C++_入门

C++入门

C++发展历程

C++的起源可以追溯到1979年，当时Bjarne Stroustrup(本贾尼·斯特劳斯特卢普，这个翻译的名字不同的地⽅可能有差异)在贝尔实验室从事计算机科学和软件⼯程的研究工作。面对项目中复杂的软件开发任务，特别是模拟和操作系统的开发⼯作，他感受到了现有语⾔（如C语⾔）在表达能⼒、可维护性和可扩展性⽅⾯的不⾜。

1983年，Bjarne Stroustrup在C语⾔的基础上添加了面向对象编程的特性，设计出了C++语⾔的雏形，此时的C++已经有了类、封装、继承等核心概念，为后来的面向对象编程奠定了基础。这⼀年该语⾔被正式命名为C++。

在随后的几年中，C++在学术界和⼯业界的应用逐渐增多。⼀些大学和研究所开始将C++作为教学和研究的首选语言，⽽⼀些公司也开始在产品开发中尝试使用C++。这⼀时期，C++的标准库和模板等特性也得到了进⼀步的完善和发展。

C++的标准化⼯作于1989年开始，并成立了⼀个ANSI和ISO（International Standards Organization）国际标准化组织的联合标准化委员会。1994年标准化委员会提出了第⼀个标准化草案。在该草案中，委员会在保持斯特劳斯特卢普最初定义的所有特征的同时，还增加了部分新特征。

在完成C++标准化的第⼀个草案后不久，STL（Standard Template Library）是惠普实验室开发的⼀系列软件的统称。它是由Alexander Stepanov、Meng Lee和David R Musser在惠普实验室⼯作时所开发出来的。在通过了标准化第⼀个草案之后，联合标准化委员会投票并通过了将STL包含到C++标准中的提议。STL对C++的扩展超出C++的最初定义范围。虽然在标准中增加STL是个很重要的决定，但也因此延缓了C++标准化的进程。

1997年11⽉14⽇，联合标准化委员会通过了该标准的最终草案。1998年，C++的ANSI/IS0标准被投入使用。

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C++版本更新

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C++参考文档

https://legacy.cplusplus.com/reference/

https://zh.cppreference.com/w/cpp

https://en.cppreference.com/w/

C++的重要性

编程语言排行榜

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C++在工作中的应用

C++的应⽤领域服务器端、游戏（引擎）、机器学习引擎、音视频处理、嵌入式软件、电信设备、金融应用、基础库、操作系统、编译器、基础架构、基础⼯具、硬件交互等很多方面都有。

系统软件开发：C++因其接近硬件的特性和高性能，常用于操作系统、驱动程序和嵌入式系统等底层软件开发。
游戏开发：许多游戏引擎，如Unreal Engine，使用C++来实现其核心系统，因为C++提供了对性能的精细控制。
高性能计算：在需要处理大量数据和执行复杂计算的领域，如科学计算、金融分析、数据分析等，C++因其执行效率而受到青睐。
实时系统：C++的确定性性能使其适用于需要严格时间控制的实时系统，如航空电子设备、医疗设备等。
网络和通信：C++在网络服务器、通信协议栈和网络安全工具的开发中扮演着重要角色。
图形和用户界面：虽然许多现代图形界面框架使用其他语言，但C++依然在高性能图形渲染和复杂用户界面开发中发挥作用。
企业级应用：在需要处理大量数据和复杂逻辑的企业应用中，C++提供了必要的性能和控制。
编译器和解释器：C++被用于开发其他编程语言的编译器和解释器，如GCC（GNU编译器集合）。
机器学习和人工智能：虽然Python在这一领域更为流行，但C++在性能关键型任务中，如深度学习框架的底层实现中，仍然非常重要。
物联网(IoT)：C++在物联网设备和传感器网络的开发中，因其资源效率和性能而受到使用。
汽车行业：在汽车行业中，C++用于开发高级驾驶辅助系统(ADAS)和其他车载软件。
科学研究：在物理、化学、生物学等领域的模拟和研究中，C++因其能够处理复杂算法和大量数据而得到应用。

C++的第一个程序

//test.cpp
#include <stdio.h>

int main(){
    printf("hello world!\n");
    
    return 0;
}

这时候就会有同学问了，老师，我学的不是c++吗？怎么直接给我梦回c语言第一课了？

但是这第一个c++程序是有存在的意义的，这代表着C++兼容C语⾔绝大多数的语法，所以C语⾔实现的hello world依旧可以运⾏，C++中需要把定义文件代码后缀改为.cpp，vs编译器看到是.cpp就会调⽤C++编译器编译，linux下要⽤g++编译，不再是gcc。

当然，其实在c++里应该这样写。

#include <iostream>
using namespace std;

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

命名空间

namespace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。命名空间中可以定义变量/函数/类型等。
namespace本质是定义出⼀个域，这个域跟全局域各自独立，不同的域可以定义同名变量。
C++中域有函数局部域，全局域，命名空间域，类域；域影响的是编译时语法查找⼀个变量/函数/类型出处(声明或定义)的逻辑，所有有了域隔离，名字冲突就解决了。局部域和全局域除了会影响编译查找逻辑，还会影响变量的⽣命周期，命名空间域和类域不影响变量⽣命周期。

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

namespace Htzsl{
    int rand = 10;
    
    int Add(int x, int y){
        return x+y;
    }
    
    struct Node{
        struct Node* next;
        int val;
	};    
}//没有分号哦

int main(){
    //这里访问的是全局的rand函数指针
    printf("%p\n", rand);
    //这里访问的是命名空间中的rand
    printf("%d\n", Htzsl::rand);
    
    return 0;
}

namespace只能定义在全局，当然他还可以嵌套定义。

namespace XMU{
    namespace Htzsl1{
        int rand = 100;
    }
    
    namespace Htzsl2{
        int rand = 200;
    }
}//没有分号哦

int main(){
    //这里访问的是Htzsl1的rand(100)
    printf("%d\n", XMU::Htzsl1::rand);
    //这里访问的是Htzsl2的rand(200)
    printf("%d\n", XMU::Htzsl2::rand);
    
    return 0;
};

项目工程中多文件中定义的同名namespace会认为是⼀个namespace，不会冲突。
C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中。

namespace的价值

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。 c语⾔项⽬类似下面程序这样的命名冲突是普遍存在的问题，C++引⼊namespace就是为了更好的解决这样的问题。

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

int rand = 10;

int main(){
    // 编译报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

namespace的使用

编译查找⼀个变量的声明/定义时，默认只会在局部或者全局查找，不会到命名空间里面去查找。所以下面程序会编译报错。所以我们要使⽤命名空间中定义的变量/函数，有三种⽅式：

指定命名空间访问，项⽬中推荐这种方式。
using将命名空间中某个成员展开，项⽬中经常访问的不存在冲突的成员推荐这种⽅式。
开命名空间中全部成员，项目不推荐，冲突风险很大，日常小练习程序为了方便推荐使用。

#include <stdio.h>

namespace N{
    int a = 10;
    int b = 20;
}

// 指定命名空间访问
int main(){
    printf("%d\n", N::a);
    return 0;
} 
// using将命名空间中某个成员展开
using N::b;
int main(){
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}
// 展开命名空间中全部成员
using namespce N;
int main(){
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}

C++的输入输出

是 Input Output Stream 的缩写，是标准的输⼊、输出流库，定义了标准的输⼊、输出对象。
std::cin 是 istream 类的对象，它主要面向窄字符（narrow characters (of type char)）的标准输入流。
std::cout 是 ostream 类的对象，它主要面向窄字符的标准输出流。
std::endl 是⼀个函数，流插入输出时，相当于插入⼀个换行字符加刷新缓冲区。
<<是流插入运算符，>>是流提取运算符。（C语言还用这两个运算符做位运算左移/右移）
使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动指定格式，C++的输⼊输出可以自动识别变量类型(本质是通过函数重载实现的)，其实最重要的是C++的流能更好的支持自定义类型对象的输入输出。
IO流涉及类和对象，运算符重载、继承等很多面向对象的知识，这里我们只能简单认识⼀下C++ IO流的用法。
cout/cin/endl等都属于C++标准库，C++标准库都放在⼀个叫std(standard)的命名空间中，所以要通过命名空间的使用方法去用他们。
⼀般日常练习中我们可以using namespace std，实际项⽬开发中不建议using namespace std。
这⾥我们没有包含<stdio.h>，也可以使⽤printf和scanf，在包含间接包含了。vs系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 0;
    double b = 0.1;
    char c = 'x';
    
    cout << a << " " << b << " " << c << endl;
    std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl;
    
    scanf("%d%lf", &a, &b);
    printf("%d %lf\n", a, b);
    
    // 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;
}

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
    // 在io需求⽐较⾼的地⽅，如部分⼤量输⼊的竞赛题中，加上以下3⾏代码
    // 可以提⾼C++IO效率
    ios_base::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);
    cout.tie(nullptr);
    return 0;
}

缺省参数

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，缺省参数分为全缺省和半缺省参数。（有些地方把缺省参数也叫默认参数）
全缺省就是全部形参给缺省值，半缺省就是部分形参给缺省值。C++规定半缺省参数必须从右往左依次连续缺省，不能间隔跳跃给缺省值。
带缺省参数的函数调用，C++规定必须从左到右依次给实参，不能跳跃给实参。
函数声明和定义分离时，缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，规定必须函数声明给缺省值。

#include <iostream>
using namespace std;

// 全缺省
void Func1(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
} 
// 半缺省
void Func2(int a, int b = 10, int c = 20)
{
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
} 

int main(){
    Func1();					//10 20 30
    Func1(1);					//1 20 30
    Func1(1,2);					//1 2 30
    Func1(1,2,3);				//1 2 3
    Func2(100);					//100 10 20
    Func2(100, 200);			//100 200 20
    Func2(100, 200, 300);		//100 200 300
    return 0;
}

函数重载

C++⽀持在同⼀作用域中出现同名函数，但是要求这些同名函数的形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。

这样C++函数调用就表现出了多态行为，使用更灵活。C语言是不支持同⼀作用域中出现同名函数的。

#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;
} 
// 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;
}
// 返回值不同不能作为重载条件，因为调⽤时也⽆法区分
//void fxx()
//{
//
//}
//
//int fxx()
//{
//	return 0;
//}
// 下⾯两个函数构成重载
// f()但是调⽤时，会报错，存在歧义，编译器不知道调⽤谁
void f1()
{
	cout << "f()" << endl;
} 
void f1(int a = 10){
	cout << "f(int a)" << endl;
} 
int main(){
    Add(10, 20);
    Add(10.1, 20.2);
    f();
    f(10);
    f(10, 'a');
    f('a', 10);
    return 0;
}

引用

引用的定义

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。

[类别]& [引用别名] = [引用对象];

C++中为了避免引入太多的运算符，会复用C语⾔的⼀些符号，⽐如前面的<< 和 >>，这⾥引用也和取地址使⽤了同⼀个符号&，⼤家注意使用方法角度区分就可以。

#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 0;
    // 引⽤：b和c是a的别名
    int& b = a;
    int& c = a;
    // 也可以给别名b取别名，d相当于还是a的别名
    int& d = b;
    ++d;
    // 这⾥取地址我们看到是⼀样的
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    cout << &d << endl;
    return 0;
}

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引用的特性

引用在定义时必须初始化
⼀个变量可以有多个引用
引用⼀旦引用⼀个实体，再不能引用其他实体

#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 10;
    // 编译报错：“ra”: 必须初始化引⽤
    //int& ra;
    int& b = a;
    int c = 20;
    // 这⾥并⾮让b引⽤c，因为C++引⽤不能改变指向，
    // 这⾥是⼀个赋值
    b = c;
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    return 0;
}

引用的使用

引用在实践中主要是于引用传参和引用做返回值中减少拷贝提高效率和改变引用对象时同时改变被引用对象。
引用传参跟指针传参功能是类似的，引用传参相对更⽅便⼀些。
引用返回值的场景相对比较复杂，在这里我们简单涉猎。
引用和指针在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。C++的引用跟其他语⾔的引用(如Java)是有很大的区别的，除了用法，最大的点，C++引用定义后不能改变指向，Java的引用可以改变指向。

void Swap(int& rx, int& ry)
{
    int tmp = rx;
    rx = ry;
    ry = tmp;
    /*
    顺带一提，交换有一种比较高级的写法：
    rx = rx ^ ry;
    ry = rx ^ ry;
    rx = rx ^ ry;
    */
} 
int main(){
    int x = 0, y = 1;
    cout << x <<" " << y << endl;
    Swap(x, y);
    cout << x << " " << y << endl;
    return 0;
}

const与引用

可以引用⼀个const对象，但是必须用const引⽤。const引用也可以引用普通对象，也就是说在引用过程中，对象的访问权限可以缩小而不能放大。
需要注意的是类似

int& rb = a*3; double d = 12.34; int& rd = d;

这样⼀些场景下a*3的和结果保存在⼀个临时对象中， int& rd = d 也是类似，在类型转换中会产生临时对象存储中间值，也就是说，rb和rd引用的都是临时对象，⽽C++规定临时对象具有常性，所以这里就触发了权限放大，必须要用常引用才可以。

所谓临时对象就是编译器需要⼀个空间暂存表达式的求值结果时临时创建的⼀个未命名的对象，C++中把这个未命名对象叫做临时对象。

int main(){
    const int a = 10;
    // 编译报错：error C2440: “初始化”: ⽆法从“const int”转换为“int &”
    // 这⾥的引⽤是对a访问权限的放⼤
    //int& ra = a;
    
    // 这样才可以
    const int& ra = a;
    // 编译报错：error C3892: “ra”: 不能给常量赋值
    //ra++;
    
    // 这⾥的引⽤是对b访问权限的缩⼩
    int b = 20;
    const int& rb = b;
    // 编译报错：error C3892: “rb”: 不能给常量赋值
    //rb++;
    
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 10;
    const int& ra = 30;
    // 编译报错: “初始化”: ⽆法从“int”转换为“int &”
    // int& rb = a * 3;
    const int& rb = a*3;
    
    double d = 12.34;
    // 编译报错：“初始化”: ⽆法从“double”转换为“int &”
    // int& rd = d;
    const int& rd = d;
    
    return 0;
}

指针与引用

C++中指针和引用就像两个性格迥异的亲兄弟，指针是哥哥，引用是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有自己的特点，互相不可替代。
语法概念上引用是⼀个变量的取别名不开空间，指针是存储⼀个变量地址，要开空间。
引用在定义时必须初始化，指针建议初始化，但是语法上不是必须的。
引用在初始化时引用⼀个对象后，就不能再引用其他对象；而指针可以在不断地改变指向对象。
引用可以直接访问指向对象，指针需要解引用才是访问指向对象。
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4byte，64位下是8byte) 。
指针很容易出现空指针和野指针的问题，引用很少出现，引用使⽤起来相对更安全⼀些。
指针的作用域可以跨越多个函数和模块，可以通过指针传递数据。引用的作用域仅限于声明它的函数或作用域。

inline

用inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用的地方展开内联函数，这样调用内联函数就不需要建立栈帧了，就可以提高效率。
inline对于编译器而言只是⼀个建议，也就是说，你加了inline编译器也可以选择在调用的地方不展开，不同编译器关于inline什么情况展开各不相同，因为C++标准没有规定这个。inline适用于频繁调用的短小函数，对于递归函数，代码相对多⼀些的函数，加上inline也会被编译器忽略。
C语⾔实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错的，且不方便调试，C++设计了inline目的就是替代C的宏函数。
inline不建议声明和定义分离到两个⽂件，分离会导致链接错误。因为inline被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。

#include<iostream>
using namespace std;

inline int Add(int x, int y)
{
    int ret = x + y;
    ret += 1;
    ret += 1;
    ret += 1;
    return ret;
} 

int main(){
    // 可以通过汇编观察程序是否展开
    // 有call Add语句就是没有展开，没有就是展开了
    int ret = Add(1, 2);
    cout << Add(1, 2) * 5 << endl;
    return 0;
}

nullptr

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

C++中NULL可能被定义为字面常量0，或者C中被定义为无类型指针(void)的常量。不论采取哪种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，本想通过f(NULL)调用指针版本的f(int)函数，但是由于NULL被定义为0，调用了f(int x)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);调用会报错
C++11中引⼊nullptr，nullptr是⼀个特殊的关键字，nullptr是⼀种特殊类型的字面量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使用nullptr定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被隐式地转换为指针类型，而不能被转换为整数类型。

#include <iostream>
using namespace std;

void f(int x)
{
	cout << "f(int x)" << endl;
} 
void f(int* ptr)
{
	cout << "f(int* ptr)" << endl;
} 

int main(){
    f(0);
    // 本想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，调用了f(intx)，因此与程序的初衷相悖。
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    // 编译报错：error C2665: “f”: 2 个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型
    // f((void*)NULL);
    f(nullptr);
    
    return 0;
}

因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL);调用会报错

C++11中引⼊nullptr，nullptr是⼀个特殊的关键字，nullptr是⼀种特殊类型的字面量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使用nullptr定义空指针可以避免类型转换的问题，因为nullptr只能被隐式地转换为指针类型，而不能被转换为整数类型。

#include <iostream>
using namespace std;

void f(int x)
{
	cout << "f(int x)" << endl;
} 
void f(int* ptr)
{
	cout << "f(int* ptr)" << endl;
} 

int main(){
    f(0);
    // 本想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，调用了f(intx)，因此与程序的初衷相悖。
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    // 编译报错：error C2665: “f”: 2 个重载中没有⼀个可以转换所有参数类型
    // f((void*)NULL);
    f(nullptr);
    
    return 0;
}