本篇大纲

前言一. 引用续讲1. 传值,传引用效率对比2. 类型转换和表达式传引用的注意事项3. 引用与指针

二. 内联函数1. 概念2. 特性3. 面试题

三. auto关键字(C++11)1. 类型别名思考2. auto简介3. auto的使用细则4. auto不能推导的场景

四. 基于范围的for循环(C++11)1. 范围for的语法2. 范围for的使用条件

五. 指针空值nullptr(C++11)1.C++98中的指针空值

总结

前言

C++11 标准的发布带来了许多新的语言特性，这些特性极大地提升了 C++ 的开发效率和代码质量。本文将深入探讨 C++11 中几个重要的特性，包括 引用、内联函数、auto 关键字、基于范围的 for 循环以及指针空值 nullptr。

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正文开始

一. 引用续讲

上篇我们讲到了引用, 了解了引用的一些基本用法, 这里继续补充引用的其他内容, 帮助我们更好的理解引用.

1. 传值,传引用效率对比

以值作为参数或者返回值类型, 在传参和返回期间, 函数不会直接传递实参或者将变量本身直接返回,而是传递实参或者返回变量的一份临时拷贝, 因此用值作为参数或者返回值类型, 效率是非常低下的, 尤其是当参数或者返回值类型非常大时, 效率就更低.

<code>#include<iostream>

using namespace std;

#include<assert.h>

#include <time.h>

struct A {

int a[10000];

};

void TestFunc1(A a) { }

void TestFunc2(A& a) { }

void TestRefAndValue()

{

A a;

// 以值作为函数参数

size_t begin1 = clock();

for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)

TestFunc1(a);

size_t end1 = clock();

// 以引用作为函数参数

size_t begin2 = clock();

for (size_t i = 0; i < 10000; ++i)

TestFunc2(a);

size_t end2 = clock();

// 分别计算两个函数运行结束后的时间

cout << "TestFunc1(A)-time:" << end1 - begin1 << endl;

cout << "TestFunc2(A&)-time:" << end2 - begin2 << endl;

}

int main()

{

TestRefAndValue();

return 0;

}

如图所示, 传引用的效率要比传值效率高很多

2. 类型转换和表达式传引用的注意事项

上篇我们讲过, 传引用时, 权限等于或者缩小, 但是权限不能放大

类型转换

如下面这个例子, 将浮点型数据赋值给整型变量, 在d赋值给i时, 需要借助临时变量, 用临时变量存储转换后的值, 然后在赋值给i, 所以i的值是这个临时变量所赋给的, 而这个临时变量具有常性, 不可以修改, 所以涉及到权限的放大, 因此错误.

<code>// 权限可以平移/缩小 不能放大

double d = 12.34;

// 类型转换

int i = d;

int& r1 = d;//错误

const int& r2 = d;//可以

表达式赋值

如图所示, 表达式赋值也会产生临时变量, 临时变量具有常性, 涉及权限的放大, 所以下面这种写法也是不正确的.

int x = 0, y = 1;

int& r = x + y;//错误

const int& r2 = x + y;//可以

3. 引用与指针

如图所示, 引用在语法层面不需要开空间, 但是底层还是和指针是是一样的. 引用在底层需要开辟内存空间, 和指针的实现是一样的.

引用类型的大小是, 是类型名的字节大小, int& 为四个字节, short& 为两个字节, 而指针都为32位下都为四个字节.

注意: 引用可以避免指针操作中可能出现空指针的问题

<code>int* p = NULL;

int& r = *p;

//这里只是记录了*p的地址,并没有对NULL进行访问,不会报错

cout << r << endl;//这里才会报错,因为对NULL进行了解引用

引用相对于指针的效率高有以下几个原因：

引用在编译期就被确定了，而指针在运行时可以被改变。因此，在编译期就确定了引用的地址，不需要额外的运行时开销来对指针进行解引用或者地址计算。

引用使用起来更加简洁明了，减少了一些指针操作的繁琐性。使用引用可以直接访问对象，而不需要通过解引用符号(*)来获取指针所指向的对象。

引用可以避免指针操作中可能出现的空指针问题，减少了程序出错的概率。因为引用必须在初始化时指定对象，所以不存在空引用的情况。

引用的底层实现通常是通过指针来实现的，所以引用的效率并不比指针低。只是在使用上更加方便和安全。

综上所述，引用相对于指针在使用上更加方便、简洁，且没有一些指针操作的繁琐性和潜在风险，因此在效率上更高。

二. 内联函数

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。

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：

在release模式下，查看编译器生成的汇编代码中是否存在call Add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vs2013的设置方式)

2. 特性

inline是一种以空间换时间的做法，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。

例如, 100行指令的函数, 10000个位置需要调用, 编译后的代码量会变大

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。下图为《C++prime》第五版关于inline的建议：

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。因为编译过程中头文件会被展开, 内联函数也会被直接展开,就不会执行call ?f@@YAXH@Z(?) 这种指令去寻找函数地址.

<code>// F.h

#include <iostream>

using namespace std;

inline void f(int i);

// F.cpp

#include "F.h"

void f(int i)

{

cout << i << endl;

}

// main.cpp

#include "F.h"

int main()

{

f(10);

return 0;

}

// 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

3. 面试题

宏的优缺点？

优点：

增强代码的复用性。提高性能。

缺点：

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

C++有哪些技术替代宏？

常量定义 换用const enum短小函数定义 换用内联函数

三. auto关键字(C++11)

1. 类型别名思考

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：

类型难于拼写含义不明确导致容易出错

#include <string>

#include <map>

int main()

{

std::map<std::string, std::string> m{ { "apple", "苹果" }, { "orange",

"橙子" },

{ "pear","梨"} };

std::map<std::string, std::string>::iterator it = m.begin();

while (it != m.end())

{

//....

}

return 0;

}

std::map<std::string, std::string>::iterator 是一个类型，但是该类型太长了，特别容

易写错。聪明的同学可能已经想到：可以通过typedef给类型取别名，比如：

#include <string>

#include <map>

typedef std::map<std::string, std::string> Map;

int main()

{

Map m{ { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, { "pear","梨"} };

Map::iterator it = m.begin();

while (it != m.end())

{

//....

}

return 0;

}

使用typedef给类型取别名确实可以简化代码，但是typedef有会遇到新的难题：

typedef char* pstring;

int main()

{

const pstring p1; // 编译成功还是失败？

const pstring* p2; // 编译成功还是失败？

return 0;

}

const pstring p1;：这行代码的意思是定义了一个名为p1的const指针，该指针指向一个char类型的字符串，但是缺少了初始化语句。编译器可能会发出警告信息，因为声明一个const指针而没有初始化它通常是一个错误。

const pstring* p2;：这行代码的意思是定义了一个名为p2的指针变量，该指针变量指向一个指向char类型的字符串的const指针。同样，缺少了初始化语句，编译器也可能会发出警告信息，但是这个声明本身是合法的。

在编程时，常常需要把表达式的值赋值给变量，这就要求在声明变量的时候清楚地知道表达式的类型。然而有时候要做到这点并非那么容易，因此C++11给auto赋予了新的含义。

2. 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？

因为函数调用完之后,会自动释放,没必要多此一举

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。

int TestAuto()

{

return 10;

}

int main()

{

int a = 10;

auto b = a;

auto c = 'a';

auto d = TestAuto();

cout << typeid(b).name() << endl;

cout << typeid(c).name() << endl;

cout << typeid(d).name() << endl;

//auto e; 无法通过编译，使用auto定义变量时必须对其进行初始化

return 0;

}

【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。

3. auto的使用细则

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&

int main()

{

int x = 10;

auto a = &x;

auto* b = &x;

auto& c = x;

cout << typeid(a).name() << endl;

cout << typeid(b).name() << endl;

cout << typeid(c).name() << endl;

*a = 20;

*b = 30;

c = 40;

return 0;

}

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。

void TestAuto()

{

auto a = 1, b = 2;

auto c = 3, d = 4.0; // 该行代码会编译失败，因为c和d的初始化表达式类型不同

}

4. 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 TestAuto(auto a)

{ }

auto不能直接用来声明数组

void TestAuto()

{

int a[] = { 1,2,3};

auto b[] = { 4，5，6};

}

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表达式等进行配合使用。

四. 基于范围的for循环(C++11)

1. 范围for的语法

在C++98中如果要遍历一个数组，可以按照以下方式进行：

void TestFor()

{

int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)

array[i] *= 2;

for (int* p = array; p < array + sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++p)

cout << *p << endl;

}

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。

void TestFor()

{

int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

//for(int& e : array)

for (auto& e : array)

e *= 2;

for (auto e : array)

cout << e << " ";

return;

}

2. 范围for的使用条件

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。

注意：以下代码就有问题，因为for的范围不确定

void TestFor(int array[])

{

for(auto& e : array)

cout<< e <<endl;

}

迭代的对象要实现++和==的操作。(关于迭代器这个问题，以后会讲，现在提一下，没办法讲清楚，现在大家了解一下就可以了)

五. 指针空值nullptr(C++11)

1.C++98中的指针空值

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)

{

cout<<"f(int)"<<endl;

}

void f(int*)

{

cout<<"f(int*)"<<endl;

}

int main()

{

f(0);

f(NULL);

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。

而nullptr就是将NULL进行了强制转换(void*)NULL

注意：

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。在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。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。

总结

本文详细讲解了C++语言中的引用、内联函数、auto关键字、基于范围的for循环以及指针空值nullptr等概念，并通过代码示例和图片说明，深入浅出地阐述了它们的用法和注意事项，旨在帮助读者更好地理解和应用这些C++11的新特性，提高代码效率和可读性。

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