【C++】C++入门详解 I【C++入门 这一篇文章就够了】

C++入门

  • 前言
  • 一、C++关键字（C++98）
  • 二、命名空间 namespace
    • （一）namespace的出现
    • （二）namespace的定义
      • （1）namespace 的正常定义
      • （2）namespace的功能特性
        • 1. 命名空间 可嵌套
        • 2. 同一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。
    • 命名空间的使用
      • （1）加 命名空间名称 及 `::` 作用域限定符 [ 每次指定命名空间 ]
      • ☆（2） using 将 命名空间中某个成员 引入 [ 部分展开 ]
      • （3） using namespace 命名空间名称 引入 [ 全展开 ]
  • 三、using namespace std
  • 四、C++ 输入&输出 [ IO流 ]
    • （一）代码实现
      • （1）包含头文件 `# include<iostream>`
      • （2）cout cin endl
      • （3）<< _ 流插入运算符，>> _ 流提取运算符
    • （二）C++输入输出 的特性：可 自动识别变量类型
    • （三）cout，cin更复杂的用法
    • （三）.h 头文件 以及 std命名空间
  • 五、缺省参数
    • （一） 缺省参数 概念
    • （二） 缺省参数分类
  • 六、函数重载
    • （一） 函数重载概念
    • （二）函数重载
      • （1）参数类型不同
      • （2）参数个数不同
      • （3）参数类型顺序不同
  • （三）函数重载 底层原理_名字修饰(name Mangling)


前言

C++ 就是在对 C语言使用中遇到的缺陷与不足的改进。

C++是在C的基础之上，容纳进去了面向对象编程思想，并增加了许多有用的库，以及编程范式等。熟悉C语言之后，对C++学习有一定的帮助。

本章节主要目标：

  1. 补充C语言语法的不足，以及C++是如何对C语言设计不合理的地方进行优化的，比如：作用域方面、IO方面、函数方面、指针方面、宏方面等。

  2. 为后续类和对象学习打基础

一、C++关键字（C++98）

C++总计63个关键字（涵盖 C语言32个关键字）

在这里插入图片描述

二、命名空间 namespace

（一）namespace的出现

在C/C++中出现的问题：

  1. 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。
  2. 写的变量名与库里面的名冲突
  3. 在项目异步进行时，最终项目合并时，也容易导致很多命名上的冲突（重命名）

如下面这个例子

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>        //包含rand()函数
int rand = 10;             //全局变量中也有 命名为rand的变量

// 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;
}
// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”
  • C++ namespace [ 关键字 ] 对此进行了优化：
    平时程序运行中 默认访问全局变量里的变量 。namespace相当于一堵围墙，平时都会绕开，默认不会进入墙里找域访问 。只有 展开命名空间，才有权限进入命名空间内访问存放的变量。

使用 namespace 后

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>        //包含rand()函数

namespace nini{
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",nini::rand);   // :: 域作用限定符 
return 0;
}

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。


（二）namespace的定义

（1）namespace 的正常定义

namespace[关键字] + 命名空间的名字 + { } +（ { } 里面 ）命名空间的成员

  1. 一般开发中是用 项目名字 做 命名空间名 。
  2. 命名空间中可以定义 变量 / 函数 / 类型（如结构体等）

[ 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 ]

namespace nini
{
 // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
 int rand = 10;                        //变量
 
 int Add(int left, int right)          //函数
 {
 return left + right;
 }

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

（2）namespace的功能特性

1. 命名空间 可嵌套
// test.cpp
namespace N1
{
int a;
int b;
int Add(int left, int right)
 {
     return left + right;
 }
 
namespace N2
 {
     int c;
     int d;
     int Sub(int left, int right)
     {
         return left - right;
     }
 }
 
}
2. 同一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。

ps：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;
 }
}

命名空间的使用

（1）加 命名空间名称 及 :: 作用域限定符 [ 每次指定命名空间 ]

int main()
{
    printf("%d\n", N::a);    // :: 作用域限定符 【指定命名空间】
    return 0;    
}

☆（2） using 将 命名空间中某个成员 引入 [ 部分展开 ]

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

（3） using namespace 命名空间名称 引入 [ 全展开 ]

using namespce N;
int main()
{
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    Add(10, 20);
    return 0;    
}

  • 关于 全展开 与 部分展开 的讨论：
    对命名空间进行展开 [ 命名空间全展开 ] (3) 其实是一件很危险的事，直接展开，全部暴露，又有冲突的风险。 而 每次指定命名空间（1）又很不方便 。
    指定展开（2）就可以解决问题 。指定展开 常用的 。
using std::cout;
using std::endl;

int main(){
cout<<"hello world\n";

int a=10;
double b=11.11;

cout << a << endl << b << endl;
cout << a << endl << b << endl;
cout << a << endl << b << endl;
}

三、using namespace std

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。


四、C++ 输入&输出 [ IO流 ]

（一）代码实现

（1）包含头文件 # include<iostream>

  1. io _ int & out 的缩写 + stream 流 => iostream 输入输出流

后面使用cout，cin时，必须 包含< iostream >头文件 以及 按命名空间使用方法使用std。
如下图


（2）cout cin endl

c（console 控制台）out，cin

  • cout 标准输出对象(控制台) [ linux 叫其 终端 ]
    在这里插入图片描述

  • cin 标准输入对象(键盘)

cout和cin是全局的流对象。

  • endl [ endline 结束这一行 ] 是特殊的C++符号（C++换行符），表示换行输出。

他们都包含在< iostream >头文件中。


（3）<< _ 流插入运算符，>> _ 流提取运算符


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，
这些知识我们我们后续才会学习，所以我们这里只是简单学习他们的使用。后面我们还有有一个章节更深入的学习IO流用法及原理 。

（二）C++输入输出 的特性：可 自动识别变量类型

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。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{    
   //IO流
   // 可以自动识别变量的类型
   // << 流插入
   std::cout << "hello world";
   int a = 10;
   double b = 11.11;
   
            //int //字符串 //double //字符
   std::cout << a << "\n"<< b << '\n';
   std::cout << a << std::endl << b << std::endl;
   
   return 0;
}

（三）cout，cin更复杂的用法

关于cout和cin还有很多更复杂的用法，比如控制浮点数输出精度，控制整形输出进制格式等等。

因为C++兼容C语言的用法【所以，这种在C++的复杂用法，可以在C中用其基本语法来实现】

int main(){
cout << "hello world\n";

int a = 10;
double b = 11.11；

cout << a << endl << b << endl;
printf("%.1lf\n",b);      //C++兼容C语言的用法,这种在C++的复杂用法，可以在C中用其基本语法来实现
}

这些又用得不是很多，我们这里就不展开学习了。后续如果有需要，我们再配合文档学习。

（三）.h 头文件 以及 std命名空间

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；旧编译器(vc 6.0)中还支持<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用 <iostream.h> + std 的方式。


五、缺省参数

（一） 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
 Func(10);   // 传参时，使用指定的实参
return 0;
}

（二） 缺省参数分类

  • 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;
 }
  • 半缺省参数
    半缺省参数必须 从右往左 依次来给出，不能间隔着给
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. 缺省参数不能在 函数声明 和 定义 中同时出现
    如果 声明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。
//a.h
  void Func(int a = 10);
  
  // a.cpp
  void Func(int a = 20)
 {}
  1. 缺省值必须是 常量 或者 全局变量
  2. C语言不支持（编译器不支持）

六、函数重载

C不支持同名函数，C都是靠函数名来识别函数的，但功能类似，只是因为 形参列表 (参数个数 或 类型 或 类型顺序)不同 ，而因此要开辟很多不同的函数名。这是一件很麻烦且效率低下的事情。

对此，C++做出改进，提出了函数重载的概念。


（一） 函数重载概念

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。

  • [ 返回值可用可不用 ]
    会出现不知道该调用谁。

（二）函数重载

（1）参数类型不同

#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;
}

int main(){
 Add(10, 20);
 Add(10.1, 20.2);
}

（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;
}

int main()
{ 
 f();                                             ☆//f()则不知道该调用 f()还是f(int a)  
 f(10);     //f(10)可以很明确的是传给f(int a);
}

（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;
}

int main()
{
 f(10, 'a');
 f('a', 10);
 return 0;

}

（三）函数重载 底层原理_名字修饰(name Mangling)

为什么C++支持函数重载，而C语言不支持函数重载呢？

在C/C++中，一个程序要运行起来，需要经历以下几个阶段：预处理、编译、汇编、链接。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  1. 预处理（.i 文件）
    预处理指令，头文件展开

  1. 编译（.s 文件）
    语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总

（语法束）检查语法，生成汇编代码 [指令级代码]（ 给我们看的 ）

2.1 函数调用在编译阶段，call（地址）
[ 只有声明 ( 但编译器让它过 )，没有地址 ]
[会 在链接阶段，通过根据汇编阶段生成的.o文件符号表（ 找到对应函数名的地址 ）将call（）里面的地址进行链接 ]
在这里插入图片描述

2.2 并且将参数带入进行修饰产生 [ 函数名修饰规则 ]
由于Windows下vs的修饰规则过于复杂，而Linux下g++的修饰规则简单易懂，下面我们使用了g++演示了这个修饰后的名字。

通过下面我们可以看出 gcc（C）的函数修饰后名字不变。而 g++（C++）的函数修饰后变成【_Z+函数长度+函数名+类型首字母】

  • 采用C语言编译器编译后结果
    在这里插入图片描述
    结论：在linux下，采用gcc编译完成后，函数名字的修饰没有发生改变。

  • 采用C++编译器编译后结果
    在这里插入图片描述结论：在linux下，采用g++编译完成后，函数名字的修饰发生改变，编译器将函数参数类型信息添加到修改后的名字中。

  • Windows下名字修饰规则
    在这里插入图片描述

对比Linux会发现，windows下vs编译器对函数名字修饰规则相对复杂难懂，但道理都是类似的，我们就不做细致的研究了

【扩展学习：C/C++函数调用约定和名字修饰规则–有兴趣好奇的同学可以看看，里面有对vs下函数名修饰规则讲解】
C/C++ 函数调用约定

通过这里就理解了 C语言没办法支持重载，因为同名函数没办法区分。而C++是通过函数修饰规则来区分，只要参数不同，修饰出来的名字就不一样，就支持了重载。

如果两个函数 函数名和参数是一样 的，返回值不同 是 不构成重载 的，因为调用时编译器没办法区分。
 返回值可用可不用 ，会出现不知道该调用谁的情况。


  1. 汇编（ 可重定位目标文件 .o 文件）
    3.1 形成符号表。（汇编调用函数时，才会call 地址 ，因此符号表就是在这时产生的）

    符号表：
    形式 “ 函数名 地址 ” [ 函数名 和 地址 的映射 ]
    在这里插入图片描述
    3.2 汇编指令 -> 二进制指令 [ 转换成二进制的机器码（ CPU 能认识的 ）] -> test.o


  1. 链接
    合并段表
    符号表的合并 和 符号表的重定位
    合并到一起，链接一些没有确定的函数地址等 [ 用函数名去找地址（ 函数名修饰规则 ）]

实际项目通常是由多个头文件和多个源文件构成，而通过C语言阶段学习的编译链接，我们可以知道，【当前a.cpp中调用了b.cpp中定义的Add函数时】，编译后链接前，a.o的目标文件中没有Add的函数地址，因为Add是在b.cpp中定义的，所以Add的地址在b.o中。那么怎么办呢？

所以 链接阶段就是专门处理这种问题，链接器看到a.o调用Add，但是没有Add的地址，就会到b.o的符号表中找Add的地址，然后链接到一起。

那么链接时，面对Add函数，链接接器会使用哪个名字去找呢？这里就通过我们前面 编译阶段讲的 每个编译器都有自己的 函数名修饰规则来找。

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