【C++】从C语言入门C++的基础知识

前言

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。

这些概念性的文字，估计对于新手来说是听不懂的，那么就不多说那么多废话了，开整。

1. C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字
下面我们只是看一下C++有多少关键字，不对关键字进行具体的讲解。后面我们学到以后再细讲。

因为C++是兼容C的，所以可以看到这里面有些关键字在C语言阶段就已经学了。

2. 命名空间namespace

可能有的同学学了好长时间C++了，也不知道using namespace std;是在干嘛。

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。

当我生成解决方案时，发生了问题，原因是rand是iostream里面的一个函数，当我定义了一个rand变量时就会发生冲突。

但是如果坚持要用rand这个变量的话，就不能在全局作用域里面创建这个变量，要么在函数内部创建一个局部变量，要么在全局中创建一个命名空间：

命名空间的创建

命名空间的使用

三种用法：

命名空间名称::变量名称

使用using将命名空间中某个成员引入

使用using namespace 命名空间名称 引入

但是可以看到只有第一种能够正常使用rand变量，而第二种和第三种还是会冲突。

标准库的东西都是放在std中的，以后我们做项目的时候尽量不要直接用using namespace std; 这是一个不好的习惯，可能会导致冲突。尽量指定命名空间访问或者展开常用的。就是第一种和第二种。

第一种的话是某一个操作不会重复很多次，就用第一种方式（看不懂没关系，留个印象就好）：

如果某一个操作会重复很多次就用第二种：

直接用下面这种就可以：

命名空间的注意事项

1. 命名空间中不仅可以有变量

namespace N
{// 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

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。
   上面的第二个注意事项中的N1如果和下面的N1定义在了不同的文件中（.h 和 .cpp）那么就会合并成为一个N1。

namespace N1
{int Mul(int left, int right){return left * right;}
}

3. C++输入&输出

C++里面对cin和cout稍微做了优化，我们在输入和输出的时候不需要再指定对应的变量类型了。printf和scanf在C++中还是可以用的。

例子：

#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;//endl就相当于是'\\n'换行cout<<b<<" "<<c<<endl;return 0;
}

int main()
{cout<<"Hello world!!!"<<endl;return 0;
}

几点注意事项：

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。

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<iostream>+std的方式。

4. 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。

简单例子：

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;
}

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;
}

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能间隔着给。当某一个参数缺省了时，其右边的所有参数都要缺省。
2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现。
   例子：
   
   
   
   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。同时出现那就会报错。

当声明出现缺省参数而定义没有缺省参数的时候，程序会正常运行。

当声明没有缺省参数而定义有缺省参数的时候，也会报错：

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）

5. 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。

实现

三种方式：

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;
}

参数个数不同

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

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;	
}

注意： 函数返回值不能作为函数重载的条件

C++为什么能进行函数重载

名字修饰。

在生成可执行程序前，要经过预编译->编译->汇编->链接这几个阶段。这个在我前面的这篇博客中也讲过了，我这里就不细说了。想了解一下的点这个链接：c程序环境和预处理

我就挑重要的讲一下，在编译时会进行符号汇总，就是把程序每个文件中的全局类型的数据进行记录（名字和对应的地址（如果某个符号只有声明的话，所记录的地址是无效的））。然后汇编时每个文件会形成对应的符号表，就是将前一步编译时的符号打包形成一个表格。然后链接阶段就将这些所有的文件的符号表合并，并将本来无效的地址所对应的符号进行搜索，找与之相同的具有有效地址的符号。并将拥有有效地址的符号替换掉无效地址的符号。

而C语言编译器在形成符号的时候，函数所形成的符号就是它名字本身，没有外加任何修饰，但是C++编译器在形成符号的时候会将函数的名字修饰一下。

在linux环境下，C++修饰函数的符号时会在函数名字后面添加上对应参数类型的首字母。

在windows环境下，C++修饰函数的符号相对复杂一些。但是道理是一样的，目的就是能够区分同名的函数。

我们这里给个例子：
同样的代码，汇编文件中函数所形成的符号不一样。

int Add(int x, int y)
{return x + y;
}void func(int a, double b, int* p)
{}

C语言中

C++中

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。

C++和C的相互调用（可以不用看）

C++程序可以调用C++写的库，C程序可以调用C写的库。
但是C++程序也可以调用C写的库，C也可以调用C++写的库。

我们分别用C++和C来实现一下栈的基本操作。并生成对应的.lib文件。

用C写的栈

用C++写的栈

两个代码都写完后，改变一下二者的配置类型，不让他们生成.exe的可执行文件，改为生成静态库的.lib文件。

然后进入属性修改配置类型

再生成解决方案，然后这一步就完成了。

然后再创建对应的.c文件和.cpp文件

进去之后先改属性

C++ 调用 C库


然后引头文件

extern "C"是为了让cpp用c定义的函数
然后就OK了

C 调用 C++库

然后引头文件

这里没有用到extern"C"因为C程序不认识这句话。得要在C++程序中用。

然后就OK了。

6. 引用

概念

在语法层面讲：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。

比如说：你本名叫做王五，家里人给你叫狗蛋，你同学给你起外号叫小王，等等。您可以有很多个别名，但指的都是你一个人。

用法：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

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

别名改，本身也改，本身该，别名也改。
别名和本身的地址是一样的。
引用类型必须和引用实体是同种类型的。

注意事项

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

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，权限不能被放大//你本来的目的是不能修改a的，但是第二条语可以通过ra来修改a，这样就不对了const int& ra = a;// int& b = 10; // 该语句编译时会出错，10为常量,不能被修改const int& b = 10;double d = 12.34;const double& dd = d;//权限可以被缩小//int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同const int& rd = d;
}

使用场景

做参数

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

这里做参数，做的是输出型参数。

输出型参数：形参可以修改实参。
输入性参数：形参不能修改实参。

做返回值

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

看个例子：

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;
}

这里的结果是7，原因如下：

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，堆区的或者静态区的)，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。

返回局部变量的几个例子：

值返回值接收

打印几次值都是10，因为ret没有被修改。

值返回引用接收

没法改，返回值是一份临时拷贝，临时拷贝具有常属性，只能用const接收。

引用返回值接收

这里虽然返回了局部变量的引用，但是ret也是局部变量，ret的空间并不是c的空间，所以ret不论打印几次都是10。

引用返回引用接受

这里返回了局部变量的引用，num函数在调用完后就释放了，返回局部变量的引用，ret就指向了被释放的c的空间，第一次打印num的空间还没有回收，但是后面的打印num函数的空间已经回收了，所以打印出来的是随机值。

引用做返回值的骚操作

上面的代码中，函数每调用一次c就会++一次。但是第二次函数调用时，函数的返回值是引用，相当于返回的是c的一个别名，对这个别名又进行了一次++。而ret又是num()的返回值，所以c其实一共加了3次，ret的结果就是3。

下面这个也一样，也是修改别名导致ret和c都变成了0。

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。

值和引用作为参数效率比较

#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;
}

值和引用做为返回值效率比较

#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;
}

引用

做参数,
1.输出型参数
2.大对象传参，提高效率

做返回值
1.输出型返回对象
2.减少拷贝，提高效率

牢记：引用做返回值，返回的对象一定不能是局部的。

引用传参做输入型参数

如果是输入型参数。则参数部分尽量加上const。

void func(const int& n)
{cout << n << endl;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;double d = 12.34;func(a);func(b);func(d);func(1.323);return 0;
}

上面的代码是可以跑过去的，这就说明const + 引用的接收性还是很好的。

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。所以实际上是会对引用的变量开辟空间的。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比：

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

7. 内联函数

说内联函数之前要先提一嘴宏函数。

我现在用#define定义一个宏函数来实现两个数的相加，如下：

#define ADD(x, y) ((x) + (y))

宏函数的代码很短，其实内联函数就是C++针对于C语言中宏函数的一种优化。我们以后就基本告别宏函数了。

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。

普通函数在调用的时候在反汇编中会有一个call的指令，就是专门用来调用函数的指令。

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。其实就相当于宏替换，只不过是更优的宏替换。

内联函数只有在符合条件的情况下才会在调用的地方展开，条件就是函数内部的代码语句足够少，少的程度也取决于内部语句的复杂程度。
比如说里面由六七句单纯的赋值语句，这样的情况是会展开的，如果有三条cout语句就可能不展开了，不展开的话就会直接调用这个函数。

《effectiv C++》一个条款说明：尽量使用 const、enum、inline 去替代宏。

inline函数几乎解决了宏函数的缺点，同时也兼具其优点。

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。

举例： 当一个内联函数内部语句有100行时，如果这个函数调用了1W次，若展开，就会展开1W * 100行代码，若不展开直接调用，就会call调用1W次 + 100行代码。

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。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：
   
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。

在mian函数中，执行到Add函数的时候只看到了内联函数的声明，没办法直接展开，此时就会去调用内联函数。

但是在Add.h中，内联函数在编译的时候是不会放到符号表中的，因为在定义内联函数的时候就没想着在使用的时候去call内联函数，而是展开。 Add.c中同理。

所以最后是找不到Add函数的，这就会导致链接错误。

想要解决的话，就直接在.h文件中把实现加上。

8. auto关键字(C++11)

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
   
   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：

typedef std::map<std::string, std::string> Map;

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。

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。

给出下面例子：
【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

// 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)

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;
}

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

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。
   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) // array是一个指针，范围for里面只能传值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(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

上面的宏大致意思就是在C语言中NULL就是((void*)0)，在C++中NULL就是0。

C++中：

C语言中：

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：
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。

于是C++又搞了一个新的关键字nullptr来替代宏NULL。

用法也是相同的。

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。

到此结束。。。