[C++知识库]C++Prime Plus(1)

1.C++简介

C++起源：带类的C语言，C++支持3种程序设计方式：过程化程序设计（比如C），面向对象程序设计，泛型程序设计（对变量的数据类型模糊化）；

过程化程序设计，类似数学，即算法+数据，用程序语言描述处理数据的过程，为了优化程序的结构，出现了结构化程序设计（自顶向下的设计，程序结构划分为3种：顺序，分支，循环）；C语言支持结构化程序设计，C语言可以操作到位，更接近硬件，过去的高级语言通常只能操作到某个变量（在内存中操作）。

面向对象：允许我们设计与问题对应的类。并且提高代码复用性。

泛型程序设计：对于C语言，我们必须规定每个数据的类型，C++可以对数据类型模糊化，统一为T类型。

2.程序生成（创建源码，编译和链接）

源码是程序员写好的程序，用后缀名区分源文件，cpp后缀表示C++源文件，c后缀表示C的源文件。创建源码的方式：在编辑器编辑源文件。现在大家都使用IDE开发，将编辑，编译，链接过程集成到一个软件中。
在VS中，一个软件被称为一个解决方案，解决方案可以包含多个项目（解决方案是项目的容器），每个源文件都是项目的组成部分。
编译：将源文件翻译成机器语言，称为目标文件，目标文件不是可运行的文件；
链接：将目标文件与库的目标文件捆绑，形成可执行文件。
编译链接的方式取决于操作系统和编译器。比如windows+gcc，在命令行输入gcc prog.cpp就能实现编译和链接。在VS中，可以直接”生成解决方案”。

3.进入C++

首先看一个C++的程序示例：

两种注释: //和/*……*/

预处理指令用#开头，编译时先处理预处理指令，再执行编译，比如：#include <iostream>相当于在此处插入iostream的内容，iostream被称为头文件。通常，每个头文件支持一组工具（头文件是库的接口），iostream提供输入输出工具，比如cout输出，传统C++和C风格的头文件后缀为h（stdio.h），新C++风格的头文件不需要后缀。

命名空间：编写大型程序或将多个厂商的代码整合到一起需要的工具，不同厂商的代码中可能有同名的变量和函数，每个厂商的产品封装在自己的命名空间下（ns1::x和ns2::x）。新C++的标准组件都在命名空间std下（std::cout）。

using编译指令：通知编译器，程序中的标准组件都是某一个命名空间中，不在需要用”命名空间::组件名”的方式，可以直接用”组件名”调用组件。

main函数：C++程序有很多函数组成，但main函数才是执行入口。
函数头：函数的接口，main函数是程序与操作系统之间的接口，函数头由”函数名，返回值，参数”组成，比如int main()
花括号内的是函数体，由一组语句组成，表示函数应该执行哪些计算机指令。
对于cout<<”hello”<<endl，<<表示信息流向，hello流向cout，endl流向hello，endl代表重启一行（光标移动到下一行的第一列，也可以用字符’\n’表示）。

4.C++语句

同样看下面示例：

多了一个变量：程序运行中可以变化的值，变量必须占有存储空间。
变量定义：为变量准备存储空间，为编译器检查变量使用是否正确提供依据。定义格式：”类型 变量列表”，比如int carrots。变量必须先定义再使用。

赋值语句将某个值存放到内存单元，carrots=25，将25存放到carrots对应的内存单元，carrots=carrots-1将carrots对应的内存单元内容减1，再存放到carrots的内存单元。
赋值运算符=：二元运算符（两个运算对象，左右各一个，计算右边表达式的值，存放到左边），右结合的（先执行z=0，再执行y=z，再执行x=y；先执行carrots-1，再执行carrots= carrots-1），比如：

int x, y, x;
x=y=z=0;

cout可以输出变量值：cout<<carrots，其实cout很复杂，它可以取出carrots的内容取出，整数25再转换成字符串”25”输出到显示器。cout可以拼接输出流：cout<<”carrots:”<<carrots<<”end”<<endl；

我们可以在运行中用键盘赋值变量，使用cin：

cin>>变量; 或者：
cin>>变量1>>变量2; 

键盘输入变量1的值，回车，再输入变量2的值，再回车，执行后面语句。cin示例如下：

5.函数入门

函数是程序中的一个零件，可以完成一个功能。

返回值类型 函数名(参数列表)
{
	语句组合
}

函数可以没有参数，括号内为空或void，函数可以没有返回值，返回值类型用void表示。

函数原型声明：告诉C++编译器，函数的参数和返回值，使编译器可以检查程序对函数的用法是否正确，比如：double sqrt(double); ，函数原型声明出现在每个源文件的开头。

我们可以从库（我们需要include头文件）中调用函数，头文件中的内容是该库中所有函数的原型声明；因此include就是把原型声明插入源文件中。

函数定义
设计函数头：根据函数的输入输出设计参数和返回值，并给函数命名；
设计函数体：从参数到返回值的计算过程，使用return返回值并退出函数；

无返回值函数实例：

有返回值的函数示例：

6.整型

整型是高级语言处理整数的工具（子集）。

比如unsigned short，也至少占16位，但是由于视为无符号数，则数值的最大值变得更大了，因为最小值变成了0，同样的占位空间获得了更大的数值范围。
整型变量声音如：short score 或 short int score；int number1, number2；

查看整型占有空间的大小：
方法一是sizeof（一元运算符）输出字节占用数：sizeof(类型名或表达式)，即sizeof(int), sizeof(score)
方法二是查看头文件climits，该头文件中定义了各种类型长度的符号常量：

变量在定义时，初始值是随机的（值是创建变量前，该内存块原有的值）。所以为了避免出错，我们最好在变量定义时赋值：
int score=90
初值可以是常量或一个已经定义的变量：
int scoreAvg=80;
int score=scoreAvg;

整型的字面量通常为：十进制，八进制（以0开头，比如0127），十六进制（以0x开头，比如0x18FD）

C++在处理数值时，统一转换为二进制处理，输出时统一转换为十进制。

对于整型常量，默认为int，超出范围则视为long，超出long则视为long long。我们也可以用后缀明确指出常量类型，比如100L（长整型）；其实，对于int scoreAvg=80; 80就是一个整型常量。

7.char，bool（小整数）

char是用于处理字符的类型：字符在机器内用8位整数编码（编码规则：ASCII，ASCII编码的特点是大写字母编码连续，小写字母编码连续，数字字符编码连续）
编程时，不需要关心字符的编码：字符输入（cin>>字符型变量），字符输出（cout<<字符类型变量或字符常量）

字符类型（char类型）的运算：在早期内存昂贵时候，由于char只占一个字节，程序员常将char作为比short小的整型使用，char也可以执行加减和比较运算，参加运算的是内码值。

char类型常量：
常规字符：用单引号’A’, ‘s’
转义字符：’\n’换行，’\t’水平制表符

char类型示例：

bool类型：表示逻辑”真”和”假”，bool类型的值（true和false）
bool类型的机器内表示为一个字节，true是1，false是0，bool可以作为算术运算的运算数。
bool不能直接输入输出，直接输出bool类型的值得到的不是true或flase，而是1或0。

8.const与符号常量

符号常量：为程序中的常量取一个名字，称为符号常量；使用符号常量提高了程序的可读性，并且便于管理常量值。

符号常量的定义
用#define定义：#define 符号常量名 字符串（不建议使用这种C的定义方式）；
const限定符：限定一个变量是只读的，（const 类型名 符号常量名 = 初值; ），必须有初值，比如：
const double PI=3.14;
符号常量的命名与变量命名相同，为方便区分，符号常量名采用大写。

9.浮点数

浮点数即实数R，浮点数名称的来源：小数点可以移动，比如3.14可表示为$314.0?10^{?2}$或者$0.314?10$

浮点数的表示，浮点数在机器内用二进制表示，我们需要存储两部分，比如$10100?2^{1101}$，我们分别保存10100和1101，即尾数和指数；

浮点常量的表示
十进制与日常表示相同，比如127.7。
科学计数法，尾数E指数 或者 尾数e指数，比如34E-8，-1.5e10，科学计数法用于表示很大或很小的实数。

浮点常量默认是double，我们也可以明确指定浮点常量的类型，比如1.5F（float）与 2.3E10L（long double）

浮点类型的精度示例：

可以看出float确保7位精度，double则确保15位精度。

10.算术表达式

算术运算符：

优先级
高：乘，除，取模
低：加，减
我们可以用括号自己选择优先级

同一优先级，算术表达式满足左结合性，先计算左边的运算，再计算右边。

除法的结果取决于运算数：两个整数相除结果为整数，只要有一个运算数是浮点数，则会保留小数部分。

C++在实际执行时，并不能操作不同类型的数据，前面提到的除法只是被做了类型转换才得以实现。C++本身只能操作int和int，double和double，float和float等等。

自动类型转换出现的场合
1.赋值或初始化时，如果右边的表达式计算结果类型与左边的变量类型不同：右边值被转换成左边变量类型；
2.函数参数传递时，实际参数被转换成形式参数的类型；
3.表达式中的运算数类型不一致，需要遵循转换规则：把精度小的运算数向精度大的运算数转换；

自动类型转换的示例：

我们也可以进行强制类型转换：
C++的风格为：类型 (表达式)
C的风格为：(类型) 表达式

11.数组

数组用于存储多个同类型的值；
定义格式为：类型 数组名[元素个数] 或者 类型 数组名[元素个数]={初始值表}
比如：
int array[10]; 数组的元素初值为随机值
double darray[3]={1.1,2.1,3.4}
int iarray[]={1,2,3}; []为不指出元素个数情况，该数组有三个元素
short sarray[10]={0,1,1}; 三个初值给了数组的前三个元素，后面的元素初值统一为0

数组元素的索引：数组名[下标]，比如array[5]可以访问第6个元素

编译器不检查下标的合法性，所以要注意数组的范围，不然会无意修改了内存其他区域的值。

数组示例：

12.C风格字符串

“programming”就是一个字符串常量，看起来是11个字符，但其实是12个字符，因为C语言中规定字符串以’\0’（空字符）结束。
C用char型数组保存字符串，“programming”由12个元素的数组存储。
如：
char str[]={‘s’, ‘t’, ’r’, ‘i’, ‘n’, ‘g’, ‘\0’}
为了使用简单，C也支持char型数组的简便形式赋值：
char str[]=”string” 或 char str[10]=”string”（剩余元素值为0，即在char型下是空字符’\0’）

注意，字符串是一个字符数组（char型数组），但字符数组不一定是字符串，字符串必须以’\0’结束。
char cArray[]={‘s’, ‘t’, ’r’, ‘i’, ‘n’, ‘g’} 只是一个字符数组，但不是字符串，空字符串“”虽然没有内容，但是也占用一个字节，存放空字符’\0’。
字符串的输出可以使用cout，cout逐个输出字符串中的字符，直到遇到’\0’：
cout<<字符串常量
cout<<字符串变量（字符型数组，并且以’\0’结束）

字符串的cin输入

对于输入一个单词：
cin>>字符数组名，比如cin>>str，cin以回车字符或者空格字符作为输入结束的标记

对于输入一行：
cin.getline(字符数组名，数组规模)
cin.get(字符数组名，数组规模)
以回车字符或达到数组规模结束输入，区别：getline将回车的换行符丢弃，get会将换行符留在缓冲区放在下一次输入的最开始位置。

在早期C语言没有getline时候，只能使用get，但是get对于读入回车的处理会让人们对字符文本的逻辑容易出错，为了让get每次都只输入一行，并让回车不放在下一次输入的行中，我们使用无参数的cin.get()，cin.get()读入任意一个字符，包含回车。于是常见的输入格式为：
cin.get(str1,80);
cin.get(); //读入cin.get(str1,80);中的回车换行符
cin.get(str2,80); //此次输入的最开始就不再有换行符存在

字符串示例：

如果把cin.get()注释了：

我们发现不能输入address，这是因为，当我们输入year后，还有一个回车，这个回车被保留在输入队列，cin.getline(address,80)首先读入回车，误认为已经结束输入。

关于cin>>变量1>>变量2; 键盘输入变量1的值，回车（或者空格），再输入变量2的值，再回车（或者空格），才能执行后面语句；对于cin>>的方式，每一次执行>>前，都是变量值与空格放入缓冲区，变量值被赋值给变量，空格在输入队列中，下一次执行>>时，空格从队列中移除，队列中又是新的变量值+空格，然后变量值被赋值到下一个变量。

比如我们cin>>year; 我们输入1990，然后回车，1990与回车就被放到输入缓冲区中（队列），我们必须回车了机器才能将1990赋值给year，队列中剩下空格字符；

cin.get和cin.getline都是从缓冲区（输入队列）中读入，键盘的输入也是先进入队列，才被get和getline读到。

13.C++风格字符串

C语言没有字符串类型，所以操作起来是不方便的，因此C++出现了string类型；
string类型：专门处理字符串的类型，在头文件string中，在命名空间std下

为了输入带空格的字符串，应该使用std::getline(cin, str)，注意不是cin.getline

字符串示例：

可以看到，std::getline(cin, str)也是从缓冲区读，也是先读入了cin>>处引入的空格字符，如果我们在cin>>s1时，最后采用换行，那么getline将读到换行，误认为结束。

14.结构

结构类型：将描述一个复杂对象的多个部分组成一个整体

建立结构声明：描述结构的组成

struct book{
	char title[MAXTITL];
	char author[MAXAUTL];
	float value;
}

我们可以定义结构变量，也可以定义结构数组：book book1; book bookarray[10];

结构示例：

结构的成员可以只占若干位，也被称为结构的位字段，位字段的定义为：
类型 变量 : 位数(即bit)

z指定的位数决定了结构体变量d的大小，当z:29时，占用4个字节，共32位；此时，x,y,z相当于共用一个int变量（1个int刚好32位）；
当z:32时，需要使用8个字节，因为结构此时占用35位，需要根据成员类型自动补齐，35位超出1个int的空间，所以要两个int，一个用于存储z，另一个用于x,y的共享；
从int的视角看，成员存在共享，但从bit角度看，每个成员占用的位是不同的。

15.指针

指针：值为内存地址的变量，指针提供了间接访问的方式；

定义指针变量：类型名 *指针变量名，比如int *p;

运算符&：一元运算符，运算对象是变量，运算结果是变量的地址。

int *p, a;
p=&a; //将a的地址赋值给指针变量p

间接访问运算符*：一元运算符，运算对象是指针，运算结果是指针指向的变量，*p=*p * 2;

指针示例：

指针的注意事项：

16.动态内存分配

程序通过声明变量通知计算机为它准备好内存空间，这些信息是编译时就能确定的。每个变量对应一块内存空间。变量名是这块空间的名字，程序通过变量名访问对应的空间。

有时候编程时，我们不必为所有变量进行声明。我们可以采用动态内存分配节约空间。
动态内存分配：在程序运行时申请内存和释放内存的功能。

动态内存申请：在内存寻找一块大小合适的空间，返回起始地址。注意，动态分配的内存没有名字，只有地址，只能间接访问。（这也是C++需要指针的一个原因）

动态内存的申请方法：

类型 指针=new 类型 //申请一块保存某种类型数据的内存空间，返回申请到的内存地址
类型 指针=new 类型 [结果值为整数的表达式] //申请一块保存某种类型数组的内存空间，返回申请到的内存地址

对于int *array = new int [n]，实现了动态数组。

内存释放：通过变量声明获得的内存会在存储期结束时回收。但通过动态申请的空间不会被系统自动回收。
释放空间的运算：

delete 指针 //释放动态变量
delete [] 指针 //释放动态数组

delete的重要性：没有delete的动态内存一直被程序占用，特别是，当程序执行结束，这块空间依然被标识为被使用，这被称为内存泄漏。

动态内存示例1，可以看出，指针只是一个用于保存地址的变量，不管指向什么类型的变量，该指针都占用8字节（与操作系统64位有关），由于指针是变量，我们也能够对指针变量取其地址：

动态内存示例2：

17.指针运算

指针变量保存的是整数（所指变量的地址），我们可以对指针执行加减运算：
指针加1是加上一个基类型的长度；
指针减1是减去一个基类型的长度；
也就是说，具体是加减多少取决于基类的类型：

同理，我们写pi=pi+1也是一样的，pi的值增加4；

对于++a和a++：两个表达式的副效应都是令 a 增加 1 。区别在于表达式 a++ 的值是 a 自增前的值， ++a 的值是 a 自增后的值。（所以最好用++a形式）

指针与数组：数组名就是指针，因此指针运算应该与数组关联才有意义，因为我们可以利用数组名去访问内存；

但是数组名与指针变量的区别在于，数组名是指针常量，也就是说数组名（指针常量）的地址是不能修改的。

但我们可以将数组名赋给同类型的指针变量：int *ap=a，从而我们将指针变量指向了数组的第一个变量。

通过指针访问数组的示例：

sizeof不同的意义在于：注意明确数组和指针的区别，数组名虽然保存了数组首元素的地址，但数组本身是一个连续的变量组合，指针只是存放地址的变量。

18.指针与字符串

C风格的字符串使用一个char型数组存储，并以’\0’作为结束符；

由于数组名是一个指针，所以C风格的字符串可以用一个指向字符的指针表示。通常我们定义指针指向字符串（这个char型数组），并用const限定该指针变量指向的字符串只读（限制我们不能通过指针修改该字符串中的字符）；

const 与指针，分为三类：pointer to const，const pointer与const pointer to const

cstring库中的函数以及用cout输出时，都是从数组名对应的地址或从指针指向的地址开始处理到’\0’结束。

字符串示例如下，注意当指针指向char时，与指向其他类型不同，所以我们需要额外留意指针与字符串的读写问题：

19.动态结构

运行时通过new申请一个动态的结构变量

注意在访问动态成员时，(*指针).成员，由于成员运算符优先级高于*运算符，所以要加括号。为了避免疏忽括号的情况，我们可以使用指针运算符->来访问。

动态结构示例：

20.数组的替代品

C++中有两种数组的替代：vector和array

vector是一种动态数组，可以自动调整长度。
用法：包含头文件vector，定义时，需要指出数据类型和规模，规模可以是变量，不指出规模则规模为0；

array是效率高于vector的数组，但规模固定，array是C++11新增的类型。
用法：包含头文件array，定义时需要指出类型和规模，规模是常量。

array和vector相比普通数组的区别在于：array，vector支持整个对象的整体赋值，使用示例如下：

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