C++ Primer Plus学习（一）—— 基础知识

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最近开始对C++进行系统学习，学习的过程中也会将书上的知识和实践所得进行梳理分享，希望和大家一起学习进步！

预备知识

• C++融合了3种不同的编程方式：C语言（高效、简洁、快速、可移植性）代表的过程性语言，C++在C语言基础上添加的类代表的面向对象语言（OOP-Object Oriented Programming），C++模板支持的泛型编程。
• 计算机语言要处理两个概念——数据和算法。过程性语言强调的是编程的算法方面，面向对象编程的理念是设计与问题的本质特性相对应的数据格式。
• OOP编程并不仅仅是将数据和方法合并为类定义。例如，OOP还有助于创建可重用的代码，这将减少大量的工作。信息隐藏可以保护数据，使其免遭不适当的访问。多态让您能够为运算符和函数创建多个定义，通过编程上下文来确定使用哪个定义。继承让您能够使用旧类派生出新类。
• int main(void)和int main()效果是一样的，表明函数不接受任何参数；void main()表示该函数不返回任何值。
• 如果编译器到达main()函数末尾时没有遇到返回语句，则认为main()函数以如下语句结尾：return 0。这条隐含的返回语句只适用于main()函数，而不适用于其他函数。

头文件名命名约定

• 头文件类型	约定	示例	说明
  C++旧式风格	以.h结尾	iostream.h	C++程序可以使用
  C旧式风格	以.h结尾	math.h	C、C++程序可以使用
  C++新式风格	没有扩展名	iostream	C++程序可以使用，使用namespace std
  转换后的C	加上前缀c, 没有扩展名	cmath	C++程序可以使用，可以使用不是C的特性，如namespace std

名称空间/命名空间

• 如果使用iostream，而不是iostream.h，则应使用下面的名称空间编译指令来使iostream中的定义对程序可用：
  using namespace std(using编译指令) 或者 using std::cout, using std::endl等。
• 对象是类的特定实例，而类定义了数据的存储和使用方式。cout是一个预定义的对象，知道如何显示字符串，数字和单个字符等。

  名称	符号	备注	另一个含义
  插入运算符	<<	运算符重载	左移运算符
  控制符	endl	重启一行	-
  换行符	\n	显示用引号括起的字符串时，用该换行符，其他情况下使用控制符endl	-
  地址运算符	&	运算符重载	按位AND运算符
  乘法	*	运算符重载	对指针解除引用

C++源代码风格：

· 每条语句占一行；
· 每个函数都有一个开始花括号和一个结束花括号，这两个花括号各占一行；
· 函数中的语句都相对于花括号进行缩进；
· 与函数名称相关的圆括号周围没有空白。

• 类之于对象就像类型之于变量；类描述了一种数据类型的全部属性（包括可使用它执行的操作），对象是根据这些描述创建的实体。
• 函数原型之于函数就像变量声明之于变量。
• 库文件中包含了函数的编译代码，而头文件中则包含了原型。只包含cmath头文件可以提供原型，但不一定会导致编译器搜索正确的库文件。
• C++允许在创建变量时对它进行赋值，这个过程叫做初始化（initialization）。
• 当前通行的理念是，只让需要访问名称空间std的函数访问它是更好的选择。

处理数据

变量名

C++必须遵循几种简单的命名规范：

• 在名称中只能使用字母字符、数字和下划线；
• 名称的第一个字符不能是数字；
• 区分大写字符与小写字符；
• 不能将C++关键字用作名称；
• 以两个下划线或下划线和大写字母打头的名称被保留给实现（编译器及其使用的资源）使用。以一个下划线开头的名称被保留给实现，用作全局标识符；
• C++对于名称的长度没有限制，名称中所有的字符都有意义，但有些平台有长度限制。

位与字节

• 字节（byte）通常指的是8位（bit）的内存单元。从这个意义上说，字节指的就是描述计算机内存量的度量单位，1KB等于1024字节，1MB等于1024KB。然而，C++字节由至少能够容纳实现的基本字符集的相邻位组成，也就是说，可能取值的数目必须等于或超过字符数目。在美国，基本字符集通常是ASCII和EBCDIC字符集，他们都可以用8位来容纳，所以在使用这两种字符集的系统中，C++字节通常包含8位。然而，国际编程可能需要使用更大的字符集，如Unicode，因此有些实现可能使用16位甚至32位的字节。
• sizeof运算符返回类型或变量的长度，单位为字节。

数据类型

类型	字节	范围
char	1 个字节	-128 到 127 或者 0 到 255
unsigned char	1 个字节	0 到 255
signed char	1 个字节	-128 到 127
int	4 个字节	-2147483648 到 2147483647
unsigned int	4 个字节	0 到 4294967295
signed int	4 个字节	-2147483648 到 2147483647
short int	2 个字节	-32768 到 32767
unsigned short int	2 个字节	0 到 65,535
signed short int	2 个字节	-32768 到 32767
long int	8 个字节	-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807
signed long int	8 个字节	-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807
unsigned long int	8 个字节	0 到 18,446,744,073,709,551,615
float	4 个字节	精度型占4个字节（32位）内存空间，+/- 3.4e +/- 38 (~7 个数字)
double	8 个字节	双精度型占8 个字节（64位）内存空间，+/- 1.7e +/- 308 (~15 个数字)
long double	16 个字节	长双精度型 16 个字节（128位）内存空间，可提供18-19位有效数字。
wchar_t	2 或 4 个字节	1 个宽字符

注：C++提供了一种灵活的标准，它确保了最小长度：

• short至少16位；
• int至少与short一样长；
• long至少32位，且至少与int一样长；
• long long至少64位，且至少与long一样长。

为何float有效位数为7位

C/C++编译器标准都遵照IEEE制定的浮点数表示法来进行float，double运算，这两种数据类型在内存中的存储主要分成三部分，分别是：

• 符号位（Sign）：0代表正数，1代表负数

• 指数位（Exponent）：用于存储科学计数法中的指数部分，并且采用移位存储方式

• 尾数位（Mantissa）：用于存储尾数部分
  

• float是32位，其中有23位用于存放尾数，带有一个固定隐含位（小数点前有一位固定是1, 也就是说，23位尾数可能是 .1···23位···1，即整体为24位1.1···23位···1），所以float有24个二进制有效位位数。

• 2^24=16,777,216 共有8个十进制位，所以有些编译器float的有效数字位是8位，有些有效数字位是7位。

• double也一样,是64位, 其中有52位用于存放尾数, 一个固定隐含位. 共有 53个二进制有效位位数。

• 2^53次方有15个十进制位, 所以有些编译器double的有效数字位是15位, 有些是16位。

• 举个例子：
  · 17.625转成二进制数为10001.101（2^4 + 2^0 + 2^(-1) + 2^(-3))；
  · 10001.101为 （1.0001101 * 10^4）去掉第一位1，得到尾数为 0001101，指数为4；
  · 指数是无符号的，偏移量为127，因此17.625的指数位位131，即10000011；
  · 因此17.625在内存中的存储形式为 0 10000011 0001101000000000000000

• 还有一个问题，float的上下限是怎么取到的？
  · 8位指数可以表示2^8=256，即（0~255），是个无符号的量，但是有127的偏移量，也就是指数范围是（-127 ~ 128）
  · 因此，float最大可以表示129位二进制数，即范围为-2^128 ~ +2^128，也即-3.40E+38 ~ +3.40E+38

• 这里再附一份浮点类型的列表

Type	Sign	Exponent	Significand field	Total	Exponent Bias	Bits Precision	Number of decimal digits
Half	1	5	10	16	15	11	~3.3
Single	1	8	23	32	127	24	~7.2
Double	1	11	52	64	1023	53	~15.9

注：Half是用16位表示浮点数的一种数据类型，在IEEE 754中也有规定，这种数据类型在深度学习系统中的应用比较广泛。但是在当前主流cpu上，不支持half类型数据的计算和输出。

climits

头文件climits定义了符号常量来表示类型的限制。

符号常量	表示
CHAR_BIT	char的位数
CAHR_MAX	char的最大值
CHAR_MIN	char的最小值
SCHAR_MAX	signed char的最大值
SCHAR_MIN	signed char的最小值
UCHAR_MAX	unsigned char的最大值
SHRT_MAX	short的最大值
SHRT_MIN	short的最小值
USHRT_MAX	unsigned short的最大值
INT_MAX	int的最大值
INT_MIN	int的最小值
UINT_MAX	unsigned int的最大值
LONG_MAX	long的最大值
LONG_MIN	long的最小值
ULONG_MAX	unsigned long的最大值
LLONG_MAX	long long的最大值
LLONG_MIN	long long的最小值
ULLONG_MAX	unsigned long long的最大值

初始化

1. 初始化将赋值与声明合并在一起；
2. 可以使用字面值常量来初始化；
3. 可以将变量初始化为另一个变量条件是后者已经定义过；
4. 可以使用表达式来初始化变量，条件是当程序执行到该声明时，表达式中所有的值都是已知的；
5. 如果不对函数内部定义的变量进行初始化，该变量的值将是不确定的。这意味着该变量的值将是它被创建之前，相应内存单元保存的值；
6. 将大括号初始化器用于单值变量的初始化，大括号内也可以不包含任何东西，这种情况下，变量将被初始化为零。

整型

• 对于一个short值，32767 + 1 --> -32768； 对于一个unsigned short，0 - 1 --> 65535.
  注：如果超出了限制，其值将为范围另一端的取值。C++确保了无符号类型的这种行为，但C++并不保证符号整型超越限制（上溢和下溢）时不出错。
• 通常，int被设置为对目标计算机而言最为“自然”的长度。自然长度（natural size）指的是计算机处理起来效率最高的长度。如果没有非常有说服力的理由来选择其他类型，则应使用int。
• C++使用前一（两）位来标识数字常量的基数。如果第一位为1 ~ 9，则基数为10（十进制）；如果第一位是0，第二位为1 ~ 7，则基数为8（八进制）；如果前两位为0x或0X，则基数为16（十六进制）。
• C++提供了控制符dec、hex和oct，分别用于指示cout以十进制，十六进制和八进制格式显示整数。

  int chest = 42;
  int waist = 42;
  int inseam = 42;
  cout << hex;  //该行只是修改cout显示整数的方式，不会在屏幕上显示任何内容！
  cout << "waist = " << waist << endl;
  cout << oct;
  cout << "inseam = " << inseam << endl;
  

浮点数相对整型的优缺点

• 优点：
  · 可以表示整数之间的值；
  · 由于有缩放因子，可以表示的范围大得多；
• 缺点：
  · 浮点运算的速度通常比整数运算慢；
  · 浮点运算的精度会降低。

转义运算符

转义字符	意义	ASCII码值（十进制）
\a	响铃(BEL)	007
\b	退格(BS) ，将当前位置移到前一列	008
\f	换页(FF)，将当前位置移到下页开头	012
\n	换行(LF) ，将当前位置移到下一行开头	010
\r	回车(CR) ，将当前位置移到本行开头	013
\t	水平制表(HT) （跳到下一个TAB位置）	009
\v	垂直制表(VT)	011
\	代表一个反斜线字符	092
’	代表一个单引号（撇号）字符	039
"	代表一个双引号字符	034
?	代表一个问号	063
\0	空字符(NUL)	000
\ddd	1到3位八进制数所代表的任意字符	三位八进制
\xhh	十六进制所代表的任意字符	十六进制

算术运算符

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 -10
*	把两个操作数相乘	A * B 将得到 200
/	分子除以分母	B / A 将得到 2
%	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：python中和C++中取模运算符有所区别

项目	python	C++
9%2	1	1
9%(-2)	-1	1
(-9)%2	1	-1
(-9)%(-2)	-1	-1

类型转换

C++自动执行很多类型转换：

• 将一种算术类型的值赋给另一种算术类型的变量时，C++将对值进行转换；
• 表达式中包含不同的类型时，C++将对值进行转换；
• 将参数传递给函数时，C++将对值进行转换。