C++ 入门：C++ 语言基础知识

2025-3-24

C++ 入门：C++ 语言基础知识详解

C++ 是一种功能强大、应用广泛的编程语言，它既保留了C语言高效、接近底层的特性，又融入了面向对象编程（OOP）的思想，使得开发大型、复杂的应用程序变得更加容易。本文将带你深入了解C++的基础知识，为你的编程之旅打下坚实的基础。

1. C++ 简介与历史

C++ 的历史可以追溯到20世纪70年代末，由Bjarne Stroustrup在贝尔实验室开发。最初，它被称为“带类的C”（C with Classes），是对C语言的扩展，增加了面向对象的特性，如类、继承、多态等。1983年，它被正式命名为C++。

C++ 的发展经历了多个版本的迭代，重要的标准包括：

C++98：第一个C++标准，奠定了C++的基础。
C++03：对C++98的修订，修复了一些问题。
C++11：一个重要的里程碑，引入了许多现代特性，如自动类型推导、lambda表达式、智能指针等，极大地提升了开发效率。
C++14：对C++11的补充和完善。
C++17：引入了更多实用特性，如结构化绑定、std::optional、std::variant等。
C++20：最新的标准，带来了概念（Concepts）、协程（Coroutines）、模块（Modules）等重大改进。

C++ 广泛应用于各种领域，包括：

操作系统：如Windows、Linux、macOS的部分组件。
游戏开发：许多大型游戏引擎和游戏都是用C++开发的。
数据库：如MySQL、MongoDB等。
浏览器：如Chrome、Firefox的部分组件。
嵌入式系统：由于其高效性和对硬件的控制能力，C++在嵌入式领域也很受欢迎。
高性能计算：科学计算、金融建模等领域。

2. 开发环境搭建

要开始编写C++程序，你需要一个合适的开发环境。这通常包括：

编译器：将C++源代码转换为机器可执行代码的工具。常见的编译器有：
- GCC (GNU Compiler Collection)：开源、跨平台，广泛用于Linux和macOS。
- Clang：基于LLVM，开源、跨平台，以其出色的错误诊断而闻名。
- Microsoft Visual C++ (MSVC)：Windows平台上的官方编译器，集成在Visual Studio中。
编辑器/IDE：用于编写和编辑代码的工具。你可以选择：
- Visual Studio：功能强大的集成开发环境（IDE），提供代码编辑、编译、调试、版本控制等一站式服务。
- Visual Studio Code (VS Code)：轻量级、可扩展的代码编辑器，通过安装插件可以支持C++开发。
- CLion：JetBrains出品的跨平台C++ IDE，提供智能代码补全、重构、调试等功能。
- Code::Blocks：开源、跨平台的C++ IDE，简单易用。
- 文本编辑器 + 命令行：你可以使用任何文本编辑器（如Notepad++、Sublime Text、Vim等）编写代码，然后通过命令行调用编译器进行编译。
调试器：用于查找和修复代码中的错误。常见的调试器有：
- GDB：GCC的默认调试器，功能强大，但使用起来相对复杂。
- LLDB：Clang/LLVM的默认调试器。
- Visual Studio Debugger：集成在Visual Studio中。

安装步骤（以Windows和Visual Studio为例）：

下载Visual Studio：访问Visual Studio官网，下载Community（社区版）即可，它是免费的。
安装Visual Studio：运行安装程序，选择“使用C++的桌面开发”工作负载，然后点击“安装”。
创建项目：打开Visual Studio，选择“创建新项目”，然后选择“空项目”或“控制台应用程序”模板。
编写代码：在项目中创建源文件（.cpp），编写你的C++代码。
编译和运行：点击“生成”菜单中的“生成解决方案”来编译代码，然后点击“调试”菜单中的“开始执行（不调试）”或“开始调试”来运行程序。

3. 第一个C++程序：Hello, World!

让我们从经典的“Hello, World!”程序开始：

```cpp

include

int main() {
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
return 0;
}
```

代码解释：

#include <iostream>：这是一个预处理指令，告诉编译器包含iostream头文件。iostream提供了输入输出流对象，如std::cout（标准输出）和std::cin（标准输入）。
int main() { ... }：这是程序的主函数，程序的执行从这里开始。int表示函数的返回值类型是整数，main是函数名。
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;：这行代码将字符串"Hello, World!"输出到控制台。
- std::cout：标准输出流对象，用于向控制台输出数据。
- <<：插入运算符，将后面的内容插入到输出流中。
- "Hello, World!"：字符串字面量，要输出的文本。
- std::endl：插入一个换行符，并刷新输出缓冲区，确保内容立即显示。
return 0;：main函数的返回值，表示程序的退出状态。通常，返回0表示程序成功执行，非0值表示出现错误。

编译和运行：

将代码保存为.cpp文件（如hello.cpp）。
打开命令行或终端。
使用编译器编译代码：
- GCC/Clang：g++ hello.cpp -o hello 或 clang++ hello.cpp -o hello
- MSVC：cl hello.cpp
运行生成的可执行文件：
- Linux/macOS：./hello
- Windows：hello.exe

你应该能在控制台看到输出：Hello, World!

4. 基本语法

4.1. 注释

注释用于解释代码，不会被编译器执行。C++支持两种注释方式：

单行注释：以//开头，直到行尾。

cpp // 这是单行注释 int x = 10; // 这也是单行注释
多行注释：以/*开头，以*/结尾，可以跨越多行。

cpp /* * 这是多行注释 * 可以跨越多行 */ int y = 20;

4.2. 变量和数据类型

变量用于存储数据。在C++中，变量必须先声明后使用，声明时需要指定变量的类型。

基本数据类型：

整型：
- int：整数，通常占用4个字节（32位）。
- short：短整数，通常占用2个字节（16位）。
- long：长整数，通常占用4个字节（32位）或8个字节（64位）。
- long long：更长的整数，通常占用8个字节（64位）。
- unsigned int、unsigned short、unsigned long、unsigned long long：无符号整数，只能表示非负数。
浮点型：
- float：单精度浮点数，通常占用4个字节（32位）。
- double：双精度浮点数，通常占用8个字节（64位）。
- long double: 扩展精度浮点类型。通常占用12或16个字节
字符型：
- char：字符，通常占用1个字节（8位），用于存储单个字符（如字母、数字、符号等）。
- wchar_t：宽字符，用于存储Unicode字符。
布尔型：
- bool：布尔值，只有两个值：true（真）和false（假）。

变量声明和初始化：

```cpp
int age; // 声明一个整型变量age
age = 25; // 给age赋值

double price = 99.99; // 声明并初始化一个双精度浮点型变量price

char grade = 'A'; // 声明并初始化一个字符型变量grade

bool is_valid = true; // 声明并初始化一个布尔型变量is_valid
```

变量命名规则：

变量名可以包含字母、数字和下划线。
变量名必须以字母或下划线开头。
变量名不能是C++的关键字（如int、double、if、for等）。
变量名区分大小写（age和Age是不同的变量）。
建议变量名要有意义, 使用描述性的词语，增加程序可读性.

4.3. 运算符

C++提供了丰富的运算符，用于执行各种操作。

算术运算符：+（加）、-（减）、*（乘）、/（除）、%（取模）。
关系运算符：==（等于）、!=（不等于）、>（大于）、<（小于）、>=（大于等于）、<=（小于等于）。
逻辑运算符：&&（逻辑与）、||（逻辑或）、!（逻辑非）。
赋值运算符：=（赋值）、+=、-=、*=、/=、%=等。
自增自减运算符：++（自增）、--（自减）。
位运算符：&（按位与）、|（按位或）、^（按位异或）、~（按位取反）、<<（左移）、>>（右移）。
其他运算符：sizeof（获取大小）、&（取地址）、*（解引用）、.（成员访问）、->（指针成员访问）、?:（三元条件运算符）等。

示例：

```cpp
int a = 10, b = 5;
int sum = a + b; // 加法
int diff = a - b; // 减法
int product = a * b; // 乘法
int quotient = a / b; // 除法
int remainder = a % b; // 取模

bool isEqual = (a == b); // 比较是否相等
bool isGreater = (a > b); // 比较是否大于

int x = 5;
x++; // x变为6
x--; // x变回5

int y = 10;
y += 5; // y变为15 (相当于 y = y + 5)
```

4.4. 表达式和语句

表达式：由运算符和操作数组成的式子，可以计算出一个值。例如：a + b、x * y - 5。
语句：以分号（;）结尾的代码行，表示一个完整的操作。例如：int sum = a + b;、std::cout << "Hello";。

4.5. 控制流

控制流语句用于控制程序的执行顺序。

顺序结构：代码按照从上到下的顺序依次执行。
选择结构：根据条件判断，选择执行不同的代码块。
- if语句：
  
  cpp if (condition) { // 如果condition为true，执行这里的代码 } else if (another_condition) { // 如果another_condition为true，执行这里的代码 } else { // 如果所有条件都不满足，执行这里的代码 }
- switch语句：
  
  cpp switch (expression) { case value1: // 如果expression等于value1，执行这里的代码 break; case value2: // 如果expression等于value2，执行这里的代码 break; default: // 如果expression不等于任何case的值，执行这里的代码 }
循环结构：重复执行一段代码，直到满足特定条件。
- while循环：
  
  cpp while (condition) { // 只要condition为true，就重复执行这里的代码 }
- do-while循环：
  
  cpp do { // 至少执行一次这里的代码，然后只要condition为true，就重复执行 } while (condition);
- for循环：
  
  cpp for (initialization; condition; update) { // 先执行initialization，然后只要condition为true，就重复执行这里的代码，每次循环后执行update }
  * 基于范围的for循环 (C++11)
  cpp int numbers[] = {1,2,3,4,5}; for (int num : numbers){ std::cout << num << " "; } //输出 1 2 3 4 5
  * 跳转语句:
  * break: 跳出当前循环或switch语句
  * continue: 跳过当前循环的剩余部分，直接开始下一次循环.
  * return: 从函数中返回.
  * goto: 无条件跳转到标签指定的位置 (不推荐使用)

示例：

```cpp
int score = 85;

if (score >= 90) {
std::cout << "优秀" << std::endl;
} else if (score >= 80) {
std::cout << "良好" << std::endl;
} else if (score >= 60) {
std::cout << "及格" << std::endl;
} else {
std::cout << "不及格" << std::endl;
}

int i = 1;
while (i <= 5) {
std::cout << i << " ";
i++;
} // 输出 1 2 3 4 5

for (int j = 0; j < 5; j++) {
std::cout << j << " ";
} // 输出 0 1 2 3 4
```

5. 函数

函数是一段封装好的、可重用的代码块，用于执行特定的任务。

函数定义：

cpp return_type function_name(parameter_list) { // 函数体 return value; // 如果函数有返回值 }

return_type：函数的返回值类型，可以是任何数据类型，如果函数没有返回值，则使用void。
function_name：函数名，遵循变量命名规则。
parameter_list：函数的参数列表，可以包含零个或多个参数，每个参数由类型和名称组成，多个参数之间用逗号分隔。
函数体：包含函数要执行的代码。
return value;：如果函数有返回值，使用return语句返回一个值。

函数调用：

cpp function_name(argument_list);

argument_list：传递给函数的实际参数列表，参数个数和类型必须与函数定义中的参数列表匹配。

示例：

```cpp
// 定义一个函数，计算两个整数的和
int add(int a, int b) {
return a + b;
}

int main() {
int x = 10, y = 20;
int sum = add(x, y); // 调用add函数，并将返回值赋给sum
std::cout << "Sum: " << sum << std::endl; // 输出 Sum: 30
return 0;
}
```

函数重载：

C++允许定义多个同名函数，只要它们的参数列表不同（参数个数、类型或顺序不同）。这称为函数重载。

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

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

int main() {
int sum1 = add(10, 20); // 调用int add(int, int)
double sum2 = add(10.5, 20.5); // 调用double add(double, double)
return 0;
}
```

6. 数组

数组是用于存储一系列相同类型元素的集合。

数组声明：

cpp type array_name[array_size];

type：数组中元素的类型。
array_name：数组名。
array_size：数组的大小，必须是常量表达式。

数组初始化：

cpp int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 初始化一个包含5个整数的数组 int scores[] = {90, 85, 95}; // 编译器会自动推断数组大小为3 char grades[3] = {'A', 'B', 'C'}; // 初始化一个包含3个字符的数组

数组访问：

使用下标（索引）访问数组元素，下标从0开始，到array_size - 1结束。

cpp int first = numbers[0]; // 获取第一个元素 numbers[1] = 10; // 修改第二个元素

多维数组：

C++支持多维数组，最常见的是二维数组。

```cpp
int matrix[3][4] = {
{1, 2, 3, 4},
{5, 6, 7, 8},
{9, 10, 11, 12}
};

int element = matrix[1][2]; // 获取第2行第3列的元素 (值为7)
```

7. 指针

指针是一种特殊的变量，它存储的是另一个变量的内存地址。

指针声明:

cpp type *pointer_name;
* type: 指针所指向的变量的类型。
* pointer_name: 指针变量的名称。

取地址运算符(&):
用于获取变量的内存地址。

解引用运算符(*):
用于访问指针所指向的变量的值。

示例:

```cpp
int x = 10;
int *ptr = &x; // ptr指向x的内存地址

std::cout << "x的值: " << x << std::endl; //输出10
std::cout << "x的地址: " << &x << std::endl; //输出x的内存地址
std::cout << "ptr存储的地址: " << ptr << std::endl; //输出ptr存储的地址(和&x相同)
std::cout << "ptr指向的值: " << *ptr << std::endl; //输出ptr指向的值(和x相同,为10)

*ptr = 20; // 通过指针修改x的值
std::cout << "修改后x的值: " << x << std::endl; //输出20

`` **空指针:** 空指针是指不指向任何有效内存地址的指针。可以使用nullptr(C++11推荐)或NULL`来表示空指针。

cpp int *p = nullptr;
指针运算:
指针可以进行加减运算, 但意义与普通整数不同. 指针加1, 实际上是移动到下一个同类型元素的地址。
```cpp
int arr[5] = {1,2,3,4,5};
int *p = arr;

std::cout << p << std::endl; //输出 1
p++;
std::cout << p << std::endl; //输出 2

```

指针和数组:
数组名在大多数情况下会被解释为指向数组首元素的指针。
```cpp
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // ptr指向数组arr的第一个元素

std::cout << ptr[0] << std::endl; // 输出 1 (等价于 arr[0])
std::cout << (ptr + 1) << std::endl; // 输出 2 (等价于 arr[1])
**动态内存分配:** 使用`new`和`delete`运算符可以在运行时动态分配和释放内存。cpp
int p = new int; //分配一个int大小的内存空间
p = 10;
std::cout << p << std::endl;
delete p; //释放内存空间

// 动态分配数组
int *arr = new int[5];
for(int i=0; i<5; ++i){
arr[i] = i+1;
}

delete[] arr; //释放数组内存空间
```
指针的进阶应用:
* 指向指针的指针(二级指针)
* 函数指针
* 智能指针(C++11)

8. 字符串

在C++中，处理字符串有两种主要方式：

C风格字符串：字符数组，以空字符（\0）结尾。
std::string类：C++标准库提供的字符串类，更安全、更方便。

8.1. C风格字符串

```cpp
char str1[] = "Hello"; // 编译器会自动添加空字符
char str2[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}; // 手动添加空字符

std::cout << str1 << std::endl; // 输出 Hello
std::cout << str2 << std::endl; // 输出 Hello
```

常用C风格字符串函数（需要包含<cstring>头文件）：

strlen(str)：获取字符串长度（不包括空字符）。
strcpy(dest, src)：将src字符串复制到dest。
strcat(dest, src)：将src字符串追加到dest末尾。
strcmp(str1, str2)：比较两个字符串，相等返回0，str1大于str2返回正数，str1小于str2返回负数。

注意： C风格字符串操作容易出错，如缓冲区溢出等，需要小心处理。

8.2. `std::string`类

```cpp

include

std::string str1 = "Hello";
std::string str2 = "World";

std::cout << str1 << " " << str2 << std::endl; // 输出 Hello World

// 常用std::string操作：
std::cout << str1.length() << std::endl; // 获取长度
std::cout << str1 + str2 << std::endl; // 字符串拼接
str1 += str2; // 追加字符串
std::cout << str1 << std::endl; // 输出 HelloWorld
std::cout << str1.substr(0, 5) << std::endl; // 获取子串 (输出 Hello)
std::cout << str1.find("World") << std::endl; // 查找子串 (返回位置)
std::cout << (str1 == str2) << std::endl; // 比较字符串
```

std::string类提供了丰富的成员函数，可以方便地进行字符串操作，并且比C风格字符串更安全。

9. 结构体（Structures）

结构体是一种自定义数据类型，可以将不同类型的数据组合在一起。

结构体定义：

cpp struct Person { std::string name; int age; double height; };

结构体变量声明和初始化：

```cpp
Person p1;
p1.name = "Alice";
p1.age = 30;
p1.height = 1.75;

Person p2 = {"Bob", 25, 1.80};
```

结构体成员访问：

使用.运算符访问结构体成员。

cpp std::cout << p1.name << std::endl; // 输出 Alice std::cout << p2.age << std::endl; // 输出 25

结构体指针：

cpp Person *ptr = &p1; std::cout << ptr->name << std::endl; // 输出 Alice (使用->运算符访问成员)

10. 输入输出流

C++使用输入输出流（I/O streams）来处理输入和输出。

std::cin：标准输入流，用于从键盘读取输入。
std::cout：标准输出流，用于向控制台输出数据。
std::cerr：标准错误流，用于输出错误信息。
std::clog：标准日志流，用于输出日志信息。

使用>>（提取运算符）从输入流读取数据：

cpp int age; std::cout << "Enter your age: "; std::cin >> age; // 从键盘读取一个整数，并存储到age变量中

使用<<（插入运算符）向输出流输出数据：

cpp std::cout << "Your age is: " << age << std::endl;

格式化输出：

可以使用iomanip头文件中的操纵符来格式化输出。

```cpp

include

double pi = 3.141592653589793238;

std::cout << std::fixed << std::setprecision(2) << pi << std::endl; // 输出 3.14 (保留两位小数)
```

11. 文件输入输出

C++使用文件流来读写文件。

std::ifstream：输入文件流，用于从文件读取数据。
std::ofstream：输出文件流，用于向文件写入数据。
std::fstream：文件流，可以同时进行读写操作。

示例：

```cpp

include

int main() {
// 写入文件
std::ofstream outfile("example.txt");
if (outfile.is_open()) {
outfile << "Hello, File!" << std::endl;
outfile << "This is a test." << std::endl;
outfile.close(); // 关闭文件
} else {
std::cerr << "Unable to open file for writing." << std::endl;
}

// 读取文件
std::ifstream infile("example.txt");
std::string line;
if (infile.is_open()) {
    while (std::getline(infile, line)) { // 逐行读取
        std::cout << line << std::endl;
    }
    infile.close(); // 关闭文件
} else {
    std::cerr << "Unable to open file for reading." << std::endl;
}

return 0;

}
```

12. 命名空间（Namespaces）

命名空间用于避免命名冲突，可以将代码组织到不同的逻辑单元中。

命名空间定义：

```cpp
namespace MyNamespace {
int x = 10;

void myFunction() {
    std::cout << "Hello from MyNamespace" << std::endl;
}

}
```

命名空间使用：

使用作用域解析运算符（::）：

cpp std::cout << MyNamespace::x << std::endl; // 输出 10 MyNamespace::myFunction(); // 输出 Hello from MyNamespace
使用using声明：

cpp using MyNamespace::x; std::cout << x << std::endl; // 输出 10
使用using指令：

cpp using namespace MyNamespace; std::cout << x << std::endl; // 输出 10 myFunction(); // 输出 Hello from MyNamespace

注意： using指令可能会引入命名冲突，谨慎使用。

总结

本文详细介绍了C++语言的基础知识，包括数据类型、运算符、控制流、函数、数组、指针、字符串、结构体、输入输出流、文件输入输出和命名空间。掌握这些基础知识是学习C++的关键，希望本文能帮助你入门C++编程。

当然，C++ 是一门非常庞大和复杂的语言，本文只是介绍了最基础的部分。要深入学习C++，还需要学习更多高级特性，如类、对象、继承、多态、模板、STL（标准模板库）、异常处理等。建议你通过阅读更多书籍、教程、参考资料，以及编写更多代码来不断提升你的C++编程技能。祝你学习顺利！

作者：admin

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C++ 入门：C++ 语言基础知识详解

1. C++ 简介与历史

2. 开发环境搭建

3. 第一个C++程序：Hello, World!

include

4. 基本语法

4.1. 注释

4.2. 变量和数据类型

4.3. 运算符

4.4. 表达式和语句

4.5. 控制流

5. 函数

6. 数组

7. 指针

8. 字符串

8.1. C风格字符串

8.2. std::string类

include

9. 结构体（Structures）

10. 输入输出流

include

11. 文件输入输出

include

include

include

12. 命名空间（Namespaces）

总结

8.2. `std::string`类