c++入门

2024-04-21 13:09:24

大家好我是小锋，从今天开始我们正式来学习c++，让我们进入第一节c++入门

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。

我们可以举个例子来验证一下这个问题

大家请看我们这里定义了一个全局变量rand，当我们包含里# include<stdlib.h>这个头文件时就发生了冲突原因时我们包含的头文件也定义有一个rand变量，所以在编译的过程中就会报错。

这是肯定有小伙伴要说了，不能定义rand我们可以换给名字定义不就行了吗？

但是，我们大家应该考虑多种情况，这种冲突不一定是这一种情况，如果我们大家在做项目，每个人负责一个板块，大家完成提交后产生了冲突，这种情况下就要修改，大家都不愿意改怎么办呢，难道剪刀石头布来决定？这当然是玩笑话了，这就是c语言的缺陷之一。

所有为了解决这个问题，我们的c++祖师爷，就提出了命名空间，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。

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。

我们来尝试定义一个命名空间

我们可以看出命名空间除了可以定义变量，还可以定义函数，结构体.....

所以我们接下来看看命名空间的一下细节

命名空间可以嵌套

我们可以看到命名空间中还嵌套了另一个命名空间

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。

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

命名空间的使用

那我们这么使用命名空间中定义内容呢？

为什么我们这里会报错啊？

我们在上面已经说了，命名空间定义了一个新的作用域，命名空间的内容都局限在该命名空间中，

我们的程序在编译阶段会现在本地去找变量，当找不到时就报错了。

我们接下来看看命名空间的使用方法

1，加命名空间名称及作用域限定符：：

这样我们就使用到命名空间的变量了。

2，使用using将命名空间中某个成员引入

3，使用using namespace 命名空间名称引入

这里就是三种命名空间的使用方法

C++输入&输出

现在我们正在进行的是一个古老的仪式，我们在c语言入门时也举行过。

hello world大家熟悉吧？

我们来分析一下这段代码

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. 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还有有一个章节更深入的学习IO流用法及原理。

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)中还支持格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用+std的方式。

我们再来输出输入试试

大家有没有发现与c语言不一样的地方，我们的输入输出不用指定类型了，c++可以自动识别变量的类型。

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。

缺省参数

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。

我们举个例子

我们可以看到当我们传参数时就输出我们传参的值，没有参数时就输出我们定义的值。

（这里我联想到了备胎，有男朋友时就不用备胎，分手以后就用备胎。）

缺省参数分类

全缺省参数

意思是所有参数都赋值

半缺省参数

这个是只有部分参数赋值

对于缺省参数我们还要注意

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（我们一般是声明给，定义不给）

3. 缺省值必须是常量或者全局变量

4. C语言不支持（编译器不支持）

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，我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！”

我们可以看出重载的含义就是一词多意，函数重载就是一个函数名有多种作用。

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。

那哪些函数算函数重载？

1，函数参数类型不同

2，函数参数的个数不同

3、函数参数类型顺序不同

C++支持函数重载的原理--名字修饰

我们学习过c语言，我们知道c语言是没有函数重载的，我们举个例子分析

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？这里每个编译器都有自己的函数名修饰规则。

我们可以看到c语言的函数名修饰规则是没有区分参数的所以函数重载的参数变化c语言是无法区分的。

那我们看看c++的函数名修饰是怎么样的

我们可以看出c++的函数命名规则是比较复杂的

通过这里我们就理解了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。

引用

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。（这就像起了一个外号，相当于同一个空间有了不同的叫法）。

那我们来学习一下引用应该怎么用

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

我们可以看见a和b是使用的都是同一块空间。

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

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

我们来看看引用的使用场景有哪些？

引用的使用场景

1，做参数

类似于指针的用法，当我们在要改变参数时我们往往在传参时传地址，通过指针找到这个参数的地址，再改变参数的值，我们可以用引用来实现

我们使用引用就变成了

2，做返回值

我们先来看看没有引用的

这是用了引用的

这里我们是不是看到a接收返回值是1，但是程序是有大问题的，我们学习函数栈帧时，我们知道函数在出栈时会销毁栈帧中的变量（这里的销毁的实质是归还空间的使用权，并不是真正的销毁空间），但是我们用返回的类型是引用，它可以修改变量n，所以这里出现了一个类似于野指针的问题。所以这里的a其实有两种情况1，或者随机值。（主要看编译器销毁空间会不会将空间覆盖）。

我们从上图可以分析该编译器是不会覆盖空间的，那是不是说就没有危险了，其实不是，当我们再次定义函数时就有可能访问到a的空间，从而改变a的值。

大家看是不是覆盖了a的值？

当出现这样的情况我们可这样修改

这样就相当于将返回值拷贝在整型变量a空间中了。

我们再来看看下面的情况

这种情况是怎么回事？

我们再学习函数的栈帧的时后函数返回值，是创建一个临时变量实现的，这里的临时变量具有常属性，而引用的变量不具有常属性所有不可以这样接收返回值。

这里我们就引出了一个知识点

权限可以缩小，可以平移，但不可以扩大

我们举个例子

所以我们总结

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。

传参时传值、传引用效率比较

我们在学习函数时，知道函数传值的本质时传的一份临时拷贝，所以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。

我们举个例子看看

# include<iostream>
using namespace std;
#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;
}

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

我们通过测试是不是看出传值与传引用的差别（上面的时间单位是毫秒）

值和引用的作为返回值类型的性能比较

# include<iostream>
using namespace std;
#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;
}


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。

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。

但我们调试转到汇编代码会发现引用在底层实现上实际是有空间的，并且是按照指针方式来实现的。

所以我们来看看引用和指针的不同：

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

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，但指针始终是地址空间所占字节个数(32位平台下占 4个字节)

5. 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

6. 有多级指针，但是没有多级引用

7. 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

8. 引用比指针使用起来相对更安全

内联函数

因为宏函数具有很多缺点所以c++采用了内联函数。

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。

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，内联函数提升程序运行的效率。

我们来举个例子

内联函数的特性

1. inline是一种以空间换时间的做法，省去调用函数额开销。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建议，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。

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。（类似于宏定义的函数，在预处理时就会直接展开）

auto关键字

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。

就是自动类型匹配

【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。

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&

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。

auto不能推导的场景

1. auto不能作为函数的参数

2. auto不能直接用来声明数组

auto在实际中最常见的优势用法就是跟后面讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

基于范围的for循环

我们平常遍历数组是不是这样的

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。

（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。 ）

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。

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：

但是NULL实际是一个宏，我们转到定义可以看到如下代码

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：

我们的本意是想NULL调用指针版本add（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。

所以添加了nullptr来表示空指针，我们以后表示空指针都用nullptr

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。

以上就是全部内容了，如果有错误或者不足的地方欢迎大家给予建议。

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