【C++初学】C++核心编程（一）：内存管理和引用

前言

在C++的世界里，面向对象编程（OOP）是核心中的核心。它不但是一种编程范式，更是一种思考问题的方式。本文将带你从C++的内存分区模子出发，深入探讨引用、函数、类和对象、继承、多态以及文件操作等核心概念。通过丰富的代码示例和详细的讲解，帮助你快速掌握C++面向对象编程的精髓。
1. C++内存分区模子

C++步调在运行时，内存被划分为四个重要地区：代码区、全局区、栈区和堆区。每个地区都有其独特的用途和生命周期。
1.1 步调运行前：代码区与全局区

代码区：存放函数体的二进制代码，由操作体系管理。代码区是共享且只读的，防止步调不测修改指令。
全局区：存放全局变量、静态变量和常量。全局区的数据在步调结束后由操作体系开释。
示例代码：

1. // 全局变量
2. int g_a = 10;
3. int g_b = 10;
4. // 全局常量
5. const int c_g_a = 10;
6. const int c_g_b = 10;
8. int main() {
9.     // 局部变量
10.     int a = 10;
11.     int b = 10;
12.     // 打印地址
13.     cout << "局部变量a地址为： " << (int)&a << endl;
14.     cout << "局部变量b地址为： " << (int)&b << endl;
15.     cout << "全局变量g_a地址为： " << (int)&g_a << endl;
16.     cout << "全局变量g_b地址为： " << (int)&g_b << endl;
17.     // 静态变量
18.     static int s_a = 10;
19.     static int s_b = 10;
20.     cout << "静态变量s_a地址为： " << (int)&s_a << endl;
21.     cout << "静态变量s_b地址为： " << (int)&s_b << endl;
22.     cout << "字符串常量地址为： " << (int)&"hello world" << endl;
23.     cout << "字符串常量地址为： " << (int)&"hello world1" << endl;
24.     cout << "全局常量c_g_a地址为： " << (int)&c_g_a << endl;
25.     cout << "全局常量c_g_b地址为： " << (int)&c_g_b << endl;
26.     system("pause");
27.     return 0;
28. }

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1.2 步调运行后：栈区与堆区

栈区：由编译器自动分配和开释，存放函数的参数值和局部变量。注意，不要返回局部变量的地址。
堆区：由步调员手动分配和开释，若不开释，步调结束时由操作体系回收。
示例代码：

1. int *func() {
2.     int a = 10;
3.     return &a; // 错误：返回局部变量的地址
4. }
6. int main() {
7.     int *p = func();
8.     cout << *p << endl; // 未定义行为
9.     cout << *p << endl;
10.     system("pause");
11.     return 0;
12. }

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堆区示例：

1. int* func() {
2.     int* a = new int(10);
3.     return a;
4. }
6. int main() {
7.     int *p = func();
8.     cout << *p << endl;
9.     delete p; // 释放堆区数据
10.     system("pause");
11.     return 0;
12. }

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1. int main()
2. {
3.         int* arr = new int[10];
4.         int i = 0;
5.         for (i = 0; i < 10; i++)
6.         {
7.                 arr[i] = i + 100;
9.         }
10.         for (i = 0; i < 10; i++)
11.         {
12.                 cout << arr[i] << endl;
13.         }
14.         delete[] arr;
15.         system("pause");
16.         return 0;
17. }

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2. 引用

引用是C++中一个非常紧张的概念，它可以为变量起一个别名，简化代码并进步服从。
2.1 引用的基本利用

引用的语法是：数据范例 &别名 = 原名。
示例代码：

1. int main() {
2.     int a = 10;
3.     int &b = a; // 引用b是a的别名
4.     cout << "a = " << a << endl;
5.     cout << "b = " << b << endl;
6.     b = 100; // 修改b，a也会改变
7.     cout << "a = " << a << endl;
8.     cout << "b = " << b << endl;
9.     system("pause");
10.     return 0;
11. }

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2.2 引用注意事项

引用必须初始化。
引用初始化后不能改变。
示例代码：

1. int main() {
2.     int a = 10;
3.     int b = 20;
4.     // int &c; // 错误：引用必须初始化
5.     int &c = a; // 初始化后不能更改
6.     c = b; // 赋值操作，不是更改引用
7.     cout << "a = " << a << endl;
8.     cout << "b = " << b << endl;
9.     cout << "c = " << c << endl;
10.     system("pause");
11.     return 0;
12. }

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2.3 引用做函数参数

引用可以作为函数参数，让形参直接修改实参的值，避免指针的复杂性。
示例代码：

1. void mySwap03(int& a, int& b) {
2.     int temp = a;
3.     a = b;
4.     b = temp;
5. }
7. int main() {
8.     int a = 10;
9.     int b = 20;
10.     mySwap03(a, b);
11.     cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
12.     system("pause");
13.     return 0;
14. }

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2.4 引用做函数返回值

引用可以作为函数的返回值，但要注意不要返回局部变量的引用。
示例代码：

1. int& test02() {
2.     static int a = 20; // 静态变量
3.     return a;
4. }
6. int main() {
7.     int& ref2 = test02();
8.     cout << "ref2 = " << ref2 << endl;
9.     test02() = 1000; // 可以通过引用修改静态变量
10.     cout << "ref2 = " << ref2 << endl;
11.     system("pause");
12.     return 0;
13. }

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2.5 引用的本质

引用在C++内部实现是一个指针常量。编译器会自动处置惩罚所有的指针操作。
示例代码：

1. void func(int& ref) {
2.     ref = 100; // 内部转换为 *ref = 100
3. }
5. int main() {
6.     int a = 10;
7.     int& ref = a; // 自动转换为 int* const ref = &a
8.     ref = 20; // 内部转换为 *ref = 20
9.     cout << "a:" << a << endl;
10.     cout << "ref:" << ref << endl;
11.     func(a);
12.     system("pause");
13.     return 0;
14. }

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2.6 常量引用

常量引用可以防止误操作修改实参。
示例代码：

1. void showValue(const int& v) {
2.     cout << v << endl;
3. }
5. int main() {
6.     const int& ref = 10; // 编译器优化：int temp = 10; const int& ref = temp;
7.     cout << ref << endl;
8.     system("pause");
9.     return 0;
10. }

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