【C++】Chapter 0：当你学习C++之前首先需要了解的

业界资讯 2025-04-12 22:46
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注：此文章主要介绍C++中的特征及基本语法问题。

C与C++的关系

C 与 C++ 的关系可以概括为：C++ 是 C 语言的超集（C with Classes），即 C++ 兼容大部分 C 语法，但提供了更多高级特性。它们之间的关系主要体现在以下几个方面：

1. C 是 C++ 的基础

  • C++ 最初是由 Bjarne Stroustrup 在 1979 年基于 C 语言开发的，最早的名字是 “C with Classes”，后来才改名为 C++（“C 增强版”）。
  • C++ 继承了 C 语言的基本语法、数据类型、控制流、指针等特性，因此 几乎所有的 C 代码都能在 C++ 中编译运行（但某些情况例外，如 malloc/free 与 new/delete 混用可能会出错）。

2. C++ 扩展了 C 语言

C++ 在 C 的基础上添加了许多新的特性，使其支持更高级的编程范式，例如：

C 语言 C++ 语言（扩展特性）
结构化（Procedural）编程 支持面向对象（OOP）
仅支持 struct 定义数据结构 class（支持封装、继承、多态）
不能重载函数 支持函数重载、运算符重载
没有异常处理 支持 try-catch
没有 namespace 支持 namespace 避免命名冲突
malloc/free 分配内存 new/delete 进行内存管理
printf/scanf 进行输入输出 cout/cin 提供更安全的输入输出
只能使用 C 标准库 额外提供 STL（标准模板库，如 vector、map）

3. C++ 兼容 C，但不是 100%

尽管 C++ 兼容大部分 C 代码，但仍存在一些 不兼容的地方，例如：

  • C 允许隐式转换 void*，C++ 需要强制转换

    c复制编辑void *ptr = malloc(10); // C 允许
int *p = ptr;           // C 允许，但 C++ 需要 (int*)

  • C++ 关键字冲突（如 new、class 在 C 可能是变量名，但在 C++ 是关键字）。

  • C++ 更严格的类型检查，C 允许隐式 int，但 C++ 需要显式声明。

4. C++ 可以调用 C 代码

如果在 C++ 代码中想调用 C 语言编写的函数，需要使用 extern "C" 避免 C++ 名字修饰（name mangling）：

cpp复制编辑// C 语言头文件 mymath.h
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
    int add(int a, int b);
#ifdef __cplusplus
}
#endif

这样 C++ 代码就能正确调用 C 的 add() 函数。

5. 应用场景的区别

  • C 语言：
    • 操作系统（Linux 内核、Windows 内核）
    • 嵌入式开发（单片机、驱动程序）
    • 高性能计算（如 FFT、数学库）
  • C++ 语言：
    • 游戏开发（Unreal Engine、Unity）
    • GUI 开发（Qt、MFC）
    • 服务器端（Redis 源码部分使用 C++）

6. 总结

  1. C 是 C++ 的子集，但不是严格的子集，C++ 向后兼容 C 但有些细微差别。
  2. C++ 提供面向对象、泛型、异常处理等高级特性，使代码更易扩展和维护。
  3. C 适用于底层开发，C++ 适用于大型软件工程。

如果是系统级、嵌入式开发，C 是更好的选择；如果是应用软件、游戏开发，C++ 更适合。

C++与Java的关系

C++ 与 Java 之间的关系可以总结为：Java 借鉴了 C++ 的语法和面向对象特性，但去除了指针、手动内存管理等复杂性，主打跨平台和安全性。

1. C++ 与 Java 的相似之处

Java 受到 C++ 影响很大，因此它们在语法上有许多相似之处：

特性 C++ Java
语法 继承自 C 语言，语法类似 语法风格类似 C++
面向对象 支持 OOP（类、封装、继承、多态） 支持 OOP（类、封装、继承、多态，所有代码必须在类中）
继承 支持 多继承 不支持 多继承（改用接口 interface）
构造函数 支持 支持
运算符重载 支持 不支持
函数重载 支持 支持
异常处理 try-catch try-catch，但必须捕获异常
代码块 {} 相同 相同

示例代码（Java 语法类似 C++）：

cpp复制编辑// C++ 类
class Animal {
public:
    void speak() { cout << "Animal speaks" << endl; }
};
java复制编辑// Java 类
class Animal {
    void speak() { System.out.println("Animal speaks"); }
}

2. Java 对 C++ 进行了改进

Java 在 C++ 的基础上进行了简化，去除了复杂和危险的特性，例如：

C++（更复杂） Java（更简单）
指针（容易导致内存泄漏） 无指针，改用引用
手动内存管理（new/delete） 自动垃圾回收（GC）
多继承（容易引起二义性） 只支持单继承，改用 interface 代替
结构体 struct 无 struct，所有代码必须在类中
运算符重载 不支持运算符重载
头文件（#include） 无头文件，改用 import

示例：

cpp复制编辑// C++ 需要手动管理内存
Person* p = new Person();
delete p;
java复制编辑// Java 由 GC 自动回收对象，无需 delete
Person p = new Person();

3. 运行机制的不同

特性 C++（编译型） Java（解释型+编译型）
编译方式 直接编译成机器码 先编译成字节码（Bytecode），再由 JVM 解释执行
执行速度 运行速度快（直接执行机器码） 运行速度较慢（JVM 解释执行，但 JIT 可加速）
可移植性 依赖平台（Windows 版与 Linux 版不通用） 跨平台（JVM 使 Java 程序可以运行在不同系统上）
底层开发 可直接操作内存、硬件（如操作系统、驱动） 运行在 JVM 之上，不可直接操作底层硬件

示例：

sh复制编辑# C++ 编译
g++ program.cpp -o program  # 生成可执行文件

# Java 编译
javac Program.java  # 生成 Program.class（字节码）
java Program  # 运行

Java 依赖 JVM（Java Virtual Machine） 进行跨平台支持，C++ 直接编译成本地机器码，所以 C++ 运行效率更高，但 Java 具有更好的跨平台性。

4. C++ 与 Java 的应用场景

语言 应用领域
C++ 操作系统（Linux、Windows 内核）、嵌入式系统、游戏开发（Unreal Engine）、高性能应用（数据库、浏览器内核）
Java 企业级应用（银行、ERP）、Web 开发（Spring）、Android 开发（Android Studio）、大数据（Hadoop、Spark）
  • C++ 适用于 高性能计算、游戏引擎、系统级编程。
  • Java 适用于 企业应用、Web 开发、移动应用（Android）。

5. 主要区别总结

对比点 C++ Java
语言类型 编译型语言 解释+编译型语言
内存管理 手动 new/delete 自动垃圾回收（GC）
指针 支持 指针 不支持 指针
继承 支持 多继承 只支持单继承，改用 interface
运行效率 高 略低（JIT 可优化）
平台依赖 依赖平台（Windows/Linux） 跨平台（JVM 运行）
主要应用 操作系统、游戏引擎、嵌入式 企业级应用、Web 开发、Android

6. 结论

  1. Java 是从 C++ 发展而来的，但去除了 C++ 的复杂性，使其更易用、更安全、更跨平台。
  2. C++ 更快，更适用于底层开发和高性能应用，而 Java 适合企业应用和移动开发。
  3. 如果追求性能，选 C++；如果追求跨平台和开发效率，选 Java。

namespace

using namespcae std

局部域-》全局域-》展开了命名空间域or指定访问命名空间域

所以不要轻易using namespace

命名空间可以嵌套

同名的命名空间会合并成一个

如果命名重复了就报错

#include <iostream>->c++标准库将.h都去掉了

也就是说一般只展开常用的命名空间即可。**using std::out、endl...

命名空间是为了解决C语言的缺陷：命名冲突

cout可以自动识别类型

endl换行

std命名空间的使用惯例： std是C++标准库的命名空间，如何展开std使用更合理呢？ 1. 在日常练习中，建议直接using namespace std即可，这样就很方便。 2. using namespace std展开，标准库就全部暴露出来了，如果我们定义跟库重名的类型/对 象/函数，就存在冲突问题。该问题在日常练习中很少出现，但是项目开发中代码较多、规模 大，就很容易出现。所以建议在项目开发中使用，像std::cout这样使用时指定命名空间 + using std::cout展开常用的库对象/类型等方式。

c中的输入输出比c++中的输入输出快：由于c++兼容c语言，所以在使用c++的输入输出时会先考虑是否有c语言的输入输出

c++支持重载而c不支持

C++支持函数重载是因为它引入了**函数签名（修饰规则）**的概念。函数签名由函数的名称和参数类型组成。当在C++中定义多个函数具有相同的名称但不同的参数类型或参数个数时，编译器可以根据函数签名来区分它们，从而保证不会冲突，并选择正确的函数进行调用。
（g++中）c++的函数签名公式如下：_Z + 函数名长度+ 函数名+ 参数类型首字母

又如下：

C语言不支持函数重载的主要原因是它没有引入函数签名的概念。在C中，函数的名称是唯一的，并且C是通过函数名字去其他符号表中寻找地址的，C语言函数名的存储是直接转化使用函数名，所以如果C语言存在函数重载，那么在调用函数时不知道调用哪个函数，因此不支持函数重载。

理论上来说，是因为C语言的存储规则，才导致C不支持重载，所以编译时才不用记录参数

函数重载的好处

C++引入函数重载的好处是可以提高代码的可读性和灵活性。通过使用相同的函数名称来表示具有不同功能的函数，可以使代码更加清晰和易于理解。此外，函数重载还可以减少代码的冗余，避免为类似的功能编写多个不同名称的函数。

引用

语法：

  • 左值引用
类型 & 引用变量名（对象名） = 引用实体
ex：
int x = 10;
int& ref = x;  // ref 是 x 的别名
ref = 20;      // x 变为 20
  • 右值引用
int&& rref = 5; // 5 是右值，因此可以绑定
std::cout << rref;  // 输出 5
  • 常量引用
const int& cref = 10;  // ✅ 可以绑定到右值
int a = 100;
const int& refA = a;  // ✅ 允许绑定左值
refA = 200;  // ❌ 编译错误，const 不能修改

  • 引用必须初始化

  • 一个变量可以有多个引用

  • 引用一旦引用一个实体，则不可以引用其他实体（java与c++的区别）

作用：

  • 做参数
  • 做返回值

任何场景都可以引用传参

传值和传引用的效率比较：

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。

谨慎使用引用做返回值，出了函数作用域就不要使用引用返回。

引用过程中，权限不能放大（使用范围），但可以平移或者缩小

引用 VS 指针

特性 引用（Reference） 指针（Pointer）
是否可更改绑定 不可以，必须初始化 可以，可以更改指向的对象
是否必须初始化 是，必须在定义时初始化 否，可以为空
是否支持运算 不支持指针运算 支持指针算术运算
可否指向 nullptr 不能 可以
适用场景 更安全，更直观 更灵活，可用于数组、动态分配等

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使用引用的场景

  • 需要给变量取别名（而不是指针）
  • 需要函数参数的传递（避免了低效率的拷贝过程）
  • 常量引用（不需要修改）
  • 右值引用（用于移动语义）

auto关键字

能根据右边的表达式自动推导左边变量的类型，常用于很长的类型的简写。

for的妙用

for(auto e : arr)
{
 cout << e << " ";
}
cout << endl;
//自动迭代数组arr中的数据

内联函数

用于解决宏函数的缺点->内联函数的本质：编译时展开（Expand），避免函数调用开销

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它告诉编译器将函数调用替换为函数体本身，从而减少函数调用的开销。提高小型函数（如果函数过大，可能会导致代码膨胀（Code Bloat），影响性能。）的执行效率。

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编译器决定是否内联：即使加了 inline，编译器可能不会内联。（反编译的时候看见call 函数名，就说明没有展开，即没有内联）

语法

inline 返回类型 函数名(参数列表) {
    // 函数体
}

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。->所以内联函数一般定义在**头文件（.h）**中。

内联函数与 #define 宏的对比

对比项 内联函数（inline） 宏函数（#define）
是否有类型检查 ✅ 有类型检查 ❌ 无类型检查
是否支持调试 ✅ 支持，能单步调试 ❌ 不能调试
是否支持作用域 ✅ 受作用域影响 ❌ 无作用域
是否能使用 return ✅ 可以 ❌ 不能

5.2 不适合内联的情况

❌ 递归函数：

  • 内联展开会导致无限递归，编译失败。
cpp复制编辑inline int factorial(int n) {  // ❌ 递归不适合内联
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

❌ 包含循环或复杂逻辑：

  • 代码太长会增加指令缓存压力，降低性能。
cpp复制编辑inline void complexFunction() {  // ❌ 逻辑复杂，不适合内联
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        std::cout << i << " ";
    }
}

❌ 虚函数（Virtual Function）：

  • 虚函数调用依赖 vtable，不能内联（除非编译器做特殊优化）。
cpp复制编辑class Base {
public:
    virtual inline void show() {  // ❌ 虚函数不能内联
        std::cout << "Base class";
    }
};

空指针nullptr

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C++ 中的空指针 nullptr

在 C++11 之前，空指针通常用 NULL 或 0 表示。但 NULL 本质上是 #define NULL 0，属于整数 0，容易导致歧义。歧义如下：

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C++11 引入 nullptr，专门用于表示空指针，避免了 NULL 的问题。

1. nullptr 的特点

  1. nullptr 是指针类型，不是整数，不会与 int 发生混淆。
  2. nullptr 可以隐式转换为任何指针类型（int*、double*、void* 等）。
  3. nullptr 不能隐式转换为 int，可以避免 NULL 引发的二义性问题。、
  4. nullptr使用时无需包含头文件
  5. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。

2. nullptr vs NULL vs 0

表示方式 C++11 及以上 C++11 之前
nullptr 推荐，专门表示空指针 不支持
NULL 仍可用，但不推荐（是 0 的宏定义） 可用，常见用法
0 可能产生二义性 习惯用法

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

void func(int x) {
    
     cout << "int overload: " << x << endl; }
void func(void* p) {
    
     cout << "Pointer overload" << endl; }

int main() {
    
    
    func(0);     // 调用 func(int) → "int overload: 0"
    func(NULL);  // C++98 可能也调用 func(int)，易混淆
    func(nullptr); // C++11 调用 func(void*)，正确

    return 0;
}

在 C++98 中，NULL 可能会被解析为 int，导致 func(int) 被调用，而不是 func(void*)。
使用 nullptr 解决了这个问题。

3. nullptr 适用场景

  • 初始化空指针

    int* ptr = nullptr;  // 推荐

  • 函数重载时避免歧义

    void foo(int);
void foo(char*);

foo(0);      // 可能调用 foo(int)
foo(nullptr); // 确保调用 foo(char*)

  • 作为返回值表示失败

    int* findValue(int value) {
      
      
    return nullptr;  // 代替 NULL，更清晰
}

  • 与 nullptr_t 结合使用

    std::nullptr_t nptr = nullptr; // `nullptr_t` 只能存 nullptr

4. 结论

✅ C++11 及以上版本推荐使用 nullptr 代替 NULL 和 0，避免歧义，使代码更安全、可读性更强。

5.引申

语法更新的宗旨是向前兼容，旧的东西依然可用，但新版本有更好的方法替代。例如上方的NULL和nullptr。

特例是python2和python3。

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