【C++】十分钟带你入门C++

零 内容概括

本篇文章的主要内容

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。

一 C++关键字

这里只是将C++的关键字放出来，具体的用法之后用到在细说

二 命名空间

在C/C++中，存在大量的变量、函数和后面要学到的类，这些变量、函数和类的名称都将存在于全局作用域中，可能会导致命名冲突。
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。

比如：你定义了一个函数叫rand，后来你又定义了一个变量叫rand，这样它们就会导致编译错误。这就是命名空间出现的原因。

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。

// bit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 bit
{// 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.h
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;}}
}// 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

命名空间中成员该如何使用呢？

namespace N
{// 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;
}

显然这样使用是错误的，因为是两个不同的作用域

命名空间使用的三种方式：

• 加命名空间名称以及作用域限定符

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

• 使用using将命名空间中某个成员引入

using N::b;	//写在命名空间之后
int main()
{printf("%d\n", N::a);printf("%d\n", b);return 0;    
}

• 使用using namespace 命名空间名称 引入

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

三 C++输入和输出

相信各位读者第一次写的C语言程序都是Hello World，那么怎样用C++写一个Hello World小程序呢？

#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;
}

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

#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;
}

ps：关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等。因为C++兼容C语言的用法，这些又用得不是很多，我们这里就不展开学习了。后续如果有需要，我们再配合文档学习。

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。

四 缺省参数

4.1 缺省参数的概念

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，建议在声明部分缺省

//a.hvoid Func(int a = 10);// a.cppvoid 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。

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）

五 函数重载

5.1 函数重载的概念

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。

#include<iostream>
using namespace std;// 1、参数类型不同
int Add(int left, int right)
double Add(double left, double right)// 2、参数个数不同
void f()
void f(int a)// 3、参数类型顺序不同
void f(int a, char b)
void f(char b, int a)

这样几个名称相同的函数就构成函数重载

注意：

1. 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。
2. 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。

六 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。

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

注意：

1. 引用类型必须和引用实体是同种类型的
2. 目前可以理解为别名和原本的变量指向一块空间

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（实体就是被起别名的那个变量，可以理解为一旦引用不能修改）

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;// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为变量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 double& rd = d;
}

6.4 使用场景

1. 做参数
2. 做返回值

注意：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 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。（传引用和传址本质上是一样的）

6.6 引用和指针的区别

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

七 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。

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);	//展开之后就没有这个函数了
// 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

八 auto关键字（C++11）

8.1 auto简介

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;	//这个函数用来输出变量的类型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。

8.2 auto使用规则

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
}

8.3 auto不能使用的场景

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。

九 基于范围的for循环（C++11）

9.1 范围for的用法

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。

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for(auto& e : array)	//这里写成e，其实写成哪个字母都行e *= 2;			//array的数轮流进入e
for(auto e : array)cout << e << " ";
return 0;
}

【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。

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，以后再说。)

十 指针空值 – nullptr（C++11）

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。