第1章
绪论

C++是一门流行的编程语言，它是在C语言基础上发展起来的。从语言角度来说，C++也是一个编程规范，随着C++ 98、C++ 11等规范的发布，许多C++编译器不断涌现，不同的编译器带来不同的语言特性，这给程序员带来了广阔的选择空间。

本章知识架构及重难点如下：

1.1　认识C++

要学好编程语言，首先要对这门语言有一定的了解，知道它能做什么，以及怎样才能学好。本节将对C++语言的发展历程、杰出人物和语言特点进行简单的介绍，使读者对C++语言有一个直观的印象。

1.1.1　C++的发展历程

计算机刚发明的时候，计算机专家直接使用二进制数（0和1的序列）作为机器指令进行编程，不但难写难读，而且不同的计算机有着不同的指令集。为了便于记忆，人们尝试用字符串代替二进制机器码，并称之为汇编语言。汇编语言仍然属于低级语言，虽然它比机器码容易记忆，但可读性仍然很差，大量的跳转指令和地址值很难让程序员快速理解其含义。人们急于寻求一种更易于理解、记忆和传播的高级程序语言。

1954年，美国科学家John Backus在IBM公司的计算机上发明了FORTRAN语言，以解决科学和工程计算问题。FORTRAN是第一种被广泛使用的高级语言，随后又出现了Pascal和C语言。C语言是在B语言的基础上发展起来的。首先是Richard Martin发明了一种高级语言BCPL，随后Ken Thompson对其进行了简化，形成一门新的语言——B语言。1970年，AT&T公司Bell实验室的Dennis M. Ritchie对B语言进行了研究和改进，添加了结构和类型，并将这个改进后的语言命名为C语言。

C++是在C语言的基础上，增加了新特性发展而来的。1982年，Bell实验室的Bjarne Stroustrup在C语言中加入了“类”的概念，并将语言名改为C with Class（带类的C）。1983年，Rick Mascitti将其改名为C Plus Plus，也就是今天的C++。

随后的时间里，C++得到了快速发展。1998年，C++标准委员会发布了第一版C++标准——C++ 98标准。2011年，第二版C++标准——C++ 11标准诞生，该标准是颠覆性的，它修正了约600个C++语言中存在的缺陷，同时添加了约140个新特性，这些更新使得C++语言焕然一新。2014年，C++ 14标准发布。2017年年底，C++ 17标准发布。这两个版本都对C++ 11标准库做了进一步的优化和更新。

随着C++的流行，它的语法越来越强大，能够完善地支持面向过程编程（POP）、面向对象编程（OOP）和泛型编程（GP）。C++具有高效、灵活、计算能力和数据处理能力强等优点，被广泛应用于操作系统和系统软件开发、游戏开发、数据库开发、嵌入式系统开发以及大数据分析等领域。

1.1.2　C/C++领域的杰出人物

Dennis M. Ritchie C语言之父、UNIX之父。生于1941年9月9日，哈佛大学数学博士，曾任朗讯科技公司贝尔实验室（原AT&T实验室）下属的计算机科学研究中心系统软件研究部的主任。他开发了C语言，并著有《C程序设计语言》（ The C Programming Language ）一书，还和Ken Thompson一起开发了UNIX操作系统。他因杰出的工作成就得到了众多计算机组织的公认和表彰，1983年，获得美国计算机协会颁发的图灵奖（又称计算机界的诺贝尔奖），还获得C&C基金奖、电气与电子工程师协会优秀奖章、美国国家技术奖章等多项大奖。

Bjarne Stroustrup 1950年出生于丹麦，先后毕业于丹麦奥胡斯大学和英国剑桥大学，AT&T大规模程序设计研究部门负责人，AT&T贝尔实验室和ACM成员。1979年，Stroustrup开始开发一种语言，当时称为C with Class，后来演化为C++。1998年，ANSI/ISO C++标准建立，同年，Stroustrup推出其经典著作 The C++Programming Language 的第3版。

Scott Meyers 世界顶级C++软件开发技术权威之一。他拥有Brown University的计算机科学博士学位，其著作 Effective C++ 和 More Effective C++ 深受编程人员的喜爱。Scott Meyers曾经是 C ++ Report 的专栏作家，为 C/C++ Users Journal 和 Dr. Dobb’s Journal 撰过稿，为全球范围内的客户提供过咨询活动。他还是Advisory Boards for NumeriX LLC和InfoCruiser公司的成员。

Andrei Alexandrescu 新一代C++天才的代表人物。2001年，他撰写了经典名著 Modern C++ Design ，其中对模板技术进行了精湛运用，并第一次将模板作为参数在泛型编程中使用，该书震惊了整个C++社群，开辟了C++编程领域的Modern C++新时代。此外，他还与Herb Sutter合著了 C ++ Coding Standards 。他在对象拷贝（object copying）、对齐约束（alignment constraint）、多线程编程、异常安全和搜索等领域做出了巨大贡献。

Herb Sutter C++标准委员会的主席，作为ISO/ANSI C++标准委员会的委员，Herb Sutter是C++程序设计领域屈指可数的大师之一。他的 Exceptional 系列3本书（ Exceptional C++ 、 More Exceptional C++ 和 Exceptional C++ Style ）成为C++程序员必读书。他是深受程序员喜爱的技术讲师和作家，是 C/C++ Users Journal 的撰稿编辑和专栏作者，曾发表了上百篇软件开发领域的技术文章和论文。他还担任Microsoft Visual C++架构师，和Stan Lippman一起在微软公司主持VC 2005（即C++/CLI）的设计。

Andrew Koenig AT&T公司Shannon实验室大规模编程研究部门成员，同时也是C++标准委员会的项目编辑，是一位真正的C++权威。Andrew Koenig的编程经验超过30年，其中有15年在使用C++，发表过150多篇和C++有关的论文，并且在世界范围内就C++主题进行过多次演讲。他对C++的最大贡献是带领Alexander Stepanov将STL引入C++标准。

1.1.3　C++语言的特点

C++的开发领域非常广泛，这是因为它具有如下特点：

C++支持面向过程编程、面向对象编程和泛型编程。就面向过程编程而言，C++和C语言几乎是一样的，因此熟悉C语言的读者学习C++非常容易上手。

C++语句具有编写简单、易于理解的特点。C++中的运算符十分丰富，共有30多个，如算术、关系、逻辑、位、赋值、指针、条件、逗号、下标、类型转换等。

C++包括整型、浮点型、字符型、枚举等基本数据类型，数组、结构体、共用体等构造数据类型，指针类型，以及用户自定义数据类型。C++能够实现复杂的数据结构，还可以定义类，实现面向对象编程，而类和指针的结合可以实现高效的应用程序。

C++中的控制语句形式多样，使用方便。包括两路分支、多路分支、循环结构等控制语句，便于结构化模块的实现。结合面向对象编程，更有利于程序的编制和维护。

C++是一种面向对象的程序设计语言，抽象和实际相结合，各对象间使用消息进行通信，通过继承方法增加了代码的复用性，适合大型项目的开发。

C++继承了C语言的特性，可以直接访问地址，进行位运算，从而对硬件进行操作。因此C++同样具有低级语言与硬件结合紧密的优点，适合操作系统和系统软件的开发，以及对运算速度和计算能力要求较高的游戏项目的开发。

C++语句具有很强的可移植性，用C++编写的程序基本不用修改就可以部署在不同型号的计算机上，C++标准可在多种操作系统下使用。

1.2　认识C++程序代码

1.2.1　C++程序代码的组成

C++程序代码由宏定义、预编译指令、主函数、自定义函数、注释等部分组成，如图1.1所示。

上述代码段虽然简短，却涉及头文件引用、函数作用空间、库函数调用、赋值运算、关系判断、流输出等C++概念。这些概念之间通过一定的规则排列在一起，编译器正是根据这些规则，才能将代码编译成能够在机器上执行的应用程序。本书将对上述概念进行详细的讲解，使大家深入理解C++的编程规范，能够使用C++开发出高效、稳定的应用程序。

1.2.2　从源代码到可执行程序

1．认识编译器

我们平时所说的程序，一般指双击后就可以直接运行的程序，这样的程序又称为可执行程序。Windows系统下，可执行程序的后缀一般为.exe。

可执行程序的内部是一系列计算机指令和数据的集合，它们都是二进制形式的，CPU可以直接识别。但我们使用C、C++、Java、Python等高级语言编写的程序（又称为源代码），对于开发人员来说更易理解，但CPU却无法识别（CPU只认识几百个二进制形式的指令）。这时就需要一个工具，将这些源代码转换成CPU能够识别的二进制指令，即将其“翻译”成.exe可执行程序。该工具就称为编译器（compiler），这个翻译过程就称为编译（compile）。

C/C++编译器有很多种，不同的操作系统下通常使用不同的编译器。例如，Windows平台下常用微软编译器（cl.exr），它被集成在Visual Studio或Visual C++中，一般不单独使用；Linux平台下常用GUN组织开发的GCC；Mac平台下常用LLVM/Clang，它被集成在Xcode中。

开发者编写的代码语法正确与否，由编译器说了算。哪怕有一点小小的错误，也无法通过编译。而且编译器会给出对应的错误提示，以便于开发者修改源代码。

2．从源代码到可执行程序

开发者编写的C++源代码生成.exe可执行程序的过程如图1.2所示。

简而言之，用户开发C++程序的过程，可以简化为编辑、编译、连接、运行4个步骤。

（1）编辑。编辑就是在任一款C++开发工具中输入代码，然后将其保存为.cpp源文件的过程。例如，编辑图1.1中代码，并将其保存为Sample.cpp源文件。

（2）编译。编译就是将代码源文件（.cpp文件）编译成目标文件（.obj文件）的过程。例如，编写好代码后，在任一款C++开发工具中单击“编译”按钮，系统将自动对代码进行编译，得到Sample.obj文件，如图1.3所示。

（3）连接。连接是将编译后的目标文件连接生成可执行程序的过程，如将Sample.obj和lib库文件连接成Sample.exe可执行程序（lib库是编译好的提供给开发者使用的目标模块）。在有多个源文件的工程中，例如有Sample1.cpp、Sample2.cpp、Sample3.cpp，会编译成多个目标模块Sample1.obj、Sample2.obj、Sample3.obj，链接器会将程序涉及的目标模块连接成可执行程序，如图1.4所示。

（4）运行。运行是执行.exe可执行程序的过程，执行程序后可得到程序运行结果。

1.3　C++常用开发环境

实际C++程序开发中，除了需要编译器，还需要很多其他辅助软件。

编辑器：用来编写代码，并给不同代码着色，以方便阅读。

代码提示器：输入部分代码，即可提示全部代码，提升代码的编写效率。

调试器：观察程序的每一个运行步骤，发现程序的逻辑错误。

项目管理工具：对程序涉及的所有资源进行管理，包括源文件、图片、视频、第三方库等。

漂亮的界面：各种按钮、面板、菜单、窗口等控件整齐排布，操作更方便。

这些工具通常会打包在一起，统一进行发布、下载和安装。它们被统称为C++集成开发环境（IDE），常见的有Visual C++ 6.0、Visual Studio、Dev C++、Xcode、C-Free、Code::Blocks、Eclipse等。

工欲善其事，必先利其器。下面就来介绍几款常用的C++集成开发环境。

1．Visual C++ 6.0

Visual C++ 6.0曾经是最经典的C/C++编译工具，是微软Visual Studio集成开发环境中的一员。目前，微软官方已不再对其进行技术支持和维护。该工具体积小巧，操作简单，对计算机配置要求不高，而且免费，所以目前仍有第三方开发者在进行维护，部分院校在使用它。

2．Visual Studio 2022

Visual Studio是目前较流行的Windows应用程序的商业集成开发环境，其最新版本是2022版。它功能强大，在编译速度上有很大提升；缺点是空间和资源占用大，安装包有2～3GB，对计算机的配置要求较高，而且操作比较复杂。对于初学者来说，很多功能会暂时用不到。

Visual Studio 2022支持C++最新标准规范，支持托管程序的编译和Web Service，更适合大型商业程序的开发。其开发环境如图1.5所示。

3．Dev-C++

Dev-C++是Windows系统下轻量级的C/C++集成开发环境，是将Linux系统的GCC/G++运用到Windows系统后的产物。它遵循C++ 11标准，同时兼容C++ 98标准。Dev-C++功能简洁，易于学习和使用，非常适合初学者和教学使用。其开发环境如图1.6所示。

1.4　C++工程项目文件

数据是以文件的形式存储在磁盘上的，不同类型的文件有着不同的扩展名。

C++代码文件分为源文件和头文件两类。头文件以.h为扩展名，仅包含程序片段或定义的常量、变量等，为程序提供接口；源文件以.cpp为扩展名，提供了程序的主体实现。有的开发环境使用cxx、cHH作为源文件的扩展名。

对一个比较大的工程而言，其源文件和头文件可能比较多。为了管理它们，编译器提供了管理代码的工程项目文件。不同开发环境下的工程项目文件通常会有所不同。

（1）Dev-C++的工程项目文件如图1.7所示。

main.cpp：源文件。

Sample.dev：工程文件。

Makefile.win：make程序执行时使用的文件，用于自动编译源代码文件。

main.o：编译后的目标文件。

Sample.exe：连接后生成的程序。

（2）Visual C++ 6.0的工程项目文件如图1.8所示。

Debug：存储编译后程序的文件夹，带有调试信息的程序。

Release：存储编译后程序的文件夹，最终程序。

Sample.cpp：源文件。

Sample.dsp：Visual C++工程文件。

Sample.dsw：Visual C++工作空间文件。

Sample.ncb：Visual C++用于声明的数据库文件。

Sample.opt：Visual C++存储用户选项的文件。

StdAfx.cpp：向导生成的标准源文件，代码中涉及MFC类库内容时使用该文件。

StdAfx.h：向导生成的标准头文件。

1.5　使用Dev C++创建程序

本书中的程序采用Dev C++进行讲解，所以本节就来认识一下它。

Dev C++是Windows系统下C/C++的集成开发环境，包括多页面窗口、工程编辑器以及调试器等。工程编辑器中集合了编辑器、编译器、链接程序和执行程序，提供高亮语法显示，以减少编辑错误。Dev C++是免安装的，适合初学者与编程高手的不同需求，是学习C或C++的首选开发工具。

1．了解Dev C++主界面

Dev C++主界面由菜单栏、工具栏、项目资源管理器视图、程序编辑区、编译调试区和状态栏组成，如图1.9所示。其工具栏中各图标的用途如图1.10所示。

2．创建Hello World程序

（1）双击Dev C++安装目录下的 文件，启动Dev C++，然后选择“文件”→“新建”→“源代码”命令，新建一个C++源代码文件。

（2）编写程序代码，如图1.9所示，然后选择“运行”→“编译运行”命令，或按F11键，或单击 图标，运行C++程序。

（3）选择“文件”→“保存”命令或按Ctrl+S快捷键，在“保存为”对话框中设置文件保存位置和文件名称，单击“保存”按钮，保存文件。