第1章 C++介绍
1.1 程序与编程语言
1.1.1 计算机是什么
计算机是一种通用计算设备，能够根据指令处理数据。每台计算机都配备一个 中央处理单元（CPU），它是一块微处理器芯片，负责执行数据处理指令。不同的计算机可能使用不同的 指令集。
计算机指令
计算机通过执行一系列指令来处理任务，并通常会生成某种输出。这类似于人们按照步骤完成任务的方式。例如，“做饭”可以分解为以下步骤：
- 取米并放入洗米盆。
- 用自来水冲洗大米。
- 如果电饭锅未清洗，则清洗电饭锅。
- 将米和水放入电饭锅。
- 插上电源，按下开关。
- 饭煮好后，拔下电源（任务完成）。
虽然人类可以理解复杂的自然语言指令，但计算机只能处理简单的 机器指令，它们使用特定的计算机语言表示。无论多么复杂的计算任务，计算机最终都会将其分解成一系列简单的、逐条执行的 机器指令。这些指令的集合被称为 程序。
以下是几种常见的计算机指令：
- 算术运算：执行加、减、乘、除等运算，通常称为 算术操作。
- 逻辑运算：比较两个数值的大小或判断它们是否相等，通常称为 逻辑操作。
- 控制指令：改变程序执行流程，如跳转到特定指令，通常称为 控制语句。
计算机的组成部分
计算机由四大类核心组件组成：
- 输入设备：用于接收用户输入，例如键盘、鼠标、扫描仪和麦克风。
- 处理单元：执行计算任务的组件，主要是 中央处理单元（CPU）。现代计算机还可能配备 图形处理单元（GPU），最初用于图形处理，但如今也可用于通用计算。
- 存储设备：包括 主存储器（内存） 和 二级存储器（如硬盘、光盘、U 盘等），用于存储程序和数据。
- 输出设备：用于向用户呈现计算结果，例如显示器、扬声器和打印机。
示例：自动售票机
虽然自动售票机并不完全是计算机，但它可以帮助理解计算机的基本组成部分：
- 输入：投币口和选择按钮用于接收用户输入。
- 处理：售票机执行一系列计算，如验证票务信息、检查余额、修改数据库等。
- 存储：售票机需要存储车票库存、价格等信息。
- 输出：显示购票结果并打印车票。
中央处理单元（CPU）
CPU 是计算机的核心，被称为 计算机的大脑，负责计算、数据处理和设备控制。它主要由以下部分组成：
- 算术/逻辑单元（ALU）：执行数学运算和逻辑判断。
- 控制单元（CU）：决定下一条要执行的指令。
- 寄存器：高速存储区域，用于存放临时数据。
不同类型的 CPU 支持不同的 指令集，例如 Intel x86-64、IBM PowerPC 或 ARM。
存储器
计算机将 程序 和 数据 存储在 存储器（Memory） 中，存储器分为 主存储器 和 辅助存储器。
主存储器（内存，RAM）
- 直接连接 CPU，速度快。
- 断电后数据会丢失（易失性）。
- 由多个存储单元组成，每个单元都有唯一的地址，例如：存储单元地址从
0开始，类似于学号编号。 - 每个存储单元只能存储固定大小的二进制数据，并可随时被 CPU 读取或修改。
辅助存储器（外存）
- 存储容量大，价格低，但访问速度较慢。
- 断电后数据不会丢失（非易失性）。
- 典型设备包括 硬盘、光盘、闪存盘等。
计算机的 操作系统 提供对辅助存储器的管理，允许用户以 文件 形式存储数据，并通过 文件系统 组织文件。例如，Windows 操作系统使用 资源管理器 访问文件和目录。
1.1.2 计算机编程
1. 算法（Algorithm）
算法 是完成特定任务或解决某个问题的一系列步骤（指令）。它类似于菜谱中的制作步骤或数学家祖冲之计算圆周率的方法。
2. 程序与编程
程序 是算法在计算机中的实现，即计算机可执行的指令序列。编程 则是将算法转换为计算机可以理解的程序的过程，使用特定的计算机语言编写指令，使计算机按照既定逻辑执行任务。
3. 二进制
计算机的底层硬件由大量 晶体管 组成，而晶体管只有 "开"（1）和 "关"（0）两种状态。因此，计算机采用 二进制（0 和 1）来表示所有数据，包括整数、字符等。
在计算机中，一个晶体管可以存储 1 个二进制位（bit，简称 b），即 0 或 1。多个晶体管可以组合表示更复杂的数值。例如：
-
8 位（bit） 组成 1 字节（Byte，B），即
种不同的可能值。
-
1024 B = 1 KB（千字节，Kilobyte）。
-
1024 KB = 1 MB（兆字节，Megabyte）。
1024 MB = 1 GB（吉字节，Gigabyte）*。
4. 机器语言
计算机内部的指令和数据都是以 0 和 1 组成的 二进制代码 进行存储和处理。机器语言（Machine Language） 是计算机能够直接理解和执行的一种指令集合。
例如，以下是用 Intel 8086 机器语言执行 17 + 20 的指令：
1011 0000 0001 0001 // 将 17 存入 AL 寄存器
0000 0100 0001 0100 // 将 20 加到 AL 寄存器
1010 0010 0100 1000 0000 0000 // 将 AL 的值存入内存地址 0x0048
解析：
-
1011 0000是 操作码（Opcode），表示“将后面的数存入寄存器 AL”。 -
0001 0001是 立即数（Immediate Value），即 17。 -
0000 0100指示 AL 执行加法操作，0001 0100是 20 的二进制表示。 -
1010 ...负责将结果存入指定内存地址0x0048（采用 小端存储）。
早期编程的挑战
在 20 世纪 40 年代，程序员必须直接使用机器语言进行编程，甚至通过穿孔卡片输入指令。这种方式既繁琐又容易出错，极大地限制了计算机的使用效率。
5. 汇编语言（Assembly Language）**
为了简化机器语言的编写，引入了 汇编语言（Assembly Language）。汇编语言使用 助记符（Mnemonic） 代替二进制代码，使程序更易读，例如：
MOV AL, 17D ; 将 17 存入 AL 寄存器
ADD AL, 20D ; 将 20 加到 AL 寄存器
MOV [0048H], AL ; 将 AL 的值存入内存地址 0x0048
汇编语言的特点
- 每条汇编指令 对应一条机器指令。
- 人类可读，但仍然需要较高的技术背景。
- 需要 汇编程序（Assembler） 将汇编代码转换为机器语言，计算机才能执行。
尽管汇编语言相较于机器语言更加直观，但仍然对程序员要求较高，且代码冗长，不利于开发大型程序。
6. 高级语言（High-Level Languages）
由于汇编语言仍然过于低级，程序员需要书写大量指令才能完成简单任务。因此，开发者创造了 高级语言，如 C、C++、Python、Java 等，使编程更加高效。
在高级语言中，一条指令可能对应多条机器指令，并且采用接近自然语言的表达方式。例如：
sum = 17 + 20;
这行 C++ 代码等效于上面的机器语言和汇编语言指令。高级语言的优点包括：
- 可读性更强，类似人类语言，易于理解和学习。
- 提高编程效率，减少重复性操作，使开发者可以专注于算法和逻辑。
- 可移植性更高，可以在不同的计算机和操作系统上运行，而不需要针对特定 CPU 进行修改。
由于计算机无法直接理解高级语言，必须借助 编译器（Compiler） 或 解释器（Interpreter） 先将其转换为机器语言，然后再执行。
机器语言、汇编语言、高级语言对比
| 语言类型 | 示例 | 特点 |
|---|---|---|
| 机器语言 | 1011 0000 0001 0001 |
计算机直接执行，效率最高，但极难理解 |
| 汇编语言 | MOV AL, 17D |
可读性稍强，但仍然复杂 |
| 高级语言 | sum = 17 + 20; |
可读性好，跨平台，易于编写 |
随着计算机技术的发展，高级语言成为主流，但在底层优化、操作系统开发、嵌入式系统等领域，汇编语言仍然有一定的应用价值。
7 编译器、解释器与 C++ 语言
高级语言编写的程序在计算机执行之前，必须转换为机器语言。这种转换方式主要有两种：编译（Compilation） 和 解释（Interpretation）。
- 编译型语言（Compiled Language）：程序源代码被整体翻译为可执行的二进制文件，然后执行。
- 解释型语言（Interpreted Language）：程序源代码被逐行翻译并立即执行。
C++ 是一种 编译型语言，它的源代码必须经过 编译器（Compiler） 转换为机器代码，才能运行。
编译器与解释器的区别
| 对比项 | 编译器（Compiler） | 解释器（Interpreter） |
|---|---|---|
| 工作方式 | 先将整个程序翻译成机器代码，然后执行 | 逐行翻译并执行 |
| 执行效率 | 运行速度快，因为已转换为机器语言 | 运行速度较慢，因为需要边翻译边执行 |
| 错误检测 | 只有在编译时发现错误 | 可以在执行时逐行发现错误 |
| 常见语言 | C、C++、Java（编译为字节码后解释执行） | Python、JavaScript、Shell 脚本 |
编译型语言的优势
编译器能对代码进行全局优化，提高运行效率。因此，C++ 在高性能计算、系统编程、嵌入式开发等领域具有广泛应用。相比解释型语言，编译后的 C++ 程序通常运行更快，并且可以直接操纵硬件。
8 C++ 语言概述
C++ 语言的起源与发展
C++ 由 Bjarne Stroustrup 于 1979-1980 年 在 贝尔实验室（Bell Labs） 开发，初衷是对 C 语言 进行扩展，使其支持 面向对象编程（OOP）。
- C++ 继承了 C 语言的 高效性 和 底层控制能力，同时增加了 面向对象特性（如类、继承、多态等）。
- 由于其强大的性能和灵活性，C++ 可运行在 Windows、macOS、Linux、UNIX 等多种操作系统上。
- 经过多年的发展，C++ 一直是最受欢迎的编程语言之一，长期位居 全球编程语言排行榜前五。
C++ 的应用领域
C++ 具有高效的执行性能和强大的底层操作能力，被广泛应用于以下领域：
- 操作系统与系统软件（Windows、Linux、macOS 内核，驱动程序）
- 嵌入式开发（物联网、汽车电子、智能家居、芯片编程）
- 游戏开发与游戏引擎（Unity、Unreal Engine、CryEngine）
- 高性能计算（人工智能、数值计算、科学模拟）
- 金融系统（银行、证券、高频交易）
- 数据库与服务器（MySQL、PostgreSQL、Web 服务器）
- 计算机图形学（图像处理、3D 建模、CAD/CAM）
现代 C++ 的演进
在 20 世纪 80 年代至 2000 年初，C++ 语言的标准化进程较为缓慢。然而，自 2011 年 起，C++ 进入了 现代 C++（Modern C++） 时代。
- C++98（1998 年）：最早的 C++ 标准，基于 C 语言，增加了面向对象特性。
- C++11（2011 年）：现代 C++ 的起点，新增 Lambda 表达式、auto 关键字、智能指针、并发库 等特性。
- C++14（2014 年）：对 C++11 进行改进，增加了更简洁的语法和库优化。
-
C++17（2017 年）：引入 结构化绑定（Structured Binding）、
std::optional、并行算法 等特性。 - C++20（2020 年）：大幅更新，增加 模块化（Modules）、协程（Coroutines）、概念（Concepts） 等新功能。
如今，工业界已普遍采用 现代C++ 进行开发，而传统的 C 语言风格编程逐渐被淘汰。
为何直接学习现代 C++？
在高校教学中，许多课程仍然停留在 C 语言或 C++98 时代，导致学生学习的知识 落后于工业界。相比之下，直接学习 C++17 或 C++20 能够：
- 减少学习负担，避免学习过时的 C 风格代码。
-
掌握更现代、高效的编程方法（如
auto关键字、智能指针、Lambda 等）。 - 与工业界无缝对接，更快适应企业开发需求。
总之，C++ 既是一门 高效、强大 的系统级编程语言，也是不断演进、与时俱进的现代化语言。学习 现代 C++，才能真正发挥 C++ 的优势，适应当前的技术趋势。
9 C++ 程序开发步骤
与其他编程语言类似，使用 C++ 编写程序也需要遵循一定的步骤。这个过程包括以下几个主要阶段：
-
理解问题
首先，需要清楚地理解所面临的问题。关键问题包括：- 输入：程序需要哪些数据？这些数据从哪里来？（如键盘、文件等）
- 输出：程序将输出什么结果？该结果如何显示或保存？（如屏幕显示、保存到文件等）
-
提出算法
根据问题描述，设计出解决问题的步骤和逻辑。算法是用来描述如何解决问题的指令序列，通常用伪代码或流程图来表示。 -
编写程序
将算法转化为 C++ 代码。通过编程语言的语法和规则，将算法实现为可执行的程序。 -
测试
通过不同的测试用例验证程序的正确性。测试时，除了使用有效数据进行验证外，还要考虑非法输入的情况，查看程序是否能够正确处理错误。
举例：计算一组数值的平均值
假设我们要编写一个程序来计算一组数值的平均值，以下是整个开发流程的实例：
-
理解问题
- 输入：这些数值从哪里来？用户是通过键盘输入，还是从文件中读取？
- 输出：程序计算出来的平均值是如何呈现的？是打印在屏幕上，还是保存到文件中？
-
提出算法
算法的核心思想是：- 初始化两个变量，一个用于存储总和，另一个用于计数。
- 循环读取每一个数值，将其加到总和中，并增加计数器。
- 最后，用总和除以计数器，得到平均值。
伪代码示例：
-----------start------------- 总和 sum = 0 计数器 count = 0 重复： 读入一个数值 如果读取失败，结束循环 否则： 将读取的数值加到总和 sum 计数器 count 增加 1 计算平均值：average = sum / count 输出/打印平均值 average -----------end------------- -
编写程序
根据上述算法，使用 C++ 语言将其实现为程序：#include <iostream> using namespace std; int main() { double sum = 0; // 总和 int count = 0; // 计数器 double value; // 输入的数值 while (cin >> value) { sum += value; count++; } if (count > 0) { double average = sum / count; cout << "平均值为: " << average << endl; } else { cout << "没有输入有效的数值!" << endl; } return 0; } -
测试
运行程序时，输入不同的测试数据，确保其输出结果正确。- 正常情况：输入一系列数字，程序计算并输出正确的平均值。
- 边界情况：没有输入任何数值时，程序应该提示用户没有有效数据输入。
- 非法输入：输入非数值数据（如字符串或特殊字符），程序应当能够适当地处理错误或提示。
示例测试输入：
10 20 30输出结果：
平均值为: 20
通过这种方法，我们可以从理解问题、设计算法、编写程序，到最终的测试，逐步完成一个 C++ 程序的开发过程。
网友评论