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C++感受2-逐字逐句，深入理解C++最小例程

news 2025/6/23 8:49:57

以 “Hello World” 例程为载体、线索，在完成 “间接名字空间限定” 写法转换到“直接名字空间限定”的过程，同时掌握函数、主函数、函数调用、级联操作、声明、类型、int、字符串类型、头文件包含、行为数据、流输出操作符、标准输出流对象、标准库名字空间、ADL等20多个C++知识点，打好基础，让后续的学习事半功倍。

0. 视频

逐行逐句深入讲解cpp最小例程

1. 函数

1.1 基本概念

在编程语言中，函数通常用于表达“做事情”的概念，它需要描述清楚做事情的三个要素：

做事情的“初始材料”
做事情的“操作过程”
做事情的“返回结果”

“初始材料”指对在做事情之前，需要从调用者处得到的数据的描述；
“操作过程”指对做事情的完整过程描述；
“返回结果”指对做事情可能得到的结果的描述；

除此之外，函数还有一个重要的外在属性：调用者。函数对应做事情，有时为了把“大事化小”，需要将一件大事，拆分成多个小事，然后再由大事调用小事（此处的“大”和“小”仅为相对概念，有时候“小”事也可能调用“大”事）。比如：“妈妈炒菜”是一件事，对应一个函数，在炒菜过程中，如果发现家里没有酱油了，炒菜无法进行下去，此时可以调用另一件事所对应的函数：“小明打酱油”。在这一例子中，“小明打酱油”函数的调用者，即“妈妈炒菜”函数。

1.2 基本语法

除此之外，函数还需要有名字，四者的组成语法为：

返回结果类型 函数名 ( 所需初始材料声明 )
{操作过程描述；return 返回数据;
}

其中：

“所需材料声明” 整体上构造函数的参数表（也称参数列表）；
return 语句用于结束函数的操作过程（简称结束函数）， “return” 正是 “返回”的意思;
当一个函数声明为必须有返回结果时，对应的 return 语句后面也必须带相应类型的数据。

1.3 函数头、函数声明

三要素中的“初始材料”描述和“返回结果”描述，再加上函数名字，构成了“函数头”。如在函数后面直接加分号（语句分隔符），称为该函数的声明，即：对函数的基本约定，形如：

返回结果类型 函数名 ( 形参表 );

函数声明只是对函数所要做的事的基本描述和约定。即：描述了这件事的“入”和“出”：“入”是指需要“拿到”什么初始数据（材料），“出”是指事情完成后，可能返回什么结果数据。

对于同一个函数，函数声明可以多次出现。因此函数声明可视为一个人的“名片”。
函数声明有时也称为“函数原型”，意为：这个函数“大概长什么样子”。

1.4 函数体、函数定义

函数体用于实现函数，它是函数头之后的一对花括号，花括号内是实现具体操作过程的代码。
函数头加函数体，即代表了一个函数的真实实现。以下是一个真实的C++函数定义例子：

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

它表示有一个函数，名为 “add”，它在执行之前，需要从调用者得到两个入参：a和b，二者的类型一个是整数类型，另一个也是整数类型。这个函数执行之后，也会返回（得到）一个整数数据。从实现上看，即返回 a+b 的结果。

一个函数应该只有一个真实实现，称为（函数的）定义。

2. 主函数

主函数可理解为：对应到整个程序需要做的那件“大事”。

主函数是一个特殊的函数。它的第一个特殊之处，即名字必须固定为 main，小写（C++代码区分大小写)。

主函数的第二个特殊之处，它的调用者是程序的外部运行环境，比如操作系统（但并不一定是操作系统，有些程序会运行在虚拟机内，也有些时候，程序由另一个程序调用）。

主函数之所以函数名需要固定，正是为了和外部环境，也就是它的调用是约定好：请将主函数视为程序的开始位置，因此主函数也时常被称为“入口函数”。

仅是“视为”，C++程序实际上仍然可以要求在进入主函数之前，就“偷偷”做点其它事情（通常用于准备工作）。

主函数也是函数，因此也需要考虑“初始材料”和“返回结果”。

既然调用者是外部运行环境，因此主函数如果需要获得初始材料，也是由外部运行环境传入，方法也正是主函数的参数列表。此处，主函数又有特殊之处，它的参数列表可以二选一：

不需要参数，即空的参数表；
需要参数，形如： (int argc, char* argv[])；
我们在很长时间内，会仅使用第1种形式，因此暂不解释第2种形式。

C++主函数必须返回一个整数，因此在函数头中，需写明其返回数据的类型为整数类型，在C++中使用int（即 integer 缩写）。主函数返回的整数有以下含义：

0：表示程序运行正常结束；
非0：表示程序因出错而意外结束，各整数值可用于不同的错误编号。

在函数体中，主函数又有一个“特权”：可以不写任何 return 语句。该情况下表示该主函数永远执行正确，永远返回0。事实上，这个“特权”的背后，只是编译器在发现一个主函数没有返回语句时，就主动帮我们添加了 “return 0;” 而已。

再次强调：这是主函数的“特权”，其它函数如果在声明自己需要有返回值（哪怕返回的类型也是int）却不写（或忘记写） “return XXX；” 语句，会带来严重后果。

3. 认识“流”

上一节课我们所写的代码中，主函数的操作过程就句（事实上还有隐藏的一句“return 0;”）：

cout << "Hello World" << endl;

3.1 cout - 标准输出流对象

这其中cout读作c-out，c 是 “character”，out 是 “output-device”，合起来意为“字符输出设备”，即 cout 对应者程序的输出屏幕。

当然，cout 仅用于windows下有控制台或linux/unix下拥有终端的程序，图形界面程序 GUI
的屏幕输出，有另外的实现机制。

由于C++的标准输入输出基于“流”的概念设计及实现，因此cout也称为C++的“标准输出流对象”。关于“流”的概念，本站《STL和boost之“流” 视频辅导》课程有深入讲解。现在大家可以简单理解为，就像水流、电流一样，C++中的“流”就是将待输出或待输入的数据，排成一串，在某个“管道”中，按某个方向“流”动。

3.2 << - 流输出操作符

两个小于号组成的符号，称为C++的“流输出操作符”。
以小学所学的加号 + 类比：

需要两个操作数、<< 也是；
执行的操作是将左右两数相加，<< 执行的操作是将右边的数据，输出到左边的对象身上；
的操作结果是相加之和那个数，<< 操作结果则是继续得到它左边的对象，在本例中，即 cout；
支持级联操作，比如： 1+2+5，可先计算出 3，然后3继续参与计算: 3+5。<< 也支持级联操作： cout << "Hello World"后，得到的仍然是 cout，于是继续参与计算 cout << endl;

在C++中，操作符本质上也是一种函数。

3.3 endl - 操作控制符、“行为”数据

endl 也是一个函数，但此处我们将它当作数据使用，将它输出到 cout 身上。作用是将之前已经送到 cout 身上的数据，完完整整地送到真实的屏幕上，并加上换行。

每次往真实的显示屏幕上输出，比较耗性能（无关数据量）；因此，为提高性能，输出的数据可能被cout对象“攒”起来，积累到一定程度再一次性真实输出。

3.4 ; - 语句分隔符（语句结束符）

在编辑器中，我们可以把一行的C++语句，拆成多行写，比如：

cout <<"Hello World"<< endl;

通常仅在这一语句确实很长时使用，上面的例子显然是在强行换行，不推荐。

也可以将多个语句合成一行（这就很不推荐了）：

cout << "Hello World" << endl; return -1;

对于简单的独立语句，C++编译器都是通过分号来分隔前后两行语句。注意，哪怕如本例中只有一行语句，也需要使用。

反过来，也并不是所有形式语句都需要分隔，后面将学习到复合语句，就是使用一对 {} 包含多行简单语句，此时 {} 就是天然的分隔。在本例中你可以将函数体的那一对花括号视为一种复合语句。

更不是所有代码行都需要语句分隔符。比如本例中的第一行：

#include <iostream>

深入区分的话，这是一行“预处理”代码，“预处理”是指在正式编译之前，先读一下代码做一些比较基础的准备工作，因此这些代码不被视为正式的C++语句，如此，这些代码也被硬性按格式要求书写，比如上面的 include 就只能写在一行，不能折行，下面是错误示例：

#include <iostream>

4 出处！出处！！出处！！！

和现实生活中一样，任何一件出处不明的物体，或者人物，都是危险的，所以请再看一眼代表做“大事情”的主函数代码：

int main()
{cout << "Hello World" << endl;
}

请问：cout 是谁？ << 又是谁？ endl 呢？这三个家伙来自哪里？也就是它们的可信出处是？
如果没有出处，严谨的C++编译器不会让这些代码通过编译；而，如果有出处，编译通过了，但程序执行后所要做的事，却不一定真的如我们前面辛苦解释那样的：往屏幕上输出一行对世界的问候——如果它们的出处是由“坏人”提供的话。

4.1 头文件 - 相关符号的统一出处

头文件就像家族族谱，或者松散一点，就像一个名片录或通讯录，可以记载许多符号（比如人名）的出处——在我们名片录或通讯录的人，确实比完全的陌生人，要安全那么一点点了。

#include <XXXX>

这一行代码中 #include 是一种硬性规定，它是一行预编译代码，用于指示编译器：在你正式工作（正式开始编译当前源文件后续内容）之前，请先找到并打开XXXX文件（通常被称为“头文件”），读入其中的内容——因为这些内容对后续的编译工作有关键作用。

一对 <> 也是一种硬性规定，它进一步要求编译器：当你需要在电脑中成千上万的文件中搜索XXXX文件时，一！定！不！要！到！处！乱！翻！（怕你不小心翻到主人的各种学习资料），你只能在编译环境事情约定，或编译参数中配置好的文件夹里去寻找。

4.2 iostream 头文件

iostream 正是来自C++自带的标准库的一个头文件，主要是包含了和“流”相关的各种符号的声明。从字面上看：i 是 input / 输入，o 是 output / 输出，stream 就是 “流” 的英文单词。

iostream 正是包含我们在本例中用到的 cout 、<< 、endl 这三个符号的声明，于是这三者相当于了合法的出处：我们出自iostream文件，而后者出自C++自带的标准库，而当前机器上的C++标准库，就是你自己下载、安装到你的电脑上的。

当然，我们的课程用的是线上编程环境，因此iostream等文件，实际在网络所在后台服务器，我们当然也选择相信。

4.3 namespace 名字空间

代码中的各个符号（通常称为标识符）本质就是一个个名字，而一牵涉到名字，就和现实生活一样，会有重名的情况。C++可以“名字空间 / namespace”来避免重名，方法就是将所有相关的名字，统一放在一个“名字空间”内。正如视频所讲，学校中的每个班级，天生就是一个个名字空间，因此“三年一班的李国庆”和“四年二班的李国庆”就得以区分。

当然，这样的前缀，通常只需在两人出现在同一场合的情况下需要。另外，这也解决不了同一名字空间下的重名问题。

标准库也用到了大量的符号，并且它因为是“标准库”，所以就很霸道地占用了很多极为常用的符号名字，比如 “sort”、“find”、“search”、“string”、“begin”、“end”、“list” ……所以，标准库问世后，很快就给自己搞了一个名字空间：std （来自 standard）。

所以，前述的 cout、<<、endl，严格讲其实在 iostream 里声明的全称，解读起来应该是 std::cout、std::<<、std::endl。实际使用时，也应该用上这样的“全称”：

 std::cout std::<< "Hello World" std::<< std::end;

但是，为什么我们现在的代码：cout << “Hello World” << endl 可以编译并正确运行呢？这就是第三行代码的作用：

using namespace std;

它用来告诉编译器，如果在后面的代码，遇到实在找不到出处的符号，可以加上 std::再试试。以 cout 为例，当找不到它的出处时，可将它变成 std::cout 再尝试，于是就成功了。

4.4 关键字

并不是所有在代码中出现的符号都需要担心重名，C++语言（其它语言也一样）规定了一些特别重要的单词（符号）专门给自己使用，其他人（普通程序员）不能把这些单词随意拿作他用，自然，在如此“霸道”的规定下，这些单词就不会有重名的担心了。这样的单词就叫关键字/keyword。

本例中，int、using、namespace，以及被删除掉那一行的 return 都是C++的关键字，C++有近100个关键字。

iostream 则是用户（标准库作者）为文件取的名字，main也是（标准库）程序员为C++入口函数取的名字，std是标准库自用的名字空间的名字，它们要么来自标准库，要么是语言标准的硬性规定，显然我们在写代码时，为符号给的名字，还是尽量不要和它们重名的好。

4.5 直接名字空间限定

使用 using namespace XXX 的方法，称为“间接名字空间限定”，它会将XXX下的所有公开的符号名字，都引入当前代码下。这不是推荐的，名字空间的日常方法。我们的例程经常使用它，仅仅是因为我们的代码比较简单，而间接名字空间限定比较方便让代码行变短一些，从而有利于例程排版。

大多数情况下，我们推荐使用 “直接名字空间限定”的方法，下面就是使用这一方法的，新的Hello World 例程的完整代码：

#include <iostream>int main()
{std::cout << "Hello World" << std::endl;
}

此时，cout 和 endl 都被直接加上 std:: ，相当于有一个特殊的前缀，直接接明它们来自std这个名字空间，又直观又安全。

直观：把 :: 读成 “的”，就有： “std的cout”及“std的endl”,有如生活中的 “三年一班的李国庆”。
安全：“间接名字空间限定”是在某一符号出处查找失败，才尝试使用间接指定的某个名字空间去套用，自然就有“套用”结果不是程序员本意的意外可能。直接名字空间限定出这种错误的可能性近乎零。

4.5 ADL - 实参依赖查找

眼尖的同学会发现，在直接名字空间限定的写法中：

std::cout << "Hello World" << std::endl;

这行代码，只是用std::限定了 cout 和 endl，<< 却没有限定。

事实上，因为 << 是一个操作符，如果写作 std::<< 反倒会编译失败。
这就涉及到了 ADL（Argument-dependent lookup）这一语法知识点，它与编译规则也紧密相关。

简单地说，和现实生活中类似，操作的对象，往往可以反过来帮助推导出操作的实际出处。比如“打屁股”、“打酱油”和“打车”的操作都是“打”，但其实各自含义大不相同（放在《辞海》里的出处自然也不同）。我们，也就是人类是通过打的对象，也就是“屁股”、“酱油”、“车” 倒过来推导出各自前面的“打”的含义。

编译器也有这样的智慧，它们也可以依据操作对象，倒过来推导操作的出处。比如：看到 << 这个操作符，因为没有加名字空间直接限定——事实上操作符的日常使用语法，也规定了不允许为它加名字空间前缀——而找不到其出处，自然无法知道它对应的真实操作……但是，编译器很快发现 << 所要操作的对象中，std::cout 是明确的，于是会到 std 这个名字空间下查找 <<，这就找到了，发现它是标准库的流输出操作符。