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本节知识点安排目的
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,本章节主要目标:
- 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
- 为后续类和对象学习打基础
一、 C++关键字(C++98)
C++总计63个关键字,C语言32个关键字
注: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。
二、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,难免不同的程序员之间命名会发生重复,而这些变量、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给标识符再套一层外壳,加上外壳名,以防止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
#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“库函数”
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。
1.1 正常的命名空间定义
// 张三是命名空间的名字,可自行定义,一般开发中是用项目名字做命名空间名。
namespace zhangsan
{
// 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;
}
}
1.2 命名空间可以嵌套
// test.cpp
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;
}
}
}
1.3 存在多个相同名称的命名空间
//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;
}
}
2. 命名空间使用
2.1 域作用限定符
::
,改变编译器默认搜索规则,使之直接去指定域搜索。在C语言的学习中,我们知道有全局变量和局部变量,它们的作用域分别是全局域和局部域,而当一个变量同时存在局部域和全局域时,编译器应该使用哪个呢?这就必须得有一个搜索规则。
2.2 命名空间的使用有三种方式
- 加命名空间名称及作用域限定符
int main()
{
printf("%d\n", N::a);//此处指定去 命名空间域N 搜索a
return 0;
}
- 使用using将命名空间中某个成员引入
using N::b; //引入后,全局下编译器都指定去 命名空间域N 搜索b
int main()
{
//...
return 0;
}
- 使用using namespace N 将整个命名空间引入
using namespce N; //引入后,全局下编译器都指定去 命名空间域N 搜索该域内的变量
int main()
{
printf("%d\n", N::a);
printf("%d\n", b);
Add(10, 20);
return 0;
}
三、C++输入&输出
#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;
}
1. 与C的交汇
cout
标准输出对象(控制台)和cin
标准输入对象(键盘),分别对应C语言中的printf / scanf
。必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。endl
是特殊的C++符号,表示换行输出**,相当于\n
<<
是流插入运算符,>>
是流提取运算符。相当于C中的“”
- 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。
2. 补充说明
- 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。
- 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
<iostream> + std
的方式。- 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?
- 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。
四、缺省参数
1. 缺省参数概念
缺省 = 默认 。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;
}
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;
}
int main()
{
Func();
return 0;
}
- 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;
}
int main()
{
Func(10); //传参给a
return 0;
}
注意事项:
- 半缺省参数必须从右往左依次来给出,不能间隔着给
- 缺省值必须是常量或者全局变量(语法规定如此)
- 缺省参数在声明定义分离场景,只允许在声明中给出
①如果同时给,c++的祖师爷怕有人在声明和定义两次给的值不一致,有坑,所以只允许给一次
②在C语言中,我们知道编译经过四个过程。编译过程会检查语法错误,只含有声明而无定义不会报错。在我们实际调用函数时,只需要包含对应头文件,若此时只含有声明,即具体实现的定义可能是其他人写的,在其他源文件中,在最后的链接过程才会搜索定义。因此,只能在声明中给出否则会出错。
五、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!”
1. 函数重载概念
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;
}
// 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;
}
2. C++支持函数重载的原理–名字修饰
- 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语言阶段学习的编译链接,我们可以知道,【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】,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
- 那么链接时链接器是怎么找对应函数地址的呢?使用函数名去找,每个编译器都有自己的函数名修饰规则
- 由于Windows下vs的修饰规则过于复杂,而Linux下g++的修饰规则简单易懂,下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。
- 通过下面我们可以看出C语言编辑器修饰后名字不变,而C++修饰后名字发生改变,所以实际上c++是通过编译时不同的函数名来区分重名函数
- 采用C语言编译器编译后结果
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。
- 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
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。
比如:李逵,在家称为"铁牛",江湖上人称"黑旋风"。
- 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);
}
注意:引用类型必须和引用实体是同种类型的
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
- 引用定义后不能改变指向
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;
}
4. 使用场景
- 1. 做参数
①输出型参数
②对象较大,减少拷贝,提高效率
void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
- 2. 做返回值
①修改返回对象
②减少拷贝,提供效率
int& Count()
{
static int n = 0;
n++;
// ...
return n;
}
- 2.1 野引用
int& Add(int a, int b)
{
int c = a + b; //c为局部变量,add函数结束后就销毁,不能返回其本身
return c;
}
int main()
{
int& ret = Add(1, 2);
Add(3, 4);
cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
return 0;
}
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。
通过下述代码的比较,发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。
#include <time.h>
#include <iostream>
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 < 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;
}
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。
- 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。
我们来看下引用和指针的汇编代码对比:
语法上的不同点:
- 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(野指针)
- 引用不可以改变指向,指针可以
- 引用相对更安全,没有空引用,但有空指针
- 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
七、 内联函数
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(直接在该处拷贝一份代码),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
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:
- 在release模式下,查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add
- 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,以下给出vs2022的设置方式)
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不能声明和定义分离,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。
链接重定义问题:在头文件中直接定义函数,若其他多个源文件包含该头文件,展开后会造成函数重复展开即重定义
- 解决方法:
代码行数多:①声明与定义分离
②static 修饰,改变链接属性,使得展开时只在当前源文件中可用
代码行数少 :③inline
3. 宏的优缺点
优点:
- 增强代码的复用性。
- 提高性能。
缺点:
- 不方便调试宏。(因为预编译阶段进行了替换)
- 语法复杂,不容易控制,可读性,可维护性差
①末尾没有分号
②括号控制优先级
#define ADD(a, b) (a+b)
#define ADD(a, b) ((a)+(b))
//a,b有可能为表达式,内部的其他操作符可能优先级低于+号操作符的优先级
- 没有类型安全的检查 。
八、 auto关键字(C++11)
1. 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:
- 类型难于拼写
- 含义不明确导致容易出错
聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,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。
2. 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。
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。
3. 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&
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
}
4. 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
id TestAuto()
{
int a[] = {1,2,3};
auto b[] = {4,5,6}; //报错
}
- 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
- 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)
1. 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:左侧部分是范围内用于迭代的变量,右侧部分则表示被迭代的范围。
void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for (auto& e : array)
e *= 2;
for (auto e : array)
cout << e << " ";
return 0;
}
十、指针空值nullptr(C++11)
1. 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 //NULL实际为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); //实际和传参0调用的是同一个函数,与设计初衷相悖
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。
- 在C++11中,提供了新的关键字
nullptr
,sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。- 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
。
总结
本文在C语言相关知识的基础上,介绍了部分c++语法,以补充和优化c的语法,为后续学习类与对象打下基础。
尽管文章修正了多次,但由于水平有限,难免有不足甚至错误之处,敬请各位读者来评论区批评指正。全文字数10k,感谢你能看到这里。