【C++篇】C++入门基础(二)

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文章目录

    • 前言
    • 一、引用
      • 1. 引用概念
      • 2. 引用特性
      • 3. 使用场景
        • 3.1 引用做参数
        • 3.2 引用做返回值
        • 3.3 总结(牢记)
      • 4. 常引用
      • 5. 引用与指针的区别
    • 二、内联函数(内部函数)
      • 1. 概念
      • 2. 特性
      • 3. 宏函数与内联函数
    • 三、auto关键字
      • 1. 类型别名思考
      • 2. auto简介
      • 3. auto使用规则
      • 4. auto不能推导的场景(易错)
      • 5. auto的范围for循环(语法糖)
        • 5.1 范围for的语法
        • 5.2 范围for的使用条件
    • 四、指针空值`nullptr`关键字


前言

话接上回,本文主要内容是讲解引用、内联函数、auto关键字、及指针空值nullptr的知识。其中引用尤为重要。


一、引用

引用弥补了指针的可读性差,复杂性。引用与指针结合使用,使得C++的功能尤为强大。

1. 引用概念

引用并非是定义一个新的变量,而是给已经存在的变量取了一个别名,好比你的损友给你取的外号。
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

比如:孙悟空,有人叫他**“弼马温”,有人叫他“齐天大圣”,还有人叫他“孙行者”**。

使用格式:
类型+&+引用变量名 = 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);
}

代码运行后可以发现,它们的地址都是相同的,证明它们共用同一块内存空间。
💡:引用类型必须和引用实体是同种类型
否则编译器会报错。

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。也就是说,引用的对象不可改变(这是他与指针区别最大的特性)
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); 
}

代码运行后可以发现,它们的地址是相同的。

3. 使用场景

3.1 引用做参数

两个优势

  • 是输出型参数
    作为形参,可以改变实参的参数就是输出型参数
void Swap(int& left,int& right)
{int temp = left;left = right;right = temp;
}

可以看出,引用避免了多级指针的复杂性。

  • 减少拷贝提高效率
    对于大对象/深拷贝类对象,效果会更突出。
    大对象是指令繁多的一个语句,比如一个调用一万次函数的一个循环语句:
for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)TestFunc2(a);

深拷贝我目前还没有学到,未来我会讲解。本文知道深拷贝对象用引用做函数参数效率给好即可。

3.2 引用做返回值

两个优势

  • 减少拷贝提高效率(大对象/深拷贝类对象–什么是深拷贝以后会讲)
    与4.1中的第二点同理

  • 修改返回值+获取返回值
    函数结束后,还可以修改函数的返回值。且获取返回值的功能依然保留。

// 错误样例:不能用引用
int& Count(int x)
{int n = x;n++;// ...return n;
}// 正确样例:可以用引用
int& Count(int x)
{static int n = x;n++;// ...return n;
}int main()
{int ret = Count();cout << ret << endl;return 0;
}
  1. retn的别名,等价于:int& ret = n;
    因此,后续可以利用ret修改返回值n的值
  2. 返回值不可让它在栈帧中创建,否则返回值将会丢失,得到的是随机值。可以创建在静态区等等。
    • 如果count函数结束,栈帧销毁,没有清理栈帧(再次调用其他函数就会覆盖此栈帧),那么ret的结果碰巧是正确的。
    • 如果count函数结束,栈帧销毁,清理栈帧,那么ret的结果是随机值。
3.3 总结(牢记)
  1. 基本任何场景都可以用引用传参
  2. 谨慎用引用做返回值,出了函数作用域,如果对象不存在了(如在栈帧中被销毁了),就不能用引用返回,还在就可以使用引用返回

4. 常引用

引用不可直接引用一个实体常量,需用const修饰

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;
}

引用过程中,权限只能平移或者缩小,不能放大

权限放大(错误):

 const int a = 10;int& ra = a;  // 该语句编译时会出错,a为常量

值得注意的是,不同类型之间的隐式类型转换。

隐式类型转换的原理:创建一个临时变量,该临时变量是转换后的类型,将被转换的变量拷贝到临时变量,再将临时变量拷贝到目标变量中,完成类型转换。

临时变量有一个性质:具有常性
常性就是常量
看代码:

double d = 12.34;
int& rd = d; //这里的d是常量

所以隐式类型转换不可以转换为引用

5. 引用与指针的区别

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。

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

引用和指针的不同的:

  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

💡 :不建议去背,理解就行


二、内联函数(内部函数)

1. 概念

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。

在这里插入图片描述
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。

在这里插入图片描述

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,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
3. inline不能声明和定义分离,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。

3. 宏函数与内联函数

宏函数的优缺点:

  • 优点:不需要建立栈帧,提高调用效率
  • 缺点:复杂,容易出错、可读性差、不能调试

例如写一个Add宏函数:

#define Add(x, y) ((x)+(y))

大多数人稍不小心就出错了,因为这令人头疼的括号。

而内联函数可以避免这些问题

💡:默认debug模式下,inline不会起作用,否则就不方便调试了。


三、auto关键字

1. 类型别名思考

当我们程序中用到的类型复杂时:

  1. 类型难于拼写
  2. 含义不明确导致容易出错

聪明的读者可能已经想到: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也会遇到新的难题:

typedef char* pstring;
int main()
{
const pstring p1;   // 编译成功还是失败?
const pstring* p2;  // 编译成功还是失败?
return 0;
}

在编程时,常常需要把表达式的值赋值给变量,这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易,因此C++11给auto赋予了新的含义。

2. auto简介

auto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;
return 0;

typeid().name()是一个求数据类型的函数。

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。

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

3. auto使用规则

  1. auto与指针和引用结合使用
    auto声明指针类型时,用autoauto*没有任何区别,但用auto声明引用类型时则必须加&
  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
}

4. auto不能推导的场景(易错)

  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)
{}
  1. auto不能直接用来声明数组
void TestAuto()
{int a[] = {1,2,3};auto b[] = {456};
}

5. auto的范围for循环(语法糖)

5.1 范围for的语法

当我们要遍历一个数组时:

void TestFor()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
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)cout << e << " ";
return 0;
}

💡:与普通循环一样,continue与break都可以正常使用

5.2 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,就是数组中的第一个元素和最后一个元素的范围

错误示例:

void TestFor(int array[])
{for(auto& e : array)cout<< e <<endl;
}

int array[]等价于int* array
范围就只有第一个元素

2.迭代的对象要实现++和==的操作。

迭代器我还没有学😂,未来我会讲解的。


四、指针空值nullptr关键字

在C语言中,我们都用NULL来给指针设置空值

但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。

所以我们用NULL作为指针空值是不合理的

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) 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

C++入门基础完~

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