c++入门你需要知道的知识点（下）

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今日主菜：c++入门

主厨：邪王真眼

所属专栏：c++专栏

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前言：

上次我们通过c++入门知识（上）对c++有了一小点点的了解，今天便是让你彻底打开c++大门，进入大殿，欧克，正片开始。

1.入门要求

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 语言对 C++ 学习有一定的帮助，
本节主要目标：

1. 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

2.前情提要

我们上次学了这些：

1. C++ 关键字
2. 命名空间
3. C++ 输入 & 输出
4. 缺省参数
5. 函数重载

正式开课

1.引用

1.1 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。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

示例如下：

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

1.2 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
示例如下

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\n%p\n%p\n", &a, &ra, &rra);
	int b = 20;
	ra = b;
	printf("%p", &ra);
}

1.3 常引用

情况1

  const int a = 10;
    //int& ra = a;   // 该语句编译时会出错，因为a为常变量
    const int& ra = a;//该语句正常

分析：a的类型是const int，之前说了引用类型必须和引用实体是同种类型的，所以要写为const int& ra=a才可以

情况2

    // int& b = 10; // 该语句编译时会出错，b为常量
    const int& b = 10;//该语句正常

分析：10是常量，之前说了引用类型必须和引用实体是同种类型的，所以要写为const int& b=10才可以

情况3

  double d = 12.34;
    //int& rd = d; // 该语句编译时会出错，类型不同
    const int& rd = d;

注意，这个可是重点

分析：

d的类型是double，之前说了引用类型必须和引用实体是同种类型的，所以int&rd=d会报错
可是为什么const int&rd=d正常编译呢？因为double与int类型不同，所以发生了隐式类型转换，在隐式类型转换中d还是double类型，只是在赋值时产生了一个int型的临时变量，rd就是这个临时变量的引用，而临时变量具有常性，所以要用const修饰。

1.4 使用场景

1.4.1. 做参数

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

1.4.2. 做返回值

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

下面代码输出什么结果？为什么？

int& Add(int a, int b)
{
	int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int& ret = Add(1, 2);
	Add(3, 4);
	cout << ret<<endl;
	cout << "Add(1, 2) is :" << ret << endl;
	return 0;
}

结论： 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 <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;
}

6.5.2 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 。

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。

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。

我们来看下引用和指针的汇编代码对比，会发现他们 不是很像，而是一模一样 。

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
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

2. 内联函数

2.1 概念

以关键字 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，内联函数提升程序运行的效率。

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：

1. 在 release 模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在 call Add

2. 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，以下给出 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。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

3. 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：

1. 类型难于拼写

2. 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。聪明的同学可能已经想到：可以通过 typedef 给类型取别名。

使用 typedef 给类型取别名确实可以简化代码，但是 typedef 有会遇到新的难题：

#include<string>
typedef char* pstring;
int main()
{
	const pstring p1;//编译错误 
	const pstring* p2; //编译通过
	return 0;
}

这是因为第一个const修饰的是p1。所以要初始化才行，而第二个修饰的是*p2，所以p2指针不用初始化，由此可见typedef也有风险，于是乎，还是看看auto吧

8.2 auto 简介

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 。

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

3.2 auto的使用细则

3.2.1. 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 &

typeid（a）.name()可以得到该变量的类型。

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;
}

3.2.2. 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
}

3.3 auto不能推导的场景

3.3.1. 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)
{}

3.3.2. auto不能直接用来声明数组

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

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. 基于范围的for循环(C++11)

ps：关于这个先了解就行，等到stl库是会细说的

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 。

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 来跳出整个循环 。

4.2 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。

注意：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;
}

2. 迭代的对象要实现 ++ 和 == 的操作 。 (关于迭代器这个问题，以后会讲，现在大家了解一下就可以了 )

5. 指针空值nullptr(C++11)

5.1 C++98中的指针空值

在 C/C++编程习惯中，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

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：

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 作为新关键字引入

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 。

总结：

两节课我们一共学了10个知识点：

1. C++ 关键字
2. 命名空间
3. C++ 输入 & 输出
4. 缺省参数
5. 函数重载
6. 引用
7. 内联函数
8. auto 关键字 (C++11)
9. 基于范围的 for 循环 (C++11)
10. 指针空值 ---nullptr(C++11)

现在我们算是把c++的大门给推开了，ok，向着c++，我们类和对象再见啦！

觉得有帮助的话，就点个赞支持一下吧，哪里写错了还请指出。