【C++初阶】--- C++入门（下）

一、内联函数inline

1.1 概念

以inline修饰的函数叫做内联函数，编译时C++编译器会在调用内联函数的地方展开，没有函数调用建立栈帧的开销，内联函数提升程序运行的效率。

在C语言中解决小函数频繁调用的问题，使用了宏函数，例：

#define  Add(a, b) ((a) + (b))  //a, b加括号是因为，他们可能是一个表达式
//eg. Add(a | b, a & b)  ->  +优先级高于| and &

但是宏有非常多的注意点，1. 不是函数；2. 分号问题；3. 括号控制优先级；4. 且在预处理阶段就会被替换。 于是乎在C++中引出了内联函数的概念。

如果在上述函数前增加inline关键字将其改成内联函数，在编译期间编译器会用函数体替换函数的调用。

查看方式：

1. 在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add()
2. 在debug模式下，需要对编译器进行设置，否则不会展开(因为debug模式下，编译器默认不会对代码进行优化，以下给出vs2022的设置方式)

1.2 特性

1. inline是一种以空间换时间的做法(编译好的可执行)，如果编译器将函数当成内联函数处理，在编译阶段，会用函数体替换函数调用，缺陷：可能会使目标文件变大，优势：少了调用开销，提高程序运行效率。
2. inline对于编译器而言只是一个建议，不同编译器关于inline实现机制可能不同，一般建议：将函数规模较小(即函数不是很长，具体没有准确的说法，取决于编译器内部实现)、不是递归、且频繁调用的函数采用inline修饰，否则编译器会忽略inline特性。
3. 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。（inline声明和定义分离报错案例：链接错误：main.obj : error LNK2019: 无法解析的外部符号 “void __cdecl f(int)” (?f@@YAXH@Z)，该符号在函数 _main 中被引用）

补充：如何解决头文件中声明定义的函数在.cpp等文件中重复包含问题（链接错误，重定义）？

#pragma once，是解决不了上述问题的，解决的是同一个文件中头文件重复包含的问题，使用#ifndef... #define... #endif条件编译来实现；

解决方法：1. 声明和定义分离； 2. static，改变链接属性，只在当前文件可见（即每个包含头文件的.cpp中都会生成一个此函数，但他们地址不会链接到一起（地址不会加到符号表中））； 3. 内联函数inline，原理与静态函数类似，两函数不会进入符号表（一般小函数使用此方法，注意不能声明和定义分离，会报链接错误）

宏的优缺点？

优点：

1. 增强代码的复用性。
2. 提高性能。

缺点：

1. 不方便调试宏。（因为预编译阶段进行了替换）
2. 语法复杂，代码可读性差，可维护性差，容易误用。
3. 没有类型安全的检查 。

C++有哪些技术替代宏？

1. 常量定义 换用const enum
2. 短小函数定义，换用内联函数

二、 auto关键字(C++11)

随着程序越来越复杂，程序中用到的类型也越来越复杂，经常体现在：

1. 类型难于拼写
2. 含义不明确导致容易出错

2.1 auto简介

在早期C/C++中auto的含义是：使用 auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，但遗憾的是一直没有人去使用它，大家可思考下为什么？

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

【注意】

使用auto定义变量时必须对其进行初始化，在编译阶段编译器需要根据初始化表达式来推导auto的实际类型。因此auto并非是一种“类型”的声明，而是一个类型声明时的“占位符”，编译器在编译期会将auto替换为变量实际的类型。

2.2 auto的使用细则

1. auto与指针和引用结合起来使用
   用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
2. 在同一行定义多个变量

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

auto不能推导的场景:

• auto不能作为函数的参数

// 此处代码编译失败，auto不能作为形参类型，因为编译器无法对a的实际类型进行推导
void Add(auto a, auto b)
{}

• auto不能直接用来声明数组

int arr1[] = {1, 2, 3};
auto arr2[] = { 4, 5, 6}; //错误

• 为了避免与C++98中的auto发生混淆，C++11只保留了auto作为类型指示符的用法
• auto在实际中最常见的优势用法就是跟以后会讲到的C++11提供的新式for循环，还有lambda表达式，bind等进行配合使用。

for(auto& ch : s); //基于范围的for循环, 下面讲解
auto fx = [](int a, int b)->int(return a + b;}; //lambda表达式

三、基于范围的for循环(C++11)

3.1 概念

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。 ，参照下述方法使用：

int main()
{
  int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
  //不可变  -> 1 2 3 4 5
  for (auto n : arr)
    cout << n << " ";
  //引用，可变 -> 2 4 6 8 10
  for (auto& n : arr)
  {
    n *= 2;
    cout << n << " ";
  }
  return 0;
}

注意：与普通循环类似，可以用continue来结束本次循环，也可以用break来跳出整个循环。

3.2 范围for的使用条件

1. for循环迭代的范围必须是确定的

对于数组而言，就是数组中第一个元素和最后一个元素的范围；对于类而言，应该提供begin()和end()的方法，begin()和end()就是for循环迭代的范围。可以这样讲：begin()是指向要遍历的第一个元素；end()指向要遍历的最后一个元素的下一个，通常作为结束条件。(无论是二叉树还是链表等地址是不连续的数据结构，都可以用此方法来遍历)

//注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定。此处array退化为了指针
void TestFor(int array[])
{
  for(auto& e : array)
  cout << e << endl;
}

2. 迭代的对象要实现++和==的操作。(此处++, ==是在迭代器的类域中重载后的操作符，关于迭代器这个问题，后面会讲)

四、 指针空值nullptr(C++11)

在良好的C/C++编程习惯中，声明一个变量时最好给该变量一个合适的初始值，否则可能会出现不可预料的错误，比如未初始化的指针。如果一个指针没有合法的指向，我们基本都是按照如下方式对其进行初始化：

void TestPtr()
{
  int* p1 = NULL;
  int* p2 = 0;
}

NULL实际是一个宏，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

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者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，比如：

void f(int i)
{
  cout << "f(int)" << endl;
}

void f(int* p)
{
  cout << "f(int*)" << endl;
}

int main()
{
  f(0);             // -> f(int)
  f(NULL);          // -> f(int)
  f((int*)NULL);    // -> f(int*)
  f(nullptr);       ?? -> f(int*)

  int* ptr = nullptr;
  return 0;
}

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。

在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void *)0。

注意：

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr)与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。