侯捷 C++ 课程学习笔记：C++变量定义与数据类型_c++的程序中,cin是一个合法的变量名。-优快云博客

本系列文章目的在于将C++的基础内容完全夯实，最终目的是为后期的深度学习在算法上有一定的铺垫，前期在学习数学的过程中也会有很大的帮助，相对于python来说C++有自身的优势，文末会有 C++的优势对比于python的维度点说明，所以我这里先写了C++的用法说明，后续会有Python的，各自有各自的优势，我们要根据具体的需求来分析使用哪种语言更为方便，其它的语言暂时不在考虑范畴之内，我们的目标是AI深度学习。

前置环境与代码结构文章：

1、C++环境理解与配置(MinGW)

2、C++的Visual Studio Code运行环境配置

3、头文件与类的声明

本篇目标

掌握 C++ 中基本数据类型（整数、浮点、字符、布尔）的定义和使用。
理解不同数据类型的取值范围和存储大小。
掌握变量的命名规则和不同的初始化方式。
让了解变量的作用域和生命周期。
引导学会使用 const 关键字和 constexpr 定义常量。

重难点说明

（一）教学重点

基本数据类型的定义和使用。
变量的命名规则和初始化方式。
const 和 constexpr 定义常量的方法。

（二）教学难点

理解不同数据类型的取值范围和存储大小。
区分变量的作用域和生命周期。

注意事项

1、编码格式异常

修正后效果：

学习正文

基本数据类型——整数类型

常见的整数类型：int、short、long、long long，它们在系统中的存储大小和取值范围如下：

类型	最小值	最大值
short	-32768 （即 `-2^15`）	32767 （即 `2^15 - 1`）
int	-2147483648 （即 `-2^31`）	2147483647 （即 `2^31 - 1`）
`long`	-2147483648 （即 `-2^31`）	2147483647 （即 `2^31 - 1`）在 64 位系统中，通常为 `-2^63` 到 `2^63 - 1`
`long long`	-9223372036854775808 （即 `-2^63`）	9223372036854775807 （即 `2^63 - 1`）

long long 是一种有符号的整数类型，它用于表示比 int 和 long 更大范围的整数值。在 C99 标准中引入了 long long 类型，随后 C++ 标准也采纳了这一类型。

#include <iostream>
#include <climits>

int main() {
    std::cout << "short 类型的最小值: " << SHRT_MIN << std::endl;
    std::cout << "short 类型的最大值: " << SHRT_MAX << std::endl;
    std::cout << "int 类型的最小值: " << INT_MIN << std::endl;
    std::cout << "int 类型的最大值: " << INT_MAX << std::endl;
    std::cout << "long 类型的最小值: " << LONG_MIN << std::endl;
    std::cout << "long 类型的最大值: " << LONG_MAX << std::endl;
    std::cout << "long long 类型的最小值: " << LLONG_MIN << std::endl;
    std::cout << "long long 类型的最大值: " << LLONG_MAX << std::endl;

    return 0;
}

基本数据类型——浮点类型

float 和 double 类型表述小数的类型，分为单精度与双精度，float 类型需要在数字后面加 f 或 F。

存储位数和内存占用

单精度（float）：float 类型通常占用 32 位（4 字节）的内存空间。这 32 位被划分为不同的部分，用于存储浮点数的符号、指数和尾数。
双精度（double）：double 类型一般占用 64 位（8 字节）的内存空间。相较于 float，它有更多的位数来存储浮点数的各个部分，从而能够表示更精确和更大范围的数值。

精度和有效数字

单精度（float）：float 类型大约能提供 6 - 7 位的有效数字。有效数字是指从左边第一个非零数字起，到精确到的位数止，所有的数字都叫做这个数的有效数字。例如，当你用 float 存储一个小数时，在大约 6 - 7 位之后的数字可能就不准确了。
双精度（double）：double 类型大约能提供 15 - 16 位的有效数字。由于它使用了更多的位数来存储尾数，所以能够表示更精确的小数，适用于对精度要求较高的计算，如科学计算、金融计算等。

取值范围

单精度（float）：float 类型的取值范围大约是 ±3.4×10^38，能表示的数值范围相对较小。
双精度（double）：double 类型的取值范围大约是 ±1.8×10^308，其取值范围比 float 大得多，可以表示非常大或非常小的数值。

内存和性能

单精度（float）：由于 float 只占用 4 字节的内存，相比 double 更节省内存空间。在处理大量浮点数数据时，使用 float 可以减少内存的使用量。而且在一些对性能要求较高、对精度要求不是特别苛刻的场景下，float 的计算速度可能会更快，因为它处理的数据量相对较小。
双精度（double）：double 占用 8 字节的内存，会消耗更多的内存资源。不过，现代计算机的处理器通常对 double 类型的计算也有很好的支持，在大多数情况下，double 的计算性能并不会比 float 差太多，除非在内存受限或对性能要求极高的场景下。

示例代码：

#include <iostream>
#include <iomanip>

int main() {
    float f = 3.14159265358979323846f;
    double d = 3.14159265358979323846;

    std::cout << std::setprecision(20);
    std::cout << "float value: " << f << std::endl;
    std::cout << "double value: " << d << std::endl;

    return 0;
}

基础数据类型——字符类型

char 类型用于存储单个字符，字符在计算机中的存储方式（ASCII 码）。

#include <iostream>

int main() {
    char ch = 'A';
    std::cout << "字符变量 ch 的值: " << ch << std::endl;
    std::cout << "字符 'A' 的 ASCII 码值: " << static_cast<int>(ch) << std::endl;

    return 0;
}

注：中文在C++中无法直接转换成ASCII码。

基础数据类型——布尔类型

bool 类型，只有两个值：true 和 false，用于逻辑判断。

#include <iostream>

int main() {
    bool isTrue = true;
    bool isFalse = false;

    std::cout << "布尔变量 isTrue 的值: " << isTrue << std::endl;
    std::cout << "布尔变量 isFalse 的值: " << isFalse << std::endl;

    return 0;
}

变量定义与初始化

变量的命名规则

只能由字母、数字和下划线组成，且不能以数字开头，不能使用 C++ 关键字。

// 合法的变量名
int age;
double price_1;
// 不合法的变量名
// int 123abc;  // 以数字开头
// int for;     // 使用了关键字

初始化方式

直接初始化：

#include <iostream>

int main() {
    int num(10);  // 直接初始化
    std::cout << "直接初始化的变量 num 的值: " << num << std::endl;
    return 0;
}

拷贝初始化：

#include <iostream>

int main() {
    int num = 20;  // 拷贝初始化
    std::cout << "拷贝初始化的变量 num 的值: " << num << std::endl;
    return 0;
}

变量的作用域和生命周期

在C++中，变量的作用域（Scope）和生命周期（Lifetime）是两个重要的概念，它们决定了变量的可见性和存储时间。

作用域（Scope）

作用域是指变量可以被访问和使用的区域或范围。C++中的作用域可以分为以下几种：

全局作用域（Global Scope）：全局变量定义在函数外部，整个程序都可以访问。
局部作用域（Local Scope）：局部变量定义在函数内部，只能在该函数内访问。
块作用域（Block Scope）：块变量定义在一个块（如if语句、循环语句等）内部，只能在该块内访问。
命名空间作用域（Namespace Scope）：命名空间变量定义在一个命名空间内部，只能在该命名空间内访问。

生命周期（Lifetime）

生命周期是指变量从创建到销毁的时间段。C++中的生命周期可以分为以下几种：

静态存储期（Static Storage Duration）：全局变量和静态局部变量的生命周期从程序开始到程序结束。
自动存储期（Automatic Storage Duration）：局部变量的生命周期从变量定义到函数返回。
动态存储期（Dynamic Storage Duration）：通过new运算符分配的内存的生命周期从分配到delete运算符释放。
线程存储期（Thread Storage Duration）：线程局部变量的生命周期从线程开始到线程结束。

变量的生命周期和作用域的关系

变量的生命周期和作用域是相关的，但不是完全相同的。变量的生命周期决定了变量的存储时间，而作用域决定了变量的可见性。

全局变量的生命周期是静态存储期，作用域是全局作用域。
局部变量的生命周期是自动存储期，作用域是局部作用域。
静态局部变量的生命周期是静态存储期，作用域是局部作用域。

以下是一个例子：

int globalVar = 10; // 全局变量，静态存储期，全局作用域

void func() {
    int localVar = 20; // 局部变量，自动存储期，局部作用域
    static int staticLocalVar = 30; // 静态局部变量，静态存储期，局部作用域
}

在这个例子中，globalVar的生命周期是静态存储期，作用域是全局作用域。localVar的生命周期是自动存储期，作用域是局部作用域。staticLocalVar的生命周期是静态存储期，作用域是局部作用域。

常量

const 关键字

const 关键字用于定义常量，常量一旦初始化后，其值不能再被修改。

#include <iostream>

int main() {
    const int MAX_VALUE = 100;
    MAX_VALUE = 200;  // 错误，常量的值不能修改
    std::cout << "常量 MAX_VALUE 的值: " << MAX_VALUE << std::endl;
    return 0;
}

错误效果会直接显示出来。

constexpr 常量表达式

constexpr 用于在编译时计算常量表达式的值，提高程序的性能。

#include <iostream>

constexpr int square(int x) {
    return x * x;
}

int main() {
    constexpr int result = square(5);
    std::cout << "编译时计算的常量表达式结果: " << result << std::endl;
    return 0;
}

练习题

单选题-5

以下哪种类型不属于 C++ 的基本数据类型？
A. int
B. array
C. char
D. bool
答案：B。array 不是基本数据类型，它是 C++ 标准库中的容器类型，int、char、bool 属于基本数据类型。
已知 int a(5);，这种变量初始化方式是？
A. 直接初始化
B. 拷贝初始化
C. 列表初始化
D. 默认初始化
答案：A。int a(5); 是直接初始化的语法形式，拷贝初始化是 int a = 5; 这种形式。
下面关于 const 常量的说法，正确的是？
A. const 常量的值可以在程序运行过程中修改
B. const 常量必须在定义时进行初始化
C. const 常量可以不指定数据类型
D. 以上说法都不对
答案：B。const 常量一旦定义其值不能修改，且必须在定义时初始化，定义时必须指定数据类型。
若要表示一个单精度浮点数，应该使用的类型是？
A. double
B. float
C. long double
D. int
答案：B。float 是单精度浮点数类型，double 是双精度浮点数类型，long double 精度更高，int 是整数类型。
下面哪个变量名是合法的 C++ 变量名？
A. 2num
B. for
C. my_variable
D. class
答案：C。变量名不能以数字开头，for 和 class 是 C++ 关键字，不能作为变量名，my_variable 符合变量命名规则。

多选题-3

以下哪些属于 C++ 中整数类型？
A. int
B. short
C. long
D. float
答案：ABC。float 是浮点类型，int、short、long 属于整数类型。
关于变量的作用域，以下说法正确的是？
A. 全局变量的作用域是整个程序
B. 局部变量的作用域从定义处开始，到所在代码块结束
C. 局部变量在函数调用结束后就会销毁
D. 全局变量在程序运行期间一直存在
答案：ABCD。全局变量作用于整个程序，程序运行期间一直存在；局部变量作用于所在代码块，函数调用结束后销毁。
以下可以用来定义常量的有？
A. const
B. constexpr
C. define（预处理指令）
D. volatile
答案：ABC。const 和 constexpr 是 C++ 中定义常量的方式，#define 是预处理指令也可定义常量，volatile 用于告诉编译器该变量可能会意外改变，不是定义常量的。

判断题-2

bool 类型变量只有 true 和 false 两个值，在输出时 true 显示为 1，false 显示为 0。（）
答案：正确。C++ 中 bool 类型确实只有这两个值，输出时通常按此规则显示。
变量在定义时可以不进行初始化，使用未初始化的变量不会有任何问题。（）
答案：错误。使用未初始化的变量会导致未定义行为，可能得到不可预期的结果。

代码题-1

编写一个 C++ 程序来模拟一个简单的员工信息管理系统。该系统需要完成以下任务：

定义不同类型的变量来存储员工的相关信息，包括员工的姓名（使用 std::string 类型）、年龄（使用 int 类型）、工资（使用 double 类型）以及是否为正式员工（使用 bool 类型）。
从用户处获取这些员工信息，并将其存储到相应的变量中。

输出员工的所有信息，格式为：

员工姓名: [姓名]
员工年龄: [年龄]
员工工资: [工资]
是否为正式员工: [是/否]

输入示例

张三
25
5000.5
1

输出示例

员工姓名: 张三
员工年龄: 25
员工工资: 5000.5
是否为正式员工: 是

示例代码：

注：在C++中，#include <limits> 是一个预处理指令，用于包含标准库头文件 <limits>。这个头文件定义了一些模板类和函数，用于查询数值类型的特性，例如最大值、最小值、精度等。

#include <iostream>
#include <string>
#include <limits> // 添加这一行

int main() {
    // 定义变量存储员工信息
    std::string employeeName;
    int employeeAge;
    double employeeSalary;
    bool isFullTime;

    // 从用户处获取员工信息
    std::cout << "请输入员工姓名: ";
    std::getline(std::cin, employeeName); 

    std::cout << "请输入员工年龄: ";
    std::cin >> employeeAge;
    std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n'); // 清除输入缓冲区中的换行符

    std::cout << "请输入员工工资: ";
    std::cin >> employeeSalary;
    std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n'); // 清除输入缓冲区中的换行符

    std::cout << "请输入员工是否为正式员工 (1 表示是, 0 表示否): ";
    std::cin >> isFullTime;

    // 输出员工信息
    std::cout << "员工姓名: " << employeeName << std::endl;
    std::cout << "员工年龄: " << employeeAge << std::endl;
    std::cout << "员工工资: " << employeeSalary << std::endl;
    std::cout << "是否为正式员工: " << (isFullTime ? "是" : "否") << std::endl;

    return 0;
}

操作示例结果：

C++的优势对比于python的维度点说明

对比维度	C++ 优势	Python 情况
性能效率	1. 执行速度快：编译型语言，将代码编译为机器码，处理大量数据、复杂算法时效率高，能充分利用硬件资源。 2. 内存管理精细：允许程序员直接管理内存，精确控制分配和释放，优化内存使用，适合对内存要求苛刻的系统。	1. 执行速度慢：解释型语言，代码逐行解释执行，在处理大规模数据和复杂计算时性能较差。 2. 内存管理自动化：Python 有自动的垃圾回收机制，虽然方便但可能导致内存使用不够精细，在内存紧张的场景下可能出现问题。
底层控制能力	1. 硬件访问能力强：可直接访问计算机硬件资源，如寄存器、内存地址等，便于与底层硬件高效交互，适用于驱动程序、嵌入式系统开发。 2. 系统级编程优势：在操作系统、编译器、数据库管理系统等系统软件开发中，能与底层系统更好交互，实现资源精细管理和控制，提升系统性能和稳定性。	底层控制能力弱：Python 主要用于高层级的应用开发，对底层硬件的直接访问能力有限，在系统级编程方面不够灵活和高效。
语言特性	1. 强类型语言：编译时进行严格类型检查，有助于发现早期错误，提高代码稳定性和可靠性，减少运行时类型不匹配错误。 2. 支持多种编程范式：支持面向对象、泛型、函数式等多种编程范式，开发者可根据问题和需求灵活选择。	1. 动态类型语言：类型检查在运行时进行，虽然编写代码更灵活，但可能在运行时出现类型相关的错误，代码的稳定性和可维护性相对较弱。 2. 编程范式相对有限：主要以面向对象和函数式编程为主，泛型编程的支持不如 C++ 强大。
可移植性	1. 跨平台能力：编写的代码可在不同操作系统上编译运行，只要有相应编译器和运行时环境，适合开发跨平台应用。 2. 库的可移植性：许多开源库和框架（如 Boost、Qt）具有良好可移植性，可在不同平台使用，减少跨平台开发工作量。	1. 跨平台性依赖解释器：Python 代码的跨平台性依赖于 Python 解释器，虽然大多数情况下能在不同操作系统上运行，但在一些涉及底层系统调用的场景下可能会有兼容性问题。 2. 部分库存在兼容性问题：虽然 Python 有丰富的库，但部分库在不同平台上的表现和兼容性可能存在差异。
生态系统和工具链	1. 成熟的开发工具：有 Visual Studio、CLion、Eclipse 等成熟开发工具和集成开发环境，提供强大代码编辑、调试、性能分析等功能，提高开发效率。 2. 丰富的库资源：拥有大量专业级库，如用于数学计算的 LAPACK、图形处理的 OpenGL、网络编程的 ACE 等，为专业领域开发提供支持。	1. 开发工具相对简单：Python 的开发工具（如 PyCharm、VS Code 等）功能相对侧重于代码编辑和基本调试，在一些复杂的性能分析和底层调试方面不如 C++ 的开发工具强大。 2. 库更侧重于高层应用：Python 的库主要用于数据分析、机器学习、Web 开发等高层应用场景，在底层系统编程和高性能计算方面的专业库相对较少。
安全性和稳定性	1. 资源管理安全：通过智能指针等机制，一定程度上保证资源安全管理，避免内存泄漏和悬空指针问题，提升程序稳定性和安全性。 2. 代码审查严格：语法相对复杂，在大型项目中严格的代码审查和规范可确保代码质量和安全性，减少潜在漏洞和风险。	1. 资源管理自动化存在隐患：自动垃圾回收机制可能导致一些资源管理问题，例如循环引用可能会造成内存泄漏，虽然 Python 有解决方案，但增加了复杂性。 2. 代码灵活性带来风险：动态类型和简洁的语法使得代码编写容易，但也可能导致代码的可读性和可维护性下降，增加了出现安全漏洞的风险。