C++入门精讲——入门看完这一篇就够了

前言

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。

1. C++发展历史

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。

语言的发展就像是练功打怪升级一样，也是逐步递进，由浅入深的过程。我们先来看下C++的历史版本。

C++还在不断的向后发展。但是：现在公司主流使用还是C++98和C++11。

关于那些更新的版本特性，待我们将C++学习的很深入了，再去慢慢探寻它的真谛。

2. 关键字

在认识完C++后，话不多说直接进入C++的学习。

C++总计63个关键字，C语言32个关键字。这些关键字不需要特别记，在平常使用中，我们都会熟悉到。

3. 命名空间

3.1 命名空间的概念

先来看一个问题，我们在写C语言时，我们取的变量名，有时会与库中的变量名发生命名冲突。

例如：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int rand = 10;
int main()
{
	printf("%d", rand);
	return 0;
}

运行，程序报错

这是因为在库中已经有了 rand 这个函数，再次使用 rand 这个名字定义变量或者函数时，编译器会分不清你到底想使用哪个 rand

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。

3.2 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。

1. 正常的命名空间的定义

namespace czh
{
	// 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

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;
		}
	}
}

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

// 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;
		}
	}
}
// test.h
namespace N1
{
	int Mul(int left, int right)
	{
		return left * right;
	}
}
// 最终上面test.h和test.cpp中的两个N1会被合成一个。

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

3.3 命名空间的使用

命名空间中成员该如何使用呢？

namespace N
{
	int a = 0;
	int b = 1;

	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}

	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}

方法一：加命名空间名称及作用域限定符

这里的::就是作用域限定符，可以指定要访问命名空间中的成员。

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

方法二：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;
}

方法三：使用using namespace 命名空间名称引入

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

4. C++输入、输出

#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
	// 输入
	int a = 0;
	cin >> a;

	// 输出
	cout << "Hello world!!!" << endl;
	cout << "a = " << a << endl;
	return 0;
}

说明：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
5. 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。
6. 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。

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。

5. 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，否则使用指定的实参。

缺省参数说的简单点，就是给函数参数写默认值

void Func(int a = 0)
{
	cout << a << endl;
}
int main()
{
	Func(); // 没有传参时，使用参数的默认值0
	Func(10); // 传参时，使用指定的实参10
	return 0;
}

缺省参数分类：

1. 全缺省
2. 半缺省

5.1 全缺省

全缺省指的是函数的所有参数都给缺省值

像这样：

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

有四种调用此函数的方式

1. 什么都不传

Func();

此时a，b，c的值为函数的默认参数值10，20，30。

1. 传一个参数

Func(0);

此时a的值为0，b和c的值为默认值20和30。

1. 传两个参数

Func(0, 1);

此时a和b的值为0和1，c的值为默认值30。

1. 传三个参数

Func(0, 1, 2);

此时a，b，c的值为0，1，2；

注意

传参不能写成这种形式

Func(, 1, );
Func(, , 2);
Func(, 1, 2);
Func(0, , 2);

总结

实参是从左向右依次填充的。

5.2 半缺省

只要有参数没有给缺省值，那么它就是半缺省的

像这样：

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

注意：

1. 半缺省参数必须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（一般都是声明给，定义不给）
3. 缺省值必须是常量或者全局变量

理解：

1. 不能写成这种形式

void Func1(int a = 10, int b, int c);
void Func2(int a = 10, int b = 20, int c);

2. 如果声明与定义同时出现缺省值，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。

调用方法同全缺省。

6. 函数重载

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。

6.1 几种不同类型的函数重载

1. 参数类型不同

int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}

double Add(double left, double right)
{
	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;
}

注意：这样不属于函数重载，会报错

long long Add(int x, int y)
{
	return x+y;
}

int Add(int x, int y)
{
	return x+y;
}

因为它们参数类型，数量，顺序都一样，只是返回值不同，不构成函数重载；调用函数时，传两个int类型的值，但是编译器不知道你要调用哪个函数，编译报错。

总结：函数重载只与函数名和参数有关，和返回类型无关。

6.2 函数重载的原理——名字修饰(name Mangling)

6.2.1 C程序为什么不支持函数重载？

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。

我们定义两个源文件和一个头文件来解释：

• func.h
• func.c
• main.c

在 func.c 文件中定义并在 func.h 文件中声明这两个函数：

int func(int x,int y);
int func(int x,double y);

func.c 和 main.c 函数会经过预处理、编译、汇编形成对应的 func.o 文件和 main.o 文件。

链接时会将两个.o文件合并到一起，包括：

• 合并段表
• 符号表的合并与重定位

每一个.o文件都有一个符号表，符号表中存放着函数的地址。main函数调用函数时会去符号表中找相应函数的地址，然而我们定义的两个func函数形成了两个地址，导致编译器不知道调用哪个，所以报错。所以C程序不支持函数重载。

6.2.2 C++函数名修饰规则

相比起C程序而言，C++新增了一个函数名修饰规则来支持函数重载

这个规则就是将函数的参数带入符号表，所以函数参数的类型，数量，顺序不同代表的是不同的函数，找地址时就不会出错

• 采用C语言编译器编译的结果：

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++编译器编译的结果：

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。格式为：_Z+函数长度+函数名+类型首字母。

7. 引用

7.1 引用的概念

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;

引用符号：&

举例说明：

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

运行结果：（打印出来地址相同）

并且改变引用对象的值，原先的值也会改变！

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

7.2 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，再不能引用其他实体

代码举例加深理解：

int main()
{
	int a = 10;
	// int& ra; // 该条语句编译时会出错，违背特性1
	
	int& ra = a;
	int& rra = a;
	printf("&a:%p &ra:%p &rra:%p\n", &a, &ra, &rra); // 一个变量可以有多个引用

	int b = 20;
	ra = b; // 这条语句的意思是将b的值赋值给a，而不是ra从对a的引用变成对b的引用
	printf("&b:%p &ra:%p ra:%d\n", &b, &ra, ra);
	
	return 0;
}

运行结果：

7.3 常引用

顾名思义就是对常量的引用，但是常量具有不可修改性，所以引用一个常量时要加上const

代码举例加深理解：

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;
	//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 double& rd = d;
	return 0;
}

7.4 使用场景

7.4.1 做函数参数

之前在写C程序的交换函数时，因为形参是实参的一份拷贝，想要改变实参就要传地址，而现在有了引用就不用传地址了。

引用作为形参，在函数体内我们对引用的修改，就是对实参的修改。

例如：

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

7.4.2 做函数返回值

引用做返回值时，可在函数外面修改函数里面的内容，前提是引用的变量出了函数不会销毁

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

这段代码传引用返回是错误的，因为函数调用完后c变量就被销毁了，而将c的引用返回后，会有类似于使用野指针的风险。

结论： 在函数返回时，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。

7.4.3 传值和传引用的效率分析

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。

7.5 引用和指针的联系

• 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。
• 引用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。

引用和指针的的汇编代码对比

可以看到引用和指针在底层是一模一样的。

引用和指针的不同点：

1. 引用概念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。
4. 没有NULL引用，但有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(32位平台下占4个字节)。
6. 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。
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。

8. 内联函数

8.1 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：

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，以下给出vs2022的设置方式)

内联函数 Add 的汇编

8.2 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。

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。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：

3. inline不建议声明和定义分离，分离会导致链接错误。因为inline在编译阶段被展开，就没有函数地址了，链接时就会找不到。

8.3 和宏对比

宏的优缺点？

优点：

1. 增强代码的复用性。

2. 提高性能。

缺点：

1. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2. 导致代码可读性差，可维护性差，容易误用。
3. 没有类型安全的检查。

C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义，换用const enum

2. 短小函数定义，换用内联函数

9. auto的使用细则

9.1 认识auto

• 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。
• 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。

注：

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。

9.2 对指针和引用的区别

1. 对指针来说*可有可无

int x = 0;
auto a = &x;
auto* b = &x;

• a的类型是int*，此时auto是int*
• b的类型是int*，此时auto是int

结论：使用auto加不加*都行，效果一样

1. 对引用来说必须加上&

int x = 0;
auto& a = x;
auto b = x;

• a的类型是int&，auto是int
• b的类型是int，auto是int

结论：如果想用auto定义一个引用变量则必须加上引用符&

9.3 一行多次定义的场景

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。

例如：

auto a = 1, b = 2; // 没问题
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

9.4 auto无法使用的场景

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不能用于声明数组

void TestAuto()
{
    int a[] = {1,2,3};
    auto b[] = {4,5,6};
}

10. 基于范围的for循环

10.1 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：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。

上述代码可以改成这样：

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。
• 中间的:是范围for的规定写法，没有特殊意义

10.2 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[])
{
    for(auto& e : array)
        cout<< e <<endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作（这里入门仅作了解，后续深入学习）

11. 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既可以是一个整型数字，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。

注意：

1. 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。

2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

3. 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。