本文主要参考 Learn X in Y minutes上的教程介绍C++相关的基础知识。
相对于C语言,C++具有以下特点:
- 支持数据的抽象与封装
- 支持面向对象编程
- 支持泛型编程
头文件
C语言的标准库头文件可以在C++中使用,方法是加上"c"前缀、去掉.h后缀。
C++标准库的头文件使用时也不需要指定后缀,比如说iostream。
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#include <cstdio>
#include <iostream>
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命名空间
C++引入了命名空间(namespace)概念,为变量、函数、类等提供隔离的作用域,防止命名冲突。
通过namespace关键字可以定义命名空间(允许嵌套)。\
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namespace MyMod {
namespace MySubMod {
void foo()
{
printf("This is MyMod::MySubMod::foo\n");
}
} // end nested namespace MySubMod
} // end namespace MyMod
void foo()
{
printf("This is global foo\n");
}
int main()
{
MyMod::MySubMod::foo();
::foo(); // using global namespace
foo();
}
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通过using
namespace可以引入指定命名空间内所有symbol,比如说std命名空间。\
又或者只引入某个symbol:\
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using namespace std::cout;
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输入/输出
C++使用"流"来输入输出。
通过<<
输入数据到流中。
通过>>
从流中输出数据。
cin、cout、和cerr分别对应stdin(标准输入)、stdout(标准输出)和stderr(标准错误)。
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#include <iostream> // 引入输入/输出流的头文件uint64_t在32位使用%llu,在64位使用%lu打印
C99还可以使用PRIu64打印uint64
using namespace std; // 引入std命名空间中的符号,包括cin、cout等
int main()
{
int myInt;
// 在标准输出中显示
cout << "Enter your favorite number:\n";
// 从标准输入取值
cin >> myInt;
// 显示“Your favorite number is <myInt>”
cout << "Your favorite number is " << myInt << endl;
}
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如果需要实现类似于printf这样控制宽度、精度、对齐、进制(base)的效果,有两种选择:
uint64_t打印在32位平台使用%llu,在64位平台使用%lu。
支持C99标准的话可以使用PRIu64打印。
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uint64_t u64 = 100;
printf("u64: %"PRIu64"\n", u64);
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字符串
string
C++中的字符串是string类,提供比char *更好的封装与功能。
可以使用+或者+=拼接字符串(通过运算符重载实现)。
to_string
可以将常见类型转换为string类型。
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#include <string>
using namespace std; // std::string
string strHello = "Hello";
string strWorld = " World";
cout << strHello + strWorld; // "Hello World"
cout << strHello + " You";
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wstring
对于非英文字符串应该使用wstring存储,比如说中文。
string虽然也可以存储,但实际上是以char作为字符单元,类似计算长度、反转等操作结果并不正确。
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int main() {
wcout.imbue(locale("zh_CN.UTF-8"));
wstring zhHello = L"你好吗?";
wcout << zhHello << L" 长度: " << to_wstring(zhHello.size()) << endl;
// 显示 "你好吗? 长度: 4"
reverse(zhHello.begin(), zhHello.end());
wcout << zhHello << endl;
// 显示 "?吗好你"
return 0;
}
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stringstream
如果有比较多的拼接操作,那么可以考虑使用stringstream提高效率。
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std::stringstream ss;
ss << "Your age is " << 28;
cout << ss.str() << endl;
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注意清除内容不是.clear()
而是 .str("")
。
引用
C++提供引用来设置变量别名,本质上是特殊的指针,初始化后不能重新赋值。
使用引用时的语法与原变量相同:不需要通过*解引用。
常量引用不允许改变变量的值。\
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string foo = "I am foo";
string bar = "I am bar";
string& fooRef = foo; // 建立了一个对foo的引用。
fooRef += ". Hi!"; // 通过引用来修改foo的值
cout << fooRef; // "I am foo. Hi!"
const string& barRef = bar; // 建立指向bar的常量引用。
// 和C语言中一样,(指针和引用)声明为常量时,对应的值不能被修改。
barRef += ". Hi!"; // 这是错误的,不能修改一个常量引用的值。
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对于临时对象的常量引用会使其生命周期延长到当前作用域。
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string tempObjectFun() { ... }
string retVal = tempObjectFun();
// 第二行代码实际上做了以下操作:
// - tempObjectFun返回一个string对象
// - 以返回的对象为参数调用构造函数生成新的string对象
// - 销毁返回的对象
// 返回的对象就是临时对象。
// 临时对象在函数返回对象的时候创建,在表达式求值结束时销毁(编译器可能会优化)
foo(bar(tempObjectFun()))
// 假设foo和bar都存在,tempObjectFun返回的对象传递给了bar并在foo调用前销毁
// 在表达式求值结束时销毁临时对象的原则有一个例外的情况:
// 当临时对象绑定到常量引用时,该临时对象的生命周期会延长到当前作用域。
void constReferenceTempObjectFun() {
// constRef绑定了返回的临时对象,该对象在本函数范围内仍然有效。
const string& constRef = tempObjectFun();
...
}
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另外还有右值引用,因为超出本文范围,建议自行了解。
类与面向对象编程
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#include <iostream>
// 声明一个类。
// 类通常在头文件(.h或.hpp)中声明。
class Dog {
// 成员变量和成员函数默认情况下是私有(private)的。
std::string name;
int weight;
// 在这个标签之后,所有声明都是公有(public)的,
// 直到重新指定“private:”(私有继承)或“protected:”(保护继承)为止
public:
// 默认的构造器
Dog();
// 这里是成员函数声明的一个例子。
// 可以注意到,我们在此处使用了std::string,而不是using namespace std
// 语句using namespace绝不应当出现在头文件当中。
void setName(const std::string& dogsName);
void setWeight(int dogsWeight);
// 如果一个函数不对对象的状态进行修改,
// 应当在声明中加上const。
// 这样,你就可以对一个以常量方式引用的对象执行该操作。
// 同时可以注意到,当父类的成员函数需要被子类重写时,
// 父类中的函数必须被显式声明为虚函数(virtual)。
// 考虑到性能方面的因素,函数默认情况下不会被声明为虚函数。
virtual void print() const;
// 函数也可以在class body内部定义。
// 这样定义的函数会自动成为内联函数。
void bark() const { std::cout << name << " barks!\n" }
// 除了构造器以外,C++还提供了析构器。
// 当一个对象被删除或者脱离其定义域时,它的析构函数会被调用。
// 这使得RAII这样的强大范式(参见下文)成为可能。
// 为了衍生出子类来,基类的析构函数必须定义为虚函数。
// 如果没有定义为虚函数,那么通过基类引用或者指针销毁时,衍生类的析构函数并不会被调用。
virtual ~Dog();
}; // 在类的定义之后,要加一个分号
// 类的成员函数通常在.cpp文件中实现。
void Dog::Dog()
{
std::cout << "A dog has been constructed\n";
}
// 复杂对象(例如字符串)应当以引用的形式传递,
// 对于不需要修改的对象,最好使用常量引用。
void Dog::setName(const std::string& dogsName)
{
name = dogsName;
}
void Dog::setWeight(int dogsWeight)
{
weight = dogsWeight;
}
// 虚函数的virtual关键字只需要在声明时使用,不需要在定义时重复
void Dog::print() const
{
std::cout << "Dog is " << name << " and weighs " << weight << "kg\n";
}
void Dog::~Dog()
{
std::cout << "Goodbye " << name << "\n";
}
int main() {
Dog myDog; // 此时显示“A dog has been constructed”
myDog.setName("Barkley");
myDog.setWeight(10);
myDog.print(); // 显示“Dog is Barkley and weighs 10 kg”
return 0;
} // 显示“Goodbye Barkley”
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初始化与运算符重载
变量可以直接赋初值,也可以在初始化列表中根据外部参数赋值。
另外C++允许运算符重载,也就是改变运算符(比如说+,*)对于对象的行为。
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#include <iostream>
using namespace std;
class Point {
public:
// 可以以这样的方式为成员变量设置默认值。
double x = 0;
double y = 0;
// 定义一个默认的构造器。
// 除了将Point初始化为(0, 0)以外,这个函数什么都不做。
Point() { };
// 下面使用的语法称为初始化列表,
// 这是初始化类中成员变量的正确方式。
Point (double a, double b) :
x(a),
y(b)
{ /* 除了初始化成员变量外,什么都不做 */ }
// 重载 + 运算符
Point operator+(const Point& rhs) const;
// 重载 += 运算符
Point& operator+=(const Point& rhs);
// 增加 - 和 -= 运算符也是有意义的,但这里不再赘述。
};
Point Point::operator+(const Point& rhs) const
{
// 创建一个新的点,
// 其横纵坐标分别为这个点与另一点在对应方向上的坐标之和。
return Point(x + rhs.x, y + rhs.y);
}
Point& Point::operator+=(const Point& rhs)
{
x += rhs.x;
y += rhs.y;
return *this;
}
int main () {
Point up (0,1);
Point right (1,0);
// 这里使用了Point类型的运算符“+”
// 调用up(Point类型)的“+”方法,并以right作为函数的参数
Point result = up + right;
// 显示“Result is upright (1,1)”
cout << "Result is upright (" << result.x << ',' << result.y << ")\n";
return 0;
}
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继承
继承可以复用已有代码,可以分为单继承、多继承、虚拟继承。
利用多态可以提高灵活性、增加可维护性。
除了继承外,合理使用组合也是不错的选择。
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// 这个类继承了Dog类中的公有(public)和保护(protected)内容,
// 私有(private)内容实际上也继承了,但是只能通过public或者protected方法进行访问
class OwnedDog : public Dog {
void setOwner(const std::string& dogsOwner)
// 重写OwnedDogs类的print方法。
// 如果你不熟悉子类多态的话,可以参考这个页面中的概述:
// http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%90%E7%B1%BB%E5%9E%8B
// override关键字是可选的,它确保你所重写的是基类中的方法。
void print() const override;
private:
std::string owner;
};
// 与此同时,在对应的.cpp文件里:
void OwnedDog::setOwner(const std::string& dogsOwner)
{
owner = dogsOwner;
}
void OwnedDog::print() const
{
Dog::print(); // 调用基类Dog中的print方法
// "Dog is <name> and weights <weight>"
std::cout << "Dog is owned by " << owner << "\n";
// "Dog is owned by <owner>"
}
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静态成员变量
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// .h
class IpUtils
{
...
static const size_t IPV6_ADDR_SIZE = 16;
static const size_t IPV4_ADDR_SIZE = 4;
...
};
// .cpp
const size_t IpUtils::IPV6_ADDR_SIZE;
const size_t IpUtils::IPV4_ADDR_SIZE;
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模板
C++模板主要用于泛型编程。
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template<class T>
class Box {
public:
// In this class, T can be used as any other type.
void insert(const T&) { ... }
};
// During compilation, the compiler actually generates copies of each template
// with parameters substituted, so the full definition of the class must be
// present at each invocation. This is why you will see template classes defined
// entirely in header files.
// To instantiate a template class on the stack:
Box<int> intBox;
// and you can use it as you would expect:
intBox.insert(123);
// You can, of course, nest templates:
Box<Box<int> > boxOfBox;
boxOfBox.insert(intBox);
// Until C++11, you had to place a space between the two '>'s, otherwise '>>'
// would be parsed as the right shift operator.
// You will sometimes see
// template<typename T>
// instead. The 'class' keyword and 'typename' keywords are _mostly_
// interchangeable in this case. For the full explanation, see
// http://en.wikipedia.org/wiki/Typename
// (yes, that keyword has its own Wikipedia page).
// Similarly, a template function:
template<class T>
void barkThreeTimes(const T& input)
{
input.bark();
input.bark();
input.bark();
}
// Notice that nothing is specified about the type parameters here. The compiler
// will generate and then type-check every invocation of the template, so the
// above function works with any type 'T' that has a const 'bark' method!
Dog fluffy;
fluffy.setName("Fluffy")
barkThreeTimes(fluffy); // Prints "Fluffy barks" three times.
// Template parameters don't have to be classes:
template<int Y>
void printMessage() {
cout << "Learn C++ in " << Y << " minutes!" << endl;
}
// And you can explicitly specialize templates for more efficient code. Of
// course, most real-world uses of specialization are not as trivial as this.
// Note that you still need to declare the function (or class) as a template
// even if you explicitly specified all parameters.
template<>
void printMessage<10>() {
cout << "Learn C++ faster in only 10 minutes!" << endl;
}
printMessage<20>(); // Prints "Learn C++ in 20 minutes!"
printMessage<10>(); // Prints "Learn C++ faster in only 10 minutes!"
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异常处理
try catch
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// 在try代码块中拋出的异常可以被随后的catch捕获。
try {
// 不要用 new关键字在堆上为异常分配空间。
throw std::exception("A problem occurred");
}
// 如果拋出的异常是一个对象,可以用常量引用来捕获它
catch (const std::exception& ex)
{
std::cout << ex.what();
// 捕获尚未被catch处理的所有错误
}
catch (...)
{
std::cout << "Unknown exception caught";
throw; // 重新拋出异常
}
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try catch不能捕获SEGV错误,需要注册相应信号处理器。
goto 或 do while(0)
C风格处理出错情况。
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do
{
if (出错)
{
设置flag;
break;
}
} while (0);
if (flag)
{
错误处理;
}
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RAII
RAII指的是"资源获取就是初始化"(Resource Allocation Is
Initialization)。
RAII是C++中最强大的编程范式之一。
简单来说,就是在构造函数中申请资源,在析构函数中释放资源。
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void doSomethingWithAFile(const char* filename)
{
// 首先,让我们假设一切都会顺利进行。
FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件
doSomethingWithTheFile(fh);
doSomethingElseWithIt(fh);
fclose(fh); // 关闭文件句柄
}
// 不幸的是,随着错误处理机制的引入,事情会变得复杂。
// 假设fopen函数有可能执行失败,
// 而doSomethingWithTheFile和doSomethingElseWithIt会在失败时返回错误代码。
// (虽然异常是C++中处理错误的推荐方式,
// 但是某些程序员,尤其是有C语言背景的,并不认可异常捕获机制的作用)。
// 现在,我们必须检查每个函数调用是否成功执行,并在问题发生的时候关闭文件句柄。
bool doSomethingWithAFile(const char* filename)
{
FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件
if (fh == nullptr) // 当执行失败是,返回的指针是nullptr
return false; // 向调用者汇报错误
// 假设每个函数会在执行失败时返回false
if (!doSomethingWithTheFile(fh)) {
fclose(fh); // 关闭文件句柄,避免造成内存泄漏。
return false; // 反馈错误
}
if (!doSomethingElseWithIt(fh)) {
fclose(fh); // 关闭文件句柄
return false; // 反馈错误
}
fclose(fh); // 关闭文件句柄
return true; // 指示函数已成功执行
}
// C语言的程序员通常会借助goto语句简化上面的代码:
bool doSomethingWithAFile(const char* filename)
{
FILE* fh = fopen(filename, "r");
if (fh == nullptr)
return false;
if (!doSomethingWithTheFile(fh))
goto failure;
if (!doSomethingElseWithIt(fh))
goto failure;
fclose(fh); // 关闭文件
return true; // 执行成功
failure:
fclose(fh);
return false; // 反馈错误
}
// 如果用异常捕获机制来指示错误的话,
// 代码会变得清晰一些,但是仍然有优化的余地。
void doSomethingWithAFile(const char* filename)
{
FILE* fh = fopen(filename, "r"); // 以只读模式打开文件
if (fh == nullptr)
throw std::exception("Could not open the file.");
try {
doSomethingWithTheFile(fh);
doSomethingElseWithIt(fh);
}
catch (...) {
fclose(fh); // 保证出错的时候文件被正确关闭
throw; // 之后,重新抛出这个异常
}
fclose(fh); // 关闭文件
// 所有工作顺利完成
}
// 相比之下,使用C++中的文件流类(fstream)时,
// fstream会利用自己的析构器来关闭文件句柄。
// 只要离开了某一对象的定义域,它的析构函数就会被自动调用。
void doSomethingWithAFile(const std::string& filename)
{
// ifstream是输入文件流(input file stream)的简称
std::ifstream fh(filename); // 打开一个文件
// 对文件进行一些操作
doSomethingWithTheFile(fh);
doSomethingElseWithIt(fh);
} // 文件已经被析构器自动关闭
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单例模式
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// works for c++11(or later standard) only!
class SingletonCfg {
public:
static SingletonCfg& getInst()
{
// c++11(or later standard) ensure thread-safe static local initialization
static SingletonCfg s;
return s;
}
void display();
private:
SingletonCfg();
SingletonCfg(const SingletonCfg &); // do not implement
SingletonCfg& operator=(const SingletonCfg &); // do not implement
};
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杂项Misc
函数重载
C++支持函数重载,也就是可以定义一组名称相同而参数不同的函数。
实现上类似于根据函数名+参数类型生成新的函数名。
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void print(char *myString)
{
printf("String %s\n", myString);
}
void print(int myInt)
{
printf("My int is %d", myInt);
}
int main()
{
print("Hello");
print(15);
}
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参数默认值设置
可以为函数的参数指定默认值,在调用者没有提供相应参数时按照默认值调用。
具有默认值的参数必须放在所有的常规参数之后。
一般在声明的时候指定默认值。
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void doSomethingWithInts(int a = 1, int b = 4)
{
}
void invalidDeclaration(int a = 1, int b) // 这是错误的!
{
}
int main()
{
doSomethingWithInts(); // a = 1, b = 4
doSomethingWithInts(20); // a = 20, b = 4
doSomethingWithInts(20, 5); // a = 20, b = 5
}
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空指针
在C++中使用nullptr代替C语言中的NULL。
严格原型
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// C++的函数原型与函数定义是严格匹配的
void func(); // 这个函数不能接受任何参数
// 而在C语言中
void func(); // 这个函数能接受任意数量的参数
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extern “C”
可以实现C与C++混合编程。
C++支持函数重载,底层实现函数名带有参数信息,而C不支持重载。
加上 extern "C"
编译器才能把C与C++代码链接在一起。
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#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
// 正式定义。。。
#ifdef __cplusplus
}
#endif
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STL
容器
具体参考 STL容器 。
算法
具体参考 STL算法 。
参考链接