(int* p1, int* p2)
{
    int tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}

void swap(int& r1, int& r2)
{
    int tmp = r1;
    r1 = r2;
    r2 = tmp;
}

int main()
{
    int a = 0, b = 1;
    swap(&a, &b);
    swap(a, b);

    return 0;
}

2.做返回值

int& Count()
{
    static int n = 0;
    n++;
    // ...
    return n;
}
//返回的是n的别名

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);
    int& ret1 = Add(1, 2);
    cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
    cout << "Add(1, 2) is :" << ret1 << endl;

    return 0;
}

ret是变量接收，Add函数返回了c的引用，进行类型转换，产生临时变量，赋值给ret，结果3

ret1是引用接收，Add函数返回了c的引用，Add函数结束后，函数栈帧被销毁，c也被销毁，ret1的别名就是随机值

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。

6.5传值、传引用效率比较

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。

#include <time.h>
#include<iostream>
using namespace std;
struct A { int a[10000]; };
A a;
// 值返回
A TestFunc1() { return a; }
// 引用返回
A& TestFunc2() { return a; }
void TestReturnByRefOrValue()
{
    // 以值作为函数的返回值类型
    size_t begin1 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
        TestFunc1();
    size_t end1 = clock();
    // 以引用作为函数的返回值类型
    size_t begin2 = clock();
    for (size_t i = 0; i < 100000; ++i)
        TestFunc2();
    size_t end2 = clock();
    // 计算两个函数运算完成之后的时间
    cout << "TestFunc1 time:" << end1 - begin1 << endl;
    cout << "TestFunc2 time:" << end2 - begin2 << endl;
}

int main()
{
    TestReturnByRefOrValue();
    return 0;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

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;
}

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;
}

发现汇编指令是一模一样的，说明引用的底层是指针实现的

总结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

6.7 引用的权限放大缩小

指针和引用，赋值/初始化 权限可以缩小，但是不能放大

int Count()
{
    int n = 0;
    n++;

    return n;
}

int main()
{
    int a = 1;
    int& b = a;

    // 指针和引用，赋值/初始化 权限可以缩小，但是不能放大

    // 权限放大
    /*const int c = 2;
    int& d = c;

    const int* p1 = NULL;
    int* p2 = p1;*/

    // 权限保持
    const int c = 2;
    const int& d = c;

    const int* p1 = NULL;
    const int* p2 = p1;

    // 权限缩小
    int x = 1;
    const int& y = x;

    int* p3 = NULL;
    const int* p4 = p3;

    // 
    //const int m = 1;
    //int n = m;

    const int& ret = Count();

    int i = 10;

    cout << (double)i << endl;

    double dd = i;

    const double& rd = i;

    return 0;
}

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)

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。

// 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？

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. 常量定义 换用const enum

2. 短小函数定义 换用内联函数

8.auto关键字

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

#include <string>
#include <map>
int main()
{
    std::map<std::string, std::string> m{
    
    {"apple", "苹果"}, {"orange", "橙子"}, {"pear", "梨"}};
    std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();
    while (it != m.end())
    {
        //....
    }
    return 0;
}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
    Map m{
    
    {"apple", "苹果"}, {"orange", "橙子"}, {"pear", "梨"}};
    Map::iterator it = m.begin();
    while (it != m.end())
    {
        //....
    }
    return 0;
}

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？
    const pstring *p2; // 编译成功还是失败？
    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，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

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。

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。

8.3 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&

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。

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;
}

int main()
{
    TestFor();
    return 0;
}

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。

int main()
{
    int a = 0;
    auto b = &a;
    auto* c = &a;
    auto& d = a;

    int array[] = { 1,2,3,4,5,6,6,4 };
    for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(int); ++i)
    {
        cout << array[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    // 范围for -- 语法糖
    // 自动依次取数组中数据赋值给e对象，自动判断结束
    for (auto& e : array)
    {
        e *= 2;
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    //for (int x : array)
    for (auto x : array)
    {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

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;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，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

10.1 C++98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)
{
    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。

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。