C++ 程序结构
注释：被编译器忽略的文本
Library
库：提前编写的能执行有用操作工具集合
库引入
#include <>：头文件是C++标准中的系统库#include ".h"：其他库、自行编写的头文件
Namespace
命名空间：被切分为代码段的结构，为确保定义在大系统中各部分
程序的元素名称（如：变量名、函数名等）不会相互混淆
- 需要告诉编译器定义所属的命名空间才能引用头文件中的名称
函数
为方便理解，大多数程序被划分为几个较小的易于理解的函数
- Prototype：函数原型，函数定义的首行加上分号结尾组成
- 主程序：每个C++程序必须有
main函数，指明程序计算
的开始点，main函数结束时，程序执行也随之结束
Variable
变量：一个命名的、能够存储特定类型值的一块内存区域
- initializer：初始化，初始值作为声明的一部分
- 变量类型、修饰符参见cs_cppc/basics/mem_ctl
Scope
变量作用域
Local Variable
局部变量：声明在函数体内，作用域可以扩展到其
声明所在块
- 函数被调用时：为每个局部变量分配在整个函数调用时期
的存储空间
- 函数返回时：所有局部变量消亡
Global Variable
全局变量：声明在函数定义外，作用域为其声明所在文件
- 生命期为程序运行的整个运行期，可用于存储函数调用的值
- 可以被程序中任意函数操作，难以避免函数间相互干扰
- 除声明全局常量外，不采用全局变量易于管理程序
- 全局变量一般存储在静态区中
Declare
声明：主要功能是将变量的名字和变量包含值类型相关联
- 在使用变量之前必须声明
- 变量声明在程序中的位置决定了变量的scope
- 事实上，函数、类等都可以提前声明，有些时候必须如此，以
使用forward reference（前向引用，定义之前声明指向其的
指针）
Identifier
标识符：变量、函数、类型、常量等名字的统称
- 必须以字母、
_开始
- 所有字符必须是字母、数字、
_，不允许空格或其他特殊字符
- 不能包含保留字
- 标识符中大小写字母是不同的
- 标识符可以取任意长度，但是C++编译器不会考虑任何超过31个
字符的两个名字是否相同
Shadowing
遮蔽：程序代码内层块中变量隐藏外层块中同名变量的行为
隐式类型转换
数值类型转换
提升型转换：通常不会造成数值差异
- 小整数
char、short转换到int
float转换到double
可能存在转换误差的转换
- 负数转换为无符号类型：二进制位不变，即为负数对应补码
正数
- 其他类型转换为bool类型
- 浮点数转换为整数：截断，若出现数值溢出，则出现未定义
行为
指针类型转换
- 空指针
void *、任意指针类型类型之间相互转换
- 衍生类指针转换为基类指针，同时不改变
const、volatile
属性
- C风格数组隐式把数组转换为指向第一个元素的指针
- 容易出现错误
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| char * s = "Help" + 3;
# ”Help"被转换为指向数组指针，向后移3位
# `s`指向最后元素`p`
|
强制类型转换
- 上行转换：派生类指针、引用转换为基类表示
- 下行转换：基类指针、引用转化为派生类表示
const_cast
const_cast：去掉原有类型的const、volatile属性，将常量
指针、引用转换为非常量
- 常量指针转化为非常量指针，仍来指向原来对象
- 常量引用转换为非常量引用，仍然指向原来对象
- 一般用于修改指针，如
const char *p
- 要求期望去常量目标非常量，否则为未定义行为
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| int ary[4] = {1, 2, 3, 4};
const int * c_ptr = ary;
int * ptr = const_cast<int*>(c_ptr);
for(int i = 0; i < 4; i++){
ptr[i] += 1;
}
|
未定义行例
堆区常量
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| int con_cast(){
const int * c_val_ptr = new const int(1);
int vec_before[*c_val_ptr];
int & ptr_val = const_cast<int &>(*c_val_ptr);
ptr_val += 1;
int vec_after[*c_val_ptr];
cout << sizeof(vec_before) << endl <<
sizeof(vec_after) << after;
cout << *c_val_ptr << endl << ptr_val << endl
<< c_val_ptr << endl << &ptr_val;
}
|
栈区常量
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| int con_cast(){
const int c_val= 1;
int vec_before[c_val];
int & ptr_val = const_cast<int &>(&c_val);
ptr_val += 1;
int vec_after[c_val];
cout << sizeof(vec_before) << endl <<
sizeof(vec_after) << after;
cout << c_val << endl << ptr_val << endl
<< &c_val<< endl << &ptr_val;
}
|
static_cast
static_cast：静态类型转换，无条件转换
类层次中基类、派生类之间指针、引用转换
- 上行转换：派生类完全包含基类所有成员，安全
- 下行转换：派生类包含独有成员，没有动态类型检查，对象
为派生类实例时转换不安全
- 基类、派生类之间转换建议使用
dynamic_cast
基本类型转换：安全性需要开发者维护
int、char、enum、float之间相互转换- 空指针转换为目标类型指针：不安全
- 任何类型表达式转换为
void类型
- 不能进行无关类型指针（无继承关系、float与int等）之间
转换，而C风格强转可以
- 不能转换掉原有类型的
const、volatile、__unaligned
属性
- 静态是相对于动态而言，只在编译时检查，编译时已经确定转换
方式，没有运行时类型检查保证转换安全性
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| float f_pi = 3.141592f
int i_pi = static_cast<int>(f_pi)
Sub sub;
Base * base_ptr = static_cast<Base*>(&sub);
Base base;
sub * sub_ptr = static_cast<Sub*>(&base);
|
- 和C风格强转效果基本一致（使用范围较小），同样没有运行时
类型检查保证转换安全性，有安全隐患
- C++中所有隐式转换都是使用
static_cast实现
dynamic_cast
dynamic_cast：指针、引用动态类型转换，有条件转换
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| class Base{
public:
void print(){
cout << "i' base" << endl;
}
virtual void virtual_foo() {};
}
class Sub: public Base{
public:
void print(){
cout << "i'm sub" << endl;
}
virtual void virtual_foo();
}
int main(){
cout << "Sub -> Base" << endl;
Sub * sub = new Sub();
sub -> print();
Base * sub2base = dynamic_cast<Base*>(sub);
if (sub2base != NULL)l{
sub2base->print();
}
cout << "sub2base val: " << sub2base << endl;
cout << "Base -> Sub" << endl;
Base * base = new Base();
base->print();
Sub * base2sub = dynamic<Sub*>(base);
if (base2sub != NULL){
base2sub -> print();
}
count << "base2sub val: " << base2sub << endl;
delete sub;
delete base;
return 0;
}
|
- 涉及面向对象的多态性、程序运行时的状态，主要是用于虚类
类型上行转换
- 同编译器的属性设置有关，所以不能完全使用C语言的强制转换
替代，常用、不可缺少
reinterpret_cast
reinterpret_cast：仅仅是重新解释给出对象的比特模型
，没有对值进行二进制转换
- 用于任意指针、引用之间的转换
- 指针、足够大的整数（无符号）之间的转换
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| int * ptr = new int(233);
uint32_t ptr_addr = reinterpret_cast<uint32_t>(ptr);
count << "ptr addr: " << hex << ptr << endl
<< "ptr_add val: " << hex << ptr_addr << endl;
delete ptr;
|
- 处理无关类型转换，通常为位运算提供较低层次重新解释
- 难以保证移植性
C风格
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| Typename b = (Typename) a;
float b = 1.0f;
int c_i = (int)b;
int & c_j = (int&)b;
int cpp_i = static_cast<int>(b);
int & j = reinterpret_cast<int&>(b);
|
Data Type
数据类型：从形式上看，数据类型有两个属性定义
- domain：值集，该类型值的集合
- set of operation：操作集，定义类型的行为
- C++每个数据值都有其相应数据类型
- Primitive Type：基本类型，类型系统整体的建筑块
Integer
C++定义了3种整数类型：short、int、long
值域
- 若希望明确值域，尝试
<cstdint>中自定义类型
unsigned
表示
- 整形常量一般写成十进制数字
- 数字以
0开始：编译器将其视为八进制数字
- 数字以
0x开始：编译器将其视为16进制数字
- 数字
L结尾：显式指明整数常量的类型为long（表达式中）
- 数字
U结尾：整形常数被认为时无符号整数（表达式中）
Float-Point
C++中定义了3种浮点类型：float、double、long double
值域
C++同样没由指定这些类型的确切表示
float、double、long double占用内存不减、精度
不减
表示
- 通常使用带有小数点的十进制数字
- 支持科学计数法风格：浮点数乘以十的整数幂
Bool
布尔类型：具有合法常量值true、false的数据类型
Char
C++中表示字符的预定义基本类型：char
- C++标准库定义
wchar_t类型表示宽字符以扩展ASCII编码范围
值域
出现在屏幕、键盘上的字母、数字、空格、标点、回车等字符集合
- 在机器内部，这些字符被表示成计算机赋给每个字符的数字代码
- 多数C++实现中，表示字符的代码系统为ASCII
表示
''：单引号括起的一个字符表示字符常量escape sequence：转移序列，以\开始的多个字符表示
特殊字符
对比整形
输入、输出
String
字符串：字符序列
\0：null character，空字符，对应ASCII码为0
表示
""：双引号括起的字符序列表示字符串常量- 允许使用转移序列表示字符串中特殊字符
- 两个、两个以上字符串连续出现在程序中，编译器会自动将其
连接（即可以将字符串分行书写）
Enumerated
枚举类型：通过列举值域中元素定义的新的数据类型
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| enum typename { namelist };
|
值域
- 默认的，编译器按照常量名顺序，从0开始给每个常量赋值
- 允许给每个枚举类型常量显式的赋值
- 若只给部分常量名赋值，则编译器自动给未赋值常量赋最后一个
常量值后继整数值
复合类型
基于已存在的类型创建的新类型
表达式
C++中表达式由项、操作符构成
- term：项，代表单个数据的值，必须是常量、变量、函数调用
- operator：操作符，代表计算操作的字符（短字符序列）
- binary operator：二元操作符，要求两个操作数
- unary operator：一元操作符，要求一个操作数
- full expression：完整表达式，不是其他表达式子表达式
的表达式
表达式求值顺序
C++没有规定表达式求值顺序（表达式求值顺序是指CPU计算
表达式的顺序，不同于优先级、结合律）
- sequenced before：若A按顺序先于B，A中任何计算都
先于B中任何计算
- sequenced after：若A按顺序后于B，A中任何计算都晚于
B中任何计算
- unsequenced：若A与B无顺序，则A、B中计算发生顺序
不确定，并且可能交叉
- indeterminately sequenced：若A与B顺序不确定，则
A、B计算发生顺序不确定，但不能交叉
- 对无顺序、顺序不确定求值，不要求两次不同求值使用相同顺序
优先级、结合律
| 优先级递减 |
结合性 |
()、[]、->、. |
左 |
一元操作符：-、+、--、++、!、&、*、~、(类型)、sizeof |
右 |
*、/、% |
左 |
+、- |
左 |
>>、<<（右、左移位） |
左 |
<、<=、>、>= |
左 |
==、!= |
左 |
& |
左 |
^ |
左 |
| ` |
` |
左 |
&& |
左 |
| ` |
|
` |
左 |
?: |
右 |
=、op= |
右 |
- 操作符只是语言的语法，其行为只是人为赋予的规则，其行为
可能符合逻辑，也可能不符合逻辑
混合类型
对于具有不同操作数的操作符，编译器会将操作数转化为其中精度
最高的类型，计算结果也为精度最高的类型，保证计算结果尽可能
精确
整数除法、求余
- 两个整数除法运算：结果为整数，余数（小数）被舍去
- 含负数操作数的除法、求余：依赖硬件特征
Type Cast
（值/静态）类型转换：将一种类型明确的转换为另一种类型
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| type(expr)
# C++风格转换
(type)expr
# C风格类型转换
|
- 即：有符号转为其他类型（有符号、无符号），优先保留符号位
赋值操作
C++中，对变量的赋值是一种内置的表达式结构
返回值
C++赋值表达式返回右边表达式的值
- 可以被组合进更大表达式中（但会影响阅读）
- multiple assignment：多重赋值，可以方便给多个变量赋
相同值
Shorthand Assignment
将赋值操作符、二元操作符相结合产生形式
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| var op= expr;
var = var op expr;
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自增、自减
对变量进行+1、-1的更高级别的缩写形式
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| x++;
++x;
x += 1;
x = x+1;
y--;
--y;
y -= 1;
y = y-1;
|
布尔运算
Relational Operator
关系操作符
==：等于，容易犯错!=：不等于>：大于<：小于>=：大于等于<=：小于等于
Logical Operator
逻辑操作符：采用布尔类型操作数，组合形成新的布尔值
Short-Circuit Evaluation
短路求值：得到结果时就立刻结束计算表达式
- 依赖于：3种逻辑操作符优先级均不同，逻辑运算表达式总是
从左到右计算的
?:
三目操作符，需要3个操作数
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3
| (condition) ? expr_1 : expr_2
// `()`不必须，只是用于强调边界
// 首先计算`condition`，条件为`true`则返回`expr_1`
|
Bitwise Operator
位运算符：读取任意标量类型值，将其翻译成与底层硬件相应的
比特序列表示
&、|、^：位逻辑与、或、异或~：位逻辑非>>、<<：右、左移位
- 无符号数：字尾被移动比特数消失，另一端补0
- 有符号数：行为依赖于硬件特征，一般保证乘除特性
语句
Block
块：{}括起指明一组语句序列是连贯单元的一部分
- 编译器会将整个块当作一条语句对待，也被称为
compound statement
- 常用于使用特定控制语句控制一组语句
Conditional Execution
条件执行：根据检测条件控制程序后续执行
if
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| if (condition) statement
if (condition) statement else statement
|
if中控制语句可以是一条简单语句，也可以是一个语句块
switch
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| switch (e){
// `e`：*control expression*
case c1:
//`c1`必须是常量标量
statements
break;
case c2:
statements
break;
default:
statements
break;
}
|
程序计算控制表达式e的值，将结果同c1、c2相比较
case后的常量必须是标量类型，即底层采用整数表示
的类型，如：整形、字符、枚举类型
如果常量同控制表达式值相匹配，则跳转至相应case子句执行
- 执行到子句中
break时跳出switch语句
- 若子句中无
break，则接着执行之后case子句中语句，
直到遇到break/return跳出switch语句，这会带来很多
问题，除1
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| case 1:
case 2:
statement
break;
|
default可选，执行没有和控制表达式匹配值的操作
- 除非确定列举了所有可能情况，否则增加
default子句是
好习惯
Iterative Statement
迭代语句：以循环的方式多次执行程序中的一部分
while
一般模式
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| while (condition-expression){
statements
}
|
- 首先查看条件表达式值
- 若条件表达式值为
true，整个循环体被执行，然后返回到循环
开始检查条件表达式值
- 若条件表达式值为
false，则循环终止
- 每个循环周期，包括第一次循环，条件表达式都会被测试，且
仅在循环开始进行，循环中间条件表达式值改变不会被注意
Read-util-Sentinel Pattern
读直到信号量模式：使用break语句在循环中结束最内层循环
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| while(true){
Prompt user and read in a value
if (value == sentinel) { break; }
Process the data value
}
|
for
以特定的循环次数重复执行某个操作
编译、汇编、执行
步骤
Preprocess
预处理：生成.i预处理文件
- 宏替换
- 注释的消除
- 寻找相关头文件/接口：除默认搜索路径，还可以通过环境变量
设置
C_INCLUDE_PATH；C头文件搜索路径CPLUS_INCLUDE_PATH：C++头文件搜索路径CPATH：C/C++头文件搜索路径
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| $ g++ -E src.cpp > src.i
// 激活预处理，输出重定向到文件中
|
Compile
编译：将预处理后的文件编译为汇编语言，生成汇编文件.s
Assemble
汇编：生成目标机器代码，二进制.o中间目标文件
.o通常仅解析了文件内部变量、函数，对于引用变量函数
还未解析，需要将其他目标文件引入
Link
链接：链接目标代码，生成可执行程序
- gcc通过调用
ld进行链接
- 主要是链接函数、全局变量
- 链接器关注/链接二进制
.o中间目标文件
Library File：若源文件太多，编译生成的中间目标文件
过多，把中间目标文件打包得到.lib/.a文件
执行
序列点
- 对C/C++表达式，执行表达式有两个类型动作
- 计算某个值
- 产生副作用：访问
volatile对象、原子同步、修改文件
