【C++】入门

发布于：2025-03-24 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

1.命名空间

1.1 namespace的价值

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，以避免命名冲突或者名字污染，namespace关键字的出现就是针对这种问题的。

例如在以后和同事或者同学一起做的项目，命名空间就是很有必有存在的。

1.2 namespace的定义

  • 定义命名空间，需要使用namespace关键字，后面跟命名空间的名字，然后接一对{}即可，{}即为命名空间的成员。命名空间中可以定义变量/函数/类型等。
  • namespace本质是定义出一个域，这个域跟全局域各自独立，不同的域可以定义同名变量，名字一样的变量不再冲突了。
  • C++中域有函数局部域，全局域，命名空间域，类域；域影响的是编译时语法查找一个变量/函数/类型出处（声明或定义)的逻辑，所以有了域隔离，名字冲突就解决了。局部域和全局域除了会影响编译查找逻辑，还会影响变量的生命周期，命名空间域和类域不影响变量生命周期。
  • namespace只能定义在全局，当然它还可以嵌套定义。
  • 项目工程中多文件中定义的同名namespace会认为是同一个namespace，不会冲突。
  • C++标准库放在一个叫std(standard)的命名空间中。

1.3 命名空间使用

编译查找一个变量的声明/定义时，默认只会在局部或者全局查找，不会到命名空间里面去查找。所以下面程序会编译报错。所以我们要使用命名空间中定义的变量/函数，有三种方式：

  • 指定命名空间访问，项目中推荐这种方式。
  • using将命名空间中某个成员展开，项目中经常访问的不存在冲突的成员推荐这种方式。
  • 展开命名空间中全部成员，项目不推荐，冲突风险很大，日常小练习程序为了方便推荐使用。
#include<stdio.h>
namespace bit::N
{
    int a = 0;
    int b = 1;
}
int main()
{
    // 编译报错：error C2065: “a”: 未声明的标识符
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}

// 指定命名空间访问
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    return 0;
}
// using将命名空间中某个成员展开
using N::b;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}
// 展开命名空间中全部成员
using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}

2.C++的输入和输出

  • <iostream>是Input Output Stream的缩写，是标准的输入，输出流库，定义了标准的输入，输出对象。

  • std::cin是istream类的对象，它主要面对窄字符的标准输入流。

  • std::cout是outstream类的对象，它主要面向窄字符的标准输出流。

  • std::endl是一个函数，流插入输出时，相当于插入一个换行字符加刷新缓冲区。

  • <<是流插⼊运算符，>>是流提取运算符。（C语⾔还⽤这两个运算符做位运算左移/右移）

  • 使⽤C++输⼊输出更⽅便，不需要像printf/scanf输⼊输出时那样，需要⼿动指定格式，C++的输⼊

  • 输出可以⾃动识别变量类型(本质是通过函数重载实现的，这个以后会讲到)，其实最重要的是

    C++的流能更好的⽀持⾃定义类型对象的输⼊输出。

  • IO流涉及类和对象，运算符重载、继承等很多⾯向对象的知识，这些知识我们还没有讲解，所以这里我们只能简单认识⼀下C++ IO流的用法，后面我们会有专门的⼀个章节来细节IO流库。

  • cout/cin/endl等都属于C++标准库，C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中，所以要通过命名空间的使用方式去用他们。

  • ⼀般日常练习中我们可以using namespace std，实际项目开发中不建议using namespace std。

  • 这里我们没有包含<stdio.h>，也可以使用printf和scanf，在包含<iostream>间接包含了。vs系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 0;
    double b = 0.1;
    char c = 'x';
    cout << a << " " << b << " " << c << endl;
    std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl;
    scanf("%d%lf", &a, &b);
    printf("%d %lf\n", a, b);
    //可以⾃动识别变量的类型
    cin >> a;
    cin >> b >> c;
    cout << a << endl;
    cout << b << " " << c << endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    // 在io需求⽐较⾼的地⽅，如部分⼤量输⼊的竞赛题中，加上以下3⾏代码
    // 可以提⾼C++IO效率
    ios_base::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);
    cout.tie(nullptr);
    return 0;
}

3.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参数值。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，缺省参数分为全缺省和半缺省参数。（有些地方把缺省参数叫做默认参数）
  • 全缺省就是全部形参给缺省值，半缺省就是部分形参给缺省值。C++规定半缺省参数必须从右往左依次连续缺省，不能间隔跳跃给缺省值。
  • 带缺省参数的函数调用，C++规定必须从左到右依次给实参，不能跳跃给实参。
  • 函数声明和定义分离时，缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，规定必须函数声明给缺省值。  
    #include <iostream>
using namespace std;
// 全缺省
void Func1(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}
// 半缺省
void Func2(int a, int b = 10, int c = 20)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}
int main()
{
    Func1();
    Func1(1);
    Func1(1,2);
    Func1(1,2,3);
    Func2(100);
    Func2(100, 200);
    Func2(100, 200, 300);
    return 0;
}

// Stack.h
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps, int n = 4);
// Stack.cpp
#include"Stack.h"
// 缺省参数不能声明和定义同时给
void STInit(ST* ps, int n)
{
    assert(ps && n > 0);
    ps->a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
    ps->top = 0;
    ps->capacity = n;
}
// test.cpp
#include"Stack.h"
int main()
{
    ST s1;
    STInit(&s1);
    // 确定知道要插⼊1000个数据，初始化时⼀把开好，避免扩容
    ST s2;
    STInit(&s2, 1000);
    return 0;
}

4.函数重载

C++支持在同一作用域中出现同名函数，但是要求这些同名函数的形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。这样C++函数调用就表现出了多态行为，使用更灵活。C语言是不支持同一作用域中出现同名函数的。

#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;
}
// 返回值不同不能作为重载条件，因为调⽤时也⽆法区分
//void fxx()
//{}
//
//int fxx()
//{
// return 0;
//}
// 下⾯两个函数构成重载
// f()但是调⽤时，会报错，存在歧义，编译器不知道调⽤谁
void f1()
{
    cout << "f()" << endl;
}
    void f1(int a = 10)
{
    cout << "f(int a)" << endl;
}
int main()
{
    Add(10, 20);
    Add(10.1, 20.2);
    f();
    f(10);
    f(10, 'a');
    f('a', 10);
    return 0;
}

5.引用

5.1 引用的概念和定义

引用不是新定义一个变量，而是给已存在的变量取了一个别名，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：水浒传中李逵，宋江叫“铁牛”，江湖人称“黑旋风”；林冲，外号豹子头。

类型& 引用别名 = 引用对象；

C++中为了避免引入太多的运算符，会复用C语言的一些符号，比如前面的<<和>>，这里引用也和取地址使用了同一个符号&。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 0;
    // 引⽤：b和c是a的别名
    int& b = a;
    int& c = a;
    // 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名
    int& d = b;
    ++d;
    // 这⾥取地址我们看到是⼀样的
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    cout << &d << endl;
    return 0;
}

5.2 引用的特性

  • 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，再不能引用其他的实体
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 10;
    // 编译报错：“ra”: 必须初始化引⽤
    //int& ra;
    int& b = a;
    int c = 20;
    // 这⾥并⾮让b引⽤c，因为C++引⽤不能改变指向，
    // 这⾥是⼀个赋值
    b = c;
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    return 0;
}

5.3 引用的使用

  • 引用在实践中主要是用于引用传参和引用做返回值中减少拷贝提高效率和改变引用对象时同时改变被引用对象。
  • 引用传参跟指针传参功能是类似的，引用传参相对更方便一些。
  • 引用和指针相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。C++的引用跟其他的语言的引用是有很大的区别的。
void Swap(int& rx, int& ry)
{
    int tmp = rx;
    rx = ry;
    ry = tmp;
}
int main()
{
    int x = 0, y = 1;
    cout << x <<" " << y << endl;
    Swap(x, y);
    cout << x << " " << y << endl;
    return 0;
}
#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;
void STInit(ST& rs, int n = 4)
{
    rs.a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
    rs.top = 0;
    rs.capacity = n;
}
// 栈顶
void STPush(ST& rs, STDataType x)
{
    assert(ps);
    // 满了， 扩容
    if (rs.top == rs.capacity)
    {
        printf("扩容\n");
        int newcapacity = rs.capacity == 0 ? 4 : rs.capacity * 2;
        STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(rs.a,newcapacity*sizeof(STDataType));
        if (tmp == NULL)
            {
                perror("realloc fail");
                return;
            }
        rs.a = tmp;
        rs.capacity = newcapacity;
     }
    rs.a[rs.top] = x;
    rs.top++;
}
// int STTop(ST& rs)
int& STTop(ST& rs)
{
    assert(rs.top > 0);
    return rs.a[rs.top];
}
int main()
{
// 调⽤全局的
    ST st1;
    STInit(st1);
    STPush(st1, 1);
    STPush(st1, 2);
    cout << STTop(st1) << endl;
    STTop(st1) += 10;
    cout << STTop(st1) << endl;
    return 0;
}


#include<iostream>
using namespace std;
typedef struct SeqList
{
    int a[10];
    int size;
}SLT;
// ⼀些主要⽤C代码实现版本数据结构教材中，使⽤C++引⽤替代指针传参，⽬的是简化程序，避开复杂的指针
void SeqPushBack(SLT& sl, int x)
{}
typedef struct ListNode
{
    int val;
    struct ListNode* next;
}LTNode, *PNode;
// 指针变量也可以取别名，这⾥LTNode*& phead就是给指针变量取别名
// 这样就不需要⽤⼆级指针了，相对⽽⾔简化了程序
//void ListPushBack(LTNode** phead, int x)
//void ListPushBack(LTNode*& phead, int x)
void ListPushBack(PNode& phead, int x)
{
    PNode newnode = (PNode)malloc(sizeof(LTNode));
    newnode->val = x;
    newnode->next = NULL;
    if (phead == NULL)
    {
        phead = newnode;
    }
    else
    {
        //...
    }
}
int main()
{
    PNode plist = NULL;
    ListPushBack(plist, 1);
    return 0;
}

5.4 const引用

  • 可以引用一个const对象，但是必须用const引用。const引用也可也引用普通对象，因为对象的访问权限在引用过程中可以缩小，不可以放大。
  • 不需要注意的是类似 int& rb = a*3; double d = 12.34; int& rd = d; 这样⼀些场
    景下a*3的和结果保存在⼀个临时对象中， int& rd = d 也是类似，在类型转换中会产生临时对
    象存储中间值，也就是时，rb和rd引用的都是临时对象，而C++规定临时对象具有常性，所以这里就触发了权限放大，必须要用常引用才可以。
  • 所谓临时对象就是编译器需要一个空间暂存表达式的求值结果时临时创建一个未命名的对象，C++中把这个未命名对象称作临时对象。 
int main()
{
    const int a = 10;
    // 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“const int”转换为“int &”
    // 这⾥的引⽤是对a访问权限的放⼤
    //int& ra = a;
    // 这样才可以
    const int& ra = a;
    // 编译报错：error C3892: “ra”: 不能给常量赋值
    //ra++;
    // 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩
    int b = 20;
    const int& rb = b;
    // 编译报错：error C3892: “rb”: 不能给常量赋值
    //rb++;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 10;
    const int& ra = 30;
    // 编译报错: “初始化”: ⽆法从“int”转换为“int &”
    // int& rb = a * 3;
    const int& rb = a*3;
    double d = 12.34;
    // 编译报错：“初始化”: ⽆法从“double”转换为“int &”
    // int& rd = d;
    const int& rd = d;
    return 0;
}

5.5 指针和引用的关系

C++中指针和引用就像两个性格迥异的兄弟。指针是哥哥，引用是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有各的特点，互相不可替代。

  • 语法概念上引用是一个变量的取别名并不开辟空间，指针是存储一个变量地址，要开空间。
  • 引用在定义时必须初始化，指针建议初始化，但是语法上不是必须的。
  • 引用在初始化时引用一个对象后，就不能再引用其他对象，而指针可以在不断地改变指向对象。
  • 引用可以直接访问指向对象，指针需要解引用才是访问指向对象。
  • 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，64位平台下是8byte）
  • 指针很容易出现空指针和野指针的问题，引用很少出现，引用使用起来相对更安全一些。

6.inline

  • 用inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用的地方展开内联函数，这样调用内联函数就需要建立栈帧了，就可以提高效率了。
  • inline对于编译器而言只是一个建议，也就是说，你加了inline编译器也可以选择在调用的地方不展开，不同编译器关于inline什么情况展开各不相同。因为C++并没有规定这个。inline适用于频繁调用的短小函数，对于递归函数，代码相对多一些的函数，加上inline也会被编译器忽略。
  • C语言实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错，且不方便调试。c++设计inline目的就是替代c的宏函数。
  • vs编译器debug版本下默认不展开inline的，这样方便调试。debug版本想展开需要设置一下以下两个地方。
  • inline不建议声明和定义分离到两个文件，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。

 

#include<iostream>
using namespace std;
inline int Add(int x, int y)
{
    int ret = x + y;
    ret += 1;
    ret += 1;
    ret += 1;
    return ret;
}
int main()
{
    // 可以通过汇编观察程序是否展开
    // 有call Add语句就是没有展开，没有就是展开了
    int ret = Add(1, 2);
    cout << Add(1, 2) * 5 << endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
// 实现⼀个ADD宏函数的常⻅问题
//#define ADD(int a, int b) return a + b;
//#define ADD(a, b) a + b;
//#define ADD(a, b) (a + b)

// 正确的宏实现
#define ADD(a, b) ((a) + (b))
// 为什么不能加分号?
// 为什么要加外⾯的括号?
// 为什么要加⾥⾯的括号?

int main()
{
    int ret = ADD(1, 2);
    cout << ADD(1, 2) << endl;
    cout << ADD(1, 2)*5 << endl;
    int x = 1, y = 2;
    ADD(x & y, x | y); // -> (x&y+x|y)
    return 0;
}

// F.h
#include <iostream>
using namespace std;
inline void f(int i);
// F.cpp
#include "F.h"
void f(int i)
{
    cout << i << endl;
}
// main.cpp
#include "F.h"
int main()
{
    // 链接错误：⽆法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)
    f(10);
    return 0;
}

7.nullptr

NULL实际上是一个宏，在传统的c头文件中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
    #ifdef __cplusplus
        #define NULL 0
    #else
        #define NULL ((void *)0)
    #endif
#endif
  • C++中NULL可能被定义为字面常量0，或者C中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，本想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义为0，调用成了f(int x)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);调用会报错。
  • C++11中引入nullptr，nullptr是一个特殊的关键字，nullptr是一种特殊类型的字面量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使用nullptr定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被隐式地转换为指针类型，而不能被转换为整数类型。
#include<iostream>
using namespace std;
void f(int x)
{
    cout << "f(int x)" << endl;
}
void f(int* ptr)
{
    cout << "f(int* ptr)" << endl;
}
int main()
{
    f(0);
    // 本想通过f(NULL)调⽤指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，调⽤了f(int
x)，因此与程序的初衷相悖。
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    // 编译报错：error C2665: “f”: 2 个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型
    // f((void*)NULL);
    f(nullptr);
    return 0;
}

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