跳转至

01: C++ 语言基础 (C++ Basics)

C++ 简介

什么是 C++？

C++ 由 Bjarne Stroustrup 于 1979 年在贝尔实验室开发，最初名为 "C with Classes"，1983 年更名为 C++。它是一种静态类型、编译式、通用的编程语言。

Note

C++ 名字的由来

C++ 中的 ++ 是 C 语言的自增运算符，即 "C 语言 +1"。

核心特点

  • 高性能: 接近汇编的运行效率
  • 面向对象: 封装（encapsulation）、继承（inheritance）、多态（polymorphism）
  • 通用: 从操作系统到游戏引擎，从嵌入式到数据库
  • 持续更新: 三年一更新（虽然标准拖很久）

C++ 的应用领域

领域 典型应用
操作系统 Windows、Linux 内核部分
游戏开发 Unreal Engine、Unity 底层
嵌入式 物联网设备、自动驾驶
金融系统 高频交易引擎
图形处理 OpenCV、CAD 软件

C++ 与 C 语言的关系

C++ 是 C 语言的超集——几乎所有 C 代码无需修改即可在 C++ 编译器中编译运行。

Important

C++ 对 C 的增强

  • 面向对象机制（类与对象，class and object）
  • 更严格的类型检查（const 关键字）
  • I/O 流（cout/cin）替代 printf/scanf
  • 命名空间（namespace）解决命名冲突
  • bool 布尔类型

从结构化编程到面向对象编程

维度 结构化编程（C） 面向对象编程（C++）
核心 以过程为中心 以对象为中心
数据 与函数分离，全局共享 封装在对象内部
组织 按功能切分代码 按实体映射
扩展性 规模大时维护困难 高内聚低耦合

First C++ Program

C++
1
2
3
4
5
6
7
8
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, World!" << endl;
    cout << "Welcome to C++!" << endl;
    return 0;
}

代码结构解析

  1. #include <iostream>: 预处理指令，引入输入输出流库
  2. using namespace std;: 使用标准命名空间，简化代码
  3. int main() { ... }: 程序入口函数，所有 C++ 程序从这里开始
  4. cout << ... << endl;: 输出语句，endl 换行并刷新缓冲区
  5. return 0;: 向操作系统返回执行成功状态

Warning

cout 与 printf 的区别

  • cout 是类型安全的 I/O 流，编译器自动推导类型；
  • printf 依赖格式化字符串，类型不匹配时可能产生未定义行为。

注释 (Comments)

C++
1
2
3
4
5
6
// 这是单行注释

/*
  这是多行注释
  可以跨越多行
*/

变量与数据类型

变量的声明与初始化

C++
1
2
3
4
int a;              // 声明但不初始化（未定义初值）
int x, y, z;        // 一行声明多个变量
int score = 100;    // 传统赋值初始化
double pi{3.14};    // C++11 统一初始化

Warning

未初始化变量的危险

声明变量时不进行初始化，变量的值将是未定义的（一般会分配随机值），后续使用可能导致不可预测的错误。

命名规则： - 只能包含字母、数字和下划线，不能以数字开头 - 严格区分大小写，age 和 Age 是两个变量 - 不能使用 C++ 关键字，如 int, if, while） - 推荐使用有意义的名称，如 studentName, totalScore - 推荐使用驼峰命名法（camelCase）或下划线命名法（snake_case）

基本数据类型

类型 大小 范围 场景
short 至少 2 字节 \(-2^{15}\) ~ \(2^{15}-1\) 存储小范围数值
int 通常 4 字节 \(-2^{31}\) ~ \(2^{31}-1\) 最常用整数类型
long 至少 4 字节 至少与 int 相同 更大范围的整数
long long 8 字节 \(-9\times10^{18}\) ~ \(9\times10^{18}\) 超大数值
float 4 字节 \(\pm3.4\times10^{38}\)，约 6-7 位有效数字 图形计算等
double 8 字节 \(\pm1.7\times10^{308}\)，约 15-16 位有效数字 科学计算（默认浮点类型）
char 1 字节 -128 ~ 127 或 0 ~ 255 存储单个字符
bool 1 字节 true (1) 或 false (0) 逻辑判断

Note

浮点数精度问题

浮点数是近似表示，存在精度误差（如可能产生 \(0.1 + 0.2 \neq 0.3\)）。比较浮点数时避免使用 ==，应判断差值是否小于极小阈值 EPS = 1e-9

字符类型与转义字符

C++
1
2
char ch1 = 'A';     // 普通字符
char ch2 = '\n';    // 换行转义字符

常用转义字符：

转义字符 含义
\n 换行 (Newline)
\t 水平制表符 (Tab)
\\ 反斜杠本身
\' 单引号
\" 双引号
\0 空字符，一般用于字符串末尾，作为字符串结束标志

布尔类型

C++
1
2
3
4
5
6
bool isSunny = true;     // 真 (1)
bool isRaining = false;  // 假 (0)

if (isSunny) {
    cout << "Sunny day!";
}

Tip

非零即真

C++ 中任何非零数值被视为 true，零被视为 false。我们时常用 if (x) 代替 if (x != 0)；if (!x) 代替 if (x == 0)。

const 常量

一般定义常量有以下两种方式：

C++
1
2
const double PI = 3.14159;
#define PI 3.14159

一般使用第一种方式（编译时会做类型检查）

Important

const vs #define

const 有明确的数据类型，编译器会做类型检查；#define 只是简单的文本替换，不检查类型。

C++11 现代初始化特性

统一初始化 (Uniform Initialization)：使用 {} 进行初始化，能防止类型收窄：

C++
1
2
int x{42};       // 编译通过
// int y{3.14};  // 编译错误：禁止窄化转换

auto 类型推导：编译器自动推断变量类型：

C++
1
2
auto ptr = std::make_unique<int>(42);
auto it = myMap.begin();       // 有时模板类型名会很长，auto 也可以简化代码

decltype 类型查询：查询表达式或变量的实际类型：

C++
1
2
int x = 10;
decltype(x) y = 20;

这里 decltype(x) 表示 y 的类型与 x 相同，即 int，后半部分将 y 初始化为 20

nullptr：类型安全的空指针，替代 NULL 和 0。

using 别名：支持模板别名

C++
1
2
template <typename T>
using Vec = std::vector<T>;  // Vec<int> 即 vector<int>

输入与输出

cout 输出语句

C++
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
// 输出字符串
cout << "Hello, World!" << endl;

// 输出变量拼接
string name = "Alice";
int age = 25;
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;

// 转义字符
cout << "Line 1\nLine 2" << endl;
cout << "He said: \"Hi!\"" << endl;

上面代码的输出为

Bash
1
2
3
4
5
Hello, World!
Name: Alice, Age: 25
Line 1
Line 2
He said: "Hi!"

cin 输入语句

C++
1
2
3
4
5
6
7
8
int a, b, c;
double x, y;

cout << "请输入三个整数：";
cin >> a >> b >> c;

cout << "请输入两个浮点数：";
cin >> x >> y;

Note

cin 自动忽略空白字符

cin 会自动忽略输入中的空格、回车、制表符。

运算符

算术运算符 (Arithmetic Operators)

运算符 含义 示例
+ 加法 a + b
- 减法 a - b
* 乘法 a * b
/ 除法 a / b（整数除法截断）
% 取模 a % b（仅整数）

赋值运算符

C++
1
2
3
4
5
int a = 10;
a += 5;   // a = a + 5
a -= 3;   // a = a - 3
a *= 2;   // a = a * 2
a /= 4;   // a = a / 4

关系运算符

运算符 含义
== 等于
!= 不等于
< 小于
> 大于
<= 小于等于
>= 大于等于

逻辑运算符

运算符 含义 说明
&& 逻辑与 两边都为真才为真
|| 逻辑或 一边为真即为真
! 逻辑非 取反

自增自减运算符

C++
1
2
3
4
5
6
7
int a = 5, b;

// 前置：先自增，后使用
b = ++a;   // a=6, b=6

// 后置：先使用，后自增
b = a++;   // b=6, a=7

Tip

记忆口诀

什么在前就先执行什么。运算符在前就先执行运算符，变量在前就先取变量值。

运算符优先级（简表）

优先级 运算符 结合性
1 (高) () 左结合
2 ! ++ -- - (负号) 右结合
3 * / % 左结合
4 + - 左结合
5 < <= > >= 左结合
6 == != 左结合
7 && 左结合
8 (低) || 左结合

流程控制

条件语句 (Conditional Statements)

if / if-else / else if

一个简单的成绩等级判断示例：

C++
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
if (score >= 90) {
    cout << "A";
} else if (score >= 80) {
    cout << "B";
} else if (score >= 70) {
    cout << "C";
} else if (score >= 60) {
    cout << "D";
} else {
    cout << "F";
}

switch 语句

C++
1
2
3
4
5
6
7
8
9
int choice;
cin >> choice;

switch (choice) {
    case 1: cout << "Game Start"; break;
    case 2: cout << "Settings";   break;
    case 3: cout << "Exit";       break;
    default: cout << "Invalid";
}

Warning

别忘了 break

每个 case 末尾必须有 break，否则会"贯穿"（fall-through）到下一个 case。

循环语句 (Loop Statements)

while 循环

先判断后执行，如果第一次判断条件不满足，循环体不会被执行

C++
1
2
3
4
int product = 3;
while (product <= 100) {
    product *= 3;
}

do-while 循环

先执行，后根据执行后的状态进行判断，也就是说至少执行一次

C++
1
2
3
4
5
int password;
do {
    cout << "请输入密码：";
    cin >> password;
} while (password != 123456);

for 循环

C++
1
2
3
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
    cout << i << " ";
}

Tip

for 循环的灵活用法

  • for(;;): 无限循环，配合 break 退出
  • 逗号运算符扩展：for (int i=0, j=10; i<j; i++, j--)

嵌套循环：九九乘法表

C++
1
2
3
4
5
6
for (int i = 1; i <= 9; i++) {
    for (int j = 1; j <= i; j++) {
        cout << j << "x" << i << "=" << i*j << "\t";
    }
    cout << endl;
}

跳转语句 (Jump Statements)

语句 作用
break 跳出当前循环或 switch
continue 跳过当前迭代剩余部分，进入下一次迭代

Note

嵌套循环中的作用范围

break 和 continue 只作用于最近一层循环。

编程规范与良好习惯

  • 数据隐藏: 始终将数据成员设为 private，通过公有接口访问
  • 接口清晰: 隐藏复杂实现，提供简洁的公有接口
  • 初始化: 始终通过构造函数初始化对象，避免未初始化
  • 合理使用 const: 不修改对象状态的成员函数声明为 const
  • 声明与实现分离: .h 放声明，.cpp 放实现
  • 头文件保护: 使用 #ifndef / #define / #endif 或 #pragma once

编译与运行

Bash
1
2
3
4
5
6
# 编译
g++ -o main main.cpp

# 运行
./main            # Linux/Mac
# .\main.exe      # Windows