C++ 常见语法

本课程实验框架使用C/C++语言，因此需要大家了解一些基本的语法特性。以下内容将重点介绍一些常见且重要的C++语法特性，这些特性在实验中将会频繁使用。

关于基本语法

我们默认大家已经有了基本的C/C++编程能力，至少在计算机程序设计(CS1001A)要求范围内的语法这里就不再赘述。

基础语法

std::string字符串操作

C++ 提供了一个强大的字符串类 std::string ，相较于 C 风格的字符串更加易用，支持通过 + 拼接，还提供了许多方便的方法：

• length: 返回字符串长度。
• push_back(c): 在字符串末尾添加一个字符 c。
• append(str): 在字符串末尾添加字符串 str。
• substr: 取子串。

更多方法请查阅：https://en.cppreference.com/w/cpp/string

auto

auto 关键字可以用于当类型已知时自动推断类型，再类型明确的的情况下使用auto可以简化代码，例如：

std::vector<std::string> v;
v.push_back("compile");
auto s = v.front(); // 这里 s 就是 std::string 类型

面向对象编程

类与对象

C++ 类是面向对象编程的核心概念之一，可以看作是对 C 语言结构体的扩展。类不仅可以包含数据成员（类似于结构体中的字段），还可以包含函数成员（方法），用于操作这些数据。

类的定义

类是通过 class 关键字定义的。一个简单的类通常包含私有数据和公有方法：

class MyClass {
private:
    int data_; // 私有成员变量

public:
    // 构造函数
    MyClass(int data) : data_(data) {}

    // 析构函数
    ~MyClass(){}

    // 公有成员函数
    void display() const {
        printf("Data: %d\n", data_);
    }
};

访问控制

• private：私有成员只能被类的成员函数访问。
• public：公有成员可以在类外部访问。
• protected：保护成员可以被继承类访问。

构造函数和析构函数

• 构造函数：用于初始化对象。名称与类名相同，无返回类型。
• 析构函数：用于清理对象。以 ~ 开头，名称与类名相同。

成员函数

成员函数可以在类中定义，也可以在类外定义。通常使用 :: 运算符（作用域解析运算符）在类外定义：

作用域解析运算符 ::

作用域解析运算符 :: 在 C++ 中用于指定某个标识符的作用域。以下是几种常见的用法：

1. 类的成员函数定义

   用于在类外定义成员函数：

   class MyClass {
   public:
       void display();
   };
   
   void MyClass::display() {
       printf("Hello, World!\n");
   }
   

2. 访问类的静态成员

   用于访问类的静态成员变量或函数，而不需要实例化对象：

   class MyClass {
   public:
       static int value;
   };
   
   int MyClass::value = 10;
   
   int main() {
       printf("%d\n", MyClass::value);
   }
   

3. 命名空间

   用于访问命名空间中的成员：

   namespace MyNamespace {
       int value = 20;
   }
   
   int main() {
       printf("%d\n", MyNamespace::value);
   }
   

4. 全局作用域

   用于访问全局变量或函数，特别是在局部作用域中存在同名标识符时：

   int value = 5;
   
   int main() {
       int value = 10;
       printf("%d\n", ::value); // 输出全局变量 5
   }
   

作用域解析运算符帮助明确标识符的来源，避免命名冲突。

初始化成员列表

以MyClass(int data) : data_(data) {}为例

• data_(data)：这是成员初始化列表，用于初始化类的数据成员。
• data_ 是类的成员变量。
• data_(data) 将参数 data 的值赋给成员变量 data_。

void MyClass::display() const {
    printf("Data: %d\n", data_);
}

继承与多态

继承是面向对象编程中的重要特性，通过继承，子类可以从基类中继承属性和方法，从而实现代码的重用和扩展。此外，通过函数重写和虚函数，C++ 还提供了多态性，允许基类指针或引用调用子类的实现。

基本继承

在C++中，继承的基本语法如下：

struct Animal {
  void eat() {
      std::cout << "Eating" << std::endl;
  }
};

struct Cat : public Animal {
  void nyan() {
      std::cout << "Nyan~" << std::endl;
  }
};

struct Dog : public Animal {
  void bark() {
      std::cout << "Bark!" << std::endl;
  }
};

关于struct和class

C++ 中默认struct的成员是public的，而class的成员是private的。在这里我们使用struct来定义类，是为了方便讲解，实际上在 C++ 中class和struct的区别仅在于默认的访问权限。

在这个例子中，Cat 和 Dog 类继承了 Animal 类，因此它们自动拥有了 Animal 类中的 eat() 方法。同时，它们可以定义自己的特有方法，如 nyan() 和 bark()。

函数重写

函数重写（Override）是指子类可以提供一个与基类中同名、参数列表相同的函数，以替换基类中的实现。当基类的函数被声明为虚函数（virtual）时，子类可以选择重写这个函数，从而实现多态性。

struct Animal {
  virtual void say() const {
      std::cout << "Animal sound" << std::endl;
  }
};

struct Cat : public Animal {
  void say() const override {  // 重写基类的 say 函数
      std::cout << "I'm a cat" << std::endl;
  }
};

struct Dog : public Animal {
  void say() const override {  // 重写基类的 say 函数
      std::cout << "I'm a dog" << std::endl;
  }
};

在这个例子中，Cat 和 Dog 类都重写了 Animal 类中的 say() 方法。关键字 override 明确标识了这是一个重写的函数，可以帮助编译器检查是否正确地覆盖了基类的虚函数。

虚函数与多态

虚函数使得基类的指针或引用在运行时能够调用子类的实现，这是多态性的核心。基类中的函数被声明为虚函数后，当通过基类指针或引用调用这个函数时，实际执行的是子类的重写版本。

int main() {
  Animal* a;
  Cat c;
  Dog d;

  a = &c;
  a->say(); // 输出 "I'm a cat"

  a = &d;
  a->say(); // 输出 "I'm a dog"

  return 0;
}

在上述代码中，当 a 指向 Cat 对象时，调用 a->say() 实际上调用的是 Cat 类中重写的 say() 方法；当 a 指向 Dog 对象时，调用的是 Dog 类中的 say() 方法。这就是多态的作用。

类型转换与 dynamic_cast

在某些情况下，你可能需要将基类指针或引用转换为子类类型。为了确保这种转换的安全性，可以使用 dynamic_cast。

Animal* a = new Cat();
Cat* cc = dynamic_cast<Cat*>(a);

if (cc != nullptr) {
    cc->nyan(); // 确保类型转换成功后调用子类方法
} else {
    std::cout << "转换失败" << std::endl;
}

这样我们就可以把基类指针又转回对应的子类指针。当然，如果指针不是 Cat * 类型的，dynamic_cast 将会返回 nullptr。（与 C 中统一使用 NULL 不同，在 C++ 中，我们用 nullptr 表示空指针）

失败的dynamic_cast

对于指针类型的转换,如果转换失败（即无法将基类指针转换为派生类指针），dynamic_cast 会返回 nullptr。对于引用类型的转换,如果转换失败，dynamic_cast 会抛出异常。

在确信类型转换一定成功时，也可以使用 static_cast 来完成转换，可以省去运行时的类型检查。此外，static_cast 还用于基本类型的转换，例如：

float f = 3.14;
int n = static_cast<int>(f);

Warning

你应该避免使用 C 风格的强制类型转换，例如 int n = (int)f，因为 C++ 风格的类型转换会被编译器检查，而 C 风格的不会。

高级特性

标准模板库(STL)与容器

STL (Standard Template Library)，意为标准模板库，包含了许多常用的数据结构，在我们的实验中你可能会用到：

• std::vector：动态数组，支持快速随机访问和自动扩展。
• std::map：有序关联容器，使用红黑树实现，键值对按键排序。
• std::set：有序集合容器，元素唯一且按排序规则排列。
• std::unordered_map：无序关联容器，使用哈希表实现，支持快速查找。
• std::list：双向链表，适合频繁的插入和删除操作。

关联容器

关联容器是容器用于存储键值对(key-value pairs)，并通过键(key)来快速查找对应的值(value)。我们可将其理解为一种映射关系。

这里的 std 是 C++ 中的命名空间，可以防止标识符的重复，详见 维基百科

同时，这些容器都是模板 Template，需要实例化，例如一个可变长的整形数组应该实例化为 std::vector<int>。

<int>是什么

标准模板库中提供了许多常用数据结构。设想这样一种实际情况，开发者完成了一个高效的stack库(栈)的开发，这个栈中的元素是int类型的，但是还需一个float类型的栈。 再写一个stack_float库当然是可以的，但是二者之间大部分的逻辑是相同的，我们如何能复用大段的代码来提高开发效率呢？

一种方法是使用typedef。然而，这种方法有两个缺点：首先，每次修改类型时都需要编辑头文件；其次，在每个程序中只能使用这种技术生成一种类型，即不能让typedef同时代表两种不同的类型，因此不能使用这种方法在一个程序中同时定义float栈和double栈

在这种情况下，我们可以使用类模版来解决这个问题，我们可以使用stack<int>, stack<float>来分别定义int栈和float栈

其它的容器同理，如std::vector<int>, std::map<int, std::pair<int, float>>, ...

更多信息可以参考：https://en.cppreference.com/w/cpp/standard_library，我们在这里就不再对各个容器的具体使用进行详细介绍。

内存管理与智能指针

C++11 引入了许多智能指针类型来帮助自动内存管理，本实验中用到的有两种，分别是：

1. std::shared_ptr: 引用计数智能指针，使用一个共享变量来记录指针管理的对象被引用了几次。当对象引用计数为 0 时，说明当前该对象不再有引用，并且进程也无法再通过其它方式来引用它，也就意味着可以回收内存，这相当于低级的垃圾回收策略。可以用 std::make_shared 来创建。
2. std::unique_ptr: 表示所有权的智能指针，该指针要求它所管理的对象只能有一次引用，主要用于语义上不允许共享的对象（比如 llvm::Module）。当引用计数为 0 时，它也会回收内存。可以用 std::make_unique 来创建。

在涉及到内存管理时，应该尽量使用智能指针。

常用技术

for循环

for(auto ...) 语法是 C++11 引入的范围基于 for 循环，用于简化遍历容器的代码。

基本语法

for (auto element : container) {
    // 使用 element
}

• auto：自动推断循环变量的类型。
• element：循环变量，用于访问容器中的每个元素。
• container：要遍历的容器，如数组、std::vector、std::list 等。

示例

只读遍历

std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto number : numbers) {
    std::cout << number << " ";
}

引用遍历（修改元素）

for (auto &number : numbers) {
    number *= 2; // 修改容器中的元素
}

注意

• 使用引用 & 可以直接修改容器中的元素。
• 如果不需要修改，直接使用 auto 即可。
• 只读遍历创建了容器中元素的一个拷贝，而引用遍历并没有拷贝，而是创建了对原始元素的引用。

函数重载

C++ 中的函数可以重载，即可以有同名函数，但是要求它们的形参必须不同。如果想进一步了解，可以阅读详细规则。下面是函数重载的示例：

struct Point {
  int x;
  int y;
};

struct Line {
  Point first;
  Point second;
};

void print(Point p) {
  printf("(%d, %d)", p.x, p.y);
}

void print(Line s) {
  print(s.first); // s.first == Point { ... }
  printf("->");
  print(s.second); // s.second == Point { ... }
}

上面的示例定义了两个 print 函数，并且它们的参数列表的类型不同。它们实际上是两个不同的函数（并且拥有不同的内部名字），但是 C++ 能够正确的识别函数调用时使用了哪一个定义（前提是你正确使用了这一特性），并且在编译时就会链接上正确的实现。我们可以看到，这种特性非常符合人的直觉，并且没有带来额外开销。