【C++】入门（二）

前言：
c++基础语法（下）

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五、引用

5.1 引用概念

引用是C++语言中的一种机制，用于创建变量的别名。它使用一个已存在的变量来创建另一个名称，从而通过不同的名字访问相同的内存位置。

类型& 引用变量名(对象名) = 引用实体；

int a = 10;
//创建引用
int& ra = a;

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5.2 引用使用规则

规则如下：

1. 引用必须在声明时进行初始化： 引用在定义的同时必须进行初始化。

   int a = 42;
   int& a1 = a; // 正确，引用被初始化
   

2. 创建包含引用的数组： 创建一个包含引用的数组。

    int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int& referencesArray[5] = {array[0], array[1], array[2], array[3], array[4]};
    //referencesArray 中的每个元素都是一个对应于 array 中相应索引位置的引用。上述代码创建了一个引用数组，并将每个引用与数组 array 中的元素相绑定。
   

3. 引用不能重新赋值： 一旦引用被初始化，就不能改变其引用的对象。

   int a = 10;
   int b = 20;
   int& ref = a;
   ref = b; // 此时 a 的值变成 20，而不是修改引用的目标
   

4. 一个变量可以有多个引用： 多个引用可以同时指向相同的变量，这样它们就共享相同的内存地址，对该变量的修改将会被所有引用所影响。

   int a = 10;
   int& b = a;//b，c都是a的别名
   int& c = a;
   
   int d = 5;
   b = d;//变量a被修改为5，同样的b = 5，c = 5
   

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5.3 常引用

常引用（const reference）是指在声明引用时使用 const 关键字，以表明引用的目标对象在引用生命周期内不可通过别名修改。

#include <iostream>

int main() {
    int a = 10;
    const int& b = a; // 常引用

    std::cout << "a: " << a << std::endl;
    std::cout << "b: " << b << std::endl;
    //a:10
    //b:10

    // 尝试修改 b 的值（这会导致编译错误）
    // b = 20;

    // 修改原始变量 a 的值
    a = 30;

    std::cout << "a: " << a << std::endl;
    std::cout << "b: " << b << std::endl;
    //a:30
    //b:30

    return 0;
}

另外，对常量的常引用时合法的，但对常量的引用不合法

//可以访问常量的值，但不能通过 a 来修改这个值
const int& b = 10;
//int& b = 10; 不合法

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5.4 引用的使用场景

1. 传递函数参数： 通过引用传递参数，可以避免传递大型对象时的复制开销，同时允许在函数内部修改传入的变量。常引用用于确保在函数内部不能修改传入的值。

   void modifyValue(int& value) {
       value *= 2;
   }
   
   int main() {
       int num = 5;
       modifyValue(num);
       // num 在此处被修改为 10
       return 0;
   }
   

2. 返回引用： 函数可以返回引用，允许对函数返回值进行修改。这在实现链式调用等情况下很有用。

   int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
   
   int& getElement(int index) {
       return array[index];
   }
   
   int main() {
       getElement(2) = 10;
       // array[2] 在此处被修改为 10
       return 0;
   }
   

   这里数组是全局的，因此在getElement返回值时，数组元素并没有被销毁，因此 array[2] 能被成功修改

   如果是以下的这种情况，变量c 随函数栈帧的销毁也被收回空间，那么这个时候返回c的引用就是无效的，其返回的值是随机值

   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;
   }
   

   

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5.5 引用和指针的区别

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。

   • 引用提供了一种直观的别名机制，不需要显式解引用。
   • 指针存储变量地址，需要通过解引用操作符 * 才能访问目标对象。

2. 引用在定义时必须初始化，指针没有要求。

   • 引用在创建时必须初始化，并且一旦与某个对象关联，就不能再引用其他对象。
   • 指针可以在声明后进行初始化，也可以在后续重新指向其他对象。

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。

   • 引用在创建后与某个实体绑定，无法再引用其他实体。
   • 指针可以在运行时指向不同的对象。

4. 没有NULL引用，但有NULL指针。

   • 引用不能为NULL，必须在初始化时指向一个有效的对象。
   • 指针可以为空，即指向 nullptr 或 NULL。

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)。

   • sizeof 运算符对引用返回引用类型的大小。
   • sizeof 运算符对指针返回指针所占的字节大小，通常与地址空间的大小相关。

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。

   • 引用自增是对引用的实体进行加法操作。
   • 指针自增是将指针指向的地址向后移动一个类型的大小。

7. 有多级指针，但是没有多级引用。

   • C++ 支持多级指针，可以有 int**、int*** 等形式。
   • 没有多级引用的概念，引用通常是单层的。

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。

   • 引用在使用时无需显式解引用，直接使用引用即可。
   • 指针需要通过解引用操作符 * 显式访问目标对象。

9. 引用比指针使用起来相对更安全。

   • 引用在使用时更为直观，编译器会在一定程度上确保引用的合法性。
   • 指针可能引发空指针、野指针等问题，需要小心管理。

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六、内联函数

6.1 概念

内联函数是C++中的一种编译器优化手段，它通过将函数的定义嵌入到调用该函数的地方，而不是通过传统的函数调用机制，以提高程序的执行效率。

使用关键字 inline 来告诉编译器希望将函数内联展开。在函数定义或声明前加上 inline 关键字即可。

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

int main() {
	int a = 0;
	int b = 1;
	cout << "a+b=" << add(a, b) << endl;
	return 0;
}

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6.2 内联函数的特性

1. 适用于短小的函数： 内联函数适用于函数体较短小的情况，因为内联的目的是减少函数调用的开销，而将大型函数内联可能会导致代码膨胀（函数被内联展开，那么在每个调用点都会生成一份该函数的代码，增加代码的体积，可能导致更大的可执行文件）。

2. 编译器决定内联： 使用 inline 关键字只是向编译器发出一个建议，最终是否内联取决于编译器的决策。通常，编译器会根据函数的复杂性和调用频率等因素来判断是否进行内联。
   一般来说，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

3. 头文件中定义内联函数： 通常，内联函数的定义会放在头文件中，以便在多个源文件中进行内联展开。

   // header.h
   inline int add(int a, int b) {
       return a + b;
   }
   

   // main.cpp
   #include "header.h"
   
   int main() {
       int result = add(3, 4);  // 内联展开
       return 0;
   }
   

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七、auto关键字（C++11）

7.1 概念

auto 是C++11引入的关键字，用于在声明变量时由编译器自动推导变量的类型。使用 auto 可以简化代码，特别是在涉及复杂的类型或使用模板时。以下是关于 auto 的一些关键点：

1. 自动类型推导： auto 关键字可以用于声明变量，让编译器自动推导变量的类型。编译器在编译时会根据变量的初始化表达式推断其类型。

   auto x = 10;         // x 的类型将被推断为 int
   auto y = 3.14;       // y 的类型将被推断为 double
   auto z = "Hello";    // z 的类型将被推断为 const char[6]
   

2. 适用于各种类型： auto 可以用于推导各种类型，包括基本数据类型、复合类型、指针、引用等。

   auto i = 42;               // int
   auto f = 3.14f;            // float
   auto ptr = new int(5);     // int*
   auto& ref = i;             // int&
   

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7.2 使用规则

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;
       
       //用于获取表达式的类型信息
       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。

   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. 不能作为函数的参数类型： 函数参数的类型必须在编译时确定，而 auto 是用来进行类型推导的，无法在函数参数中使用。在函数参数中，必须显式指定参数的类型。

   void myFunction(auto x) {  // 错误，auto 不能用作函数参数类型
       // 函数体
   }
   

4. 不能直接用来声明数组： 在数组声明中，编译器需要知道数组的元素类型和大小，而 auto 无法提供这些信息。因此，直接使用 auto 来声明数组是不允许的。

   auto myArray[] = {1, 2, 3};  // 错误，auto 不能直接用于数组声明
   

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7.3 用于for循环（C++11）

当 auto 用于范围-based for 循环时，它会自动推导迭代变量的类型，并且可以遍历容器中的元素，使代码更加简洁。以下是使用 auto 的范围-based for 循环的示例：

auto 自动推导出 num 的类型，而 for 循环会遍历 numbers 容器中的每个元素，并将元素的值赋给 num。

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用 auto 和范围-based for 循环遍历容器中的元素
    for (auto num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

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八、指针空值nullptr(C++11)

nullptr 是 C++11 引入的空指针常量，用于代替传统的空指针值 NULL。nullptr 具有更强的类型安全性。

在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：
NULL 实际上是一个宏，通常被定义为 0 或 (void*)0。

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

示例：

void f(int a){
	cout << "f(int)" << endl;
}

void f(int* a){
	cout << "f(int*)" << endl;
}

int main(){
	f(0);
	f(NULL);
	f((int*)NULL);
	f(nullptr);
	return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int* a)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，编译器默认情况下将其NULL看成是一个整形常量0。当我们使用NULL调用f(int* a)时必须强转类型 (int*)NULL。而nullptr 明确表示空指针

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