第 2 章笔记

• 初始化：将某个值与某个对象关联起来
  • 在内存中开辟空间，保存数值
  • 在编译器中构造变量的符号表，将其与对应的值关联起来
• 赋值：将某个已关联的变量关联到新的值
  • 不需要开辟新的空间和构造符号表
• 初始化和类型可能会涉及类型转换

• 字面值（literal）：一眼就能看出来是值的，比如 10
• 对象：变量、常量，或者引用。通过标识符定义。比如 x = 10，x 就是对象
• 值和对象都有类型

• 类型是编译器概念，是在编译阶段检测的。引入类型可以更好的描述程序，防止误用。
• C++ 是强类型语言

• 存储的尺寸：
  • 使用 sizeof() 测量
  • 大小与编译环境有关系，C++ 不做限制。
• 取值空间：
  • 使用 std::numeric_limits 查找，范围为 $2^{bit length}$
  • 超过取值空间的值会溢出，跟二进制码有关
• 对齐信息：CPU 读写数据会读到 cache 中。cache line 会有大小（32 / 64 位），也就是每次读取 32 或者 64 位数据。如果存储的数据位置处于两次读取位置的之间，那么需要两次读写才可以完整的读取存取的数据。这种情况被称为内存对齐不良。这种情况可以通过安排数据的位置进行改良。
  • 查看类型的对齐信息：alignof(type)
  • 对齐信息为了保证对其，会影响结构体的大小。
• 类型可以执行的操作

#include <limits>
int main(int argc, char const *argv[])
{
    int x{0};
    std::cout << "Size of: " << sizeof(x) << std::endl; 
    std::cout << "Int min: " << std::numeric_limits<int>::min() <<std::endl;
    std::cout << "Int max: " << std::numeric_limits<int>::max() <<std::endl;
    std::cout << "Alignof int" << alignof(int) << std::endl;
    return 0;
}

• 数值类型：
  • 字符类型（char, whcar_t, char16_t, char32_t）：char 以外的 char 是针对其他编码的特殊字型的；比如 Unicode
  • 整数类型
    • 带符号整数：short, int, long, longlong
    • 无符号整数：unsigned，只能取正数

• 浮点类型
  • float, double, long double：double 的精度更高，但占用空间更大，计算的代价也更高
• void 类型

• 由基本类型组合生成的类型

• C++ 中并未指定 char 是 signed 还是 unsigned
  • 带符号：[-128, 127]
  • 不带符号：[0, 255]
  • 解决方案：直接指定 char 是否有符号

unsigned char c1;
signed char c2;

• 整数在内存中的表示方法未确定：
  • 不同机器之间传输需要确定保存方式为大端还是小端
• C++ 中类型的大小不确定
  • 为了最大限度利用硬件的处理，但会影响程序的可移植性
  • C++11 中提供了固定大小的类型：比如 int32_t (32 bit, 4 byte) (fixed width integer types)

• 字面值：在程序中表示为一个具体的数值或者字符串的值
  • 整数字面值（int）： 十进制 / 8 进制 / 16 进制
  • 浮点字面值：
    • 普通写法：3.14
    • 科学计数法: e 后的数字代表了乘以 e 的多少次方（一定是 double）
  • 字符字面值：单引号内的内容，一定是 char 类型，比如转义字符 \n, \x4d
  • 字符串字面值：双引号内的内容，是 char[] 类型，以 \0 作为结尾。因此，Hello 的长度是 6 位，而不是 5 位。
  • 布尔字面值：true / false
  • 指针字面值：nullptr，nullptr_t 类型

// 指定 float 类型的字面值
float x = 1.3f;
// 指定一个 unsigned long long 类型的字面值
unsigned long long y = 2ULL;

C++ 11 允许用户自定义字面值的类型。该定义通过重写运算符 "" 进行定义。该功能可以方便我们定义一些单位（比如时间 / 重量）等等。下面的字面值代表了将接收到的 double 乘以 2 再转化为 int 的结果

int operator "" _customType(long double x)
{
    return (int)x * 2;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //using _customType as an literal type
    int x = 3.14_customType;
    std::cout << x << std::endl;
}

• Ref:User-defined literals

• 变量的类型在首次声明的时候确定
• 变量的定义和声明的区别：
  • 定义需要为 name 分配具体的空间

extern：实现的是定义只有一处，声明可以有多处的概念，用于外部文件引用实现文件中的定义。

为什么要使用 extern 关键字？

假设我们有两个文件需要一起编译。A 中使用调用 B 中已经定义的变量 x。如果没有 extern，那么会出现两种情况：

• A 中没有定义 x，B 中定义了 x：此时会报编译错误，因为 x 对 A不可见
• A 中定义了 x, B 中也定义了 x：此时会报链接错误，因为 A, B 中的 x 重定义。

因此，如果希望在 A 中使用 B 中定义的 x，那么必须使用 extern 关键字。extern 会让编译器将定义视作外部文件变量在本地的声明，从而达到我们希望的效果：

//source.cpp
int x;

//main.cpp
extern int x;
int main()
{
    std::cout << x << std::endl;
}

• 初始化：构造变量之初为其赋予一个初始值
• 赋值：改变值

• 默认初始化：
  • 算术类型：
    • 函数外部（全局）：0
      • 全局变量只会在程序开始之初进行初始化，因此代价并不昂贵。
    • 函数内部：undefined
      • 为函数内部的变量设置默认值是有消耗的。在不清楚函数被调用多少次的情况下，提供该项服务是不利于性能的。 C++ 只会提供一块内存给该变量，但不保证该变量的内容。
  • 直接 / 拷贝初始化
  • List 初始化：强制检查类型

//direct init
int x(10);
//copy init
int x = 10;
//list init
int x{10};

• promotion (小类型转化为大类型) 不会导致数据的损失
• signed 和 unsigned 之间的转换：都会转换为 unsigned
• bool 与整型的转换
  • 除了 0 以外的整数的 bool 值都是 1
  • bool 转换为整数结果为： 1(true) 和 0(false)
• 隐式转换会出现在其他地方：
  • 条件判断时
  • 数值比较时（之前提到的 signed 和 unsigned 情况）
    • 牵涉不同类型数据比较，可以使用 std::cmp_XXX 库（C++ 20）

• 间接类型：开辟了一个空间，存储的是指定内存序列的第一个地址
• 可以指向不同的变量
• 所有指针的尺寸都是相同的

//p points to the address of the val
int* p = &val;

• 取地址 &
• 解引用 *：不能访问没有内容的地址（0 地址）一般情况下会给一个 0 地址来保证错误的解引用一定会报错：

// 指针指向内容随机，解引用结果无法预测
int *p;
// null pointer
// 访问报错，但是内容稳定，方便查错
// 缺点是存在整型到指针的隐式转换
int *p = 0;
int *p = NULL;
// 防止隐式转换，C++ 11提供的 nullptr 指针对象
int *p = nullptr;

• 自增自减 ++ / –：移动到下一个（上一个）指向的位置，距离取决于指针指向变量的类型
• 指针相等==：判断两个两个指针是否指向同一个内存单元
• 比较大小：只能在两个指针指向同一个数组时使用，判断两个指针的位置

• 尺寸与普通指针相同，可用于验证传入的数据类型是否是指针（判断两个指针是否指向同样的对象）
• 可以转换为任意类型的指针，通常会作为接口参数使用
• 没有指向内容的占位大小信息，因此不能使用指针的算术运算

int x = 42;
int *p = &x;
int **pp = &p;

• 空指针（指向 0 地址） false
• 反之为真
• 通常使用 if (p) 方式来书写条件判断

指针可能存在的问题：指向的对象为空或者非法。采用引用是另外一个较好的选择。引用是变量的别名：

int x = 42;
//& is an type modifier here
int &refX = x;

• 字面值没有地址，因此不能使用引用绑定字面值
• 引用一旦绑定后，在声明周期类不可再更改（指针可以重新指向别的 name，引用不行）

int x = 0;
int y = 1;
int *ptr = &x;
//打印 ptr 结果相同，但实际上是不同的操作
//改变 x 所在内存的值为 y， 1 in x
*ptr = y;
//改变了 ptr 指向的位置，从 x 到 y，1 in y
ptr = &y;

• 底层还是通过指针来实现

• 指针是对象，因此存在指针的引用：
• 引用不是对象，因此不存在引用的引用

int* &refPx = ptr;

• 常量：不可修改的对象
  • 可以被视作由编译器保证其不被修改的变量
  • 防止非法操作：比如条件判断时可以避免误写 = 代替 == 带来的问题
  • 编译器可以优化：常量不需要每次都判断（读取）值，但变量需要

指针与常量结合时，需要考虑哪个部分不能被修改：

• 指针本身
• 指针指向的部分

如果限制的是指针本身，那么：

// 指针本身无法改变
int* const ptr = &x;

//指针可以改指其他位置，不能通过该指针改变其指向的内容
const int* ptr = &x;

• 顶层常量限制的是常量本身无法被修改
• 底层常量限制的是指向的内容不能修改

• 读写 → 只读是可以的

// int * to const int *
int x = 4;
// &x 由 int* 转化为了 const int*，该指针之前可以对 x 进行读写，但现在只能读取 x
const int *ptr = &x;

• 只读 → 可写是不行的

// const int * to int *
const int x = 4;
// error, &x 无法写 x，因此 ptr 也不能对 x 进行写操作
// low-level const 是有传递性的，如果之前只读，那么之后也必须只读（不管通过什么样的途径，比如赋值，参数传递等等）
int* ptr = &x;
// good
const int* ptr = &x;

• const int&：无法通过该引用修改其绑定的值
• 主要是用于高效的函数传递参数：
  • 传递某个大对象，但又不想改变该对象，就用 const int&
  • 传递某些无法拷贝的对象
  • 相比指针，引用不需要判断参数的有效性（空指针什么的）
  • built-in 数据不需要使用引用，值传递更效率一些
• 常量引用可以绑定字面值：
  • 常量引用通常作为函数的 parameter，当函数采用字面值作为函数参数的时候，需要保证引用可以绑定该字面值，才能完成调用。

不同的常量确定的时机不同。比如下面的例子：

int y;
std::cin >> y;
// y1 是在运行期确定的（运行期常量）
const int y1 = y;
// y2 是在编译期确定的（编译期常量）
const int y2 = 3;

• y1 会以“期待运行期有输入的”方式进行汇编
• y2 对编译器可见，那么 y2 == 3 一定为真。因此，编译器不会进行 if 的判断，而会直接执行该 if 下的代码段。（优化）

也就是说，编译器常量是可以被编译器优化的。这也是常量表达式的由来：C++ 11 中通过 constexpr 关键字，将常量直接声明为编译期期量。也就是说，上述的 const int y2 = 3 可以写为：

// y2 被显式的声明为编译期常量
// y2 的类型是 const int
// constexpr 是一种带指导意义的限定符(//specifier//)，不属于类型声明的一部分
constexpr int y2 = 3;

指针也可以作为编译期常量。这种情况下，需要满足两个条件：

• 指针是常量
• 指针指向的内容也是常量

只有满足这两个条件，指针才能作为编译期常量对编译器可见。也就是说，这种情况下的指针类型是 const type* const

constexpr const int* ptr = nullptr;
//字符串
constexpr const char* str = "abc";

类型可以引入别名，便利使用（比如 size_t 实际上是一个 unsigned int）。别名的引入有两种方式：

• typedef + type + alias
• using alias = type

//myInt 是 int 类型的别名
//推荐使用 using
//别名实际上是 myCharArr, 但 typedef 的引用看起来非常 confusing
typedef char myCharArr[4];
using myCharArr = char[4];

• 当使用别名定义指针时，别名代表了指针的整体。此时如果使用 const 修饰别名，那么 const 修饰的是指针，也就是将指针定义为常量指针。换句话说，下面两者等价：

using intP = int*;
int x = 3;

//别名定义
const intP constIntPAlias = &x;
//等同于 top-const pointer
int* const constIntP = &x;

• 不能使用别名来创建引用的引用

C++11 允许使用 auto 关键字让编译器自动通过初始化表达式的结果推断变量的类型：

auto x = 3.5 + 15l;

• auto 推导出的类型是强类型（定义时已经确定）
• 因为需要初始化表达式推导类型，因此自动推导下，表达式必须初始化
• auto 可能会导致类型退化

int x1 = 3;
int& ref = x1;
//类型退化，ref 作为右值，此处由 int& 退化为 Int, 而不是 int&
int y = ref;
//auto 导致类型退化, ref2 是 int 类型
auto ref2 = ref;

• const / constexpr 与 auto 组合会推导出常量 / 常量表达式类型

//const int 
const auto x1 = 3;
//const int& 
const auto& x2 = 3;

const int x3 = 3;
//const int
const auto y1 = x3;
//int （top-const 的退化）
auto z = x3;

• auto 加引用会避免退化

//不会退化，const int&
auto& y2 = x3;

• 数组的推导会退化为指向数组首元素的指针

int x[3] = {1,2,3};
//int*
auto x1 = x;
//加引用不会退化：int(&)[3] 
auto& x2 = x;

decltype 获取一个表达式，并返回表达式的类型。decltype 与 auto 的区别在于，decltype 不会产生类型退化。

• decltype(val)：val 代表 entity(变量名称)，那么 val 是什么类型，那么返回的就是什么类型

//x is an variable name
int x = 3;
//int
decltype(x);
//注意加括号的形式，(x) 是表达式, x 是变量名
//int&
decltype((x));

• decltype(exp(r-value)) ：如果表达式是非变量名称的表达式，且为右值，那么返回的是表达式评估后的类型：

int x = 3;
int& y1 = x;
//int
auto y2 = y1;
//int&
decltype(y1) y3 = y1;

• decltype(exp(l-vaule))：如果表达式为非变量名称的左值（通常带运算符），返回的类型会自动加上一个引用

int x = 3;
int* ptr = &x;
//*ptr 是包含了解引用操作符的表达式：此处是 l-value，此处得到的是 int& 
decltype(*ptr);

• decltype(auto) [C++14]：用于简化 decltype 的使用

//非常繁琐的写法
decltype(3.5+15l) x  = 3.5 + 15l;
//C++ 14 的写法
// 用 auto 来代表繁琐的表达式，并不会导致退化
// 编译器会将 auto 替换为赋值运算符右边的内容
decltype(autol) x  = 3.5 + 15l;

• concept auto [C++20]：任何 concept 都会包含一系列类型，这些类型的共同特征都可以用 concept 表示。比如 int, long 都可以表示为 std::intergal
  • concept auto 让自动推导受 concept 的范围限制，比如让 auto 只能推断出整数类型的类型：

#include <concepts>
int main()
{
    //int
    std::integral auto z = 3;
    //error, 3.5 is not an integral
    std::integral auto z = 3.5;
}

域代表了程序的一部分，域中的 name 有唯一的含义：

• 全局域：程序最外部的域，全局对象
• 块域：大括号限定的域，局部对象
• 其他类型的域：Namespace, class 等等

域可以进行嵌套，内部域中的 Name 会掩盖外部域中的 Name:

int x = 3;
int main()
{
   int x = 4;
   //call local x
   std::cout << x << '\n';
}

生命周期指对象从被初始化到被销毁的区间。

• 全局对象：生命周期为程序的运行期
• 局部对象：起始于初始化，结束于域的执行完成