【C++學習】——（四）型別

開篇

? 型別一直是C++中最重要的部分，相比于其他高級語言，C++的型別會復雜許多，往往一個型別匹配錯誤就會導致程式報錯，本篇主要講解一些常用型別的概念以及細節，如果對于C++有一定基礎的，可以跳轉到思考部分，從中了解自己的掌握程度；

初始化與賦值

定義：初始化與賦值陳述句是程式中最基本的陳述句，功能是將某個值與一個物件關聯起來；

• 值：字面量、物件（變數或常量）所表示的值等
• 識別符號（物件）：變數、常量、參考

初始化的基本操作：

1、在記憶體中開辟空間、保存相應的數值；

2、在編譯器中構造符號表、將識別符號與相關記憶體空間關聯起來；

型別概述

下面通過幾點概要說明：

1、型別是編譯期概念，可執行程式中不存在型別的概念；

2、C++是強型別語言；

• 強型別語言定義：一旦一個變數被定義型別，如果不經過強制轉換，那么它永遠就是該資料型別；

• 弱型別語言定義：某一變數被定義型別，該變數可根據環境變化自動進行轉換，不需要強轉；

3、引入型別是為了更好描述程式，防止誤用；

4、型別描述的資訊：

• 存盤所需要的大小（sizeof，標準沒有嚴格限制，根據硬體不同位元組數也不同）
• 取值空間（可用std::numeric_limits來判斷，超過范圍可能產生溢位）

#include<iostream>
#include<limits> 

int main() {
    int x = 10;

    std::cout << std::numeric_limits<int>::min() << std::endl;				//-2147483648
    std::cout << std::numeric_limits<int>::max() << std::endl;				//2147483647

    std::cout << std::numeric_limits<unsigned int>::min() << std::endl;		//0
    std::cout << std::numeric_limits<unsigned int>::max() << std::endl;		//4294967295
}

由上面程式運行結果可知，無符號int型別占4個位元組，也就是32個位元位，所以最大范圍為2³²，在不同的硬體下可能不同；

• 對齊資訊（一般存放在記憶體中按型別的對齊資訊的整數倍存盤，比如int的對齊資訊為4個位元組，那存盤的空間首地址為4的倍數，在結構體中，因為存在對齊資訊，char也會按4個位元組保存）
• 型別可執行的操作

型別分類

型別可以劃分為基本型別和復雜型別；

基本（內建）型別：C++語言中支持的型別，包含以下幾種：

1、數值型別

• 字符型別：char、wchar_t、char16_t、char32_t，通常為1個位元組，表示256個值，也就是ASCII編碼的字符；
• 整數型別：帶符號整數型別（short、int、long、long long），無符號整數型別（unsigned+帶符號整數型別）
• 浮點型別：float、double、long double

注意：在C++11中引入了固定尺寸的整數型別，如int32_t等，之前在針對開發板的程式中有見過該型別，主要是便于硬體的可移植性：

2、void型別

復雜型別：由基本型別組合、變種所產生的型別，可能是標準庫引入，或自定義型別；

字面值及其型別

字面值：在程式中直接表示為一個具體數值或字串的值；

每個字面值都有其型別，例子如下：

• 整數字面值（int）：20（十進制）、024（八進制）、0x14（十六進制）
• 浮點數（double）：1.3、1e8
• 字符字面值（char）：‘c’、’\n’
• 字串字面值（char[4]）：“cpp”，注意這里字串后會默認加/0，所以是四個字符長度
• 布爾字面值（bool）：True、False

像如果想要定義float型別的數，可以加入后綴如1.3f；

C++提供了用戶創建自定義后綴的函式：

#include<iostream>

// 后綴可自行定義，我這里用_bang
int operator "" _bang(long double x)
{
    return (int)x * 2;
}

int main() {
    int x = 7.14_bang;
    std::cout << x << std::endl;
}

上面代碼將7.14的浮點型別轉換成整型并增大一倍，可自行定義后綴試一下；

變數及其型別

變數：對應一段存盤空間，可以改變其中內容；

宣告與定義的區別：不能重定義已經初始化的變數，需要加入extern用來宣告；

初始化：全域變數會默認初始化為0，區域變數會預設初始化（亂數值）；

復合型別

1、指標：一種間接型別；

如上圖為一個指標p指向一段記憶體，p保存的為val的地址，我們通過列印尺寸可知，指標p為8個位元組；

特點：

• 可以"指向"不同的物件；
• 具有相同的尺寸；
• 指標與bool的隱式轉換：非空指標可以轉換為true、空指標可以轉換為false；

注意兩個符號：*（解參考符）、&（取地址符）；

解參考符在不同環境下含義不同，看如下代碼：

int x = 10;
int* p = &x;		// 表示p為一個int指標型別
*p;				   // 表示解參考，獲取指標指向地址的值

關于nullptr：

• 一個特殊的物件（型別為nullptr_t），表示空指標；
• 類似于C中的NULL，但更加安全；

void 指標*：沒有記錄物件的尺寸，可以表示任意型別指標，一般作為形參或回傳值；

指標對比物件：指標復制成本低，參考成本高；

總結：指標在程式中的作用，最重要的就是作為引數傳入，由于資料型別可能很大，傳入指標大小固定為8個位元組，并且指標值為地址可復制，復制成本低，并且可在函式中改變變數的值；

2、參考：

取地址符&也有兩個含義：

int x = 10;
&x;						// 取地址符
int& ret = x;			 // 定義ret為一個參考型別

特點：

• 是物件的別名，不能系結字面值（指標也不能指向字面值）；
• 構造時系結物件，在其生命周期內不能系結其他物件（賦值操作會改變物件內容）；
• 不存在空參考，但可能存在非法參考，總體比指標安全；
• 屬于編譯期概念，在底層還是通過指標實作；

常量型別

• 使用關鍵字const宣告常量物件；
• 是編譯期概念，由編譯器保證，作用為防止非法操作、優化程式邏輯；

常量指標（頂層常量）：

int* const p = &x;

常量指標表示指標為常量，指標不能更改指向；

底層常量：

const int* p = &x;

底層常量表示指標指向的地址的內容不能發生改變，指標指向可改變；

常量參考：

• 用const int&定義一個常量參考；
• 主要用于函式形參（對于較復雜的資料型別）；
• 可以系結字面值；

常量運算式：

constexpr int x = 1;		// x的型別仍為const int

• 宣告的是編譯期的常量，編譯器可以對其進行優化；

型別別名

型別別名：引入特殊的含義或便于使用，例如size_t；

• 引入型別別名的兩種方式：

  1、typedef int Mytype；

  2、using Mytype = int；（C++11后）

  第二種方式更好；

• 應將指標型別別名視為一個整體，引入常量const表示指標為常量的型別；

• 不能通過型別別名構造參考的參考；

型別自動推導

定義：通過初始化運算式定義物件型別，編譯器會自動推導得到；（C++11開始）

• 推導得到的型別還是強型別，并不是弱型別；

• 自動推導的幾種形式：

  1、auto：最常用的形式，會產生型別退化（由于左值右值的型別區別）；

  2、const auto、constexpr auto：推匯出的是常量、常量運算式型別；

  3、auto&：推匯出參考型別，避免型別退化；

  4、decltype(exp)：回傳exp運算式的型別（左值加參考）；

  5、decltype(val)：回傳val的型別；

  6、decltype(auto)：簡化decltype的使用，C++14開始支持；

  補充：型別退化表示一個變數作為左值和右值時型別不同，例如陣列作為右值為指標；

域與物件宣告周期

域（scope）：表示程式中的一部分，其中的名稱有唯一含義，有全域域、塊域等；

• 域可以嵌套，嵌套域中定義的名稱可以隱藏外部域中定義的名稱；
• 物件的生命周期起始于被初始的時刻，終止于被銷毀的時刻；
• 全域物件的生命周期是整個程式運行期間，區域物件終止在所在域執行完成；

思考

1、思考下下面關于指標的兩行代碼的含義：

int x = 1;
int* p = &x;
int y = 0;
*p = y;				// 第一行
p = &y;				// 第二行

這兩行表明了指標的一個特定，可改變性，每一行的含義如下：

第一行：將指標p指向的記憶體地址的值改變為y；

第二行：不改變x的值，而是將指標p的指向改成y；

2、經過指標的思考后，我們看看關于參考的思考：

int x = 1;
int& f = x;
int y = 0;
f = y;				// 思考一下這一行的作用，是改變了參考f的系結嗎？ 

上面這行代碼并不改變f的系結，而是改變了f的值，同時參考物件x的值也發生改變；

3、經過了指標和參考的思考，下面思考下兩者在底層有什么關聯：

int x;
int* p = &x; *p = 1;
int& f = x; f = 1;

分析下上面兩行代碼，他們底層實作會相同嗎？

這是兩者的匯編代碼實作，可以發現是完全相同的，參考底層也是通過指標實作的；

4、思考以下代碼中&x是什么資料型別？

int x = 1;
const int* p = &x;

如果我們只考慮&x的話，這是一個int*的型別，但由于第二行代碼執行拷貝構造，隱式地將&x轉換為左值所需要的 const int *型別；

5、思考下面函式傳參的區別？

void fun(int x){}
void fun(const int& x){}

從本質上來說，上面兩種傳參實作的作用是一致的，第一個進行拷貝構造傳遞，所以在函式內部無法改變外部x變數的值，而下面的傳參傳入參考可以在函式內部改變外部x的值，加入const強制成變數；第二種其實是畫蛇添足地做法，但常量參考對于復雜的資料型別來說，是能夠節省很多空間的，比如自定義的結構體；

6、下面常量表示底層常量還是頂層常量？

using mytype = int*;
int x = 1;
const mytype p = &x;

這里我們容易誤導，還會認為這是一個底層常量，但由于別名的定義，這里其實是一個頂層常量，我們可以將mytype看作一個整體，那么指標的指向不可發生改變；

7、下面auto&自動推匯出的y是什么型別？

const int x = 1;
auto& y = x;

相信大部分人會認為x會型別退化，從而y為int&型別，實際上這里型別不會退化，所以y為const int&型別；

8、下面來看看decltype自動推導的型別是什么？

int x = 1;
decltype(x);		// 1 
decltype((x));		// 2

decltype在傳入引數為左值時加入參考，那么第一行為一個變數，所以為int型別，第二行為運算式，所以加入參考為int&型別；

總結

? 本篇講解的型別知識點很雜，并且涵蓋很多小的知識點，很多細節部分在實際工程中不一定會接觸到，當然在工程中也會遇到很多自己不理解的型別轉換，需要多通過debug模式來查看型別；

? 本篇知識點較多，可以選擇自己想了解的部分進行查看，后續會繼續推出更深層次的內容；