【C++】C++入门基础

C++（C plus plus） 是一种计算机高级程序设计语言，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，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。

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前言

关于 C++ 的发展历史

C++ 从 C++98 开始，总共发布了三个大版本：C++98、C++11、C++20。
从 C++98 开始，引入了 STL（标准模板库），使 C++ 比 C语言 更加方便好用，C++ 就从 $Cwithclasses$ 逐渐变成一门全新的语言。
而 C++11 又进行了一次革命性的更新，更新了许多 C++ 全新的特性，使 C++ 更加像一门全新的语言，因此我们主要学习C++11的内容。

从 C++11 之后，基本上是每三年更新一个版本，使 C++ 不断引入新的特性。

总结一下，现代 C++ 语言可以看作是三部分组成的：

1. 低级语言：大部分继承自C语言。
2. 现代高级语言特性：允许我们定义自己的类型以及组织大规模程序和系统。
3. 标准库：它利用高级特性来提供有用的数据结构和算法。

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一、C++ 的第一个程序

学习一门语言之前，肯定都会先去学习如何输出 $helloworld$，基本上和我们学英语先学打招呼 $seehello$
是一个道理。

C++ 的 $helloworld$ 程序如下：

#include<iostream> //包含头文件 输入输出流using namespace std;//全部展开 命名空间 标准库std int main()
{cout << "hello world!" << endl;	//控制台console 换行 end linereturn 0;
}

可见和C语言有很大不同，总共以下几个方面：

1. 头文件 ：#include<iostream>
2. 命名空间：using namespace std;
3. 输入输出：cout << "hello world" << endl;

接下来将依次介绍C++的一些新语法。

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二、命名空间（namespace）

2.0 C语言的不足

在C语言中，如果函数名和变量名相等，会之间编译报错：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>	//头文件里面包含rand()函数int rand = 10;	int main()
{printf("%d\n", rand);return 0;
}

C语言库 $stdlib$ 中有对 $rand()$ 函数的定义，因此我们在定义$rand$ 变量时会和 $rand()$ 函数命名冲突，直接报错了：

这个问题会使我们在命名的时候很不方便，因此C++采用了命名空间来解决这个问题：

2.1 namespace 的作用

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。都将名字放置在全局命名空间中将引发命名空间污染。

传统上，程序员会将全局实体名字起的很长来避免命名冲突问题，这显然不太理想：对于程序员来说，书写和阅读这么长的名字费时费力且过于繁琐。

命名空间（$namespace$） 为防止名字冲突提供了更加可控的机制：

1. 命名空间分割了全局命名空间，其中每个命名空间是一个作用域。
2. 通过在某个命名空间中定义变量、函数和类的名字，访问某个值时只需要访问所对应的命名空间即可。

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2.2 namespace 的定义

一个命名空间的定义包含两部分：首先是关键字 $namespace$，随后是命名空间的名字。

1. 命名空间只能在全局定义。

比如定义一个加法命名空间，里面定义的全都是和加法有关的变量和函数：

namespace add
{//变量int x = 10, y = 20;//函数int Add(int x, int y){return x + y;}//结构体struct Node{int val;struct Node* next;}
}

2. 命名空间可以嵌套定义

比如让加法命名空间里再定义一个减法运算：

namespace add
{//变量int x = 10, y = 20;//函数int Add(int x, int y){return x + y;}//结构体struct Node{int val = 0;struct Node* next = nullptr;};//命名空间namespace sub{int x = 30, y = 20;int Sub(int x, int y){return x - y;}}
}

这样就可以在不同的命名空间定义名字相同的变量。

3. 只要能出现在全局作用域中的声明就能置于命名空间内，主要包括：
   – (1) 类
   – (2) 变量（及其初始化操作）
   – (3) 函数（及其定义）
   – (4) 模版
   – (5) 其他命名空间

4. 每个命名空间都是一个作用域
   在 C++ 中，域包括：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。

5. 命名空间可以是不连续的
   项目工程中多文件中定义的同名 $namespace$ 会认为是一个 $namespace$，不会冲突。

$ps$：C++ 标准库都放在⼀个叫 $std(standard)$ 的命名空间中。

2.3 命名空间的使用

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。

因此，要使用命名空间中定义的变量/函数，有三种方式：

1. 指定命名空间访问。（项目推荐）

域操作限定符（$::$）：通过 “ $::$ ” 来访问命名空间里的成员。

//访问add里的x
cout << add::x << endl;
//访问sub里的x
cout << add::sub::x << endl;//访问add里的Add()函数
cout << add::Add(1,2) << endl;
//访问sub里的Sub()函数
cout << add::sub::Sub(2,1) << endl;//访问add里的结构体Node
struct add::Node node;
cout << node.val << endl;

2. 使用 $using$ 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）

//访问add里的x
using add::x;
cout << x << endl;
//访问sub里的x
using add::sub::x;
cout << x << endl;//访问add里的Add()函数
using add::Add;
cout << Add(1,2) << endl;
//访问sub里的Sub()函数
using add::sub::Sub
cout << Sub(2,1) << endl;//访问add里的结构体Node
using add::Node;
struct Node node;
cout << node.val << endl;

3. 使用 $using$ 将命名空间中全部成员展开。（项目不推荐）

using namespace add;
//访问add里的x
cout << x << endl;
//访问add里的Add()函数
cout << Add(1,2) << endl;
//访问add里的结构体Node
struct Node node;
cout << node.val << endl;using namespace add::sub;
//访问sub里的x
cout << x << endl;
//访问sub里的Sub()函数
cout << Sub(2,1) << endl;

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三、C++ 输入输出

C++ 语言不直接处理输入输出，而是通过一组定义在标准库中的类型来处理 $IO$。

C++ 对于输入输出的标准库是 $<iostream>$ ，全称为 $InputOutputStream$（输入输出流），定义了标准的输入、输出对象。
ps：<iostream> 也间接包含了 <stdio.h>，因此也可以直接使用 printf 和 scanf。

1. $std::cin$ 是 $istream$ 类的对象，主要面向窄字符的标准输入流。
2. $std::cout$ 是 $ostream$ 类的对象，主要面向窄字符的标准输出流。
3. $std::endl$ 是一个函数，流插入输出时，相当于换行$+$刷新缓冲区
4. $>>$ 是流提取运算符，用于输入数据：$cin>>$。
5. $<<$ 是流插入运算符，用于输出数据：$cout<<$。

$cin$、$cout$ 和 $printf$、$scanf$ 相比，好处是写法简单，而且会自动识别类型，非常便捷。

注意：不管是 $cout$ 还是 $printf$ 都会先转换为字符串，然后输出。

在像算法竞赛这种需要大量输入输出数据的场景中，往往 $cin$、$cout$ 的效率远不及 $printf$、$scanf$，不过我们还可以通过下列三行代码来关闭同步流，来加速 $cin$、$cout$。

ios::sync_with_stdio(false);
cin.tie(nullptr);
cout.tie(nullptr);

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四、缺省参数

缺省参数是声明或定义一个函数的时候给形参赋值，在调用函数的时候如果实参个数比形参少，则会自动使用形参开始时赋的值（也称默认值）。

缺省参数根据形参赋值的个数分为：

1. 全缺省：全部形参给缺省值。

void Func(int a = 1, int b = 2, int c = 3)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;cout << endl;
}
int main()
{//全缺省Func();Func(4);Func(4,5);Func(4,5,6);return 0;
}

打印结果为：

由此可见，全缺省就是全部形参都给赋值，这样不论实参的个数是多少，都能采用默认值。
同时，给实参的顺序是从左到右的。

2. 半缺省（部分缺省）：部分形参给缺省值。

void Func(int a, int b = 2, int c = 3)
{cout << "a = " << a << endl;cout << "b = " << b << endl;cout << "c = " << c << endl;cout << endl;
}
int main()
{//半缺省（此时最少给一个参数）Func(4);Func(4,5);Func(4,5,6);return 0;
}

运行结果为：

由此可见，半缺省就是部分形参赋值，部分形参没赋值，并且只能是从左到右连续没赋值（不能跳跃）！
而且，有几个形参没赋值，实参就最少给几个参数。（保证每个参数都有值）
同理，给实参的顺序也是从左到右的。

总结 缺省参数有以下几个性质：

1. 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。
2. 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。
3. 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。

有一个很形象的记忆点，叫：做人不要做缺省参数(bushi)，要做实参。缺省参数相当于备胎，舔狗，当没有实参的时候，我们才会采用缺省参数。

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五、函数重载

C++⽀持在同⼀作用域中出现同名函数（不同作用域用命名空间），但是要保证其形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。（表现出了多态的行为，更加灵活）

int Add(int a, char b)
{b -= '0';return a + b;
}//1.参数个数不同
int Add(int a, int b, int c)
{return a + b + c;
}//2.参数类型不同
double Add(double a, double b)
{return a + b;
}//3.参数类型顺序不同
int Add(char a, int b)
{a -= '0';return a + b;
}int main()
{cout << Add(1, '2') << endl;cout << Add(1, 2, 3) << endl;cout << Add(1.1, 2.2) << endl;cout << Add('1', 2) << endl;return 0;
}

输出结果为：

由此可见，函数重载只和参数有关，和返回值无关。
参数的个数、类型和顺序决定函数的种类，同名不同种函数，即为函数重载。

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六、引用（&）

引用的出现可以说很大一部分取代了指针的作用 —— 我们函数传参的时候不用传地址了，直接传引用即可。

6.1 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& 引用别名 = 引用对象;

int a = 10;	//定义a变量int& b = a;	//取a的引用b
int& c = a;	//取a的引用c
int& d = a;	//取a的引用dd++; //改变引用实际上改变的是acout << a << " " << b << " " << c << " " << d << " " << endl;

输出结果如下：

可以看出所有引用都指向同一份空间 $a$，改变了引用即改变被引用变量的值。

当然也可以复合引用，即实现了多级指针的功能：

int a = 10;	//定义a变量int& b = a;	//取a的引用b
int& c = b;	//取b的引用c
int& d = c;	//取c的引用dd++;cout << a << " " << b << " " << c << " " << d << " " << endl;

输出结果当然不变，都都相当于间接指向同一个空间 $a$：

6.2 引用的特性

1. 引用在定义时必须初始化

int a = 10;// 编译报错：“ra”: 必须初始化引⽤
//int& ra;

2. 一个变量可以有多个引用

可以参考 6.1 ，一个变量取多个别名，多个引用指向同一块空间。

3. 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

int a = 10;int c = 20;int& b = a;	//取a的引用bb = c;	//这里不是让b引用c，而是一个赋值cout << &a << endl;
cout << &b << endl;
cout << &c << endl;
cout << a << endl;
cout << b << endl;
cout << c << endl;

运行结果如下：

可见，得出以下信息：

1. $a$ 和 $b$ 指向同一块空间，而 $c$ 自己单独一块空间：引用过的变量不能改变引用。
2. 最终是将 $c$ 的值赋给了 $b$。（当然也相当于赋给了$a$）：引用过的变量只能赋值。

6.3 引用的使用

引用最大的用途就是函数的传参和返回值。

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：

1. C语言中只能用指针传参：

void Swap(int* x, int* y)	//用指针变量来接收地址
{int tmp = *x;	//改变指针变量指向的值的时候还需要解引用*x = *y;*y = tmp;
}int main()
{int x = 10, y = 20;Swap(&x, &y);	//需要传地址cout << x << " " << y << endl;return 0;
}

运行结果如下：

2. C++中可以引用传参：

void Swap(int& x, int& y)	//直接取实参的引用作为形参，这样形参的改变会直接作用于实参
{int tmp = x;	//因为共用同一空间，所以直接改变引用即改变原变量x = y;y = tmp;
}int main()
{int x = 10, y = 20;Swap(x, y);	//直接传实参即可cout << x << " " << y << endl;return 0;
}

运行结果如下：

可以看出，不管是指针还是引用，都很好的起到了形参的改变能直接作用于实参的作用。
但是显而易见的是，指针变量修改时不仅要解引用，函数调用的使用还需要取地址，非常繁琐。
反而引用调用只需要将形参改为引用类型，这样就简洁明了的起到了直接改变形参的作用。

6.4 const 引用

$const$ 引用可以引用 const 对象，但是必须用 $const$ 引用。
$const$ 引用也可以引用普通对象，因为对象的访问权限在引用过程中可以缩小，但是不能放大。
$const$ 引用还可以引用临时对象，因为临时对象具有常性。

6.4.1 const 引用的引入

我们都知道，定义一个常量（不可修改的值）可以用 $const$：

const int a = 10;	//定义一个值为10的常量a

还知道，如果要修改一个值，目前主要有两种方法：

1. 直接修改

int a = 10;a = 20;

2. 引用修改（这里省略指针修改，因为本质是一样的 —— 都是利用访问空间修改）

int a = 10;int& b = a;
b = 20;

而 $const$ 定义的值是不能被直接修改的。

6.4.1 const 引用的介绍

那么就有一个问题了，既然引用可以改变变量的值，那么常量可以有引用吗？

显然是不行的，既然是常量，那么其值是不希望被修改的，因此直接取常量会报错，因为权限不够：

const int a = 10;// 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“const int”转换为“int &”
int& b = a;

这里的引用是对 $a$ 访问权限的放大。（权限不可以放大）

此时，可以用 $const$ 引用来放大引用的权限。

const int a = 10;const int& b = a;	//这样就可以了// 编译报错：error C3892: “a”: 不能给常量赋值
a++;	//a不能被修改// 编译报错：error C3892: “b”: 不能给常量赋值
b++;	//b也不能被修改

这里引用的权限是匹配的。

但如果引用是对 $a$ 访问权限的缩小是可以的。（权限只能大变小，不能小变大）

int a = 10;const int& b = a;	//对b访问权限的缩小a++;	//a可以被修改// 编译报错：error C3892: “b”: 不能给常量赋值
b++;	//b不能被修改

6.2.2 const 引用的价值

1. 引用常量

// 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“int”转换为“int &”
int& b = 30;	//普通引用没有权限给常量区别名const int& b = 30;	//const int& 可以给常量取别名

2. 引用表达式（引用临时对象）

表达式的值会先保存到临时对象里，再将临时对象里的值拷贝返回。但是临时对象具有常性。（相当于常量了）

const int a = 2;
int c = 1;const int& b = a + c;	//将3赋给b
const int& d = a * 3;	//将6赋给b

3. 隐式类型转换（引用临时对象）

double d = 3.14;int a = d;	//会直接将d隐式类型转换成int型（向下取整）
const int a = d; //同理，向下取整// 编译报错：“初始化”: ⽆法从“double”转换为“int &”
int& a = d;	const int& a = d;	//会将d看作表达式，产生临时变量，进行隐式类型转换

4. 作函数参数

在函数传参的时候我们可以直接传参：

void func(int val)	//如果不希望修改val可以写成const int val
{cout << val << endl;
}int main()
{int a = 10;const int b = a * 3;const int& c = a;double d = 3.14;func(a);	//10func(b);	//30func(40);	//40func(a + b);//40func(c);	//10func(d);	//3return 0;
}

但是函数传参的时候，如果采用直接传参，那么会将实参拷贝给实参。
此时，如果拷贝变量很大（结构体或者类），那么会很耗用内存。

因此，引用传参可以直接将实参传给函数，不用拷贝，大大节约内存。

但与之而来的一个问题：

如果直接传引用，有很多值都无法传参，例如常量、表达式、隐式类型转换，直接传参会产生编译错误：

void func(int& val)	//只能云序
{cout << val << endl;
}int main()
{int a = 10;const int b = a * 3;const int& c = a;double d = 3.14;func(a);	//10func(b);	//error C2664: “void func(int &)”: 无法将参数 1 从“const int”转换为“int &”func(40);	//error C2664: “void func(int &)”: 无法将参数 1 从“int”转换为“int &”func(a + b);//error C2664: “void func(int &)”: 无法将参数 1 从“int”转换为“int &”func(c);	//error C2664: “void func(int &)”: 无法将参数 1 从“const int”转换为“int &”func(d);	//error C2664: “void func(int &)”: 无法将参数 1 从“double”转换为“int &”return 0;
}

这是我们就要采用 $const$ 引用，很好的解决了上面的问题：

void func(const int& val)
{cout << val << endl;
}int main()
{int a = 10;const int b = a * 3;const int& c = a;double d = 3.14;func(a);	//10func(b);	//30func(40);	//40func(a + b);//40func(c);	//10func(d);	//3return 0;
}

这样不仅解决了拷贝变量的消耗问题，也解决了很多值都无法传参的问题，两全其美。

6.5 指针和引用的关系

C++中指针和引用在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有自己的特点，互相不可替代。

首先，指针和引用在底层（汇编层面）实际上是一样的，只是抽象出来让我们理解起来不一样。

但是在今后找工作的面试中，面试官可能会问：C++中指针和引用的区别是什么？
这里主要总结了六大区别：

1. 语法概念：

引用是⼀个变量的取别名，不开空间；指针是存储⼀个变量地址，要开空间。

2. 初始化：

引用定义时必须初始化；指针建议初始化，但是语法上不是必须的。

3. 作用对象个数：

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。

4. 访问对象：

引用可以直接访问指向对象；指针需要解引用才能访问指向对象。

5. 所占字节大小：

引用所占字节大小为引用类型的大小；但指针始终是地址空间所占字节个数。（$32$ 位平台下占 $4byte$，$64$ 位下占 $8byte$）

6. 安全性：

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。（函数返回引用类型的时候可能会返回已经销毁的临时变量的引用）

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七、内联函数（inline）

⽤ $inline$ 修饰的函数叫做内联函数。$inline$ 适用于频繁调用的短小函数。

1. 内联函数的作用：

内联函数在编译时，C++编译器会在其调用的地方展开，这样调用内联函数就不需要建立栈帧了，就可以提高效率。

注意：$inline$ 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++ 标准没有规定。（例如：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）

2. 内联函数的意义：

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的，且不方便调试。

C++设计了 $inline$ 目的就是替代C的宏函数。

C语言宏函数替换：

// 实现⼀个ADD宏函数的常见问题
//#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（要考虑展开后和运算符优先级的问题）
#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()
{cout << ADD(1, 2) << endl;	//cout << ((1)+(2)) << endl;return 0;
}

C++内联函数替换：

inline int add(int a, int b)
{return a + b;
}int main()
{cout << add(1, 2) << endl;	//cout << 1 + 2 << endl;return 0;
}

肉眼可见的方便多了。

3. 注意事项：

$inline$ 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。

//Add.h#pragma once#include<iostream>using namespace std;inline void Add(int a, int b);

//Add.cpp#include"Add.h"inline void Add(int a, int b)
{cout << a + b << endl;
}

//main.cpp#include"Add.h"int main()
{Add(1, 2);	//（链接错误）error LNK2019: 无法解析的外部符号 "void __cdecl Add(int,int)" (?Add@@YAXHH@Z)，函数 main 中引用了该符号return 0;
}

如果需要分离，内联函数应直接放到 $.h$ 文件中定义。

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八、空指针（nullptr）

$nullptr$ 是 C++11 引入的特殊的关键字，用来替换 C语言 用 $NULL$ 来表示空指针。

$C$ 语言中的 $NULL$ 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	//字面常量0 #else#define NULL ((void *)0)	//⽆类型指针(void*)的常量0#endif
#endif

在C++中 $NULL$ 被替换为 $0$。
在C语言中 $NULL$ 被替换为 $(void\ast )0$。

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 $f(int\ast )$ 函数，但是由于 $NULL$ 被定义成 $0$，调用了 $f(intx)$，因此与程序的初衷相悖。$f((void\ast )NULL);$ 调用会报错。

于是，C++11引入了 $nullptr$ 来定义空指针。

1. $nullptr$ 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。
2. 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。

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总结

以上就是 C++ 的发展历史，以及基于 C++11 相对于 C语言 在基础语法上来说主要有了哪些不同，主要是为后面学习类和对象的内容做铺垫。