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C++語言學習（二）——C++對C語言基礎語法的擴展

C++是基於C語言擴展發展而來的面向對象的程序設計語言，本文將主要討論C++語言基於C語言擴展的方面。

一、實用性增強

C語言中變量的定義必須在作用域開始的位置進行定義。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;//定義變量
    int j;

    //使用變量
    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        for(j = 0; j < 10; j++)
        {
        }
    }
    //error: ‘for‘ loop initial declarations are only allowed in C99 mode
    for(int k = 0; k < 10; k++)
    {
    }

    return 0;
}
 

C++更強調語言的實用性，C++中所有的變量可以在需要使用時再定義。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 7;
    //使用時定義變量
    for(int i = 0; i < 10; i++)
    {
        for(int j = 0; j < 10; j++)
        {
        }
    }
    return 0;
}

二、類型增強

1、類型檢查更嚴格

在C語言中：

const int a = 100;
int *p = &a;
 

在C++語言中：

 const int a = 100;//必須在定義的時候初始化
 const int *p = &a;//類型必須嚴格匹配

在C++語言中不能隱式轉換數據類型。
error: invalid conversion from ‘const int*‘ to ‘int*‘ [-fpermissive]

2、bool類型

C語言中，沒有定義bool類型，表示真用非0，假用0。
C++語言中，定義了自己的bool類型，真為true，假為false，是基本類型。
sizeof（bool） = 1
C++編譯器會將非0值轉換為true，0轉換為false

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    bool a = 0;
    printf("a = %d\n", a);//0
    bool b = -1;
    printf("b = %d\n", b);//1
    b = b + 1;//1 + 1 = 2 => 1
    printf("b = %d\n", b);//1
    printf("sizeof(bool) = %d\n", sizeof(bool));//1
    return 0;
}
 

3、枚舉

C語言中枚舉本質就是整型，枚舉變量可以用任意整型賦值。而c++中枚舉變量，只能用被枚舉出來的元素初始化。
在C語言中，枚舉的使用

#include <stdio.h>
enum weekday
{
monday,tuesday,wednesday,thursday,friday,saturday,sunday
};
int main(int argc, char **argv)
{
    enum weekday day = monday;
    enum weekday a = sunday;
    enum weekday b = 100;
//weekday c = sunday;錯誤用法，需要使用enum聲明
    printf("%d %d %d\n", day, a, b); 
    return 0;
}

在C++語言中枚舉的使用

enum weekday
{
    monday,tuesday,wednesday,thursday,friday,saturday,sunday
};
int main()
{
    weekday day = sunday;
    enum weekday a = monday;
    cout<<day<<" "<<a<<endl;
    return 0;
}

4、表達式做左值

C語言中表達式不可以做左值，C++中某些表達式可以做左值。
(a = b) = 6;

5、register關鍵字

register關鍵字請求編譯器將局部變量存儲到寄存器中。
C語言中，無法獲取register關鍵字修飾的局部變量的地址。
C++語言中，C++依然支持register關鍵字，但C++編譯器對register關鍵字進行了優化，C++語言中可以獲取register變量的地址。對於早期的C++編譯器，C++編譯器發現程序中需要獲取register關鍵字修飾的變量地址時，register關鍵字對變量的聲明失效；對於現代C++編譯器，register關鍵字的存在只是為了兼容C語言，register關鍵字本身已經無任何意義。

6、全局變量

C語言中可以重復定義多個重名的全局變量，同名的全局變量被鏈接到全局數據區的一個地址空間。

#include <stdio.h>

//定義重名的全局變量合法
int a;
int a;

int main(int argc, char *argv[])
{

    return 0;
}

C++語言不允許定義多個同名的全局變量。

#include <iostream>

using namespace std;

//定義重名的全局變量是非法的
int a;
int a;
//error: redefinition of ‘int a‘

int main(int argc, char *argv[])
{

    return 0;
}

7、struct

C語言中，struct定義了一種變量的集合，struct定義的標識符不是一種新類型。C語言中的struct內部不可以定義函數。

#include <stdio.h>

struct tag_student
{
    const char* name;
    int age;
};
typedef struct tag_student Student;

int main(int argc, char *argv[])
{
    //合法定義
    Student s;
    s.name = "lee";
    s.age = 30;
    //非法定義
    tag_student ts;//error: unknown type name ‘tag_student‘
    //合法定義
    struct tag_student sts;
    sts.name = "bauer";
    sts.age = 23;
    return 0;
}

C語言中只有使用typedef關鍵字重命名struct後才可以使用Student定義變量。
C++語言中struct用於定義一種全新的類型，可以使用struct定義的標識符直接定義變量。

#include <iostream>

using namespace std;

struct Student
{
    const char* name;
    int age;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Student s;
    s.name = "bauer";
    s.age = 20;
    return 0;
}

8、函數參數

在C語言中，函數在定義時沒有給出參數、返回值的類型，默認為int。
int f()表示返回值為int，接受任意參數的函數
f(void)表示返回值為int的無參數函數

#include <stdio.h>

//接受任意個參數，返回int類型
func1()
{
    return 30;
}
//無參函數，返回int類型
func2(void)
{
    return 20;
}
//參數i默認為int類型
void func3(i)
{
    printf("i = %d\n", i);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = func1(1,2,3);
    printf("a = %d\n", a);//30
    int b = func2();
    printf("b = %d\n", b);//20
    func3(10);//10
    return 0;
}

C++語言中，所有的標識符都必須顯示的聲明類型。C語言中的默認類型在C++中是不合法的。

#include <iostream>

using namespace std;

//error: ISO C++ forbids declaration of ‘func1‘ with no type [-fpermissive]
func1()
{
    return 30;
}
//無參數，返回int
int func2()
{
    return 20;
}

int func3(void)
{
    return 10;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    //error: too many arguments to function ‘int func2()‘
    int a = func2(20);
    int b = func2();
    int c = func3();
    return 0;
}

9、const

C語言中，const修飾的變量是只讀的，本質還是變量，可以借助指針修改變量空間的值；const修飾的變量會分配存儲空間，const修飾的局部變量分配在棧上，const修飾的全局變量分配在只讀存儲區，修改const修飾的全局變量的值將會導致異常錯誤；const只在編譯期有效，在運行期無效；const關鍵詞用於向編譯器表明const修飾的變量不能做左值。

#include <stdio.h>

//const全局變量，分配在只讀存儲區
const int number = 10;

int main(int argc, char *argv[])
{
    const int c = 0;
    int* p = (int*)&c;//編譯器會為c分配空間
    printf("Begin...\n");
    *p = 5;
    printf("c = %d\n", c);//5
    c = 10;//error: assignment of read-only variable ‘c‘
    int* cp = &number;
    *cp = 100;//程序異常
    const int number = 10;
    int array[number] = {0};//只讀變量，編譯時無法確定其值
    //error: variable-sized object may not be initialized
    printf("End...\n");
    return 0;
}

C++語言中，對C語言基礎的const進行了優化處理。編譯器編譯過程中遇到const修飾的標識符時，會將const修飾的標識符放入符號表中。如果後續編譯過程中發現const修飾的標識符時，直接使用符號表中const修飾的標識符對應的值直接替換。但在以下情況下C++編譯器會給const聲明的常量分配空間：
A、const修飾的常量為全局（extern修飾），並且需要在其它文件中使用
B、使用&操作符對cosnt常量取地址
C++編譯器雖然會對const常量分配空間，但不會使用其存儲空間的值。
const常量的判別：
A、只有用字面量初始化的const常量才會進入符號表
B、使用其他變量初始化的const常量仍然是只讀變量
C、被volatile修飾的const常量不會進入符號表
const引用類型與初始化變量的類型相同時，初始化變量為只讀變量；不同時，生成一個新的只讀變量。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    const int a = 10;
    //error: invalid conversion from ‘const int*‘ to ‘int*‘
    int* p = &a;
    int* cp = (int*)&a;
    *cp = 100;
    printf("a = %d\n", a);//10
    printf("*cp = %d\n", *cp);//100

    int b = 3;
    //使用其它變量初始化的const常量是只讀變量
    const int c = b;
    //error: variable-sized object ‘array‘ may not be initialized
    int array[c] = {0};
    //使用volatile修飾的const常量不會進入符號表
    volatile const int d = 10;
    //error: variable-sized object ‘varray‘ may not be initialized
    int varray[d] = {0};

    return 0;
}

C++語言中const與宏定義的不同在於，const常量由編譯器處理，編譯器會對const常量進行類型檢查和作用域檢查，而宏定義由預處理器進行處理，是單純的文本替換。

#include <iostream>

using namespace std;

void func1()
{
    #define NUMBER 100
    const int number = 10;
    printf("NUMBER = %d\n",NUMBER);
    printf("number = %d\n",number);
}

void func2()
{
    //宏定義沒有作用域概念，預處理時直接替換
    printf("NUMBER = %d\n",NUMBER);
    printf("number = %d\n",number);
    //‘number‘ was not declared in this scope
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    func1();
    func2();
    const int number = 10;
    //編譯時使用符號表的值替換
    int array[number] = {0};
    return 0;
}

10、三目運算符

C語言中，三目運算符返回變量的值，三目運算符表達式不能做左值使用。
C++語言中，三目運算符可直接返回變量本身，三目運算符表達式可以作為左值使用。但是當三目運算符表達式可能返回的值中有一個是常量值，則三目運算符表達式不能作為左值使用。
C++中，當三目運算符表達式可能返回的都是變量時，返回的是變量的引用；當三目運算符表達式可能返回的有常量值時，返回的是值。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 3;
    int b = 2;
    //返回變量本身，可以做左值
    (a>b?a:b) = 10;
    printf("a>b?a:b = %d\n",a>b?a:b);
    //返回變量的值，不能做左值
    (a<b?1:b) = 20;
    //error: lvalue required as left operand of assignment
    return 0;
}

三、輸入與輸出

1、cin&cout

cin和cout是C++的標準輸入流和輸出流，在頭文件 iostream 中定義。
流名 含義 隱含設備 流名 含義 隱含設備
cin 標準輸入 鍵盤 cerr 標準錯誤輸出 屏幕
cout 標準輸出 屏幕 clog cerr 的緩沖輸出 屏幕

int main()
{
    char name[30];
    int age;
    cout<<"pls input name and age:"<<endl;
    cin>>name;
    cin>>age;
    cout<<"your name is: "<<name<<endl;
    cout<<"your age is: "<<age<<endl;
    return 0;
}

2、格式化

A、按進制輸出數據類型

cout<<dec<<i<<endl;
cout<<hex<<i<<endl;
cout<<oct<<i<<endl;

B、設置域寬，設置左右對齊及填充字符

int main()
{
    cout<<setw(10)<<1234<<endl;
    cout<<setw(10)<<setfill(‘0‘)<<1234<<endl;
    cout<<setw(10)<<setfill(‘0‘)<<setiosflags(ios::left)<<1234<<endl;
    cout<<setw(10)<<setfill(‘-‘)<<setiosflags(ios::right)<<1234<<endl;
    return 0;
}

C、實型數據的設置

cout<<setw(5)<<‘a‘<<endl<<setw(5)<<100<<endl
        <<setprecision(2)<<setiosflags(ios::fixed)<<120.00<<endl;

四、函數重載

1、函數重載簡介

C語言中不允許重名函數的存在。
C++語言中為了簡化編程允許重名函數的存在，即使用同一個函數名定義不同的函數，重名函數稱為函數重載。
重載函數本質是定義的相互獨立的不同函數。當函數名和不同的參數搭配時函數的含義不同。

int abs(int a)
{
    return a>0? a:-a;
}
double abs(double a)
{
    return a>0? a:-a;
}

2、函數重載規則

函數重載的規則如下：
A、函數名相同。
B、參數個數不同，參數的類型不同，參數順序不同，均可構成重載。
C、返回值類型不同則不可以構成重載。

#include <iostream>

using namespace std;

int func(int a, int b, int c = 0)
{
    return a + b + c;
}

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    //函數調用時出現二義性
    int x = func(1,2);
    //error: call of overloaded ‘func(int, int)‘ is ambiguous
    return 0;
}

3、函數重載的匹配規則

編譯器調用重載函數的匹配規則如下：
A、將所有同名函數作為候選者
B、尋找可行的候選參數
C、匹配成功或失敗
函數重載的匹配規則如下：
A、精確匹配實參，找到則調用。
B、通過默認參數能夠匹配實參
C、通過默認類型轉換匹配實參
通過默認類型轉換匹配實參時，通過隱式轉換尋求一個匹配，找到則調用。
C++允許int到long和double的隱式類型轉換，因此在函數重載時會引起二義性，解決方法是在調用時強轉類型。

#include <iostream>

using namespace std;

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

double func(double a, double b,double c)
{
    cout << "func(double a, double b,double c)"<<endl;
    return a + b + c;
}

long func(long a, long b,long c)
{
    cout << "func(long a, long b,long c)"<<endl;
    return a + b + c;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = 3;
    //int xa = func(a,b,c);//出現二義性
    int x = func((long)a,(long)b,(long)c);
    printf("x = %d\n", x);

    return 0;
}

編譯器調用重載函數匹配失敗的規則：
A、如果最終找到的候選函數不唯一，則出現二義性，編譯報錯。
B、如果無法匹配所有候選者，函數未定義，編譯報錯。
重載函數使用默認參數可能會造成二義性。

#include <iostream>

using namespace std;

int func(int a, int b, int c = 0)
{
    return a + b + c;
}

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    //函數調用時出現二義性
    int x = func(1,2);
    //error: call of overloaded ‘func(int, int)‘ is ambiguous
    return 0;
}

4、函數重載的底層實現

C++利用name mangling(傾軋)技術，來改名函數名，區分參數不同的同名函數。
C++的name mangling實現使用 v c i f l d表示void char int float long double及其引用。

    void func(char a); // func_c(char a)
    void func(char a, int b, double c);//func_cid(char a, int b, double c);

name mangling發生在兩個階段，.cpp編譯階段和.h的聲明階段。只有兩個階段同時進行，才能匹配調用。

#include <iostream>

using namespace std;
//函數類型：int(int,int)
int func(int a, int b)
{
    return a + b;
}
//函數類型：double(double, double, double)
double func(double a, double b,double c)
{
    cout << "func(double a, double b,double c)"<<endl;
    return a + b + c;
}
//函數類型：long(long,long,long)
long func(long a, long b,long c)
{
    cout << "func(long a, long b,long c)"<<endl;
    return a + b + c;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = 3;
    //int func(int a, int b)
    printf("x1 = 0x%X\n", (int(*)(int,int))func);
    //long func(long a, long b,long c)
    printf("x2 = 0x%X\n", (long(*)(long,long,long))func);
    //double func(double a, double b,double c)
    printf("x3 = 0x%X\n", (double(*)(double,double,double))func);

    return 0;
}

使用nm工具查看main.o文件中符號表信息的命令如下：
nm.exe -a main.o
func重載函數的符號表信息如下：

00000036 T __Z4funcddd
00000029 T __Z4funcii
00000090 T __Z4funclll

上述的信息表示代碼中的三個重載函數。

5、函數重載與函數指針

將重載函數名賦值給函數指針時，根據重載規則選擇與函數指針參數列表一致的函數。重載函數的函數類型與函數指針類型必須嚴格匹配（不能有任何類型的隱式轉換），此時函數返回類型將參與函數類型匹配。
函數重載必須發生在同一個作用域，無法通過函數名得到重載函數的入口地址。
重載函數的函數類型不同。

#include <iostream>

using namespace std;
//函數類型：int(int,int)
typedef int(*pFunc1)(int,int);
int func(int a, int b)
{
    cout << "func(int a, int b)"<<endl;
    return a + b;
}
//函數類型：double(double, double, double)
typedef double(*pFunc2)(double,double,double);
double func(double a, double b,double c)
{
    cout << "func(double a, double b,double c)"<<endl;
    return a + b + c;
}
//函數類型：long(long,long,long)
typedef long(*pFunc3)(long,long,long);
long func(long a, long b,long c)
{
    cout << "func(long a, long b,long c)"<<endl;
    return a + b + c;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = 3;
    pFunc1 func1 = func;
    int x1 = func1(1,2);//int func(int a, int b)
    printf("func1 = %d\n", x1);
    pFunc2 func2 = func;
    int x2 = func2(1,2,3);//double func(double a, double b,double c)
    printf("func2 = %d\n", x2);
    pFunc3 func3 = func;
    int x3 = func3(1,2,3);//long func(long a, long b,long c)
    printf("func3 = %d\n", x3);

    return 0;
}

重載函數的調用可能會存在隱式類型轉換，比如int到long、double類型的轉換，但是要函數指針調用重載函數時，函數指針的類型必須與重載函數的類型嚴格匹配。

6、函數重載的註意事項

函數重載的註意事項如下：
A、函數重載必然發生在同一個作用域中。
B、編譯器需要使用參數列表或函數類型進行函數的選擇。
C、不能直接通過函數名得到重載函數的入口地址。

五、C++與C的相互調用

1、C++與C的兼容

C++完全兼容C語言，因此必須完全兼容C的類庫。由於.c文件的類庫文件中函數名並沒有發生name manling行為，而在包含.c文件所對應的.h文件時，.h 文件要發生name manling行為，因而會在編譯鏈接時候發生錯誤。
C++為了避免上述錯誤的發生，重載了關鍵字extern。只需要要避免name manling的函數前，加extern "C"如有多個，則extern "C"{}。
C語言標準庫中實際上對C++語言程序引用時做了特殊處理，在C++語言編譯器編譯時使用extern "C"將C語言的標準庫函數排除了命名傾軋。
為了確保無論在C、C++編譯器中C代碼以C語言方式編譯：

#ifdef __cplusplus
extern "C"{
#endif
//c-style code
#ifdef __cplusplus
}
#endif

C++編譯器不能以C語言方式編譯重載函數，C++編譯器將函數名和參數列表編譯為目標名，C語言編譯方式只將函數名作為目標名進行編譯。

2、C++代碼引用C函數

C++調用C語言編碼的.dll時，當包含.dll的頭文件或聲明接口函數時需要加extern “C”。
add.h源碼：

#ifndef ADD_H
#define ADD_H

extern int add(int a, int b);

#endif

add.c源碼：

#include "add.h"

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

main.cpp源碼：

#include <stdio.h>

extern "C"
{
#include "add.h"
}
int main()
{
    int c = add(10, 100);
    printf("%d\n", c);
    return 0;
}

gcc add.c -o add.o
g++ add.o main.cpp

3、C代碼引用C++函數

C代碼中引用C++的函數和變量時，C++頭文件需要添加extern “C”，但在C代碼中不能直接引用聲明了extern “C”的C++頭文件，C代碼中只需要將C++中定義的extern “C”函數聲明為extern類型即可。
add.h源碼：

#ifndef ADD_H
#define ADD_H

extern "C" int add(int a, int b);

#endif

add.cpp源碼：

#include "add.h"

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

main.c源碼：

#include <stdio.h>
//#include "add.h"   錯誤
extern int add(int a, int b);

int main()
{
    int x = add(1, 2);
    printf("x = %d\n", x);
    return 0;
}

編譯：

g++ -c add.cpp -o add.o
 gcc main.c add.o -lstdc++

或是gcc add.cpp main.c -lstdc++
g++會自動進行C++標準庫的連接；用gcc連接C++程序也可以，但需要人為指定連接C++標準庫（-lstdc++），否則就會出現undefined reference to __gxx_personality_v/0之類的錯誤。

六、操作符重載

C++提供了運算符重載機制。可以為自定義數據類型重載運算符。實現構造數據類型也可以像基本數據類型一樣的運算特性。

struct COMP
{
    float real;
    float image;
};
COMP operator+(COMP one, COMP another)
{
    one.real += another.real;
    one.image += another.image;
    return one;
}
int main()
{
    COMP c1 = {1,2};
    COMP c2 = {3,4};
    COMP sum = operator+(c1,c2); //c1+c2;
    cout<<sum.real<<" "<<sum.image<<endl;
    return 0;
}

實例代碼重載了一個全局的操作符+號用於實現將兩個自定義結構體類型相加。本質是函數的調用。

七、函數默認參數

1、函數參數默認值

C++語言中，可以在函數聲明時為參數提供一個默認值。當函數調用沒有提供參數的值時，使用默認值。

2、默認參數的規則

函數默認參數的規則如下：
A、默認參數的順序，是從右向左，不能跳躍。
B、定義在前，調用在後(此時定義和聲明為一體)，默認參數在定義處；聲明在前，調用在後，默認參數在聲明處。
C、一個函數，不能既作重載，又作默認參數的函數。當你少寫一個參數時，系統無法確認是重載還是默認參數。
函數調用時參數從左到右匹配，如果一個參數使用了默認值，則後續參數必須使用默認值。

3、使用示例

A、單個參數

#include <iostream>
#include <time.h>

using namespace std;

void weatherForcast(char * w="sunny")
{
    time_t t = time(0);
    char tmp[64];
    strftime( tmp, sizeof(tmp), "%Y/%m/%d %X %A ",localtime(&t) );
    cout<<tmp<< "today is weahter "<<w<<endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    //sunny windy cloudy foggy rainy
    weatherForcast();
    weatherForcast("rainny");
    weatherForcast();
    return 0;
}

B、多個參數

#include <iostream>

using namespace std;

float volume(float length, float weight = 4,float high = 5)
{
    return length*weight*high;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    float v = volume(10);
    float v1 = volume(10,20);
    float v2 = volume(10,20,30);
    cout<<v<<endl;
    cout<<v1<<endl;
    cout<<v2<<endl;
    return 0;
}

4、函數占位參數

C++語言中可以為函數提供占位參數，占位參數只有類型聲明，沒有參數名聲明。由於C++類型檢查較為嚴格，為兼容C語言，可以將函數參數默認值和占位參數結合使用。
C語言中func函數如下：

#include <stdio.h>

void func()
{

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    func(5,10);
    return 0;
}

C語言中func函數接收任意個數的參數。
C++語言中對func函數增加占位參數可以使C語言中的func函數快速地滿足C++語言的語法要求，代碼如下：

#include <iostream>

using namespace std;

void func(int x, int = 0)
{

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    func(5,10);
    return 0;
}

八、引用

1、引用簡介

變量名，本身是一段內存的引用，即別名(alias)。引用，是為己有變量起一個別名。
Type& name = var;

     int a;
     int &b = a;

普通引用在定義時必須使用同類型的變量進行初始化。

2、引用的規則

A、引用沒有定義，是一種關系型聲明。聲明它和原有某一變量(實體)的關系。故 而類型與原類型保持一致，且不分配內存，與被引用的變量有相同的地址。
B、聲明的時候必須初始化，一經聲明，不可變更。
C、可對引用再次引用。多次引用的結果，是某一變量具有多個別名。
D、&符號前有數據類型時，是引用。其它皆為取地址。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 3;
    int c = 6;
    float f = 3.14;
    int& b = a;
    printf("&a = 0x%X\n", &a);
    printf("&b = 0x%X\n", &b);
    //error: redeclaration of ‘int& b‘
    int& b = c;//error
    //給b賦值
    b = c;
    //引用的類型必須與變量類型相同
    int& d = f;//error
    //error: invalid initialization of reference of type ‘int&‘ from expression of type ‘float‘

    //引用在定義時必須初始化
    int& rd;//error
    //error: ‘rd‘ declared as reference but not initialized
    //引用不可以使用字面值初始化
    int& r = 10;//error
    //error: invalid initialization of non-const reference of type ‘int&‘ from an rvalue of type ‘int‘
    return 0;
}

3、引用的應用

函數中的引用形參不需要進行初始化，函數調用時進行初始化。

#include <iostream>

using namespace std;
//引用
void swap(int &a, int &b)
{
    int tmp;
    tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
    printf("swap(int &a, int &b)\n");
}
//指針
void swap(int* a, int* b)
{
    int tmp;
    tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
    printf("swap(int* a, int* b)\n");
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 3;
    int b = 6;
    swap(a,b);
    printf("a = %d\n",a);//6
    printf("b = %d\n",b);//3
    swap(&a,&b);
    printf("a = %d\n",a);//3
    printf("b = %d\n",b);//6
    return 0;
}

4、引用的提高
A、可以定義指針的引用，但不能定義引用的引用。

  int a;
    int* p = &a;
    int*& rp = p; // ok
    int& r = a;
    int&& rr = r; // error

B、可以定義指針的指針(二級指針)，但不能定義引用的指針。

  int a;
    int* p = &a;
    int** pp = &p; // ok
    int& r = a;
    int&* pr = &r; // error

C、可以定義指針數組，但不能定義引用數組，可以定義數組引用。

  int a, b, c;
    int* parr[] = {&a, &b, &c}; // ok
    int& rarr[] = {a, b, c}; // error
    int arr[] = {1, 2, 3};
    int (&rarr)[3] = arr; // ok 的

數組是連續的存儲空間，數組中的元素如果是引用，會導致數組的元素存儲不連續。引用數組會破壞數組存儲空間的連續性。

5、const引用

const引用所引用的對象必須是const的，將普通引用綁定到const引用對象是不合法的。
const type& name = var;
const引用可使用相關類型的對象(常量，非同類型的變量或表達式)初始化，const引用讓變量具有只讀屬性，是const引用與普通引用最大的區別。
非const引用只能綁定到與該引用同類型的對象。
當const引用使用字面常量值初始化時，C++編譯器會為常量值分配空間，使用字面常量對const引用初始化將生成一個只讀變量。

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 10;
    const int& ra = a;//const引用，為只讀變量
    //只讀變量不能作為左值
    ra = 100;//error: assignment of read-only reference ‘c‘
    int* p = (int*)&ra;
    *p = 5;
    printf("ra = %d\n", ra);//5
    const int& rb = 10;//rb為只讀變量，占用內存空間
    //只讀變量不能作為左值
    rb = 100;//error
    int arraya[ra] = {0};//error
    //error: variable-sized object ‘arraya‘ may not be initialized
    int arrayb[rb] = {0};//error
    //error: variable-sized object ‘arrayb‘ may not be initialized
    double pi = 3.14;
    int& rpi = pi;//非法
    //error: invalid initialization of reference of type ‘int&‘ from expression of type ‘double‘
    const int& crpi = pi;//合法
    printf("rpi= %d\n",crpi);//3
    return 0;
}

6、引用的本質

C++編譯器在編譯過程中使用指針常量作為引用的內部實現，因此引用所占用空間大小與指針相同。引用的本質是一個指針常量。
type & name<====> type * const name；
使用引用時不能返回局部變量的引用

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(char&));//1
    char c = ‘a‘;
    char& rc = c;
    printf("sizeof(char&) = %d\n", sizeof(rc));//1
    return 0;
}

上述代碼的匯編代碼如下：

將字符’a’(0x61)存儲到指針寄存器0x1b，將0x1b放入eax數據寄存器中，再將eax數據寄存器存儲內容放入指針寄存器0x1c中。

九、new/delete

C語言中提供了malloc和free兩個系統函數，完成對堆內存的申請和釋放。而C++則提供了兩關鍵字new和delete。

1、new

new分配內存空間時，不能保證按需分配，分配內存空間大小可能會大於所需空間大小。因此，new會分配至少申請大小的內存空間。
A、開辟單變量地址空間

  int *p = new int; //開辟大小至少為sizeof(int)空間
    int *a = new int(5); //開辟大小至少為sizeof(int)空間，並初始化為 5

B、開辟數組空間
一維: int a = new int[100];//開辟一個大小不少於400字節的整型數組空間
二維: int (a)[6] = new int[5][6]
三維: int (*a)[5][6] = new int[3][5][6]

2、delete

A、釋放單變量空間

int *a = new int;
delete a; //釋放單個 int 的空間

B、釋放數組空間

int *a = new int[5];
delete []a; //釋放 int 數組空間

3、new/delete應用

  int *p = new int(5);
    cout<<*p<<endl;
    delete p;

    char *pp = new char[10];
    strcpy(pp,"china");
    cout<<pp<<endl;
    delete []pp;

  string *ps = new string("china");
    cout<<*ps<<endl; //cout<<ps<<endl;
    delete ps;

  char **pa= new char*[5];
    memset(pa,0,sizeof(char*[5]));
    pa[0] = "china";
    pa[1] = "america";
    char **pt = pa;
    while(*pt)
    {
        cout<<*pt++<<endl;
    }
    delete []pt;

  int (*qq)[3][4] = new int[2][3][4];
    delete []qq;

4、返回值

//C++ 內存申請失敗會拋出異常
try{
    int *p = new int[10];
}
catch(const std::bad_alloc e) 
{
    return -1;
}
//C++ 內存申請失敗不拋出異常版本
int *q = new (std::nothrow)int[10];
if(q == NULL)
    return -1;

5、註意事項

C++中堆空間的分配和釋放註意事項如下：
A、new/delete 是關鍵字，效率高於 malloc 和 free.
B、配對使用，避免內存泄漏和多重釋放。
C、避免交叉使用。比如 malloc 申請的空間去 delete，new 出的空間被 free;
D、重點用在類對像的申請與釋放。申請的時候會調用構造器完成初始化，
釋放的時候，會調用析構器完成內存的清理。

6、malloc與new區別

malloc與new的區別如下：
A、new是C++關鍵字，malloc是C語言庫函數
B、new以具體類型為單位進行內存分配，malloc以字節位單位分配內存
C、new在申請單個類型變量時可以進行初始化，malloc不具備
D、new在所有C++編譯器中都支持，malloc在某些系統開發中不可調用
E、new能夠觸發構造函數的調用，malloc僅分配需要的內存空間
F、對象的創建只能使用new，malloc不適合面向對象開發

7、free與delete的區別

free與delete的區別如下：
A、delete是C++關鍵字，free是庫函數
B、delete在所有C++編譯器中都支持，free在某些系統開發中不可調用
C、delete能夠觸發析構函數的調用，free僅歸還分配的內存空間
D、對象的銷毀只能使用delete，free不適合面向對象開發
E、free可以歸還new申請的內存空間，但不會調用析構函數，可能會造成內存泄漏
F、delete可以釋放malloc分配的內存空間，但會調用析構函數，會造成其他問題。

十、內聯函數

1、內聯函數簡介

C語言中有宏函數的概念。宏函數的特點是內嵌到調用代碼中去，避免了函數調用的開銷。但宏函數的處理發生在預處理階段，缺少作用域檢查和類型檢查。
C++提供了inline關鍵字，請求C++編譯器將一個函數進行內聯編譯（C++編譯器可以拒絕），C++編譯器會直接將內聯的函數體代碼插入函數調用的地方。
內聯函數聲明時inline關鍵字必須和函數定義結合在一起，否則編譯器會直接忽略內聯請求。

inline int sqr(int x)
{
    return x*x;
}

2、內聯函數的優缺點

內聯函數的優點：避免調用時的額外開銷（入棧與出棧操作）
內聯函數的缺點：內聯函數的函數體在代碼段中會出現多個“副本”，因此會增加代碼段的空間。
內聯函數的本質：以犧牲代碼段空間為代價，提高程序的運行時間的效率。
內聯函數的適用場景：函數體很“小”，且被“頻繁”調用。

3、內聯函數示例

Inline關鍵字是對編譯器的建議，如果編譯器認為inline聲明的函數可以內聯，則編譯器會將函數內聯，如果編譯器認為inline聲明的函數的函數體太長，則不會內聯，按普通函數處理。

using namespace std;

inline int func(int a, int b)
{
    return a*a + b*b;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 3;
    int b = 4;
    int c = func(a,b);
    return 0;
}

上述代碼在QtCreator+MinGW編譯器下調試時，查看匯編代碼如下：

調用func函數時，C++編譯器沒有將func函數內聯，仍然使用函數調用。
inline聲明的函數，內聯請求可能被C++編譯器拒絕。
現代C++編譯器能夠進行編譯優化，一些函數即使沒有inline關鍵字聲明也能夠內聯編譯，同時現代C++編譯器提供了擴展的語法，能夠對函數進行強制內聯。如現代G++編譯器使用__attribute__((always_inline))聲明強制內聯，MSVC編譯器使用__forceinline聲明強制內聯，不再使用inline關鍵字。

#include <iostream>

using namespace std;

__attribute__((always_inline))
int func(int a, int b);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 3;
    int b = 4;
    int c = func(a,b);
    return 0;
}

int func(int a, int b)
{
    return a*a + b*b;
}

上述代碼在QtCreator+MinGW編譯器中進行調試時，main函數中func函數調用代碼的匯編代碼如下：

MinGW編譯器已經對func函數進行了內聯。

4、內聯函數使用的限制

C++中使用inline關鍵字內聯編譯函數的限制：
A、不能存在任何形式的循環語句
B、不能存在過多的條件判斷語句
C、函數體不能過於龐大
D、不能對函數進行取地址操作
E、函數內聯聲明必須在調用語句前
對於現代C++編譯器的擴展語法提供的強制內聯不受上述條件限制。

十一、類型強制轉換

1、C++類型轉換

C語言中的類型轉換是強制轉換，任何類型間都可以轉換，過於粗暴。
C++語言引入了static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast四個關鍵字處理不同類型間的轉換。

2、靜態類型轉換

靜態類型轉換是在編譯期內即可決定其類型的轉換。
靜態類型轉換的使用場合：
A、用於基本類型間的轉換
B、不能用於基本類型指針間的轉換
C、用於有繼承關系類對象間的轉換和類指針間的轉換（轉換一般從子對象向父對象轉換）
語法格式：

static_cast<目標類型> (標識符)

應用實例：

#include <stdio.h>

class A
{
private:
    int a;
    int b;
public:
    A()
    {
        a = 0;
        b = 0;
    }
    void print()
    {
        printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    }

};

class B : public  A
{
private:
    int c;
    int d;
public:
    void display()
    {
        printf("c = %d, d = %d\n", c, d);
    }

};

class C
{
public:
    void print()
    {
        printf("hello\n");
    }
};

int main()
{
    float f = static_cast<float>(9)/10;//基本類型的轉換
    printf("f = %f\n", f);
    A a;
    B b;
    A aa = static_cast<A>(b);//將子類對象轉換為父類對象
    aa.print();
    //B bb = static_cast<B>(a);//不能將父對象轉換為子對象
    A* pa = static_cast<A*>(&a);//在同類型對象指針間轉換
    pa->print();
    pa = static_cast<A*>(&b);//將子類對象指針轉換為父類對象指針
    pa->print();
    B* pb = static_cast<B*>(&b);
    pb->display();
    pb = static_cast<B*>(&a);
    pb->display();
    //C c = static_cast<C>(a);//沒有轉換構函數，不能將A類型轉換為C類型
    //c.print();
    return 0;
}

3、動態類型轉換

動態類型轉換的使用場合：
A、用於有繼承關系的類指針間的轉換
B、有交叉關系的類指針間的轉換
C、具有類型檢查
D、必須有虛函數支持
語法格式：

dynamic_cast<目標類型> (標識符)

用於有直接或間接繼承關系的指針（引用）的強制轉換
轉換指針成功將會得到目標類型的指針，轉換失敗將得到一個空指針；
轉換引用成功將得到目標類型的引用，轉換失敗將得到一個異常操作信息。
使用實例：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Base
{
public:
    Base()
    {
        cout << "Base::Base()" << endl;
    }
    virtual ~Base()
    {
        cout << "Base::~Base()" << endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
};

int main()
{
    Base* p = new Derived;
    Derived* pd = dynamic_cast<Derived*>(p);//將指向子類對象的父類指針轉換為子類指針，轉換成功
    if( pd != NULL )
    {
        cout << "pd = " << pd << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Cast error!" << endl;
    }
    delete p;
    cout << endl;
    p = new Base;
    pd = dynamic_cast<Derived*>(p);//將指向父類對象的父類指針轉換為子類指針，轉換失敗
    if( pd != NULL )
    {
        cout << "pd = " << pd << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Cast error!" << endl;
    }
    delete p;
    return 0;
}

4、常量類型轉換

常量類型轉換的使用場合：
A、用於去除變量的只讀屬性
B、目標類類型只能是指針或引用
語法格式：

const_cast<目標類型> (標識符) //目標類類型只能是指針或引用。

const_cast將轉換掉表達式的const屬性
應用實例：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    const int& a = 10;
    int& b = const_cast<int&>(a);//將a的只讀屬性去除，並初始化b
    b = 0;
    cout << "a = " << a << endl;//0
    cout << "b = " << b << endl;//0
    const int c = 100;
    int& d = const_cast<int&>(c);//為c分配一個只讀空間
    //int x = const_cast<int>(c);//error,目標類型只能為指針和引用
    d = 1000;
    cout << "c = " << c << endl;//100
    cout << "d = " << d << endl;//1000

    return 0;
}

5、重解釋類型轉換

重解釋類型轉換使用場合：
A、用於指針類型間的強制轉換
B、用於整數和指針類型間的強制轉換
語法格式：

reinterpret_cast<目標類型> (標識符)

為數據的二進制形式重新解釋，但是不改變其值。
使用實例：

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a = 100;
    char c = ‘a‘;
    int* pa = reinterpret_cast<int*>(&c);
    printf("*pa = %d\n", *pa);//687781729
    printf("*pa = %c\n", *pa);//‘a‘
    //int x = reinterpret_cast<int>(c);//error
    //int y = reinterpret_cast<int>(1.1);//error

    return 0;
}

十二、命名空間

1、命令空間簡介

C語言中，只有一個全局作用域，所有的全局標識符共享一個作用域，因此標識符之間可能存在沖突。
C++語言中，提出了命名空間的概念。命名空間將全局作用域分為不同的部分，不同命令空間中的標識符可以重名而不會發生沖突，命名空間可以嵌套。全局作用域即默認命名空間。

2、默認命名空間（global &&function）

global scope是一個程序中最大的scope，是引起命名沖突的根源。C語言沒有從語言層面提供命名空間機制來解決。global scope是無名的命名空間。

3、命名空間的劃分

NameSpace是對全局區域的再次劃分。
命名空間的聲明如下：

namespace NAMESPACE
{
    全局變量 int a;
    數據類型 struct Stu{};
    函數 void func();
}

4、命名空間的使用方法

直接指定命名空間： NameSpace::a = 5;
使用using+命名空間+空間元素：using NameSpace::a; a = 2000;
使用using +namespace+命名空間；

5、命名空間使用示例

#include <iostream>
using namespace std;
namespace MySpace
{
    int x = 1;
    int y = 2;
}
namespace Other {
    int x = 3;
    int y = 4;
}
int main()
{
    {
        using namespace MySpace;
        cout<<x<<y<<endl;
    }
{
        using namespace Other;
        cout<<x<<y<<endl;
    }
{
        MySpace::x = 100;
        Other::y = 200;
        cout<<MySpace::x<<Other::y<<endl;
    }
    return 0;
}

可以使用塊語句將命名空間限定在塊語句內部。

6、命名空間嵌套

namespace MySpace
{
    int x = 1;
    int y = 2;
    namespace Other {
        int m = 3;
        int n = 4;
    }
}

7、使用命名空間進行協作開發

在實際項目開發中，可以將一個類或者具有相同屬性的多個類聲明在一個命名空間內，在使用時只需要聲明命名空間即可。

#ifndef A_H
#define A_H
namespace XX {
    class A
    {
        public:
            A();
            ~A();
    };
}
#endif // A_H

#include "a.h"
using namespace XXX
{
        A::A()
        {}
        A::~A()
        {}
}

十三、系統string類

除了使用字符數組來處理字符串以外，C++引入了字符串類型。可以定義字符串變量。

1、定義和初始化

  string str;
  str = "china";
    string str2 = " is great ";
    string str3 = str2;

2、類型大小

string str = "china";
cout << sizeof(str) << " " << str.max_size() << " " << str.size()<<endl;

4 1073741820 5

3、運算

A、賦值
string str3 = str2;
B、加法
string combine = str + str2;
C、關系

string s1 = "abcdeg";
string s2 = "12345";
if(s1>s2)
cout<<"s1>s2"<<endl;
else
cout<<"s1<s2"<<endl;

4、string類型數組

string數組是高效的，如果用二維數組來存入字符串數組的話，則容易浪費空間，此時列數是由最長的字符串決定。如果用二級指針申請堆空間，依據大小申請相應的空間，雖然解決了內存浪費的問題，但是操作麻煩。用 string 數組存儲，字符串數組的話，效率即高又靈活。

string sArray[10] = {
    "0",
    "1",
    "22",
    "333",
    "4444",
    "55555",
    "666666",
    "7777777",
    "88888888",
    "999999999",
};
for(int i=0; i<10; i++)
{
    cout<<sArray[i]<<endl;
}

5、string類的成員函數

int capacity()const;??//返回當前容量（即string中不必增加內存即可存放的元素個數）
int max_size()const;??? //返回string對象中可存放的最大字符串的長度
int size()const;??????? //返回當前字符串的大小
int length()const;?????? //返回當前字符串的長度
bool empty()const;??????? //當前字符串是否為空
void resize(int len,char c);//把字符串當前大小置為len，並用字符c填充不足的部分

C++語言學習（二）——C++對C語言基礎語法的擴展