Android NDK入門：C++ 基礎知識

• 2020 年 4 月 1 日
• 筆記

為什麼寫這篇文章

本文算作是 《Android 音視頻開發打怪升級》系列文章的「番外」篇，原本打算將本文的內容寫在 《Android FFmpeg視頻解碼播放》 這篇文章中，因為要想學習 FFmpeg 相關知識，C++ 的基礎知識是必不可少的。

但是寫着寫着發現，篇幅還是太長了，加上有部分小夥伴對 C++ 可能也比較熟悉，所以把此節獨立成篇，更有利於不熟悉 C++ 的小夥伴學習查看，熟悉的小夥伴也可以直接跳過。

C++ 相對於 Java 還是有許多的不同之處，對於沒有使用過 C++ 的人來說，如果要學習 NDK 開發，C++ 是第一道坎，必須要掌握。

本文通過對比的方式，把 C++ 和 Java 之間最基礎，也是最常使用知識的異同標記出來，方便大家學習。

當然了，本文只是重點對 C++ 中最常用的，也是重點的知識進行講解，如有時間，最好還是系統地學一下相關的基礎知識。

本文你可以了解到

本文使用對比的方式，將 C++ 與我們非常熟悉的 Java 進行對比學習，介紹 C++ 與 Java 使用的異同，幫助大家快速入門 C++ 。

一、 C++ 基本數據類型

C++ 提供了一下幾種基礎數據類型

同時，這些類型還可以被類型修飾符修飾，拓展出更多的數據類型：

其中 signed 和 unsigned 指定了數據是否有正負； short 和 long 主要指定了數據的內存大小。

由於不同的系統，同個數據類型所佔用的內存大小也不一定是一樣的，以下是典型值：

可以看到，

short 修飾符將原類型內存大小減小一半；

long 修飾符將原數據類型內存大小擴大一倍。

二、C++ 類

C++ 是一門面向對象的語言，類是必不可少的。其類的定義與 Java 大同小異。

Java 類通常聲明和定義通常都是在同一個文件 xxx.java 中。

而 C++ 類的聲明和定義通常是分開在兩個不同的文件中，分別是 .h 頭文件 和 .cpp 文件

定義一個類

一個 類的頭文件 通常如下：

// A.h    class A  {  private: //私有屬性      int a;      void f1();    protected: //子類可見      int b;      void f2(int i);    public: //公開屬性      int c = 2;      int f3(int j);        A(int a, int b); // 構造函數      ～A(); //析構函數    };

對應的類實現文件 A.cpp如下：

// A.cpp    /**   * 實現構造函數   */  A::A(int a, int b):  a(a),  b(b) {    }    // 等價於    /*  A::A(int a, int b) {      this.a = a;      this.b = b;  }  */    /**   * 實現析構函數   */  A::~A() {    }    /**   * 實現 f1 方法   */  void A::f1() {      }    /**   * 實現 f2 方法   */  void A::f2(int j) {      this.b = j  }    /**   * 實現 f3 方法   */  int A::f3(int j) {      this.c = j  }

可以看到，.h 文件主要負責類成員變量和方法的聲明； .cpp 文件主要負責成員變量和方法的定義。

但是，並非一定要按照這樣的結構去實現類，你也可以在 .h 頭文件中直接定義變量和方法。

比如：

// A.h    class A {  private:      int a = 1;    public:      void f1(int i) {          this.a = i;      }  }

C++ 類中幾個特別的地方

1) 可見性 private、protected、public

這幾個關鍵字和 Java 是一樣的，只不過在 C++ 中，通常不會對每個成員變量和方法進行可見性聲明，而是將不同的可見性的變量和方法集中在一起，統一聲明,具體見上面定義的類A。

2) 構造函數和析構函數

C++ 中類的構造函數和 Java 基本一致，只不過，在實現構造函數時，對成員變量的初始化方式比較特別。如下：

A::A(int a, int b):  a(a),  b(b) {    }    // 等價於    A::A(int a, int b) {      this.a = a;      this.b = b;  }

以上兩種方式都可以，通常使用第一種方式。

析構函數 則是 Java 中沒有的。通過波浪符號 ~ 進行標記。

它和構造函數一樣，都是由系統自動調用，只不過，構造函數 在類創建的時候調用，析構函數 在類被刪除的時候調用，主要用於釋放內部變量和內存。

析構函數的聲明形式為 ~類名();

實現的形式為 類名::~類名() { }

具體見上面類 A 的寫法。

3) :: 雙冒號

看了上面類的定義，肯定會對 :: 這個符號感到很神奇。這是 C++ 中的 域作用符，用於標示變量和方法是屬於哪個域的，比如上面的

void A::a() { }

說明 方法a 是屬於 類A 的。

也可以用於調用類的靜態成員變量，如

//A.h    class A {  private:      static int a = 1;      int b;      void a();  }    //A.cpp  void A::a() {      b = A::a;  }

類的繼承

C++ 類的繼承和 Java 也是大同小異，其格式如下：

class B: access-specifier A，其中 access-specifier 是訪問修飾符， 是 public、protected 或 private 其中的一個。

訪問修飾符的作用如下：

公有繼承（public）：當一個類派生自公有基類時，基類的公有成員也是派生類的公有成員，基類的保護成員也是派生類的保護成員，基類的私有成員不能直接被派生類訪問，但是可以通過調用基類的公有和保護成員來訪問。

保護繼承（protected）： 當一個類派生自保護基類時，基類的公有和保護成員將成為派生類的保護成員。

私有繼承（private）：當一個類派生自私有基類時，基類的公有和保護成員將成為派生類的私有成員。

通常情況下，我們都是使用 公有繼承（public），也就是和 Java 是一樣的。

類可以多繼承

Java 中，子類只能繼承一個父類，但是 C++ 可以繼承自多個父類，使用逗號 , 隔開:

class <派生類名>:<繼承方式1><基類名1>,<繼承方式2><基類名2>,…  {  <派生類類體>  };

三、 C++ 指針

Java 中的 「指針」

Java 中，是沒有指針的概念的，但是其實 Java 中除了基本數據類，大部分情況下使用都是 指針。

比如下面這段 Java 代碼：

People p1 = new People("David","0001");  People p2 = p1;  p2.setName("Denny");  System.out.println(p1.getName());    // 輸出結果為：Denny

原因就是 p1 和 p2 都是對對象的引用，在完成賦值語句 People p2 = p1; 後， p2 和 p1 指向同一個存儲空間，所以對於p2的修改也影響到了p1。

那麼，為什麼在 Java 中很少去關注指針呢？

因為 Java 已經將指針封裝了，也不允許顯式地去操作指針，並且 Java 中的內存都由虛擬機進行管理，無需我們去釋放申請的內存。

C++ 中的指針

1) 指針的聲明和定義

與 Java 不同的是，C++ 中的指針概念非常重要，並且無處不在。

指針：是一個變量，這個變量的值是另一個變量的內存地址。也就是說，指針是一個指向內存地址的變量。

指針的聲明和定義方法如下：

int a = 1; // 實際變量的聲明    int *p; // 指針變量的聲明    p = &a; // 指針指向 a 的內存地址    printf("p 指向的地址: %d, p指向的地址存儲的內容: %dn", p, *p);    // 輸出如下：  // p 指向的地址: -1730170860, p指向的地址存儲的內容: 1

這個例子中有兩個很重要的符號： * 、&。其中：

* ：有兩個作用：

i. 用於定義一個指針： type *var_name; ，var_name 是一個指針變量，如 int *p;

ii. 用於對一個指針取內容： *var_name， 如 *p 的值是 1。

& ：是一個取址符號

其用於獲取一個變量所在的內存地址。如 &a; 的值是 a 所在內存的位置，即 a 的地址。

通過上面的例子，可能無法很好的理解指針的用處，來看另一個例子。

class A {  public:      int i;  };    int main() {        //-----1-------      A a = A(); // 定變量 a      a.i = 1;   // 修改 a 中的變量        A b = a;   // 定義變量 b ，賦值為 a        A *c = &a; // 定義指針 c，指向 a        printf("%d, %d, %dn", a.i, b.i, c->i);      // 輸出：1, 1, 1        //-----2-------      b.i = 2; //修改 b 中的變量        printf("%d, %d, %dn", a.i, b.i, c->i);      // 輸出：1, 2, 1        //-----3-------      c->i = 3; //修改 c 中的變量        printf("%d, %d, %dn", a.i, b.i, c->i);      // 輸出：3, 2, 3        //-----4-------      // 打印地址      printf("%d, %d, %dn", &a, &b, c);      // 輸出：-1861360224, -1861360208, -1861360224        return 0;  }

上面的例子，定義了一個變量 a ，然後將 a 分別賦值給普通變量 b 和指針變量 c。

第一次，打印三個變量中的成員變量的 i 的值都為 1；

第二次，修改了 b 中的 i，結果只修改了 b 的值，對 a 和 c 都沒有影響；

第三次，修改了 c 中的 i，結果修改了 a 和 c 的值，對 b 都沒有影響；

最後，打印了三個變量的地址，可以發現 a 和 c 的值是一樣的，b 的地址不一樣。

從這個例子就可以看出端倪了：

通過 普通變量 賦值的時候，系統創建了一個新的獨立的內存塊，如 b，對 b 的修改，隻影響其本身；

通過 指針變量 賦值時，系統沒有創建新的內存塊，而是將指針指向了已存在的內存塊，如 c ， 任何對 c 的修改，都將影響原來的變量，如 a。

還有一點需要注意的是，指針變量 對成員變量的引用，使用的是箭頭符號 ->，如 c->i ；普通變量對成員變量的引用，使用的是點符號 . ，如 b.i 。

2) new 和 delete

在上面的例子中，是通過創建了一個變量 a ，然後將 指針變量 c 指向了 a 的方式定義了 c。還有另外一種方法，可以聲明和定義一個指針變量，那就是通過 new 動態創建。

class A {  public:      int i;  }    int main() {      A *a = new A();      a->i = 0;        printf("%dn", a->i);      // 輸出： 0        // 刪除指針變量，回收內存      delete a;        return 0;  }

這就是動態創建指針變量的方式，這是 C++ 常用的方式。

重要提醒：

要注意的是，通過 new 的方式創建的指針變量和不通過 new 創建的變量最大的區別在於：通過 new 創建的指針需要我們自己手動回收內存，否則將會導致內存泄漏。回收內存則是通過 delete 關鍵字進行的。

也就是說，new 和 delete 必須要成對調用。

int main() {      A a = A(); // 無new，main 函數結束後，系統會自動回收內存        A *b = new A(); // new 方式創建，系統不會自動回收內存，要手動 delete        delete b; // 手動刪除，回收內存        return 0;  }

可以看到，C++ 的指針變量其實更接近與 Java 中普通變量的使用方式。

四、C++ 引用

引用 是除了指針外，另一個非常重要的概念。在 C++ 也是經常使用的。

引用指的是：為一個變量起一個別名，也就是說，它是某個已存在變量的另一個名字。

引用和指針非常的相似，初學者非常容易把這兩者混淆了。

引用的聲明和定義

首先來看下如何聲明一個引用變量。

// 聲明一個普通變量 i  int i = 0;    // 聲明定義一個引用 j  int &j = i;    j = 1;    printf("%d, %dn", i, j)    // 輸出：1, 1

是不是有點熟悉，又是與符號 & ，但是這裡並非表示取址，這裡只是作為一個標示符號。

請記住，千萬不要和取址符號混淆，取址表示方式是：A *p = &a;

在上面的例子中，修改了 j 的值，i 的值也發生了變化。這和指針是不是非常像？

那麼，引用和指針有什麼不一樣呢？

i. 不存在空引用。引用必須連接到一塊合法的內存。

ii. 一旦引用被初始化為一個對象，就不能被指向到另一個對象。指針可以在任何時候指向到另一個對象。

iii. 引用必須在創建時被初始化。指針可以在任何時間被初始化。

i 和 iii 都很好理解，就是聲明引用的時候，必須要初始化好，並且不能初始化為空 NULL 。

ii 是最讓人不理解的，什麼叫做 「不能被指向到另一個對象」 ?

引用和指針的區別

看以下的例子：

int i = 0;    // 定義引用 j ，指向 i  int &j = i;    int k = 1；    // 這個操作是指向另外一個對象嗎？  j = k;    printf("%d, %d, %dn", i, j, k);  // 輸出：1, 1, 1    // 打印地址  printf("%d, %d, %dn", &i, &j, &k);  // 輸出：-977299952, -977299952, -977299948

可以看到，i j k 三個的值都變成了 1，這看起來和指針是一樣的效果，但卻有質的區別。

看最後一個打印輸出，i 和 j 的地址始終是一樣的，和 k 是不一樣的。也就是說， j 始終指向 i ，不可改變。 j = k 只是把 k 的值給到了 j，同時也改變了 i 。

如果還不懂，再來看一下指針的例子，你就明白了。

int i = 0;    // 定義指針 j ，指向 i  int *j = &i;    int k = 1;    // 指向另一個對象  j = &k;    printf("%d, %d, %dn", i, *j, k);  // 輸出：0, 1, 1    // 打印地址  printf("%d, %d, %dn", &i, j, &k);  // 輸出：-1790365184, -1790365180, -1790365180

看到了嗎？ j 在賦值了 &k 以後，地址就變成和 k 一樣了，也就是說，指針 j 可以指向不同的對象。這時候， j 和 i 就沒有任何關係了，i 的值也不會隨着 j 改變而改變。

如何使用引用

引用最常出現的地方是作為函數的參數使用。

void change(int &i, int &j) {      int temp = i;      i = j;      j = temp;  }    int main() {      int i = 0;      int j = 1;        // 打印地址      printf("[before: %d, %d]n", &i, &j);      //輸出：[before: -224237816, -224237812]        change(i, j);        printf("[i: %d, j: %d]n", i, j);      // 輸出：i: 1, j: 0        // 打印地址      printf("[after: %d, %d]n", &i, &j);      // 輸出：after: -224237816, -224237812        return 0;  }

在上面的例子中，change 方法的兩個參數都是引用，和普通的參數有以下兩個區別：

i. 引用參數不會創建新的內存塊，參數只是對外部傳進來的變量的一個引用。

ii. 引用參數可以改變外部變量的值。

這是普通變量的情況：

void change(int i, int j) {      int temp = i;      i = j;      j = temp;        // 打印地址      pritf("[change: %d, %d]n", &i, &j);      // 輸出[change: -1136723044, -1136723048]  }    int main() {      int i = 0;      int j = 1;        // 打印地址      printf("[before: %d, %d]n", &i, &j);      //輸出：[before: -224237816, -224237812]        change(i, j);        printf("[i: %d, j: %d]n", i, j);      // 輸出：i: 0, j: 1        // 打印地址      printf("[after: %d, %d]n", &i, &j);      // 輸出：after: -224237816, -224237812        return 0;  }

可以看到，i j 的值不會被改不變，原因是 change 方法創建了兩個臨時的局部變量，都有自己的內存塊，這個變量的地址和外部傳進來的變量是沒有關係的，所以無法改變外部變量的值。

到這裡，就可以看到參數引用的好處了：引用參數為我們節省了內存，執行效率也更快。

同樣的，指針參數也有類似的效果，但是其仍然和引用有着本質的區別。引用為我們提供另一個種很好的傳參選擇。

有時候，我們並不想讓函數內部改變外部變量的值，可以給參數加上常量的標誌。

void change(const int &i, const int &j) {      int temp = i;      i = j;     // 不允許修改i，編譯出錯      j = temp;  // 不允許修改j，編譯出錯  }

五、C++ 多態和虛函數

多態 是面向對象的三大特點之一。

C++ 的多態和 Java 非常相似，但是也有着明顯的不同。

靜態綁定

看下面一個例子：

class A {  public:      void f() {          printf("an");      };  };    class B : public A {  public:      void f() {          printf("bn");      };  };    int main() {      A *a = new B();      a->f();      // 輸出：a        return 0;  }

這裡 B 繼承了 A，並重寫了方法 f 。

在 main 函數中，定義了一個基類變量指針 a ，並指向子類 B 。接着調用了 a 的方法 f。

如果是 Java 中類似的操作的話，那麼毫無疑問，此處會輸出 b，可是這裡卻輸出了 a 。也就是說，這裡方法 f 實際上是基類 A 的 f 方法。

這就是 C++ 和 Java 其中一個很大的不同。

原因是，調用函數 f() 被編譯器設置為基類中的版本，這就是所謂的靜態多態，或靜態鏈接。

函數調用在程序執行前就準備好了。有時候這也被稱為早綁定，因為 f() 函數在程序編譯期間就已經設置好了。

那麼如果想實現類似 Java 中的多態重載呢？

虛函數

virtual 是 C++ 中的一個關鍵字，用於聲明函數，表示虛函數。用於告訴編譯器不要靜態鏈接到該函數，改為動態鏈接。

依然是上面的例子，在 A 的 f 函數上加上 virtual，將得到類似 Java 的效果：

class A {  public:      virtual void f() {          printf("an");      };  };    class B : public A {  public:      void f() {          printf("bn");      };  };    int main() {      A *a = new B();      a->f();      // 輸出：b        return 0;  }

純虛函數

在 Java 中，我們經常會使用 interface 或 abstract 來定義一些接口，方便代碼規範和拓展，但是在 C++ 沒有這樣的方法，但是可以有類似的實現，那就是：純虛函數。

class A {  public:      // 聲明一個純虛函數      virtual void f() = 0;  }    class B : public A {  public:      // 子類必須實現 f ，否則編譯不通過      void f() {          printf("bn");      };  };    int main() {      A *a = new B();      a->f();      // 輸出：b        return 0;  }

A 中的 virtual void f() = 0; 就是一個純虛函數。如果繼承 A，子類必須實現 f 這個接口，否則編譯不通過。

A 則是一個抽象類。不能被直接定義使用。

六、C++ 預處理

在 C++ 中有一個方法，可以讓我們在程序編譯前，對代碼做一些處理，稱為預處理。這是 Java 中沒有的，在 C++ 中卻經常使用到。

預處理是一些指令，但是這些指令並不是 C++ 語句，所以不需要以分號 ; 結束。

所有的預處理語句都是以井號 # 開始的。

比如 #include 就是一個預處理，用於將其他文件導入到一個另一個文件中，類似 Java 的 import 。

例如導入頭文件：

// A.h  class A{  public:      A();      ~A();  }

#include "A.h"    A::A() {    }    A::~A() {    }

在 C++ 中常用的預處理有以下幾個 #include、 #define 、#if、#else 、 #ifdef 、 #endif 等。

宏定義

最常用的一個預處理語句 #define ，通常稱為宏定義。

其形式為：

#define name replacement-text 

#define PI 3.14159    printf("PI = %f", PI);    // 在編譯之前，上面的語句被展開為：  // printf("PI = %f", 3.14159);

• 帶參數宏定義

#define SUM(a,b) (a + b)    printf("a + b = %d", SUM(1, 2));    // 在編譯之前，上面的語句被展開為：  // printf("a + b = %d", 1 + 2);  // 輸出：a + b = 3

• # 和 ## 運算符

在宏定義中，# 用於將參數 字符串化。

#define MKSTR( x ) #x    printf(MKSTR(Hello C++));    // 在編譯之前，上面的語句被展開為：  // printf("Hello C++");  // 輸出： Hello C++

在宏定義中，## 用於將參數 連接起來。

#define CONCAT(a, b) a ## b    int xy = 100;    printf("xy = %d", CONCAT(x, y));    // 在編譯之前，上面的語句被展開為：  // printf("xy = %d", xy);  // 輸出：xy = 100

注意：# 、 ## 在多個宏定義嵌套使用的時候，會導致不展開的問題

例如：

#define CONCAT(x, y) x ## y    #define A a    #define B b    void mian() {        char *ab = "ab";      char *AB = "AB";        printf("AB = %s", CONCAT(A, B));        // 在編譯之前，上面的語句被展開為：      // printf("AB = %s", AB);  }

雖然定義了 A B 兩個宏定義，但是在 CONCAT 中遇到 ## 的時候，A B 這兩個宏定義是不會開展的，而是直接當作兩個參數被連接起來了。

那麼要如何解決這個問題呢？那就是再轉接一層。

#define _CONCAT(x, y) x ## y  #define CONCAT(x, y) _CONCAT(x, y)    #define A a    #define B b    void mian() {        char *ab = "ab";      char *AB = "AB";        printf("AB = %s", CONCAT(A, B));        // 在編譯之前，上面的語句被展開為：      // printf("AB = %s", _CONCAT(a, b));      // printf("AB = %s", ab);      // 輸出：AB = ab  }

條件編譯

#if、#else、 #ifdef、 #endif 這幾個的組合主要用條件編譯。

在 C++ 中條件編譯也是經常使用到的，可以用來控制哪些代碼參與編譯，哪些不參與編譯。

#define DEBUG    int main() {    #ifdef DEBUG      // 參與編譯      printf("I am DEBUGn");  #else      // 不參與編譯      printf("No DEBUGn");  #endif        return 0;  }    // 輸出：I am DEBUG

以上代碼，由於先前已經定義了 #define DEBUG 所以 #ifdef DEBUG 為 true ，編譯 printf("I am DEBUGn"); 。

如果去掉 #define DEBUG ，則編譯 printf("No DEBUGn"); 。

int main() {    #if 0      // 這裏面的代碼都被注釋掉，不參與編譯      printf("I am not compiledn");  #endif        return 0;  }

七、總結

以上，基本就是在 C++ 經常使用到的，與 Java 相似，又存在差異的一些基礎知識，由於面向對象語言都存在一定的相似性，相信有了以上的基礎之後，你就可以比較通暢地閱讀一些 C++ 代碼了。

如果你是一個 Java 程序員，可能對其中的一些知識還是會感到迷惑，這時候需要你拋棄 Java 中的一些慣有思維，重新細細品嘗一下 C++ 的味道，可以實際的去敲一下代碼來消化這些知識，只有實踐才能出真知。