第1章 C++介紹
1.1 程序與編程語(yǔ)言
1.1.1 計(jì)算機(jī)是什么
計(jì)算機(jī)是一種通用計(jì)算設(shè)備，能夠根據(jù)指令處理數(shù)據(jù)。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都配備一個(gè) 中央處理單元（CPU），它是一塊微處理器芯片，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令。不同的計(jì)算機(jī)可能使用不同的 指令集。
計(jì)算機(jī)指令
計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行一系列指令來處理任務(wù)，并通常會(huì)生成某種輸出。這類似于人們按照步驟完成任務(wù)的方式。例如，“做飯”可以分解為以下步驟：
- 取米并放入洗米盆。
- 用自來水沖洗大米。
- 如果電飯鍋未清洗，則清洗電飯鍋。
- 將米和水放入電飯鍋。
- 插上電源，按下開關(guān)。
- 飯煮好后，拔下電源（任務(wù)完成）。
雖然人類可以理解復(fù)雜的自然語(yǔ)言指令，但計(jì)算機(jī)只能處理簡(jiǎn)單的 機(jī)器指令，它們使用特定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表示。無論多么復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，計(jì)算機(jī)最終都會(huì)將其分解成一系列簡(jiǎn)單的、逐條執(zhí)行的 機(jī)器指令。這些指令的集合被稱為 程序。
以下是幾種常見的計(jì)算機(jī)指令：
- 算術(shù)運(yùn)算：執(zhí)行加、減、乘、除等運(yùn)算，通常稱為 算術(shù)操作。
- 邏輯運(yùn)算：比較兩個(gè)數(shù)值的大小或判斷它們是否相等，通常稱為 邏輯操作。
- 控制指令：改變程序執(zhí)行流程，如跳轉(zhuǎn)到特定指令，通常稱為 控制語(yǔ)句。
計(jì)算機(jī)的組成部分
計(jì)算機(jī)由四大類核心組件組成：
- 輸入設(shè)備：用于接收用戶輸入，例如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和麥克風(fēng)。
- 處理單元：執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的組件，主要是 中央處理單元（CPU）?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)還可能配備 圖形處理單元（GPU），最初用于圖形處理，但如今也可用于通用計(jì)算。
- 存儲(chǔ)設(shè)備：包括 主存儲(chǔ)器（內(nèi)存） 和 二級(jí)存儲(chǔ)器（如硬盤、光盤、U 盤等），用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。
- 輸出設(shè)備：用于向用戶呈現(xiàn)計(jì)算結(jié)果，例如顯示器、揚(yáng)聲器和打印機(jī)。
示例：自動(dòng)售票機(jī)
雖然自動(dòng)售票機(jī)并不完全是計(jì)算機(jī)，但它可以幫助理解計(jì)算機(jī)的基本組成部分：
- 輸入：投幣口和選擇按鈕用于接收用戶輸入。
- 處理：售票機(jī)執(zhí)行一系列計(jì)算，如驗(yàn)證票務(wù)信息、檢查余額、修改數(shù)據(jù)庫(kù)等。
- 存儲(chǔ)：售票機(jī)需要存儲(chǔ)車票庫(kù)存、價(jià)格等信息。
- 輸出：顯示購(gòu)票結(jié)果并打印車票。
中央處理單元（CPU）
CPU 是計(jì)算機(jī)的核心，被稱為 計(jì)算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制。它主要由以下部分組成：
- 算術(shù)/邏輯單元（ALU）：執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯判斷。
- 控制單元（CU）：決定下一條要執(zhí)行的指令。
- 寄存器：高速存儲(chǔ)區(qū)域，用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù)。
不同類型的 CPU 支持不同的 指令集，例如 Intel x86-64、IBM PowerPC 或 ARM。
存儲(chǔ)器
計(jì)算機(jī)將 程序 和 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)在 存儲(chǔ)器（Memory） 中，存儲(chǔ)器分為 主存儲(chǔ)器 和 輔助存儲(chǔ)器。
主存儲(chǔ)器（內(nèi)存，RAM）
- 直接連接 CPU，速度快。
- 斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失（易失性）。
- 由多個(gè)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元都有唯一的地址，例如：存儲(chǔ)單元地址從
0開始，類似于學(xué)號(hào)編號(hào)。 - 每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)固定大小的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)被 CPU 讀取或修改。
輔助存儲(chǔ)器（外存）
- 存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但訪問速度較慢。
- 斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失（非易失性）。
- 典型設(shè)備包括 硬盤、光盤、閃存盤等。
計(jì)算機(jī)的 操作系統(tǒng) 提供對(duì)輔助存儲(chǔ)器的管理，允許用戶以 文件 形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過 文件系統(tǒng) 組織文件。例如，Windows 操作系統(tǒng)使用 資源管理器 訪問文件和目錄。
1.1.2 計(jì)算機(jī)編程
1. 算法（Algorithm）
算法 是完成特定任務(wù)或解決某個(gè)問題的一系列步驟（指令）。它類似于菜譜中的制作步驟或數(shù)學(xué)家祖沖之計(jì)算圓周率的方法。
2. 程序與編程
程序 是算法在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的指令序列。編程 則是將算法轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的程序的過程，使用特定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫指令，使計(jì)算機(jī)按照既定邏輯執(zhí)行任務(wù)。
3. 二進(jìn)制
計(jì)算機(jī)的底層硬件由大量 晶體管 組成，而晶體管只有 "開"（1）和 "關(guān)"（0）兩種狀態(tài)。因此，計(jì)算機(jī)采用 二進(jìn)制（0 和 1）來表示所有數(shù)據(jù)，包括整數(shù)、字符等。
在計(jì)算機(jī)中，一個(gè)晶體管可以存儲(chǔ) 1 個(gè)二進(jìn)制位（bit，簡(jiǎn)稱 b），即 0 或 1。多個(gè)晶體管可以組合表示更復(fù)雜的數(shù)值。例如：
8 位（bit） 組成 1 字節(jié)（Byte，B），即
種不同的可能值。
1024 B = 1 KB（千字節(jié)，Kilobyte）。
-
1024 KB = 1 MB（兆字節(jié)，Megabyte）。
1024 MB = 1 GB（吉字節(jié)，Gigabyte）*。
4. 機(jī)器語(yǔ)言
計(jì)算機(jī)內(nèi)部的指令和數(shù)據(jù)都是以 0 和 1 組成的 二進(jìn)制代碼 進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。機(jī)器語(yǔ)言（Machine Language） 是計(jì)算機(jī)能夠直接理解和執(zhí)行的一種指令集合。
例如，以下是用 Intel 8086 機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行 17 + 20 的指令：
1011 0000 0001 0001 // 將 17 存入 AL 寄存器
0000 0100 0001 0100 // 將 20 加到 AL 寄存器
1010 0010 0100 1000 0000 0000 // 將 AL 的值存入內(nèi)存地址 0x0048
解析：
-
1011 0000是 操作碼（Opcode），表示“將后面的數(shù)存入寄存器 AL”。 -
0001 0001是 立即數(shù)（Immediate Value），即 17。 -
0000 0100指示 AL 執(zhí)行加法操作，0001 0100是 20 的二進(jìn)制表示。 -
1010 ...負(fù)責(zé)將結(jié)果存入指定內(nèi)存地址0x0048（采用 小端存儲(chǔ)）。
早期編程的挑戰(zhàn)
在 20 世紀(jì) 40 年代，程序員必須直接使用機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行編程，甚至通過穿孔卡片輸入指令。這種方式既繁瑣又容易出錯(cuò)，極大地限制了計(jì)算機(jī)的使用效率。
5. 匯編語(yǔ)言（Assembly Language）**
為了簡(jiǎn)化機(jī)器語(yǔ)言的編寫，引入了 匯編語(yǔ)言（Assembly Language）。匯編語(yǔ)言使用 助記符（Mnemonic） 代替二進(jìn)制代碼，使程序更易讀，例如：
MOV AL, 17D ; 將 17 存入 AL 寄存器
ADD AL, 20D ; 將 20 加到 AL 寄存器
MOV [0048H], AL ; 將 AL 的值存入內(nèi)存地址 0x0048
匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)
- 每條匯編指令 對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令。
- 人類可讀，但仍然需要較高的技術(shù)背景。
- 需要 匯編程序（Assembler） 將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言，計(jì)算機(jī)才能執(zhí)行。
盡管匯編語(yǔ)言相較于機(jī)器語(yǔ)言更加直觀，但仍然對(duì)程序員要求較高，且代碼冗長(zhǎng)，不利于開發(fā)大型程序。
6. 高級(jí)語(yǔ)言（High-Level Languages）
由于匯編語(yǔ)言仍然過于低級(jí)，程序員需要書寫大量指令才能完成簡(jiǎn)單任務(wù)。因此，開發(fā)者創(chuàng)造了 高級(jí)語(yǔ)言，如 C、C++、Python、Java 等，使編程更加高效。
在高級(jí)語(yǔ)言中，一條指令可能對(duì)應(yīng)多條機(jī)器指令，并且采用接近自然語(yǔ)言的表達(dá)方式。例如：
sum = 17 + 20;
這行 C++ 代碼等效于上面的機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言指令。高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)包括：
- 可讀性更強(qiáng)，類似人類語(yǔ)言，易于理解和學(xué)習(xí)。
- 提高編程效率，減少重復(fù)性操作，使開發(fā)者可以專注于算法和邏輯。
- 可移植性更高，可以在不同的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而不需要針對(duì)特定 CPU 進(jìn)行修改。
由于計(jì)算機(jī)無法直接理解高級(jí)語(yǔ)言，必須借助 編譯器（Compiler） 或 解釋器（Interpreter） 先將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言，然后再執(zhí)行。
機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言對(duì)比
| 語(yǔ)言類型 | 示例 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|
| 機(jī)器語(yǔ)言 | 1011 0000 0001 0001 |
計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行，效率最高，但極難理解 |
| 匯編語(yǔ)言 | MOV AL, 17D |
可讀性稍強(qiáng)，但仍然復(fù)雜 |
| 高級(jí)語(yǔ)言 | sum = 17 + 20; |
可讀性好，跨平臺(tái)，易于編寫 |
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高級(jí)語(yǔ)言成為主流，但在底層優(yōu)化、操作系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域，匯編語(yǔ)言仍然有一定的應(yīng)用價(jià)值。
7 編譯器、解釋器與 C++ 語(yǔ)言
高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序在計(jì)算機(jī)執(zhí)行之前，必須轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言。這種轉(zhuǎn)換方式主要有兩種：編譯（Compilation） 和 解釋（Interpretation）。
- 編譯型語(yǔ)言（Compiled Language）：程序源代碼被整體翻譯為可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，然后執(zhí)行。
- 解釋型語(yǔ)言（Interpreted Language）：程序源代碼被逐行翻譯并立即執(zhí)行。
C++ 是一種 編譯型語(yǔ)言，它的源代碼必須經(jīng)過 編譯器（Compiler） 轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼，才能運(yùn)行。
編譯器與解釋器的區(qū)別
| 對(duì)比項(xiàng) | 編譯器（Compiler） | 解釋器（Interpreter） |
|---|---|---|
| 工作方式 | 先將整個(gè)程序翻譯成機(jī)器代碼，然后執(zhí)行 | 逐行翻譯并執(zhí)行 |
| 執(zhí)行效率 | 運(yùn)行速度快，因?yàn)橐艳D(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言 | 運(yùn)行速度較慢，因?yàn)樾枰叿g邊執(zhí)行 |
| 錯(cuò)誤檢測(cè) | 只有在編譯時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 | 可以在執(zhí)行時(shí)逐行發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 |
| 常見語(yǔ)言 | C、C++、Java（編譯為字節(jié)碼后解釋執(zhí)行） | Python、JavaScript、Shell 腳本 |
編譯型語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)
編譯器能對(duì)代碼進(jìn)行全局優(yōu)化，提高運(yùn)行效率。因此，C++ 在高性能計(jì)算、系統(tǒng)編程、嵌入式開發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。相比解釋型語(yǔ)言，編譯后的 C++ 程序通常運(yùn)行更快，并且可以直接操縱硬件。
8 C++ 語(yǔ)言概述
C++ 語(yǔ)言的起源與發(fā)展
C++ 由 Bjarne Stroustrup 于 1979-1980 年 在 貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs） 開發(fā)，初衷是對(duì) C 語(yǔ)言 進(jìn)行擴(kuò)展，使其支持 面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）。
- C++ 繼承了 C 語(yǔ)言的 高效性 和 底層控制能力，同時(shí)增加了 面向?qū)ο筇匦?/strong>（如類、繼承、多態(tài)等）。
- 由于其強(qiáng)大的性能和靈活性，C++ 可運(yùn)行在 Windows、macOS、Linux、UNIX 等多種操作系統(tǒng)上。
- 經(jīng)過多年的發(fā)展，C++ 一直是最受歡迎的編程語(yǔ)言之一，長(zhǎng)期位居 全球編程語(yǔ)言排行榜前五。
C++ 的應(yīng)用領(lǐng)域
C++ 具有高效的執(zhí)行性能和強(qiáng)大的底層操作能力，被廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
- 操作系統(tǒng)與系統(tǒng)軟件（Windows、Linux、macOS 內(nèi)核，驅(qū)動(dòng)程序）
- 嵌入式開發(fā)（物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、智能家居、芯片編程）
- 游戲開發(fā)與游戲引擎（Unity、Unreal Engine、CryEngine）
- 高性能計(jì)算（人工智能、數(shù)值計(jì)算、科學(xué)模擬）
- 金融系統(tǒng)（銀行、證券、高頻交易）
- 數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器（MySQL、PostgreSQL、Web 服務(wù)器）
- 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（圖像處理、3D 建模、CAD/CAM）
現(xiàn)代 C++ 的演進(jìn)
在 20 世紀(jì) 80 年代至 2000 年初，C++ 語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程較為緩慢。然而，自 2011 年 起，C++ 進(jìn)入了 現(xiàn)代 C++（Modern C++） 時(shí)代。
- C++98（1998 年）：最早的 C++ 標(biāo)準(zhǔn)，基于 C 語(yǔ)言，增加了面向?qū)ο筇匦浴?/li>
- C++11（2011 年）：現(xiàn)代 C++ 的起點(diǎn)，新增 Lambda 表達(dá)式、auto 關(guān)鍵字、智能指針、并發(fā)庫(kù) 等特性。
- C++14（2014 年）：對(duì) C++11 進(jìn)行改進(jìn)，增加了更簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法和庫(kù)優(yōu)化。
-
C++17（2017 年）：引入 結(jié)構(gòu)化綁定（Structured Binding）、
std::optional、并行算法 等特性。 - C++20（2020 年）：大幅更新，增加 模塊化（Modules）、協(xié)程（Coroutines）、概念（Concepts） 等新功能。
如今，工業(yè)界已普遍采用 現(xiàn)代C++ 進(jìn)行開發(fā)，而傳統(tǒng)的 C 語(yǔ)言風(fēng)格編程逐漸被淘汰。
為何直接學(xué)習(xí)現(xiàn)代 C++？
在高校教學(xué)中，許多課程仍然停留在 C 語(yǔ)言或 C++98 時(shí)代，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí) 落后于工業(yè)界。相比之下，直接學(xué)習(xí) C++17 或 C++20 能夠：
- 減少學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，避免學(xué)習(xí)過時(shí)的 C 風(fēng)格代碼。
-
掌握更現(xiàn)代、高效的編程方法（如
auto關(guān)鍵字、智能指針、Lambda 等）。 - 與工業(yè)界無縫對(duì)接，更快適應(yīng)企業(yè)開發(fā)需求。
總之，C++ 既是一門 高效、強(qiáng)大 的系統(tǒng)級(jí)編程語(yǔ)言，也是不斷演進(jìn)、與時(shí)俱進(jìn)的現(xiàn)代化語(yǔ)言。學(xué)習(xí) 現(xiàn)代 C++，才能真正發(fā)揮 C++ 的優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)趨勢(shì)。
9 C++ 程序開發(fā)步驟
與其他編程語(yǔ)言類似，使用 C++ 編寫程序也需要遵循一定的步驟。這個(gè)過程包括以下幾個(gè)主要階段：
-
理解問題
首先，需要清楚地理解所面臨的問題。關(guān)鍵問題包括：- 輸入：程序需要哪些數(shù)據(jù)？這些數(shù)據(jù)從哪里來？（如鍵盤、文件等）
- 輸出：程序?qū)⑤敵鍪裁唇Y(jié)果？該結(jié)果如何顯示或保存？（如屏幕顯示、保存到文件等）
-
提出算法
根據(jù)問題描述，設(shè)計(jì)出解決問題的步驟和邏輯。算法是用來描述如何解決問題的指令序列，通常用偽代碼或流程圖來表示。 -
編寫程序
將算法轉(zhuǎn)化為 C++ 代碼。通過編程語(yǔ)言的語(yǔ)法和規(guī)則，將算法實(shí)現(xiàn)為可執(zhí)行的程序。 -
測(cè)試
通過不同的測(cè)試用例驗(yàn)證程序的正確性。測(cè)試時(shí)，除了使用有效數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證外，還要考慮非法輸入的情況，查看程序是否能夠正確處理錯(cuò)誤。
舉例：計(jì)算一組數(shù)值的平均值
假設(shè)我們要編寫一個(gè)程序來計(jì)算一組數(shù)值的平均值，以下是整個(gè)開發(fā)流程的實(shí)例：
-
理解問題
- 輸入：這些數(shù)值從哪里來？用戶是通過鍵盤輸入，還是從文件中讀??？
- 輸出：程序計(jì)算出來的平均值是如何呈現(xiàn)的？是打印在屏幕上，還是保存到文件中？
-
提出算法
算法的核心思想是：- 初始化兩個(gè)變量，一個(gè)用于存儲(chǔ)總和，另一個(gè)用于計(jì)數(shù)。
- 循環(huán)讀取每一個(gè)數(shù)值，將其加到總和中，并增加計(jì)數(shù)器。
- 最后，用總和除以計(jì)數(shù)器，得到平均值。
偽代碼示例：
-----------start------------- 總和 sum = 0 計(jì)數(shù)器 count = 0 重復(fù)： 讀入一個(gè)數(shù)值 如果讀取失敗，結(jié)束循環(huán) 否則： 將讀取的數(shù)值加到總和 sum 計(jì)數(shù)器 count 增加 1 計(jì)算平均值：average = sum / count 輸出/打印平均值 average -----------end------------- -
編寫程序
根據(jù)上述算法，使用 C++ 語(yǔ)言將其實(shí)現(xiàn)為程序：#include <iostream> using namespace std; int main() { double sum = 0; // 總和 int count = 0; // 計(jì)數(shù)器 double value; // 輸入的數(shù)值 while (cin >> value) { sum += value; count++; } if (count > 0) { double average = sum / count; cout << "平均值為: " << average << endl; } else { cout << "沒有輸入有效的數(shù)值!" << endl; } return 0; } -
測(cè)試
運(yùn)行程序時(shí)，輸入不同的測(cè)試數(shù)據(jù)，確保其輸出結(jié)果正確。- 正常情況：輸入一系列數(shù)字，程序計(jì)算并輸出正確的平均值。
- 邊界情況：沒有輸入任何數(shù)值時(shí)，程序應(yīng)該提示用戶沒有有效數(shù)據(jù)輸入。
- 非法輸入：輸入非數(shù)值數(shù)據(jù)（如字符串或特殊字符），程序應(yīng)當(dāng)能夠適當(dāng)?shù)靥幚礤e(cuò)誤或提示。
示例測(cè)試輸入：
10 20 30輸出結(jié)果：
平均值為: 20
通過這種方法，我們可以從理解問題、設(shè)計(jì)算法、編寫程序，到最終的測(cè)試，逐步完成一個(gè) C++ 程序的開發(fā)過程。
