TsinghuaX: 00740043X C++语言程序设计基础 第二章提纲

第2章主要内容和教学要求

计算机的最基本功能是数据处理

• C++支持的基本数据类型：
• 整数、实数、字符、布尔数据
• C++支持的基本运算
• 算术运算、关系运算、逻辑运算、位运算、逗号运算、条件运算

程序要能够输入数据、输出数据

• C++中的数据输入/输出可以调用预定义的功能模块实现

程序的执行流程

• 顺序的，因此程序要能够
• 对执行流程进行选择（选择、开关语句）；
• 反复用同一算法依次处理大批量数据（循环语句）。

枚举类型

• 通过列出所有可取值来定义一种新类型。

学习要求：

• 学习视频课件；
• 阅读教材第2章；
• 按照实验指导视频或者《C++语言程序设计（第4版）学生用书》完成实验；
• 完成在线选择题和编程题；

参考教材

• 《C++语言程序设计》（第4版），郑莉等编著，清华大学出版社出版
• 《C++语言程序设计（第4版）学生用书》，郑莉等编著，清华大学出版社出版

 

C++的特点和程序实例

C++的产生和发展

• 从C语言发展演变而来，最初被称为"带类的C"；
• 1983年正式取名为C++；
• 1998年11月被国际标准化组织（ISO）批准为国际标准；
• 2003年10月15日发布第2版C++标准ISO/IEC 14882:2003；
• 2011年8月12日ISO公布了第三版C++标准C++11，包含核心语言的新机能、扩展C++标准程序库。
• 2014年8月18日ISO公布了C++14，其正式名称为"International Standard ISO/IEC 14882:2014(E) Programming Language C++"。
• C++14作为C++11的一个小扩展，主要提供漏洞修复和小的改进。

C++的特点

• 兼容C，支持面向过程的程序设计；
• 支持面向对象的方法；
• 支持泛型程序设计方法。

命名空间

避免命名冲突

std是C++标准库的命名空间（ namespace）名

using namespace std表示打开std命名空间

例2-1

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

cout << "Hello!" << endl;

cout << "Welcome to c++!" << endl;

return 0;

}

运行结果：

Hello!

Welcome to c++！

 

C++字符集和词法记号

 

字符集

• 大小写的英文字母：A～Z，a～z
• 数字字符：0～9
• 特殊字符：

! # % ^ & * _ + = - ~ < > / ‘ “ ; . , : ? ( ) [ ] { }   |

词法记号

• 关键字 C++预定义的单词
• 标识符 程序员声明的单词，它命名程序正文中的一些实体
• 文字 在程序中直接使用符号表示的数据
• 分隔符 ()   {}   ,    :    ; 
  用于分隔各个词法记号或程序正文
• 运算符（操作符） 用于实现各种运算的符号
• 空白符 空格、制表符（TAB键产生的字符）、垂直制表符、换行符、回车符和注释的总称

标识符的构成规则

• 以大写字母、小写字母或下划线(_)开始。
• 可以由以大写字母、小写字母、下划线(_)或数字0～9组成。
• 大写字母和小写字母代表不同的标识符。
• 不能是C++关键字或操作符。

 

基本数据类型、常量、变量

 

C++能够处理的基本数据类型

• 整数类型；
• 浮点数类型；
• 字符类型；
• 布尔类型。

 

程序中的数据

• 常量
• 在源程序中直接写明的数据；
• 其值在整个程序运行期间不可改变。
• 变量
• 在程序运行过程中允许改变的数据。

 

整数类型

• 基本的整数类型：int
• 按符号分
• 符号的（signed）
• 无符号的（unsigned）
• 按照数据范围分     
• 短整数（short）
• 长整数（long）
• 长长整数（ long long ）
• ISO C++标准并没有明确规定每种数据类型的字节数和取值范围，它只是规定它们之间的字节数大小顺序满足：

(signed/unsigned)signed char ≤ (unsigned) short int ≤ (unsigned) int ≤ (unsigned) long int ≤ long long int

 

字符类型l（char）

• 容纳单个字符的编码；
• 实质上存储的也是整数。

 

浮点数类型

• 单精度（float）
• 双精度（double）
• 扩展精度（long  double）

 

字符串类型（详见第6章）

• 有字符串常量
• 基本类型中没有字符串变量
• 采用字符数组存储字符串（C风格的字符串）
• 标准C++类库中的String类（C++风格的字符串）

 

布尔类型（bool）

• 只有两个值：true（真） 、false（假）
• 常用来表示关系比较、相等比较或逻辑运算的结果

 

各基本类型的取值范围

 

 

常量

• 在程序运行的整个过程中其值始终不可改变的量；
• 直接使用符号（文字）表示的值；
• 例如：12，3.5，'A'都是常量。

整数常量

• 以文字形式出现的整数；
• 十进制 
• 若干个0~9的数字，但数字部分不能以0开头，正数前边的正号可以省略。
• 八进制
• 前导0+若干个0~7的数字。
• 十六进制
• 前导0x+若干个0~9的数字及A~F的字母（大小写均可）。
• 后缀
• 后缀L（或l）表示类型至少是long，后缀LL（或ll）表示类型是long long，后缀U（或u）表示unsigned类型。

浮点数常量

• 以文字形式出现的实数；
• 一般形式：
• 例如，12.5，-12.5等。
• 指数形式：
• 例如，0.345E+2，-34.4E-3；
• 整数部分和小数部分可以省略其一。
• 浮点常量默认为double型，如果后缀F（或f）可以使其成为float型，例如：12.3f。

 

字符常量

• 单引号括起来的一个字符，如：'a'、'D'、'?'、'$'；
• C++转义字符列表（用于在程序中表示不可显示字符）

 

 

 

C风格字符串常量

• 一对双引号括起来的字符序列；
• 在内存中按串中字符的排列次序顺序存放，每个字符占一个字节；
• 在末尾添加 ‘’ 作为结尾标记。

例：

 

 

通过添加前缀可以改变字符常量或者字符串常量的类型，前缀及其含义如下表所示： 

 

 

变量：在程序的运行过程中，其值可变的量

• 变量定义
• 数据类型    变量名1, 变量名2, ..., 变量名n;
• 初始化
• C++语言中提供了多种初始化方式；
• 例如：

int a = 0;

int a(0);

int a = {0};

int a{0};

其中使用大括号的初始化方式称为列表初始化，列表初始化时不允许信息的丢失。例如用double值初始化int变量，就会造成数据丢失。

 

符号常量

• 常量定义语句的形式为：
• const  数据类型说明符  常量名=常量值；

或：

• 数据类型说明符  const  常量名=常量值；
• 例如，可以定义一个代表圆周率的符号常量：
• const float PI = 3.1415926；
• 符号常量在定义时一定要初始化，在程序中间不能改变其值。

 

程序举例

 

题目：读入并显示整数

• 主要知识点：
• 常量
• 在源程序中直接写明的数据，其值在整个程序运行期间不可改变，这样的数据称为常量。
• 变量
• 在运行过程中从计算机的外部设备（例如键盘、硬盘）读取的，这些数据的值在程序运行过程中允许改变，这样的数据称为变量
• 从键盘输入数据
• iostream类的对象cin的>>操作，可以从标准输入设备（通常是键盘）读入数据
• 数据的存储
• 为了存储数据，需要预先为这些数据分配内存空间。
• 变量的定义就是在给变量命名的时候分配内存空间。
• 源代码

#include <iostream>

using namespace std;

int main()

{

     int radius;

     cout<<"Please enter the radius! ";

     cin>>radius;

     cout<<“The radius is:”<<radius<<‘ ’;    

   cout<<“PI is:”<<3.14<<‘ ’;

     cout<<"Please enter a different radius! "; 

     cin>>radius;

     cout<<"Now the radius is changed to:"  

             <<radius<<‘ ’;

     return 0;

}

 

题目：为常量命名

• 主要知识点：符号常量
• 源代码

#include <iostream>

using namespace std;

int main()

{   const double pi(3.14159);  

     int radius;

     cout<<"Please enter the radius! ";

     cin>>radius;

     cout<<"The radius is:"<<radius<<' ';

     cout<<"PI is:"<<pi<<' ';

     cout<<"Please enter a different radius! "; 

     cin>>radius;

     cout<<"Now the radius is changed to:"<<radius<<' ';

     cout<<"PI is still:"<<pi<<' ‘;

     //cin>>pi;

     return 0;

}

• 运行结果：

Please enter the radius!

2

The radius is:2

PI is:3.14159

Please enter a different radius!

3

Now the radius is changed to:3

PI is still:3.14159

 

题目：变量的初始化

• 主要知识点：变量的初始化
• 虽然变量的值是可以在运行时获得的，但是在定义变量时也可以进行初始化，而且应该提倡进行初始化；
• 未经初始化的变量，其值可能是随机的。如果误用了未经初始化也没有给予确定值的变量，就会引起错误。
• 源代码

#include <iostream>

using namespace std;

int main()

{

     const double pi(3.14159);  

     int radius(0);

     cout<<"The initial radius is:"<<radius<<' ';

     cout<<"PI is:"<<pi<<' ‘; 。

     cout<<"Please enter a different radius! "; 

     cin>>radius;

     cout<<"Now the radius is changed to:"<<radius<<' ';

     cout<<“PI is still:”<<pi<<‘ ’;

     return 0;

}    

 

算术运算与赋值运算

 

算术运算

• 基本算术运算符
• +  -  *  /(若整数相除，结果取整)
• %（取余，操作数为整数）
• 优先级与结合性
• 先乘除，后加减，同级自左至右
• ++, --（自增、自减）
• 例：i++;    --j;

赋值运算

• 将值赋给变量
• 赋值运算符“=”
• 赋值表达式：
• 用赋值运算符连接的表达式
• 例：

n=5

n = n + 5

• 表达式的值
  赋值运算符左边对象被赋值后的值
• 表达式的类型
  赋值运算符左边对象的类型
• 复合的赋值运算符
• +=，-=，*=，/=，%=，<<=，>>=，&=，^=，|= 
• 例
  a += 3 等价于 a = a + 3
  x *= y + 8 等价于 x = x * (y + 8)

 

逗号运算、关系运算、逻辑运算和条件运算

逗号运算和逗号表达式

• 格式

表达式1，表达式2

• 求解顺序及结果
• 先求解表达式1，再求解表达式2
• 最终结果为表达式2的值
• 例

a = 3 * 5 , a * 4   最终结果为60

 

关系运算与关系表达式

• 关系运算是比较简单的一种逻辑运算，优先次序为：
   
• 关系表达式是一种最简单的逻辑表达式
• 其结果类型为 bool，值只能为 true 或 false。
• 例如：a > b，c <= a + b，x + y == 3

 

逻辑运算与逻辑表达式

• 逻辑运算符
             !(非)      &&(与)        ||(或)
  优先次序：   高         →            低
• 逻辑运算结果类型：bool，值只能为 true 或 false
• 逻辑表达式
  例如：(a > b) && (x > y)

 

“&&”（逻辑与）运算

• “&&”的运算规则
• 两侧表达式都为真，结果为真；
• 有一侧表达式为假，结果为假。
• “&&” 的“短路特性”

表达式1 && 表达式2

• 先求解表达式1
• 若表达式1的值为false，则最终结果为false，不再求解表达式2
• 若表达式1的结果为true，则求解表达式2，以表达式2的结果作为最终结果

 

“||”（逻辑或）运算

• “||”的运算规则
• 两侧表达式都为假，结果为假；
• 有一侧表达式为真，结果为真。
• “||” 的“短路特性”

表达式1 || 表达式2

• 先求解表达式1
• 若表达式1的值为true，则最终结果为true，不再求解表达式2
• 若表达式1的结果为false，则求解表达式2，以表达式2的结果作为最终结果

 

条件运算符与条件表达式

• 一般形式
• 表达式1？表达式2：表达式3

表达式1 必须是 bool 类型

• 执行顺序
• 先求解表达式1，
• 若表达式1的值为true，则求解表达式2，表达式2的值为最终结果
• 若表达式1的值为false，则求解表达式3，表达式3的值为最终结果

例：

   x = a > b ? a : b;

 

如果a>b为false，计算

如果a>b为true，计算

 

条件运算的优先级

• 条件运算符优先级高于赋值运算符，低于逻辑运算符
• 例

 

• 表达式1是bool类型，表达式2、3的类型可以不同，条件表达式的最终类型为 2 和 3 中较高的类型。

 

Sizeof运算、位运算

 

sizeof运算

• 语法形式
  sizeof (类型名)
  或 sizeof 表达式
• 结果值：
  “类型名”所指定的类型，或“表达式”的结果类型所占的字节数。
• 例：

sizeof(short)

sizeof  x

位运算——按位与（&）

• 运算规则

将两个运算量的每一个位进行逻辑与操作

• 举例：计算 3 & 5

 

• 用途：
• 将某一位置0，其他位不变。
  例如：将char型变量a的最低位置0: a = a & 0xfe;
• 取指定位。
  例如：有char c; int a; 取出a的低字节，置于c中：c=a & 0xff;

位运算——按位或（|）

• 运算规则
• 将两个运算量的每一个位进行逻辑或操作
• 举例：计算 3 | 5

 

• 用途：
• 将某些位置1，其他位不变。
  例如：将 int 型变量 a 的低字节置 1 ：
           a = a | 0xff;

位运算——按位异或（^）

• 运算规则
• 两个操作数进行异或：
  若对应位相同，则结果该位为 0，
  若对应位不同，则结果该位为 1，
• 举例：计算 071^052

 

• 用途举例：使特定位翻转（与0异或保持原值，与1异或取反）

例如：要使 01111010 低四位翻转：

 

位运算——取反（~）

• 运算规则
• 单目运算符，对一个二进制数按位取反。
• 例：

 025：0000000000010101

 ~025：1111111111101010

位运算——移位（<<、>>）

• 左移运算（<<）

左移后，低位补0，高位舍弃。

• 右移运算（>>）

右移后：

低位：舍弃

高位：

无符号数：补0

有符号数：补“符号位”

 

运算优先级、类型转换

 

运算符优先级

 

 

混合运算时数据类型的转换

• 一些二元运算符（算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、位运算符和赋值运算符）要求两个操作数的类型一致。
• 在算术运算和关系运算中如果参与运算的操作数类型不一致，编译系统会自动对数据进行转换（即隐含转换），基本原则是将低类型数据转换为高类型数据。

 

 

 

 

第2章（二）

数据的输入和输出

 

I/O流

• 在C++中，将数据从一个对象到另一个对象的流动抽象为“流”。流在使用前要被建立，使用后要被删除。
• 数据的输入与输出是通过I/O流来实现的，cin和cout是预定义的流类对象。cin用来处理标准输入，即键盘输入。cout用来处理标准输出，即屏幕输出。
• 从流中获取数据的操作称为提取操作，向流中添加数据的操作称为插入操作。

 

预定义的插入符和提取符

• “<<”是预定义的插入符，作用在流类对象cout上便可以实现项标准输出设备输出。
• cout << 表达式 << 表达式...
• 标准输入是将提取符作用在流类对象cin上。
• cin >> 表达式 >> 表达式...
• 提取符可以连续写多个，每个后面跟一个表达式，该表达式通常是用于存放输入值的变量。例如：
• int a, b;
• cin >> a >> b;

 

常用的I/O流类库操纵符

 

 

例：cout << setw(5) << setprecision(3) << 3.1415;

 

if语句

If语句的语法形式

if (表达式) 语句

例：if (x > y) cout << x;

if (表达式) 语句1 else 语句2

例：if (x > y) cout << x;

else cout << y;

if (表达式1) 语句1
else if (表达式2) 语句2
else if (表达式3) 语句3
           …
else 语句 n

 

例2-2输入一个年份，判断是否闰年

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

int year;

bool isLeapYear;

cout << "Enter the year: ";

cin >> year;

isLeapYear = ((year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0));

if (isLeapYear)

cout << year << " is a leap year" << endl;

else

cout << year << " is not a leap year" << endl;

return 0;

}

 

嵌套的if结构

• 语法形式

 if(   )

 if(   ) 语句 1

else 语句 2

else

 if(   ) 语句 3

else 语句 4

• 注意
• 语句 1、2、3、4 可以是复合语句；
• 每层的 if 与 else 配对，或用 { } 来确定层次关系。

 

例2-3：输入两个整数，比较两个数的大小

#include<iostream>

using namespace std;

int main() {

int x, y;

cout << "Enter x and y:";

cin >> x >> y;

if (x != y)

if (x > y)

cout << "x > y" << endl;

else

cout << "x < y" << endl;

else

cout << "x = y" << endl;

return 0;

}

 

switch语句

• 语法形式

switch  (表达式)

     {  case    常量表达式 1：语句1

        case   常量表达式 2：语句2

                  ┆

        case   常量表达式 n：语句n

        default :             语句n+1

     }

• 执行顺序
• 以case中的常量表达式值为入口标号，由此开始顺序执行。因此，每个case分支最后应该加break语句。
• 注意
• case分支可包含多个语句，且不用{ }。
• 表达式、判断值都是int型或char型。
• 如果若干分支执行内容相同可共用一组语句。

 

例2-4：输入一个0～6的整数，转换成星期输出

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

     int day;

     cin >> day;

     switch (day) {

     case 0: cout << "Sunday" << endl; break;

     case 1: cout << "Monday" << endl; break;

     case 2: cout << "Tuesday" << endl; break;

     case 3: cout << "Wednesday" << endl; break;

     case 4: cout << "Thursday" << endl; break;

     case 5: cout << "Friday" << endl; break;

     case 6: cout << "Saturday" << endl; break;

     default:

        cout<<"Day out of range Sunday .. Saturday"<< endl;   break;

     }

     return 0;

}

while语句

• 语法形式

while  (表达式)  语句

 

 

 

• 执行顺序

先判断表达式的值，若为 true 时，执行语句。

 

例2-5 求自然数1～10之和

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

  int i = 1, sum = 0;

  while (i <= 10) {

      sum += i;  //相当于sum = sum + i;

      i++;

  }

  cout << "sum = " << sum << endl;

return 0;

}

do-while语句

• do-while 语句的语法形式

do   语句

while (表达式)

• 执行顺序

先执行循环体语句，后判断条件。
表达式为 true 时，继续执行循环体。

 

例2-6：输入一个数，将各位数字翻转后输出

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

int n, right_digit, newnum = 0; 

cout << "Enter the number: ";

cin >> n;

cout << "The number in reverse order is  ";

do {

right_digit = n % 10;

cout << right_digit;

n /= 10;  /*相当于n=n/10*/

} while (n != 0);

    cout << endl;

return 0;

}

 

例2-7用do-while语句编程，求自然数1~10之和

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

int i = 1, sum = 0;

do {

sum += i;

i++;

} while (i <= 10);

cout << "sum = " << sum << endl;

return 0;

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对比下面的程序

 

程序1：

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

  int i, sum = 0;

  cin >> i;

  while (i <= 10) {

    sum += i;

    i++;

  }

  cout<< "sum= " << sum

       << endl;

  return 0;

}

程序2：

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {

  int i, sum = 0;

  cin >> i;

  do {

    sum += i;

    i++;

  } while (i <= 10)；

  cout << "sum=" << sum

       << endl;

  return 0;

}

 

 

for语句

• for语句语法形式：

  

 

• for语句的另一种形式：范围for语句：

    for  (声明：表达式)

        语句

 

例2-8：输入一个整数，求出它的所有因子

#include <iostream>

using namespace std;

int main() { 

int n;

cout << "Enter a positive integer: ";

cin >> n;

cout << "Number  " << n << "   Factors  ";

for (int k = 1; k <= n; k++)

  if (n % k == 0)

    cout << k << "  ";

  cout << endl;

  return 0;

}

 

运行结果1：

Enter a positive integer: 36

Number  36  Factors  1  2  3  4  6  9  12  18  36  

 

运行结果2：

Enter a positive integer: 7

Number  7   Factors  1  7  

 

嵌套的控制结构、其他控制语句

例2-10 输入一系列整数，统计出正整数个数i和负整数个数j,读入0则结束。

#include <iostream>

using namespace std;

 

int main() {

int i = 0, j = 0, n;

cout <<"Enter some integers please (enter 0 to quit):" << endl;

cin >> n;

while (n != 0) {

  if (n > 0) i += 1;

  if (n < 0) j += 1;

  cin >> n;

}

cout << "Count of positive integers: " << i << endl;

cout << "Count of negative integers: " << j << endl;

return 0;

}

其他控制语句

• break语句

使程序从循环体和switch语句内跳出，继续执行逻辑上的下一条语句。不宜用在别处。

• continue 语句

结束本次循环，接着判断是否执行下一次循环。

• goto 语句

使程序的执行流程跳转到语句标号所指定的语句。不提倡使用。

 

自定义类型

类型别名：为已有类型另外命名

• typedef  已有类型名  新类型名表
• 例：

typedef double Area, Volume;

typedef int Natural;

Natural i1,i2;

Area a;

Volume v;

• using  新类型名 = 已有类型名;
• 例：

using Area = double;

using Volume = double;

枚举类型

• 定义方式：

将全部可取值一一列举出来。

• 语法形式：

enum  枚举类型名  {变量值列表};

例：enum Weekday {SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT};

默认情况下

SUN=0，MON=1，TUE=2，......，SAT=6

 

C++包含两种枚举类型：

• 不限定作用域枚举类型：

enum  枚举类型名  {变量值列表};

• 限定作用域的enum类将在第4章介绍。

 

不限定作用域枚举类型说明：

• 枚举元素是常量，不能对它们赋值

例如有如下定义
enum Weekday {SUN, MON, TUE, WED, THU, FRI, SAT};

不能写赋值表达式：SUN = 0

• 枚举元素具有默认值，它们依次为： 0,1,2,......。
• 也可以在声明时另行指定枚举元素的值，如：

enum Weekday{SUN=7,MON=1,TUE,WED, THU,FRI,SAT};

• 也可以在声明时另行指定枚举元素的值；
• 枚举值可以进行关系运算。
• 整数值不能直接赋给枚举变量，如需要将整数赋值给枚举变量，应进行强
  制类型转换。
• 枚举值可以赋给整型变量。

 

例2-11

• 设某次体育比赛的结果有四种可能：胜（WIN）、负（LOSE）、平局（TIE）、比赛取消（CANCEL），编写程序顺序输出这四种情况。
• 分析：

比赛结果只有四种可能，可以声明一个枚举类型。

#include <iostream>

using namespace std;

enum GameResult {WIN, LOSE, TIE, CANCEL};

int main() {

GameResult result;

enum GameResult omit = CANCEL;

for (int count = WIN; count <= CANCEL; count++) {

  result = GameResult(count);

  if (result == omit) 

    cout << "The game was cancelled" << endl;

  else {

    cout << "The game was played ";

    if (result == WIN)      cout << "and we won!";

    if (result == LOSE)       cout << "and we lost.";

    cout << endl;

  }

}

return 0;

}

 

auto类型与decltype类型

• auto：编译器通过初始值自动推断变量的类型
• 例如：auto val = val1 + val2;

如果val1+val2是int类型，则val是int类型；

如果val1+val2是double类型，则val是double类型。

• decltype：定义一个变量与某一表达式的类型相同，但并不用该表达式初始化变量
• 例如：decltype(i) j = 2;