【C++】初步认识基于C的优化

C++祖师爷在使用C语言时感觉到了不方便的一些点,于是一步一步改进优化,最后形成了C++

本文将盘点一下基于C的语法优化

目录

  • 命名空间:
    • 命名空间定义:
    • 命名空间使用:
  • C++输入&输出:
    • cout:
    • endl:
    • cin:
  • 缺省函数:
    • 全缺省函数:
    • 半缺省函数:
  • 函数重载:
    • 背后的原理:
  • 引用:
    • 引用的概念:
    • 引用特性:
    • 常引用:
    • 使用场景:
    • 引用与指针的区别:
      • 语法上:
      • 底层上:
  • 内联函数:
    • 概念:
    • 特性:

命名空间:

我们在C语言中学过,对于一个变量有全局域局部域

那么对于一个变量的搜索的原则

编译器是从局部到全局的的过程寻找,没有就会报错

先来看这样一段代码:

#include <stdio.h>int rand = 10;int main()
{printf("%d\n", rand);return 0;
}

运行时并不会报错,但是在包含头文件#include <stdlib.h>
在这里插入图片描述
原因:
由于展开头文件后有rand函数与我们定义的全局变量在全局域重名了,造成报错

这就引出了命名空间域的概念

在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。

在C++中,不仅有命名空间域,还有类域(本文不做讨论)

C++中搜索的原则
不指定域:1、当前局部域 2、全局域
指定域 3、如果指定了,直接去指定域搜索

命名空间定义:


  1. 命名空间中可以定义变量,函数与类型:
namespace test
{//int rand = 10;int Add(int x, int y){return x + y;}struct Node{struct Node* next;int val;};
}
  1. 命名空间可以嵌套:
namespace test
{int rand = 10;namespace _test{int Add(int x, int y){return x + y;}}
}
  1. 同一个工程中允许存在多个命名空间,最后会合并到一个命名空间中

命名空间使用:

这就要引出作用域限定符的概念了::
共有三种使用场景:
注意:
::左值为空时,为指定全局去寻找,会跳过局部域

  1. 加命名空间名称及作用域限定符
namespace test
{int rand = 10;
}int main()
{printf("%d\n", test::rand);return 0;
}

优缺点:
这种使用方式安全,但过于麻烦

  1. 使用using namespace 命名空间名称 引入
namespace test
{int rand = 10;
}using namespace test;int main()
{printf("%d\n", rand);return 0;
}

优缺点:
这种使用方式有隐患:

就比如上图代码这种场景下namespace就失去了意义

但胜在方便,我们平时做练习时只要避免重名就可以使用,但是做项目时是不可以展开的

那有没有推荐的一种呢

  1. 使用using将命名空间中某个成员引入

我们不将命名空间全部展开,只引入部分成员

using std::cout;
using std::endl;int main()
{int val = 10;cout << val << endl;return 0;
}

我们可以将iostream中常用的部分展开

C++输入&输出:

对于C++的输入输出在这里我们只能浅显认识,只知道怎么使用就可以了

cout:

相当于C语言的printf
在这里插入图片描述

我们可以理解cout就像是我们的控制台, << 像是水流,
感性的理解就像是我们将想要输出的内容流向控制台

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

也支持多次写入在这里插入图片描述

endl:

endl可以理解为一个换行

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

cin:

相当于我们的C语言的scanf
感性的理解就像是我们将想要输入的内容从控制台流入目标变量

	int a = 0;int b = 10;cin >> a >> b;//scanf("%d%d", &a, &b);

这两行代码可以达到一样的效果

优缺点:
无需类型的识别
对于小数精度的控制有些麻烦,可以直接使用printf进行替代

缺省函数:

缺省函数是什么呢

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;
}

为什么会有这个概念呢?

假设我们有个场景,当前我们有个顺序表
A需要100个字节空间,但是B只要4个字节空间
若按照C语言的方法100字节空间的需要频繁扩容,影响效率,而使用缺省函数便可以解决这方便困扰

typedef struct SeqList
{int* a;int size;int capacity;
}SeqList;void InitList(SeqList* list, int cy = 4)
{list->a = NULL;list->capacity = cy;list->size = 0;
}int main()
{//需要100字节的SeqList list1;InitList(&list1, 100);//需要4字节的SeqList list2;InitList(&list2);return 0;
}

缺省函数也有分类

全缺省函数:

意味着每一个参数都是缺省的

void Func(int a = 10, int b = 20, int c = 30)
{cout<<"a = "<<a<<endl;cout<<"b = "<<b<<endl;cout<<"c = "<<c<<endl;
}

半缺省函数:

意味着只有部分参数时缺省的

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. 半缺省参数必须从右往左依次来给出,不能间隔着给
  2. 缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现

第二个注意点是什么意思呢?
例如在test.cpp:int func(int x = 10)
head.h:int func(int x = 10)
在声明与定义分离的情况下,会出现报错

正确写法:
test.cpp:int func(int x)
head.h:int func(int x = 10)

那么可不可以如下所示呢?
test.cpp:int func(int x = 10)
head.h:int func(int x)
但是否定的,原因在于我们在预处理时会展开头文件,编译时会检查你使用的函数有没有声明或定义,若是使用缺省函数,就会产生找不到声明的情况,最终导致报错

函数重载:

重载的大白话就是重名函数,

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。

#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;
}
int main()
{Add(10, 20);Add(10.1, 20.2);f();f(10);f(10, 'a');f('a', 10);return 0;
}

背后的原理:

我们在实际的项目工程中会有多个头文件和源文件,
在程序的翻译过程中汇编阶段会形成每个项目文件相应的符号表,
在这里插入图片描述

由于我们在链接前都没有sum函数真正的地址,故需要再链接时去到对应的文件符号表去寻找合并,而C语言在形成符号表时是以函数名形成的,因为同名函数没办法区分,并不能应对函数重载的的机制

C++为了对应此问题将产生的符号表以使用前缀+函数名+变量名第一个字符构成,这样就能应对函数重载的问题

另外: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。


引用:

引用的概念:

C语言的灵魂是指针,那么C++有没有能与之相应的功能呢?
答案是引用。

语法:类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体;

void TestRef()
{int a = 10;int& ra = a;//<====定义引用类型printf("%p\n", &a);printf("%p\n", &ra);
}

我们对a变量引用,得到ra变量,都进行&打印得到相同的地址,故引用

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。

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
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 %p %p\n", &a, &ra, &rra); 
}

常引用:

void TestConstRef()
{const int a = 10;//int& ra = a;  // 该语句编译时会出错,a为常量const int& ra = a;// int& b = 10; // 该语句编译时会出错,b为常量const int& b = 10;double d = 12.34;//int& rd = d; // 该语句编译时会出错,类型不同const int& rd = d;
}

使用场景:

  1. 做参数:
void Swap(int& left, int& right)
{int temp = left;left = right;right = temp;
}
  1. 做返回值:
int& Count()
{static int n = 0;n++;// ...return n;
}

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

在这里插入图片描述
注意: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。

引用与指针的区别:

语法上:

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;
}

底层上:

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。

int main()
{int a = 10;int& ra = a;ra = 20;int* pa = &a;*pa = 20;return 0;
}

我们来看下引用和指针的汇编代码对比:在这里插入图片描述
那么引用可以代替指针吗?

答案是否定的。

例如在双向链表的场景中:我们要删除一个节点,因为引用是不能改变指向的。
更详细的一点说:当第一个next为下一个节点地址的引用时,如果我们要更改next,实际上是在修改下一个节点的地址,由于地址是个常量,不能被修改最终导致报错
在这里插入图片描述
总结:

  1. 语法上引用是别名,不开空间;指针是变量,需要开空间
  2. 引用必须初始化;指针可以不初始化
  3. 引用不可以改变指向;指针可以改变指向
  4. 引用更安全,很少出现野引用的现象;指针相比之下更危险,会有野指针,空指针的出现。
  5. sizeof ++ 解引用等方面的区别。

注意:
底层上引用就是指针


内联函数:

在C语言的学习中,我们学习过宏,但是宏有比较多的缺点。
宏的缺点:
1、语法复杂,坑很多,不容易控制
2、不能调试
3、没有类型安全的检查

但是有时候宏又会很好用,在执行一些代码很短但又需多次调用的会很依赖。

概念:

所以有了内联函数的概念,他的用法与函数一样,但是会按函数中你定义的逻辑在你调用的地方展开(减少栈栈帧创建的过程),与宏函数直接替换是不一样的

使用时用inline修饰函数即可

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:
  3. 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,否则编译器会忽略inline特性。下图为
    《C++prime》第五版关于inline的建议:在这里插入图片描述
  4. 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 __cdeclf(int)" (?f@@YAXH@Z),该符号在函数 _main 中被引用

关于最后一点,还有部分扩展。
当我们函数定义没有分离,都在F.h中时;

int Add(int x, int y)
{return x + y;
}

若我们在别的源文件#include,会报重定义的错误,

原因在于头文件在预处理会展开,汇编时生成的符号表会由于函数相同而造成部分符号表相同,链接时就会报重定义的错误。

那么解决办法呢?

  1. 声明定义分离,这个就不过多解释了
  2. 使用static修饰,会改变当前函数在当前文件的链接属性,使得这个函数只能在本源文件内使用,不能在其他源文件内使用。
  3. 使用inline修饰,与static同理

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