初识 C++

C++源程序框架

#include<iostream>
#include<cstdio>        // 必须的两行，使用I/O头文件
using namespace std;    // 使用std命名空间

int main() {            // 主程序 花括号括起来的是为函数体
    cout << "Hello, C++" << endl;    // C++方式输出
    printf("%s\n", "Hello, C++");      // C方式输出

    return 0;           // 返回值
}

执行流程

将上述代码保存为xxx.cpp文件后：

1. 编译(F9)-->运行(F10)

2. 或者是编译运行(F11)

代码分析

1. 头文件
2. 命名空间
3. 主函数
4. 函数体
5. 函数返回值
6. 语句

常量和变量

常量

程序运行过程中，其值保持不变（即不能被改变）的量。主要分成四类：

1. 整型常量

   1. 二进制：0001、1010
   2. 八进制：数字 0开头，如012或写成12(8)，每位取值范围[0, 7]。
   3. 十进制
   4. 十六进制：以0x或0X开头，如0x1a或写成1a(16)，每位取值范围[0, f]。

2. 实型常量

   1. 小数：如31.4、1.23
   2. 科学计数法：如1e2、3.14e-1

3. 字符常量

   单引号表示单个字符，如'k'、'5'、' '、'%'等。注意：双引号引起来的是字符串。

4. 符号常量

   const 符号常量 = 常量字串

   如：

   const double PI = 3.1415926; // 符号常量一般使用大写表示

变量

在程序运行过程中其值可以改变。变量在内存中占据一定的存储单元。

1. 变量的三个属性：变量名、变量值、存储单元

2. 变量名是一种标识符，函数名、数组名、文件名等都是标识符，标识符的命名规则如下：

   1. 由字母、数字、下划线构成
   2. 不能以数字开头
   3. 不能与系统关键字冲突

   一点建议：变量命名要见名知意

   练习：下列变量名不合法，为什么？

   M.D.John, $123, #23, 3G64, ling ling, C++, zhang-ling, U.S.A

3. 变量的使用

   1. 先定义后使用
   2. 先赋值后使用

4. 变量的定义

   格式：数据类型 变量名表，例如：

   int a;       // 整型变量a
   double b, c; // 双精度浮点型变量b， c
   char e;      // 字符型变量e
   
   int x = 10   // C++允许在变量定义的同时进行赋值
   x = 11
   x = 12       // 变量值允许被覆盖，即同一个变量被多次赋值，变量值为最后一次赋值的值。此时x的值为12。

5. 由变量定义的格式可知，变量是有类型的，C++在编译时会根据不同的数据类型，自动为变量分配存储单元。

数据类型

C++中的数据类型整体被分成：基本类型、构造类型、指针类型以及引用类型。在语言基础部分我们先学习四大基本类型。

类型	关键字
整型	int
浮点型	单精度（float），双精度（double）
字符型	char
布尔型	bool

这些基本类型可以使用一个或多个类型修饰符进行修饰

• signed
• unsigned
• short
• long

类型	位	范围
char	1 byte	-128 到 127 或者 0 到 255
unsigned char	1 byte	0 到 255
[signed] short [int]	2 byte	-32768 到 32767
unsigned short [int]	2 byte	0 到 65535
[signed] [long] int	4 byte	-2147483648 到 2147483647
unsigned int	4 byte	0 到 4294967295
[signed] long long [int]	8 byte	-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807
unsigned long long [int]	8 byte	0 到 18,446,744,073,709,551,615
float	4 byte	单精度型占 4byte（32 位）内存空间，+/- 3.4e +/- 38 (~7 个数字)
double	8 byte	双精度型占 8 byte（64 位）内存空间，+/- 1.7e +/- 308 (~15 个数字)
long double	16 byte	长双精度型 16 byte（128 位）内存空间，可提供 18-19 位有效数字。

整型

位与字节

计算机中的数据是以二进制（0和1）来存储的，每一个二进制位被称作一位或是 1bit。8bit 又被称作 1byte（字节），byte 可简写为B，即是： $8bit=1byte$

字节是计算机数据存储的最基本单位，常见如下换算：

$$\begin{array}{rl}& 1B=8b\\ & 1KB=2^{10}B\\ & 1MB=2^{10}KB=2^{20}B\\ & 1GB=2^{10}MB=2^{20}KB=2^{30}B\\ & 1TB=2^{10}GB=2^{20}MB=2^{30}KB=2^{40}B\end{array}$$

$2^{10}=1024$，在实际进行换算时也可以将 1024 约看作 1000

问题：1byte 的取值范围是多大呢？

从我们熟悉的十进制看 8 位十进制的取值范围是[000000000, 999999999，那如果是 8 位二进制呢？它的取值范围是？[00000000, 11111111]。

问题是11111111是多大呢？

考虑十进制的 5432，它可以写成：$2\ast {10}^0+3\ast {10}^1+4\ast {10}^2+5\ast {10}^3$

这种方法我们称之为按位权展开求值，这也是任意进制转换为十进制的方法。

十进制转换为任意进制呢？请同学们课下探索。

同样的道理11111111按位权 2 展开（$1\ast 2^0+1\ast 2^1+1\ast 2^2+1\ast 2^3+1\ast 2^4+1\ast 2^5+1\ast 2^6+1\ast 2^7$）之后得到十进制下的 255（$2^8-1$），故 1byte 的取值范围是[0, 255]。

由上面的推导可知：

字节数	取值范围
1	$[0,2^8-1]$
2	$[0,2^{16}-1]$
4	$[0,2^{32}-1]$
8	$[0,2^{64}-1]$

问题：计算机中的负数是如何表示的？

计算机中是没有+，-的，计算机在二进制的最高位使用 0 表示正数，使用 1 表示负数。在有符号表示中由于最高位被占用所以 8 位二进制的取值变成了$[-(2^7-1),2^7-1]$

计算机中的数据表示方式，请同学们课后探索

C++中的整型

类型	位	范围
[signed] short [int]	2 byte	-32768 到 32767
unsigned short [int]	2 byte	0 到 65535
[signed] [long] int	4 byte	-2147483648 到 2147483647
unsigned int	4 byte	0 到 4294967295
[signed] long long [int]	8 byte	-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807
unsigned long long [int]	8 byte	0 到 18,446,744,073,709,551,615

浮点型

浮点型分成单精度浮点型（float）和双精度浮点型（double），它其实就是数学中的小数，只是区分了不同的精度。注意：浮点型也可以存储整数。

float a = 3.14;
double b = 9.99;
float c = 7;

类型	位	范围	有效位
float	4 byte	-3.4e-38 ~ 3.4e38	6 ~ 7
double	8 byte	-1.7e-308 ~ 1.7e308	15 ~ 16

字符型

char c = 'm' // 将字符m赋值给字符变量c

计算机是使用字符编码来表示字符的，C++支持 ASCII（美国信息交换标准代码）。 一个 ASCII 字符占 8bit 也就是 1byte，故它能表示至多 256 个字符，0~127 为基本字符，128~255 为扩展字符，有些字符是非打印字符，作控制用，输出时也不显示，如\a。

字符的两种表示方式

1. 普通表示法：单引号是字符，双引号是字符串
2. 转义字符：单引号引注，以反斜杠开头，如\a，\t，\n

布尔型

布尔型只有 true（逻辑真）和 false（逻辑假）两个值，占一个字节，在 C++中所有非 0 值都是 true，只有 0 表示 false，一般我们使用 1 来表示 true。

类型转换

隐式转换

如果类型不匹配时，C++默认会进行类型之间的转换，转换的规则：短类型转长类型

显式转换

将某一个数据类型强制转换为另外一个类型，形式：(类型名) (表达式)

如：

(int) 4.5; // 4
(double) 4; // 4.00000

了解输入输出语句

cout 和 cin

cout 基本语句格式：cout << 表达式1 << 表达式2 << ... << 表达式n;

cin 基本语句格式：cin >> 变量1 >> 变量2 >> ... >> 变量n;

示例：

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

int main(){
    int x;
    float y;
    cout << "Please input an int number:" << endl;
    cin >> x;
    cout << "The int number is x = " << x << endl;
    cout<< "Please input a float number:" << endl;
    cin >> y;
    cout << "The float number is y = " << y <<endl;

    return 0;
}

运行结果：

换行符：endl 和\n

1. endl：全称为std::endl，其中的l为line的意思。
2. \n ：转义字符，表示换行。

运算符和表达式

表达式 = 运算符 + 数据

C++中的运算符

运算符是一种告诉编译器执行特定的数学或逻辑操作的符号。C++ 内置了丰富的运算符，并提供了以下类型的运算符：

1. 算术运算符
2. 关系运算符
3. 逻辑运算符
4. 位运算符
5. 赋值运算符
6. 杂项运算符

算术运算符

int a = 10, b = 10;

运算符	描述	实例
+	把两个操作数相加	A + B 将得到 30
-	从第一个操作数中减去第二个操作数	A - B 将得到 0
*	把两个操作数相乘	A * B 将得到 100
/	分子除以分母	B / A 将得到 1
%	取模运算符，整除后的余数	B % A 将得到 0
++	自增运算符，整数值增加 1	A++ 将得到 11
--	自减运算符，整数值减少 1	A-- 将得到 9

注意

1. a / b：如果 a，b 均为整型则是整除，结果向 0 靠近，有一个是浮点型，则这是实除，结果为浮点型。

2. 自增和自减运算符

   前缀形式：++x --x，先给 x 加或减 1，再使用 x 的值

   后缀形式：x++ x--，先使用 x 的值，再给 x 加或减 1

关系运算符

后面讲

逻辑运算符

后面讲

位运算符

后面讲

赋值运算符

其余的后面讲

赋值运算符：=，或是复合赋值运算符如：+= -= *= /= <<= >>= &= != 等等

杂项运算符

其余的后面讲

1. 逗号运算符

   逗号运算符会顺序执行一系列运算。整个逗号表达式的值是以逗号分隔的列表中的最后一个表达式的值。

   a = (3, 4, 5); // a = 5
   a = (3 + 4, 4 + 5, 9 + 7); // a = 16

2. sizeof 运算符

   求出变量占多少字节

   int a;
   cout << sizeof(a) << endl; // 4

运算符之间的优先级

结合性：即运算符和哪个表达式结合在一起

优先级：

注意：优先级值越大，表示优先级越高。

提示： 如果优先级和结合性掌握不牢靠，可多使用（）。

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补充：常用库函数<cmath>

函数	功能	实例	值
abs(x)	返回整型的绝对值	abs(-5)	5
fabs(x)	返回浮点型的绝对值	abs(-5.5)	5.5
exp(x)	返回$e^x$	exp(1)	2.718
floor(x)	返回不大于 x 的最大整数	floor(-3.14)	-4
ceil(x)	返回不小于 x 的最小整数	ceil(-3.14)	-3
log(x)	返回$lnx$	log(1)	0
pow(x, y)	返回$x^y$	pow(2, 3)	8
rand(x)	返回 0 ~ RAND_MAX 之间的随机整数
sqrt(x)	返回 x 的平方根	sqrt(4)	2