C++ 学习笔记

1. C++ 简介

C++ 是一种通用的编程语言，支持面向对象、泛型编程等多种编程范式，被广泛用于系统编程、游戏开发、嵌入式系统等领域。

例如，可以使用 C++ 开发一个简单的控制台应用程序来计算两个数的和：


#include 
using namespace std;

int main() {
    int num1, num2;
    cout << "请输入第一个数字: ";
    cin >> num1;
    cout << "请输入第二个数字: ";
    cin >> num2;
    int sum = num1 + num2;
    cout << "两个数的和是: " << sum << endl;
    return 0;
}

公式： sum = num1 + num2

2. 快速入门

编写一个简单的 C++ 程序，输出 "Hello, World!"。

示例代码：


#include 
using namespace std;

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

公式： 输出语句：cout << "Hello, World!" << endl;

运行此程序后，控制台将输出 "Hello, World!"，这表示程序运行成功。

3. 条件与循环控制

C++ 提供了丰富的控制结构，例如条件语句和循环结构。

条件语句：if、else、switch 用于判断条件。
循环结构：for、while、do-while 用于重复执行代码块。

示例：


#include 
using namespace std;

int main() {
    int number;
    cout << "请输入一个数字: ";
    cin >> number;

    if (number > 0) {
        cout << "正数" << endl;
    } else if (number < 0) {
        cout << "负数" << endl;
    } else {
        cout << "零" << endl;
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << "循环中的 i: " << i << endl;
    }
    return 0;
}

公式： 条件判断：if (condition) { ... }

4. 函数

C++ 使用函数来组织代码，函数使代码更加模块化、便于复用。

示例：


#include 
using namespace std;

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

int main() {
    int num1 = 5, num2 = 7;
    int sum = add(num1, num2);
    cout << "两个数的和是: " << sum << endl;
    return 0;
}

公式： 函数定义：返回类型函数名(参数列表) { ... }

5. 面向对象编程 (OOP)

C++ 是一种面向对象的编程语言，支持类与对象、继承、多态等特性。

类与对象：类是对象的模板，对象是类的实例。
继承：通过继承实现代码复用。
多态：不同对象可以以相同方式调用。

示例：


#include 
using namespace std;

class Animal {
public:
    void sound() {
        cout << "Some sound" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void sound() {
        cout << "Woof" << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* myDog = new Dog();
    myDog->sound();  // 输出 "Woof"
    delete myDog;
    return 0;
}

公式： 继承：class SubClass : public SuperClass

公式： 多态：SuperClass* obj = new SubClass()

6. 指针与引用

C++ 支持指针和引用，指针用于存储内存地址，引用是变量的别名。

示例：


#include 
using namespace std;

int main() {
    int num = 10;
    int* ptr = #
    int& ref = num;

    cout << "num 的值: " << num << endl;
    cout << "指针 ptr 指向的值: " << *ptr << endl;
    cout << "引用 ref 的值: " << ref << endl;
    return 0;
}

公式： 指针：Type* ptr = &variable

公式： 引用：Type& ref = variable

7. 模板

C++ 模板使函数和类可以处理任意类型的数据，提高代码的复用性。

示例：


#include 
using namespace std;

template 
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    cout << "整数相加: " << add(3, 4) << endl;
    cout << "浮点数相加: " << add(3.5, 4.2) << endl;
    return 0;
}

公式： 模板定义：template <typename T> 返回类型函数名(参数列表) { ... }

8. 异常处理

异常处理用于捕获和处理程序中的错误或异常情况。

示例：


#include 
using namespace std;

int main() {
    try {
        int a = 10;
        int b = 0;
        if (b == 0) {
            throw runtime_error("除以零错误");
        }
        int c = a / b;
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "捕获异常: " << e.what() << endl;
    }
    return 0;
}

公式： 异常处理：try { ... } catch (ExceptionType& e) { ... }

9. 文件操作

C++ 提供了 fstream 库来进行文件读写操作。

示例：


#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    ofstream outFile("example.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        outFile << "这是写入文件的内容" << endl;
        outFile.close();
    }

    ifstream inFile("example.txt");
    string line;
    if (inFile.is_open()) {
        while (getline(inFile, line)) {
            cout << line << endl;
        }
        inFile.close();
    }
    return 0;
}

公式： 文件操作：ofstream/ofstream 对象; ifstream 对象

10. 标准模板库 (STL)

STL 提供了丰富的数据结构和算法，如向量 (vector)、链表 (list)、集合 (set) 等。

示例：


#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    vector vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int val : vec) {
        cout << "向量值: " << val << endl;
    }

    set mySet;
    mySet.insert(10);
    mySet.insert(20);
    mySet.insert(10); // 重复值不会被添加
    for (int val : mySet) {
        cout << "集合中的值: " << val << endl;
    }
    return 0;
}

公式： 向量声明：vector<Type> vec = {...}

公式： 集合插入：set<Type> mySet; mySet.insert(value);

11. 内存管理与智能指针

C++ 允许手动管理内存，通过 new 和 delete 进行动态内存分配，但这容易导致内存泄漏。智能指针是 C++11 引入的工具，用于自动管理内存。

unique_ptr：表示唯一拥有某对象的智能指针。
shared_ptr：多个智能指针可以共享同一个对象。
weak_ptr：解决 shared_ptr 之间的循环引用问题。

示例：


#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    unique_ptr p1 = make_unique(10);
    cout << "unique_ptr 的值: " << *p1 << endl;

    shared_ptr p2 = make_shared(20);
    shared_ptr p3 = p2;
    cout << "shared_ptr 的值: " << *p2 << " 和 " << *p3 << endl;

    return 0;
}

公式： 创建智能指针：unique_ptr ptr = make_unique(value);

12. 并发与多线程编程

C++11 引入了多线程支持，可以使用 thread 类创建线程来实现并发。

thread：用于创建新线程。
mutex：互斥锁，用于保护共享资源。
condition_variable：用于线程间的同步。

示例：


#include 
#include 
#include 
using namespace std;

mutex mtx;

void printThread(int id) {
    lock_guard guard(mtx);
    cout << "线程 " << id << " 正在运行" << endl;
}

int main() {
    thread t1(printThread, 1);
    thread t2(printThread, 2);

    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

公式： 创建线程：thread t(function, args...);

13. C++11/14/17/20 新特性

C++11 及后续标准引入了许多新特性，如右值引用、lambda 表达式、constexpr、结构化绑定等。

右值引用：通过 && 表示，用于实现移动语义，减少不必要的拷贝。
lambda 表达式：用于定义匿名函数，简化代码。
constexpr：用于编译时常量计算。
结构化绑定 (C++17)：允许解构对象。

示例：


#include 
using namespace std;

int main() {
    auto lambda = [](int x, int y) { return x + y; };
    cout << "Lambda 结果: " << lambda(5, 3) << endl;

    constexpr int val = 10;
    cout << "constexpr 值: " << val << endl;

    pair p = {1, "Hello"};
    auto [num, text] = p;
    cout << "结构化绑定: " << num << ", " << text << endl;

    return 0;
}

公式： lambda 表达式：auto lambda = [](parameters) { body };

14. 网络编程与套接字

C++ 可以通过 boost.asio 或 POSIX 套接字实现网络编程，用于客户端与服务器的通信。

示例（简单的套接字服务器）：


#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    sockaddr_in address;
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
    listen(server_fd, 3);
    cout << "服务器已启动，等待连接..." << endl;

    int client_socket = accept(server_fd, nullptr, nullptr);
    cout << "客户端已连接" << endl;

    close(client_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

公式： 创建套接字：int socket(int domain, int type, int protocol);

15. 模板元编程

模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）是一种在编译期生成代码的方法，通过递归模板实现复杂的编译期逻辑。

示例（阶乘计算）：


#include 
using namespace std;

template
struct Factorial {
    static const int value = N * Factorial::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    static const int value = 1;
};

int main() {
    cout << "5 的阶乘是: " << Factorial<5>::value << endl;
    return 0;
}

公式： 模板递归：template<int N> struct StructName { ... };

16. CMake 使用

CMake 是一个跨平台的构建系统，可以用于生成编译项目所需的文件。

示例（CMakeLists.txt）：


cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MyProject)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

add_executable(MyExecutable main.cpp)

公式： 设置 C++ 标准：set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

17. C++ 标准库详细解析

C++ 标准库提供了丰富的功能，如算法、容器、迭代器等。

算法：std::sort、std::find 等。
容器：vector、map、set 等。
迭代器：用于遍历容器的元素。

示例：


#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    vector vec = {5, 1, 4, 2, 3};
    sort(vec.begin(), vec.end());
    for (int val : vec) {
        cout << val << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

公式： 排序算法：std::sort(container.begin(), container.end());