C++ Primer 學習筆記（二）：作用域、指針、內存模型與 STL 算法

八、作用域與生命週期

名字空間作用域

不包含在函數聲明、定義或類定義內的程式文本屬於名字空間作用域（全域作用域）。程式設計師可透過 namespace 定義用戶自訂名字空間，它們嵌套在全域作用域中。

名字查找規則

局部作用域的名字解析遵循「由內而外」原則：先在使用該名字的作用域查找，找不到則往外層作用域繼續，直到全域作用域；若仍未找到則報錯。

單一定義規則 (ODR)

全域對象與函數在一個程式中只能有一個定義，或有多個完全相同的定義。

全域對象初始化

未顯式初始化的全域對象會被零初始化。extern 關鍵字用於聲明而非定義對象，承諾該對象在別處定義。

頭文件規範

• 頭文件不應包含非 inline 函數或對象的定義（如 extern int ival = 10; 會導致多重定義）。
• 符號常量與 inline 函數可在多文件中重複定義，前提是定義對使用點可見。
• 大型項目可使用預編譯頭文件減少編譯時間。

指針與 const 綜述

內聯函數與自動對象

• inline 用於消除函數調用開銷，適用於小型、高頻函數；編譯器可自行決定是否內聯。
• 自動對象的存儲分配發生在函數調用時，函數結束時釋放；切勿返回自動對象的地址，否則會產生懸空指針。
• 頻繁使用的自動變量可用 register 建議編譯器放入寄存器（現代編譯器通常自動優化，register 關鍵字已弱化）。

動態內存管理

new / delete 表達式

• new 返回指向動態分配對象的指針，內存未初始化（除非使用 new int(0) 等初始化語法）。
• 分配失敗拋出 std::bad_alloc 異常。
• delete 釋放內存，指針本身不變，成為「懸空指針」；良好習慣是 ptr = nullptr;。

智能指針 auto_ptr（C++98，C++11 棄用，建議用 unique_ptr/shared_ptr）

• 擁有權語義：複製或賦值會轉移擁有權，右值變為空指針。
• 生命週期結束時自動 delete 管理的對象。
• 常用操作：get() 取原始指針、reset() 重置/釋放舊對象並接管新對象、release() 釋放擁有權並返回原始指針。
• 嚴禁 用非 new 分配的指針初始化 auto_ptr。

動態數組

new Type[N] 分配數組，delete[] ptr 釋放。只有第一維可用運行時變量指定大小，其餘維度必須為編譯期常量。

名字空間進階

• 未命名名字空間：namespace { ... } 內部名字僅在本翻譯單元可見，可替代 static 全域變量/函數。
• 跨文件名字空間：同一名字空間可跨多個頭文件/源文件定義。
• 名字空間別名：namespace IBM = International_Business_Machines;
• using 聲明/指示：using ns::name; 引入單一名字；using namespace ns; 將整個名字空間名字引入當前作用域。

static 關鍵字

• 靜態局部變量：存儲在靜態存儲區，生命週期贯穿整個程式，作用域僅限函數內；首次調用初始化，後續調用保持上次值。
• 靜態全域變量：內部鏈接，僅在定義文件可見，生命週期為程式整個運行期；未初始化自動歸零。

九、函數重載

• 重載判斷依據：參數列表（個數、類型、順序）不同；返回類型不參與重載區分。
• const/volatile 修飾頂層參數類型時不影響重載區分；但修飾指針/引用指向的類型則影響（如 int* vs const int*）。
• using 聲明不可指定參數列表；using namespace 使名字空間成員如同在外部聲明。
• 指向重載函數的指針：通過函數指針類型匹配決定綁定哪個重載版本。

重載決議：最佳匹配

1. 候選函數 → 可行函數（參數數量匹配或有默認實參） → 最佳匹配。
2. 轉換等級：精確匹配 > 提升 > 標準轉換 > 用戶定義轉換。
3. 五種標準轉換（整型、浮點、浮點↔整型、指針、bool）等級相同；若兩個可行函數都需標準轉換則構成二義性錯誤。

十、函數模板

模板提供一套演算法，編譯器根據實參類型自動具現化具體函數，保留強類型檢查與語義，避免巨集的副作用。

template 
T min(T a, T b) { return a < b ? a : b; }

// 非類型模板參數
template 
T min(T (&arr)[Size]);

十一、異常處理

• throw 可拋出任意類型對象，通常用類封裝異常信息。
• try 塊包圍可能拋出異常的代碼，後接一組 catch 子句處理特定類型異常。
• 異常拋出後，後續語句跳過，執行權轉交匹配的 catch；若無匹配則調用 std::terminate()（預設 abort()）。
• 堆疊展開：尋找處理器過程中退出的複合語句與函數會銷毀其中的自動對象。
• 重新拋出：catch (...) { throw; } 或修改異常對象後 throw;（需以引用捕獲）。
• main() 中聲明的變量不可在 catch 子句中直接引用。

十二、泛型算法與迭代器

核心概念

• 算法：操作容器元素的函數模板，多數定義於 <algorithm>，透過迭代器存取元素，不依賴具體容器類型。
• 迭代器：泛化指針，支援 ++、--、解引用、比較等操作；分為五類：
  • InputIterator（只讀單向）
  • OutputIterator（只寫單向）
  • ForwardIterator（讀寫單向）
  • BidirectionalIterator（雙向）
  • RandomAccessIterator（隨機存取，支援 +n、-n、[]、比較）
• 容器對應迭代器類別：vector/deque → 隨機存取；list/set/map → 雙向；stack/queue/priority_queue → 不支援迭代器。

常用算法示例

// find：在 [first, last) 尋找 val，找到返回迭代器，否則返回 last
template 
InIt find(InIt first, InIt last, const T& val);

// sort：預設用 operator<，可傳入比較函數對象（如 greater<> 以降序排列）
sort(vec.begin(), vec.end(), greater());

// 二分查找要求區間有序
lower_bound(first, last, val); // 首個 >= val
upper_bound(first, last, val); // 首個 > val
equal_range(first, last, val); // 返回 pair 等於 val 的區間

// 排列組合
next_permutation(first, last); // 字典序下一個排列
prev_permutation(first, last); // 字典序上一個排列

算術算法

adjacent_difference、accumulate、inner_product、partial_sum（需 <numeric>）。

預定義函數對象

定義於 <functional>，分算術、關係、邏輯三類，皆為類模板，如 plus<T>、less<T>、logical_and<T>。

const 容器與迭代器

const 容器只能綁定 const_iterator，確保元素不可被修改，類比 const 指針指向 const 對象。