【C++初阶】C++入门（上）

C++的认识

①什么是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。

​ 于是1982年，Bjarne Stroustrup（本贾尼）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。

​ 所以说，C++是祖师爷在C语言的基础上，发明了C++语言，C++是兼容C语言的，C语言程序是可以在C++上运行的，而C++程序是不能在C语言上运行的，所以我们在学习C++语言时，最好把C语言学习一下，打好基础，以便于在后续的C++学习中事半功倍。

祖师爷的帅照：

②C++的发展阶段：

阶段内容
C with classes类及派生类、公有和私有成员、类的构造和析构、友元、内联函数、赋值运算符重载等
C++1.0添加虚函数概念，函数和运算符重载，引用、常量等
C++2.0更加完善支持面向对象，新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静态成员以及const成员函数
C++3.0进一步完善，引入模板，解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处理
C++98C++标准第一个版本，绝大多数编译器都支持，得到了国际标准化组织(ISO)和美国标准化协会认可，以模板方式重写C++标准库，引入了STL(标准模板库)
C++03C++标准第二个版本，语言特性无大改变，主要：修订错误、减少多异性
C++05C++标准委员会发布了一份计数报告(Technical Report，TR1)，正式更名 C++0x，即：计划在本世纪第一个10年的某个时间发布
C++11增加了许多特性，使得C++更像一种新语言，比如：正则表达式、基于范围for循 环、auto关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++14对C++11的扩展，主要是修复C++11中漏洞以及改进，比如：泛型的lambda表 达式，auto的返回值类型推导，二进制字面常量等
C++17在C++11上做了一些小幅改进，增加了19个新特性，比如：static_assert()的文 本信息可选，Fold表达式用于可变的模板，if和switch语句中的初始化器等
C++20自C++11以来最大的发行版，引入了许多新的特性，比如：**模块(Modules)、协 程(Coroutines)、范围(Ranges)、概念(Constraints)**等重大特性，还有对已有 特性的更新：比如Lambda支持模板、范围for支持初始化等
C++23制定ing

③C++的重要性

下图数据来自TIOBE编程语言社区2023年-2024年最新的排行榜，在30多年的发展中，C/C++几乎一 致稳居前5。

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TIOBE 编程语言社区排行榜是编程语言流行趋势的一个指标，每月更新，这份排行榜排名基于互联网上有经验的程序员、 课程和第三方厂商的数量。排名使用著名的搜索引擎（诸如 Google、 MSN、Yahoo!、Wikipedia、YouTube 以及 Baidu 等）进行计算。

注意：排名不能说明那个语言好，那个不好，每门编程语言都有适应自己的应用场景。

④C++在工作领域

  • 操作系统以及大型系统软件开发
  • 服务器端开发
  • 游戏开发
  • 嵌入式和物联网领域
  • 数字图像处理
  • 人工智能
  • 分布式应用

总结：C++语言可以有各种各样的商业编译器或专有领域编译器，但是由开源社区积极维护的免费编译器，始终都唾手可得。如C++宇宙编译器VS，这一切，加上C++与时俱进的实现更新，配套完善的标准跟进，都使得C++语言的生命力长盛不衰。

C++的学习是一个长期漫长的过程，一定不能急于求成，我们一起加油！

1.C++关键字

在C语言中关键字有32个，而C++中关键字有63个。下面画红圈圈的就是C++中新增的一些关键字，当然并没有圈完，这些关键字后续学习到了再说。

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2.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。

在C语言中：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int strlen= 10;
int main()
{//strlen函数是存在于string.h头文件中printf("%d\n",strlen);//错误C2365 “strlen” : 重定义；以前的定义是“函数”return 0;
}

这里可以看出，在C语言中函数是不可以重新定义成变量，所以C++中就引入了namespace关键字，来解决这种命名冲突。

2.1 命名空间定义

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（这个你随便取名字），然后接一对{}即可，{} 中即为命名空间的成员。

命名空间中可以定义变量/函数/类型：

namespace CSJ
{ int rand = 10;//变量int Add(int left, int right)//函数{return left + right;}struct Node//结构体类型{struct Node* next;int val;};
}

命名空间还可以嵌套使用：

//test.cpp
namespace N1
{int a=10;int b=20;int Add(int left, int right){return left + right;}namespace N2{int c=30;int d=40;int Sub(int left, int right){return left - right;}}
}//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。
// 一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个N1会被合并成一个
// test.h
namespace N1
{
int Mul(int left, int right){return left * right;}
}

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。

2.2 命名空间使用

命名空间的使用有三种方式：

  • （一）加命名空间的名称及作用域限定符（：：）

    像上述的使用rand变量就可以这样操作：

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

  • （二）使用using将命名空间中的某个成员引入

    using N1::b;
int main()
{printf("%d\n", N1::a);printf("%d\n", b);return 0;    
}

  • （三）使用using namespace命名空间名称引入

using namespace N1;
int main()
{printf("%d\n", N1::a);printf("%d\n", b);Add(10, 20);return 0;    
}注意：在上述的嵌套的命名空间中，如果要使用N2中的变量，函数等时，必须先把N1的空间先打开，再把N2的空间打开，才能使用N2空间中的内容。```cpp
namespace N1
{int a=10;int b=20;int Add(int left, int right){return left + right;}namespace N2{int c=30;int d=40;int Sub(int left, int right){return left - right;}}
}
using namespace N1;
using namespace N2;//而且使用命名空间，必须在定义命名空间的下面才行
int main()
{printf("%d\n", d);return 0;
}

3.C++输入&输出

在C语言中我们对于输入和输出使用的是scanf和printf，头文件是<stdio.h>。而对于C++的输入和输出，它们存在于iostream库中，iostream库中包含两个基础类型istream和ostream，分别表示输入流和输出流。cin就是标准输入，cout就是标准输出。

#include<iostream>
// 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
//cout，cin，endl这些都是存放在std的命名空间中
using namespace std;
int main()
{cout<<"Hello world!!!"<<endl;//endl是换行的意思，相当于C语言中的\n
return 0;
}

C++的输入输出比较于C语言的输入输出，还具有一些优势，在C语言中你的输入输出还需要指定变量的类型，而C++的输入输出可以自动识别变量类型。这里可以提供一个关键字typeid，可以得到变量的类型。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{int a;double b;char c;cin >> a;cin >> b >> c;//>>是流提取运算符,<<是流插入运算符cout << a << endl;cout << b << " " << c << endl;cout << "a:" << typeid(a).name() << endl;cout << "b:" << typeid(b).name() << endl;cout << "c:" << typeid(c).name() << endl;return 0;
}

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std命名空间的使用惯例：

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即可，这样就很方便。

2.using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对象/函数，就存在冲突问题。

该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

4.缺省参数

4.1 缺省参数概念

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。

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

4.2 缺省参数分类

  • 全缺省参数（顾名思义：函数的参数全给缺省值）

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

  • 半缺省参数

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

**注意：**半缺省参数，只能从右往左给缺省值，不能间隔写。比如：

void Func(int a=10, int b , int c = 20)//这样写就是错误的

还有缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，而且缺省参数必须是常量或者全局变量。

  // a.hvoid Func(int a = 10);// a.cppvoid Func(int a = 20){}// 注意：如果生命与定义位置同时出现，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。

5.函数重载

5.1 函数重载的概念

众所周知：C语言中的函数名称是不能相同的，而C++为了解决这个问题，于是函数重载就被发明出来了。

**函数重载：**在同一个作用域内，可以声明几个功能类似的同名函数，但是这些同名函数的形式参数（指参数的个数、类型或者顺序）必须不同。您不能仅通过返回类型的不同来重载函数。

1.参数类型不同：

// 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

// 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

// 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;
}

这几个函数你都可以传入不同的参数来调用它们。

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6.引用

6.1 引用概念

引用变量是一个别名，也就是说，它是某个已存在变量的另一个名字。一旦把引用初始化为某个变量，就可以使用该引用名称或变量名称来指向变量。**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。**就好比我们给一个人取了一个外号，我们叫他真名和这个外号都是这个人。

#include<bits/stdc++.h>
int main()
{int a = 10;int& ra = a;//ra就是引用了变量aprintf("%p\n", &a);printf("%p\n", &ra);//这里的地址打印出来都是一样的，如下图所示return 0;
}

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注意：这里的引用类型必须和引用实体是相同类型，两个都为int，或者两个都为double等。

6.2 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

    #include<bits/stdc++.h>
int main()
{int a = 20;int b = 10;//1.引用在定义的时候必须初始化//int& r;   //报错：“r” : 必须初始化引用	//2.一个变量可以有多个引用int& ra = a;int& rra = a;//3.引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体int& ra = b;//错误return 0;
}

    关于引用在定义时必须初始化的原因：一般在初始化变量时，初始值会被拷贝到新建的对象中。然而定义引用时，程序把引用和它的初始值绑定在一起，而不是将初始值拷贝给引用。一旦初始化完成，引用将和它的初始值对象一直绑定在一起。因为无法令引用重新绑定到另一个对象，因此引用必须初始化。

6.3 常引用

我们把引用绑定到const对象上，就像绑定到其他对象上一样，我们称之为对常量的引用，简称常引用。

int main()
{const int a = 10;//int& r1 = a;//报错：ci为常量，“初始化” : 无法从“const int”转换为“int& ”	const int& r2 = a;double b= 20;//int& r3 = b;//报错：类型不同，“初始化” : 无法从“double”转换为“int & ”	const int& r4 = b;//那为什么这个又能行呢？return 0;
}

对于**double b=20，const int& r4 = b，**为什么可以，此处 r4 引用了一个int型的数。对 r4 的操作应该是整数运算，但 b 却是一个双精度浮点数而非整数。因此为了确保让 r4 绑定一个整数，编译器把上述代码变成了如下形式：

const int temp=b；//由双精度浮点数生成一个临时的整型变量
const int &r4=temp;//让r4绑定这个临时量

6.4 使用场景

  • 引用做参数

    //1.值传递(形参只是实参的一份临时拷贝，形参交换并不会影响实参，故而交换函数不成功)
void Swap(int left, int right) 
{int temp = left;left = right;right = temp;
}//2.引用传递（如果形参为引用类型，则形参是实参的别名，进而交换函数成功）
void Swap(int& left, int& right)
{int temp = left;right = left;left = temp;
}
//3.指针传递（传入的是地址，因为地址是唯一的，所以指针通过地址的访问进而可修改其内容）
void Swap(int* left, int* right)
{int temp = *left;*left = *right;*right = temp;
}

  • 引用做返回值

    int& Count()
{int n = 10;return n;
}

对于引用做返回值我们需要注意，如下面的代码：

int& Add(int a, int b)
{int c = a + b;return c;
}
int main()
{int& ret = Add(1, 2);std::cout << "Add(1, 2) is :" << ret << std::endl;return 0;
}
//这里我们以为1+2=3，所以结果就是3，那结果是什么呢？

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这里可以看出，得到了一个很奇怪的数。这是因为Add函数里面定义了C变量，而C的作用域只限定于Add函数里面，出了函数，C的空间就已经还给操作系统了，你自然没法引用了。

6.5 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。

所以这里我们就比较一下传值和传引用的效率：

  • 以函数参数比较两者
#include <time.h>
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;
}

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#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;
}

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通过上述代码的比较，发现**传值和传引用（指针）在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。**但是在传引用作为返回值时，就像上面说的，一点要注意变量的生命周期。

6.6 引用和指针的区别

引用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。（上面已经把地址拿出来比较了，确实是）

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。

int main()
{int a = 10;int& ra = a;a = 20;int*pa = &a;*pa = 20;return 0;
}

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这里我们可以看出，引用和指针的反汇编代码是一样的。即验证了引用是指针方式来实现的。

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

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