【C++ 筆記】命名空間（Namespace） - part 30

很感謝你點進來這篇文章。

你好，我並不是什麼 C++、程式語言的專家，所以本文若有些錯誤麻煩請各位鞭大力一點，我極需各位的指正及指導！！本系列文章的性質主要以詼諧的口吻，一派輕鬆的態度自學程式語言，如果你喜歡，麻煩留言說聲文章讚讚吧！

可喜可賀可喜可賀，恭喜本系列終於來到 part 30 啦！

簡介（Introduction）

我們最熟悉的命名空間不外乎就是：

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using namespace std;

為什麼要用這個？因為我們不想要打那麼多字，每次打一行程式碼都要加上 std:: 不是挺麻煩的嗎？

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std::cout
std::endl
std::vector <int> a;

但其實除了圖方便以外，命名空間也有其他功能。

假設班上有兩名同學，他們都叫陳柏鈞，為了要區分他們兩個，我們就必定要用到額外的訊息去區分，如一個比較有錢，一個普通，或是一個帥，一個醜等等。

在 C++ 中，假設有個函數叫做 func()，而在另一個 library 也叫做 func()，此時就會有命名衝突（Name conflicts）的問題，因此 namespace 就誕生了。

namespace 是啥？

命名空間（namespace）是一種將程式碼邏輯上分組的方法，用以避免不同程式庫或模組之間的名稱衝突。namespace 也提供了一種將相關識別字（identifier）（如變數、函數和類別）分組到單一名稱下的方法。

透過 namespace，我們可以將函數、變數、類別等符號規劃到各自獨立的區域，強化程式碼的可讀性與可維護性。

我們要 namespace 幹嘛？

  1. 解決命名衝突（Name Conflicts）
  2. 模組化（Modularity）

模組化是一個蠻重要的觀念，比如在開發遊戲時，毫無概念的直接將所有物件都寫在同一個檔案內，那就會導致可讀性大大降低。因此可以透過分類的方式，如將玩家的相關邏輯都寫在 player.cpp 裡面，怪物的邏輯則為 monster.cpp 等，而主程式的檔案叫做 main.cpp，負責引入 player.cpp、monster.cpp 等檔案。

定義 namespace

以 namespace 作為關鍵字，後面的 name 為自定義，如同變數名一樣。

要注意的是右括號 } 沒有分號作結。

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namespace name {
    // type1 mamber1
    // type2 mamber2
    // type3 mamber3
    .    .     .
    .    .     .
}

小範例：

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namespace nptu{
    void departmentName(){
        cout << "國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

巢狀 namespace 定義

註：C++ 17 開始才可以這樣做。

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namespace nptu{
    void schoolName(){
        cout << "國立屏東大學" << endl;
    }
    namespace department{
        void departmentName(){
            cout << "電腦科學與人工智慧學系" << endl;
        }
    }
}

存取 namespace 成員

使用視域解析運算子（Scope resolution operator）::，就是兩個半形冒號。

name::member

  • name：命名空間的名稱。
  • member：內部成員，無論是變數、函數等皆可。

如下範例：

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace nptu{
    void departmentName(){
        cout << "國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

int main(){
    nptu::departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系

存取巢狀 namespace

如下所示的 nptu::department::departmentName()，在多套一個 :: 就可以了。

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace nptu{
    void schoolName(){
        cout << "國立屏東大學" << endl;
    }
    namespace department{
        void departmentName(){
            cout << "電腦科學與人工智慧學系" << endl;
        }
    }
}

int main(){
    nptu::schoolName();
    nptu::department::departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學
電腦科學與人工智慧學系

using 指令（using directive）

如同最開始所說的，using namespace std; 可以讓我們省掉打上 std:: 的動作。

語法：using namespace name;，name 是命名空間的名稱。

這個 using 的效果是「將整個命名空間內容引入當前作用域，可直接使用所有成員」。

如下範例所示：

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace nptu{
    void departmentName(){
        cout << "國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

using namespace nptu;

int main(){
    departmentName(); // 省去打 nptu::
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系

using 宣告（using declaration）

語法：using name::member;

  • name：命名空間名稱。
  • member：內部成員。

與上一個不同的是，這個語法只會引入單一成員，而不是全部的成員。

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace nptu{
    void departmentName(){
        cout << "國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

using nptu::departmentName;

int main(){
    departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學 電腦科學與人工智慧學系

using 不能濫用

為什麼會這麼說呢？因為 using 指令會使所有成員變得可存取，這樣很容易發生命名衝突的事件，如果使用宣告方式會減少此類事件發生。

那些內建的 namespace

std namespace

std namespace 是 STL（standard library）的一部分，其中有一大部分的標準函數、物件和類別，如 cin、cout、vector 等。

這部分其實我們都很熟悉了，所以就這樣。

global namespace

先來看以下的例子：

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#include <iostream>

using namespace std;

int n = 5;

int main(){
    int n = 2;
    return 0;
}

int n = 5 既沒有被 namespace 的定義給包住，也沒有放到任何函數裡面，這種就屬於 global namespace，也稱為全域變數。

另外他也是可以被 :: 存取到的：

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#include <iostream>

using namespace std;

int n = 5;

int main(){
    int n = 2;
    
    cout << "全域 n : " << ::n << endl;
    cout << "局域 n : " << n << endl;
    
    return 0;
}

Output：

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全域 n : 5
局域 n : 2

extending namespace

一樣來看例子：

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace nptu{
    void schoolName(){
        cout << "國立屏東大學" << endl;
    }
}

namespace nptu{
    void departmentName(){
        cout << "電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

int main(){
    nptu::schoolName();
    nptu::departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學
電腦科學與人工智慧學系

正如其名，延伸的命名空間，可以幫這個同名的命名空間新增函數、變數等，為這個命名空間做一個延伸，不管他是在哪個地方定義的。

建立 namespace 的別名

語法：namespace nn = namespace_name;

  • namespace_name：命名空間的原名。
  • nn：命名空間的別名。

那既然都說是命名空間的別名了，所以原名也可以直接使用。

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace NationalPingTungUniversity{
    void schoolName(){
        cout << "國立屏東大學" << endl;
    }
    void departmentName(){
        cout << "電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

namespace nptu = NationalPingTungUniversity;

int main(){
    nptu::schoolName();
    nptu::departmentName();
    NationalPingTungUniversity::schoolName();
    NationalPingTungUniversity::departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學
電腦科學與人工智慧學系
國立屏東大學
電腦科學與人工智慧學系

inline namespace

使用 inline 關鍵字加在 namespace 前面，裡面的成員不用 :: 就可以直接存取。

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#include <iostream>

using namespace std;

inline namespace nptu{
    void schoolName(){
        cout << "國立屏東大學" << endl;
    }
    void departmentName(){
        cout << "電腦科學與人工智慧學系" << endl;
    }
}

int main(){
    schoolName();
    departmentName();
    return 0;
}

Output：

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國立屏東大學
電腦科學與人工智慧學系

匿名命名空間（anonymous namespace）

所謂匿名命名空間就是沒有名字的命名空間，其內部定義的函數、變數等識別字的作用域僅限於該檔案內，其他檔案無法存取這些識別字，以達到內部連結（internal linkage）的效果。

:::info
在 C++ 中，「連結（linkage）」是指一個名稱（變數、函數等）在不同翻譯單位（translation unit）之間是否可以被辨識與共用。
:::

註：翻譯單位是編譯過程的基本單位。一個翻譯單位 = 一個 .cpp 檔案 + 它所 #include 的所有標頭檔內容。

而內部連結指的是某個符號（名稱）只能在定義他的原始檔案中（翻譯單位內）被使用，其他檔案看不到也不能存取。

C-style 常見的做法是使用儲存類別 static，到了 C++ 就是匿名命名空間。

anonymous namespace 範例：

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#include <iostream>

using namespace std;

namespace{
    void func(){
        cout << "呵呵呵，看不到我吧" << endl;
    }
}

int main(){
    func(); // 匿名命名空間內的成員可直接存取
    return 0;
}

Output：

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呵呵呵，看不到我吧

總結

命名空間 (Namespace) 是什麼？

命名空間是一種將程式碼邏輯分組的機制，用來避免不同函數、變數、類別等識別字名稱衝突。

他提供一個作用域範圍，讓同名的識別字可以在不同命名空間中共存，不會互相干擾。

如：std 是 STL 的命名空間，裡面包含了 cout、vector 等標準物件和函數。

為什麼需要命名空間？

避免命名衝突：如多個函數或變數重名，namespace 可區隔使用。

模組化設計：利於大型系統的架構與維護。

定義命名空間

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namespace name {
    // 成員：函數、變數、類別等
}

右括號 } 後不需加分號。

可定義巢狀命名空間（C++17 起支援）：

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namespace nptu {
    namespace department {
        void departmentName() { ... }
    }
}

存取命名空間成員

使用視域解析運算子（Scope resolution operator）::，如：

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nptu::departmentName();
nptu::department::departmentName();

nptu 是命名空間的名稱，:: 後面接的是內部成員。

using 指令與宣告

  • using namespace name;：將整個命名空間引入當前作用域，成員可直接使用，省略 name::。
  • using name::member;：只引入單一成員。

內建命名空間

  • std namespace：標準函式庫所在命名空間。
  • global namespace：未被任何命名空間包覆的全域範圍，可用 :: 存取。
  • 延伸命名空間：同一命名空間可在多處定義，成員會合併。
  • 命名空間別名：
    • namespace nn = namespace_name;
  • inline namespace：使用 inline 關鍵字，裡面成員可直接存取，無須加 ::。
  • 匿名命名空間：無名的命名空間，內部成員只在該檔案可見，達到內部連結效果。

參考資料

Translation units and linkage (C++) | Microsoft Learn

簡介名稱空間

C++ Inline Namespaces and Usage of the “using” Directive Inside Namespaces - GeeksforGeeks

Namespace in C++ - GeeksforGeeks

C++ 命名空间 | 菜鸟教程