C++必修：从C语言到C++的过渡(上）

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所属专栏：C++学习
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1. 什么是C++

C++（c plus plus）是一种计算机高级程序设计语言，由C语言扩展升级而产生，最早于1979年由本贾尼·斯特劳斯特卢普在AT&T贝尔工作室研发。它完善了C语言的许多缺陷，并且引入了面向对象的程序设计思想，包括面向对象的四个特性：封装，继承，多态，抽象。

2. C++的标准库

标准的 C++ 由三个重要部分组成：

核心语言，提供了所有构件块，包括变量、数据类型和常量，等等。
C++ 标准库，提供了大量的函数，用于操作文件、字符串等。
标准模板库（STL），提供了大量的方法，用于操作数据结构等。

这三个部分包含了C++这门语言的核心，我们后面的内容就主要围绕上面三个部分展开。

3. C++的发展历史

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。与C语言类似，C++发展也经历了几个阶段：

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++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

在现在公司主流使用的仍是C++98与C++11两个标准。

4. C++的就业方向

截止至2024年一月，C++在TIOBE编程语言社区一直稳居前三的位置。虽然语言排名并不能衡量一种语言的优劣，但是一门受众广的语言自然有良好的发展前景。

C++主要可以应用于以下几个领域：

嵌入式开发：主要是硬件产品的驱动开发，常见的岗位有：嵌入式开发工程师、驱动开发工程师、系统开发工程师、Linux开发工程师、固件开发工程师等。
服务端开发：服务器端开发比后台开发跟广泛，包含后台开发，一般对实时性要求比较高的，比如游戏服务器、流媒体服务器、网络通讯等都采用C++开发的
游戏开发：主要是开发游戏客户端和服务器端，比如：魔兽世界、传奇、CS、跑跑卡丁车等，市面上相当多的游戏引擎都是基于C++开发的。
音视频与图形处理：主要是开发音视频编解码，图像识别，虚拟现实等应用。并且主要的图像处理算法库和开源库等都是C / C++写的，比如：OpenCV、OpenGL等
人工智能：虽然使用python学习人工智能的人数较多，但是人工智能背后深度学习算法等核心还是用C++写的。

5. C++的关键字

因为C++是从C语言演变而来，所以支持C语言的关键字，一共63个如下图：

asm	do	if	return	try	continue
auto	double	inline	short	typedef	for
bool	dynamic_cast	int	signed	typeid	public
break	else	long	sizeof	typename	throw
case	enum	mutable	static	union	wchar_t
catch	explicit	namespace	static_cast	unsigned	default
char	export	new	struct	using	friend
class	extern	operator	switch	virtual	register
const	false	private	template	void	true
const_cast	float	protected	this	volatile	while
delete	goto	reinterpret_cast

6. C++的输入与输出

C++的标准输入与输出函数是cin与cout，分别对应C语言的printf与scanf。但是相较于C语言，C++输入输出并不需要指定占位符，如：%d，%c等。

#include<iostream>
using namespace std;//展开命名空间
int main()
{
	cout << "hello world" << endl;
	//endl相当于换行符
	cout << "hello world" << '\n';
	cout << 'a' << endl;
	int b = 1;
	cout << b << endl;
	cout << &b << endl;
	return 0;
}

在C++中使用cin与cout，需要包含头文件iostream以及std标准命名空间。

7. 命名空间

7.1. 域作用限定符

作用域限定符::，其作用是通知编译器应从作用域限定符左侧的名字所示的作用域中寻找右侧那个名字，即指定访问哪个名字空间的哪个成员。当左侧为空时，默认访问的就是全局域。

#include<iostream>
int a = 1;
void func()
{
	int a = 0;
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", ::a);
}
int main()
{
	func();
	return 0;
}

我们知道C语言遵循局部优先的规则，即当局部变量与全局变量冲突时，默认使用局部变量。而在C++中，我们可以通过域作用限定符来访问全局变量。

7.2. 为什么要存在命名空间

命名空间（namespace）是C++语言特别重要的特性，当第三方供应商提供的库时为了避免与其他供应商或者用户定义的名字相冲突（命名空间污染），常常将库的内容放置在自己独立的命名空间中。C++标准库也定义了相应命名空间std，用户在使用标准库时必须通过域作用域运算符::，或者使用using关键词来简化命名空间中名字的使用。

比如如下代码：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
int rand = 1;
int main()
{
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

当我们定义rand变量时，就会与stdlib库中的rand函数出现命名冲突，这在C语言中只能通过修改变量名称来解决。但是在C++中，我们可以就可以使用命名空间来解决。

7.3. 命名空间的定义

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。

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
namespace betty
{
	int rand = 1;
}
int main()
{
	printf("%d\n", betty::rand);
	//使用域作用限定符，指定作用域
	return 0;
}

7.4. 命名空间的使用

在我们定义完命名空间之后，我们可以通过三种方式访问命名空间。

7.4.1. 域限定符访问

这我们在前面已经实验演示过，现在我们来演示一下访问C++标准命名空间。(cout，endl等常用函数都被定义在C++标准命名空间std中)。

#include<iostream>
int main()
{
	std::cout << "hello betty" << std::endl;
	return 0;
}

如果未指定命名空间，编译器将报错。

7.4.2. using 部分展开

在我们书写代码时，可能会频繁调用某个函数，这是我们可以使用using部分展开，来简化代码。使用方式为using 命名空间名称:: 成员。

#include<iostream>
int main()
{
	std::cout << "hello betty" << std::endl;
	std::cout << "hello betty" << std::endl;
	std::cout << "hello betty" << std::endl;
	//频繁调用cout，endl
	return 0;
}
#include<iostream>
using std::cout;
using std::endl;
int main()
{
	cout << "hello betty" << endl;
	cout << "hello betty" << endl;
	cout << "hello betty" << endl;
	return 0;
}

7.4.3. using namespcae全部展开

除了部分展开，自然也有全局展开。其格式为using namespace 命名空间名。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "hello betty" << endl;
	cout << "hello betty" << endl;
	cout << "hello betty" << endl;
	return 0;
}

但这种方式在真正的项目实战中，并不推荐使用。因为这可能造成不必要的冲突。但是我们平时练习为了方便，可以全部展开。

7.5. 命名空间的嵌套

命名空间的使用与循环，选择语句一样是支持嵌套使用的。

#include<iostream>
using namespace std;
namespace betty1
{
	int a = 1;
	namespace betty2//嵌套
	{
		int Add(int a, int b)
		{
			return a + b;
		}
	}
}
int main()
{
	cout << betty1::a << endl;
	//访问通过限定符依次访问
	cout << betty1::betty2::Add(1, 2) << endl;
	return 0;
}

7.6. 命名空间的合并

在同一个工程中我们可以定义多个名称相同的命名空间，在编译时命名空间会自动合并。

namespace betty
{
	int a = 1;
}
namespace betty
{
	int b = 1;
}
//编译时会自动合并