【C++ Primer】第二章（2 ~ 6节）

变量

变量提供一个具名的、可供程序操作的存储空间。 C++中变量和对象一般可以互换使用。

变量定义（define）

• 定义形式：类型说明符（type specifier） + 一个或多个变量名组成的列表。如int sum = 0, value, units_sold = 0;

• 初始化（initialize）：对象在创建时获得了一个特定的值。

  • 初始化不是赋值！：
  • 初始化 = 创建变量 + 赋予初始值
  • 赋值 = 擦除对象的当前值 + 用新值代替
  • 列表初始化：使用花括号{}，如int units_sold{0};

  注意：使用列表初始化时，如果初始值存在信息丢失的风险，编译器将报错：

  long double ld = 3.1415926536;
  int a{ld},b{ld}; //错误：转换未执行，因为存在丢失信息的危险
  int c(ld),d = ld; //正确：转换执行，丢失部分值
  

  • 默认初始化：定义时没有指定初始值会被默认初始化；在函数体内部的内置类型变量将不会被初始化。

• 建议初始化每一个内置类型的变量。

练习2.10：

变量的声明（declaration） vs 定义（define）

• 为了支持分离式编译，C++将声明和定义区分开。声明使得名字为程序所知。定义负责创建与名字关联的实体。
• extern：只是说明变量定义在其他地方。
• 只声明而不定义： 在变量名前添加关键字 extern，如extern int i;。但如果包含了初始值，就变成了定义：extern double pi = 3.14;

• 变量只能被定义一次，但是可以多次声明。定义只出现在一个文件中，其他文件使用该变量时需要对其声明。

• 名字的作用域（namescope）{}

  • 第一次使用变量时再定义它。
  • main有全局作用域。

• 嵌套的作用域
  • 同时存在全局和局部变量时，已定义局部变量的作用域中可用::reused显式访问全局变量reused。
  • 但是用到全局变量时，尽量不适用重名的局部变量。

练习2.11

变量命名规范

1. 需体现实际意义
2. 变量名用小写字母
3. 自定义类名用大写字母开头：Sales_item
4. 标识符由多个单词组成，中间须有明确区分：student_loan或studentLoan，不要用studentloan。

左值和右值

• 左值（l-value）可以出现在赋值语句的左边或者右边，比如变量；

个人理解：左值是具有地址属性的对象。左值可以出现在=左边与=右边。

int i = 10; //i是左值
++i; //左值，地址为i的地址

• 右值（r-value）只能出现在赋值语句的右边，比如常量。

个人理解：不是左值的对象就是右值。或者说无法操作地址的对象就叫做右值。右值只能出现在=右边。

int i2 = i + 1; // i + 1是一个临时对象，它有地址属性，但这个地址属性无法被使用，因此为右值
int i = 10;
i++; //右值，先返回一个临时变量，临时变量的地址无法被使用，可以视作没有地址属性

复合类型

一条声明语句由一个基本数据类型（base type）和紧随其后的一个声明符（declarator）列表组成；

复合类型的声明

练习2.25

说明下列变量的类型和值。

(a) int* ip, i, &r = i;
(b) int i, *ip = 0;
(c) int* ip, ip2;

解：

• (a): ip 是一个指向 int 的指针, i 是一个 int, r 是 i 的引用。
• (b): i 是 int , ip 是一个空指针。
• (c): ip 是一个指向 int 的指针, ip2 是一个 int。

引用

一般说的引用是指的左值引用

• 引用：引用是一个对象的别名，【引用类型】引用（refer to）另外一种类型。如int &refVal = val;。
• 引用必须初始化。
• 引用和它的初始值是绑定bind在一起的，而不是拷贝。一旦定义就不能更改绑定为其他的对象

个人理解：引用是阉割版的指针，引用不是一个对象，而是给对象起的一个别名。

引用定义时必须被初始化，并且与初始化的值绑定在一起，不像指针能够通过+或-运算符来指向其它内存地址；

练习2.15

下面的哪个定义是不合法的？为什么？

• (a) int ival = 1.01;
• (b) int &rval1 = 1.01;
• (c) int &rval2 = ival;
• (d) int &rval3;

解：

(b)和(d)不合法，(b)引用必须绑定在对象上而不是一个常量，(d)引用必须初始化。

练习2.16

考察下面的所有赋值然后回答：哪些赋值是不合法的？为什么？哪些赋值是合法的？它们执行了哪些操作？

int i = 0, &r1 = i;
double d = 0, &r2 = d;

• (a) r2 = 3.14159;
• (b) r2 = r1;
• (c) i = r2;
• (d) r1 = d;

解：

• (a): 合法。给 d 赋值为 3.14159。
• (b): 合法。会执行自动转换（int->double）。
• (c): 合法。会发生小数截取。
• (d): 合法。会发生小数截取。

指针

int *p; //指向int型对象的指针

• 是一种 "指向（point to）"另外一种类型的复合类型。

• 定义指针类型： int *ip1;，从右向左读有助于阅读：1. ip1是指针；2. 一个指向int类型的指针。

• 指针存放某个对象的地址。

• 引用不是对象，没有实际地址，因此不能定义指向引用的指针。

• 获取对象的地址： int i=42; int *p = &i;。 &是取地址符。

• 指针的类型与所指向的对象类型必须一致（均为同一类型int、double等）

• 指针的值的四种状态：

  • 1.指向一个对象；

  • 2.指向紧邻对象的下一个位置；

  • 3.空指针；

  • 4.无效指针。

  • 对无效指针的操作均会引发错误，第二种和第三种虽为有效的，但理论上是不被允许的

• 指针访问对象： cout << *p;输出p指针所指对象的数据， *是解引用符。

• 不能把int变量直接赋给指针

• 空指针不指向任何对象。使用int *p=nullptr;来使用空指针。

• 指针和引用的区别：引用本身并非一个对象，引用定义后就不能绑定到其他的对象了；指针并没有此限制，相当于变量一样使用。

• 赋值语句永远改变的是左侧的对象。

• void*指针可以存放任意对象的地址。能存，能赋值，但不能取：因无类型，仅操作内存空间，对所存对象无法访问。

• 其他指针类型必须要与所指对象严格匹配。

• 两个指针相减的类型是ptrdiff_t。

• 建议：初始化所有指针。

• int* p1, p2;//*是对p1的修饰，所以p2还是int型

• 其他指针操作

练习2.21

请解释下述定义。在这些定义中有非法的吗？如果有，为什么？

int i = 0;
- (a) double* dp = &i;
- (b) int *ip = i;
- (c) int *p = &i;

解：

• (a): 非法。不能将一个指向 double 的指针指向 int 。
• (b): 非法。不能将 int 变量赋给指针。
• (c): 合法。

练习2.23

给定指针 p，你能知道它是否指向了一个合法的对象吗？如果能，叙述判断的思路；如果不能，也请说明原因。

解：

能，可以使用try catch的异常处理来分辨指针p是否指向一个合法的对象，但通过普通控制结构无法实现。

练习2.24

在下面这段代码中为什么 p 合法而 lp 非法？

int i = 42;
void *p = &i;
long *lp = &i;

解：

void *是从C语言那里继承过来的，可以指向任何类型的对象。 而其他指针类型必须要与所指对象严格匹配。

const限定符

• 动机：希望定义一些不能被改变值的变量。

extern const

在C++中，extern const是用来声明外部链接的常量的关键字组合。

关键字extern用于声明一个变量或常量是在其他地方定义的，它告诉编译器该变量或常量的定义在其他文件中。这样，在当前文件中使用这个变量或常量时，编译器会在链接过程中找到它的实际定义。

关键字const表示该变量或常量是一个不可修改的值。它告诉编译器该标识符所表示的值在程序执行期间不会改变。

通过将extern const结合使用，我们可以声明一个外部链接的常量，该常量的定义位于其他文件中，并且在当前文件中不可修改。

例如，假设我们有两个文件：file1.cpp和file2.cpp。在file1.cpp中定义了一个常量：

	// file1.cpp
extern const int MY_CONSTANT = 10;

然后，在file2.cpp中可以使用这个常量：

// file2.cpp
extern const int MY_CONSTANT;

int main() {
    // 使用MY_CONSTANT
    int value = MY_CONSTANT;
    // ...
    return 0;
}

在这个例子中，extern const int MY_CONSTANT的声明告诉编译器，MY_CONSTANT的定义在其他文件中。在file2.cpp中使用MY_CONSTANT时，编译器会在链接过程中找到它的实际定义并使用该值。同时，由于使用了const关键字，MY_CONSTANT的值在程序执行期间是不可修改的。

初始化和const

• const对象必须初始化，且不能被改变。
• const变量默认不能被其他文件访问，非要访问，必须在指定const定义之前加extern。要想在多个文件中使用const变量共享，定义和声明都加const关键字即可。

练习2.26

const int buf;      // 不合法, const 对象必须初始化
int cnt = 0;        // 合法
const int sz = cnt; // 合法
++cnt; ++sz;        // 不合法, const 对象不能被改变

const的引用

• reference to const（对常量的引用）：指向const对象的引用，如 const int ival=1; const int &refVal = ival;，可以读取但不能修改refVal。也就是底层const，因为const自带顶层const

• 临时量（temporary）对象：当编译器需要一个空间来暂存表达式的求值结果时，临时创建的一个未命名的对象。

个人理解：临时量没有地址属性，也就是一个右值。但因为是常量引用，以后都不会修改temp的值，也就用不到temp的地址属性，因此这种赋值是合法的。

• 对临时量的引用是非法行为。即当上图的ri不是常量引用时，赋值非法。

个人理解：因为普通的引用需要使用到被指变量的地址属性，而临时量是一个右值，没有地址属性，因此非法。

• const引用可能引用一个并非const的对象

指针和const

• pointer to const（指向常量的指针）：不能用于改变其所指对象的值, 如 const double pi = 3.14; const double *cptr = π。
• const pointer：指针本身是常量，也就是说指针固定指向该对象，（存放在指针中的地址不变，地址所对应的那个对象值可以修改）如 int i = 0; int *const ptr = &i;

练习2.27

下面的哪些初始化是合法的？请说明原因。

解：

int i = -1, &r = 0;         // 不合法, r 必须引用一个对象
int *const p2 = &i2;        // 合法，常量指针
const int i = -1, &r = 0;   // 合法
const int *const p3 = &i2;  // 合法
const int *p1 = &i2;        // 合法
const int &const r2;        // 不合法, r2 是引用, 引用自带顶层 const, 第二个const写法多余但合法, 但引用需要初始化.
const int i2 = i, &r = i;   // 合法

练习2.28

说明下面的这些定义是什么意思，挑出其中不合法的。

解：

//const修饰的变量必须初始化，无论是内置类型还是指针。

int i, *const cp;       // 不合法, const 指针必须初始化
int *p1, *const p2;     // 不合法, const 指针必须初始化
const int ic, &r = ic;  // 不合法, const int 必须初始化
const int *const p3;    // 不合法, const 指针必须初始化
const int *p;           // 合法. 一个指针，指向 const int

练习2.29

假设已有上一个练习中定义的那些变量，则下面的哪些语句是合法的？请说明原因。

解：

i = ic;     // 合法, 常量赋值给普通变量
p1 = p3;    // 不合法, p3 是const指针不能赋值给普通指针
p1 = ⁣   // 不合法, 普通指针不能指向常量
p3 = ⁣   // 不合法, p3 是常量指针且指向常量, 故p3 不能被修改, 本句赋值语句正在修改
p2 = p1;    // 不合法, p2是常量指针, 有顶层const, 不能被修改
ic = *p3;   // 不合法, 对 p3 取值后是一个 int 然后赋值给 ic, 但ic是常量不能被修改

对于p1 = p3：
    int i = 0;
    const int *const p3 = &i;
    int *p1;
    p1 = p3;
错误出在第一个const上，因为编译器不知道p3指向的到底是常量还是变量，因此默认p3指向的是一个常量整数。所以p3不能乱赋值给一个非常量的int指针。
因此，编译器会报错，指出不能将const int *const类型的指针赋值给int*类型的指针，因为它们的常量性不匹配。

顶层const

• 顶层const：指针本身是个常量。
• 底层const：指针指向的对象是个常量。拷贝时严格要求相同的底层const资格。

练习2.30

对于下面的这些语句，请说明对象被声明成了顶层const还是底层const？

const int v2 = 0; int v1 = v2;
int *p1 = &v1, &r1 = v1;
const int *p2 = &v2, *const p3 = &i, &r2 = v2;

解：

v2 是顶层const，p2 是底层const，p3 既是顶层const又是底层const，r2 是底层const。

练习2.31

假设已有上一个练习中所做的那些声明，则下面的哪些语句是合法的？请说明顶层const和底层const在每个例子中有何体现。

解：

r1 = v2; // 合法, 顶层const在拷贝时不受影响
p1 = p2; // 不合法, p2 是底层const，如果要拷贝必须要求 p1 也是底层const
p2 = p1; // 合法, int* 可以转换成const int*
p1 = p3; // 不合法, p3 是一个底层const，p1 不是
p2 = p3; // 合法, p2 和 p3 都是底层const，拷贝时忽略掉顶层const

constexpr和常量表达式（▲可选）

• 常量表达式：指值不会改变，且在编译过程中就能得到计算结果的表达式。

字面值属于常量表达式，用字面值初始化的const对象也是常量表达式。

• C++11新标准规定，允许将变量声明为constexpr类型以便由编译器来验证变量的值是否是一个常量的表达式。

#include<iostream>
#include<string>
int main(void)
{
    int i = 1;
    constexpr int &i2 = i;	//报错，i不是常量表达式
    std::cout<<i2<<std::endl;
    i++;
    std::cout<<i2<<std::endl;
    return 0;
}

#include<iostream>
#include<string>
int main(void)
{
    int i = 1;
    const int &i2 = i;	//成功运行
    std::cout<<i2<<std::endl;
    i++;
    std::cout<<i2<<std::endl;
    return 0;
}

• 指针的constexpr

练习2.32

下面的代码是否合法？如果非法，请设法将其修改正确。

int null = 0, *p = null;

解：

非法，即使int的值恰好是0，也不能直接给指针赋值int变量。应改为

int null = 0, *p = &null;

而且应该注意到，null都是小写，并不是关键字或者预处理变量。

处理类型

类型别名

• 传统别名：使用typedef来定义类型的同义词。 typedef double wages;
• 新标准别名：别名声明（alias declaration）： using SI = Sales_item;（C++11）

// 对于复合类型（指针等）不能代回原式来进行理解
typedef char *pstring;  // pstring是char*的别名
const pstring cstr = 0; // 指向char的常量指针
// 如改写为const char *cstr = 0;不正确，为指向const char的指针

// 辅助理解（可代回后加括号）
// const pstring cstr = 0;代回后const (char *) cstr = 0;
// const char *cstr = 0;即为(const char *) cstr = 0;

auto类型说明符 c++11

• auto类型说明符：让编译器自动推断类型。
• 一条声明语句只能有一个数据类型，所以一个auto声明多个变量时只能相同的变量类型(包括复杂类型&和*)。auto sz = 0, pi =3.14//错误
• 会忽略引用：int i = 0, &r = i; auto a = r; 推断a的类型是int，因为r实际是指向i的，r只是i的一个别名。

#include <iostream>
#include<stdio.h>
#include<string>
#include<sstream>
#include<boost/type_index.hpp>
using boost::typeindex::type_id_with_cvr;

int main()
{
    int i = 100;
    const int& refI = i;
    auto i2 = refI;
    //输出int
    std::cout << type_id_with_cvr<decltype(i2)>().pretty_name() << std::endl;
    return 0;
}

• 会忽略顶层const。

auto关键字在推断类型时，如果没有引用符号，会忽略值类型的const修饰，而保留修饰指向对象的const，典型的就是指针。

会忽略第二个const而保留第一个const

即会忽略顶层const，而保留底层const

即pi2的类型是const int *

理解：auto pi2 = pi;

​ 此时pi2与pi指向同一块地址，但当pi2发生变化，比如指向下一块地址时，不会影响到pi仍然指向原地址。所以const修饰符被忽略。

​ 而因为pi2有直接修改原地址（i=100所在的地址）中i的值的能力，为了防止pi2对const类型i进行修改，所以pi2的类型为const int*，即i为const

运行结果：const int *

• const int ci = 1; auto f = ci;推断类型是int，如果希望是顶层const需要自己加const，const auto f = ci

个人理解：

auto f = ci; //值传递，f没能力改变ci的值，因此auto推断出来的类型不带const

const int ci = 1;
auto &f = ci;
std::cout << type_id_with_cvr<decltype(f)>().pretty_name() << std::endl; //此时则为const int &

练习2.35

判断下列定义推断出的类型是什么，然后编写程序进行验证。

const int i = 42;
auto j = i; const auto &k = i; auto *p = &i;
const auto j2 = i, &k2 = i;

解：

j 是 int，k 是 const int的引用，p 是const int *，j2 是const int，k2 是 const int 的引用。

decltype类型指示符

• 从表达式的类型推断出要定义的变量的类型。

9

• decltype：选择并返回操作数的数据类型。
• decltype(f()) sum = x; 推断sum的类型是函数f的返回类型。
• 不会忽略顶层const。
• 如果对变量加括号，编译器会将其认为是一个表达式，如int i-->(i),则decltype((i))得到结果为int&引用。
• 赋值是会产生引用的一类典型表达式，引用的类型就是左值的类型。也就是说，如果 i 是 int，则表达式 i=x 的类型是 int&。
• C++11

decltype和auto的区别

decltype和auto是C++11引入的两个类型推导机制，用于在编译时自动推导变量的类型。尽管它们可以实现类似的功能，但它们有以下区别：

1. 推导的对象不同：

   • decltype：decltype从表达式中推导出变量的类型。它可以获取变量、函数调用、表达式等的类型，包括修饰符和引用。
   • auto：auto用于推导变量的初始值表达式的类型。它根据变量初始化的值来确定类型，并且通常会忽略顶层的const和引用修饰符。

2. 推导时机不同：

   • decltype：decltype在编译时对表达式进行推导，因此可以用于推导尚未初始化的变量的类型。
   • auto：auto在编译器遇到变量声明时进行推导，要求变量必须被初始化，以便从初始值推导出类型。

3. 引用和顶层const的处理不同：

   • decltype：decltype保留变量的引用和顶层const限定符。
   • auto：auto推导的类型会去除引用和顶层const限定符，得到非引用类型。

下面是一些示例代码，用于展示decltype和auto的区别：

int x = 10;
const int& ref = x;

decltype(ref) a = x;  // 推导为 const int&
auto b = ref;         // 推导为 int

decltype(x + 1) c = x;  // 推导为 int
auto d = x + 1;         // 推导为 int

decltype((x)) e = x;    // 推导为 int&
auto f = (x);           // 推导为 int，去除了引用修饰符

decltype(x) g;          // 正确，推断为未初始化的int类型，decltype不需要初始化表达式
auto h;                 // 编译错误，auto 需要初始化表达式

综上所述，decltype和auto在类型推导时有一些区别：

1. 表达式类型推导能力：

   • decltype能够推导出表达式的准确类型，包括修饰符和引用。
   • auto只能根据初始值的表达式推导出变量的类型，不考虑修饰符和引用。

2. 引用和顶层const的处理：

   • decltype会保留变量的引用和顶层const限定符。
   • auto会去除引用和顶层const限定符。

3. 推导时机：

   • decltype在编译时对表达式进行推导，可以用于推导尚未初始化的变量的类型。
   • auto在编译器遇到变量声明时进行推导，要求变量必须被初始化。

4. 使用场景：

   • decltype通常用于需要获取表达式类型的情况，比如模板元编程或函数返回类型推导。
   • auto通常用于简化代码书写，尤其是在迭代器、范围循环等场景下，让编译器自动推导类型。

需要注意的是，由于auto是在编译时进行类型推导，因此它不能用于推导运行时动态类型的情况，例如函数参数的类型、函数返回类型无法使用auto进行推导。

练习2.36

练习2.37

自定义数据结构

struct

尽量不要把类定义和对象定义放在一起。如struct Student{} xiaoming,xiaofang;

• 类可以以关键字struct开始，紧跟类名和类体。
• 类数据成员：类体定义类的成员。
• C++11：可以为类数据成员提供一个类内初始值（in-class initializer）。

编写自己的头文件

• 头文件通常包含哪些只能被定义一次的实体：类、const和constexpr变量。

预处理器概述：

• 预处理器（preprocessor）：确保头文件多次包含仍能安全工作。
• 当预处理器看到#include标记时，会用指定的头文件内容代替#include
• 头文件保护符（header guard）：头文件保护符依赖于预处理变量的状态：已定义和未定义。
  • #indef已定义时为真
  • #inndef未定义时为真
  • 头文件保护符的名称需要唯一，且保持全部大写。养成良好习惯，不论是否该头文件被包含，要加保护符。

#ifndef SALES_DATA_H  //SALES_DATA_H未定义时为真
#define SALES_DATA_H
strct Sale_data{
    ...
}
#endif

C++头文件保护符（Header Guard）是一种预处理指令，用于防止头文件被多次包含。当多个源文件包含同一个头文件时，头文件保护符确保头文件只会被编译一次，避免重复定义错误。

通常情况下，头文件保护符使用宏来实现。以下是一个常见的头文件保护符的示例：

#ifndef HEADER_NAME_H
#define HEADER_NAME_H

// 头文件内容

#endif

这里的HEADER_NAME_H是一个唯一的标识符，可以是任何合法的C++标识符。当编译器首次遇到#ifndef指令时，如果HEADER_NAME_H未定义，则继续编译头文件，并定义HEADER_NAME_H。如果HEADER_NAME_H已定义，则跳过头文件内容，避免重复编译。

头文件保护符的工作原理如下：

1. #ifndef检查指定的标识符是否已定义。
2. 如果标识符未定义（即第一次包含头文件），则执行#define指令来定义该标识符，并继续编译头文件内容。
3. 如果标识符已定义（即头文件已经被包含过），则跳过头文件内容，避免重复编译。
4. 最后，通过#endif指令结束头文件保护符的区域。

使用头文件保护符可以确保头文件只被编译一次，提高编译效率并避免重复定义错误。它是编写C++头文件时的常见做法。