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关于我的编程语言——C/C++——第八篇

news 2024/11/16 1:55:11

（叠甲：如有侵权请联系，内容都是自己学习的总结，一定不全面，仅当互相交流（轻点骂）我也只是站在巨人肩膀上的一个小卡拉米，已老实，求放过）

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，C语言就不太合适了，为了解决软件危机，20世纪80年代，计算机界提出OOP（object oriented programming:面向对象）思想，支持面向对象的程序涉及语言应运而生。

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率，发明了一种新的程序语言，为了表达该语言和C语言的渊源关系，因此：C++是基于C语言而设计产生的，它即可进行面向对象的程序设计，还可以进行面向对象的程序设计。

命名空间

在C/C++中，变量，函数和后面要提到的类都是大量存在的，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，以避免命名冲突和名字污染，namespace 关键字的设计就是针对这种问题的。

例子

#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("%d\n", rand);return 0;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

命名空间定义

定义命名空间，需要使用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。

//test.c
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;};
}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;}}
}// test.h
namespace N1
{int Mul(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。
一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个;

注：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；

命名空间使用

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;
}

解决上述问题有三种方法

1）加命名空间名称作用域限定符

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

2）使用using将命名空间中某个成员引入

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

3）使用using namespace 命名空间名称引入

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

C++输入&输出

例子

#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<iosteam>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<iosteam>头文件中；

3）<<是流插入运算符，>>是流提取运算符；

4）使用C++输入和输出更方便，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osteam和isteam类型的对象，>>和<<其实是运算符重载；

注：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，使用时只需要包含对应的头文件即可，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（vc6.0）中还支持<iosteam.h>格式，后续的编译器就不支持了，因此推荐使用<iosteam> +std的方式；

例

#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

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理？

1）在日常的使用中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便；

2）using namespace std展开，标准库就暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就容易出现问题，所以在开发项目中，建议就像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，和MySQL中的defalut有神似的道理；

例子：

#include<iostream>
using namespace std;
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;
}

缺省参数的分类

1）全缺省参数

#include<iostream>
using namespace std;void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;
}
int main()
{Func();// 没有传参时，使用参数的默认值return 0;
}

2）半缺省参数

#include<iostream>
using namespace std;void Func(int a, int b = 10, int c = 20)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;
}int main()
{Func(5);// 没有传参时，使用参数的默认值return 0;
}

注：

1）半缺省参数必须要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；

//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）缺省值必须时常量或全局变量；

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；

例子：

#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;
}
// 2、参数个数不同
void f()
{cout << "f()" << endl;
}
void f(int a)
{cout << "f(int a)" << endl;
}
// 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()
{Add(10, 20);Add(10.1, 20.2);f();f(10);f(10, 'a');f('a', 10);return 0;
}

C++支持函数重载的原理--名字修饰（name managing）

在C/C++中，一个程序要允许起来，需要经历以下几个阶段：预处理、汇编、编译、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，我们可以了解到，当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时，编译后连接前，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；

2）所以链接阶段就会专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找到Add函数的地址，然后链接到一起。

3）那么链接时，面对Add函数，链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；

4）在Linux下g++的修饰规则大致是函数长度+函数名+类型首字母；

5）如果函数函数名和参数是一样的，返回值不同是不构成重载的，因为名字修饰中并没有对于返回值的修饰；

引用

引用不是一个新定义一个变量，而是给已存在的变量取一个别名，编译器不会为引用变量开辟空间，它和引用的变量公用一块内存空间；

比如：李逵，在家叫铁牛，江湖人人称黑旋风；

类型& 引用变量名（对象名） = 引用实体；

例子

#include<iostream>
void TestRef()
{int a = 10;int& ra = a;//<====定义引用类型printf("%p\n", &a);printf("%p\n", &ra);
}int main()
{TestRef();return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型

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，再不能应用其他实体

例子

#include<iostream>
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);
}
int main()
{TestRef();return 0;
}

常引用

#include<iostream>
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为常量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 int& rd = d;
}int main()
{TestConstRef();return 0;
}

使用场景

1）做参数

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

2）做返回值

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

注意：如果函数返回时，出了函数作用域，如果返回对象还在（还没有还给系统），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；

传值、传引用效率比较（作为参数）

以值作为参数或者返回值类型，再传参和返回期间，函数不会直接传递参数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拷贝，因此用值作为参数或者返回类型，效率是比较低下的，尤其是当参数或者返回值类型非常大时；

例子

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
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 < 1000000; ++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 < 1000000; ++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;
}

传值、传引用效率比较（作为返回值）

#include<iostream>
#include <time.h>
using namespace std;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 < 1000000; ++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 < 1000000; ++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;
}

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，和其他引用实体共用同一块空间，但是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；

引用和指针的不同点

1.引用概率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之后，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，但是有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；

6）引用自加即引用的实体增加1，指针自家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；

内联函数

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，内联函数提示程序运行的效率；

没有使用内联函数

#include<iostream>
int Add(int left, int right)
{return left + right;
}int main()
{int ret = 0;ret = Add(1, 2);return 0;
}

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；

查看方式

1）在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add

2）在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开（因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化）

（有inline修饰）

inline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，会用函数体替代函数调用，缺陷是可能导致目标文件变大，优势是少了调用开销，提高了程序运行效率；

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；

《C++prime》第五版关于inline的建议：内联机制用于优化规模小，流程直接，频繁调用的函数，很多编译器都不支持内联递归函数，而且一个75行的函数也不大可能在调用点内联地展开；

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);
// 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

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）类型难以拼写

2）含义不明确导致容易出错

例子：

#include <string>
#include <map>
int main()
{std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange","橙子" },{"pear","梨"} };std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();while (it != m.end()){//....}return 0;
}

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，虽然可以使用typedef给类型取别名，但是会引来新的问题；

例：

typedef char* pstring;
int main()
{const pstring p1; const pstring* p2; return 0;
}

在编程时，常常需要把表达式的值复制给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式地类型，然而有的时候要做到这一点并不容易；

auto简介

C++11中，标准委员会赋予了auto全新地含义即：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声明地变量必须由编译器在编译时推导而得。

#include<iostream>
using namespace std;
int TestAuto()
{return 10;
}
int main()
{int a = 10;auto b = a;auto c = 'a';auto d = TestAuto();cout << typeid(b).name() << endl;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地实际类型。因此auto并非是一种“类型”地声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期间会将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，但是auto什么引用类型时则必须要加&；

例子：

#include<iostream>
using namespace std;
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

当在同一行什么多个变量时，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，然后推导出来的类型定义其他变量；

例子：

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
}

auto不能推导的场景

1）auto不能作为函数的参数

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C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式进行配合使用；

基于范围的for循环（C++11）

范围for的语法

在C++98中要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：
例子：

#include<iostream>
using namespace std;
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;
}int main()
{TestFor();return 0;
}

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说循环的范围是多余的，有时候还是容易犯错误，因此C++11中引入了基于范围for循环，for循环后的括号由冒号“ ：”分成两部分，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；

例子：

#include<iostream>
using namespace std;
void TestFor()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };for (auto& e : array)e *= 2;for (auto e : array)cout << e << " ";}int main()
{TestFor();return 0;
}

注意：和普通循环类似，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；

例子：

#include<iostream>
using namespace std;
void TestFor(int array[])
{for (auto& e : array)cout << e << endl;
}

2）迭代的对象要实现++和==的操作

指针空值nullptr(C++11)

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的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可能被定义为字面产量0，或者被定义为无类型指针（void*）的常量，不论采取哪一种定义，在使用空值的指针时，都会遇到些麻烦；

#include<iostream>
using namespace std;
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（NULL）调用指针版本的（int*）函数，但是由于NULL被定义为0，因此与程序初衷相悖；

在C++98中，字面常量0即可以是一个整型数字，也可以是一个无类型的指针（void*）常量，但是编译器默认情况下将其看成一个整型常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转（void*）0；