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C++: A brief introduction

本文由22秋许助教与刘助教提供

C++ 相关参考资料网站

C++ IO

用 iostream 里的 std::cin 和 std::cout。

例如：

cpp
#include <iostream>

int main() {
    int a = 0, b = 0;
    // 读入 a 和 b (类似于两个 scanf)
    std::cin >> a >> b;
    // 输出 a 和 b，std::endl 相当于换行
    std::cout << a << ' ' << b << std::endl;
}

这两个函数可以「流式」输入输出，stream 就是流的意思。

这里的 std 是 namespace (命名空间), 用来将代码组织到逻辑组中，同时防止函数变量等的重名。

不要随意的 using namespace std;，而应按需使用具体的 using std::string; 等

STL

STL 提供了非常丰富的各种容器和算法的模板标准库。

参考 https://www.runoob.com/cplusplus/cpp-stl-tutorial.html

STL (Standard Template Library), 意为标准模板库，核心包含容器，算法和迭代器。本次实验主要需要两个容器的 API, 分别是

C++ string

C 对于 string（实质是字符数组）提供的 API 很少，也不太好用，因此 C++ 提供了 std::string 这个类，具体的 API 可以看 https://cplusplus.com/reference/string/string/

常用方法的诸如：

length: 返回字符串长度。

push_back(c): 在字符串末尾添加一个字符 c。

append(str): 在字符串末尾添加字符串 str 。

substr: 取子串。

find: 在字符串中进行查找。

面向对象简介

C++ 是一门面向对象的语言，对象指的是类 (class) 的实例 (instance), 把对象的数据和操作封装到一起。

在 C 中操作称为函数，C++ 里类中的函数称为方法 (method)。

cpp
class A {
  public:
    std::string get_name() { return name_; };
    void set_name(std::string &name) { name_ = name; };

  private:
    std::string name_;
};

A 是一个 class。相当于声明了一个 A 类型。上面的类声明意思为：A 类型有私有变量 name_ 和两个可以公开调用的方法 get_name 和 set_name。

对比结构体，一个区别是，如果一个变量被声明在 private 下，那么只能通过类的方法来访问它，而不能像结构体一样直接访问。

cpp
int main() {
    A a;
    std::string a_name = "xiaoming";
    a.set_name(a_name);
    std::cout << a.get_name();
    // std::cout << a.name_; 私有变量直接访问会出错
}

这里就是实例化了 A 类的一个对象 a，并设置了它的属性，再打印。

类的方法的声明和实现可以分离。

cpp
class A {
  public:
    std::string get_name();
    void set_name(std::string &name);

  private:
    std::string name_;
};

std::string A::get_name() { return name_; }

void A::set_name(std::string &name) { name_ = name; }

Auto keyword

参考 https://learn.microsoft.com/zh-cn/cpp/cpp/auto-cpp?view=msvc-170

当变量类型已知时，可以用 auto 简化变量声明。

例如：

cpp
std::tuple<std::string, unsigned, bool> foo() {
    ......
};

int main() {
    // std::tuple<std::string, unsigned, bool> result = foo();
    auto result = foo(); // 与上面被注释的代码等价
}

可以看到，result 的类型很复杂（这里我们不用关心它具体类型是什么），但是是确定的。这个时候我们就可以使用 auto 来简化变量类型的声明。

auto 初始化表达式可以采用多种形式：

  • 通用初始化语法，例如 auto a { 42 };
  • 赋值语法，例如 auto b = 0;
  • 通用赋值语法，它结合了上述两种形式，例如 auto c = { 3.14156 };
  • 直接初始化或构造函数样式的语法，例如 auto d( 1.41421f );

C++11 迭代器遍历

语法：

cpp
for (元素类型 元素变量 : 可迭代的元素) {
    循环体
}

例如：

cpp
int a[] = { 1, 1, 4, 5, 1, 4};
for (int i : a) {
    std::cout << i << ",";
}

// 输出：1,1,4,5,1,4,

跟 Python 的 for 循环很像。

模板（Template）

模板是泛型编程的基础，例如你需要写两个 add 函数，它们只是参数类型和返回值不同，在 C 中需要分别实现，而 C++ 中可以使用模板：

cpp
template <typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    std::cout << add<int>(1, 2) << std::endl;
    std::cout << add<double>(1.5, 1.5) << std::endl;
}

typename T 模版参数 T，在之后的模板函数 add 中 T 便可作为类型被使用。模板函数的例化也很简单，在之后加上尖括号，里面写上类型即可。

还有模板类，可以自行了解。

模板的实例化是在编译期间而非运行时完成，这意味着每个实例都会对应产生一份相应的二进制代码，因此滥用模板可能会使可执行文件体积大大增加，即所谓的「二进制膨胀」。

运算符重载

（本实验未涉及，仅作拓展）

在上面的例子中，如果 T 是自定义的类 Complex（复数）：

cpp
#include <iostream>

class Complex {
private:
    double real;
    double image;

public:
    Complex(double real, double image)
        : real(real), image(image) {}
};

template <typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    Complex c1(1, 2);
    Complex c2(3, 4);
    std::cout << add<Complex>(c1, c2) << std::endl;
}

其中 Complex 类里的 public 函数是该类的构造函数（Constructor），用于创建该类的对象。: 语法是初始化列表。

编译报错

error: invalid operands to binary expression ('Complex' and 'Complex')
    return a + b;

此时需要重载 Complex 类的 + 运算，同时需要让 std::cout 能够知道如何打印一个 Complex 对象。

cpp
class Complex {
private:
    double real;
    double image;

public:
    Complex(double real, double image)
        : real(real), image(image) {}

    Complex operator+(const Complex &other) const {
        return {real + other.real, image + other.image};
    }

    friend std::ostream &
    operator<<(std::ostream &output, const Complex &z) {
        output << "Real :" << z.real << " Image :" << z.image;
        return output;
    }
};

文件读写

用 fstream 库里的 ifstream 和 ofstream 类。

例如

cpp
std::string input_filename = "./input.txt";
std::ifstream input_file(input_filename);

就用 input_filename 初始化了一个 ifstream 对象 input_file，此后 input_file 的使用就跟 std::cin 没什么区别了。可以用流运算符 >> 来读取文件内容：

cpp
int a = 0;
input_file >> a;

也可以用 std::getline 读取一行：

cpp
std::string s;
std::getline(input_file, s);

C++ 中多处体现了流，除了 fstream 外还有 sstream，也即流的来源从文件变成了字符串，使用方法跟 fstream 是很类似的，不赘述。