Cao Jiahao

Ph.D. student in AI, focusing on computer vision and deep learning. Passionate about sharing knowledge and building open-source projects.

5 分钟阅读

以下是一个简要而全面的C++语言教程，涵盖核心概念和关键特性，适合快速复习或入门。内容尽量精炼，覆盖基础到中级知识点，帮助你快速掌握C++。

1. 简介

C++ 是一种高效、通用、面向对象的编程语言，由Bjarne Stroustrup在1980年代开发，扩展自C语言。它支持过程式、面向对象和泛型编程，广泛应用于系统开发、游戏开发、嵌入式系统和高性能计算。

2. 基础语法

2.1 程序结构

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, World!" << endl;
    return 0;
}
  • #include：引入头文件，如<iostream>用于输入输出。
  • using namespace std;：简化标准库命名空间的使用（生产环境慎用）。
  • main()：程序入口，返回int。

2.2 变量与数据类型

  • 基本类型：int, double, float, char, bool。
  • 复合类型：数组、指针、引用、结构体、枚举。 
    int x = 10;
double pi = 3.14159;
char c = 'A';
bool flag = true;
string name = "Alice"; // 需包含<string>

2.3 输入输出

#include <iostream>
int age;
cout << "Enter your age: ";
cin >> age;
cout << "You are " << age << " years old." << endl;

2.4 运算符

  • 算术：+, -, *, /, %。
  • 关系：==, !=, <, >, <=, >=。
  • 逻辑：&&, ||, !。
  • 位运算：&, |, ^, ~, <<, >>。
  • 赋值：=, +=, -=, *=, /=, %=。

2.5 控制结构

  • if-else： 
    if (x > 0) {
  cout << "Positive";
} else if (x == 0) {
  cout << "Zero";
} else {
  cout << "Negative";
}
  • 循环： 
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
  cout << i << " ";
}
int i = 0;
while (i < 5) {
  cout << i << " ";
  i++;
}
do {
  cout << i << " ";
  i++;
} while (i < 5);
  • switch： 
    switch (x) {
  case 1: cout << "One"; break;
  case 2: cout << "Two"; break;
  default: cout << "Other"; break;
}

3. 函数

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
int main() {
    cout << add(3, 4); // 输出7
    return 0;
}
  • 函数重载： 
    int add(int a, int b) { return a + b; }
double add(double a, double b) { return a + b; }
  • 默认参数： 
    void print(int x, int y = 10) { cout << x << ", " << y; }
  • 内联函数： 
    inline int square(int x) { return x * x; }

4. 数组与字符串

  • 数组： 
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
cout << arr[0]; // 输出1
  • 字符串（<string>）： 
    string str = "Hello";
str += ", World!";
cout << str.length(); // 输出12
  • C风格字符串： 
    char cstr[] = "Hello";

5. 指针与引用

  • 指针： 
    int x = 10;
int* ptr = &x;
cout << *ptr; // 输出10
  • 引用： 
    int a = 5;
int& ref = a;
ref = 10;
cout << a; // 输出10
  • 动态内存： 
    int* ptr = new int(5);
delete ptr;

6. 面向对象编程（OOP）

C++的OOP特性包括封装、继承、多态和抽象，广泛用于模块化设计。

6.1 类与对象

类是用户定义的数据类型，封装数据和行为。

class Person {
public:
    string name;
    int age;
    Person(string n, int a) : name(n), age(a) {} // 构造函数
    ~Person() { cout << "Person destroyed" << endl; } // 析构函数
    void introduce() const { // const成员函数
        cout << "I am " << name << ", " << age << " years old." << endl;
    }
private:
    double salary; // 私有成员
public:
    void setSalary(double s) { salary = s; } // 访问器
    double getSalary() const { return salary; }
};

int main() {
    Person p("Alice", 25);
    p.setSalary(50000);
    p.introduce(); // 输出: I am Alice, 25 years old.
    cout << "Salary: " << p.getSalary() << endl;
    return 0;
}
  • 封装：通过private和public控制访问，保护数据。
  • 构造函数：初始化对象，允许多个重载版本。
  • 析构函数：对象销毁时自动调用，释放资源。
  • const成员函数：保证不修改对象状态。

6.2 继承

继承实现代码复用和层级关系。

class Student : public Person {
public:
    int studentID;
    Student(string n, int a, int id) : Person(n, a), studentID(id) {}
    void study() { cout << name << " is studying." << endl; }
};

int main() {
    Student s("Bob", 20, 12345);
    s.introduce(); // 继承自Person
    s.study(); // 输出: Bob is studying.
    return 0;
}
  • 访问修饰符：public继承保持基类访问权限，protected和private继承限制访问。
  • 构造函数调用：派生类构造函数需显式调用基类构造函数。

6.3 多态

多态通过虚函数实现运行时动态行为。

class Animal {
public:
    virtual void speak() const { cout << "Generic sound" << endl; } // 虚函数
    virtual ~Animal() = default; // 虚析构函数
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() const override { cout << "Woof!" << endl; }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void speak() const override { cout << "Meow!" << endl; }
};

int main() {
    Animal* animals[] = {new Dog(), new Cat()};
    for (Animal* a : animals) {
        a->speak(); // 输出: Woof! Meow!
        delete a;
    }
    return 0;
}
  • 虚函数：通过virtual关键字实现动态绑定。
  • 纯虚函数与抽象类： 
    class Shape {
public:
  virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
  virtual ~Shape() = default;
};
  • 虚析构函数：确保派生类对象通过基类指针删除时正确释放资源。

6.4 运算符重载

自定义运算符行为，如+或<<。

class Vector2D {
public:
    double x, y;
    Vector2D(double x_, double y_) : x(x_), y(y_) {}
    Vector2D operator+(const Vector2D& other) const {
        return Vector2D(x + other.x, y + other.y);
    }
};

int main() {
    Vector2D v1(1, 2), v2(3, 4);
    Vector2D v3 = v1 + v2; // 输出: (4, 6)
    cout << "(" << v3.x << ", " << v3.y << ")" << endl;
    return 0;
}

6.5 友元与静态成员

  • 友元：允许外部函数或类访问私有成员。 
    class Box {
  friend void openBox(Box& b); // 友元函数
private:
  int content;
};
  • 静态成员：类级成员，共享于所有对象。 
    class Counter {
public:
  static int count; // 静态成员
  Counter() { count++; }
};
int Counter::count = 0; // 初始化

7. 标准模板库（STL）

STL是C++的核心库，提供容器、算法和迭代器，需包含相应头文件（如<vector>, <algorithm>）。

7.1 容器

STL提供多种容器，分为序列容器、关联容器和容器适配器。

  • 序列容器：
    • vector（动态数组，随机访问快，尾部插入高效）。 
      #include <vector>
vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.push_back(4); // 尾部添加
vec[0] = 10; // 随机访问
    • array（固定大小数组，C++11起，<array>）。 
      #include <array>
array<int, 3> arr = {1, 2, 3};
    • list（双向链表，插入删除快，<list>）。 
      #include <list>
list<int> lst = {1, 2, 3};
lst.push_front(0); // 头部添加
    • deque（双端队列，<deque>）。
  • 关联容器：
    • set（有序唯一集合，<set>）。 
      #include <set>
set<int> s = {3, 1, 2};
s.insert(4); // 自动排序
    • map（键值对，键唯一，<map>）。 
      #include <map>
map<string, int> m;
m["Alice"] = 25;
cout << m["Alice"]; // 输出25
    • multiset, multimap（允许重复键）。
  • 无序容器（C++11起，哈希表实现）：
    • unordered_set, unordered_map（<unordered_set>, <unordered_map>）。
  • 容器适配器：
    • stack（栈，<stack>）。
    • queue（队列，<queue>）。
    • priority_queue（优先队列，<queue>）。 
      #include <stack>
stack<int> s;
s.push(1);
s.pop();

7.2 迭代器

迭代器用于遍历容器，类似指针。

vector<int> vec = {1, 2, 3};
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    cout << *it << " "; // 输出: 1 2 3
}
  • 类型：begin()/end()（正向），rbegin()/rend()（反向）。
  • 范围for循环（C++11起）： 
    for (int x : vec) {
  cout << x << " ";
}

7.3 算法

STL算法（<algorithm>）操作容器，提供排序、搜索、修改等功能。

  • 排序： 
    sort(vec.begin(), vec.end()); // 升序
sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>()); // 降序
  • 搜索： 
    auto it = find(vec.begin(), vec.end(), 2); // 查找2
if (it != vec.end()) cout << "Found: " << *it;
  • 其他：
    • min_element, max_element：找最小/最大值。
    • accumulate（<numeric>）：求和。 
      #include <numeric>
int sum = accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0); // 求和

7.4 自定义比较器

自定义排序规则：

struct Compare {
    bool operator()(int a, int b) const { return a > b; }
};
sort(vec.begin(), vec.end(), Compare()); // 降序

7.5 性能与选择

  • vector：适合随机访问和尾部操作。
  • list：适合频繁插入删除。
  • map/set：适合快速查找和排序。
  • unordered_map/unordered_set：适合高性能哈希查找。

8. 模板（泛型编程）

template <typename T>
T max(T a, T b) { return a > b ? a : b; }
  • 类模板： 
    template <typename T>
class Box {
public:
  T value;
  Box(T v) : value(v) {}
};

9. 异常处理

try {
    if (x == 0) throw runtime_error("Divide by zero!");
    cout << 10 / x;
} catch (const runtime_error& e) {
    cout << "Error: " << e.what();
}

10. 其他高级特性

  • 智能指针（<memory>）： 
    unique_ptr<int> ptr = make_unique<int>(5);
shared_ptr<int> sptr = make_shared<int>(10);
  • Lambda表达式： 
    auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
cout << add(3, 4); // 输出7
  • 多线程（<thread>）： 
    #include <thread>
void task() { cout << "Thread running"; }
thread t(task);
t.join();

11. 最佳实践

  • 使用const确保数据不可变。
  • 优先使用智能指针管理内存。
  • 善用STL容器和算法。
  • 遵循RAII原则管理资源。
  • 避免全局变量，保持模块化。

12. 学习资源

以下是扩展的学习资源，涵盖书籍、在线平台、工具和社区，适合不同学习阶段。

12.1 书籍

  • 入门：
    • 《C++ Primer》（5th Edition, Stanley B. Lippman等）：全面介绍C++11/14特性，适合初学者。
    • 《Programming: Principles and Practice Using C++》（Bjarne Stroustrup）：C++之父的入门教程，注重实践。
  • 进阶：
    • 《Effective C++》（Scott Meyers）：55条实用建议，提升代码质量。
    • 《Modern C++ Design》（Andrei Alexandrescu）：深入探讨模板和泛型编程。
    • 《The C++ Standard Library》（Nicolai M. Josuttis）：STL详细指南。
  • 参考：
    • 《C++ Templates: The Complete Guide》（David Vandevoorde等）：模板编程权威书籍。
    • 《C++ Concurrency in Action》（Anthony Williams）：多线程编程实战。

12.2 在线平台

  • CPlusPlus.com（http://www.cplusplus.com）：标准库参考文档，包含详细API说明。
  • cppreference.com（https://en.cppreference.com）：权威的C++语言和库参考，支持C++11/14/17/20。
  • LeetCode（https://leetcode.com）：提供C++算法题，适合练习数据结构和算法。
  • HackerRank（https://www.hackerrank.com）：C++编程挑战，覆盖基础到高级题目。
  • LearnCpp.com（https://www.learncpp.com）：免费的结构化教程，适合自学。
  • Coursera/edx：提供C++课程，如Coursera的“C++ For C Programmers”。

12.3 工具

  • 编译器：
    • GCC（GNU Compiler Collection）：免费、跨平台，支持最新C++标准。
    • Clang：性能优异，错误信息友好，适合开发和调试。
    • MSVC（Microsoft Visual C++）：Windows平台优化，支持Visual Studio。
  • IDE：
    • Visual Studio：功能强大的Windows IDE，支持调试和代码补全。
    • CLion：JetBrains的跨平台C++ IDE，适合大型项目。
    • Code::Blocks：轻量级开源IDE，适合初学者。
    • Visual Studio Code：轻量编辑器，配合C++插件使用。
  • 调试与分析：
    • GDB：命令行调试工具，配合GCC使用。
    • Valgrind：检测内存泄漏和性能问题。
    • CMake：跨平台构建工具，简化项目管理。

12.4 社区与论坛

  • Stack Overflow（https://stackoverflow.com）：C++相关问题解答，搜索历史问题或提问。
  • Reddit（r/cpp）：C++社区，讨论新特性、工具和最佳实践。
  • GitHub：搜索C++开源项目（如Boost、Eigen），学习高质量代码。
  • C++ Slack/Discord：加入C++开发者社区，实时交流。

12.5 实践项目

  • 实现简单游戏（如贪吃蛇、井字棋）练习OOP和STL。
  • 开发小型数据库管理系统，掌握文件I/O和数据结构。
  • 贡献C++开源项目，提升实战经验。

12.6 标准与更新

  • 跟踪C++标准（C++11/14/17/20/23）变化，cppreference.com提供最新特性说明。
  • 关注ISO C++委员会（https://isocpp.org）博客，了解语言发展动态。

留下评论

猜您还喜欢