C++相关概念与语法基础——C基础上的改进与优化

一、C/C++对比

C语言作为一门经典的编程语言，语言的结构化是C的一大特点，C语言在结构上可分为顺序、分支、循环三大结构，C相比其他语言，较贴近底层，在各大编程和开发领域都有较为广泛的应用，是很多编程学习者的入门语言，当然C语言在广泛运用的同时，也存在一些不足之处，例如在C语言中，不允许定义同名变量和函数，可见下图：

(1)

（2）

图（1）定义了一个整形变量rand，并初始化为10，printf函数在标准输出流上打印rand的值。图（2）与图（1）类似，不同在于图（2）包含了一个头文件<stdlib.h>，编译时却发生错误，错误信息为rand的重定义，原因在于<stdlib.h>头文件中包含了rand指针，与我们定义的整形变量rand命名冲突，因此导致编译不通过，这个例子就很好地说明了C中不允许定义同名变量和函数。此外，C中若想通过函数来改变实参的值，则必须通过传实参的地址即一级指针才能改变实参，若想改变一级指针，则必须通过传二级指针，即C中只能通过函数传址调用才能改变实参，而不能通过直接传值调用改变实参，传址调用常常会涉及多级指针，往往会较复杂，若能通过直接传值调用，则就不需要考虑多级指针的问题了，这也是C可以考虑优化的一个方面。

此外，C不允许同名函数，即函数名不能相同，与上述变量命名冲突情况类似。那么在实践使用C进行编程时，要考虑的情况就多了，需要考虑变量不能同名，函数传址调用往往要考虑多级指针，且函数不能同名，这些情况往往会导致C的代码量较大，且较繁琐。针对上述情况，C++创始人比雅尼 斯特劳斯特鲁普1979年在C语言的基础上对其进行了优化，创立了C++，C++在C的基础上对C进行了改进，针对C语言的命名冲突问题，C++语法允许变量和函数同名，解决了命名冲突的问题，针对C中函数传址改变实参往往涉及多级指针的问题，C++引入了引用的概念，引用使得C++允许函数进行直接传值调用，代替了多级指针，总得来说，C++是在C基础上的改进与优化，同时C++也兼容C的语法，是在C基础上优化和改进的版本。

二、C++基本语法

1、初识C++

C语言的文件，文件名通常以.c为后缀，C++文件以.cpp为后缀，我们先看一个简单的C++程序，实现在屏幕上输出字符串“hello world”。

C++编译需包含的头文件为iostream，为标准输入输出流文件，using namespace std能够将头文件中的std命名域内容展开，后面我们将会详细介绍，cout为标准输出流，<<在C语言中为左移位操作符，在C++可表示将要输出的内容以标准输出流的形式输出到标准输出平台，且<<会自动识别输出内容的格式，不需要像C语言中需手动指定输出格式，endl底层相当于换行符，类似于C的“\n”。

2、域

（1）域的概念

为了解决C语言变量和函数命名冲突的问题，C++引入了域的概念，在C++中分为4个域：全局域，局部域，命名空间域，类域，每个域的变量相互独立，即不同的域的变量就算同名，也不会有命名冲突，即每个域的变量允许同名。

再回头看上面rand命名冲突的问题，我们可以用域来解决这个问题，namespace为定义一个命名域的关键字，yzk为用户自定义域名，我们在该域定义一个整形rand变量，并初始化为10，这时整形变量rand在命名域yzk中，与全局域<stdlib.h>头文件的rand不在同一个域，不会命名冲突，但是调用整形变量rand需要域引用符：：，同时也需指明rand所在的域，所以整形变量rand的表示方式为yzk：：rand，若直接使用rand，则表示全局域即<stdlib.h>头文件的rand指针。

namespace命名域中除了可以定义变量，也可以定义函数、结构体。

命名域中的函数、结构体与其他域中的函数、结构体也是相互独立的，对它们进行访问同样也需要域访问符：：

若有两个整形变量同名，其中一个为局部变量，该变量所在域为局部域，一个为全局变量，该变量所在域为全局域，则C++优先访问局部变量，遵循就近原则，若想访问全局变量，则需要在变量前加入域访问符：：，即可访问全局变量。

如上图，a遵循就近原则，表示局部变量a，其值为0，：：a表示全局变量a，其值为1。

此外，命名域可存在相互嵌套，即命名域中可再包含命名域，不同命名域中也可再定义同名变量，如下图：

namespace yzk域中包含了三个命名域y、z、k，三个域中分别定义了三个整形变量rand，三者相互独立，互不影响。

若想访问三个域中的rand，则需进行两层域访问，若想访问y域的rand，则需表示为yzk：：y：：rand，同理访问z、k域中的rand，需表示为yzk：：z：：rand，yzk：：k：：rand，如下图所示：

（2）域的展开

命名域也可进行展开，命名域的内容展开一般有两种方式，第1种展开方式为全展开，即将命名域的所有内容展开，如下图所示：

定义了一个命名域K，using namespace K表示将K中的内容全部展开，这时访问命名域K的成员就不需要域访问符：：，直接使用变量名即可，例如想访问K中的整形变量a，就不需要域访问符：：

第2种展开方式为部分展开，即只展开域的部分成员，如下图：

上图中我们只部分展开了命名域K中的成员a，using K：：a表示展开K中的成员a，这时访问成员a就不需要域访问符：：，直接访问即可。

3、cin、cout、endl

cin、cout是C++的标准字符输入、输出流，类似于C的scanf、printf函数，不同在于C++的cin、cout会自动识别输入、输出内容的格式，而C的scanf、printf需要我们自己设置输入、输出格式，可见在这一方面cin、cout相比scanf、printf要有优势，endl底层类似于C的“\n”，即换行，cin、cout在iostream文件的std域中，使用时需先将std域展开，即using namespace std。

如上图，定义了三个整形变量a，b，c，由于using namespace std已将std的内容全部展开，故cin、cout可不加域访问符：：，也可加std：：，cin获取a、b、c的输入内容，并自动识别输入格式，与>>搭配，cout也会自动识别输出格式，并输出a、b、c，与<<搭配，“ ”表示空格，表示a、b、c之间用空格隔开。

a、b、c由cin输入1、2、3，则cout在屏幕上输出1 2 3。

由上图可知，cout会自动识别输出内容格式，而printf需要手动设置输出格式，对于double类型，cout默认保留5位小数，对于&a，即a的地址，cout也会自动识别其输出格式。

4、缺省参数

C++函数相比C的函数多了缺省参数这个概念，缺省参数指的是函数参数在没有实参对它传递时，函数参数所默认的值，若有实参传递，则参数为实参的值，函数缺省可分为全缺省和半缺省，全缺省即函数的所有参数都是缺省参数，每个函数参数都有默认值，半缺省即函数参数部分缺省，C++规定半缺省函数的参数必须从右往左依次缺省，不能中间、跳跃缺省，全缺省、半缺省可见下图：

如上图所示，fun1函数的参数都有默认值，即都为缺省参数，故fun1为全缺省函数，fun2函数的参数b、c有默认值，故b、c为缺省参数，a没有默认值，故a不为缺省参数，且函数从右到左，不存在跳跃、间隔缺省，故fun2函数为半缺省。

上图fun1函数三个函数参数分别进行2,3,4实参传递，故a、b、c的值为2、3、4，fun2函数只传递了一个实参，即a=10，b、c没有实参，则b、c的值默认为缺省参数的值，即b=4，c=5,。

5、函数重载

C++函数较C的函数有了很大的不同，第1个不同就是在C中，不允许函数同名，而在C++中，允许函数同名，可参考下图Add函数的实现。

上图实现两个Add函数，一个是实现整形的相加，另一个则是double类型的相加，两个函数的函数名均为Add，可见C++允许函数同名，这是C++在C基础上的进一步优化，函数同名，就不用考虑命名冲突的问题了，主函数main直接调用Add函数，Add（1,1），Add（1.1,1.1），编译器会自动识别并调用相应的函数，我们一般将其称为函数重载。

C++函数重载允许函数名相同，函数的参数可不相同，如函数参数类型不同

如上图，Swap函数的函数参数类型不同，返回值类型相同，Add函数的函数参数类型与返回值类型均不相同。

此外，还包括函数参数的有无

如上图，第一个f（）无函数参数，第二个f（）有函数参数，且缺省参数a=10。

函数参数顺序也可不相同

需要注意的是C++不允许函数名和函数参数相同，但函数返回类型不同，原因是这种情况下编译器无法区分两个函数，存在歧义，无法构成重载。若想区分，则必须将其中一个函数置于一个命名域中，这样函数间就相互独立了，如下图

k()两者函数名与函数参数类型都相同，但返回类型不同，无法构成重载，为了区分，可将其中一个k（）置于命名域K中，这样二者就相互独立，互不影响。

调用上面的重载函数，只需直接调用函数名即可，编译器会自动识别并调用相应的函数，需要注意的是针对上面函数名和函数参数相同，但函数返回类型不同，无法构成重载的，需将二者置于不同的域中，调用时需域引用符：：，即可完成函数的调用。

6、引用

C语言中通过调用函数来改变实参，需要通过该实参的地址才能改变，也就是只能通过传址调用才能改变实参，传址调用往往涉及多级指针，且往往较复杂，针对上述情况，C++引入了引用的概念,使得函数能够直接传值调用，就避开了多级指针的复杂情况，引用的含义即给变量取别名，通过引用变量的别名来直接修改变量，就不需要通过指针来修改变量，使用起来更加方便。

引用的一般格式为：（变量的数据类型）& （别名）=（变量名）

如上图，首先定义了一个整形变量a，并初始化为0，接着使用引用，可知b、c、d都是a的别名，它们的地址都是a的地址，b、c、d其实就是a，它们的地址都相同，对b、c、d的修改就是对a的修改，就不需要通过指针来对a进行修改，引用也可再引用，int& e=b，就是将e作为b的别名，b又是a的别名，那么e实际就等价于a，对e的修改也就是对a的修改。

对a、b、c、d、e分别取地址&，可以看出它们的地址是相同的，即都为a的地址，b、c、d、e就是a的别名，对它们的修改就是对a的修改。

Swap交换函数在C中是一个典型的需要进行传实参的地址来交换实参的函数，在C++中就可不必通过传址来交换了，我们可以借助引用，直接进行传值调用来交换实参，如上图，Swap函数参数为两个整形变量的引用，那么下面我们想要交换a，b的值，则需直接传值调用该函数Swap（a,b），即可完成交换，这时a的别名就是rx，对rx的修改就是对a的修改，b的别名是ry，对ry的修改就是对b的修改，就不需要通过指针、解引用来交换a、b的值了，直接传值调用相比传址调用更加方便，很好地优化了代码。

Swap函数通过引用参数rx、ry，对rx、ry的修改就是对a、b的修改，从而完成a、b的交换，引用不仅可以作为函数参数，也可作为函数的返回类型，如下图

引用的底层还是相当于指针，但引用与指针不同在于引用必须初始化，而指针可不初始化，此外，指针可改变其指向，而引用一旦初始化，就不能再改变其指向。

引用初始化后就不能再改变其指向，如上图的d初始化为b的别名，则就不能再改变d的指向，故d=e并不是改变d的指向，而是将e的值赋值给d，改变了d的值，而不改变d的指向，d还是b的引用。

由上图可知，b、c、d都为a的引用，故a、b、c、d的地址相同，d不为e的引用，只是将e的值赋值给d，故e的地址与a、b、c、d不相同。

7、const修饰引用

对于const修饰的对象，对它进行引用时，也需const修饰引用。

若对象没用const修饰，则也可用const修饰引用。

如上图，rb为b的引用，此时rb用const修饰，则rb对b只能读不能写，故rb++是错误的写法，b++是正确的写法，因为b并没有用const修饰，这时rb作为b的引用，由于const修饰rb，则引用rb权限缩小，对b只能读不能写。

此外，const修饰的引用也可表示常量，比如const int& c=30，这时c就为常量30的引用，可读不可写。const修饰的引用也可表示表达式，const int& rd=（a+b），a+b表达式的结果会以临时变量的形式保存起来，在C++中，临时变量是可读不可写的，故引用需用const修饰，即const int& rd=（a+b），此外，隐式类型转化也需用const修饰引用，如上图的x为double类型，const int& m=x，首先需将x强制类型转化为整形，强制类型转化的值也需const修饰，即const int& m=x。由此可知，const修饰的引用可表示变量，常量，表达式，以及强制类型转化的值，可见const修饰的引用可表示多种数据类型，所以const修饰的引用常常作为函数参数。

如上图，func的函数参数为const修饰的引用，则调用func，函数参数可以为常量30，表达式a+b，以及强转类型x，以及浮点数1.1，可见const修饰的引用作为函数参数，大大提高了函数的灵活性。

8、inline内联函数

C++函数与C函数不同之处还包括C++引入了内联函数的概念，C++内联函数会在函数调用处将函数全部展开，这样就不需要创建函数栈帧，开辟空间，可以提高函数调用的效率，内联函数声明只需在函数名前加入inline关键字，则该函数就为内联函数，如下图

如上图，Add为内联函数，则函数将在调用处展开，无需创建栈帧。

内联函数对于编译器仅仅是个建议，也就是说在函数代码量较大，或者函数递归深度太深，编译器也可选择不展开内联函数，内联函数适用于代码量少、且频繁调用的函数，该函数编译器会在函数调用处展开。

9、类

C中有自定义类型struct结构体类型，C++在结构体的基础上引入了类的概念，定义类的关键字为class，类相比于结构体，在结构体的基础上，类中可以定义函数，此外，类也有自己独立的域，我们称为类域，类中的成员类型有3种，public、private、protected，三种成员类型的作用域为从当前类型开始到下一个成员类型结束，若无下一个成员类型，则作用到类结束。public类型的成员是公开的，允许外界访问，private、protected类型的成员归为类私有。

如上图，定义了一个简单的类class，类名为stack，函数Init为公开类型。

上图定义了一个类名为date的类class，函数Init为public类型，允许外界访问，year、month、day为private类型，time、minutes、seconds为protected类型，为类私有。

访问类的成员，与C中访问结构体成员的方式类似，用“.”操作符即可访问。

如上图，定义了一个类class，类名为stack，创建一个类型为stack的类st，访问类的成员，与结构体一致，使用.操作符，st.pop(),st.push(1)，即可完成对类成员的访问。

此外，C++还进一步优化了语法，在C中若想对结构体命名，则需使用typedef关键字来进行命名，而C++无需typedef关键字，直接使用结构体名即可，如上图的struct ListnodeC，用C的语法命名需typedef关键字，C++语法则无需typedef，直接使用结构体名ListnodeCpp Cpp即可。

此外，类中函数的声明和定义可以分离，但需要域引用符：：，指明函数所在类域，如上图的Init函数，其声明与定义分离，声明在类域中，则定义需域引用符：：，即date：：Init。

三、结语

以上就是本文有关C/C++的介绍，首先分析对比了C/C++，C++是在C基础上的进一步优化，针对C语法一些不足的地方，例如C中不允许变量和函数同名，C++引入了域的概念，使得变量可以同名，针对函数不能同名的情况，C++引入了函数重载，使得函数能够同名，解决了C的命名冲突问题，此外，C中函数只能通过传址调用来改变实参，往往涉及多级指针，且较为复杂，C++引入了引用的概念，使得函数能够直接传值调用，使得代码变得较为简单，此外，我们也进一步分析了const修饰引用的情况，const修饰的引用可表示多种数据类型，引用的权限可以缩小，但不能放大，const修饰的引用常常作为函数参数。此外，C++函数还引入了缺省参数，缺省参数为函数无实参传递时默认的参数值，以及内联函数，内联函数会在函数调用处直接展开，无需创建栈帧，提高了函数调用的效率，适合于代码量较少、频繁调用的函数。C++还引入了类的概念，类可理解为在结构体基础上的进一步改进，类中可定义函数，以及类有3种成员类型，public、private、protected，public成员可被外界访问，private、protected成员为类私有，以上这些都是C++的语法基础内容，C++较其他编程语言，语法更为复杂，且学习难度也较高，需要我们打牢这些语法基础，C++的学习，语法是这条路的起点，掌握了C++的基础语法，我们才能在这条路上越走越远，与其他语言不同，C++有较高的自由去操纵内存和硬件资源，在接下去的不断深入学习中，我们将会领略它所带来的高性能快感！