C++入门指南（下）-EW帮帮网

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;

	//定义引用类型，b就是a的别名
	int& b = a;

	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;

	return 0;
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的

1.2 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。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;

	// 1.引用必须初始化
	// int& b;
	int& b = a;

	// 2.引用定义后，不能改变指向
	int& c = a;
	int d = 2;
	c = d;//不是改变指向，而是赋值

	// 3.一个变量可以有多个引用，多个别名
	int& e = a;

	cout << &a << endl;
	cout << &b << endl;
	cout << &c << endl;

	return 0;
}

1.3 常引用

在C++中，常引用是指在函数参数中使用 `const` 关键字修饰的引用，用于表示被引用的对象是只读的，不能被修改。常引用可以防止意外修改被引用的对象，同时也可以提高程序的性能，因为编译器可以进行一些优化。

常引用的语法格式如下：

void function(const int& value) 
{
    //... 函数体
}

在上面的例子中，`const int&` 表示 value 是一个常引用，不能被修改。常引用通常用于函数参数中，特别是当传递大型对象时，避免不必要的拷贝操作。

常引用的特点包括：

不能通过常引用修改被引用的对象的值，即常引用指向的对象是只读的。

常引用可以绑定到临时对象，延长临时对象的生命周期，但仍然不能修改临时对象的值。

常引用通常用于函数参数中，避免对实参进行修改。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 使用常引用作为函数参数
void printArray(const int& size, const int arr[]) 
{
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}

int main() 
{
    int numbers[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    int size = 5;

    // 调用函数并传递数组的大小和数组的常引用
    printArray(size, numbers);

    // 尝试修改常引用指向的值，编译器会报错
    //numbers[0] = 10;

    return 0;
}

在上面的例子中，`printArray` 函数接受一个常引用作为数组的大小和一个常引用作为数组。通过使用常引用，我们可以确保在 `printArray` 函数中不会意外修改数组的值。如果尝试在 `main` 函数中修改常引用指向的值，编译器会报错，因为常引用指向的对象是只读的。

1.4 使用场景

🌴做参数

#include <iostream>
using namespace std;

void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	Swap(a, b);

	return 0;
}

引用和指针的功能是类似的，重叠的；C++的引用，是对指针使用比较复杂的场景进行一些替换，让代码更简单易懂，但是不能完全替代指针；原因是：引用定义后，不能改变指向。

🌴做返回值

1. 传值返回

当函数使用传值返回时，函数将返回值作为一个新的临时变量拷贝给调用者。

传值返回适用于简单的数据类型，如整数、浮点数等，因为这些数据类型的大小较小，拷贝开销相对较小。

对传值返回的返回值进行修改不会影响原始值，因为修改的是返回值的副本。

#include <iostream>
using namespace std;

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

int main()
{
	int x = 5, y = 3;
	int sum = Add(x, y);
	cout << "sum：" << sum << endl;

	//修改sum的值不会影响原始值x、y
	sum = 10;
	cout << "x：" << x << ",y：" << y << endl;

	return 0;
}

2. 传引用返回

当函数使用传引用返回时，函数返回的是原始值的引用，而不是拷贝。

传引用返回适用于复杂的数据类型，如数组、对象等，因为这些数据类型的大小

较大，拷贝开销较大。

对传引用返回的返回值进行修改会直接影响原始值，因为返回的是原始值的引用。

#include <iostream>
using namespace std;

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（全局变量、静态变量、堆上变量等），如果已经还给系统了，则必须使用传值返回。

1.5 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。

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

struct A { int a[10000]; };
void TestFunc1(A a) {}
void TestFunc2(A& a) {}

int main()
{
	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;

	return 0;
}

1.6 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。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int a = 10;
	int& ra = a;

	cout << "&a = " << &a << endl;
	cout << "&ra = " << &ra << endl;

	return 0;
}

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。

#include <iostream>
using namespace std;

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：

通过上面的对比，我们会发现：引用在语法上不开空间，在底层开空间；指针在语法上开空间，在底层也开空间。总结起来就是：引用底层是用指针实现的，语法含义和底层实现是背离的。

引用和指针的不同点:

引用概念上定义一个变量的别名，不开空间；指针存储一个变量地址，需要开空间。

引用在定义时必须初始化，指针没有要求（可以初始化也可以不初始化）。

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。

引用相对更安全，没有NULL引用，但有NULL指针，容易出现野指针，但是不容易出现野引用。

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。

汇编层面上，没有引用，都是指针，引用编译后也转换成指针了。

二、内联函数

2.1 概念

在C++中，以inline修饰的函数叫做内联函数，内联函数是一种特殊的函数，通过内联函数可以在调用处直接展开函数体，而不是像普通函数那样进行函数调用。内联函数的使用可以提高程序的执行效率，减少函数调用建立栈帧的开销。

🌻内联函数的原理：

内联函数通过在函数定义前加上 “inline” 关键字来声明。当函数被声明为内联函数时，编译器会尝试在每个调用该函数的地方直接将函数体展开，而不是进行函数调用。这样可以减少函数调用的开销，提高程序的执行效率。

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，以下是vs2013的设置方式)。

2.2 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被展开，就没有函数地址了，链接就会找不到。

// 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()
{
	f(10);
	return 0;
}


// 链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl
f(int)" (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用

🌵内联函数的优点：

减少函数调用开销：内联函数的展开避免了函数调用的开销，节省了程序运行的时间。

提高程序执行效率：由于内联函数是在调用处直接展开的，可以减少函数调用导致的额外开销，提高程序的执行效率。

避免函数调用带来的栈操作：内联函数展开后，不需要进行函数调用时的栈操作，减少了栈空间的使用。

🌵内联函数的缺点：

代码膨胀：内联函数在每个调用处都会展开函数体，可能会导致代码膨胀，增加程序的体积。

编译时间增加：由于内联函数的展开是在编译阶段完成的，可能会增加编译时间。

递归函数不能内联：递归函数由于无法在编译时确定展开次数，不能被声明为内联函数。

🌵适合使用内联函数的场景：

简单的函数：逻辑简单、代码量少的函数适合声明为内联函数。

频繁调用的函数：被频繁调用的函数可以提高程序的执行效率。

小型函数：函数体较小的函数可以减少函数调用的开销。

🍂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。

三、auto关键字(C++11)

3.1 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 <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。聪明的老铁可能已经想到：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又会遇到新的难题：

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。

3.2 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，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。

#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;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;

	//无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化
	//auto e; 

	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。

3.3 auto的使用细则

3.3.1 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&。

#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;

	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;

	return 0;
}

3.3.2 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
}

3.4 auto不能推导的场景

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不能直接用来声明数组

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

3. 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法。

4. auto在实际中最常见的优势用法就是跟C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式等进行配合使用。

四、基于范围的for循环(C++11)

4.1 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。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " ";
	cout << endl;

	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。

4.2 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。

//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;
}

迭代的对象要实现++和==的操作。

五、指针空值nullptr(C++11)

5.1 C++98中的指针空值

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：

#include <iostream>
using namespace std;

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。

C++入门指南（下）

一、引用

1.1 引用概念