必会知识 | C++变量

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1. 类型

C++中的变量类型非常丰富，主要分为以下几大类：

基本数据类型：
- 整数类型：int、short、long、long long（及其无符号版本，如unsigned int、unsigned long等）。这些类型用于存储整数值，大小根据编译器和平台而异，但通常有固定的最小值。
- 浮点类型：float、double、long double。这些类型用于存储带有小数部分的数值，大小和精度依次递增。
- 字符类型：char、wchar_t、char16_t、char32_t。这些类型用于存储单个字符，char通常为1字节，wchar_t、char16_t、char32_t分别用于存储宽字符，大小可能因平台而异。
- 布尔类型：bool。这是一个逻辑类型，只能存储true或false两个值。
复合数据类型：
- 数组（Array）：存储相同类型元素的连续内存区域。
- 结构体（Struct）：将不同类型的数据聚集到一个对象中。
- 联合体（Union）：使用相同的内存位置存储不同类型的数据，但一次只能使用其中一个成员。
- 类（Class）：封装数据和函数的用户定义类型。
- 枚举（Enum）：定义具有离散取值集合的新类型。
指针和引用：
- 指针（Pointer）：存储内存地址的变量，用于间接访问和修改数据。
- 引用（Reference）：为变量起别名，必须在声明时初始化，且一旦被绑定到一个变量上，就不能再绑定到另一个变量上。

2. 大小

变量的大小取决于其类型，且可能因编译器和平台而异。在大多数现代编译器和平台上，常见类型的大小如下：

char：通常1字节。
short：通常2字节。
int：至少与short一样大，通常是4字节。
long：至少与int一样大，可能是4字节或8字节。
long long：至少与long一样大，通常是8字节。
float：通常是4字节。
double：通常是8字节。
long double：大小可能因平台而异，但至少与double一样大。
bool：虽然C++标准未规定其大小，但通常是1字节。

3. signed 与 unsigned

signed：表示有符号类型，可以存储正数、负数和零。默认的整型（如int）都是有符号的。
unsigned：表示无符号类型，只能存储非负数（包括零）。无符号类型以unsigned关键字开头，如unsigned int、unsigned char等。

4. 类型转换

4.1 隐式转换与显式转换

隐式转换：编译器自动进行的类型转换，通常发生在不同类型之间的赋值、函数调用参数传递或算术运算中。
显式转换（强制类型转换）：程序员通过类型转换运算符（如(type)expression、static_cast<type>(expression)、dynamic_cast<type>(expression)、const_cast<type>(expression)、reinterpret_cast<type>(expression)）明确指示的类型转换。

4.2 算术转换

在进行算术运算时，编译器会根据一套规则（称为算术转换）自动提升操作数的类型。这通常涉及将较小的整数类型提升为较大的整数类型，或者将有符号类型转换为无符号类型（如果无符号类型足够大以包含转换后的值）。

5. 初始化与赋值

初始化：在创建变量时赋予其初始值。初始化可以发生在声明时（如int a = 5;），也可以在构造函数中（对于类类型的对象）。
赋值：在变量创建后给其赋予新值。赋值使用赋值运算符=，如a = 10;。赋值与初始化不同，初始化是在变量生命周期开始时赋予初始值，而赋值是在变量生命周期内改变其值。

6. 声明与定义

声明：向编译器介绍一个名字，但不分配内存空间。它告诉编译器名字的类型和可能的属性，但直到定义时才会分配内存。变量可以在多个地方声明，但只能在一个文件中定义一次（除非使用了extern关键字）。
定义：为变量分配内存空间，并可能初始化它。定义包含了变量的所有细节，包括其类型、名称和（可选的）初始值。一个变量只能被定义一次，但可以被多次声明。

7. 作用域

作用域定义了程序中名字（如变量名、函数名等）的可见性和生命周期。C++中有几种作用域：

全局作用域：在所有函数之外声明的名字，它们在程序的整个执行期间都是可见的。
局部作用域：在函数内部、代码块（如{}内的代码）中声明的名字，它们仅在该代码块内可见。
类作用域：在类内部声明的名字，它们对类及其成员函数是可见的。
命名空间作用域：在命名空间内声明的名字，它们通过命名空间来访问。

8. 复合类型

复合类型是由基本类型（如int、float等）组合而成的更复杂的数据类型。

8.1 引用

引用是某个已存在对象的别名。在声明引用时，必须初始化它，且一旦与某个对象绑定后，就不能再改变为引用另一个对象。
语法：类型& 引用名 = 对象名;
引用常用于函数参数和返回值，以避免不必要的拷贝，提高效率。

8.2 指针

指针是存储变量地址的变量。通过指针，我们可以直接访问和操作内存中的数据。
语法：类型* 指针名;
指针可以指向变量的地址、数组的元素、函数的地址等。
解引用指针（*指针名）可以得到指针所指向的值。

8.3 复合类型的声明

复合类型的声明可能涉及引用和指针的复杂组合，例如指向指针的指针、指向引用的指针（实际上不可能，因为引用不是对象，没有地址）等。

9. const

const关键字用于修饰变量，表示该变量的值在初始化后不能被修改。
修饰指针时，可以指定指针本身不能被修改（指向常量的指针），或者指针指向的值不能被修改（常量指针），或者两者都不可修改（指向常量的常量指针）。
修饰函数参数时，可以保护传入参数不被函数内部修改。
修饰成员函数时，表示该函数不会修改任何成员变量的值（const成员函数）。

10. constexpr 与常量表达式

constexpr是C++11引入的，用于声明编译时常量表达式。被constexpr修饰的变量或函数必须在编译时就能确定其值。
常量表达式是指值在编译时就已知的表达式。使用constexpr声明的变量或函数的结果必须是常量表达式。
constexpr可以用于变量声明、函数声明（返回类型为字面量类型）以及类成员函数中，但有一定的限制条件。
constexpr提高了程序的可读性和可维护性，同时可能允许编译器进行更多的优化。

11. 类型别名

类型别名是给一个类型起一个新的名字。在C++中，可以通过typedef或using关键字来定义类型别名。类型别名使得代码更加清晰易懂，尤其是在处理复杂类型或模板时。

typedef示例：

typedef int Integer; // Integer是int的别名
Integer i = 10; // 等同于int i = 10;

using示例（C++11及以后）：

using Integer = int; // Integer是int的别名
Integer j = 20; // 等同于int j = 20;

12. auto

auto关键字用于自动类型推导。在C++11及以后的版本中，auto使得编译器能够自动推断变量的类型，这在编写模板代码或处理复杂表达式时特别有用。使用auto可以使代码更加简洁，但需要注意不要过度使用，以免降低代码的可读性。

示例：

auto x = 10; // x的类型是int
auto y = 20.5; // y的类型是double
auto z = 'a'; // z的类型是char

// 复杂类型推导
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = v.begin(); // it的类型是std::vector<int>::iterator

13. decltype

decltype关键字用于查询表达式的类型，但不实际计算表达式的值。它主要用于模板编程和泛型编程中，当需要知道某个表达式的类型但又不想执行该表达式时。decltype使得程序员能够编写更加灵活和强大的代码。

示例：

int x = 0, &r = x;
decltype(r + 0) b; // b的类型是int
decltype((r)) a = x; // 注意双括号，a的类型是int&

// 函数返回类型推导
auto add(int x, int y) -> decltype(x + y) {
    return x + y;
}

// C++14及以后，可以使用auto直接推导函数返回类型
auto add(int x, int y) {
    return x + y;
}

// decltype用于模板编程
template<typename T, typename U>
auto add(T x, U y) -> decltype(x + y) {
    return x + y;
}

在上面的decltype示例中，第一个decltype示例展示了如何根据表达式的类型来推导变量b的类型。第二个示例展示了如何使用decltype和引用折叠规则来推导变量a的类型为int&。在函数返回类型推导的示例中，decltype用于根据函数体内表达式的类型来推导函数的返回类型，这在模板编程中尤其有用。