【C++入门指南】C如何过渡到C++？祖师爷究竟对C++做了什么？
【C++入门指南】C如何过渡到C++？祖师爷究竟对C++做了什么？
前言
本篇博客主要有两个目的：
- 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。
- 为后续类和对象学习打基础。
一、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关键字由此而生。
实例：
#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("%dn", rand);
return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”
1.1 命名空间的定义
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。
Tips: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。
// 1. 正常的命名空间定义
namespace N1
{
// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
int rand = 10;
int Add(int left, int right)//函数
{
return left + right;
}
struct Node//结构体类型
{
struct Node* next;
int val;
};
}
//2. 命名空间可以嵌套
namespace N1
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
namespace N2//嵌套命名空间
{
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。
//Queue.h
namespace N1
{
void QueueInit()
{
cout << "QueueInit()" << endl;
}
}
//Stack.h
namespace N1
{
void StackInit()
{
cout << "StackInit()" << endl;
}
}
//下面两个文件在Cpp文件中展开时，两个相同命名空间会自动合并成一个
Test.cpp
#include "Queue.h"
#include "Stack.h"
1.2 命名空间使用
命名空间中成员该如何使用呢？比如下面直接访问：
namespace bit
{
// 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("%dn", a);
return 0;
}
正确命名空间有下面3中用法：
- 加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
printf("%dn", N::a);//::是作用限定符
return 0;
}
- 使用using将命名空间中某个成员引入
using N::b;
int main()
{
printf("%dn", N::a);
printf("%dn", b);
return 0;
}
- 使用using namespace 命名空间名称 引入
using namespce N;
int main()
{
printf("%dn", a);
printf("%dn", b);
Add(10, 20);
return 0;
}
二、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()
{
char c,int i，double d;
//自动识别变量的类型
cin>>c>>i>>d;//输入c/i/d
cout<<c<<i<<d<<endl;//输出c,i,d
cout<<"Hello world!!!"<<endl;//输出字符串
return 0;
}
说明：
- 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。
- <<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。 cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出(，他们都包含在包含头文件中。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。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+std的方式
2.1 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？
- 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。
- 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。
三、缺省参数
在实际项目中，当需要开辟一块空间时，我们经常会遇到这样一个问题：空间应该开多大。开大了，浪费空间；开小了，虽然realloc可以扩容，但当如果这块空间很大，多次扩容不仅麻烦，而且会导致性能下降。为了解决这个问题，祖师爷本贾尼给出了缺省参数。
3.1 缺省参数的定义
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0
Func(10); // 传参时，使用指定的实参
return 0;
}
3.2 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;
}
Tips:
- 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。（一般声明给，定义不给）
//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。
//正确：
//a.h
void Func(int a = 10);
// a.cpp
void Func(int a )
{}
- 缺省值必须是常量或者全局变量。
四、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！”
4.1 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。
#include<iostream>
using namespace std;
// 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;
}
int main()
{
Add(10, 20);
Add(10.1, 20.2);
return 0;
}
// 2、参数个数不同
void f()
{
cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
}
cout << "f(int a)" << endl;
}
int main()
{
f();
f(10);
return 0;
}
// 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()
{
f(10, 'a');
f('a', 10);
return 0;
}
4.2 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。
- 实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，编译时【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，在编译后链接前，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？
- 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。
- 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。
- 下面给出gcc和g++的函数名修饰
采用C语言编译：
结论：在linux下，采用gcc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。
通过上面我们可以看出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】
- 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。
Tips: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。
五、引用
5.1 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。
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体
void Test()
{
int a = 10;
//引用类型必须和引用实体是同种类型的
int& ra = a;//<====定义引用类型
printf("%pn", &a);
printf("%pn", &ra);
}
运行结果：
5.2 引用特性
- 引用在定义时必须初始化
- 一个变量可以有多个引用
- 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
- 引用只是对象的别名，它本身不占有内存空间，也没有自己的地址。因此，引用本身无法被销毁或删除
int main()
{
int a = 10;
//int& b; 该语句编译时会报错
int& b = a;//定义时必须初始化
//1个变量可以有多个引用(a被多次引用)
int& c=a;
int& d=a;
//引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体
int x=2;
//这里c在前面已经引用了一个实体a,不能在引用x
//所以此处c=x为赋值语句，而不是c引用实体x
c=x;
return 0;
}
5.3 常引用
在C++中，常引用权限可以平移、缩小，但不能放大。
int func()
{
int a = 0;
return a;
}
int main()
{
const int& ret = func();//const引用后，会延长临时变量的生命周期
const int a = 10;
//int& b = a;//权限扩大
int b = a;//赋值，只有涉及引用时，才会涉及权限问题
const int& b = a;//平移
int c = 12;
const int& d = c;//缩小
int i = 10;
double d = i;
const double d = i;//C/C++中，类型转化会将原值存放到一个临时变量中，而临时变量具有常性
return 0;
}
5.4 使用场景
- 做参数
传引用传参在任何时候都可用，同时可以提高效率、作输出型参数形参修改可以直接影响实参。
void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
- 做返回值
传引用返回只有在出了函数作用域对象还存在时在能使用。传应用返回不仅可以提高效率还可以修改返回对象
int& Count()
{
static int n = 0;
n++;
return n;
}
接下来我们来看看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);
Add(3, 4);
cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;
return 0;
}
解释：
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。
5.5 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。
值和引用的作为参数类型的性能比较
#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;
}
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;
}
5.6 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。但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;
}
接下来，我们来看看上述代码引用和指针的汇编：（不知道为啥每次用微软自带画图都模糊，各位将就看吧）
引用和指针的不同点:
- 引用概念上定义一个变量的别名，指针存储一个变量地址。
- 引用在定义时必须初始化，指针没有要求
- 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
- 没有NULL引用，但有NULL指针
- 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) - 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
- 有多级指针，但是没有多级引用
- 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
- 引用比指针使用起来相对更安全
六、内联函数
首先我们来看看C如何实现一个简单的加法宏函数呢？
//下面给出3种最常见的错误
//#define ADD(x, y) x+y; --->执行printf("%d",ADD(1,2));语句 ,带分号会报错
//#define ADD(x, y) x+y --->执行printf("%d",ADD(1,2)*3);语句，已发现和实际结果不同
//#define ADD(x, y) (x+y) --->执行printf("%d",ADD(1|2,6&3));语句，同样得不到我们想要的结果。因为+的优先级高于|、&
#define ADD(x, y) ((x)+(y))//正确
我们发现用宏定义一个宏函数，语法坑很多，非常容易出错。为此，祖师爷提出了内联函数。
6.1 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。
#include <iostream>
using namespace std;
inline int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}
int main()
{
int c = Add(1, 2);
return 0;
}
汇编代码：
6.2 特性
- 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。
- 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：
- 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。
6.3 面试题
宏的优缺点？
优点：没有严格的类型检查，更加灵活。针对频繁调用的小函数，不需要创建栈帧，提高效率。
缺点：语法坑多、没有类型的安全检查、不能调试。
七、auto关键字(C++11)
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。在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 main()
{
int a = 10;
//b、c的类型编译器会自动匹配
auto b = a;
auto c = 'a';
cout << a << endl;
cout << b << endl;
cout << c << 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;
}
7.1 auto的使用细则
- 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;
*a = 20;
*b = 30;
c = 40;
return 0;
}
- 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
}
6.3 auto不能推导的场景
- 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)
{}
- auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{
int a[] = {1,2,3};
auto b[] = {4，5，6};//err
}
八、基于范围的for循环(C++11)
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)//依次取数组中的数据赋值给e，自带判断结束，自动迭代
cout << e << " ";
cout<<endl;
for(auto& e : array)//这里是把数组中的值赋值给e,的改变不会影响数组，所以要传引用
e *= 2;
for(auto e : array)
cout << e << " ";
cout<<endl;
return 0;
}
Tips: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。
九、指针空值nullptr(C++11)
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
我们发现在C++中，NULL直接定义为0，留下了一个大坑。
为此，c++11引入关键字nullptr表示空指针。
Tips:
- 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件。
- . 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
好了，本篇博客到此就结束了，希望对你有帮助。
