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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,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,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、C++关键字
C++总计63个关键字,C语言32个关键字
ps: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(namespace)
1.命名冲突的解决
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//这些会在全局域展开,这个头文件里面有与rand重名的函数
int rand = 10;//全局变量rand
int main()
{
return 0;
}
//错误 C2365 “rand”: 重定义;以前的定义是函数
- 那么针对上面问题我们该如何解决呢
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。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//这些会在全局域展开,这个头文件里面有与rand重名的函数
namespace whf //一般开发中命名空间通常是用自己项目的名字
{
int rand = 10;
}
int main()
{
return 0;
}
namespace whf
{
// 1.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
// test.cpp
namespace whf1
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
namespace whf2
{
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。
// ps:一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个whf1会被合并成一个
// test.h
namespace whf1
{
int Mul(int left, int right)
{
return left * right;
}
}
- 命名空间中可以定义变量/函数/类型
- 命名空间可以嵌套
- 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whf1会被合并成一个
- 注意: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
2.命名空间的使用
代码如下(示例):
namespace whf
{
// 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;
//应该用以下方法
int main()
{
printf("%d\n", N::a);
}
我们可以看出来上面在命名空间里的变量,在命名空间外没办法直接访问,这里有三种方式可以进行访问
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(项目中常用)
#include<iostream>
int main()
{
std::cout << std::endl;
return 0;
}
- 使用using将命名空间中某个成员引入(项目中常用)
#include<iostream>
using std::cout; //只展开cout
using std::endl; //只展开endl
int main()
{
cout << endl;
return 0;
}
- 使用using namespace 命名空间名称引入(一般练习时候用)
#include<iostream>
using namespace std;//全部展开
int main()
{
cout << endl;
return 0;
}
3.std命名空间的使用惯例
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、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;
}
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。 - 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。 - <<是流插入运算符,>>是流提取运算符。
- 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。 - 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。后面我们还有一个章节更深入的学习IO流用法及原理。
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。
四、缺省参数
1.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。
typedef int StackDataType;
class Stack {
public:
void StackInit(int capacity = 4);//缺省参数
private:
StackDataType* _a;
int _top;
int _capacity;
};
void Stack::StackInit(int capacity)
{
_a = (StackDataType* )malloc(sizeof(StackDataType)*capacity);
_top = 0;
_capacity = capacity;
}
int main()
{
Stack st;
st.StackInit(); // 没有传参时,使用参数的默认值
st.StackInit(10); // 传参时,使用指定的实参
return 0;
}
2.缺省参数分类
- 全缺省
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
void Func(int a , int b = 20, int c = 30)
{
cout<<"a = "<<a<<endl;
cout<<"b = "<<b<<endl;
cout<<"c = "<<c<<endl;
}
3.缺省参数注意
- 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
//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。
- 缺省值必须是常量或者全局变量
- C语言不支持(编译器不支持)
五、函数重载
这是我之前写的函数重载的链接(点击即可):函数重载链接
函数重载补充:
1.C++支持函数重载的原理—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?
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,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。(老师要带同学们回顾一下) - 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。 - 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+类型首字母】。
采用C语言编译器编译后结果
采用C++语言编译器编译后结果
Windows下名字修饰规则
对比Linux会发现,windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂,但道理都
是类似的,我们就不做细致的研究了。 - 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。
类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体;
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
引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体
3.常引用
//1.
const int a = 10;
//int& b = a; 错误,权限放大了,可以让b改a了
//改正:
const int& b = a;//加上修饰权限就好了
//2.
//int& b = 10; 错误,10是常量,权限放大了
const int& b = 10;
//3.
double d = 12.34;
//int& rd = d; // 该语句编译时会出错,类型不同.
//原因:因为会有隐式转换,是将double转化为int的时候会产生一个临时的变量来存储转型成int后的结果,然后临时变量再赋值给rd
//临时变量具有常性,所以得用const
const int& rd = d;
使用引用的时候权限不可以放大,只能缩小
4.使用场景
- 做参数
void Swap(int& left, int& right)
{
int temp = left;
left = right;
right = temp;
}
- 做返回值
int& Count()
{
static int n = 0;
n++;
// ...
return n;
}
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;
}
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.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。
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。
int main()
{
int a = 10;
int& ra = a;
ra = 20;
int* pa = &a;
*pa = 20;
return 0;
}
我们来看下引用和指针的汇编代码对比:
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
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,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vs2013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。
3.面试题
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)
- 导致代码可读性差,可维护性差,容易误用。
- 没有类型安全的检查 。
C++有哪些技术替代宏?
常量定义 换用const enum
短小函数定义 换用内联函数
补充:
在《Effective C++》这本书中的条款2提到:尽量以const,enum,inline替换#define
例如
#define ASPECT_RATIO 1.653//大写名用宏
//可以用const表示
const double AspectRatio = 1.653;
为什么要这样呢
因为作为一个语言常量,AspectRatio肯定会被编译器看到,当然就会进入记号表内,然而#define会让预处理器盲目的将宏名称ASPECT_RATIO替换为1.653,当编译器出错的时候,你就会好奇这个出错信息为什么会显示1.653,导致追踪程序的时候浪费时间
最后总结:
- 对于单纯常量,最好以const对象或enums替换#define
- 对于形似函数的宏(macros),最好改用inline函数替换#define
4.宏函数
#include<iostream>
using namespace std;
#define ADD(x,y) ((x)+(y))
int main()
{
cout << 5 * ADD(1|0, 1&0);//解释为什么要加括号
return 0;
}
- 为什么要加外面那层括号
因为有可能会出现5ADD(1,3)如果没有外面那层就变成5(1)*(3)结果显然是不对的 - 为什么加里面的括号
因为有可能里面那个括号里面有可能是表达式,优先级会受到影像
八、auto关键字
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
#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。聪明的同学可能已经想到:可以通过typedef给类型取别名,比如:
#include <string>
#include <map>
typedef std::map<std::string, std::string> Map;
int main()
{
Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
Map::iterator it = m.begin();
while (it != m.end())
{
//....
}
return 0;
}
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。
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。
- auto不能作为函数的参数
- auto不能直接用来声明数组
九、基于范围的for循环(C++11)
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。
void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
for(auto& e : array)
e *= 2;
for(auto e : array)
cout << e << " ";
return 0;
}
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
- 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。
注意:以下代码就有问题,因为for的范围不确定
void TestFor(int array[])//这里array传的是指针
{
for(auto& e : array)
cout<< e <<endl;
}
十、指针空值nullptr
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
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);
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。
注意:
- 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。 - 在C++11中,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