C++的晨曦之旅：开启编程的新篇章

  

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一、 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，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。 例如：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>int rand = 10;int main(){    printf("%d", rand);    return 0;}

// 编译后会报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

在这段程序中，不引用头文件#include <stdlib.h>是可以正常运行的，但引用后程序就会报错，这是什么原因呢？因为 rand 在 <stdlib.h> 中已有了定义，这里报了重定义的错误。

命名空间分割了全局命名空间，其中 每一个命名空间是一个作用域。域是一种空间概念，常见的域有：局部域、全局域、类域、命名空间域，域会影响访问和生命周期。

1.1 命名空间的定义

命名空间的定义由两部分构成：首先是关键字namespace，后面跟命名空间的名字，然后接一对花括号，花括号中即为命名空间的成员。 

1. 命名空间可以定义变量/函数/类型

2. 命名空间可以嵌套

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。

namespace A{ // 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; };} //命名空间可以嵌套namespace a{namespace b{void push(){cout << 'b' << endl;}}}  

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用一个工程中允许出现多个相同名称的命名空间，编译器最后会将它们合并为一个命名空间。

1.2  命名空间使用

命名空间的使用三种方式:

1.2.1  加命名空间名称及域作用限定符

namespace N{int a = 10;int b = 5;}int main(){printf("%d\n", N::a);return 0;}

1.2.2   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;}

1.2.3   使用using namespace 命名空间名称 引入（展开命名空间）

namespace N{int a = 10;int b = 5;}int a = 20;using namespace N;int main(){printf("%d\n", a);      //a不明确，有二义性printf("%d\n", ::a);    //访问全局的aprintf("%d\n", N::a);   //访问N中的aprintf("%d\n", b);return 0;}

注意：

如果命名空间没有展开，编译器默认是不会搜索命名空间中的变量，去访问变量是访问不到的。

访问的优先级：局部域 > 全局域

1.3  std命名空间的使用

std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？

（1）在日常练习中，建议直接using namespace std；
（2）在项目开发中代码较多、规模 大，就很容易出现跟库重名的类型、对象、函数问题。所以建议在项目开发中像std::cout这样使用，或者using std::cout展开常用的库对象、类型等方式。

二、C++输入和输出

#include<iostream>using namespace std;int main(){int a = 0;double b = 0;cin >> a >> b;//流提取运算法cout << a << " " << b << endl;//流插入运算法 endl相当于换行cout << a << " " << b << '\n';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。

三、缺省参数

3.1 缺省参数的定义

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。

#include<iostream>using namespace std;void Test(int a = 0){cout << a << endl;}int main(){Test();//没有传参时，使用参数的默认值a=0Test(1);//传参时，使用指定的实参a=1}

3.2  缺省参数分类

(1)全缺省参数（全默认参数）–所有参数都给了缺省值

void Test(int a = 10, int b = 20, int c = 30){cout << "a = " << a ;cout << " b = " << b ;cout << " c = " << c << endl;}int main(){Test(1, 2, 3);Test(1, 2);Test(1);Test();return 0;}

输出结果：

注：全缺省参数在传参时，参数是按照从左往右的顺序进行缺省的，不能跳着缺省，例如:Test(1, ,3) ，让第一个形参和第三个形参都使用传递值，而让第二个参数使用缺省值，这种做法是不被允许的。

(2)半缺省参数 – 部分的参数给了缺省值

void Test(int a , int b = 20, int c = 30){cout << "a = " << a ;cout << " b = " << b ;cout << " c = " << c << endl;}int main(){Test(1, 2, 3);Test(1, 2);Test(1);return 0;}

注：

1. 半缺省参数必须从右往左依次来给出，不能跳跃着传

2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

3. 缺省值必须是常量或者全局变量

4. C语言不支持（编译器不支持）

5. 函数的声明和定义分离时，必须在声明给缺省值

四、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。 

4.1 函数重载的概念

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。

4.2 函数重载的种类

（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;}int main(){cout << Add(1, 2) << endl;cout << Add(1.23, 7.8) << endl;return 0;}

 上面的代码定义了两个同名的Add函数，但是它们的参数类型不同，第一个函数的两个参数都是int型，第二个函数的两个参数都是double型，在调用Add函数的时候，编译器会根据所传实参的类型自动判断调用哪个函数。

（2）参数个数不同

void fun(){cout << "fun()" << endl;}void fun(int a){cout << "fun(a)" << endl;}int main(){fun();fun(8);return 0;}

 上面的代码定义了两个同名的fun函数，但是它们的参数个数不同，第一个函数没有参数，第二个函数有俩个参数，在调用fun函数的时候，编译器会根据所传实参的个数自动判断调用哪个函数。

（3）参数类型顺序不同

void Fun(int a, char b){cout << " Fun(int a,char b)" << endl;}void  Fun(char a,int b){cout << " Fun(char a,int b)" << endl;}int main(){ Fun(1, 'i'); Fun('i', 1);return 0;}

（4）有缺省参数的

void Fun(){    cout << "f()" << endl;} void Fun(int a = 10){    cout << "f(int a)" << endl;} int main(){    Fun();     //无参调用会出现歧义    Fun(1);    //调用的是第二个    return 0;}

上面代码中的两个Fun函数构成函数重载，编译可以通过，因为第一个没有参数，第二个有一个整型参数，属于上面的参数个数不同的情况。但是Fun函数存在一个问题：在没有参数调用的时候会产生歧义，因为有缺省参数，所以对两个Fun函数来说，都可以不传参。

注意⚠️：

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。

4.3 C++支持函数重载的原理

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。

我们想理解清楚函数重载，还要了解函数签名的概念，函数签名包含了一个函数的信息，包括函数名、它的参数类型、他所在的类和名称空间以及其他信息。函数签名用于识别不同的函数。 C++编译器和链接器都使用符号来标识和处理函数和变量，所以对于不同函数签名的函数，即使函数名相同，编译器和链接器都认为他们是不同的函数。

Linux环境下采用C语言编译器编译后结果：

可以看出经过gcc编译后，函数名字的修饰没有发生改变。这也就是为什么C语言不支持函数重载，因为同名函数没办法区分。

采用C++编译器编译后结果：

其中_Z是固定的前缀；3表示函数名的长度；Add就是函数名；i是int的缩写，两个i表示两个参数都是int类型，d是double的缩写，两个d表示两个参数都是double类型。C++就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。通过分析可以发现，修饰后的名称中并不包含任何于函数返回值有关的信息，因此也验证了上面说的返回值的类型与函数是否构成重载无关。

总结：

C语言之所以没办法支持重载，链接的时候依照函数名去符号表转换（因为cpu只能看懂二进制的数字--->转换）来获取函数地址，结果2个函数名一样（转换得到的结果一样），区分不了。

C++是通过函数修饰规则来区分，只要是参数类型，参数个数，参数顺序不同，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。

五、引用

5.1 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。

语法：

类型& 引用变量名（对象名）=引用实体

int main(){int a = 0;int& b = a;return 0;}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

5.2 引用特性 

1. 引用在定义时必须初始化

int main(){    int a = 10;    int& b;    //错误的    int& b = a;//正确的    return 0;}

在使用引用时，我们必须对变量进行初始化。int& b = a;，这样的代码才是被允许的。

2.一个变量可以有多个引用

int main(){    int a = 10;    int& b = a;    int& c = a;    return 0;}

上面代码中，b和c都是a的别名。比如：李逵，在家称为"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"。

3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int main(){    int a = 10;    int b = 20;    int& c = a;    c = b;    return 0;}

解析：

a和c的地址相同，c是a的别名；b和c的地址不同，所以c = b表示的不是c是b引用，而是把b变量的值赋值给c引用的实体，c依旧是a的引用，所以引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体，也就是引用不能改变指向。

5.3 常引用

const修饰的变量，只能读不能写（这里的权限，指的是读和写）

#include<iostream>using namespace std;int main(){int a = 10;//可读可写//权限的缩小---允许const int& b = a;//只可读//权限的放大---不允许const int& c = a;//只可读//int& d = c;//可读可写const int& z = 10;const int& y = a + z;//int& y=a+z;//错误的return 0;}

取别名原则：对于引用类型，权限只能缩小，不能放大

 临时变量具有常性

#include <iostream>int main(){int a = 10;int& b = a;const int& c = 20;//常量也可以取别名double d = 15.3;int f = d;//在这里，相当于d整型提升成临时变量，临时变量把值赋给f（临时变量具有常性）const int& e = d;//这里的e不是d的引用，而是临时变量的引用return 0;}

5.4 引用的使用场景

做参数

引用做参数的意义：

 （1）做输出型参数，即要求形参的改变可以影响实参

（2）提高效率，自定义类型传参，用引用可以避免拷贝构造，尤其是大对象和深拷贝对象

交换两个整型变量：

void Swap(int& num1, int& num2){   int tmp = num1;   num1 = num2;   num2 = tmp;}int main(){   int a = 5;   int b = 10;   Swap(a,b);   return 0;}

如上代码，我们可以使用引用做参数实现了两个数的交换，num1是 a 的引用，和 a 在同一块空间，对num1的修改也就是对 a 修改， b 同理，所以在函数体内交换num1和num2实际上就是交换 a 和 b 。以前交换两个数的值，我们需要传递地址，还要进行解引用，相对繁琐。

交换两个指针变量： 

void Swap(int*& p1, int*& p2){   int* tmp = p1;   p1 = p2;   p2 = tmp;}int main(){   int a = 5;   int b = 10;   int* pa = &a;   int* pb = &b;   Swap(pa,pb);   return 0;}

 如果用C语言来实现交换两个指针变量，实参需要传递指针变量的地址，那形参就需要用二级指针来接收，这显然十分容易出错。有了引用之后，实参直接传递指针变量即可，形参用指针类型的引用。

做返回值

引用做返回值的意义：

（1）减少拷贝，提高效率。

（2）可以同时读取和修改返回对象

int Add(int a, int b){    int c = a + b;    return c;}int main(){    int ret = Add(1, 2);    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//输出3    Add(3, 4);    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//输出3    return 0;}

 如上代码，我们使用传值返回，调用函数要创建栈帧，c是Add函数中的一个局部变量，存储在当前函数的栈帧中，函数调用结束栈帧销毁，c也会随之销毁，对于这种传值返回，会生成一个临时的中间变量，用来存储返回值，在返回值比较小的情况下，这个临时的中间变量一般就是寄存器。

int& Add(int a, int b){    int c = a + b;    return c;}int main(){    int& ret = Add(1, 2);    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//输出3    Add(3, 4);    cout << "Add(1, 2) is :"<< ret <<endl;//输出7    return 0;}

如上代码，传引用就是给c起了一个别名，返回的值就是c的别名，ret就是c别名的别名，函数调用结束栈帧销毁，栈帧空间销毁，但是vs不清理空间内容，访问ret就是访问c,为3，由于空间重复利用，Add(3,4)占用该空间，修改空间内容，所以第二次访问ret为7.

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)（全局变量、静态变量、堆上空间），则可以使用 引用返回，如果已经还给系统了(局部变量），则必须使用传值返回。  

5.5 传值和引用性能比较

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。

以值作和引用为函数参数的性能比较 

#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 < 10000; ++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 < 10000; ++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;}

 

 值和引用的作为返回值类型的性能比较 

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

5.6 引用和指针区别

语法概念：

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。

int main(){int a = 10;int& ra = a;cout<<"&a = "<<&a<<endl;cout<<"&ra = "<<&ra<<endl;return 0;}

底层实现：

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;//语法不开空间ra = 20;int* pa = &a;//语法开空间*pa = 20;return 0;}

 

从上面可以看出：

1、引用底层是用指针实现的；

2、语法含义和底层实现是背离的

引用和指针的不同点:

注意⚠️

引用不可以替代指针

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

     

六、内联函数

6.1 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。
在函数前增加 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。

inline存在的意义：

解决宏函数晦涩难懂、容易写错宏不支持调试

优点：

debug支持调试不易写错，就是普通函数的写法提升程序的效率

6.2 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（可执行程序）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 ，编译器会自动优化，如果定义为 inline 的函数体内有循环 / 递归等等，编译器优化时会忽略掉内联。inline 不建议声明和定义分离 （头文件中，两个都写），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。

注：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

七、auto关键字（C++11）

7.1 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

#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;//查看类型cout << typeid(c).name() << endl;cout << typeid(d).name() << endl;return 0;}

auto可以自动定义类型，根据等号后面的变量

C++中，typeid(A).name();可以知道A的类型是什么

7.2 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
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 。

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 。

7.3  auto的使用细则

   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 &（auto*定义的必须是指针类型）

#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;return 0;}

 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}

7.4 auto不能推导的场景

 auto 不能作为函数的参数以及函数的返回

// 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){}

auto 不能直接用来声明数组

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

八、 基于范围的for循环(C++11)

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。

int main(){    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };    for (auto e : array)        cout << e << " ";    cout << endl;    for (auto& e : array)        e *= 2;    for (auto e : array)        cout << e << " ";    return 0;}

 

九、指针空值---nullptr(C++11)

NULL实际是一个宏， 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。

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

本文链接：https://www.kjpai.cn/news/2024-03-25/148375.html，文章来源：网络cs，作者：纳雷武，版权归作者所有，如需转载请注明来源和作者，否则将追究法律责任！