1.1. C++简史#

• 20世纪70年代，贝尔实验室的Dennins Ritchie为了开发UNIX系统而开发了C语言
• 20世纪80年代，贝尔实验室的Bjarne Stroustrup为了使C语言更易用，在C语言的基础上引入了对面向对象编程和泛型编程的支持，发明了C++
• 20世纪90年代，ANSI与ISO联合制定了C++的第一个标准ISO/IEC 14882:1998，并获得了ISO, IEC和ANSI批准，称为C++98，在最初的C++基础上还加入了STL、运行阶段类型识别、模板和异常
• 2003年，ISO/IEC 14882:2003发布，主要对上一版进行修订，没有改变语言特性，故常用C++98表示C++98/C++2003
• 2011年，ISO/IEC 14882:2011发布，增加了一些特性，称为C++11，也是目前比较常用的版本
• 此后陆续发布的版本有C++14、C++17、C++20、C++23、C++26

1.2. C++的特点#

• 编译式

• 结构化

• 底层系统接口

• 面向对象

• 泛型编程

1.3. C++的编译器#

C++本身只是一个标准，不同硬件平台可以提供自己的编译器以便编译出可以在自己平台上运行的程序，一些组织也开发了比较通用的C++编译器，如g++，Clang，MSVC等。

(类)Unix平台通常使用g++，Windows平台下可通过安装Microsoft Visual Studio使用MSVC，或者使用针对Windows平台构建的GUN软件包（如MinGW）中的g++。

1.4. g++编译C++程序的流程#

1.5. g++编译器使用#

Linux直接使用包管理器安装gcc和g++

Windows安装MinGW软件包，常用MinGW-W64，可直接从GitHub下载预构建版本，安装完成后手动将安装目录下的bin目录添加到系统path环境变量中。

• 基本应用

  g++ t.cpp
  

  默认输出a.out

  g++默认通过扩展名判断编程语言，需要注意源文件拓展名

• 更改输出文件名

  g++ -o t t.cpp
  

• 多个输入

  g++ -o t t1.cpp t2.cpp t1.h t2.h t3.o
  

  注意，输出为可执行程序时，所有输入（包括目标文件）中必须包含且只包含一个main函数

• 只预处理文件

  g++ -E t.cpp
  

  直接输出到标准输出，需要保存的请手动重定向

• 只编译代码，不进行汇编

  g++ -S t.cpp
  

  输出汇编代码到*.s

• 输出目标代码，暂不连接

  g++ -c t.cpp
  

  输出目标代码*.o

  目标代码可以在编译时直接作为输入使用，见“多个输入”的示例

  大型工程往往在编译时分出很多目标代码，当某个模块更改时，只用重新编译对应的目标文件，然后重新链接一次，可以大大减少编译时长

• 包含库

  g++ -o t t.cpp -llibrary
  

  额外包含库，l后面直接加库名称，无空格

  g++ -o t t.cpp -Ldir
  

  额外包含库搜索目录，L后面直接加目录名称，无空格

• 包含头文件

  g++ -o t t.cpp -IDIR
  

  包含额外头文件搜索目录，指尖括号内系统头文件的搜索路径

• 调试选项

  g++ -o t -g t.cpp
  

  输出包含调试信息的程序，调试信息包含变量名，源代码等，使用gdb调试器时必须开启该选项

• 编译优化

  g++ -o t t.cpp -Ox
  

  x可选0,1,2,3，0表示关闭编译优化，1为默认等级，3为最高等级

  在调试时常关闭优化以保证生成的程序与源文件相同，生成发布版本时开启最高等级以保证运行速度

• 警告输出

  g++ -o t t.cpp -Wall
  

  输出所有警告

  g++ -o t t.cpp -Werr
  

  把警告视为错误，遇到警告会终止编译

  g++ -o t t.cpp -w
  

  忽略所有警告，在编译大型项目时用来快速定位错误

• 动态库选项

  g++ -o t t.cpp -static
  

  禁止使用动态库，编译后的程序比较大，但不需要动态库就可以运行

  g++ -o t t.cpp -share
  

  尽可能使用动态库，编译后的程序较小，且需要系统的动态库才可以运行

• 语言标准

  g++ -o t t.cpp -std=c++17
  

2.1. 关键字#

关键字是计算机语言中的词汇，这些词有特殊的意义，不能用作他用。

各标准中出现的C++关键字如下

NOTE

TM TS和reflection TS是非ISO C++的C++标准，各编译器支持程度不同

NOTE

C++关键字中有一部分是为了替代特殊符号的运算符而出现的标记符号，功能与运算符完全相同，如下表

标记	含义
and	&&
and_eq	&=
bitand	&
bitor	`
compl	~
not	!
not_eq	!=
or	`
or_eq	`
xor	^
xor_eq	^=

2.2. 标识符#

标识符是用来标记变量，函数名等的符号，通俗讲就是各种“名字”

符合以下规则的是C++中的合法标识符

• 只包含大写字母、小写字母（区分大小写）、数字和下划线
• 不能以下划线开头
• 不能是C++的关键字
• 理论上没有长度限制，但不同编译器可能会存在长度限制

NOTE

由下划线开头的标识符往往是系统使用的，不建议使用下划线开头的标识符

虽然满足上述要求就是合法的标识符，但是不同标识符往往会遵守一些约定俗成的编码规范/命名方案以便于阅读。

3.1. 整型#

• char：1字节
• short：至少16位，通常是16位
• int：至少与short一样长，通常是32位
• long：至少32位，且至少与int一样长，通常是32位
• long long：至少64位，且至少与long一样长，通常是64位

NOTE

计算机中有符号数常采用补码表示法

正数首位为0，负数首位为1，对于$N$位的补码$-a(0 < a < 2^{N-1})$，其原码表示的数字就是$2^N-a$，这样以来，我们可以轻松处理在0附近从正数减到负数时的退位溢出问题而不用额外考虑复杂的符号变换，同时正数也能兼容无符号数

另一方面，符号不同的补码也可以直接相加，即$a+(-b)=a+(2^N-b)=a-b$，计算机内部计算减法时也可以直接将其转化成负数然后计算，非常易用

当对补码取相反数时，只需将原码按位取反再加1即可

这样一来，原数字变成相反数的过程中，低位的0全部变成1，加上1后一直进位，直到遇见1（取反后是0），那么互为相反数的补码就只有最低位到第一个1的位置是一样的，高位都互为相反数，我们把这个相同的数字叫lowbits，即lowbits=a&(-a)，数学上是该数字最大的2的幂因子，这个技巧在一些算法中非常有用

根据上面分析不难看出，$N$位补码可表示的范围就是$-2^{N-1} \sim 2^{N-1}-1$，$2^{N-1}-1$上溢后会变成$-2^{N-1}$，反之$-2^{N-1}$下溢就是$2^{N-1}-1$

TIP

char是用来存储字符的数据类型，但也常会被用作存储较小的数字

char用来存储ASCII字符时，其数字就是字符对应的ASCII编码

当char用来存储Uincode字符时，负数表示该字节与后面的字节构成完整字符，该字节没有达到字符编码的末尾

存储Unicode字符还会使用wchar_t（一般为short，因编译器而异）和C++11新增的char16_t和char32_t

3.2. 无符号整型#

在上面的有符号整型前加上unsigned即为对应的无符号类型

$N$位无符号数的范围即为$0\sim 2^N-1$

实际上，unsigned是unsigned int的简写，同理，signed也是signed int的简称，而short，int，long，long long实际上是signed short，signed int，signed long，signed long long的简写

3.3. 浮点数#

• float：至少32位，通常是32位
• double：至少是48位，通常是64位
• long double：至少和double一样长，通常是128位

NOTE

计算机中的小数通常采用浮点表示法，故称为浮点数，数据分为符号位、有效数和指数，浮点数的实际值表示为$(-1)^S\times A\times 2^N$（$S$为符号位，$A$为有效数，$N$为指数），指数按照偏移量的方式处理负数，不同长度的浮点数有不同的分配方式，详见IEEE 754标准

3.4. 布尔型#

• bool：1位，表示true(1)或false(0)

TIP

对于当前使用的编译器，各种数据类型的最大最小值都作为常量被包含在climits头文件中，主要有以下值

CHAR_BIT	CHAR_MAX	CHAR_MIN
SCHAR_MAX	SCHAR_MIN	UCHAR_MAX
SHRT_MAX	SHRT_MIN	USHRT_MAX
INT_MAX	INT_MIN	UINT_MAX
LONG_MAX	LONG_MIN	ULONG_MAX
LLONG_MAX	LLONG_MIN	ULLONG_MAX

而如果要使用确定长度的变量，可以使用cints中的int8_t，int16_t，int32_t和uint8_t，uint16_t，uint32_t及由CPU字长决定的size_t

4.1. 算术运算符#

• +：算术加法

• -：算术减法

• *：算术乘法

• /：算术除法，当两个操作数都是整数时，舍去结果的小数部分

• %：求模，取余数，操作数必须是整数

5.1. 声明语句#

type name;

声明一个变量，程序将根据变量类型分配一块合适的内存空间

也可以声明一个外部变量的引用，此时不会分配内存空间，而是提供一个访问外部变量的名称

多个同类型的变量可以一起声明

type name1 name2 name3;

5.2. 赋值语句#

name = value;

将value的值赋给name变量，左边必须是一个变量，而右边可以是字面值，也可以是表达式

声明语句和赋值语句可以合并为type name = value;

注意多个变量同时声明时，必须单独分别赋值，无法同时赋值，如type var1 var2 = value;实际上只给var2赋值了

多个赋值语句也可以合并，如var1 = var2 = var3 = value;将同时给3个变量赋同样的值

TIP

在C++11中，在赋值和声明语句结合时可以使用auto关键字作为类型名，编译器将根据赋值表达式的类型自动推断类型

5.3. 表达式语句#

在C++中，任何一个合法的表达式，包括函数调用，都可以是一个合法的语句，表达式的值可以被直接忽略

如1+2;，pow(2,2)*3;

NOTE

一般认为表达式都是有值的，故赋值语句一般也认为是赋值表达式

表达式都是语句，但语句不一定是表达式，声明语句就没有对应的值

5.4. 流程控制语句#

用于控制程序的运行流程的语句，详见下节

6.1. 分支语句#

if(test-condition)
    //if-statement
else
    //else-statement

switch(integer-expression)
{
    case label1 : statements
    case label2 : statements
        ...
    default : statements
}

6.2. 循环语句#

while(test-condition)
    bady

do
    bady
while(test-condition)

for(init-statement;condition;expression)
    bady

init-statement;
while(condition)
{
    bady
    expression;
}