C++ Primer笔记第二篇：C++基础——基本类型和变量

1、基本内置类型

算术类型
(1) 整数类型：short、int、long、char、bool
(2) 浮点数类型：float、double

空类型：void

1.1 内置类型的机器实现

对算术类型，C++标准只规定了各类型所占的最小尺寸，因此，在不同的机器上，同样的算术类型可能具有不同的尺寸。这一点和Java不同(Java规定了每种内置类型的具体尺寸，是平台无关的，这也是Java可移植性好的原因之一)。

1.2 选择类型的经验准则

和C语言一样，C++的设计准则之一也是尽可能地接近硬件，C++的算术类型必须满足各种硬件特质。一些选择类型的经验准则：

当明确知道数值不为负时，选择无符号类型

使用 int 执行整数运算：实际应用中，short 往往太小；long 往往和 int 尺寸一样大。int 不够用时，使用 long long

算术表达式中不要使用 char、bool：不同机器是编译器对 char 的处理可能不一样，有些是有符号的，有些是无符号的。如果必须使用 char，请明确指明其类型是 signed char 或者 unsigned char

浮点数计算使用 double：float通常精度不够，而且单双精度浮点数的计算代价相差无几。long double 一般用不到。

1.3 基本算术类型的转换

非布尔类型的算术值赋给布尔类型时，非0为true，0为false；布尔值赋给非布尔类型时，true转为1，false转为0

浮点数赋给整型时，只保留非小数部分；整型值转为浮点数时，小数部分记为0，如果该整数所占的空间超过浮点类型的容量，精度可能有损失。

赋给无符号类型一个超出其范围的值时，结果是初始值对无符号类型表示数值总数取模后的余数。例如，8bit 大小的 unsigned char 可以表示0~255范围的值，如果赋给一个超出范围的值，结果是该值对256取模后的余数。因此，-1赋给8bit 大小的 unsigned char 的结果是255。注意： 切勿混用有符号类型和无符号类型。因为，如果表达式中既有带符号类型又有无符号类型，带符号类型会自动转换成无符号数，当带符号类型为负值时会出现异常结果。

赋给有符号类型一个超出其范围的值时，结果是 未定义的(undefined) 。程序可能崩溃，也有可能产生垃圾数据。

1.4 字面值常量

    using namespace std;
    cout << "Hello World!" << endl;
    cout << 0.5 + 99 << endl;

上面代码片段中，"Hello World!" 和 0.5、99 就是所谓的字面值常量，指的是它们的值就是字面上呈现的样子，无法改变。

尽管我们没有为字面值常量明确指明其数据类型，但每个字面值常量都有对应的数据类型，否则计算机将不知道如何来存储这些字面值常量。

字面值常量的形式和值决定了它的数据类型：

十进制整型字面值的类型是在满足能容纳当前值的前提下，int、long、long long 中尺寸最小的那个

浮点型字面值默认是 double 类型。可以在字面值后添加后缀来表示其它浮点类型

单引号括起来的一个字符是 char 型字面值

双引号括起来的0个或多个字符是 字符串型字面值 。字符串字面值的类型本质上是由常量字符构成的字符数组。编译器在每个字符串的结尾处添加一个空字符('\0') [注意它和字符0('0')的区别]。因此，字符串字面值的实际长度要比它的内容多1。

true 和 false 是布尔类型字面值

nullptr是指针字面值

2、变量

2.1 基本概念

变量的本质是一个具名的、可供程序操作的 存储空间。为了标识和操作这块存储空间，给它起个名字，这个名字叫做 变量名。

int a;    // 定义
extern int b;   // 声明

因此，上述代码中的 a 是变量名，它标识了一块存储空间，这块存储空间才是变量。但一般不说这么绕，直接说变量a。

变量定义 是一个 申请存储空间，并 将变量名和申请的存储空间关联起来 的过程。C++中，使用的变量必须先定义，否则没有空间存储数据。
变量声明 不申请存储空间，仅仅是告诉后面的程序，有这么一个某种类型的变量名。
- 如果所有程序都在同一个源文件中，我们只需要变量定义就够了，此时变量定义同时也起到了声明的作用；变量声明主要的作用在于支持C++的分离式编译，实现代码共享(一处定义，多处使用)。比如在一个头文件中定义了变量b，我们在其它文件中使用这个变量b时，就需要先声明，告诉程序我们要用的变量b是已经定义好的。此时，在变量名之前添加关键字 extern 即可。
- 变量只能被定义一次，但可以被多次声明。
初始值是变量在定义时获得的一个特定值。此时我们说变量被 初始化 了。
- 初始化和赋值是两个不同的概念。尽管很多时候我们使用 = 来初始化一个变量。强调：初始化不是赋值。初始化是创建变量时赋予其一个初始值；赋值是把变量的当前值擦除，然后用一个新值来替代。
- C++中初始化有多种不同形式，不仅仅是=这一种。比如下面4条语句都能完成对变量的初始化：
```
int t1 = 0;        // =初始化
int t2 = {0};     // 列表初始化
int t3{0};         // 列表初始化
int t4(0);         // 列表初始化
```
- 默认初始化：如果定义变量时没有指定初始值，则变量会被 默认初始化，也就是被赋予一个默认值。内置类型在函数外(全局变量)被初始化为0；在函数内(局部变量)不被初始化，其值是未定义的。

3、复合类型

复合类型是在其它类型基础上定义的类型。

声明变量的语法： 基本数据类型声明符列表
声明符为变量起了个名字(变量名)，并指定该变量是和基本数据类型相关的某种类型。
因此，在基本内置类型的声明语句中，声明符就是变量名，此时变量的类型就是声明中的基本数据类型。而在复合类型的声明语句中，声明符更加复杂。下面介绍两种常用的复合类型，引用和指针。

3.1 引用(reference)类型

引用类型：引用另外一种类型。就像写论文时引用文献中的论据，一个引用类型的变量r（简称一个引用）引用另一个类型变量s中的内容，代表变量r的内容来源于另一个变量s。
本质上，引用就是为变量s起了一个别名。打个比方，就像一个人既有大名又有小名，但不论叫大名还是小名，最终指向的都是这个人。

强调：引用只是已有对象的别名。引用本身不创建对象。

引用必须初始化：
变量初始化时，初始值会被拷贝到新创建的对象中。而在声明引用时，由于引用并不创建对象，所以程序是把引用和它的初始值(即它引用的对象)绑定到一起，而不是拷贝初始值给引用。一旦初始化完成，引用将和它的初始值对象一直绑定在一起，无法重新绑定到另一个对象，因此引用必须初始化。
另：因为引用本身不是一个对象，所以不能定义引用的引用。

int ival = 1024;
int &refVal = ival;   //声明引用，并初始化。refVal引用ival
int &refVal2;         //报错 ‘refVal2’ declared as reference but not initialized：引用必须初始化

引用的定义：

为了和一般变量的定义区别开，引用的声明符在变量名之前加&前缀

引用只能绑定在对象上，不能绑定在字面值和表达式的计算结果上

int &refVal1 = 10;     //错误：引用类型必须绑定在对象上
double val = 3.14;
int &refVal2 = val;    //错误：引用类型和绑定的对象的类型不匹配

3.2 指针(pointer)类型

与引用类似，指针也能实现对其他对象的间接访问。指针和引用的不同点在于：1.指针本身就是一个对象，因此可以对指针赋值和拷贝，从而指针可以先后指向不同的对象（非常量指针）。2.指针无须再定义时赋初值，在块作用域内如果指针未被初始化，也将拥有一个不确定的值。

指针的定义：

double *dp, dp2;

其中，声明符dp是一个整体*：dp是变量名，*说明这是一个指针，*只对dp生效；dp2是一个普通的double型变量。

在定义变量时，*表示定义一个指针变量；而在访问指针指向的对象时，*表示解引用符。

空指针：
空指针(null pointer)不指向任何对象。生成空指针的方法：

// 下面3种方法本质上是等价的，都是给指针赋予一个初始值0
int *p1 = nullptr;      //使用字面值nullptr进行初始化
int *p2 = 0;            //将p2初始化为字面常量0
int *p3 = NULL;         //需要#include cstdlib

// 不能直接使用int变量给指针赋值，即使这个int变量的值为0
int zero = 0;
int *p4 = zero;         //报错：invalid conversion from ‘int’ to ‘int*’

void* 指针：
void*是一种特殊的指针类型，可存放任意对象的地址。
void*指针主要用于指针比较、函数的输入输出等。不能直接操作void*指针所指的对象，因为不知道这个对象的具体类型，从而也就无法确定能在这个对象上进行哪些操作。

3.3 理解复合类型的声明

变量定义：
基本数据类型声明符列表

在同一条定义语句中，基本数据类型只有一个，但声明符的形式却可以不同，从而一条定义语句可以定义出不同类型的变量。

// 一条定义语句中，定义了int型变量a，int型指针b，int型引用c
int a = 1024, *b = &a, &c = a;

指向指针的指针：

int ival = 1024;
int *pi = &ival;    //pi指向一个int型数据
int **ppi = &pi;    //ppi指向一个int型的指针

指向指针的引用：
指针本身是一个对象，因此可以定义对指针的引用。

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    int i = 42;
    int *p;
    //int &r = p;    //r是一个指向int型变量的引用，无法和指针绑定
    int *&r = p;     //r是一个对指针的引用

    cout << "r=" << r << ", p=" << p << endl;
    cout << "*r=" << *r << ", *p=" << *p << ", i=" << i << endl;
    cout << "---------------------------------\n"<< endl;

    r = &i;
    cout << "r=" << r << ", p=" << p << endl;
    cout << "*r=" << *r << ", *p=" << *p << ", i=" << i << endl;
    cout << "---------------------------------\n"<< endl;

    *r = 0;
    cout << "r=" << r << ", p=" << p << endl;
    cout << "*r=" << *r << ", *p=" << *p << ", i=" << i << endl;

    return 0;
}

结果是：

r=0x400c61, p=0x400c61
*r=1961723208, *p=1961723208, i=42
---------------------------------

r=0x7fff8bbdec74, p=0x7fff8bbdec74
*r=42, *p=42, i=42
---------------------------------

r=0x7fff8bbdec74, p=0x7fff8bbdec74
*r=0, *p=0, i=0

示例代码中的 r 是对指针 p 的引用，我们应该从右往左阅读 r 的定义：离变量名最近的符号对变量的类型有最直接的影响，因此&告诉我们 r 是一个引用。声明符的其余部分用以确定 r 引用的类型是什么，例子中的*说明 r 引用的是一个指针。最后，基本数据类型部分指出 r 引用的是一个int型指针。

指向引用的指针：

引用本身不是一个对象，因此不能定义指向引用的指针。

4、const限定符

const准确的含义是只读，即使用相同的值给一个const变量重新赋值也不行。const对象一旦创建后其值就无法改变，所以 const对象必须初始化。

const int i = 42;
const int j = i;
j = i;      //即使用相同的值重新赋值也会报错：assignment of read-only variable ‘j’

const int k;    //const变量没有初始化，报错：uninitialized const ‘k’

编译器在编译过程中，会把使用到const变量的地方都替换成const变量相应的值。const变量默认只在文件内生效，如果需要在多个文件之间共享const变量，必须在const变量定义之前添加extern关键字，其它文件内使用该变量时，在声明之前也添加extern关键字，用于表明该变量的定义在别的文件中。

4.1 const和引用

把引用绑定在 const 对象上，称之为对常量的引用(reference to const)。和普通引用不同，对常量的引用不能用于修改其绑定的对象。

    const int ci = 1024;
    const int &r1 = ci;
    r1 = 42;   //error: assignment of read-only reference ‘r1’
    int &r2 = ci; //error: binding ‘const int’ to reference of type ‘int&’ discards qualifiers

const 对象不能被赋值，所以也就不能通过引用去改变ci。用ci初始化r2报错的原因是，假如该初始化合法，那么可以通过r2来改变它引用对象的值，这显然是错误的。

对常量的引用(reference to const)在工作中也常简称为"常量引用"。严格地说，由于引用本身不是一个对象，我们无法让引用本身恒定不变，所以并不存在常量引用；C++中无法改变引用所绑定的对象，从这一层意义上看的话所有的引用又都算常量。无论引用的对象是不是常量，都不会影响引用和对象的绑定关系本身。

通常，引用的类型必须和其所引用对象的类型一致。但有两个例外：
其一：常量引用初始化时，允许任何可转化成引用的类型的表达式作为初始值。

    int i = 42;
    // 允许为常量引用绑定非常量对象、字面值、表达式 
    const int &r1 = i;    //绑定非常量对象
    const int &r2 = 42;   //绑定字面值
    const int &r3 = r1 * 2;  //绑定表达式
    
    int &r4 = r1 * 2;  //错误：r4是普通的非常量引用
    const int &r5 = 3.14;   //正确，double类型可转化为 const int 类型

4.2 const和指针

指向常量的指针(pointer to const)：不能用于改变所指对象的值。要想保存常量对象的地址，只能使用指向常量的指针。但指向常量的对象可以指向一个非常量的对象。

    const double pi = 3.14;   //pi是常量，值不能改变
    double *ptr = &pi;   //ptr是个普通指针，报错：invalid conversion from ‘const double*’ to ‘double*’
    const double *cptr = &pi;  //正确
    *cptr = 3.1415926;   //cptr指向常量，报错：assignment of read-only location ‘* cptr’
    double dval = 10.24;
    cptr = &dval;  //正确，指向常量的指针可以指向一个非常量对象

const 指针：和引用不同，指针本身是对象，所以指针本身可以是常量，即常量指针(const pointer)。和一般 const 对象一样，常量指针也必须初始化，而且一旦初始化，值就不能再改变。

把*放在const关键字之前，用以说明指针是一个常量，指明不变的是指针本身的值而非指向的那个值。

    int errNumb = 0;
    int *const curErr = &errNumb;  //curErr将一直指向errNumb
    const double pi = 3.14;
    const double *const pip = &pi; //pip是一个指向常量对象的常量指针

如之前变量声明所述，声明的含义应该从右往左读：*const curErr是一个整体，可以理解为一个声明符。离变量名curErr最近的是符号是const，代表curErr本身是一个常量对象；其次是符号*，说明curErr是一个指针，合起来指明curErr是一个常量指针。最后，基本数据类型部分确定了curErr指向一个 int 对象。
按这样的套路来分析pip：声明符整体说明pip是一个常量指针；基本数据类型部分确定了pip指向一个 double 类型的常量。最终，我们确定，pip是一个指向常量的常量指针。

4.3 顶层/底层 const

顶层const：对象本身是常量，如const pointer

底层const：指针、引用所指的对象是一个常量

指针本身是一个对象，指针既可以是顶层 const 也可以是底层 const；引用本身不是对象，因此引用只能是底层 const。

为什么要区分顶层/底层 const ？
在执行对象的拷贝操作时，顶层 const 不受什么影响(特指拷贝的对象是顶层 const，拷入的对象当然不能是顶层 const)。
另一方面，当拷贝对象时，拷入和拷出的对象必须具有相同的底层 const
资格，或两个对象的数据类型可以转换。通常，非 const 可以转换成 const，反之则不可。

    int i = 0;
    const int *const p = &i;  // 正确，非const可以转换成const
    int *p1 = p;     // 报错：p包含底层const的定义，而p1没有
    const int *p2 = p;   //正确，p和p2都是底层const，p的顶层const 部分不影响
    const int ci = 42;    //顶层const
    int &r = ci;          //非const不能绑定到const上
    const int &r2 = i;    //正确，非const可以转换成const

4.4 constexpr 和常量表达式

常量表达式(const expression)：值不会改变并且在编译过程中就能得到计算结果的表达式。

字面值是常量表达式，用常量表达式初始化的 const 对象也是常量表达式。

5、处理类型

5.1 类型别名

两种方式：
(1). C风格方式
typedef 旧类型名新类型声明符([修饰符]类型名);
如：

typedef double wages;   // wages 是 double 的同义词
typedef wages base, *p; // base 是 double 的同义词，p是 double * 的同义词

(2). 新标准方式
using 新类型 = 旧类型;

注意：
复合类型的别名的理解方式，如下代码：

typedef char *pstring;
const pstring cstr = 0;
const pstring *ps;

typedef将 pstring指定为指向 char 的指针类型的别名。因此，在后面使用过程中，pstring就应该始终被理解为指针类型。把类型别名机械地进行文本替换，这种理解方式是错误的！
类比const int a;，声明了int型的常量a，意味着a是int类型，它本身是不变的；同理，const pstring cstr;意味着cstr是pstring类型(指向char的指针)，且本身是不变的，也就是说，这条语句指明cstr是一个指向char的常量指针。
类似地，ps是一个指向常量的指针，ps指向一个char型常量指针。

    typedef int *pstring;  //pstring是指针类型的别名
    const pstring *ps;    //ps是指向常量指针的指针

    int i = 42;
    int *p = &i;
    ps = &p;             //非const可以转换成const
    cout << "p=" << p << endl;           //p=0x7fff6fd55944
    cout << "*ps=" << *ps << endl;     //*ps=0x7fff6fd55944

    int j = 55;
    int *const q = &j;
    ps = &q;          //ps可以指向另一个对象，说明ps本身不是const的
    cout << "q=" << q << endl;         //q=0x7fff6fd55934
    cout << "*ps=" << *ps << endl;   //*ps=0x7fff6fd55934

    *ps = &i;   //报错：assignment of read-only location ‘* ps’

5.2 auto 类型说明符

C++新标准引入了auto类型说明符，可以让编译器通过初始值来推算变量的类型。因此，auto定义的变量必须有初始值。
auto会忽略顶层const (引用例外)，保留底层const

auto i = 0, *p = &i;     //推算出i是整数，p是整型指针
auto sz = 0, pi = 3.14;   //错误，sz和pi类型不一致
const int ci = i, &cr = ci;
auto b = ci;     //b是整数，ci的顶层const被忽略
auto c = cr;     //c是整数，cr是ci的别名，ci的顶层const被忽略
auto d = &i;    //d是整型指针
auto e = &ci;   //e是指向整型常量的指针，对e而言，ci是底层const