C++ 简明教程
C++是一种系统编程语言。用它的发明者, Bjarne Stroustrup的话来说,C++的设计目标是:
- 成为“更好的C语言”
- 支持数据的抽象与封装
- 支持面向对象编程
- 支持泛型编程
C++提供了对硬件的紧密控制(正如C语言一样), 能够编译为机器语言,由处理器直接执行。 与此同时,它也提供了泛型、异常和类等高层功能。 虽然C++的语法可能比某些出现较晚的语言更复杂,它仍然得到了人们的青睞—— 功能与速度的平衡使C++成为了目前应用最广泛的系统编程语言之一。
//////////////// // 与C语言的比较 //////////////// // C++_几乎_是C语言的一个超集,它与C语言的基本语法有许多相同之处, // 例如变量和函数的声明,原生数据类型等等。 // 和C语言一样,在C++中,你的程序会从main()开始执行, // 该函数的返回值应当为int型,这个返回值会作为程序的退出状态值。 // 不过,大多数的编译器(gcc,clang等)也接受 void main() 的函数原型。 // (参见 http://en.wikipedia.org/wiki/Exit_status 来获取更多信息) int main(int argc, char** argv) { // 和C语言一样,命令行参数通过argc和argv传递。 // argc代表命令行参数的数量, // 而argv是一个包含“C语言风格字符串”(char *)的数组, // 其中每个字符串代表一个命令行参数的内容, // 首个命令行参数是调用该程序时所使用的名称。 // 如果你不关心命令行参数的值,argc和argv可以被忽略。 // 此时,你可以用int main()作为函数原型。 // 退出状态值为0时,表示程序执行成功 ; } // 然而,C++和C语言也有一些区别: // 在C++中,字符字面量的大小是一个字节。 // 在C语言中,字符字面量的大小与int相同。 ) // C++的函数原型与函数定义是严格匹配的 void func(); // 这个函数不能接受任何参数 // 而在C语言中 void func(); // 这个函数能接受任意数量的参数 // 在C++中,用nullptr代替C语言中的NULL int* ip = nullptr; // C++也可以使用C语言的标准头文件, // 但是需要加上前缀“c”并去掉末尾的“.h”。 #include <cstdio> int main() { printf("Hello, world!\n"); ; } /////////// // 函数重载 /////////// // C++支持函数重载,你可以定义一组名称相同而参数不同的函数。 void print(char const* myString) { printf("String %s\n", myString); } void print(int myInt) { printf("My int is %d", myInt); } int main() { print("Hello"); // 解析为 void print(const char*) print(); // 解析为 void print(int) } /////////////////// // 函数参数的默认值 /////////////////// // 你可以为函数的参数指定默认值, // 它们将会在调用者没有提供相应参数时被使用。 , ) { // 对两个参数进行一些操作 } int main() { doSomethingWithInts(); // a = 1, b = 4 doSomethingWithInts(); // a = 20, b = 4 doSomethingWithInts(, ); // a = 20, b = 5 } // 默认参数必须放在所有的常规参数之后。 , int b) // 这是错误的! { } /////////// // 命名空间 /////////// // 命名空间为变量、函数和其他声明提供了分离的的作用域。 // 命名空间可以嵌套使用。 namespace First { namespace Nested { void foo() { printf("This is First::Nested::foo\n"); } } // 结束嵌套的命名空间Nested } // 结束命名空间First namespace Second { void foo() { printf("This is Second::foo\n") } } void foo() { printf("This is global foo\n"); } int main() { // 如果没有特别指定,就从“Second”中取得所需的内容。 using namespace Second; foo(); // 显示“This is Second::foo” First::Nested::foo(); // 显示“This is First::Nested::foo” ::foo(); // 显示“This is global foo” } //////////// // 输入/输出 //////////// // C++使用“流”来输入输出。<<是流的插入运算符,>>是流提取运算符。 // cin、cout、和cerr分别代表 // stdin(标准输入)、stdout(标准输出)和stderr(标准错误)。 #include <iostream> // 引入包含输入/输出流的头文件 using namespace std; // 输入输出流在std命名空间(也就是标准库)中。 int main() { int myInt; // 在标准输出(终端/显示器)中显示 cout << "Enter your favorite number:\n"; // 从标准输入(键盘)获得一个值 cin >> myInt; // cout也提供了格式化功能 cout << "Your favorite number is " << myInt << "\n"; // 显示“Your favorite number is <myInt>” cerr << "Used for error messages"; } ///////// // 字符串 ///////// // C++中的字符串是对象,它们有很多成员函数 #include <string> using namespace std; // 字符串也在std命名空间(标准库)中。 string myString = "Hello"; string myOtherString = " World"; // + 可以用于连接字符串。 cout << myString + myOtherString; // "Hello World" cout << myString + " You"; // "Hello You" // C++中的字符串是可变的,具有“值语义”。 myString.append(" Dog"); cout << myString; // "Hello Dog" ///////////// // 引用 ///////////// // 除了支持C语言中的指针类型以外,C++还提供了_引用_。 // 引用是一种特殊的指针类型,一旦被定义就不能重新赋值,并且不能被设置为空值。 // 使用引用时的语法与原变量相同: // 也就是说,对引用类型进行解引用时,不需要使用*; // 赋值时也不需要用&来取地址。 using namespace std; string foo = "I am foo"; string bar = "I am bar"; string& fooRef = foo; // 建立了一个对foo的引用。 fooRef += ". Hi!"; // 通过引用来修改foo的值 cout << fooRef; // "I am foo. Hi!" // 这句话的并不会改变fooRef的指向,其效果与“foo = bar”相同。 // 也就是说,在执行这条语句之后,foo == "I am bar"。 fooRef = bar; const string& barRef = bar; // 建立指向bar的常量引用。 // 和C语言中一样,(指针和引用)声明为常量时,对应的值不能被修改。 barRef += ". Hi!"; // 这是错误的,不能修改一个常量引用的值。 /////////////////// // 类与面向对象编程 /////////////////// // 有关类的第一个示例 #include <iostream> // 声明一个类。 // 类通常在头文件(.h或.hpp)中声明。 class Dog { // 成员变量和成员函数默认情况下是私有(private)的。 std::string name; int weight; // 在这个标签之后,所有声明都是公有(public)的, // 直到重新指定“private:”(私有继承)或“protected:”(保护继承)为止 public: // 默认的构造器 Dog(); // 这里是成员函数声明的一个例子。 // 可以注意到,我们在此处使用了std::string,而不是using namespace std // 语句using namespace绝不应当出现在头文件当中。 void setName(const std::string& dogsName); void setWeight(int dogsWeight); // 如果一个函数不对对象的状态进行修改, // 应当在声明中加上const。 // 这样,你就可以对一个以常量方式引用的对象执行该操作。 // 同时可以注意到,当父类的成员函数需要被子类重写时, // 父类中的函数必须被显式声明为_虚函数(virtual)_。 // 考虑到性能方面的因素,函数默认情况下不会被声明为虚函数。 virtual void print() const; // 函数也可以在class body内部定义。 // 这样定义的函数会自动成为内联函数。 void bark() const { std::cout << name << " barks!\n" } // 除了构造器以外,C++还提供了析构器。 // 当一个对象被删除或者脱离其定义域时,它的析构函数会被调用。 // 这使得RAII这样的强大范式(参见下文)成为可能。 // 为了衍生出子类来,基类的析构函数必须定义为虚函数。 virtual ~Dog(); }; // 在类的定义之后,要加一个分号 // 类的成员函数通常在.cpp文件中实现。 void Dog::Dog() { std::cout << "A dog has been constructed\n"; } // 对象(例如字符串)应当以引用的形式传递, // 对于不需要修改的对象,最好使用常量引用。 void Dog::setName(const std::string& dogsName) { name = dogsName; } void Dog::setWeight(int dogsWeight) { weight = dogsWeight; } // 虚函数的virtual关键字只需要在声明时使用,不需要在定义时重复 void Dog::print() const { std::cout << "Dog is " << name << " and weighs " << weight << "kg\n"; } void Dog::~Dog() { std::cout << "Goodbye " << name << "\n"; } int main() { Dog myDog; // 此时显示“A dog has been constructed” myDog.setName("Barkley"); myDog.setWeight(); myDog.print(); // 显示“Dog is Barkley and weighs 10 kg” ; } // 显示“Goodbye Barkley” // 继承: // 这个类继承了Dog类中的公有(public)和保护(protected)对象 class OwnedDog : public Dog { void setOwner(const std::string& dogsOwner) // 重写OwnedDogs类的print方法。 // 如果你不熟悉子类多态的话,可以参考这个页面中的概述: // http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%90%E7%B1%BB%E5%9E%8B // override关键字是可选的,它确保你所重写的是基类中的方法。 void print() const override; private: std::string owner; }; // 与此同时,在对应的.cpp文件里: void OwnedDog::setOwner(const std::string& dogsOwner) { owner = dogsOwner; } void OwnedDog::print() const { Dog::print(); // 调用基类Dog中的print方法 // "Dog is <name> and weights <weight>" std::cout << "Dog is owned by " << owner << "\n"; // "Dog is owned by <owner>" } ///////////////////// // 初始化与运算符重载 ///////////////////// // 在C++中,通过定义一些特殊名称的函数, // 你可以重载+、-、*、/等运算符的行为。 // 当运算符被使用时,这些特殊函数会被调用,从而实现运算符重载。 #include <iostream> using namespace std; class Point { public: // 可以以这样的方式为成员变量设置默认值。 ; ; // 定义一个默认的构造器。 // 除了将Point初始化为(0, 0)以外,这个函数什么都不做。 Point() { }; // 下面使用的语法称为初始化列表, // 这是初始化类中成员变量的正确方式。 Point (double a, double b) : x(a), y(b) { /* 除了初始化成员变量外,什么都不做 */ } // 重载 + 运算符 Point operator+(const Point& rhs) const; // 重载 += 运算符 Point& operator+=(const Point& rhs); // 增加 - 和 -= 运算符也是有意义的,但这里不再赘述。 }; Point Point::operator+(const Point& rhs) const { // 创建一个新的点, // 其横纵坐标分别为这个点与另一点在对应方向上的坐标之和。 return Point(x + rhs.x, y + rhs.y); } Point& Point::operator+=(const Point& rhs) { x += rhs.x; y += rhs.y; return *this; } int main () { Point up (,); Point right (,); // 这里使用了Point类型的运算符“+” // 调用up(Point类型)的“+”方法,并以right作为函数的参数 Point result = up + right; // 显示“Result is upright (1,1)” cout << "Result is upright (" << result.x << ',' << result.y << ")\n"; ; } /////////// // 异常处理 /////////// // 标准库中提供了一些基本的异常类型 // (参见http://en.cppreference.com/w/cpp/error/exception) // 但是,其他任何类型也可以作为一个异常被拋出 #include <exception> // 在_try_代码块中拋出的异常可以被随后的_catch_捕获。 try { // 不要用 _new_关键字在堆上为异常分配空间。 throw std::exception("A problem occurred"); } // 如果拋出的异常是一个对象,可以用常量引用来捕获它 catch (const std::exception& ex) { std::cout << ex.what(); // 捕获尚未被_catch_处理的所有错误 } catch (...) { std::cout << "Unknown exception caught"; throw; // 重新拋出异常 } /////// // RAII /////// // RAII指的是“资源获取就是初始化”(Resource Allocation Is Initialization), // 它被视作C++中最强大的编程范式之一。 // 简单说来,它指的是,用构造函数来获取一个对象的资源, // 相应的,借助析构函数来释放对象的资源。 // 为了理解这一范式的用处,让我们考虑某个函数使用文件句柄时的情况: void doSomethingWithAFile(const char* filename) { // 首先,让我们假设一切都会顺利进行。 FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件 doSomethingWithTheFile(fh); doSomethingElseWithIt(fh); fclose(fh); // 关闭文件句柄 } // 不幸的是,随着错误处理机制的引入,事情会变得复杂。 // 假设fopen函数有可能执行失败, // 而doSomethingWithTheFile和doSomethingElseWithIt会在失败时返回错误代码。 // (虽然异常是C++中处理错误的推荐方式, // 但是某些程序员,尤其是有C语言背景的,并不认可异常捕获机制的作用)。 // 现在,我们必须检查每个函数调用是否成功执行,并在问题发生的时候关闭文件句柄。 bool doSomethingWithAFile(const char* filename) { FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件 if (fh == nullptr) // 当执行失败是,返回的指针是nullptr return false; // 向调用者汇报错误 // 假设每个函数会在执行失败时返回false if (!doSomethingWithTheFile(fh)) { fclose(fh); // 关闭文件句柄,避免造成内存泄漏。 return false; // 反馈错误 } if (!doSomethingElseWithIt(fh)) { fclose(fh); // 关闭文件句柄 return false; // 反馈错误 } fclose(fh); // 关闭文件句柄 return true; // 指示函数已成功执行 } // C语言的程序员通常会借助goto语句简化上面的代码: bool doSomethingWithAFile(const char* filename) { FILE* fh = fopen(filename, "r"); if (fh == nullptr) return false; if (!doSomethingWithTheFile(fh)) goto failure; if (!doSomethingElseWithIt(fh)) goto failure; fclose(fh); // 关闭文件 return true; // 执行成功 failure: fclose(fh); return false; // 反馈错误 } // 如果用异常捕获机制来指示错误的话, // 代码会变得清晰一些,但是仍然有优化的余地。 void doSomethingWithAFile(const char* filename) { FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件 if (fh == nullptr) throw std::exception("Could not open the file."); try { doSomethingWithTheFile(fh); doSomethingElseWithIt(fh); } catch (...) { fclose(fh); // 保证出错的时候文件被正确关闭 throw; // 之后,重新抛出这个异常 } fclose(fh); // 关闭文件 // 所有工作顺利完成 } // 相比之下,使用C++中的文件流类(fstream)时, // fstream会利用自己的析构器来关闭文件句柄。 // 只要离开了某一对象的定义域,它的析构函数就会被自动调用。 void doSomethingWithAFile(const std::string& filename) { // ifstream是输入文件流(input file stream)的简称 std::ifstream fh(filename); // 打开一个文件 // 对文件进行一些操作 doSomethingWithTheFile(fh); doSomethingElseWithIt(fh); } // 文件已经被析构器自动关闭 // 与上面几种方式相比,这种方式有着_明显_的优势: // 1. 无论发生了什么情况,资源(此例当中是文件句柄)都会被正确关闭。 // 只要你正确使用了析构器,就_不会_因为忘记关闭句柄,造成资源的泄漏。 // 2. 可以注意到,通过这种方式写出来的代码十分简洁。 // 析构器会在后台关闭文件句柄,不再需要你来操心这些琐事。 // 3. 这种方式的代码具有异常安全性。 // 无论在函数中的何处拋出异常,都不会阻碍对文件资源的释放。 // 地道的C++代码应当把RAII的使用扩展到各种类型的资源上,包括: // - 用unique_ptr和shared_ptr管理的内存 // - 各种数据容器,例如标准库中的链表、向量(容量自动扩展的数组)、散列表等; // 当它们脱离作用域时,析构器会自动释放其中储存的内容。 // - 用lock_guard和unique_lock实现的互斥
扩展阅读:
http://cppreference.com/w/cpp 提供了最新的语法参考。
可以在 http://cplusplus.com 找到一些补充资料。
参考资料:https://learnxinyminutes.com/docs/zh-cn/c++-cn/
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