C++编程入门：从零开始学习C++的基础与实践

什么是C++

C++是一种通用的、面向对象的、静态类型的编程语言，由Bjarne Stroustrup在1980年代为加强C语言的功能而开发。它结合了C语言的结构化特性，并引入了面向对象编程的概念，使得程序员可以更高效地编写复杂软件系统。

C++的历史与特点

C++的出现是为了弥补C语言的一些不足，例如类型安全性和面向对象编程的支持。它保留了C语言的灵活性和性能优势，同时引入了类、对象、继承、多态等面向对象编程的特性。C++还支持泛型编程（模板）、异常处理、动态内存管理等高级功能，使之成为适用于多种应用场合的编程语言。

C++与C的关系

C++基本上是对C语言的扩展，它在语法上与C兼容，但引入了更多的特性。这意味着大多数C程序可以很容易地转换为C++程序。C++通过定义新的类和模板，提供了更高级的抽象，同时保持了C语言的高效性。

变量与数据类型

在C++中，变量是一种存储数据的容器，而数据类型定义了变量可以存储的值的种类。例如：

int age = 25; // 声明一个整型变量age并赋值为25
double pi = 3.14; // 声明一个双精度浮点型变量pi并赋值为3.14
bool isStudent = true; // 声明一个布尔型变量isStudent并赋值为true

常量与变量的区别

常量是在程序执行期间其值不能改变的变量。在C++中，常量可以通过关键字const来声明。例如：

const double PI = 3.14159; // 一个常量PI的声明

基本运算符与表达式

C++支持多种运算符，用于执行算术、比较、逻辑等操作。这些包括加法、减法、乘法、除法、取模、比较符、逻辑与、逻辑或、否定等。例如：

int a = 10;
int b = 5;
int c = a + b; // 计算a和b的和并将结果存储在c中

条件语句

条件语句用于根据不同的条件执行不同的代码块。C++中常用的条件语句包括if、else和switch。

int num = 10;
if (num > 0) {
    cout << "num是正数";
} else {
    cout << "num不是正数";
}

循环语句

循环语句用于重复执行一段代码直到达到某个条件。C++中常用的循环包括for、while和do-while。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    cout << "循环计数: " << i << endl;
}

int count = 0;
do {
    cout << "do-while循环计数: " << count << endl;
    count++;
} while (count < 5);

循环控制

在循环中使用break和continue来控制循环流程。

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        break; // 当i等于5时，退出循环
    }
    cout << "循环计数: " << i << endl;
}

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        continue; // 当i等于5时，跳过当前循环迭代的剩余代码
    }
    cout << "循环计数: " << i << endl;
}

函数的定义与调用

函数是封装了特定任务的代码块，可以复用并提高代码的可读性和可维护性。

void greet() {
    cout << "你好，世界！" << endl;
}

int main() {
    greet(); // 调用函数greet
    return 0;
}

参数传递与返回值

参数传递允许函数接收外部数据，并进行操作。返回值则允许函数在执行后将结果传递给调用者。

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

int main() {
    int sum = add(3, 5); // 调用add函数，并将结果存储在sum中
    cout << "两个数之和为: " << sum << endl;
    return 0;
}

函数的重载与内联

函数重载允许在同一个名字下定义多个函数，这些函数具有相同的名称但参数列表不同。内联函数则是一种在编译时插入调用点的特殊函数定义，旨在减少函数调用的开销。

void add(int a, int b) {
    cout << "整数相加：" << a + b << endl;
}

void add(double a, double b) {
    cout << "双精度浮点数相加：" << a + b << endl;
}

int main() {
    add(1, 2);
    add(1.5, 2.5);
    return 0;
}

类与对象

类是创建对象的蓝图，包含属性（数据成员）和行为（成员函数）。对象是类的实例。

class Person {
public:
    string name;
    int age;

    void sayHello() {
        cout << "Hello, my name is " << name << " and I am " << age << " years old." << endl;
    }
};

int main() {
    Person p;
    p.name = "Alice";
    p.age = 30;
    p.sayHello();
    return 0;
}

构造函数与析构函数

构造函数在创建对象时自动调用，用于初始化对象。析构函数在对象被销毁时自动调用，用于清理资源。

class Person {
public:
    string name;
    int age;

    Person() {
        cout << "构造函数被调用，创建了一个新的Person对象。" << endl;
    }

    ~Person() {
        cout << "析构函数被调用，一个Person对象被销毁。" << endl;
    }

    void sayHello() {
        cout << "Hello, my name is " << name << " and I am " << age << " years old." << endl;
    }
};

int main() {
    Person p;
    p.sayHello();
    return 0;
}

简易计算器程序

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int num1, num2;
    char operator;
    cout << "请输入运算的两个数字和运算符：" << endl;
    cin >> num1 >> operator >> num2;
    switch (operator) {
        case '+':
            cout << num1 << " + " << num2 << " = " << num1 + num2;
            break;
        case '-':
            cout << num1 << " - " << num2 << " = " << num1 - num2;
            break;
        case '*':
            cout << num1 << " * " << num2 << " = " << num1 * num2;
            break;
        case '/':
            if (num2 != 0) {
                cout << num1 << " / " << num2 << " = " << num1 / num2;
            } else {
                cout << "错误：除数不能为零。";
            }
            break;
        default:
            cout << "无效的运算符。";
    }
    return 0;
}

矩阵乘法程序

#include <iostream>
using namespace std;

#define SIZE 3

void multiplyMatrices(int A[SIZE][SIZE], int B[SIZE][SIZE], int result[SIZE][SIZE]) {
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        for (int j = 0; j < SIZE; j++) {
            result[i][j] = 0;
            for (int k = 0; k < SIZE; k++) {
                result[i][j] += A[i][k] * B[k][j];
            }
        }
    }
}

int main() {
    int A[SIZE][SIZE] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}, {7, 8, 9}};
    int B[SIZE][SIZE] = {{9, 8, 7}, {6, 5, 4}, {3, 2, 1}};
    int result[SIZE][SIZE];

    multiplyMatrices(A, B, result);

    cout << "矩阵乘法结果如下：" << endl;
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        for (int j = 0; j < SIZE; j++) {
            cout << result[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    return 0;
}

基于类与面向对象的编程实际应用

案例一：银行账户类

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class BankAccount {
private:
    string owner;
    double balance;

public:
    BankAccount(string owner) : owner(owner), balance(0.0) {
        cout << "创建了新的银行账户: " << owner << endl;
    }

    void deposit(double amount) {
        balance += amount;
        cout << "已存款：" << amount << endl;
    }

    void withdraw(double amount) {
        if (amount <= balance) {
            balance -= amount;
            cout << "已取款：" << amount << endl;
        } else {
            cout << "账户余额不足。" << endl;
        }
    }

    double getBalance() {
        return balance;
    }
};

int main() {
    BankAccount account("Alice");
    account.deposit(1000.0);
    account.withdraw(500.0);
    account.deposit(100.0);
    cout << "当前余额：" << account.getBalance() << endl;
    return 0;
}

案例二：图形类

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

class Shape {
public:
    double calculateArea() {
        return 0.0;
    }
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    double calculateArea() {
        return M_PI * pow(radius, 2);
    }
};

int main() {
    Circle circle(5);
    cout << "圆的面积：" << circle.calculateArea() << endl;
    return 0;
}

通过这些案例分析，读者可以逐步了解如何将C++的基本概念应用到实际编程中，为后续的深入学习打下坚实的基础。