【系统学C++】二、从C语言到C++（二）

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【系统学C++】二、从C语言到C++（二）

bool 类型

在C语言中，bool 类型并不是内置的数据类型，直到C99标准才引入了 _Bool 类型作为整数类型的一个扩展，并提供了宏 bool 作为 _Bool 的别名，以及 true 和 false 作为宏定义，通常用于 <stdbool.h> 头文件中。但是，由于C语言对 _Bool 的处理本质上还是基于整型的，所以其使用并不像C++中的 bool 类型那样直观和严格。

在C++中，bool 是一个内置的数据类型，它只有两个可能的值：true 和 false。bool 类型常用于条件语句、循环语句以及逻辑运算中。C++的 bool 类型是一个真正的布尔类型，它不能隐式地转换为其他类型（除了 int 和可以接受 int 的其他类型），除非进行了显式的类型转换。

以下是一个C++中使用 bool 类型的简单示例：

#include <iostream>

bool isEven(int number) {
    return number % 2 == 0;
}

int main() {
    int num = 10;
    bool result = isEven(num);

    if (result) {
        std::cout << num << " is even." << std::endl;
    } else {
        std::cout << num << " is odd." << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中，isEven 函数接受一个整数作为参数，并返回一个 bool 类型的值来表示该数是否是偶数。在 main 函数中，我们调用 isEven 函数，并将结果存储在 bool 类型的变量 result 中。然后，我们使用 if 语句根据 result 的值来输出相应的消息。

需要注意的是，在C++中，true 和 false 是 bool 类型的常量，它们的值分别为1和0（或者可以视为“真”和“假”）。但是，你不能将 bool 类型的变量直接与整数进行算术运算，因为它们是不同的类型。如果你需要这样做，你需要进行显式的类型转换。

怎么打印 bool 类型的值

在C++中，如果你想以文本形式（即 “true” 或 “false”）而不是整数形式（即 1 或 0）打印 bool 类型的值，你可以使用 std::boolalpha 操纵符。这个操纵符是定义在 <iomanip> 头文件中的，它可以改变流（通常是 std::cout）对于 bool 类型的输出方式。

以下是一个例子，展示了如何使用 std::boolalpha 来打印 bool 类型的值：

#include <iostream>
#include <iomanip> // 包含 boolalpha 操纵符的头文件

int main() {
    bool flag = true;

    // 使用 std::boolalpha 操纵符
    std::cout << std::boolalpha << flag << std::endl; // 输出 "true"

    // 如果你之后想恢复默认的整数输出方式
    std::cout << std::noboolalpha << flag << std::endl; // 输出 1

    return 0;
}

在这个例子中，std::boolalpha 使得 std::cout 将 bool 类型的值作为 “true” 或 “false” 输出。如果你想恢复到默认的整数输出方式（即 true 输出为 1，false 输出为 0），你可以使用 std::noboolalpha 操纵符。不过，请注意，这些操纵符只影响它们被设置之后的输出，不会影响之前的输出。所以，如果你只想改变一个 bool 值的输出方式，而不需要后续恢复，你可以只使用 std::boolalpha。

强弱类型

从C语言到C++，关于强弱类型的概念，首先需要明确的是，C和C++在类型系统方面都是静态类型语言，这意味着在编译时就需要确定变量的类型，并且这个类型在程序运行过程中通常是不能改变的。然而，这里的“强弱类型”通常指的是类型系统对程序员施加的约束程度和防止错误的能力。

C语言的类型系统

  • 弱类型检查：C语言的类型系统可以被认为是相对“弱”的，因为它允许程序员进行某些可能导致问题的类型转换。例如，C风格的强制类型转换 (Type) expression 可以几乎无限制地将任何类型的表达式转换为任何类型，而不进行太多的运行时检查。
  • 隐式转换：C语言中存在许多隐式类型转换，这些转换可能在程序员不注意的情况下发生，并导致难以察觉的错误。
  • 指针操作：C语言中的指针可以指向任何类型的数据，这增加了灵活性但也带来了风险。例如，将一个整数指针错误地解释为字符指针可能会导致未定义行为。

C++的类型系统

  • 强类型检查：C++在C语言的基础上增加了更严格的类型检查。虽然C++也允许强制类型转换，但它提供了更安全的替代方案，如static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast。这些转换函数要求程序员明确指定转换的意图，并在可能的情况下进行运行时检查。
  • 减少隐式转换：C++尝试减少隐式类型转换的数量，以减少错误的可能性。然而，由于C++需要与C语言兼容，因此仍然存在一些隐式转换。
  • 面向对象编程：C++支持面向对象编程，这包括类、继承、多态等概念。这些特性使得C++的类型系统更加复杂，但也更加灵活和强大。通过封装、继承和多态，C++可以提供更好的代码重用性和可维护性。
  • 模板和STL：C++的模板和STL（Standard Template Library）提供了类型安全的容器和数据结构，这些容器和数据结构在编译时进行类型检查，从而减少了运行时错误的可能性。

总结

  • 从C语言到C++，类型系统的“强弱”主要体现在对程序员施加的约束程度和防止错误的能力上。
  • C语言的类型系统相对较弱，允许更多的灵活性和隐式转换，但也增加了出错的可能性。
  • C++通过引入更严格的类型检查和转换函数、减少隐式转换、支持面向对象编程以及提供类型安全的容器和数据结构等方式，增强了其类型系统的“强度”，从而提高了代码的安全性和可维护性。

NULL 和 nullptr

在C和C++中，NULL 和 nullptr 都用于表示指针不指向任何有效的内存地址（空指针）。然而，它们在定义和使用上存在一些区别。

NULL

  • 在C语言中：NULL 是一个宏，通常被定义为 (void*)0 或 0。它用于表示指针不指向任何有效的内存地址。
  • 在C++中：虽然C++是从C发展而来的，但它也支持 NULL。然而，在C++中，直接将 NULL 定义为 (void*)0 可能会导致类型安全的问题，因为当你尝试将一个 void* 类型的值赋给一个非 void* 类型的指针时，编译器可能会发出警告或错误。因此，C++标准库通常将 NULL 定义为 0 或 ((void*)0) 的一个类型安全的替代品，比如 #define NULL 0。

nullptr

  • 在C++11及以后：nullptr 是一个关键字，用于替换 NULL。它是C++11标准中引入的一个新特性，用于表示空指针。与 NULL 相比，nullptr 具有更好的类型安全性，因为它不是宏，而是一个真正的类型（std::nullptr_t），可以自动转换为任何指针类型或指针到成员的类型，但不能转换为整数类型。
  • 优点：使用 nullptr 可以避免由于 NULL 被错误地定义为 (void*)0 而导致的类型不匹配问题。此外，由于 nullptr 是一个关键字，它在代码中的使用也更清晰，更易于阅读和理解。

示例

在C中，你可能会这样使用 NULL：

int *ptr = NULL;

在C++中，你可以继续使用 NULL（尽管它可能已经被定义为 0），但更好的做法是使用 nullptr：

int *ptr = nullptr;

注意：在C++中，如果你尝试将 nullptr 赋值给一个非指针类型的变量，编译器会报错，这有助于在编译时捕获潜在的错误。而如果你使用 NULL 并将其定义为 0，这种错误可能不会被捕获。

起别名

在C++中，起别名（aliasing）通常指的是为一个类型或对象创建另一个名称，这样你就可以通过不同的名称来引用相同的类型或对象。在C++中，有几种方式可以实现这一点，但最常用的可能是使用typedef或using关键字（从C++11开始）。

使用 typedef

在C和C++中，typedef关键字被用来为现有类型定义一个新的名称。这在处理复杂的数据类型时特别有用，比如结构体、联合体、函数指针等。

// 定义一个结构体
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 使用typedef为结构体起别名
typedef struct Point PointAlias;

// 现在Point和PointAlias是等价的
PointAlias p;
p.x = 10;
p.y = 20;

使用 using 关键字（C++11及以后）

在C++11及以后的版本中，using关键字被引入作为一种更简洁、更灵活的别名机制。它可以用于类型、模板、命名空间等。

// 使用using为结构体起别名
using PointAlias = Point;

// 现在Point和PointAlias是等价的
PointAlias p;
p.x = 10;
p.y = 20;

// 对于模板类型，using也特别有用
template<typename T>
using Vector = std::vector<T>;

// 现在可以这样使用
Vector<int> int_vector;

注意

  • 别名并不创建新的类型，它只是为现有类型提供了一个新的名称。
  • 在使用别名时，要注意作用域和链接规则，以避免名称冲突。
  • 在C++中，推荐使用using关键字作为别名机制，因为它更加灵活和简洁。但在处理C语言代码或需要与C语言交互时，可能仍然需要使用typedef。

void* 万能指针

在C和C++中，void* 被称为“万能指针”或“通用指针”，因为它可以指向任何数据类型的对象。这种灵活性在编写泛型代码（尤其是在C语言中，因为C++提供了更强大的模板系统）时非常有用。但是，void* 的使用也需要额外的注意，因为当你尝试解引用一个 void* 时，编译器不知道你要访问的数据类型，所以你需要显式地进行类型转换。

C语言中的 void*

在C语言中，void* 常用于以下情况：

  1. 动态内存分配：与 malloc 和 free 函数一起使用，它们返回和接受 void* 类型的指针。
int *p = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p);
  1. 函数指针：当函数需要处理多种类型的指针时，可以使用 void* 作为参数类型。但是，在函数内部，你需要将其转换为正确的类型才能使用。
void print_int(void *ptr) {
    int *int_ptr = (int*)ptr;
    printf("%d\n", *int_ptr);
}

C++中的 void*

在C++中，虽然 void* 仍然可用，但由于C++提供了更强大的类型系统和模板，void* 的使用频率相对较低。然而，在以下情况下，你仍然可能会看到 void*：

  1. 与C语言的接口：当你需要与C语言代码交互时，可能会使用 void*。
  2. 某些特定的库和API：某些C++库或API可能为了保持与C的兼容性而使用 void*。
  3. 动态内存分配：虽然C++推荐使用 new 和 delete 运算符进行动态内存分配，但 malloc 和 free 仍然可用，并且它们返回和接受 void* 类型的指针。

注意事项

  • 使用 void* 时需要特别小心，因为编译器不会为你检查类型安全性。如果你错误地将一个 void* 转换为错误的类型并解引用它，可能会导致未定义的行为。
  • 在C++中，尽量使用模板、智能指针和类型安全的容器来替代 void*，以提高代码的可读性、可维护性和安全性。
  • 当从 void* 转换到其他类型的指针时，务必确保转换是安全的，并且转换后的指针确实指向了正确类型的数据。
  • C语言的 void* 万能指针能和其他任意类型的指针相互转换
  • C++ 的 void* 万能指针能和其他任意类型的指针相互转换，任意类型能转为 void*，但是 void* 不能转为任意其他类型的指针

const

在C语言和C++中，const 关键字都被用来声明一个变量或对象是不可变的，即其值在初始化之后不能被修改。然而，虽然这两个语言都支持 const，但它们在处理 const 的方式和提供的特性上存在一些差异，这导致了所谓的“冒牌货”与“真货”的说法。

C语言中的 const（冒牌货）

在C语言中，const 的使用相对简单。你可以用它来声明一个常量，但这个常量主要是编译时的概念。编译器会在编译时检查代码，确保没有尝试修改 const 变量的值。然而，C语言中的 const 并不提供运行时保护，也就是说，如果你在程序运行时通过某种方式（比如指针操作）绕过编译器的检查去修改 const 变量的值，编译器是无法阻止的。这种修改可能导致未定义的行为。
C语言中的 const 并不是真正的常量，只是表示 const 修饰的变量为只读。

const int num = 18;
//num = 19			//error:不能修改const 对象
//int arr[num]		//error:数组大小必须是常量

通过指针间接修改只读变量的值:

int* pt = (int*)&num;
*pt = 19;
printf("%d %d\n", num,*pt);		//output:19 19

可以看到常量it的值已经通过指针被间接改变

C++中的 const（真货）

在C++中，const 的使用更加灵活和强大。C++不仅保留了C语言中 const 的基本功能，还增加了一些额外的特性和保护机制。

  1. 类型检查：C++编译器在编译时会进行更严格的类型检查，确保 const 变量不会被误修改。
  2. const 成员函数：在C++中，你可以声明一个成员函数为 const，这意味着该函数不会修改其所属对象的任何成员变量（除非这些变量也被声明为 mutable）。这有助于维护类的封装性和数据完整性。
  3. const_cast：C++提供了一个 const_cast 运算符，用于在必要时去除 const 性质。然而，这种操作应该谨慎使用，因为它可能会破坏数据的完整性。
  4. const 引用参数：在C++中，你可以将函数参数声明为 const 引用，这样可以确保在函数内部不会修改传入的参数。
  5. 运行时保护：虽然C++本身并不提供直接的运行时保护来防止 const 变量的修改（像某些更高级别的语言那样），但由于其类型系统和编译器的严格检查，使得在大多数情况下都能确保 const 变量的不可变性。

const 的区别

在C语言和C++中，const关键字都被用来声明一个常量，但这两个语言在处理const时有一些细微的差别。以下是一些主要的区别：

  1. 作用域：

    • 在C语言中，const变量默认具有文件作用域（除非在函数内部声明），并且如果在一个头文件中声明了const变量，那么在包含该头文件的多个源文件中会出现重复定义的错误。为了解决这个问题，C语言通常使用extern const来声明变量，并在一个源文件中定义它。
    • 在C++中，const变量默认具有块作用域（即它们只在声明它们的代码块内可见），但如果在全局或命名空间作用域中声明，则它们具有全局或命名空间作用域。此外，C++允许在头文件中声明和定义const变量（只要它们是常量表达式并且已经初始化），这被称为常量表达式内联初始化（in-class initialization of static const integral types）。

  2. 类型检查：

    • C++对const的类型检查更为严格。例如，在C++中，你不能将一个非const指针赋值给一个const指针，除非该非const指针指向的对象是const的。但在C语言中，这种转换是允许的。

  3. 常量表达式：

    • C++支持常量表达式（constexpr），这是一种特殊的const变量，它在编译时就可以确定其值。常量表达式可以用于数组大小、模板参数等需要常量值的地方。C语言没有直接支持常量表达式的概念。

  4. 类的常量成员：

    • 在C++中，你可以使用const来声明类的常量成员。这些成员必须在构造函数初始化列表中初始化，并且之后不能被修改。C语言没有类的概念，因此不支持类的常量成员。

  5. const函数：

    • 在C++中，你可以使用const来修饰成员函数，表示该函数不会修改调用它的对象的任何成员变量（除了mutable成员）。这有助于保证对象的封装性和不变性。C语言没有成员函数的概念，因此不支持const函数。

  6. 指针和const：

    • 在C和C++中，const与指针的结合方式可以产生不同的效果。例如，const int *p表示p指向一个const int（即不能通过p修改该int的值），而int const *p具有相同的意义。但是，int * const p表示p是一个指向int的const指针（即不能修改p的值，但可以修改p指向的int的值）。在C++中，这些组合方式更为常见和有用。

  7. const_cast：

    • C++提供了const_cast运算符，用于在编译时安全地去除指针或引用的常量性。这在某些情况下可能是有用的，但应该谨慎使用以避免意外的副作用。C语言没有提供类似的运算符。

总结

  • 在C语言中，const 主要是一个编译时的概念，用于声明常量并帮助编译器进行类型检查。但在运行时，它并不提供额外的保护来防止 const 变量的修改。
  • 在C++中，const 的使用更加灵活和强大。除了编译时的类型检查外，C++还提供了更多的特性和保护机制来确保 const 变量的不可变性。这使得C++中的 const 可以被视为更“真实”或更“强大”的版本。

因此，从某种意义上说，C++中的 const 可以被视为“真货”，而C语言中的 const 则可以被视为“冒牌货”。但需要注意的是，这种说法主要是为了强调两者之间的差异和C++中 const 的优势，并不意味着C语言中的 const 没有用或不可靠。在实际编程中，我们应该根据具体需求选择合适的语言和特性。

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