解析 C++ Hello World

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Hello world

Hello world 几乎是每个人学习一门语言时写的第一个程序。

C++ 的 Hello world 是这样的：

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#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    cout << "Hello world!" << endl;
    return 0;
}

这段代码虽然只有5行(不算上最后一个大括号的话)，但却隐藏着许多C++知识。接下来，让我们一行行的解析这段代码。

第一行

第一行的意思是包含<iostream>这个头文件。 它本身是一段预处理指令。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》（C++11标准文档 ）的 16.2 Source file inclusion [cpp.include]。

<...>是指在系统头文件路径中查找。可用以下命令显示系统头文件路径。

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g++ -E -x c++ - -v < /dev/null
clang++ -E -x c++ - -v < /dev/null

第二行

第二行是引入std命名空间。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》（C++11标准文档 ）的7.3.4 Using directive [namespace.udir]。

在实际工程中，直接using namespace std;应被禁止，因为std命名空间这会污染当前命名空间。

第三行

第三行定义了main函数，main函数是程序的入口。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》的3.6.1 Main function [basic.start.main]。

标准规定，main函数不可预定义，不可重载，允许的函数原型至少包括：

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int main();
int main(int argc, char* argv[]);

第四行

这一行是包含知识点最多的一行。

C++ I/O模型

cout 在<iostream>中只有声明：

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extern ostream cout;

其类型为ostream，ostream是一个alias： typedef basic_ostream<char> ostream。

basic_ostream的继承结构如下：

运算符重载

cout <<是C++的运算符重载语法。

第四行用到了<ostream>中定义的两个<<运算符重载函数：

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template<class traits>
basic_ostream<char,traits>& operator<<(basic_ostream<char,traits>& out,
     const char* s);

basic_ostream<charT,traits>& basic_ostream<charT,traits>::operator<<
    (basic_ostream<charT,traits>&(*pf)(basic_ostream<charT,traits>&));

这两个函数位于std命名空间下。

这一行等价于：

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operator<<(operator<<(cout, "Hello world"), endl);

ADL(Argument-dependent name lookup)

如果我们去掉第二行using namespace std;，那么这一行就得写成：

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std::cout << "Hello world" << std::endl;

等价于：

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operator<<(operator<<(std::cout, "Hello world"), std::endl);

那么问题来了，我们知道这里用到的两个运算符重载函数位于std命名空间，我们没有引入std 命名空间，编译器是如何找到它们的呢？

答案是ADL (Argument-dependent name lookup)。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》的 3.4.2 Argument-dependent name lookup [basic.lookup.argdep]。

ADL, 又称Koenig查找。当一个函数调用中被调用函数名前面没有类、命名空间等作用域限制时，则称之为无限定域的函数调用。
当编译器对其进行无限定域的函数调用名字查找时，如果一般的名字查找失败，会在函数参数的命名空间中继续查找。

I/O manipulator

std::endl是一个 I/O manipulator。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》的 27.7.3.8 Standard basic_ostream manipulators [ostream.manip]

其函数原型为：

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template <class charT, class traits>
std::basic_ostream<charT, traits>& endl(std::basic_ostream<charT, traits>& os);

cout << endl 会调用 basic_ostream<charT, traits> 的运算符重载成员函数：

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typedef basic_ostream<charT, traits> ostream_type;
ostream_type& operator<<(ostream_type& (*pf)(ostream_type&))
{
    return pf(*this);
}

std::endl的定义是这样子的：

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template<typename _CharT, typename _Traits>
inline basic_ostream<_CharT, _Traits>& endl(basic_ostream<_CharT, _Traits>& __os)
{ return flush(__os.put(__os.widen('\n'))); }

经过两层函数调用，cout << endl 变成了 flush(cout.put(cout.widen('\n')))。

第五行

第五行的意思是将 0 这个值作为main函数的返回值返回。

相关标准描述位于《ISO IEC 14882》的3.6.1 Main function [basic.start.main]的第5条。

这条语句有两个作用：

  1. 结束main函数。
  2. 使用返回值调用std::exit。

根据标准，当这条语句位于main函数最末尾时可以省略。