C++入门（万字总结，建议收藏！！！）

标签：万字 入门 int auto C++ 编译器 引用 函数

一、前言

1.1 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。为了解决软件危机，20世纪80年代，计算机界提出了OOP(object oriented programming：面向对象)思想，支持面向对象的程序设计语言应运而生。

1982年，Bjarne Stroustrup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。

1.2 C++的发展史

1979年，贝尔实验室的本贾尼等人试图分析unix内核的时候，试图将内核模块化，于是在C语言的基础上进行扩展，增加了类的机制，完成了一个可以运行的预处理程序，称之为C with classes。

语言的发展就像是练功打怪升级一样，也是逐步递进，由浅入深的过程。我们先来看下C++的历史版本。

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++98	C++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++03	C++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++05	C++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

二、入门

2.1 C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字：

2.2 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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int rand = 10;

// C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

2.2.1 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，然后接一对{}即可，{}中即为命名空间的成员。

注意：一个命名空间就定义了一个作用域，命名空间中的所有内容都局限在这片空间中

1）命名空间的普通定义方式

// H是命名空间的名字，可以自己设置，没有什么要求
namespace H
{
	// 命名空间中可以定义变量/函数/类型
	int rand = 10;

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

	struct Node
	{
		struct Node* next;
		int val;
	};
}

 2）命名空间嵌套使用

// 命名空间可以嵌套
namespace N1
{
	int a = 1;
	int b = 2;

	int Add(int left, int right)
	{
		return left + right;
	}

	namespace N2
	{
		int c;
		int d;
		int Sub(int left, int right)
		{
			return left - right;
		}
	}
}

 3）同一工程中相同名称的命名空间会合并到同一个命名空间中

// 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 N1
{
	int Mul(int left, int right)
	{
		return left * right;
	}
}

注意：在同一工程中，.h（头文件）文件和.cpp文件中的同名命名空间会被合并成一个

2.2.2 命名空间使用

1）加命名空间名称及作用域限定符

int main()
{
    // " :: " -- 作用域限定符，用于使用命名空间内的变量/函数/类型
	printf("%d\n", H::rand);
	printf("%d\n", N1::Add(1, 2));
	printf("%d\n", N1::N2::Sub(7, 2));

	return 0;
}

2）在main函数之前使用using将命名空间中某个成员引入

using N1::a; // 部分展开（授权）

int main()
{
    printf("%d\n", a);

    return 0;
}

3）在main函数之前使用using namespace 命名空间名称引入

using namespace N3; // 全部展开（授权）

int main()
{
    printf("%d\n", n);

    return 0;
}

2.3 输入&输出

新生婴儿会以自己独特的方式来跟这个崭新的世界打招呼，C++刚出来时也是一个新事物，那么C++如何使用自己独特的方式向这个崭新的世界打招呼的呢？下面我们来一起看一下

#include<iostream>
using namespace std;// 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

int main()
{
    cout<<"Hello world!!!"<<endl;
    return 0;
}

说明：

1、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>头文件中

2、cout 和 cin 是全局的流对象，endl 是特殊的C++符号，表示换行输出，它们都包含在<iostream>头文件中

3、<< 是流插入运算符， >> 是流输出运算符

4、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

5、实际上 cout 和 cin 分别是 ostream 和 istream 类型的对象，>> 和 <<也涉及运算符重载等知识，这些知识在后续博客中会逐渐介绍。

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应的头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧的编译器中还支持<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用<iostram>+std的方式。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
   int a;
   double b;
   char c;
     
   // 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;
}

2.4 缺省参数

2.4.1 缺省参数的概念

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，如果没有指定实参就使用该形参的缺省值，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
    Func(10);   // 传参时，使用指定的实参
    return 0;
}

2.4.2 缺省参数分类

1、全缺省参数

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

2、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：

1、半缺省参数必须从右往左依次给出，不能间隔着给

2、缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，只在声明中给出即可

3、缺省值必须是常量或者全局变量

4、C语言不支持

2.5 函数重载

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。

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;
}

2.6 引用

2.6.1 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。

比如：在《水浒传》中，李逵又名“黑旋风”，在家称为“铁牛”。

类型& 引用变量名（对象名）= 引用实体;

void TestRef()
{
    int a = 10;
    int& ra = a;//<====定义引用类型
    printf("%p\n", &a);
    printf("%p\n", &ra);
}

注意：引用类型必须和引用实体是同种类型的。

2.6.2 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

void TestRef()
{
   int a = 10;
   // int& ra;   // 该条语句编译时会出错
   int& ra = a;
   int& rra = a;
   printf("%p %p %p\n", &a, &ra, &rra);  
}

2.6.3 常引用

void TestConstRef()
{
    const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，a为常量
    const int& ra = a;
    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;
    double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;
}

2.6.4 使用场景

1、做参数

void Swap(int& left, int& right)
{
   int temp = left;
   left = right;
   right = temp;
}

2、做返回值

int& Count()
{
   static int n = 0;
   n++;
   // ...
   return n;
}

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，如果已经还给了系统，则必须使用传值返回。

2.6.5 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，效率就更低了。

我们可以通过下面的代码来测试一下传值和传引用的效率比较

#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;
}

// 值和引用的作为返回值类型的性能比较
#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;
}

通过上述代码的比较，发现传值和指针在作为传参以及返回值类型上效率相差很大。

2.6.6 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。

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。

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

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同一类型的实体。

4、没有NULL引用，但又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位平台下所占4个字节）

6、引用自加即引用实体增加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更加安全

2.7 内联函数

2.7.1 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，内敛函数提高程序运行的效率。

2.7.2 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；优点：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

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

2.8 auto关键字

2.8.1 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。

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。

2.8.2 使用细则

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，但是auto声明引用类型时必须加&

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;
}

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，否则编译器会报错，因为编译器实际上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
}

2.8.3 auto不能推导的场景

1、auto不能作为函数的参数

2、auto不能直接用来声明数组

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

2.9 基于范围的for循环

2.9.1 范围foe的语法

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。因为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。

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for(auto& e : array)
         e *= 2;

    for(auto e : array)
         cout << e << " ";

    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来跳过整个循环。

2.9.3 范围for的使用条件

1、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。

2、迭代的对象要实现++和==的操作。

2.10 指针空值nullptr

在以往C语言中，指针置为空通常使用NULL，但是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：

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。 所以我们在C++通常使用nullptr。

注意： 1、 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作为关键字引入的。 2、 在C++11中，sizeof（nullptr）与sizeof（（void*）0）所占的字节数相同。 3、 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。

三、结语

这篇博客从五月多开始打草稿，中间经过毕设等一系列事情耽搁了很长时间，也是我第一篇万字博客。这篇博客到这里也就结束了，如果能够帮助到各位看官的，还请不要吝啬一键三连！！！

如果在本文中哪些地方说的不对的，还请各位批评指正。我会尽力更新更多更详细的内容！

标签：万字,入门,int,auto,C++,编译器,引用,函数
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