C++高级语法教程：从基础到进阶的精讲与实践

C++高级语法教程全面覆盖从基础回顾到高级概念的深入探讨，包括变量与类型定义、运算符与表达式、控制结构、作用域与命名空间、函数重载与模板、对象导向编程（类与对象、继承与多态、封装与访问控制）、异常处理与资源管理，以及实际案例与练习。教程旨在为读者提供从零基础到精通C++高级语法的全面指导。

基础回顾：C++的根基与基础

在深入探讨C++的高级语法之前，我们首先回顾一些基本概念，以确保所有的读者都能牢固掌握C++的基础知识。这包括变量类型、数据类型、运算符、控制结构等元素。

变量与类型定义

在C++中，声明变量需要指定变量的类型和名称。例如：

int age;   // 声明一个整型变量age
double salary; // 声明一个双精度浮点型变量salary
char grade; // 声明一个字符型变量grade

运算符与表达式

C++支持多种运算符，包括算术运算符、比较运算符、逻辑运算符等。以下是一个简单的加法运算示例：

int x = 5;
int y = 10;
int sum = x + y; // 计算并存储两个数的和

控制结构

控制结构用于控制程序流程。C++中的基本控制结构包括if、else、for、while等。

int i = 0;
while (i < 5) { // 当i小于5时执行循环内的代码
    cout << i << endl;
    i++;
}

作用域与命名空间

作用域决定了变量或函数作用的范围。C++中，作用域可以是局部的（如在函数内部）、全局的（如在文件的任意位置）或嵌套的（在一个作用域内声明的变量可以影响另一个作用域内的变量）。

void printNumber(int num) {
    int num = 10; // 局部作用域内的变量num
    cout << num << endl;
}

int main() {
    int num = 5; // 全局作用域内的变量num
    printNumber(num); // 调用函数printNumber
    cout << num << endl; // 访问全局变量num
    return 0;
}

命名空间

命名空间是解决命名冲突的有效手段，它可以将类、函数和变量的名称限制在一个特定的范围内。

#include <iostream> // 引入命名空间std

int main() {
    namespace ns = std;
    int x = 5;
    ns::cout << "The value is " << x << std::endl;
    return 0;
}

函数重载与模板

函数重载

允许使用相同函数名但参数列表不同的函数，以匹配不同的情况。

#include <iostream>

void print(int x) {
    std::cout << "An integer: " << x << std::endl;
}

void print(double x) {
    std::cout << "A double: " << x << std::endl;
}

int main() {
    print(5); // 调用整型版本的print函数
    print(3.14); // 调用双精度版本的print函数
    return 0;
}

函数模板

模板允许在编译时动态生成函数实例，以适应不同类型的参数。

template <typename T>
void print(const T& x) {
    std::cout << "A value of type: " << typeid(x).name() << ": " << x << std::endl;
}

int main() {
    print(42); // 调用整型模板函数
    print(3.14); // 调用双精度模板函数
    return 0;
}

对象导向编程

类与对象

类是具有相同属性和方法的对象的抽象。通过实例化类，可以创建对象。

class Person {
public:
    void speak(const std::string& message) {
        std::cout << message << std::endl;
    }
};

int main() {
    Person alice;
    alice.speak("Hello, world!"); // 调用类Person的成员函数speak
    return 0;
}

继承与多态

继承允许派生类从基类继承属性和行为，多态允许不同的对象响应相同的消息。

class Animal {
public:
    void makeSound() {
        std::cout << "Animal makes a sound." << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        std::cout << "Dog barks." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animal = new Dog();
    animal->makeSound(); // 调用多态方法，输出"Dog barks."
    delete animal;
    return 0;
}

封装与访问控制

通过封装，我们可以将数据和操作绑定在一起，同时通过访问控制来限制对类内部的直接访问。

class BankAccount {
private:
    double balance;

public:
    void deposit(double amount) {
        balance += amount;
    }

    void withdraw(double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
        } else {
            std::cout << "Insufficient funds." << std::endl;
        }
    }

    double getBalance() const {
        return balance;
    }
};

int main() {
    BankAccount account;
    account.deposit(100);
    account.withdraw(50);
    std::cout << "Current balance: " << account.getBalance() << std::endl;
    return 0;
}

异常处理与资源管理

异常处理

C++提供异常处理机制来捕获并处理运行时错误。

#include <iostream>
#include <stdexcept>

void divide(int numerator, int denominator) {
    if (denominator == 0) {
        throw std::runtime_error("Division by zero!");
    }
    std::cout << "Result: " << numerator / denominator << std::endl;
}

int main() {
    try {
        divide(10, 0);
    } catch (const std::runtime_error& e) {
        std::cerr << "Error caught: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

智能指针

智能指针是一种自动管理内存的工具，有效避免了内存泄漏问题。

#include <iostream>
#include <memory>

class Example {
public:
    void print() {
        std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Example> ptr(new Example());
    ptr->print(); // 输出 "Hello, world!"
    return 0;
}

实际案例与练习

实例1：文件读写

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ofstream file("example.txt", std::ios_base::app);
    if (file.is_open()) {
        file << "First line\n";
        file << "Second line\n";
        file.close();
    } else {
        std::cout << "Unable to open file." << std::endl;
    }

    std::ifstream file2("example.txt");
    if (file2.is_open()) {
        std::string line;
        while (std::getline(file2, line)) {
            std::cout << line << std::endl;
        }
        file2.close();
    } else {
        std::cout << "Unable to open file." << std::endl;
    }
    return 0;
}

实例2：图形用户界面开发

使用Qt创建一个简单的计算器应用，其中包括加、减、乘、除四个操作功能。

#include <QApplication>
#include <QWidget>
#include <QVBoxLayout>
#include <QPushButton>

class MainWindow : public QWidget {
    Q_OBJECT
public:
    MainWindow(QWidget *parent = nullptr) : QWidget(parent) {
        QVBoxLayout *layout = new QVBoxLayout(this);
        QPushButton *buttonAdd = new QPushButton("+", this);
        QPushButton *buttonSubtract = new QPushButton("-", this);
        QPushButton *buttonMultiply = new QPushButton("*", this);
        QPushButton *buttonDivide = new QPushButton("/", this);
        QPushButton *buttonReset = new QPushButton("Reset", this);
        layout->addWidget(buttonAdd);
        layout->addWidget(buttonSubtract);
        layout->addWidget(buttonMultiply);
        layout->addWidget(buttonDivide);
        layout->addWidget(buttonReset);
    }

private slots:
    void onButtonClicked(QPushButton *button) {
        std::cout << "Button was clicked." << std::endl;
        // 实现具体的计算逻辑
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);
    MainWindow window;
    window.show();
    return app.exec();
}

实例3：网络编程

以下是一个简单的HTTP GET请求示例：

#include <curl/curl.h>

int main() {
    CURL *curl;
    CURLcode res;

    curl = curl_easy_init();
    if (curl) {
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, "https://www.example.com");
        res = curl_easy_perform(curl);
        if (res != CURLE_OK)
            std::cerr << "Error: " << curl_easy_strerror(res) << std::endl;
        curl_easy_cleanup(curl);
    }
    return 0;
}

练习题

1. 修改实例1中的程序，将文件读写操作封装为类的方法，并实现一个简单的日志记录系统。
2. 使用Qt创建一个简单的计算器应用，其中包括加、减、乘、除四个操作功能。
3. 发送HTTP POST请求，将示例3中的程序扩展为支持发送JSON数据，并解析服务器的响应。通过这些基础回顾、深入探讨高级概念和实际案例，读者可以全面掌握C++的高级语法与实践应用。