C++基础

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C++基础

RoadMap

指针与引用

左值引用与右值引用

static 与 const

static 作用 1. 修饰普通变量，修改变量的存储区域和生命周期，使变量存储在静态区，在 main 函数运行前就分配了空间，如果有初始值就用初始值初始化它，如果没有初始值系统用默认值初始化它。 1. 修饰普通函数，表明函数的作用范围，仅在定义该函数的文件内才能使用。在多人开发项目时，为了防止与他人命令函数重名，可以将函数定位为 static。 1. 修饰成员变量，修饰成员变量使所有的对象只保存一个该变量，而且不需要生成对象就可以访问该成员。 1. 修饰成员函数，修饰成员函数使得不需要生成对象就可以访问该函数，但是在 static 函数内不能访问非静态成员。

const 的作用 1. 修饰变量，说明该变量不可以被改变； 1. 修饰指针，分为指向常量的指针和指针常量； 1. 常量引用，经常用于形参类型，即避免了拷贝，又避免了函数对值的修改； 1. 修饰成员函数，说明该成员函数内不能修改成员变量。

const 相关代码

// 类
class A {
private:
    const int a;                // 常对象成员，只能在初始化列表赋值

public:
    // 构造函数
    A() { };
    A(int x) : a(x) { };        // 初始化列表赋值常对象成员

    // const 可用于对重载函数的区分
    int getValue();             // 普通成员函数
    int getValue() const;       // 常成员函数，不得修改类中的任何数据成员的值
    // 工程上为了安全性有时会分别实现 const 和 非const 两个版本
    // > 下标操作符为什么要定义const和非const两个版本？_百度知道 https://zhidao.baidu.com/question/517798128.html
};

// 全局函数
void function() {
    // 对象
    A b;                        // 普通对象，可以调用全部成员函数
    const A a;                  // 常对象，只能调用常成员函数、更新常成员变量
    const A *p = &a;            // 常指针，注意 a 是一个常对象
    const A &q = a;             // 常引用

    // 指针
    char greeting[] = "Hello";
    char* p1 = greeting;                // 指针变量，指向字符数组 变量
    const char* p2 = greeting;          // 指针变量，指向字符数组 常量
    char* const p3 = greeting;          // 常指针，指向字符数组 变量
    const char* const p4 = greeting;    // 常指针，指向字符数组 常量
}

// 函数
void function1(const int Var);           // 传递过来的参数在函数内不可变
void function2(const char* Var);         // 参数指针所指内容为常量
void function3(char* const Var);         // 参数指针为常指针
void function4(const int& Var);          // 引用参数在函数内为常量

// 函数返回值
const int function5();      // 返回一个常数
const int* function6();     // 返回一个指向常量的指针变量，使用：const int *p = function6();
int* const function7();     // 返回一个指向变量的常指针，使用：int* const p = function7();

this 指针

inline 内联函数

内联函数的特点

相当于把内联函数中的内容复制到了调用该函数的地方（编译时完成）；
- 相当于避免了函数调用的开销，直接执行函数体；
- 加速了程序的运行，但是消耗了空间
相当于宏，但比宏多了类型检查，使具有函数特性；
不能包含循环、递归、switch 等复杂操作；
- 如果包含了，那么相当于失去了内联的作用；
- 内联只是对编译器的建议，是否内联取决于编译器
定义在类中的函数，除了虚函数，都会自动隐式地当成内联函数。
内联函数通常定义在头文件中
- inline 函数对编译器而言必须是可见的，以便它能够在调用点展开该函数。
- 如果定义在 cpp 文件中，那么在每个调用该内联函数的文件内都要再重新定义一次，且定义必须一致
- inline 函数允许多次定义

inline 的使用

// 定义在头文件中
inline 
int func() {}

// 声明在头文件中
inline 
int func1();
// 定义在源文件 1 中
inline
int func1() {}
// 定义在源文件 2 中
inline
int func1() {}
// 源文件 1 和 2 中的定义必须一致

关于 inline 关键字应该放在声明还是定义处，重说纷纭，保险起见都加上
当然，最好的做法是直接定义在头文件中

编译器对 inline 函数的处理步骤

将 inline 函数体复制到 inline 函数调用点处；
为所用 inline 函数中的局部变量分配内存空间；
将 inline 函数的的输入参数和返回值映射到调用方法的局部变量空间中；
如果 inline 函数有多个返回点，将其转变为 inline 函数代码块末尾的分支（使用 GOTO）。

inline 的优缺点

优点（相比宏定义）

内联函数类似宏函数，在调用处展开，省去了调用开销（参数压栈、栈帧开辟与回收，结果返回等），从而提高程序运行速度。
相比宏函数来说，内联函数在代码展开时，会进行安全检查或自动类型转换（同普通函数），而宏定义不会。
在类中声明同时定义的成员函数，会自动转化为内联函数，因此内联函数可以访问类的成员变量，宏定义则不能。
内联函数在运行时可调试，宏定义不可以。

缺点

代码膨胀。
- 内联是以代码膨胀（内存）为代价，来消除函数调用带来的开销。
- 如果执行函数体内代码的时间，相比于函数调用的开销较大，那么效率的收获会很少。
inline 函数无法随函数库升级。
- inline 函数的改变需要重新编译，不像 non-inline 可以直接链接。
是否内联，程序员不可控。
- 内联函数只是对编译器的建议，是否对函数内联，决定权在于编译器。

虚函数可以内联吗？

虚函数可以是内联函数
但是当虚函数表现多态性时不能内联。
inline 是在编译期建议编译器内联，而虚函数的多态性在运行期，编译器无法知道运行期调用哪个代码，因此虚函数表现为多态性时（运行期）不可以内联。
虚函数唯一可以内联的情况是：
编译器知道所调用的对象是哪个类，如 Base::who()，这只有在编译器具有实际对象而不是对象的指针或引用时才会发生。

虚函数的内联

class Base {
public:
    inline virtual 
    void who() {
        cout << "I am Base\n";
    }

    virtual ~Base() { }
};

class Derived : public Base {
public:
    inline void who() {  // 不写 inline 时也会隐式内联
        cout << "I am Derived\n";
    }
};

int main() {
    // 此处的虚函数 who()，是通过 Base类的具体对象 b来调用的，
    // 因此编译期间就能确定，所以它可以是内联的，但最终是否内联取决于编译器。
    Base b;
    b.who();

    // 此处的虚函数是通过指针调用的，呈现多态性，
    // 需要在运行时期间才能确定，所以不能为内联。
    Base *ptr = new Derived();
    ptr->who();

    // 因为 Base 有虚析构函数（virtual ~Base() {}），
    // 所以 delete 时，会先调用派生类（Derived）析构函数，
    // 再调用基类（Base）析构函数，防止内存泄漏。
    delete ptr;
    ptr = nullptr;

    system("pause");
    return 0;
}

assert 与 sizeof

断言 assert() 是宏而非函数，定义在头文件 <assert.h>/<cassert> 中
sizeof() 是操作符而非函数 sizeof int == sizeof(int)
- sizeof 对数组，得到整个数组所占空间大小。
- sizeof 对指针，得到指针本身所占空间大小。
- 特别的
  void foo(int arr[]) { // 实际上是 int* arr cout << sizeof(arr) << endl; // 得到的是指针的大小，而非数组的大小 }

C++ 中 struct、union、class

C 与 C++ 中的结构体

C 中的结构体
```
typedef 
struct Student {
    int age; 
} Stu;
```
等价于
```
struct Student { 
    int age; 
};
typedef struct Student Stu;
```
实际上就是为 struct Student 这个比较长的声明定义了一个别名 Stu
```
struct Student s1;
Stu s2;
```
因为 C 中定义结构体，必须带上 struct，所以还可以定义 void Student() {} 不冲突

C++ 中的结构体

typedef
struct Student { 
    int age; 
} Stu;

Student s1;         // 正确，"struct" 关键字可省略
struct Student s2;  // 正确
Stu s3;             // 正确，使用别名

void f( Student me );  // 正确

如果定义了同名的函数，那么 struct 关键字不可省略

typedef 
struct Student { 
    int age; 
} Stu;

void Student() {}           // 正确，定义后名为 "Student" 的函数

// void Stu() {}            // 错误，符号 "Stu" 已经被定义为一个 "struct Student" 的别名

int main() {
    Student(); 
    struct Student s1;
    Stu s2;
    return 0;
}

C++ 中 struct 和 class 的区别

一般来说，struct 适合作为一个数据结构的实现体，class 更适合作为一个对象的实现体
但最本质的区别在于默认的访问控制权限
- 默认的继承访问权限—— struct 是 public，class 是 private
- 默认的成员访问权限—— struct 是 public，class 是 private

联合体 union

联合体（union）是一种节省空间的特殊的类
- 一个 union 可以有多个数据成员，但是在任意时刻只有一个数据成员可以有值
- 当某个成员被赋值后其他成员变为未定义状态
联合体的特点
- 默认访问控制符为 public
- 可以含有构造函数、析构函数
- 不能含有引用类型的成员
- 不能继承自其他类，不能作为基类
- 不能含有虚函数
- 匿名 union 在定义所在作用域可直接访问 union 成员
- 匿名 union 不能包含 protected 成员或 private 成员
- 全局匿名联合必须是静态（static）的

union UnionTest { // 联合体
    UnionTest() : i(10) {};
    int i;
    double d;
};

static union {    // 全局静态匿名联合体
    int i;
    double d;
};

int main() {
    UnionTest u;

    union {       // 局部匿名联合体
        int i;
        double d;
    };

    std::cout << u.i << std::endl;  // 输出 UnionTest 联合的 10

    ::i = 20; // 匿名 union 在定义所在作用域可直接访问
    std::cout << ::i << std::endl;  // 输出全局静态匿名联合的 20

    i = 30;
    std::cout << i << std::endl;    // 输出局部匿名联合的 30

    return 0;
}

用 C 实现 C++ 中的封装、继承和多态

友元函数与友元类

友元小结

能访问私有成员
破坏封装性
友元关系不可传递
友元关系的单向性
友元声明的形式及数量不受限制

友元函数

不是类的成员函数，却能访问该类所有成员（包括私有成员）的函数

类授予它的友元函数特别的访问权，这样该友元函数就能访问到类中的所有成员。

class A {
public:
    friend void set_data(int x, A &a);      // 友元函数的声明
    int get_data() { return data; }
private:
    int data;
};

void set_data(int x, A &a) {                // 友元函数的定义
    a.data = x; 
    cout << a.data << endl;                 // 无障碍读写类的私有成员
}

int main(void) {
    class A a;
    set_data(1, a);
    // cout << a.data;  // err
    cout << a.get_data() << endl; 
    return 0;
}

友元类

一个类的友元类可以访问该类的所有成员（包括私有成员）
注意点
- 友元关系不能被继承
- 友元关系不能传递
- 友元关系是单向的
```Cpp
class A {
public:
friend class C; // 友元类的声明：C 是 A 的友元类
private:
int data;
};

class C { // 友元类的定义，可以访问 A 中的成员 public: void set_A_data(int x, A &a) { a.data = x; }

int get_A_data(A& a) {
  return a.data;
}

};

int main(void) { class A a; class C c;

c.set_A_data(1, a);
cout << c.get_A_data(a) << endl;  // 1

return 0;

}

**友元成员函数**
- 使类 B 中的成员函数成为类A的友元函数（但 B 不是 A 的友元类），这样只有类 B 的该成员函数可以访问类 A 的所有成员
- 不推荐使用，原因如下
- 注意声明与定义的顺序
  ```Cpp
  class A;    // 类 A 的声明，因为 A 的友元函数，即 B 的成员函数要用到 A，所以必须先声明类 A
              // 但此时还不能定义 A，因为 B 还没有定义，B 的成员函数就无从谈起
  class B {   // 类 B 的定义
  public:
      void set_A_data(int x, A &a);   // 类 A 的友元函数，同时是 B 的成员函数
                                      // 但只能声明，还不能定义，因为 A 还没有定义，访问 A 的成员就无从谈起
  };

  class A {
  public:
      friend void B::set_A_data(int x, A &a);   // 将 B 的成员函数声明为 A 的友元成员函数；所以必须先定义 B
  private:
      int data;
      void print_data() { cout << data << endl; }
  };

  void B::set_A_data(int x, A &a) {   // 只有在定义类 A 后才能定义该函数
      a.data = x;          // 访问 A 的私有成员变量
      a.print_data();      // 访问 A 的私有成员函数
  }

  int main(void) {
      class A a;
      class B b;

      b.set_A_data(1, a);

      return 0;
  }

枚举类型 enum

限制作用域的枚举类型，使用关键字 enum class
enum class open_modes { input, output, append };
不限作用域的枚举类型
enum color { red, yellow, green };
enum { floatPrec = 6, doublePrec = 10 };

RoadMap

指针与引用

左值引用与右值引用

static 与 const

const 相关代码

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inline 内联函数

编译器对 inline 函数的处理步骤

inline 的优缺点

虚函数可以内联吗？

assert 与 sizeof

C++ 中 struct、union、class

C 与 C++ 中的结构体

C++ 中 struct 和 class 的区别

联合体 union

用 C 实现 C++ 中的封装、继承和多态

友元函数与友元类

枚举类型 enum

其他

#pragma pack(n)

位域 Bit mode

关键字 volatile

关键字 extern "C"

关键字 explicit

关键字 using

范围解析运算符 ::

关键字 decltype

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指针与引用

左值引用与右值引用

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虚函数可以内联吗？

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C++ 中 struct 和 class 的区别

联合体 union

用 C 实现 C++ 中的封装、继承和多态

友元函数与友元类

枚举类型 enum

其他

#pragma pack(n)

位域 Bit mode

关键字 volatile

关键字 extern "C"

关键字 explicit

关键字 using

范围解析运算符 ::

关键字 decltype