C++ 入门实战指南：从基础语法到高级特性

3.1 C++ 程序结构

一个基本的 C++ 程序通常包括头文件、主函数和必要的逻辑。

3.2 注释的使用

使用注释可以提高代码的可读性。

// 这是单行注释
/* 这是多行注释
   可以跨越多行 */

3.3 数据类型与变量

C++ 提供了种类丰富的内置数据类型。下表列出了七种基本类型：

一些基本类型可以使用修饰符进行修饰：signed, unsigned, short, long。

不同系统会有所差异，一字节为 8 位。默认情况下，int、short、long 都是带符号的。以下是常见类型的存储大小及范围参考（以 64 位系统为例）：

注意：各种类型的存储大小与系统位数有关，通用以 64 位系统为主。

下面实例会输出您电脑上各种数据类型的大小：

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

int main() {
    cout << "type:\t\tsize\tmax\tmin" << endl;
    cout << "bool:\t\t" << sizeof(bool) << "\t" << numeric_limits<bool>::max() << endl;
    cout << "char:\t\t" << sizeof(char) << "\t" << numeric_limits<char>::max() << endl;
    cout << "int:\t\t" << sizeof(int) << "\t" << numeric_limits<int>::max() << endl;
    cout << "double:\t\t" << sizeof(double) << "\t" << numeric_limits<double>::max() << endl;
    return 0;
}

3.4 常量与输入输出

使用 const 关键字定义常量：

const float gravity = 9.81;

使用 cin 和 cout 进行输入输出：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    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 语句示例

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

switch 语句示例

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 循环示例

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

while 循环示例

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

do-while 循环示例

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

函数用于将代码逻辑模块化，便于重用。

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：将参数的副本传递给函数。
• 引用传递：将参数的引用传递给函数（可以修改原变量）。

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

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

5.3 函数重载

允许同名函数，但参数类型或数量不同。

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

使用 lambda 表达式定义简单的函数。

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

一维数组示例

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

多维数组示例

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++ 字符串使用 std::string。

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

6.3 常用字符串函数

string str = "Hello";
str += " World";
cout << str << endl;

第七章：指针与引用

7.1 指针的概念与使用

指针是存储变量地址的变量。

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

7.2 指针与数组的关系

数组名代表数组的首地址，可以用指针访问数组元素。

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

7.3 引用概念与使用

引用是变量的别名。

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

7.4 指针与动态内存分配

使用 new 和 delete 进行动态内存管理。

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

结构体用于将不同类型的数据组合在一起。

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 << "姓名：" << people[i].name << ", 年龄：" << people[i].age << endl;
}

8.3 联合体的定义与使用

联合体用于节省内存，所有成员共享相同的内存。

union Data {
    int intValue;
    float floatValue;
};
Data data;
data.intValue = 10;

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;

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() {}
};

9.4 成员函数与属性

class Circle {
public:
    double radius;
    double area() { return 3.14 * radius * radius; }
};

9.5 访问控制

C++ 提供了三种访问控制：public、private、protected。

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; }
};

10.2 基类与派生类

基类提供公共接口，派生类扩展或修改基类的行为。

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; }
};

10.4 多态的实现

通过基类指针调用派生类的重写方法。

Base* basePtr = new Derived();
basePtr->show();
delete basePtr;

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) {}
    T getFirst() { return first; }
};

11.3 模板特化

template <>
class Pair<string> {
private:
    string first, second;
public:
    Pair(string a, string b) : first(a), second(b) {}
    string getConcatenated() { return first + second; }
};

11.4 STL 简介

STL 提供了许多通用数据结构和算法。

#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

异常处理用于处理运行时错误，确保程序的稳定性。

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

#include <exception>
#include <string>

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：不能为负数");
    }
}

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

写入二进制文件

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 file("example.txt", ios::in | ios::out | ios::app);
file << "追加内容！" << endl;
file.seekg(0);

第十四章：标准库与命名空间

14.1 C++ 标准库概述

C++ 标准库包含了丰富的函数、类和模板。

14.2 常用标准库函数与算法

使用 vector

#include <vector>
vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
vec.push_back(6);

使用 algorithm 库

#include <algorithm>
vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};
sort(vec.begin(), vec.end());

14.3 命名空间的使用

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

使用 std::unique_ptr

#include <memory>
unique_ptr<int> ptr(new int(10));
cout << "值：" << *ptr << endl;

使用 std::shared_ptr

shared_ptr<int> p1(new int(20));
{
    shared_ptr<int> p2 = p1;
    cout << "值：" << *p2 << endl;
}

15.2 Lambda 表达式与并发编程

vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int n) {
    cout << n << " ";
});

15.3 C++11/14/17/20 新特性

• C++11：引入了 auto 关键字、范围 for 循环、nullptr、线程库等。
• C++14：改进了 lambda 表达式，支持泛型 lambda。
• C++17：引入了结构化绑定、if constexpr、std::optional 等。
• C++20：引入了概念（concept）、范围（ranges）等。

第十六章：综合项目

16.1 项目设计与结构

设计一个小型项目，定义功能模块与类结构，使用面向对象的设计原则。

16.2 代码实现与管理

使用版本控制工具（如 Git）管理代码，记录每次更新。

16.3 代码调试与优化

使用调试工具（如 GDB 或 IDE 内置调试工具）进行调试，分析性能瓶颈并进行优化。

第十七章：学习资源与实践

17.1 推荐书籍

• 《C++ Primer》 - Stanley B. Lippman
• 《Effective C++》 - Scott Meyers
• 《The C++ Programming Language》 - Bjarne Stroustrup

17.2 在线课程

Coursera、edX、Udacity 等平台的 C++ 课程。

17.3 开源项目与参与

参与 GitHub 上的 C++ 开源项目，学习最佳实践。

17.4 C++ 社区与论坛

加入 C++ 相关的社区与讨论组（如 Stack Overflow），向他人学习。

第十八章：附录

18.1 C++ 关键字

列出 C++ 中的所有关键字，比如 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()
• 变换：transform()

18.3 参考文献

• C++ 标准文档
• 各大编程网站的相关教程与文档。