C++入门基础

Posted 2021-05-23 2021dragon

文章目录

• 什么是C++?
• C++的发展史
• C++关键字(C++98)
• 命名空间
• • 命名空间的定义
  • 命名空间的使用
• C++中的输入和输出
• 缺省参数
• • 缺省参数的概念
  • 缺省参数分类
  • • 全缺省参数
    • 半缺省参数
• 函数重载
• • 函数重载的概念
  • 函数重载的原理(名字修饰)
  • extern "C"
• 引用
• • 引用的概念
  • 引用的特性
  • 常引用
  • 引用的使用场景
  • 引用和指针的区别
• 内联函数
• • 内联函数的概念
  • 内联函数的特性
• auto关键字(C++11)
• • auto简介
  • auto的使用细则
  • auto不能推导的场景
• 基于范围的for循环(C++11)
• • 范围for的语法
  • 范围for的使用条件
• 指针空值nullptr
• • C++98中的指针空值
  • C++11中的指针空值

本次内容大纲：

什么是C++?

 C语言是结构化和模块化的语言，适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题，规模较大的程序，需要高度的抽象和建模时，C语言则不合适。为了解决软件危机，20世纪80年代，计算机界提出了OOP(object oriented programming：面向对象) 思想，支持面向对象的程序设计语言应运而生。
 1982年，Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念，发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系，命名为C++。因此，C++是基于C语言而产生的，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行面向对象的程序设计。

C++的发展史

 1979年，贝尔实验室的本贾尼等人试图分析unix内核的时候，试图将内核模块化于是在C语言的基础上进行扩展，增加了类的机制，完成了一个可以运行的预处理程序，称之为C with classes。

 语言的发展也是随着时代的进步，在逐步递进的，让我们来看看C++的历史版本：

阶段	内容
C with classes	类及派生类、公有和私有成员、类的构造析构、友元、内联函数、赋值运算符重载等
C++1.0	添加虚函数概念，函数和运算符重载，引用、常量等
C++2.0	更加完善支持面向对象，新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静态成员以及const成员函数
C++3.0	进一步完善，引入模板，解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处理
C++98	C++标准第一个版本，绝大多数编译器都支持，得到了国际标准化组织（ISO）和美国标准化协会认可，以模板方式重写C++标准库，引入了STL（标准模板库）
C++03	C++标准第二个版本，语言特性无大改变，主要∶修订错误、减少多异性
C++05	C++标准委员会发布了一份计数报告（Technical Report，TR1），正式更名C++0x，即∶计划在本世纪第一个10年的某个时间发布
C++11	增加了许多特性，使得C++更像一种新语言，比如∶正则表达式、基于范围for循环、auto关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++14	对C++11的扩展，主要是修复C++11中漏洞以及改进，比如∶泛型的lambda表达式，auto的返回值类型推导，二进制字面常量等
C++17	在C++11上做了一些小幅改进，增加了19个新特性，比如∶static_assert（）的文本信息可选，Fold表达式用于可变的模板，if和switch语句中的初始化器等

C++还在不断地向后发展…

C++关键字(C++98)

C++中总计有63个关键字：

不要觉得很多，其实这其中有32个是C语言中的关键字：

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、函数和类的名称都将作用于全局作用域中，可能会导致很多命名冲突。
 使用命名空间的目的就是对标识符和名称进行本地化，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。

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。
一、命名空间的普通定义

//命名空间的普通定义
namespace N1 //N1为命名空间的名称
{
	//在命名空间中，既可以定义变量，也可以定义函数
	int a;
	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}

二、命名空间可以嵌套定义

//命名空间的嵌套定义
namespace N1 //定义一个名为N1的命名空间
{
	int a;
	int b;
	namespace N2 //嵌套定义另一个名为N2的命名空间
	{
		int c;
		int d;
	}
}

三、同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间，编译器最后会将其成员合成在同一个命名空间中
 所以我们不能在相同名称的命名空间中定义两个相同名称的成员。

注意：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中所有内容都局限于该命名空间中。

命名空间的使用

 现在我们已经知道了如何定义命名空间，那么我们应该如何使用命名空间中的成员呢？
 命名空间的使用有以下三种方式：
一、加命名空间名称及作用域限定符
 符号“::”在C++中叫做作用域限定符，我们通过“命名空间名称::命名空间成员”便可以访问到命名空间中相应的成员。

//加命名空间名称及作用域限定符
#include <stdio.h>
namespace N
{
	int a;
	double b;
}
int main()
{
	N::a = 10;//将命名空间中的成员a赋值为10
	printf("%d\\n", N::a);//打印命名空间中的成员a
	return 0;
}

二、使用using将命名空间中的成员引入
 我们还可以通过“using 命名空间名称::命名空间成员”的方式将命名空间中指定的成员引入。这样一来，在该语句之后的代码中就可以直接使用引入的成员变量了。

//使用using将命名空间中的成员引入
#include <stdio.h>
namespace N
{
	int a;
	double b;
}
using N::a;//将命名空间中的成员a引入
int main()
{
	a = 10;//将命名空间中的成员a赋值为10
	printf("%d\\n", a);//打印命名空间中的成员a
	return 0;
}

三、使用using namespace 命名空间名称引入
 最后一种方式就是通过”using namespace 命名空间名称“将命名空间中的全部成员引入。这样一来，在该语句之后的代码中就可以直接使用该命名空间内的全部成员了。

//使用using namespace 命名空间名称引入
#include <stdio.h>
namespace N
{
	int a;
	double b;
}
using namespace N;//将命名空间N的所有成员引入
int main()
{
	a = 10;//将命名空间中的成员a赋值为10
	printf("%d\\n", a);//打印命名空间中的成员a
	return 0;
}

C++中的输入和输出

 我们在学C语言的时候，第一个写的代码就是在屏幕上输出一个"hello world"，按照学习计算机语言的习俗，现在我们也应该使用C++来和这个世界打个招呼了：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "hello world!" << endl;
	return 0;
}

 在C语言中有标准输入输出函数scanf和printf，而在C++中有cin标准输入和cout标准输出。在C语言中使用scanf和printf函数，需要包含头文件stdio.h。在C++中使用cin和cout，需要包含头文件iostream以及std标准命名空间。

 C++的输入输出方式与C语言相比是更加方便的，因为C++的输入输出不需要增加数据格式控制，例如：整型为%d，字符型为%c。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int i;
	double d;
	char arr[20];
	cin >> i;//读取一个整型
	cin >> d;//读取一个浮点型
	cin >> arr;//读取一个字符串
	cout << i << endl;//打印整型i
	cout << d << endl;//打印浮点型d
	cout << arr << endl;//打印字符串arr
	return 0;
}

注：代码中的endl的意思是输出一个换行符。

缺省参数

缺省参数的概念

 缺省参数是指在声明或定义函数时，为函数的参数指定一个默认值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该默认值，否则使用指定的实参。

#include <iostream>
using namespace std;
void Print(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	Print();//没有指定实参，使用参数的默认值（打印0）
	Print(10);//指定了实参，使用指定的实参（打印10）
	return 0;
}

缺省参数分类

全缺省参数

全缺省参数，即函数的全部形参都设置为缺省参数。

void Print(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

半缺省参数

半缺省参数，即函数的参数不全为缺省参数。

void Print(int a, int b, int c = 30)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

注意：
 1、半缺省参数必须从右往左依次给出，不能间隔着给。

//错误示例
void Print(int a, int b = 20, int c)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

 2、缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

//错误示例
//test.h
void Print(int a, int b, int c = 30);
//test.c
void Print(int a, int b, int c = 30)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

缺省参数只能在函数声明时出现，或者函数定义时出现（二者之一均正确）。
 3、缺省值必须是常量或者全局变量。

//正确示例
int x = 30;//全局变量
void Print(int a, int b = 20, int c = x)
{
	cout << a << endl;
	cout << b << endl;
	cout << c << endl;
}

函数重载

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必须不同。函数重载常用来处理实现功能类似，而数据类型不同的问题。

#include <iostream>
using namespace std;
int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

double Add(double x, double y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	cout << Add(1, 2) << endl;//打印1+2的结果
	cout << Add(1.1, 2.2) << endl;//打印1.1+2.2的结果
	return 0;
}

注意：形参列表不同是指参数个数、参数类型或者参数顺序不同，若仅仅是返回类型不同，则不能构成重载。

函数重载的原理(名字修饰)

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？

 我们知道，一个C/C++程序要运行起来都需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。

 我们知道，在编译阶段会将程序中的每个源文件的全局范围的变量符号分别进行汇总。在汇编阶段会给每个源文件汇总出来的符号分配一个地址（若符号只是一个声明，则给其分配一个无意义的地址），然后分别生成一个符号表。最后在链接期间会将每个源文件的符号表进行合并，若不同源文件的符号表中出现了相同的符号，则取合法的地址为合并后的地址（重定位）。

 在C语言中，汇编阶段进行符号汇总时，一个函数汇总后的符号就是其函数名，所以当汇总时发现多个相同的函数符号时，编译器便会报错。而C++在进行符号汇总时，对函数的名字修饰做了改动，函数汇总出的符号不再单单是函数的函数名，而是通过其参数的类型和个数以及顺序等信息汇总出 一个符号，这样一来，就算是函数名相同的函数，只要其参数的类型或参数的个数或参数的顺序不同，那么汇总出来的符号也就不同了。

注：不同编译器下，对函数名的修饰不同，但都是一样的。

总结：
 1、C语言不能支持重载，是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的，只要函数的形参列表不同，修饰出来的名字就不一样，也就支持了重载。
 2、另外我们也理解了，为什么函数重载要求参数不同，根返回值没关系。

extern “C”

 有时候在C++工程中可能需要将某些函数按照C的风格来编译，在函数前加“extern C”，意思是告诉编译器，将该函数按照C语言规则来编译。

注意：在函数前加“extern C”后，该函数便不能支持重载了。

引用

引用的概念

 引用不是定义一个变量，而是已存在的变量取了一个别名，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。

其使用的基本形式为：类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;//给变量a去了一个别名，叫b
	cout << "a = " << a << endl;//a打印结果为10
	cout << "b = " << b << endl;//b打印结果也是10
	b = 20;//改变b也就是改变了a
	cout << "a = " << a << endl;//a打印结果为20
	cout << "b = " << b << endl;//b打印结果也是为20
	return 0;
}

注：引用类型必须和引用实体是同种类型。

引用的特性

一、引用在定义时必须初始化
正确示例：

int a = 10;
int& b = a;//引用在定义时必须初始化

错误示例：

int c = 10;
int &d;//定义时未初始化
d = c;

二、一个变量可以有多个引用
例如：

int a = 10;
int& b = a;
int& c = a;
int& d = a;

此时，b、c、d都是变量a的引用。
三、引用一旦引用了一个实体，就不能再引用其他实体
例如：

	int a = 10;
	int& b = a;

此时，b已经是a的引用了，b不能再引用其他实体。如果你写下以下代码，想让b转而引用另一个变量c：

	int a = 10;
	int& b = a;
	int c = 20;
	b = c;//你的想法：让b转而引用c

但该代码并没有随你的意，该代码的意思是：将b引用的实体赋值为c，也就是将变量a的内容改成了20。

常引用

 上面提到，引用类型必须和引用实体是同种类型的。但是仅仅是同种类型，还不能保证能够引用成功，我们若用一个普通引用类型去引用其对应的类型，但该类型被const所修饰，那么引用将不会成功。

int main()
{
	const int a = 10;
	//int& ra = a;    //该语句编译时会出错，a为常量
	const int& ra = a;//正确
	
	//int& b = 10;    //该语句编译时会出错，10为常量
	const int& b = 10;//正确
	return 0;
}

 我们可以将被const修饰了的类型理解为安全的类型，因为其不能被修改。我们若将一个安全的类型交给一个不安全的类型（可被修改），那么将不会成功。

引用的使用场景

一、引用做参数
 还记得C语言中的交换函数，学习C语言的时候经常用交换函数来说明传值和传址的区别。现在我们学习了引用，可以不用指针作为形参了：

//交换函数
void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

 因为在这里a和b是传入实参的引用，我们将a和b的值交换，就相当于将传入的两个实参交换了。
二、引用做返回值
 当然引用也能做返回值，但是要特别注意，我们返回的数据不能是函数内部创建的普通局部变量，因为在函数内部定义的普通的局部变量会随着函数调用的结束而被销毁。我们返回的数据必须是被static修饰或者是动态开辟的或者是全局变量等不会随着函数调用的结束而被销毁的数据。

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

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，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。

引用和指针的区别

 在语法概念上，引用就是一个别名，没有独立的空间，其和引用实体共用同一块空间。

int main()
{
	int a = 10;
	//在语法上，这里给a这块空间取了一个别名，没有新开空间
	int& ra = a;
	ra = 20;

	//在语法上，这里定义了一个pa指针，开辟了4个字节（32位平台）的空间，用于存储a的地址
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	return 0;
}

但是在底层实现上，引用实际是有空间的：

从汇编角度来看，引用的底层实现也是类似指针存地址的方式来处理的。

引用和指针的区别（重要）：
 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中的含义不同：引用的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、引用进行自增操作就相当于实体增加1，而指针进行自增操作是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、访问实体的方式不同，指针需要显示解引用，而引用是编译器自己处理。
 8、引用比指针使用起来相对更安全。

内联函数

内联函数的概念

 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，内联函数的使用可以提升程序的运行效率。
 我们可以通过观察调用普通函数和内联函数的汇编代码来进一步查看其优势：

int Add(int a, int b)
{
	return a + b;
}
int main()
{
	int ret = Add(1, 2);

	return 0;
}

下图左是以上代码的汇编代码，下图右是函数Add加上inline后的汇编代码：

从汇编代码中可以看出，内联函数调用时并没有调用函数这个过程的汇编指令。

内联函数的特性

 1、inline是一种以空间换时间的做法，省了去调用函数的额外开销。由于内联函数会在调用的位置展开，所以代码很长或者有递归的函数不适宜作为内联函数。频繁调用的小函数建议定义成内联函数。
 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的函数体内有递归等，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。

auto关键字(C++11)

auto简介

 在早期的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：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。

#include <iostream>
using namespace std;
double Fun()
{
	return 3.14;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'A';
	auto d = Fun();
	//打印变量b,c,d的类型
	cout << typeid(b).name() << endl;//打印结果为int
	cout << typeid(c).name() << endl;//打印结果为char
	cout << typeid(d).name() << endl;//打印结果为double
	return 0;
}

注意：使用auto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

一、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声明引用类型时必须加&。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = &a;   //自动推导出b的类型为int*
	auto* c = &a;  //自动推导出c的类型为int*
	auto& d = a;   //自动推导出d的类型为int
	//打印变量b,c,d的类型
	cout << typeid(b).name() << endl;//打印结果为int*
	cout << typeid(c).name() << endl;//打印结果为int*
	cout << typeid(d).name() << endl;//打印结果为int
	return 0;
}

注意：用auto声明引用时必须加&，否则创建的只是与实体类型相同的普通变量。

二、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。

int main()
{
	auto a = 1, b = 2; //正确
	auto c = 3, d = 4.0; //编译器报错：“auto”必须始终推导为同一类型
	return 0;
}

auto不能推导的场景

一、auto不能作为函数的参数
 以下代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对x的实际类型进行推导。

void TestAuto(auto x)
{}

二、auto不能直接用来声明数组

int main()
{
	int a[] = { 1, 2, 3 };
	auto b[] = { 4, 5, 6 };//error
	return 0;
}

基于范围的for循环(C++11)

范围for的语法

 若是在C++98中我们要遍历一个数组，可以按照以下方式：

	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
	//将数组元素值全部乘以2
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)
	{
		arr[i] 
以上是关于C++入门基础的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
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