C++ 基础教程：从历史演进到核心语法详解

C++ 基础教程：从历史演进到核心语法详解

1. C++ 发展历史

C++ 的起源可以追溯到 1979 年，当时 Bjarne Stroustrup（本贾尼·斯特劳斯特卢普）在贝尔实验室从事计算机科学和软件工程的研究工作。面对项目中复杂的软件开发任务，特别是模拟和操作系统的开发工作，他感受到了现有语言（如 C 语言）在表达能力、可维护性和可扩展性方面的不足。

1983 年，Bjarne Stroustrup 在 C 语言的基础上添加了面向对象编程的特性，设计出了 C++ 语言的雏形，此时的 C++ 已经有了类、封装、继承等核心概念，为后来的面向对象编程奠定了基础。这一年该语言被正式命名为 C++。

在随后的几年中，C++ 在学术界和工业界的应用逐渐增多。一些大学和研究所开始将 C++ 作为教学和研究的首选语言，而一些公司也开始在产品开发中尝试使用 C++。这一时期，C++ 的标准库和模板等特性也得到了进一步完善和发展。

C++ 的标准化工作于 1989 年开始，并成立了一个 ANSI 和 ISO（International Standards Organization）国际标准化组织的联合标准化委员会。1994 年标准化委员会提出了第一个标准化草案。在该草案中，委员会在保持斯特劳斯特卢普最初定义的所有特征的同时，还增加了部分新特征。

在完成 C++ 标准化的第一个草案后不久，STL（Standard Template Library）是惠普实验室开发的一系列软件的统称。它是由 Alexander Stepanov、Meng Lee 和 David R Musser 在惠普实验室工作时所开发出来的。在通过了标准化第一个草案之后，联合标准化委员会投票并通过了将 STL 包含到 C++ 标准中的提议。STL 对 C++ 的扩展超出 C++ 的最初定义范围。虽然在标准中增加 STL 是个很重要的决定，但也因此延缓了 C++ 标准化的进程。

1997 年 11 月 14 日，联合标准化委员会通过了该标准的最终草案。1998 年，C++ 的 ANSI/ISO 标准被投入使用。

2. C++ 版本更新

时间	版本	主要内容
1998 年	C++98	首个官方版本，引入 STL（标准模板库）
2003 年	C++03	修复 C++98 漏洞，增强稳定性和兼容性
2011 年	C++11	革命性更新：lambda、右值引用、智能指针、多线程支持等
2014 年	C++14	扩展 C++11：泛型 lambda 返回值推导、二进制字面常量等
2017 年	C++17	新增 if constexpr、折叠表达式，改进 string、filesystem 等
2020 年	C++20	里程碑更新：协程（Coroutines）、概念（Concepts）、模块化（Modules）等
2023 年	C++23	小版本更新：if consteval、flat_map、import std 等
2026 年	C++26	制定中

3. C++ 参考文档

• https://legacy.cplusplus.com/reference/
• https://zh.cppreference.com/w/cpp
• https://en.cppreference.com/w/

说明：第一个链接不是 C++ 官方文档，标准也只更新到 C++11，但是以头文件形式呈现，内容比较易看好懂。后两个链接分别是 C++ 官方文档的中文版和英文版，信息很全，更新到了最新的 C++ 标准，但是相比第一个不那么易看；几个文档各有优势，我们结合着使用。

4. C++ 的重要性

4.1 编程语言排行榜

TIOBE 排行榜是根据互联网上有经验的程序员、课程和第三方厂商的数量，并使用搜索引擎（如 Google、Bing、Yahoo!）以及 Wikipedia、Amazon、YouTube 和 Baidu（百度）统计出排名数据，只是反映某个编程语言的热度程度，并不能说明一门编程语言好不好，或者一门语言所编写的代码数量多少。

4.2 C++ 在工作领域中的应用

C++ 的应用领域服务器端、游戏（引擎）、机器学习引擎、音视频处理、嵌入式软件、电信设备、金融应用、基础库、操作系统、编译器、基础架构、基础工具、硬件交互等方面都有。

1. 大型系统软件开发。如编译器、数据库、操作系统、浏览器等等
2. 音视频处理。常见的音视频开源库和方案有 FFmpeg、WebRTC、Mediasoup、ijkplayer，音视频开发最主要的技术栈就是 C++。
3. PC 客户端开发。一般是开发 Windows 上的桌面软件，比如 WPS 之类的，技术栈的话一般是 C++ 和 QT，QT 是一个跨平台的 C++ 图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）程序。
4. 服务端开发。各种大型应用网络连接的高并发后台服务。这块 Java 也比较多，C++ 主要用于一些对性能要求比较高的地方。如：游戏服务、流媒体服务、量化高频交易服务等
5. 游戏引擎开发。很多游戏引擎就都是使用 C++ 开发的，游戏开发要掌握 C++ 基础和数据结构，学习图形学知识，掌握游戏引擎和框架，了解引擎实现，引擎源代码可以学习 UE4、Cocos2d-x 等开源引擎实现
6. 嵌入式开发。嵌入式把具有计算能力的主控板嵌入到机器装置或者电子装置的内部，通过软件能够控制这些装置。比如：智能手环、摄像头、扫地机器人、智能音响、门禁系统、车载系统等等，粗略一点，嵌入式开发主要分为嵌入式应用和嵌入式驱动开发.
7. 机器学习引擎。机器学习底层的很多算法都是用 C++ 实现的，上层用 python 封装起来。如果你只想准备数据训练模型，那么学会 Python 基本上就够了，如果你想做机器学习系统的开发，那么需要学会 C++。
8. 测试开发/测试。每个公司研发团队，有研发就有测试，测试主要分为测试开发和功能测试，测试开发一般是使用一些测试工具 (selenium、Jmeter 等)，设计测试用例，然后写一些脚本进行自动化测试，性能测试等，有些还需要自行开发一些测试用具。功能测试主要是根据产品的功能，设计测试用例，然后手动的方式进行测试。

5. C++ 的第一个程序

C++ 兼容 C 语言绝大多数的语法，所以 C 语言实现的 helloworld 依旧可以运行，C++ 中需要将定义文件代码后缀改为.cpp，vs 编译器看到是.cpp 就会调用 C++ 编译器编译，linux 下要用 g++ 编译，不再是 gcc。

// test.cpp
#include<stdio.h>
int main() {
    printf("hello world\n");
    return 0;
}

当然 C++ 有一套自己的输入输出，严格说 C++ 版本的 helloworld 应该是这样写的。

// test.cpp
// 这里的 std cout 等我们都看不懂，没关系，下面我们会依次讲解
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    cout << "hello world\n" << endl;//这里的 endline 相当于换行的作用
    return 0;
}

6. 命名空间

6.1 namespace 的价值

在 C/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。

c 语言项目类似下面程序这样的命名冲突是普遍存在的问题，C++ 引入 namespace 就是为了更好的解决这样的问题

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int rand = 10;
int main(){
    // 编译报错：error C2365: 'rand': 重定义；以前的定义是'函数'
    printf("%d\n", rand);
    return 0;
}

6.2 namespace 的定义

• 定义命名空间，需要使用到 namespace 关键字，后面跟命名空间的名字，然后接一对{}即可，{}中即为命名空间的成员。命名空间中可以定义变量/函数/类型等。 • namespace 本质是定义出一个域，这个域跟全局域各自独立，不同的域可以定义同名变量，所以下面的 rand 不在冲突了。 • C++ 中域有函数局部域，全局域，命名空间域，类域；域影响的是编译时语法查找一个变量/函数/类型出处 (声明或定义) 的逻辑，所有有了域隔离，名字冲突就解决了。局部域和全局域除了会影响编译查找逻辑，还会影响变量的生命周期，命名空间域和类域不影响变量生命周期。

• namespace 只能定义在全局，当然他还可以嵌套定义。 • 项目工程中多文件中定义的同名 namespace 会认为是一个 namespace，不会冲突。

• C++ 标准库都放在一个叫 std(standard) 的命名空间中。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 1. 正常的命名空间定义
// fnx 是命名空间的名字，一般开发中是用项目名字做命名空间名。
namespace fnx {
    // 命名空间中可以定义变量/函数/类型
    int rand = 10;
    int Add(int left, int right) {
        return left + right;
    }
    struct Node {
        struct Node* next;
        int val;
    };
}
int main() {
    // 这里默认是访问的是全局的 rand 函数指针
    printf("%p\n", rand);
    // 这里指定 bit 命名空间中的 rand
    printf("%d\n", fnx::rand);
    return 0;
}

// 2. 命名空间可以嵌套
namespace fnx {
    // czx 的代码
    namespace czx {
        int rand = 1;
        int Add(int left, int right) {
            return left + right;
        }
    }
    // lgh 的代码
    namespace lgh {
        int rand = 2;
        int Add(int left, int right) {
            return (left + right)*10;
        }
    }
}
int main() {
    printf("%d\n", bit::pg::rand);
    printf("%d\n", bit::hg::rand);
    printf("%d\n", bit::pg::Add(1, 2));
    printf("%d\n", bit::hg::Add(1, 2));
    return 0;
}

多文件中可以定义同名 namespace，他们会默认合并到一起，就像同一个 namespace 一样

// Stack.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
namespace fnx {
    typedef int STDataType;
    typedef struct Stack {
        STDataType* a;
        int top;
        int capacity;
    }ST;
    void STInit(ST* ps, int n);
    void STDestroy(ST* ps);
    void STPush(ST* ps, STDataType x);
    void STPop(ST* ps);
    STDataType STTop(ST* ps);
    int STSize(ST* ps);
    bool STEmpty(ST* ps);
}
// Stack.cpp
#include"Stack.h"
namespace fnx {
    void STInit(ST* ps, int n) {
        assert(ps);
        ps->a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
        ps->top = 0;
        ps->capacity = n;
    }
    // 栈顶
    void STPush(ST* ps, STDataType x) {
        assert(ps);
        // 满了，扩容
        if (ps->top == ps->capacity) {
            printf("扩容\n");
            int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
            STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
            if (tmp == NULL) {
                perror("realloc fail");
                return;
            }
            ps->a = tmp;
            ps->capacity = newcapacity;
        }
        ps->a[ps->top] = x;
        ps->top++;
    }
    //...
}
// Queue.h
#pragma once
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
namespace fnx {
    typedef int QDataType;
    typedef struct QueueNode {
        int val;
        struct QueueNode* next;
    }QNode;
    typedef struct Queue {
        QNode* phead;
        QNode* ptail;
        int size;
    }Queue;
    void QueueInit(Queue* pq);
    void QueueDestroy(Queue* pq);
    // 入队列
    void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
    // 出队列
    void QueuePop(Queue* pq);
    QDataType QueueFront(Queue* pq);
    QDataType QueueBack(Queue* pq);
    bool QueueEmpty(Queue* pq);
    int QueueSize(Queue* pq);
}
// Queue.cpp
#include"Queue.h"
namespace fnx {
    void QueueInit(Queue* pq) {
        assert(pq);
        pq->phead = NULL;
        pq->ptail = NULL;
        pq->size = 0;
    }
    // ...
}
// test.cpp
#include"Queue.h"
#include"Stack.h"
// 全局定义了一份单独的 Stack
typedef struct Stack {
    int a[10];
    int top;
}ST;
void STInit(ST* ps){}
void STPush(ST* ps, int x){}
int main() {
    // 调用全局的
    ST st1;
    STInit(&st1);
    STPush(&st1, 1);
    STPush(&st1, 2);
    printf("%d\n", sizeof(st1));
    // 调用 fnx namespace 的
    fnx::ST st2;
    printf("%d\n", sizeof(st2));
    fnx::STInit(&st2);
    fnx::STPush(&st2, 1);
    fnx::STPush(&st2, 2);
    return 0;
}

6.3 命名空间使用

编译查找一个变量的声明/定义时，默认只会在局部或者全局查找，不会到命名空间里面去查找。所以下面程序会编译报错。所以我们要使用命名空间中定义的变量/函数，有三种方式： • 指定命名空间访问，项目中推荐这种方式。 • using 将命名空间中某个成员展开，项目中经常访问的不存在冲突的成员推荐这种方式。 • 展开命名空间中全部成员，项目不推荐，冲突风险很大，日常小练习程序为了方便推荐使用。

#include<stdio.h>
namespace N {
    int a = 0;
    int b = 1;
}
int main() {
    // 编译报错：error C2065: 'a': 未声明的标识符
    printf("%d\n", a);
    return 0;
}
// 指定命名空间访问
int main() {
    printf("%d\n", N::a);
    return 0;
}
// using 将命名空间中某个成员展开
using N::b;
int main() {
    printf("%d\n", N::a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}
// 展开命名空间中全部成员
using namespace N;
int main() {
    printf("%d\n", a);
    printf("%d\n", b);
    return 0;
}

7. C++ 输入 & 输出

• iostream 是 Input OutputStream 的缩写，是标准的输入、输出流库，定义了标准的输入、输出对象。 • std::cin 是 istream 类的对象，它主要面向窄字符（narrow characters of type char)）的标准输入流。 • std::cout 是 ostream 类的对象，它主要面向窄字符的标准输出流。 • std::endl 是一个函数，流插入输出时，相当于插入一个换行字符加刷新缓冲区。 • << 是流插入运算符，>> 是流提取运算符。（C 语言还用这两个运算符做位运算左移/右移） • 使用 C++ 输入输出更方便，不需要像 printf/scanf 输入输出时那样，需要手动指定格式，C++ 的输入输出可以自动识别变量类型(本质是通过函数重载实现的)，其实最重要的是 C++ 的流能更好的支持自定义类型对象的输入输出。 • IO 流涉及类和对象，运算符重载、继承等很多面向对象的知识，这些知识我们还没有讲解，所以这里我们只能简单认识一下 C++ IO 流的用法，后面我们会有专门的一个章节来细节 IO 流库。 • cout/cin/endl 等都属于 C++ 标准库，C++ 标准库都放在一个叫 std(standard) 的命名空间中，所以要通过命名空间的使用方式去用他们。 • 一般日常练习中我们可以 using namespace std，实际项目开发中不建议 using namespace std。

• 这里我们没有包含<stdio.h>，也可以使用 printf 和 scanf，在包含 iostream 间接包含了。vs 系列编译器是这样的，其他编译器可能会报错。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 0;
    double b = 0.1;
    char c = 'x';
    cout << a << " " << b << " " << c << endl;
    std::cout << a << " " << b << " " << c << std::endl;
    scanf("%d%lf", &a, &b);
    printf("%d %lf\n", a, b);
    // 可以自动识别变量的类型
    cin >> a;
    cin >> b >> c;
    cout << a << endl;
    cout << b << " " << c << endl;
    return 0;
}
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    // 在 io 需求比较高的地方，如部分大量输入的竞赛题中，加上以下 3 行代码
    // 可以提高 C++IO 效率
    ios_base::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);
    cout.tie(nullptr);
    return 0;
}

8. 缺省参数

• 缺省参数是声明或定义函数时为函数的参数指定一个缺省值。在调用该函数时，如果没有指定实参则采用该形参的缺省值，否则使用指定的实参，缺省参数分为全缺省和半缺省参数。（有些地方把缺省参数也叫默认参数） • 全缺省就是全部形参给缺省值，半缺省就是部分形参给缺省值。C++ 规定半缺省参数必须从右往左依次连续缺省，不能间隔跳跃给缺省值。 • 带缺省参数的函数调用**，C++ 规定必须从左到右依次给实参，不能跳跃给实参。** • 函数声明和定义分离时，缺省参数不能在函数声明和定义中同时出现，规定必须函数声明给缺省值。

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
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;
}

#include<iostream>
using namespace std;
// 全缺省
void Func1(int a = 10, int b = 20, int c = 30) {
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}
// 半缺省
void Func2(int a, int b = 10, int c = 20) {
    cout << "a = " << a << endl;
    cout << "b = " << b << endl;
    cout << "c = " << c << endl << endl;
}
int main() {
    Func1();
    Func1(1);
    Func1(1, 2);
    Func1(1, 2, 3);
    Func2(100);
    Func2(100, 200);
    Func2(100, 200, 300);
    return 0;
}

// Stack.h
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack {
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;
void STInit(ST* ps, int n = 4);
// Stack.cpp
#include"Stack.h"
// 缺省参数不能声明和定义同时给
void STInit(ST* ps, int n) {
    assert(ps && n > 0);
    ps->a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
    ps->top = 0;
    ps->capacity = n;
}
// test.cpp
#include"Stack.h"
int main() {
    ST s1;
    STInit(&s1); // 确定知道要插入 1000 个数据，初始化时一把开好，避免扩容
    ST s2;
    STInit(&s2, 1000);
    return 0;
}

9. 函数重载

C++ 支持在同一作用域中出现同名函数，但是要求这些同名函数的形参不同，可以是参数个数不同或者类型不同。这样 C++ 函数调用就表现出了多态行为，使用更灵活。C 语言是不支持同一作用域中出现同名函数的。

#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;
}
// 返回值不同不能作为重载条件，因为调用时也无法区分
//void fxx() {}
//int fxx() { return 0; }
// 下面两个函数构成重载
// f() 但是调用时，会报错，存在歧义，编译器不知道调用谁
void f1() {
    cout << "f()" << endl;
}
void f1(int a = 10) {
    cout << "f(int a)" << endl;
}
int main() {
    Add(10, 20);
    Add(10.1, 20.2);
    f();
    f(10);
    f(10, 'a');
    f('a', 10);
    return 0;
}

10 引用

10.1 引用的概念和定义

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：水壶传中李逵，宋江叫"铁牛"，江湖上人称"黑旋风"；林冲，外号豹子头； 类型&引用别名=引用对象;C++ 中为了避免引入太多的运算符，会复用 C 语言的一些符号，比如前面的<<和>>，这里引用也和取地址使用了同一个符号&，大家使用方法角度区分就可以。（吐槽一下，这个问题其实挺坑的，个人觉得用更多符号反而更好，不容易混淆）

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 0;
    // 引用：b 和 c 是 a 的别名
    int& b = a;
    int& c = a;
    // 也可以给别名 b 取别名，d 相当于还是 a 的别名
    int& d = b;
    ++d; // 这里取地址我们看到是一样的
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    cout << &d << endl;
    return 0;
}

10.2 引用的特性

• 引用在定义时必须初始化 • 一个变量可以有多个引用 • 引用一旦引用一个实体，再不能引用其他实体

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 10;
    // 编译报错：'ra': 必须初始化引用
    //int& ra;
    int& b = a;
    int c = 20;
    // 这里并非让 b 引用 c，因为 C++ 引用不能改变指向，
    // 这里是一个赋值
    b = c;
    cout << &a << endl;
    cout << &b << endl;
    cout << &c << endl;
    return 0;
}

10.3 引用的使用

• 引用在实践中主要是于引用传参和引用做返回值中减少拷贝提高效率和应用对象时同时改变被引用对象。 • 引用传参跟指针传参功能是类似的，引用传参相对更方便一些。 • 引用返回值的场景相对比较复杂，我们在这里简单讲了一下场景，还有一些内容后续类和对象章节中会继续深入讲解。 • 引用和指针在实践中相辅相成，功能有重叠性，但是各有特点，互相不可替代。C++ 的引用跟其他语言的引用 (如 Java) 是有很大的区别的，除了用法，最大的点，C++ 引用定义后不能改变指向，Java 的引用可以改变指向。 • 一些主要用 C 代码实现版本数据结构教材中，使用 C++ 引用替代指针传参，目的是简化程序，避开复杂的指针，但是很多同学没学过引用，导致一头雾水。

void Swap(int& rx, int& ry) {
    int tmp = rx;
    rx = ry;
    ry = tmp;
}
int main() {
    int x = 0, y = 1;
    cout << x << " " << y << endl;
    Swap(x, y);
    cout << x << " " << y << endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
typedef int STDataType;
typedef struct Stack {
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;
void STInit(ST& rs, int n = 4) {
    rs.a = (STDataType*)malloc(n * sizeof(STDataType));
    rs.top = 0;
    rs.capacity = n;
}
// 栈顶
void STPush(ST& rs, STDataType x) {
    assert(rs);
    // 满了，扩容
    if (rs.top == rs.capacity) {
        printf("扩容\n");
        int newcapacity = rs.capacity == 0 ? 4 : rs.capacity * 2;
        STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(rs.a, newcapacity * sizeof(STDataType));
        if (tmp == NULL) {
            perror("realloc fail");
            return;
        }
        rs.a = tmp;
        rs.capacity = newcapacity;
    }
    rs.a[rs.top] = x;
    rs.top++;
}
// int STTop(ST& rs)
int& STTop(ST& rs) {
    assert(rs.top > 0);
    return rs.a[rs.top];
}
int main() {
    // 调用全局的
    ST st1;
    STInit(st1);
    STPush(st1, 1);
    STPush(st1, 2);
    cout << STTop(st1) << endl;
    STTop(st1) += 10;
    cout << STTop(st1) << endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
typedef struct SeqList {
    int a[10];
    int size;
}SLT;
// 一些主要用 C 代码实现版本数据结构教材中，使用 C++ 引用替代指针传参，目的是简化程序，避开复杂的指针，但是很多同学没学过引用，导致一头雾水。
void SeqPushBack(SLT& sl, int x) {}
typedef struct ListNode {
    int val;
    struct ListNode* next;
}LTNode, *PNode;
// 指针变量也可以取别名，这里 LTNode*& phead 就是给指针变量取别名
// 这样就不需要用二级指针了，相对而言简化了程序
//void ListPushBack(LTNode** phead, int x)
//void ListPushBack(LTNode*& phead, int x)
void ListPushBack(PNode& phead, int x) {
    PNode newnode = (PNode)malloc(sizeof(LTNode));
    newnode->val = x;
    newnode->next = NULL;
    if (phead == NULL) {
        phead = newnode;
    } else {
        //...
    }
}
int main() {
    PNode plist = NULL;
    ListPushBack(plist, 1);
    return 0;
}

10.4 const 引用

• 可以引用一个 const 对象，但是必须用 const 引用。const 引用也可以引用普通对象，因为对象的访问权限在引用过程中可以缩小，但是不能放大。 • 不需要注意的是类似 int& rb = a3; double d = 12.34; int& rd = d; 这样一些场景下 a3 的和结果保存在一个临时对象中，int& rd = d 也是类似，在类型转换中会产生临时对象存储中间值，也就是时，rb 和 rd 引用的都是临时对象，而 C++ 规定临时对象具有常性，所以这里就触发了权限放大，必须要用常引用才可以。 • 所谓临时对象就是编译器需要一个空间暂存表达式的求值结果时临时创建的一个未命名的对象，C++ 中把这个未命名对象叫做临时对象。

int main() {
    const int a = 10;
    // 编译报错：error C2440: '初始化': 无法从'const int'转换为'int &'
    // 这里的引用是对 a 访问权限的放大
    //int& ra = a;
    // 这样才可以
    const int& ra = a;
    // 编译报错：error C3892: 'ra': 不能给常量赋值
    //ra++;
    // 这里的引用是对 b 访问权限的缩小
    int b = 20;
    const int& rb = b;
    // 编译报错：error C3892: 'rb': 不能给常量赋值
    //rb++;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 10;
    const int& ra = 30;
    // 编译报错: '初始化': 无法从'int'转换为'int &'
    // int& rb = a * 3;
    const int& rb = a*3;
    double d = 12.34;
    // 编译报错：'初始化': 无法从'double'转换为'int &'
    // int& rd = d;
    const int& rd = d;
    return 0;
}

10.5 指针和引用的关系

C++ 中指针和引用就像两个性格迥异的亲兄弟，指针是哥哥，引用是弟弟，在实践中他们相辅相成，功能有重叠性，但是各有自己的特点，互相不可替代。 • 语法概念上引用是一个变量的取别名不开空间，指针是存储一个变量地址，要开空间。 • 引用在定义时必须初始化，指针建议初始化，但是语法上不是必须的。 • 引用在初始化时引用一个对象后，就不能再引用其他对象；而指针可以在不断地改变指向对象。 • 引用可以直接访问指向对象，指针需要解引用才是访问指向对象。 • 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，64 位下是 8byte) • 指针很容易出现空指针和野指针的问题，引用很少出现，引用使用起来相对更安全一些。

11. inline

• 用 inline 修饰的函数叫做内联函数，编译时 C++ 编译器会在调用的地方展开内联函数，这样调用内联函数就需要建立栈帧了，就可以提高效率。 • inline 对于编译器而言只是一个建议，也就是说，你加了 inline 编译器也可以选择在不展开，不同编译器关于 inline 什么情况展开各不相同，因为 C++ 标准没有规定这个。inline 适用于频繁调用的小短函数，对于递归函数，代码相对多一些的函数，加上 inline 也会被编译器忽略。

• C 语言实现宏函数也会在预处理时替换展开，但是宏函数实现很复杂很容易出错的，且不方便调试，C++ 设计了 inline 目的就是替代 C 的宏函数。 • vs 编译器 debug 版本下面默认是不展开 inline 的，这样方便调试，debug 版本想展开需要设置一下以下两个地方。 • inline 不建议声明和定义分离到两个文件，分离会导致链接错误。因为 inline 被展开，就没有函数地址，链接时会出现报错。

#include<iostream>
using namespace std;
inline int Add(int x, int y) {
    int ret = x + y;
    ret += 1;
    ret += 1;
    ret += 1;
    return ret;
}
int main() {
    // 可以通过汇编观察程序是否展开
    // 有 call Add 语句就是没有展开，没有就是展开了
    int ret = Add(1, 2);
    cout << Add(1, 2) * 5 << endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
using namespace std;
// 实现一个 ADD 宏函数的常见问题
//#define ADD(int a, int b) return a + b;
//#define ADD(a, b) a + b;
//#define ADD(a, b) (a + b)
// 正确的宏实现
#define ADD(a, b) ((a) + (b))
// 为什么不能加分号？
// 为什么要加外面的括号？
// 为什么要加里面的括号？
int main() {
    int ret = ADD(1, 2);
    cout << ADD(1, 2) << endl;
    cout << ADD(1, 2)*5 << endl;
    int x = 1, y = 2;
    ADD(x & y, x | y); // -> (x&y+x|y)
    return 0;
}

// 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() {
    // 链接错误：无法解析的外部符号 "void __cdecl f(int)" (?f@@YAXH@Z)
    f(10);
    return 0;
}

12. nullptr

NULL 实际上是一个宏，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

• C++ 中 NULL 可能被定义为字面常量 0，或者 C 中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，本想通过 f(NULL) 调用指针版本的 f(int ) 函数，但是由于 NULL 被定义成 0，调用了 f(int x)，因此与程序的初衷相悖。f((void*)NULL); 调用会报错。** • C++11 中引入 nullptr，nullptr 是一个特殊的关键字，nullptr 是一种特殊类型的字面量，它可以转换成任意其他类型的指针类型。使用 nullptr 定义空指针可以避免类型转换的问题，因为 nullptr 只能被隐式地转换为指针类型，而不能被转换为整数类型。

#include<iostream>
using namespace std;
void f(int x) {
    cout << "f(int x)" << endl;
}
void f(int* ptr) {
    cout << "f(int* ptr)" << endl;
}
int main() {
    f(0); // 本想通过 f(NULL) 调用指针版本的 f(int*) 函数，但是由于 NULL 被定义成 0，调用了 f(int x)，因此与程序的初衷相悖。
    f(NULL);
    f((int*)NULL);
    // 编译报错：error C2665: 'f': 2 个重载中没有哪一个可以转换所有参数类型
    // f((void*)NULL);
    f(nullptr);
    return 0;
}