C++入门 - 1(几分钟让你快速入门C++)

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，本文章主要目标：

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。

1. C++关键字(C++98)

看详细介绍点这：C++关键字完整介绍
C语言32个关键字，C++总计63个关键字：

注：C++兼容C语言，C语言能用的关键字和语法C++也能用

2. 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语言示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int rand = 10;
// 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”

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。

1. 正常的命名空间定义
命名空间中可以定义变量/函数/类型

namespace test
{
    
    
 // 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;
 }

• test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。
• 我在这用的是test，老铁们下去以后自己练习用自己喜欢的命名即可。

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。
重点：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：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 命名空间使用

命名空间中成员该如何使用呢？比如：

namespace test
{
    
    
	 // 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：
这种方式是在每次使用命名空间中的成员时都使用完全限定的名称，包括命名空间名和成员名。

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

2.使用using将命名空间中某个成员引入：
这种方式是在代码文件的开头使用using声明指示符来引入特定的命名空间中的成员，从而在后续的代码中可以直接使用成员名。

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

3.使用using namespace 命名空间名称引入：
这种方式是使用namespace关键字创建一个命名空间的别名，在后续的代码中可以使用别名来引用该命名空间中的成员。

using namespce test;
int main()
{
    
    
    printf("%d\n", test::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

注：在实际复杂的项目中，最好不要使用第三种方法，因为这很有可能导致各种重定义，重命名。

3. C++输入&输出

新生婴儿会以自己独特的方式向这个崭新的世界打招呼，C++刚出来后，也算是一个新事物

那C++是否也应该向这个美好的世界来声问候呢？我们来看下C++是如何来实现问候的：

#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;
}

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

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。
   5.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。

C++的输入输出可以自动识别变量类型：

#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：

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。

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 = 10, int c = 20)
 {
    
    
     cout<<"a = "<<a<<endl;
     cout<<"b = "<<b<<endl;
     cout<<"c = "<<c<<endl;
 }

注意：

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给。
2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，缺省参数的值在函数声明中确定，因此在定义和调用函数时不需要重新指定默认值。
3. 调用函数时，可以选择性地提供参数来覆盖默认值。
4. 当函数具有多个参数，并且其中某个参数有缺省值时，可以根据需要选择省略某个参数，而只提供后面的参数。

 //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。

综上所述：
缺省参数提供了更灵活和方便的函数调用方式，可以减少函数调用时需要提供的参数数量，同时保留了对常用参数的默认值设置。

5. 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。

比如：以前有一个笑话，国有两个体育项目大家根本不用看，也不用担心。一个是乒乓球，一个是男足。前者是“谁也赢不了！”，后者是“谁也赢不了！”

5.1 函数重载概念

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)
{
    
    
 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;
}

2.参数个数不同

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

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

5.2 C++支持函数重载的原理–名字修饰(name Mangling)

C++语言支持函数重载的原理是通过名字修饰来实现的。在C++中，函数名字可以被修饰，即通过在函数名前加上参数类型列表来生成一种函数名字，这种函数名字被称为 “带参数列表的函数名”。

每种数据类型都会被编译器赋予一个特定的标识符，用于标识该类型，这个标识符被称为“类型的标识符”。当函数名被修饰时，编译器会将函数参数的类型列表和返回值的类型添加到函数名字后面形成一个新的函数名字，这个过程就被称为“名字修饰”。

函数重载的原理：

当程序调用一个函数时，编译器会根据函数名和参数列表组成的函数名字去查找对应的函数。如果有多个函数具有相同的函数名，编译器会根据参数的类型和数量来判断应该调用哪个函数，这就是函数重载的实现原理。

下面来先来看一个使用函数重载时C++名字修饰的例子：

Linux下在g++环境里函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】

#include <iostream>
using namespace std;

void func(int x, double y)
{
    
    }
void func(double x, int y)
{
    
    }
int main()
{
    
    
	func(1, 1.1);
	func(1.1, 1);
	return 0;
}

图解：

提问：C语言中为什么没有函数重载呢？

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。

---

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？这里每个编译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，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。
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】。

int Add(int a, int b)
{
    
    
	return a + b;
}
int func(int a, double b, int* c)
{
    
    }

int main()
{
    
    
	Add(1, 2);
	func(1, 2, NULL);
	return 0;
}

---

采用C语言编译器编译后结果：

结论：在linux下，用C语言编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

---

采用C++编译器编译后结果：

结论：在linux下，采用g++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。

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所以C语言没有函数重载的主要原因是其函数调用方式是基于函数名字来匹配的（也称为静态绑定），而不是基于函数参数类型和数量来匹配的（也称为动态绑定）。在C语言中，函数名字只能代表一个函数，无法区分不同参数类型和数量的函数。

综上所述：
通过这里就理解了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。

6.引用

---

引用可以使代码更清晰和易于理解，因为它们提供一个抽象层次，隐藏了对指针的直接操作。引用是C++中非常重要且常用的特性之一，它提供了一种简单但强大的机制来处理变量和对象。

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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：鲁迅，笔名为"周树人"。鲁迅和周树人都是指的同一个人，鲁迅发生改变说明周树人也发生了改变。

定义引用类型：

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

示例：

void TestRef()
{
    
    
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

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

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

示例：

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

C++常引用是指在定义变量时，使用const关键字修饰的引用类型，用于避免函数内部修改传入的变量。

常引用的特点如下：

1.常引用声明时必须初始化。
2.常引用指向的对象不能被修改。
3.常引用可以指向常量，也可以指向非常量。
4.常引用可以传递给函数，但该函数不能修改该引用所指向的对象。
5.常引用可以使用非常量对象的引用进行初始化，但不能使用const对象的引用进行初始化。

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;
    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

6.4 使用场景

6.4.1 做参数

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

6.4.2 做返回值

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

下面我们来看一段代码：

下面代码输出结果是啥？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;
}

其实这段代码有一些问题。它试图返回一个局部变量的引用，这是不安全的，因为局部变量在函数调用结束后会被销毁。这会导致悬空引用，访问已经被销毁的内存空间，可能会引发未定义的行为。

int& Add(int a, int b)
{
    
    
    int c = a + b;
    return c;
}

这是一个函数定义，函数名为Add，接受两个整数参数a和b。在函数内部，它创建了一个整数变量c，将a和b相加的结果赋值给c。然后它试图返回c的引用，即int&类型的返回值。但是，由于c是一个局部变量，它在函数结束时会被销毁。（注：空间销毁并不代表空间不存在了，只是该空间被系统回收了）

int main()
{
    
    
    int& ret = Add(1, 2);
    Add(3, 4);
    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
    return 0;
}

这是主函数main。在main函数中，它声明了一个整数引用变量ret，并将Add(1, 2)的返回值赋给它。由于Add函数返回一个局部变量的引用，这里的ret将成为悬空引用，指向已被销毁的内存。
然后，它再次调用Add函数，传递参数3和4，但没有将返回值保存在任何变量中。
最后，它尝试打印ret的值，但由于ret是悬空引用，访问已经被销毁的内存，这将导致未定义的行为。

记点

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。

6.5.1 值和引用作为函数参数的性能比较：

#include <time.h>
struct A{
    
     int a[10000]; };
void TestFunc1(A a){
    
    }
void TestFunc2(A& a){
    
    }
void TestRefAndValue()
{
    
    
 A a;
 // 以值作为函数参数
 size_t begin1 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc1(a);
 size_t end1 = clock();
 // 以引用作为函数参数
 size_t begin2 = clock();
 for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)
 TestFunc2(a);
 size_t end2 = clock();
// 分别计算两个函数运行结束后的时间
 cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;
 cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;
}

运行结果：

6.5.2 值和引用作为返回值类型的性能比较：

#include <time.h>
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;
}

运行结果：

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：

总的来说：
1. 传值的优点是简单，不需要考虑原始变量的值会发生变化，因此更容易理解和维护。同时，由于传递的是复制的值，因此不会影响到原始变量的值，不会出现意外的副作用。
2. 传值的缺点是在传递大型对象时可能会导致效率问题，因为需要复制整个对象并且传递过程中会占用额外的内存空间。
3. 传引用的优点是可以避免复制对象和占用额外内存的问题，特别是当传递的对象很大时，使用传引用可以显著提高程序的效率。此外，传递引用还可以直接对原始变量进行修改，能够更方便地实现一些功能。
4. 传引用的缺点是需要注意原始变量的值可能会被改变，因此在使用时需要更加小心，以避免出现意外的副作用。**

6.6 引用和指针的区别

1.引用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;
}

2.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:

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

总的来说：
C++引用提供了更灵活和高效的变量别名机制，能够简化代码、提高性能，并在函数传递、返回值、容器和迭代器等场景中发挥重要作用。引用的使用使代码更加清晰、可读和可维护。