[C++知识库]C++Prime Plus(2)

21.for循环(1)

for循环作用：指定某段程序执行指定次数

格式：

for(计数器赋初值; 检查是否达到指定次数; 修正计数器值)
{
	计算过程;
}

我们使用for循环在计算机中的执行步骤为：

通常，for循环用在循环次数确定的场景中。

使用for访问字符串：字符串可以用字符数组，string类或指向字符的指针表示。

注意，虽然VS中写法为const char* str，但我们将鼠标移动至str变量，它的类型显式其实为const char *str，所以确实是pointer to const。

在C++11中，为了处理循环变量无规律变化的情况，新增了范围for；
格式：for (循环变量 : 数组或列表)；

22.for循环(2)

在for循环中，常用 + +运算符和 - -运算符，这是两个一元运算符；

前缀：++k
后缀：k++

两个运算符有前缀和后缀区别：表达式的值不同，前缀的表达式结果是运算对象本身，后缀的表达式是修改前的运算对象值；

C++中，任何一个二元运算符，只要形式为：”变量=变量 op 表达式”，都可以简写为：“变量 op=表达式”，op是二元运算符。
比如：x*=5等价于x=x+5；

逗号表达式：在只允许出现一个表达式的地方放多个表达式。
格式：表达式1，表达式2，…，表达式n
执行过程：依次执行表达式1，表达式2，…，整个表达式的执行结果是表达式n的值。
示例如下：

for循环中的关系表达式
作用：通过比较进行判断
格式：表达式1 关系运算符 表达式2，关系表达式的返回值：bool类型

当一个表达式出现多个关系运算符，按左结合性，C++先执行左边再执行右边。

字符串比较
C++风格的字符串比较：直接用关系运算符比较大小。
C风格的字符串比较：用cstring库中的函数strcmp。

举例：const char *s1=”abcde”; const char *s2=”aaaaaab”，在比较时，先比较第一个字符，两个都是a，比较下一个字符，s1中是b，值大于s2中的a，所以s1大于s2，应该返回正整数。

23.while循环

当循环次数不确定时，我们通常使用while循环。

格式：

while (测试条件)
	{循环体}

示例：显式C风格字符串中每个字符和对应的内码。

在上面示例中，我们使用cin将字符串输入到char型数组中。

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。

上面示例，我们用while循环访问字符串效率高于使用for，因为for循环需要结束条件（需要计算字符串长度strlen()，其中strlen()函数其实是已经遍历了一次字符串才知道长度的，所以for循环相当于遍历字符串两次，而while则是一次）；

示例：回显输入的字符并统计输入的字符数（进一步认识cin和输入队列或输入缓冲区）

过程分析：当我们用键盘输入字符串时，实际上都是不断向输入队列输入数据。只有当我们键入回车符，C++才会向输入队列读取数据。（所以我们在回车前，我们可以在控制台删除输入错误的字符，再重新输入）；

因此在上面示例中，我们虽然已经输入了#，但是由于没有回车，我们还可以输入后面的字符串。

当我们回车后，程序开始读输入队列，我们使用cin去读输入，cin的特点是以空格符和回车符作为每次的分隔（cin每次读到空格或者回车都会自动过滤这两种字符）。因此cin读到char中的字符是不会存在空格符和回车符的。当cin读#并存储到ch变量后，while循环结束。

完整回显式的解决方案：
用get函数，注意原型是cin.get(char)，可以读入空格符和回车符；
不是cin.getline(字符数组名，数组规模)
不是cin.get(字符数组名，数组规模)

因此，修改为：

由于#可能是文本中本来存在的字符，因此，我们更需要一个键盘上没有的字符作为结束符。
我们应该用文件结束符EOF作为结束标记。
EOF是一个符号常量，表示文件结束。就像Linux的一切皆文件，C++的控制台可以看作文件，键盘是输入文件，显示器是输出文件。因此读键盘（其实是读输入队列）就是在读文件。当读到EOF时，就结束。

EOF的输入：Unix系统：Ctrl+D，Dos系统（Win）：Ctrl+z
在C++中，当cin.get(char)读到EOF后，cin.fail()会返回true，因此，我们有以下示例：

再次强调cin.get(char)，cin.get(char)其实已经把回车符读入了，因为在控制台上可以看到，回显字符串后我们输入EOF时已经在下一行，说明回显已经包含了回车符。
另外，观察到Ctrl+z与36 chars read之间空了一行，那一行其实是我们输入Ctrl+z后键入回车符导致的。键入那个回车符代表光标已经来到下一行，但是cout<<count之前，我们cout了endl，所以光标又下移一行。因此出现了空一行的现象。

24.do while循环

先执行循环体，再判断循环条件表达式。格式：

do
	{循环体}
while(测试条件);

示例：输入并回显字符，直到遇到#，输出#并输出字符数（包含#）

25.二维数组与嵌套循环

二维数组：一维数组的数组
定义：类型名 数组名[常量1][常量2]，常量1是一维数组的数量，常量2是一维数组的元素数。比如int a[3][4]

二维数组的初始化和元素表示：

二维数组的访问：用两层嵌套的for循环

三种字符串数组的表示：

26.if语句

第一种：if 后为then子句；
例如：统计输入字符中的空格数和总字符数

注意回顾缓冲区的原理，每次换行后，键盘输入的字符串被送到缓冲区，程序读缓冲区的数据并执行各种功能。

第二种：if条件不满足时，由else子句执行；
例如：将输入字符回显成字母表的下一字符：

第三种：if语句的嵌套，if语句的then子句或else子句是if语句

27.逻辑表达式

前面的那些表达式：比较谁大谁小，是否相等，这些是关系表达式。为了处理更复杂的条件，我们应使用逻辑表达式。
逻辑运算符：与&&（二元运算符） 或||（二元运算符） 非!（一元运算符）
真值表为：


结合性为左结合，先计算左边。

对于逻辑表达式的运算对象：0表示false，非0表示true，不同于bool类型。

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。

注意以下次序问题：a为非0，即true，对于||，有一个为true，结果就为true，所以后面的b+=a就不会计算，因此b不是8而是3。

示例：避免输入的整数超出合法范围

28.条件表达式

示例：输出两个整数的最大者

29.switch语句

if语句和条件表达式只有两个分支，为了处理多个分支，我们应该使用switch语句

break语句与多分支，break可以跳出当前的switch语句

switch与break配合使用才能实现多分支

示例：菜单选择

break与continue

30.文件概念

文件是存储在外存储器中的数据集合，程序运行时可以从文件中获取信息，不一定要从键盘输入。

C++将文件看成是一串流动的数据，称为数据流，从外围设备流入程序的数据称为输入流，从程序流向外围设备的数据称为输出流，每个数据流表示为一个对象。

C++将控制台输入输出看成是一个文本文件：

文件类fstream，用于文件访问，需要包含头文件fstream，之后：
读文件：定义ifstream类的对象；
写文件：定义ofstream类的对象；
读写文件：定义fstream类的对象；

比如：

31.文本文件的输入输出

根据上一节的内容，我们需要遵循以下流程：
1.包含头文件fstream
2.定义一个文件流对象
3.将对象与被访问的文件关联起来
4.从文件读取数据
5.关闭文件

示例：写文件

读文件示例：从文件读取一组实数，计算总和与均值

注意到inFile.fail()，其实inFile就像cin，我们用inFile向内存读入文件中的内容，即输入队列中的逐个对象读入value，由于value是double型，当遇到非数值的对象时，inFlie.fail()返回true 1。

32.函数详解(1)回顾

函数定义：

函数原型声明：让编译器检查函数调用的正确性；

函数调用：

函数示例：

33.函数详解(2)参数传递

C++中，参数传递的默认方式为值传递（将数值传给函数）

函数中创建形式参数，为形式参数分配空间，将实际参数作为初值。

对于多个参数，实际参数间用逗号分开。

实际参数可以是一个表达式，比如：

示例，计算m^n

34.函数详解(3)数组传递

数组传递：函数的参数是一组同类变量；
数组传递需要两个参数：数组名，长度；
比如计算一组整数的和：int sum(int a[], int size);

示例：

注意实际参数传递时：sum_arr(cookies, ArSize); 数组名字是数组首元素的地址，数组名是指针常量，
因此，数组传递其实传递的不是数组，而是地址（等价于sum_arr(&cookies[0], ArSize);），所以我们可以用指针作为函数的参数。

数组名是一个指针，数组传递可以用指针表示：
int sum_arr(int* arr, int n);
实际参数也可以表示成指针：
int *p=&cookies[0]; 或者int *p=cookies;
sum=sum_arr(p, ArSize);

用指针形式使得数组参数的处理更灵活，比如我们要求从第3个元素开始的元素之和：

int *p=cookies+2;
sum=sum_arr(p, ArSize);

数组传递中传递的是数组的起始地址，不需要像值传递中需要为所有对象开辟空间，所以数组传递更节省空间；

示例：输入，修改，显示数组

注意到值的问题：

可以发现，在值传递时，经过调用函数，实际参数在函数退出后并未被修改，但在数组传递时，调用函数退出函数后，数组内容被修改了。

实际上，函数的参数传递是将实际参数拷贝到形式参数上，由于数组传递拷贝的是地址，这导致地址下的内容确实被修改了，而值传递就不会受到影响，被修改的只是拷贝的值，在函数退出后，该拷贝值就自动被栈回收了。

35.函数详解(4)C风格字符串

C风格的字符串是用字符数组表示，注意最后有结束符’\0’；

字符串传递，由于有结束符这个特点；
我们只需要一个参数，字符数组名 或者 指向字符的指针。函数从数组名中的地址开始一直处理到’\0’。

示例：

字符串也可以为返回值，返回一个指向字符的指针。

注意指针指向的空间必须是离开函数后依然可用的，该空间不应该来自局部自动变量，所以我们通常用动态内存来实现。

因为，如果只返回一个指针，我们只能返回该指针的地址，函数退出后，地址对应的内容已经被回收（如果是局部自动变量）。

示例：

36.递归概念

适用条件：求解一个问题时，需要用到同类问题的解。此时可以通过调用自身获得同类问题的解。比如汉诺塔问题。

递归函数：调用自身的函数

递归函数必须满足两个特点：1.调用自身；2.有终止条件。

递归解决汉诺塔问题：假设有一个function可以实现将n个盘从A经过B移动到C；
1.n-1个盘从A经过C移动到B；（调用function，改变参数位置，注意问题规模已经缩小到n-1）
2.第n个盘直接从A移动到C；
3.n-1个盘从B经过A移动到C；（调用function，改变参数位置，注意到问题规模已经缩小到n-1）
注意：我们要加上终止条件。

递归函数的示例：

该示例演示了函数从栈申请内存的过程，逐层调用，最后回溯归还内存，以下图解方便理解：

递归与倒序
递归函数执行时，最先完整执行的是最后一次调用的函数，所以递归常用于倒序处理；
例如，输出一个十进制数n的二进制表示：
初始想法：依次输出二进制的第一位，第二位，…，最后一位
问题：如何得到第一位；
提示：得到最后一位很方便，奇数为1，偶数为0；
解决方案：先以二进制输出n/2，再输出最后一位。

37.函数指针

前面我们知道，对于变量，我们可以通过变量名直接访问，也可以利用指针间接访问。
事实上，指针不仅能保存变量的地址，也可以保存函数的地址。
保存函数地址的指针被称为函数指针。

定义指向函数的指针：

返回类型 (*指针变量名) (形式参数列表);

注意：我们必须在 *指针变量名 加括号，不然编译器会将该声明视为函数返回的值是指针。

我们可以将函数指针作为函数名使用，也可以用*运算符来间接调用函数；

为什么我们要这么麻烦地用指针间接调用函数？因为我们可以将指向函数的指针作为函数的参数。

例如：


调用时，可以用(*pf)(lines)，也可以用 pf(lines)
总结：指向函数的指针用于将函数作为另一个函数的参数。

38.内联函数

在C语言发展到C++后，新增了一类函数，叫内联函数。
内联函数：有函数的形式，但是没有函数调用的代价，我们知道，函数调用存在代价，A函数调用B函数时，先把A暂停，将实际参数拷贝到形式参数，然后执行B，再返回值，继续执行A，可以看到，函数调用会产生额外的代价。

针对简单的函数，传统的调用反而开销相对过大，所以我们应该使用内联函数。

格式：inline 返回类型 函数名 (形式参数列表);
内联函数的定义必须出现在函数调用之前。

示例：

39.引用变量

引用变量实际上是变量的别名；
引用变量声明：

类型 &变量名=已有的同类变量;

如：int k;
    int &j=k;

用途
对引用变量操作其实是在对被引用变量进行操作。
因此，我们可以将引用变量作为函数的参数，使形式参数是实际参数的别名，从而代替指针传递，使得函数可以修改到实际参数。

引用传递的示例：

引用传递会修改实际参数，如果想让引用传递代替值传递，需要在形式参数前面加const限定；

引用返回（返回一个引用变量）
格式：

类型& 函数名 (形式参数表);

函数最后返回的必须是一个变量名（所以不可以返回非变量名的表达式）；
作用：
将函数用于赋值运算符的左边，即作为左值。
比如：

注意，返回值必须是离开函数后依然存在的左值，如果在返回类型前加const，此时函数不能作为左值。

40.函数参数的默认值

对于某些函数，程序往往会用一些固定的值去调用它；
例如对于以某种数制输出整型数的函数print：void print(int value, int base);
在大多数情况下都是以十进制输出，因此base值总是10；

C++在定义或声明函数时可以为函数的某个参数指定默认值，当调用函数时没有为它指定实际参数时，系统自动将默认值赋给形式参数。

默认参数的好处，使函数应用更灵活，方便

默认参数的示例：

注意函数参数的默认值是在原型声明中指定的，编译器根据原型检查函数调用的正确性，不同的源文件可以指定不同的默认值，使函数使用更加灵活。

默认值参数都必须放在参数列表的最后。

41.函数重载

一组同名函数，比如：

函数特征标：函数的参数数目，类型，及排列顺序，
对于重载函数，必须有不同的函数特征标。

示例：

42.函数模板(1)定义与使用

当我们处理不同相似类型的数据时（比如对int和double都只要执行相同的处理过程），结果需要写两个重载函数，比较麻烦，所以C++提出函数模板；

在函数模板中，用参数表示函数中的变量类型，调用时，用具体的类型代入，形成一个真正的函数。

作用：实现通用函数

在写函数模板时，占位符T可以由template<typename T>声明，
也可以由template<class T>声明。

示例：

显式地实例化
使用函数模板时，为了强制明确参数与返回值类型，我们可以在调用时，在函数名后面明确指出模板的实际参数：

函数名<模板实际参数表>(函数的实际参数表);

在C++11中，我们可以使用尾置返回类型，让编译器自动推断返回类型
格式：

auto 函数名 (形式参数列表)-> decltype(表达式)

比如：

43.函数模板(2)函数模板的重载

函数模板的重载：一组同名的函数模板，注意重载函数模板必须有不同的函数特征标；

44.函数模板(3)模板的具体化

函数模板是泛型编程（处理过程相同，只是数据类型不同）的实现方式。

有时候，为了缩小泛型编程的范围，我们可以在定义函数模板时，就对模板进行具体的实例化（模板特化）。

编译器在调用函数时：
先检查是否是普通函数；
再检查是否是模板特化函数；
再检查是否是普通的模板。

示例：


对于上面的场景，当没有重载要求时，我们也可以用普通模板实现结构的成员交换：

45.多文件程序

之前的程序都是仅基于一个源文件，实际项目通常很大，我们应该使用多文件程序。

程序是函数组成的，函数数量不多时，可以用一个源文存放。函数数量很多时，可以分别放在多个文件中。

文件分类
源文件：函数定义；
头文件：程序中声明的结构类型，符号常量，函数原型；

每个源文件包含一组函数，源文件划分通常遵循以下习惯：
main函数单独放在一个源文件中；
功能类似的函数放在一个源文件；
关系比较密切的函数放在一个源文件。

多个源文件的程序，如果一个源文件A中的函数需要调用另一个源文件B中的函数f，需要在A中声明函数f；
解决方案：使用头文件，各个源文件可包含此头文件

示例：

自定义的头文件用include " "

注意到两个cpp都包含了头文件，在链接两个源文件时，会出现重复声明的情况，为了避免重复声明，我们需要使用头文件保护符：

意义是，当声明过时，标识符成立，比如#ifndef代表标识符还未定义，则我们#define标识符，于是执行#endif前面的声明。

事实上，在避免包含多次声明问题上，常有两种做法：

方式一：
#ifndef  __SOMEFILE_H__
#define   __SOMEFILE_H__
 ... ... // 声明、定义语句
#endif

方式二：
#pragmaonce
 ... ... // 声明、定义语句

46.多文件的编译和链接

在不同环境下，有不同的方式实现编译和链接。

在命令行界面下，通常我们使用：
编译命令 一组源文件名

比如在UNIX中，如果安装了C语言编译器cc，现在一个项目包含两个源文件，我们可以用以下方式编译链接：

cc file1.cpp file2.cpp

如果在IDE（集成开发环境），比如Visual Studio中，则可以通过RUN直接实现编译链接和运行。

47.变量的作用域

C++中，变量有两个性质：作用域和存储持续性

作用域：程序中可以使用该变量的区域，可以是一个复合语句，函数，源文件或整个程序；

存储持续性：变量在内存中保留多长时间。

注意区分两个特性：作用域只是描述程序可以使用变量的区域，持续性是描述变量在内存中何时被回收。

作用域分为两种：块作用域和文件作用域

块作用域：一个复合语句内或函数内部声明的变量，包括函数的形式参数，从定义开始到该复合语句或函数结束。

文件作用域：声明函数外的变量，从定义开始到文件末尾有效。

全局作用域 或 程序作用域：可以被本程序的其他函数或文件使用的文件作用域变量；

作用域是程序的一个区域，一般来说有三个地方可以定义变量：
? 在函数或一个代码块内部声明的变量，称为局部变量。
? 在函数参数的定义中声明的变量，称为形式参数。
? 在所有函数外部声明的变量，称为全局变量。

作用域示例：

48.变量的存储持续性(1)-自动持续性

存储持续性描述变量在内存中保留的时间。
存储持续性分为两类：自动 和 静态（程序执行结束才回收）

块和函数中声明的变量（包括形式参数）默认都是自动变量；
可以显式地用关键词auto或register声明；
比如：

int x; 
auto int x; 
register int x; //希望变量在寄存器中，可以加快读写速度

在定义时生成，所在块或函数执行结束后被回收；

循环或if语句即使没有括号也是一个块，也可以定义自动变量；
比如：for(int k=0; k<10; ++k) cout<<k<<endl;

示例：

49.变量地存储持续性(2)-静态持续性

静态变量：当程序运行结束变量才被回收，静态变量一旦生成，在整个程序运行期间都存在。

对于静态变量，如果定义时没有指定初值，编译器会将值设为0；

静态变量有三种：
1.外部链接
2.内部链接
3.无链接

外部链接
外部链接也称为外部变量，整个程序的所有函数都可以使用。变量只能定义一次，但可以在多处声明。

链接全局变量时的声明，需要加extern，注意到，在这个多文件例子中，我们没有包含头文件就能使用f()函数，因为我们已经在file1中声明了file2的函数（头文件只是在链接时把声明语句链接到了file1中）。

内部链接
只有本文件中的函数可用。定义在文件开头，用static关键字说明，比如：static int x;

无链接
函数或块中用关键字static修饰的变量。
首次进入函数或语句块时生成，函数执行结束后并不回收，下次进入函数时也不重新生成，依然在原有空间下。

补充：
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。

cin.get的重载：
无参数的cin.get()，cin.get()读入任意一个字符，包含回车。
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。
cin.get(char)，可以读入空格符和回车符。

50.命名空间

名字空间的用途：防止名字的冲突。
名字包括：变量名，函数名，结构名，类名等。

局部变量：不同的函数可以有同名的局部变量。

成员名：不同的结构，类中可以有同名的成员。

不允许同名的情况：全局变量，函数，类。

名字空间：声明名称的区域，一个名字空间中的名字不会与另一个名字空间中的名字冲突。

创建名字空间：

Namespace 名字空间名 { 名字声明 }

比如：

名字空间的引用：

名字空间名 :: 名字

比如：

using声明

using 名字空间 :: 成员;

作用：将该成员加入到当前作用域，在此作用域中引用该成员不需要加名字空间名的限定。
比如：

using编译指令

using namespace 名字空间名;

作用：将该名字空间的成员加入到当前作用域，在此作用域中引用该名字空间的成员不需要加名字空间名的限定。
比如：

示例：

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