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[C++知识库]<C++>入门新概念

在这里插入图片描述

1. 引用

1.1 引用概念

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。
比如:李逵,在家称为"铁牛",江湖上人称"黑旋风"

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;//定义引用类型
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", &b);//b是a的引用
	return 0;
}

输出的地址是一样的,它们共用一块内存空间

注意:引用类型必须和引用实体同种类型

1.2 引用的特性

  1. 引用在定义时必须初始化
int main()
{
	//1. 引用在定义时必须初始化
	int a = 10;
	int& b = a;//对
	//int& b;//错
	//b = 10;//错
}
  1. 一个变量可以有多个引用
int main()
{
	//2. 一个变量可以有多个引用
	int a = 10;
	int& b = a;//给a取个别名叫b
	int& c = a;//给a再取个别名叫c
	int& d = c;//给c取个别名叫d(给别名取别名)
	return 0;
}
  1. 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体(跟指针不一样)
int main()
{
	//3. 引用一旦引用一个实体,再不能引用其他实体(跟指针不一样)
	int a = 10;
	int& b = a;//给a取个别名叫b
	int e = 20;
	b = e;//意思是把e的值赋值给b,b和a的值都变成20,而不是让b变成e的别名
	return 0;
}
  1. 引用(取别名)的原则:对原引用的变量,(读写)权限只能缩小,不能放大
int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;

	//取别名的原则:对原引用的变量,权限只能缩小,不能放大
	const int x = 20;
	//int& y = x;//错误。放大了权限,从只读的变成可读可写(我都改不了,你还想改?)
	const int& y = x;//正确。权限不变,还是只可读

	int c = 30;
	const int& d = c;//正确。缩小了权限,从可读可写变成只读
	return 0;
}

1.3 常引用

int main()
{
	int a = 10;
	int& b = a;
	const int& c = 20;//给常量取别名要加const

	double d = 1.11;
	int f = d;//隐式类型转换,精度丢失。本质上中间有个临时变量(具有常性),将d整数的部分取出来给它,它再赋值给f。int f不用加const是因为f的改变不会影响d
    
	const int& e = d;//要加上const。因为本质上引用的是中间那个具有常性的临时变量,是只读的,不能放大它的权限,并且e的改变会影响临时变量,而临时变量不能改变,因此要限制它
    //e是临时变量的别名,地址跟d的不一样

	return 0;
}

1.4 使用场景

  1. 做参数(优势:减少拷贝,提高效率)
void swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

void swap(double& a, double& b)
{
	double tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int x = 10, y = 20;
	swap(x, y);

	double z = 1.1, p = 2.2;
	swap(z, p);
	return 0;
}
  1. 做返回值

    传值访问:返回值先放到寄存器或缓存中,再到赋值的地方

    image-20220510213407732

    传引用:它返回的直接就是变量的引用

    image-20220510213234425

注意:如果函数返回时,出了函数作用域,如果返回对象还未还给系统,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

1.5 传(返回)值和传(返回)引用的效率比较

以值作为参数或者返回值类型,在传参和返回期间,函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回,而是传递实参或者返回变量的一份临时的拷贝,因此用值作为参数或者返回值类型,效率是非常低下的,尤其是当参数或者返回值类型非常大时,效率就更低

相比起来,传引用或返回引用就快一些,因为它不用传出或传回临时拷贝,而是直接成为变量的引用。

1.6 引用VS指针

引用和指针的不同点:

  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个数(32位平台下占4个字节)
  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

还有一些引用的内容没讲到,就等着之后应用的时候慢慢讲了,敬请期待

2. 内联函数

如果我们需要多次调用小函数,它需要建立多个栈帧,有些浪费资源。

C语言中利用宏来替换小函数,节约资源,但同时宏也有很多缺陷:容易写错,晦涩难懂,不支持调试,没有类型安全的检测

因此C++里提出来内联函数的概念以解决这些问题

2.1 内联函数的概念

以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,没有函数压栈的开销,内联函数提升程序运行的效率。

写法很简单,就是在正常的函数前面加上个inline

image-20220512091439399

如果你发现调试内联函数时也有call,那你需要调整一下编译器的优化设置(因为debug模式下,编译器默认不会对代码进行优化,以下给出vs2013的设置方式 )

image-20220512091637898

2.2 inline的总结

1?? inline是一种以空间换时间的做法,省去调用函数额开销。所以代码很长(一般是10行左右算长)或者有循环/递归的函数不适宜使用作为内联函数。

2??inline对于编译器而言只是一个建议,编译器会自动优化,如果定义为inline的函数体内有循环/递归等等,编译器优化时会忽略掉内联。

3??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

3. auto关键字(C++11)

在早期C/C++中auto的含义是:使用auto修饰的变量,是具有自动存储器的局部变量,但遗憾的是一直没有人去使用它,大家可思考下为什么?

C++11中,标准委员会赋予了auto全新的含义即:auto不再是一个存储类型指示符,而是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 main()
{
	auto a = 10;
	auto b = 'a';
	auto c = &a;

    //typeid(a).name()打印类型
	cout << typeid(a).name() << endl;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;

	//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
	return 0;
}

??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

3.1 auto的使用细则

1??auto与指针和引用结合起来使用
用auto声明指针类型时,用auto和auto*没有任何区别,但用auto声明引用类型时则必须加&

int main()
{
	int x = 10;
	auto a = &x;
	auto* b = &x;
	auto& c = x;
	cout << typeid(a).name() << endl;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	*a = 20;
	*b = 30;
	c = 40;
	return 0;
}

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
}

3.2 auto不能推导的场景

1?? auto不能作为函数的参数

// 此处vs2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)
{}

2?? auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()
{
    int a[] = {1, 2, 3};
    auto b[] = {4, 5, 6};//报错
}

为了避免与C++98中的auto发生混淆,C++11只保留了auto作为类型指示符的用法(其实当参数和返回值为auto时,你也根本不懂如何调用它,编译器表示委屈)

auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环,还有lambda表达式等进行配合使用。

4. 基于范围的for循环(C++11)

4.1 范围for的语法

在C++98中如果要遍历一个数组,可以按照以下方式进行:

void TestFor()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    	array[i] *= 2;
    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 };
    //依次取array中的数据,赋值给e,自动判断结束
    //知道这里为什么要用引用吗?不加引用的话e就是array里的元素的拷贝,e的改变不会影响数组。加引用就能改变原数组
    for(auto& e : array)
    	e *= 2;
    for(auto e : array)
    	cout << e << " ";
    return 0;
}

??注意:与普通循环类似,可以用continue来结束本次循环,也可以用break来跳出整个循环

4.2 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,就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围;

对于类而言,应该提供begin和end的方法,begin和end就是for循环迭代的范围。
注意:以下代码就有问题,因为for的范围不确定

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

2?? 迭代的对象要实现**++** 和 **==**的操作。(关于迭代器这个问题,以后会讲,现在大家了解一下就可以了)

5. 指针空值nullptr(C++11)

5.1 C++98中的指针空值

在良好的C/C++编程习惯中,声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值,否则可能会出现不可预料的错误,比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向,我们基本都是按照如下方式对其进行初始化:

void TestPtr()
{
    int* p1 = NULL;
    int* p2 = 0;
    // ……
}

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。不论采取何种定义,在使用空值的指针时,都不可避免的会遇到一些麻烦,比如

#include<iostream>
using namespace std;
void f(int)
{
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*)
{
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main()
{
	f(0);
	f(NULL);
	f((int*)NULL);
	return 0;
}

image-20220514205315863

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数,但是由于NULL被定义成0,因此与程序的初衷相悖。
在C++98中,字面常量0既可以是一个整形数字,也可以是无类型的指针(void*)常量,但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量,如果要将其按照指针方式来使用,必须对其进行强转(void *)0

5.2 C++11中的指针空值

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) 与 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。

目前在不断更新<C++语言>的知识总结,已经更新完了<C语言><数据结构初阶>,未来我会系统地更新<Linux系统编程><Linux网络编程><数据结构进阶><MySQL数据库>等内容。想要系统学习编程的小伙伴可以关注我!

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