【C++初阶】--- C++入门（上）

一、C++的背景及简要介绍

1.1 什么是C++

C语言是结构化和模块化的语言，适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题，规模较大的程序，需要高度的抽象和建模时，C语言则不合适。为了解决软件危机， 20世纪80年代， 计算机界提出了OOP(object oriented programming：面向对象)思想，支持面向对象的程序设计语言应运而生。

在1982年，Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念，发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系，命名为C++。因此：C++是基于C语言而产生的，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行面向对象的程序设计。

1.2 C++发展史

1979年，贝尔实验室的本贾尼等人试图分析unix内核的时候，试图将内核模块化，于是在C语言的基础上进行扩展，增加了类的机制，完成了一个可以运行的预处理程序，称之为C with classes。语言的发展就像是练功打怪升级一样，也是逐步递进，由浅入深的过程。我们先来看下C++的历史版本。

阶段	内容
C with classes	类及派生类、公有和私有成员、类的构造和析构、友元、内联函数、赋值运算符重载等
C++1.0	添加虚函数概念，函数和运算符重载，引用、常量等
C++2.0	更加完善支持面向对象，新增保护成员、多重继承、对象的初始化、抽象类、静态成员以及const成员函数
C++3.0	进一步完善，引入模板，解决多重继承产生的二义性问题和相应构造和析构的处理
C++ 98	C++标准第一个版本，绝大多数编译器都支持，得到了国际标准化组织(ISO)和美国标准化协会认可，以模板方式重写C++标准库，引入了STL(标准模板库)
C++ 03	C++标准第二个版本，语言特性无大改变，主要：修订错误、减少多异性
C++ 05	C++标准委员会发布了一份计数报告(Technical Report，TR1)，正式更名C++0x，即：计划在本世纪第一个10年的某个时间发布
C++ 11	增加了许多特性，使得C++更像一种新语言，比如：正则表达式、基于范围for循环、auto关键字、新容器、列表初始化、标准线程库等
C++ 14	对C++11的扩展，主要是修复C++11中漏洞以及改进，比如：泛型的lambda表达式，auto的返回值类型推导，二进制字面常量等
C++ 17	在C++11上做了一些小幅改进，增加了19个新特性，比如：static_assert()的文本信息可选，Fold表达式用于可变的模板，if和switch语句中的初始化器等
C++ 20	自C++11以来最大的发行版，引入了许多新的特性，比如：模块(Modules)、协程(Coroutines)、范围(Ranges)、概念(Constraints)等重大特性，还有对已有特性的更新：比如Lambda支持模板、范围for支持初始化等
C++ 23	制定ing

C++还在不断的向后发展。但是：现在公司主流使用还是C++98和C++11，所以不用追求最新，重点将C++98和C++11掌握好，等日后，随着对C++理解不断加深，有时间可以去琢磨下更新的特性。

1.3 C++的重要性

下图数据来自TIOBE编程语言社区2024年最新的排行榜，在30多年的发展中，C/C++几乎一致稳居前5。

TIOBE 编程语言社区排行榜是编程语言流行趋势的一个指标，每月更新，这份排行榜排名基于互联网上有经验的程序员、 课程和第三方厂商的数量。排名使用著名的搜索引擎（诸如 Google、MSN、Yahoo!、Wikipedia、YouTube 以及 Baidu 等）进行计算。
注意：排名不能说明那个语言好，那个不好，每门编程语言都有适应自己的应用场景。

二、C++关键字

C++总计63个关键字，C语言32个关键字

三、命名空间

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。

包含头文件 stdlib.h后，会展开此文件，此在此头文件中有一个全局的函数，名为rand()，会与此处变量的命名造成冲突。还有一点：在不同的域中是可以定义同名变量的。一般在大型项目中，如果没有命名空间，那么不同程序员负责的不同模块之间就极有可能会定义出相同名字的变量或函数名。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int rand = 10; 
//C语言没办法解决类似这样的命名冲突问题，所以C++提出了namespace来解决
int main()
{printf("%d\n", rand);return 0;}// 编译后后报错：error C2365: “rand”: 重定义；以前的定义是“函数”

2.1 命名空间定义

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，如下：

//1. 正常的命名空间定义。一般开发中是用项目名字做命名空间名
namespace Named
{// 命名空间中可以定义变量/函数/类型int rand = 10;int n = 20;int Add(int l, int r){return l + r;}struct Node{struct Node* next;int val;};
}int main()
{printf("%p\n", rand); //头文件<stdlib.h> 中的 rand() 函数。printf("%d\n", Named::rand); //作用域Named 中的变量 rand。struct Named::Node phead;return 0;
}

如果需要访问指定的域中的变量，现在变量前加上域名::变量名来访问（::– 域作用限定符），其中结构体较特殊，例：struct Named::Node phead;

命名空间还有以下特性：1. 命名空间可以嵌套； 2. 同一个工程中允许存在多个相同名称的命名空间，编译器最后会合成为同一个命名空间。// ps：一个工程中的test.h和上面test.cpp中两个相同命名空间会被合并成一个(前提是后者引用前者，#include "test.h")。

注意：一个命名空间就定义了一个新的作用域，命名空间中的所有内容都局限于该命名空间中。

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C++中的四种域：全局域，局部域，命名空间域，类域。其中全局域和局部域会影响生命周期和访问，而命名空间域只会影响访问。

编译器搜索原则：

1. 当不指定域时：先到当前局部域查找，然后再到全局域；
2. 当指定域时：就直接去指定域查找，若未找到则报错；

2.2 命名空间使用

命名空间的使用有三种方式：

• 加命名空间名称及作用域限定符

//以 2.1 中的作用域为例
int main()
{printf("%d\n", Named::rand);return 0;    
}

• 使用using将命名空间中某个成员引入

using Named::n;
int main()
{printf("%d\n", Named::n);printf("%d\n", n);return 0;    
}

• 使用using namespace 命名空间名称 引入(展开)

using namespce Named;
int main()
{printf("%d\n", Named::n);printf("%d\n", n);Add(10, 20);return 0;    
}

此方法相当于将原来不能直接搜索到的变量（在域中，搜索需指定域），放到全局了（此时无需再指定域名）， 例：using namespace std;，std是所有C++库命名空间。若需展开，要注意的是，展开前在此命名空间中不能有和全局命名相同的变量(在一些大型项目中，要避免展开命名空间域，以免造成不必要的命名冲突)。

与头文件展开不同的是，头文件展开是在预处理阶段，相当于拷贝！

四、C++输入 & 输出

下面便通过我们的第一个C++程序展开说明（简述）。

#include<iostream>
// std是C++标准库的命名空间名，C++将标准库的定义实现都放到这个命名空间中
using namespace std;int main()
{cout << "Hello world!!!" << endl;return 0;
}

说明：

1. 使用cout标准输出对象(控制台) 和cin标准输入对象(键盘) 时，必须包含< iostream >头文件以及按命名空间使用方法使用std。
2. cout和cin是全局的流对象，endl是特殊的C++符号，表示换行输出，他们都包含在包含< iostream >头文件中。
3. <<是流插入运算符，>>是流提取运算符。
4. 使用C++输入输出更方便，不需要像printf/scanf输入输出时那样，需要手动控制格式。C++的输入输出可以自动识别变量类型。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{int a;double b;char c;// 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;
}

5. 实际上cout和cin分别是ostream和istream类型的对象，>>和<<也涉及运算符重载等知识，这里只是简单学习他们的使用。后续还会更深入的学习IO流用法及原理。如下，操作符<<被重载了，1. 左移操作； 2. 流插入。 两种功能，重载操作后期会详解。

int main()
{int i  = 1;i = i << 2; // 1.左移操作cout << "i: " << i << endl;  //2. 流插入return 0;
}

注意：早期标准库将所有功能在全局域中实现，声明在.h后缀的头文件中，使用时只需包含对应头文件即可，后来将其实现在std命名空间下，为了和C头文件区分，也为了正确使用命名空间，规定C++头文件不带.h；旧编译器(vc 6.0)中还支持<iostream.h>格式，后续编译器已不支持，因此推荐使用<iostream> + std的方式。

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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。