C++ 编程基础与进阶实战指南

在终端编译并运行：

g++ hello.cpp -o hello
./hello

第三章：基本语法

3.1 C++ 程序结构

一个标准的 C++ 程序通常包含头文件引用、命名空间声明、主函数 main() 以及业务逻辑。

3.2 注释的使用

良好的注释能提高代码可读性：

// 单行注释
/* 
   多行注释
   可以跨越多行
*/

3.3 数据类型与变量

C++ 提供了丰富的内置类型。下表列出了常见的基本类型及其典型大小（基于 64 位系统）：

注意：具体字节数取决于编译器和架构，但现代系统通常遵循上述规律。

示例：查看类型大小

#include <iostream>
#include <limits>
using namespace std;

int main() {
    cout << "bool size: " << sizeof(bool) << endl;
    cout << "int size: " << sizeof(int) << endl;
    cout << "double size: " << sizeof(double) << endl;
    return 0;
}

3.4 常量与输入输出

使用 const 定义常量，cin/cout 处理交互：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const float gravity = 9.81;
    int number;
    cout << "请输入一个数字：";
    cin >> number;
    cout << "你输入的数字是：" << number << endl;
    return 0;
}

第四章：控制结构

4.1 条件语句

if 语句

int a = 10;
if (a > 0) {
    cout << "a 是正数" << endl;
} else {
    cout << "a 不是正数" << endl;
}

switch 语句

int day = 4;
switch (day) {
    case 1: cout << "星期一" << endl; break;
    case 2: cout << "星期二" << endl; break;
    default: cout << "不是工作日" << endl;
}

4.2 循环结构

for 循环

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    cout << "i 的值：" << i << endl;
}

while 循环

int j = 0;
while (j < 5) {
    cout << "j 的值：" << j << endl;
    j++;
}

do-while 循环

int k = 0;
do {
    cout << "k 的值：" << k << endl;
    k++;
} while (k < 5);

第五章：函数

5.1 函数的定义与调用

函数将逻辑模块化，便于复用：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int result = add(5, 3);
    cout << "5 + 3 = " << result << endl;
    return 0;
}

5.2 参数传递方式

• 值传递：传递副本，函数内修改不影响原变量。
• 引用传递：传递别名，函数内修改直接影响原变量。

void modify(int &num) {
    num += 10;
}

int main() {
    int x = 5;
    modify(x);
    cout << "x 的值：" << x << endl; // 输出 15
    return 0;
}

5.3 函数重载

允许同名函数存在，只要参数列表不同：

float multiply(float a, float b) { return a * b; }
int multiply(int a, int b) { return a * b; }

5.4 默认参数与 inline 函数

void greet(string name = "World") {
    cout << "Hello, " << name << "!" << endl;
}

inline int square(int x) {
    return x * x;
}

5.5 Lambda 表达式与函数对象

Lambda 表达式简化了匿名函数的定义：

auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
cout << "Lambda add: " << add(5, 3) << endl;

第六章：数组与字符串

6.1 一维数组与多维数组

一维数组

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    cout << arr[i] << " ";
}

多维数组

int matrix[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        cout << matrix[i][j] << " ";
    }
}

6.2 字符串的处理

C++ 推荐使用 std::string 而非 C 风格字符串：

#include <string>
string str = "Hello, World!";
cout << "长度：" << str.length() << endl;

6.3 常用字符串函数

string s1 = "Hello";
s1 += " World";
cout << s1 << endl; // Hello World

第七章：指针与引用

7.1 指针的概念与使用

指针存储变量的地址：

int a = 10;
int *p = &a;
cout << "a 的值：" << *p << endl; // 10

7.2 指针与数组的关系

数组名即首地址：

int arr[3] = {1, 2, 3};
int *p = arr;
cout << *(p + 1) << endl; // 2

7.3 引用的概念与使用

引用是变量的别名：

int b = 20;
int &r = b;
r = 30;
cout << "b 的值：" << b << endl; // 30

7.4 指针与动态内存分配

使用 new 和 delete 管理堆内存：

int *ptr = new int;
*ptr = 42;
cout << "动态内存中的值：" << *ptr << endl;
delete ptr;

第八章：结构体与联合体

8.1 结构体的定义与使用

struct Person {
    string name;
    int age;
};
Person p;
p.name = "Alice";
p.age = 30;

8.2 结构体数组

Person people[2] = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}};
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    cout << people[i].name << ", " << people[i].age << endl;
}

8.3 联合体的定义与使用

联合体成员共享同一块内存：

union Data {
    int intValue;
    float floatValue;
};
Data data;
data.intValue = 10;
data.floatValue = 5.5; // 会覆盖 intValue

8.4 枚举类型的使用

enum Color { RED, GREEN, BLUE };
Color c = GREEN;

第九章：类与对象

9.1 面向对象的基本概念

类是对象的蓝图，对象是类的实例。

9.2 类的定义与对象的创建

class Car {
public:
    string brand;
    int year;
    void display() {
        cout << "品牌：" << brand << ", 年份：" << year << endl;
    }
};
Car myCar;
myCar.brand = "Toyota";
myCar.year = 2020;
myCar.display();

9.3 构造函数与析构函数

class Point {
public:
    int x, y;
    Point(int xVal, int yVal) : x(xVal), y(yVal) {}
    ~Point() {}
};
Point p(10, 20);

9.4 成员函数与属性

class Circle {
public:
    double radius;
    double area() { return 3.14 * radius * radius; }
};
Circle c;
c.radius = 5;
cout << "面积：" << c.area() << endl;

9.5 访问控制

class Box {
private:
    double width;
public:
    void setWidth(double w) { width = w; }
    double getWidth() { return width; }
};

第十章：继承与多态

10.1 继承的概念与实现

class Animal {
public:
    void eat() { cout << "Eating..." << endl; }
};
class Dog : public Animal {
public:
    void bark() { cout << "Barking..." << endl; }
};
Dog d;
d.eat();
d.bark();

10.2 基类与派生类

基类提供公共接口，派生类扩展行为。

10.3 虚函数与多态

class Base {
public:
    virtual void show() { cout << "Base class" << endl; }
};
class Derived : public Base {
public:
    void show() override { cout << "Derived class" << endl; }
};
Base* b = new Derived();
b->show(); // 输出 Derived class
delete b;

10.4 多态的实现

通过基类指针调用派生类重写方法。

第十一章：模板与泛型编程

11.1 函数模板

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

11.2 类模板

template <typename T>
class Pair {
private:
    T first, second;
public:
    Pair(T a, T b) : first(a), second(b) {}
};

11.3 模板特化

为特定类型提供专门实现。

11.4 STL（标准模板库）简介

STL 提供容器、算法和迭代器：

#include <vector>
vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int num : vec) {
    cout << num << " ";
}

第十二章：异常处理

12.1 异常的概念

用于处理运行时错误，增强程序稳定性。

12.2 try, catch, throw 语句

try {
    throw runtime_error("发生错误");
} catch (const runtime_error& e) {
    cout << "捕获到异常：" << e.what() << endl;
}

12.3 自定义异常类

继承自 std::exception 并重写 what() 方法：

#include <iostream>
#include <exception>
#include <string>
using namespace std;

class MyException : public std::exception {
private:
    string message;
public:
    MyException(const string& msg) : message(msg) {}
    virtual const char* what() const noexcept override {
        return message.c_str();
    }
};

void riskyFunction(int value) {
    if (value < 0) {
        throw MyException("负数错误");
    }
}

int main() {
    try {
        riskyFunction(-1);
    } catch (const MyException& e) {
        cout << "捕获到异常：" << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

第十三章：文件操作

13.1 文件的读写操作

写入文件

#include <fstream>
ofstream outFile("example.txt");
outFile << "Hello, file!" << endl;
outFile.close();

读取文件

ifstream inFile("example.txt");
string line;
while (getline(inFile, line)) {
    cout << line << endl;
}
inFile.close();

13.2 二进制文件与文本文件

ofstream outFile("binary.dat", ios::binary);
int num = 42;
outFile.write(reinterpret_cast<char*>(&num), sizeof(num));
outFile.close();

13.3 文件流的使用

fstream 支持同时读写：

fstream file("example.txt", ios::in | ios::out | ios::app);
file << "追加内容！" << endl;
file.close();

第十四章：标准库与命名空间

14.1 C++ 标准库概述

包含丰富的函数、类和模板，如容器、算法和迭代器。

14.2 常用标准库函数与算法

使用 vector

#include <vector>
vector<int> vec = {1, 2, 3};
vec.push_back(4);

使用 algorithm 库

#include <algorithm>
sort(vec.begin(), vec.end());

14.3 命名空间的使用

避免命名冲突：

namespace MyNamespace {
    void display() {
        cout << "Hello from MyNamespace!" << endl;
    }
}
MyNamespace::display();

第十五章：高级特性

15.1 智能指针的使用

自动管理内存，减少泄漏风险。

unique_ptr

#include <memory>
unique_ptr<int> ptr(new int(10));

shared_ptr

shared_ptr<int> p1(new int(20));
shared_ptr<int> p2 = p1;

15.2 Lambda 表达式与并发编程

#include <algorithm>
vector<int> vec = {1, 2, 3};
for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int n) {
    cout << n << " ";
});

15.3 C++11/14/17/20 新特性

• C++11：auto, nullptr, 线程库。
• C++14：泛型 Lambda。
• C++17：结构化绑定，optional。
• C++20：Concepts, Ranges。

第十六章：综合项目

16.1 项目设计与结构

定义功能模块与类结构，遵循面向对象原则。

16.2 代码实现与管理

使用 Git 等工具管理版本。

16.3 代码调试与优化

利用 GDB 或 IDE 调试工具分析性能瓶颈。

第十七章：学习资源与实践

17.1 推荐书籍

• 《C++ Primer》
• 《Effective C++》
• 《The C++ Programming Language》

17.2 在线课程

Coursera、edX 等平台的相关课程。

17.3 开源项目与参与

参与 GitHub 上的 C++ 开源项目。

17.4 C++ 社区与论坛

Stack Overflow、Reddit C++ 版块等。

第十八章：附录

18.1 C++ 关键字

class, public, private, virtual, template 等。

18.2 常用函数与算法汇总

排序 sort()、查找 find()、复制 copy() 等。

18.3 参考文献

C++ 标准文档及相关技术网站。