这些知识点你都知道吗,测试你的C++入门程度

C语言与CPP编程

共 17834字,需浏览 36分钟

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2021-04-19 23:11

做公众号以来,很多人都私信问我如何入门C++,其实之前也有很多人问过这个问题,觉得还是有必要写一篇完整的文章,给大家参考。


既然要写一篇文章,程序喵本着对读者负责任的态度,在写这篇文章前我咨询了好多人,既有身经百战的大佬,也有初入职场的精英码农,我也查阅了好多入门C++相关的资料(发现内容都差不多),结合自身经历,整理出一篇文章分享给大家。



不同人入门C++的方式应该都有所不同,就我自己而言,大一先学习了C语言,稀里糊涂一个学期过去了,用C语言做个控制台界面的学生管理系统,然后大一下学期学习C++时,恰好上了一门编译原理的课,当时实现了个小编译器,做过校园导航系统,小型数据库系统,有点小成就感,原以为算是“C++入门”了吧。现在想想其实很多东西学生时期还是知其然而不知其所以然。之后在工作中使用C++做项目,才是真正意义的“入门”了,所以对我而言,可能更多的是依靠“实战”去入门的C++。


本篇文章我不会全篇介绍入门C++需要看什么书,看什么视频,因为这种文章太多了,相信读者看的已经眼花缭乱了,正文主要介绍C++的一些基础的知识点,基本上对每个知识点我会贴一段示例代码,读者如果要具体了解某个知识点,可以去文末的书籍或视频中针对性学习,我会在文末列出比较容易入门的几本书和视频。老规矩,废话停止,直接开始:



C++是什么?


通俗的讲,可以简单理解为C语言的延伸语言,这里会主要介绍C++相对于C语言来说,有哪些特性。


C++的一些特点:


允许重载:函数名相同,参数类型不同,参数个数不同,即可重载,使用见下面代码:

// overload.cc#include <iostream>using std::cout;void func(int a) { cout << "func " << a << "\n"; }void func(int a, int b) { cout << "func " << a << " " << b << "\n"; }void func(float a) { cout << "func " << a << "\n"; }int main() {    func(1);    func(1, 2);    func(1.1f);return 0;}

namespace:namespace是什么?其实就相当于为变量和函数划个范围


如果不加namespace会有什么问题:


// namespace.cc
#include <iostream>
void func() { std::cout << "n1 func" << "\n";}
void func() { std::cout << "n2 func" << "\n";}// redefinition of 'func'int main() { func(); return 0;}


结果大家可能都知道,这样的代码编译会报错:redefinition of 'func'


一般规定一个程序内不允许同一个强符号有多个定义,那怎么解决?


可使用namespace:

// namespace.cc
#include <iostream>
namespace n1 {
void func() { std::cout << "n1 func" << "\n";}
} // namespace n1
namespace n2 {
void func() { std::cout << "n2 func" << "\n";}
} // namespace n2
// redefinition of 'func'
int main() { n1::func(); n2::func(); return 0;}


这样编译成功,加入namespace后其实对编译器来说就是两个不同的函数,因为生成的是两个不同的符号:



注意:不要过多using namespace xxx,例如using namespace std;可能就容易引起符号冲突问题,


可以使用using std::cout这种方式。


class & struct

很多面试官可能都会问class和struct的区别?具体答案我这里就不贴出来了,大家自己搜索答案就可,或者留言问我,它俩在C++里其实没什么区别,就是默认权限不同而已。


这里需要掌握几个知识点:

  • 如何定义一个类

  • 构造函数的定义及使用

  • 析构函数的定义及使用

  • 拷贝构造函数的定义及使用

  • 移动构造函数的定义及使用

  • 赋值构造函数的定义及使用

  • 移动赋值函数的定义及使用


下面贴出一段示例代码:

// class.cc#include <iostream>#include <memory>
using std::cout;
class TClass { public: TClass() { cout << "构造函数1" << "\n"; }
TClass(int a) : a_(a) { cout << "构造函数2" << "\n"; data_ = new int[10]; }
TClass(const TClass &a) : a_(a.a_) { cout << "拷贝构造函数" << "\n"; data_ = new int[10];
memcpy(data_, a.data_, 10 * sizeof(int)); }
TClass(TClass &&a) : a_(a.a_), data_(a.data_) { a.data_ = nullptr; cout << "移动构造函数" << "\n"; }
TClass &operator=(TClass &a) { a_ = a.a_; if (data_) delete[] data_; data_ = new int[10]; memcpy(data_, a.data_, 10 * sizeof(int));
cout << "赋值构造函数" << "\n"; return *this; }
TClass &operator=(TClass &&a) { a_ = a.a_; if (data_) delete[] data_; data_ = a.data_; a.data_ = nullptr; cout << "移动赋值函数" << "\n"; return *this; }
~TClass() { cout << "析构函数" << "\n"; if (data_) delete[] data_; }
void func() { cout << "a " << a_ << " \n"; }
private: int a_; int *data_;};
int main() { TClass a(1); //构造函数2 TClass b(a); //拷贝构造函数 TClass c(std::move(a)); //移动构造函数 c = b; //赋值构造函数 c = std::move(b); //移动赋值函数 TClass d = c; //拷贝构造函数 TClass e = std::move(d); //移动构造函数 a.func(); b.func(); return 0;}


模板

模板主要分为函数模板类模板,下面有示例代码:

// template.cc#include <iostream>
using std::cout;template <typename T>T max(T a, T b) { // 函数模板 return a > b ? a : b;}
template <typename T>struct Vec { // 类模板 Vec(T a) : a_(a) {}
void func() { cout << "func value " << a_ << "\n"; } T a_;};
int main() { cout << "max(1, 2) " << max(1, 2) << "\n"; cout << "max(1.1f, 2.2f) " << max(1.1f, 2.2f) << "\n"; cout << "max(1.10, 2.20) " << max(1.10, 2.20) << "\n";
Vec<int> vi(1); vi.func();
Vec<float> vf(1.1f); vf.func(); return 0;}


引用:C++里多了个引用的概念,很多人面试应该有被问到过引用和指针有什么区别吧?


关于指针和引用,在这里强烈推荐大家阅读《面试系列之指针和引用的使用场景》这篇文章,通俗易懂的纯干货型文章。


大家可以记住一个关键点就是引用追求从一而终,它的指向永远不会变,而指针是个善变的东西,它的指向随时可以改变,一般开发中会使用const &方式进行参数传递,省去不必要的对象拷贝:


void func(const A& a) {}


多态:这是C++语言所支持的或者说面向对象的一个重要特性,直接看代码:


// polymorphic.cc
#include <iostream>using std::cout;struct Base { Base() { cout << "base construct" << "\n"; }
virtual ~Base() { cout << "base destruct" << "\n"; }
void FuncA() {}
virtual void FuncB() { cout << "Base FuncB \n"; }
int a; int b;};
struct Derive1 : public Base { Derive1() { cout << "Derive1 construct \n"; } ~Derive1() { cout << "Derive1 destruct \n"; } void FuncB() override { cout << "Derive1 FuncB \n"; }};
struct Derive2 : public Base { Derive2() { cout << "Derive2 construct \n"; } ~Derive2() { cout << "Derive2 destruct \n"; } void FuncB() override { cout << "Derive2 FuncB \n"; }};

int main() { { Derive1 d1; d1.FuncB(); }
cout << "======= \n"; { Derive1 d1; d1.FuncB();
Base &b1 = d1; b1.FuncB(); }
cout << "======= \n"; { Derive2 d2; d2.FuncB();
Base &b2 = d2; b2.FuncB(); }
cout << "======= \n"; { Base b; b.FuncB(); }
cout << "======= \n"; { Base *b = new Derive1(); b->FuncB(); delete b; }
return 0;}


这里简单介绍了实现多态的两种方式:通过指针或者通过引用。


注意:

  • 构造函数不能是虚函数

  • 基类析构函数最好是虚函数

  • 尽量不要使用多继承


new和delete


C++内存申请和释放会使用new和delete关键字,而基本不会使用C语言中的malloc和free,可看下面的示例代码:

// new_delete.cc
#include <iostream>
using std::cout;
struct A { int a_;};
int main() { A* a1 = new A; delete a1;
A* a2 = new A[10]; delete[] a2; return 0;}


注意:

  • new和delete要配对使用

  • new[]和delete[]要配对使用

  • maloc和free要配对使用


类型转换:既然使用了C++语言,在类型转换方面就一定要使用C++风格,这比C语言风格的强制类型转换更安全。


  • static_cast

float f = 1.0f;int a = static_cast<int>(f);


  • const_cast

const char* cc = "hello world\n";char* c = const_cast<char*>(cc);


  • dynamic_cast

struct Base {};struct Derive : public Base {};void func() {    Base* base = new Derive;    Derive* derive = dynamic_cast<Derive*>(base);}


  • reinterpret_cast

A *a = new A;void* d = reinterpret_cast<void*>(a);


C++11常用新特性


C++的重大变革肯定是C++11啦,C++11标准引入了很多有用的新特性,这仿佛打开了新世界的大门,让C++开发者开发效率大幅提高,下面我会列出C++11常用的新特性,并附上简单的实例代码:


auto & decltype:用于类型推导


auto用于推导变量类型,decltype用于推导表达式返回值类型

// auto_decltype.cc
int main() { auto a = 10; // 10是int型,可以自动推导出a是int
int x = 0; decltype(x) y; // y是int类型 decltype(x + y) z; // z是int类型
return 0;}


std::function:用于封装一个函数,功能类似于函数指针,但却比函数指针方便的多。

// function.cc
#include <functional>#include <iostream>
using std::cout;
void printNum(int i) { cout << "print num " << i << "\n"; }
typedef void (*FuncPtr)(int i);
int main() { FuncPtr ptr = printNum; ptr(2);
void (*ptr2)(int) = printNum; ptr2(3);
std::function<void(int)> func = printNum; func(1);
return 0;}


lambda表达式:随时可方便定义的一个匿名函数。

// lambda.cc#include <iostream>using std::cout;
int main() { auto func = [](int a) -> int { return a + 1; }; int b = func(2); cout << b << "\n"; return 0;}


注意:lambda表达式的变量捕获方式分为值捕获和引用捕获

int a = 0;auto f1 = [=](){ return a; }; // 值捕获acout << f1() << endl;
auto f2 = [=]() { return a++; }; // 修改按值捕获的外部变量,errorauto f3 = [=]() mutable { return a++; };

std::function和std::bind使得我们平时编程过程中封装函数更加的方便,而lambda表达式将这种方便发挥到了极致,可以在需要的时间就地定义匿名函数,不再需要定义类或者函数等,在自定义STL规则时候也非常方便,让代码更简洁,更灵活,开发效率也更高。


std::thread:C++11中使用std::thread创建线程,使用非常的方便,直接看代码:

void func() { std::cout << "new thread \n"; }int main() {    std::thread t(func);    if (t.joinable()) {        t.join(); // 或者t.detach();     }    return 0;}

注意:使用std::thread一定要记得join或者detach。


RAII:既然使用C++,那一定要理解RAII风格(利用对象生命周期管理资源),继续往下看:


如果不使用RAII风格,加锁解锁我们怎么办?

// 不使用RAIIvoid func() {    std::mutex mutex;    mutex.lock();    if (xxx) {        mutex.unlock();        return;    }    if (xxxx) {        mutex.unlock();        return;    }    ...    mutex.unlock();}


而如果使用RAII呢:

void func() {    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);    if (xxx) return;    if (xxxx) return;    ...}


是不是方便了很多,这里介绍了std::unique_lock的使用,还有一种锁是std::lock_guard,使用方式相同,至于它们之间有什么区别,我这里卖个关子,大家可以自行查找哈,锻炼一下自己的搜索能力。


智能指针也是典型的RAII风格,如果不使用智能指针管理内存是这样:

void func() {    A* a = new A;    if (xxx) {        delete a;        return;    }    if (xxxx) {        delete a;        return;    }    ...    delete a;}


而如果使用智能指针是这样:

void func() {    std::shared_ptr<A> sp = std::make_shared<A>(); // unique_ptr类似    std::shared_ptr<A> sp = std::shared_ptr<A>(new A); // 尽可能使用make_shared或者make_unique(C++14)    if (xxx) return;    if (xxxx) return;    ...}


又方便了很多吧,unique_ptr和shared_ptr的区别本文也不介绍,文章最后我会列出学习资料,在学习资料里可以找到答案。


原子操作:使用std::atomic可达到原子效果,使用方法:

std::atomic<int> ai;ai++;ai.store(100);int a = ai.load();


enum class:带有作用域的枚举类型,可用于完全替代enum,为什么要使用enum class呢?我们先看一段直接使用enum的代码:

enum AColor {    kRed,    kGreen,    kBlue};
enum BColor { kWhite, kBlack, kYellow};
int main() { if (kRed == kWhite) { cout << "red == white" << endl; } return 0;}


不带作用域的枚举类型可以自动转换成整形,且不同的枚举可以相互比较,代码中的kRed居然可以和kWhite比较,这都是潜在的难以调试的bug,而这种完全可以通过有作用域的枚举来规避。


所以出现了enum class:

enum class AColor {    kRed,    kGreen,    kBlue};
enum class BColor { kWhite, kBlack, kYellow};
int main() { if (AColor::kRed == BColor::kWhite) { // 编译失败 cout << "red == white" << endl; } return 0;}


使用enum class可以在编译层面就规避掉一些难以调试的bug,使代码健壮性更高。


condition_variable:条件变量

std::condition_variable cv;std::mutex mutex_;void func1() {    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);    --count;    if (count == 0) cv.notify_all();}void func2() {    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);    while (count) {        cv.wait(lock);    }}

注意:不要直接用wait,而要记得使用wait(mutex, cond)或者while(cond) {wait(mutex);}


nullptr:表示空指针可以使用nullptr,不要使用NULL

void func(char*) {    cout << "char*";}void func(int) {    cout << "int";}
int main() { func(NULL); // 编译失败 error: call of overloaded ‘func(NULL)’ is ambiguous func(nullptr); // char* return 0;}


chrono:时间相关函数可以考虑使用chrono库,例如休眠某个时间段:

void customSleep() {    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(5));    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));}


使用chrono可以精确的指定时间单位,可以明确的之道休眠的是几毫秒还是几秒,非常方便。


chrono中包含三种时钟:

  • steady_clock:单调时钟,只会增加,常用语记录程序耗时

  • system_clock:系统时钟,会随系统时间改动而变化

  • high_resolution_clock:当前系统最高精度的时钟,通常就是steady_clock


拿计时举例:

void customSleep() {    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(5));    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));}
int main() { std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> begin = std::chrono::high_resolution_clock::now(); customSleep(); auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto diff = end - begin; long long diffCount = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(diff).count(); cout << diffCount << "\n";
return 0;}


STL


使用C++有几个能不用STL标准库的,这里列出了常用的STL,并贴出使用代码。


std::vector:可以理解为动态可自动扩容的数组,使用vector需要掌握几个常用函数的使用

  • resize

  • reserve

  • capacity

  • clear

  • swap

  • at


灵活使用

void func() {    std::vector<int> vec;    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 0    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 0    vec.push_back(1);    vec.emplace_back(2);    vec.push_back(3);    std::cout << "====================== \n";    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 3    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 4    vec.reserve(200);    std::cout << "====================== \n";    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 3    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 200    vec.resize(20);    std::cout << "====================== \n";    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 20    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 200    vec.clear();    std::cout << "====================== \n";    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 0    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 200    std::vector<int>().swap(vec);    std::cout << "====================== \n";    std::cout << "vector size " << vec.size() << "\n";          // vector size 0    std::cout << "vector capacity " << vec.capacity() << "\n";  // vector capacity 0}


注意:for循环中erase某一个节点时要处理好迭代器的指向问题

void erase(std::vector<int> &vec, int a) {    for (auto iter = vec.begin(); iter != vec.end();) { // 正确        if (*iter == a) {            iter = vec.erase(iter);        } else {            ++iter;        }    }
for (auto iter = vec.begin(); iter != vec.end(); ++iter) { // error if (*iter == a) { vec.erase(iter); } }}


继续注意:remove函数不会真正的删除某个元素,它只会把某个要删除的元素移动到容器尾部,真正要删除还需使用erase,需要remove要和erase搭配使用。

bool isOdd(int i) { return i & 1; }
void print(const std::vector<int>& vec) { for (const auto& i : vec) { std::cout << i << ' '; } std::cout << std::endl;}
int main() { std::vector<int> v = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; print(v);
std::remove(v.begin(), v.end(), 5); // error print(v);
v.erase(std::remove(v.begin(), v.end(), 5), v.end()); print(v);
v.erase(std::remove_if(v.begin(), v.end(), isOdd), v.end()); print(v);}


std::array:开发时可以考虑用std::array代替普通数组,因为它有获取长度,遍历,边界检查等功能

int main() {    std::array<int, 10> array;    // int array[10];    array.at(10) = 20;  // terminating with uncaught exception of type std::out_of_range: array::at    std::cout << "hello " << array.at(10) << "\n";    return 0;}


std::map & std::unordered_map:都是key-value级别的字典,使用方式相同,一个使用树实现,一个使用哈希表实现,可根据需求选择具体使用哪种字典。

int main() {    std::map<int, std::string> map;    map[1] = std::string("hello");    std::cout << map[1] << "\n";    return 0;}


std::list:链表

int main() {    std::list<int> list{1, 2, 3, 2};    list.sort();    // std::sort(list.begin(), list.end());    for (auto i : list) {        std::cout << i << " ";    }    std::cout << "\n";    return 0;}


注意:list的排序需要使用list.sort(),不能使用std::sort


std::tuple:我个人经常使用,tuple像结构体一样,也可以理解为pair的延伸

struct T {    int a_;    int b_;    int c_;    T(int a, int b, int c) : a_(a), b_(b), c_(c) {}};
int main() { T a(1, 2, 3); std::cout << "a " << a.a_ << " b " << a.b_ << " c " << a.c_ << "\n"; std::tuple<int, int, int> tuple = std::make_tuple(2, 3, 4); std::cout << "a " << std::get<0>(tuple) << " b " << std::get<1>(tuple) << " c " << std::get<2>(tuple) << "\n"; return 0;}


编码规范


每一门语言基本都有几种常见的编码规范,想必大多数C++开发者都会基于google的C++编码规范去开发,下面是格式化代码常用的一些配置:

// .clang-formatBasedOnStyle: GoogleIndentWidth: 4ColumnLimit: 120SortIncludes: trueMaxEmptyLinesToKeep: 2


下面再列出一些常见的命名规则:


文件命名:文件名字要全部小写,中间用_相连,后缀名为.cc .cpp和.h

hello_world.cchello_world.cpphello_world.h


类型命名:类型名称的每个单词首字母均大写:

struct MyExcitingClass;


常量和枚举命名:声明为 constexpr 或 const 的变量, 或在程序运行期间其值始终保持不变的, 命名时以 “k” 开头, 大小写混合

const int kDaysInAWeek = 7;


函数命名:大驼峰方式

MyExcitingFunction()


命名空间命名:全部小写

namespace abcdefg{}


成员变量命名:小写字母加下划线分隔,最后加个下划线


普通变量命名:小写字母加下划线分隔

struct A {    int a_;}void f(int a) {    int b;}


代码:

struct A {    int a_;}void f(int a) {    int b;}


规范要点总结


下面是我查阅很多资料又结合自身工作经验总结的一些要点:

  • 每个头文件都要使用#ifndef #define或者#pragma once修饰,避免被重复引用

  • 每个命名都要尽可能表达清晰其具体含义,除非特别常用,否则不要使用缩写,宁可名字特别长

  • 鼓励在 .cc 文件内使用匿名命名空间或 static 声明. 使用具名的命名空间时, 其名称可基于项目名或相对路径. 尽量不要使用 using 指示

  • 一行尽量不要超过120个字符,一个函数尽量不要超过40行(性能优化除外),同时一个文件尽量控制在500行内.

  • 所有的引用形参如不做改动一律加const,在任何可能的情况下都要使用 const或constexpr

  • new内存的地方尽量使用智能指针,c++11 就尽量用std::unique_ptr

  • 合理使用移动语义或者COW,减少内存拷贝

  • 使用 C++ 的类型转换, 如 static_cast<>(). 不要使用 int y = (int)x 或 int y = int(x) 等转换方式

  • 明确使用前置++还是后置++的具体含义,如不考虑返回值,尽量使用前置++ (++i)

  • 不要使用uint类型,如果需要使用大整型可以考虑int64,否则类型的隐式类型转换会带来很多麻烦

  • 如无特殊必要不要使用宏,可以考虑使用const或constexpr替代宏,宏的全局作用域很麻烦,如果非要用在马上要使用时才进行 #define, 使用后要立即 #undef

  • 尽可能用 sizeof(varname) 代替 sizeof(type).使用 sizeof(varname) 是因为当代码中变量类型改变时会自动更新. 或许会用 sizeof(type) 处理不涉及任何变量的代码,比如处理来自外部或内部的数据格式,这时用变量就不合适了

  • 类型名如果过长的话可以考虑使用auto关键字

  • 注释统一使用 // ,不要通过注释禁用代码,擅用git,不要为易懂的代码写注释

  • 写完代码后记得format,每个项目最好都有统一的.clang_format文件

  • 使用C++的string替代C语言风格的char*

  • 尽量使用STL标准库的容器而不是C语言风格的数组,数组的越界访问之类当时是不会报错的,反而可能弄脏堆栈信息,导致奇奇怪怪难以排查的bug

  • 可以更多的使用模板元编程,尽量多的使用constexpr等编译期计算,编译器是我们的好搭档,个人认为模板元编程以后会是C++的主流技术

  • 可以考虑更多的使用异常处理方式,而不是C语言风格的errno错误码等

  • 常用大括号控制生命周期,能提前结束的就可以提前结束

  • 注意memcpy和memset的使用,仅适用于POD结构

  • 理解内存对齐,可以使结构体更小,也可以使访问速度更快

  • 基类析构函数一定要加virtual修饰

  • 谨慎使用多继承,可能导致菱形继承

  • 全局变量不要有任何依赖关系


这里我只列出来两本学习C++的书,可以按顺序阅读,我相信读完并理解这两本书的内容可以算是入门C++啦~




《C++ Primer Plus》 注意是Plus!

《Effective Modern C++》


视频


有喜欢看书的也有喜欢看视频的,这里再推荐两个比较好的C++视频教程:


①清华大学郑莉教授的视频,通俗易懂

https://www.bilibili.com/video/BV1QE41147RT?from=search&seid=8449657388898463710


还有一个是技术交流群群友推荐,也是清华大学的课程

https://www.bilibili.com/video/BV1yk4y1d7ns?p=1


喜欢英文的同学可以看看MIT或斯坦福的C++课程


具体是看书快还是看视频快,因人而异。适合自己的才是最实在、最好的。


再推荐两个比较好的C++学习网站


最好的肯定是cppreference啦,不用多说,也可以看看cppfaq,里面的很多问题可以增长我们的见识,让我们对C++的理解也更加深刻。


http://www.sunistudio.com/cppfaq/


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