大一新生的C++编程练习与代码示例

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简介：大一学生分享了他们的C++编程练习题目和代码，展示了C++作为面向对象编程语言的多方面应用。从基础语法到面向对象编程概念，本资源为初学者提供了一个理解C++编程基础知识和实践的平台。

1. C++基础知识介绍

C++概述

C++是一种静态类型、编译式、通用的编程语言，由Bjarne Stroustrup于1980年代在贝尔实验室开始研发，目的是在C语言的基础上增加面向对象编程、泛型编程以及异常处理等特性。C++支持过程化编程、面向对象编程和泛型编程，被认为是C语言的一个超集。C++广泛应用于软件开发领域，包括系统软件、游戏开发、桌面应用程序和嵌入式系统等。

C++的历史和发展

C++的设计目的是为了提供一种能够更自然地表达程序逻辑的编程语言，同时能够保持与C语言的兼容性。随着计算机硬件性能的不断提升，C++的复杂特性如模板编程、异常处理逐渐被更多开发者接受和使用。C++11、C++14、C++17和即将来临的C++20标准逐步引入了更多现代编程特性，增强了语言的表达力和安全性能。

C++的应用场景

由于C++的高度灵活性和性能优势，它在多个领域得到了广泛应用。例如，在游戏开发中，C++用于高性能的引擎开发，能够直接与硬件交互，优化渲染流程；在操作系统和嵌入式系统开发中，C++可以提供接近硬件的控制能力，同时加入面向对象的设计思路；此外，在高性能计算、实时系统、高频交易系统等领域，C++同样因其性能的优越性而被优先考虑。

2. 数据类型与用户定义类型

2.1 基本数据类型及其操作

2.1.1 整型、浮点型、字符型和布尔型

C++中定义了多种基本数据类型，它们是构建程序的基石。整型包括 int , short , long 和 long long 等，用于存储整数值。浮点型如 float , double , long double 用于存储小数或者非常大的数值。字符型 char 用于存储单个字符。布尔型 bool 用于表示逻辑值，其值为 true 或 false 。

以下是一些C++代码示例，演示了这些基本数据类型的声明和一些操作：

#include <iostream>

int main() {
    // 声明基本数据类型的变量
    int integerVar = 10;
    float floatVar = 10.12f;
    double doubleVar = 10.12;
    long long longVar = 100000000000LL;
    char charVar = 'A';
    bool boolVar = true;

    // 输出各个变量的值和类型大小
    std::cout << "int size: " << sizeof(integerVar) << " bytes\n";
    std::cout << "float size: " << sizeof(floatVar) << " bytes\n";
    std::cout << "double size: " << sizeof(doubleVar) << " bytes\n";
    std::cout << "long long size: " << sizeof(longVar) << " bytes\n";
    std::cout << "char size: " << sizeof(charVar) << " bytes\n";
    std::cout << "bool size: " << sizeof(boolVar) << " bytes\n";

    return 0;
}

以上代码首先包含了 iostream 头文件，以便使用输入输出流。接着声明了各种基本数据类型的变量并对其进行了初始化，然后输出了它们的类型大小，这可以帮助我们理解在不同系统架构下，各种数据类型占用的空间大小。

2.1.2 数据类型转换和运算符

类型转换在编程中是必须掌握的一个概念。在C++中，可以通过隐式转换或显式转换来实现数据类型的转换。隐式转换通常发生在不同类型的运算中，比如赋值或函数参数传递时，由编译器自动完成。显式转换则是通过强制类型转换表达式进行的，如 (int) 、 (float) 等。

以下是一些类型转换的例子：

int main() {
    int a = 10;
    float b = a; // 隐式类型转换：int 转换为 float

    int c = 20;
    float d = static_cast<float>(c); // 显式类型转换：int 转换为 float

    double e = 22.5;
    float f = static_cast<float>(e); // 显式类型转换：double 转换为 float

    // 使用强制类型转换来显示类型转换的必要性
    int g = 25;
    double h = g; // 隐式转换，将 int 转换为 double
    std::cout << "h: " << h << std::endl;

    // 使用 static_cast 显式转换 int 到 double
    double i = static_cast<double>(g);
    std::cout << "i: " << i << std::endl;

    return 0;
}

2.2 用户定义类型

2.2.1 枚举类型

枚举（ enum ）类型是用户定义的类型，允许为一组相关的整数常量命名。使用 enum 类型可以提高代码的可读性和维护性。

#include <iostream>

enum class Color {RED, GREEN, BLUE};

int main() {
    Color myColor = Color::RED;
    // 通过整数强制类型转换来输出枚举值对应的整数
    std::cout << "The color " << static_cast<int>(myColor) << std::endl;

    return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个名为 Color 的枚举类型，它有三个可能的值： RED , GREEN , BLUE 。我们通过枚举类型 Color 创建了一个变量 myColor ，并将其初始化为 RED 。

2.2.2 结构体与联合体

结构体（ struct ）和联合体（ union ）是两种不同的复合类型，它们允许将多个数据项组合在一起。

#include <iostream>

// 定义一个结构体表示点的坐标
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 定义一个联合体表示两种不同类型的数值
union Number {
    int i;
    float f;
};

int main() {
    Point pt = {3, 4};

    Number num;
    num.i = 10; // 存储一个整数
    std::cout << "The integer value is: " << num.i << std::endl;

    num.f = 10.5f; // 存储一个浮点数
    std::cout << "The float value is: " << num.f << std::endl;

    return 0;
}

在上述代码中，我们首先定义了一个 Point 结构体，用以存储一个点的 x 和 y 坐标。接着，定义了一个 Number 联合体，它可以存储一个整数或浮点数。

2.2.3 构造函数和析构函数的使用

构造函数和析构函数是类的特殊成员函数，用于创建和销毁对象。构造函数在对象实例化时调用，而析构函数在对象生命周期结束时调用。

#include <iostream>

class Example {
public:
    // 构造函数
    Example() {
        std::cout << "Object created" << std::endl;
    }

    // 析构函数
    ~Example() {
        std::cout << "Object destroyed" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Example obj; // 创建对象，调用构造函数

    return 0; // 对象生命周期结束，调用析构函数
}

在这个例子中， Example 类包含一个构造函数和一个析构函数。当在 main 函数中创建 Example 对象时，会输出”Object created”，而当 main 函数执行完毕后，对象被销毁，输出”Object destroyed”。

在C++编程中，理解和应用好基本数据类型及用户定义类型是构建高效、健壮程序的基础。第二章节至此介绍了从整型、浮点型等基本数据类型的操作到枚举、结构体、联合体等用户定义类型的创建，再到对象的构造与析构，为编程者展示了数据类型和用户定义类型丰富而细致的用法。这不仅为C++新手提供了坚实的学习基础，同时也为经验丰富的开发者巩固和扩展了他们的知识范围。接下来的章节将继续深入探讨C++的其他核心概念。

3. 控制结构使用

3.1 选择结构

3.1.1 if条件语句

在程序设计中，控制流程的执行取决于条件判断是一个非常重要的特性。C++ 中的 if 条件语句允许我们根据特定条件的真假来决定程序的执行路径。

最基本的 if 语句结构如下：

if (condition) {
    // 如果 condition 为真，则执行这里
}

其中 condition 是一个布尔表达式，如果其结果为真（非零），则执行大括号内的代码块；如果为假（零），则跳过该代码块。

if 语句可以扩展为 if-else 结构，以便在条件不满足时提供一个备选的执行路径：

if (condition) {
    // 条件为真时执行
} else {
    // 条件为假时执行
}

此外，if-else 语句还可以链式使用，允许检查多个条件：

if (condition1) {
    // 条件1为真时执行
} else if (condition2) {
    // 条件1为假且条件2为真时执行
} else {
    // 所有条件均为假时执行
}

在编写条件语句时，应当注意以下几点：

• 条件的可读性 ：确保条件表达式尽可能清晰明了，这样代码的阅读者（可能包括未来的你）能够容易理解。
• 逻辑的正确性 ：仔细检查逻辑判断是否符合预期，避免逻辑错误。
• 性能考虑 ：复杂的逻辑表达式可能会降低代码的执行效率。如果可能，优化条件表达式，或者将其重构成更容易理解的形式。

3.1.2 switch多分支选择结构

switch 语句用于基于不同的情况执行不同的代码块。它通常比多个if-else语句更加清晰且执行效率更高。 switch 语句的基本用法如下：

switch (expression) {
    case constant1:
        // 当 expression 等于 constant1 时执行
        break;
    case constant2:
        // 当 expression 等于 constant2 时执行
        break;
    // 可以有任意数量的 case 分支
    default:
        // 如果没有 case 分支匹配，则执行 default 分支
}

switch 语句中的 expression 必须是一个整型或枚举类型的结果。每个 case 后面跟着一个常量表达式，用来判断 expression 是否和其相等。如果没有匹配的 case ，则执行 default 分支。

break 语句用于终止 switch 语句的执行。如果不使用 break ，则会发生“穿透”（fall-through），即执行完一个 case 后，紧接着的 case 也会执行，直到遇到 break 或 switch 语句的结束。

下面是 switch 语句的一个使用示例：

int number = 2;

switch (number) {
    case 1:
        std::cout << "Number is 1\n";
        break;
    case 2:
        std::cout << "Number is 2\n";
        break;
    default:
        std::cout << "Number is not 1 or 2\n";
}

在这个例子中，由于 number 的值是2，程序将输出 “Number is 2”。

3.2 循环结构

3.2.1 for循环

for 循环是 C++ 中最常用的循环结构之一，它将循环控制代码集中在一起，使代码更易读。 for 循环的基本形式如下：

for (initialization; condition; update) {
    // 循环体
}

• initialization 是进入循环之前执行的初始化表达式，通常用于声明并初始化循环变量。
• condition 是在每次循环迭代之前检查的布尔表达式。如果表达式为真，则执行循环体；否则，退出循环。
• update 是在每次循环迭代之后执行的表达式，通常用于更新循环变量。

下面是一个 for 循环的示例：

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    std::cout << i << " ";
}

这段代码将输出 0 1 2 3 4 。 i 从0开始，每次循环增加1，直到 i 达到5时停止。

3.2.2 while和do-while循环

while 循环会在给定条件为真时重复执行一段代码。其基本形式如下：

while (condition) {
    // 循环体
}

do-while 循环与 while 循环类似，但至少执行一次循环体，即使条件在第一次检查时就不成立。其结构如下：

do {
    // 循环体
} while (condition);

下面是一个 while 循环的示例：

int i = 0;
while (i < 5) {
    std::cout << i << " ";
    i++;
}

这段代码同样输出 0 1 2 3 4 。 i 的值从0开始，并在每次迭代后递增，直到 i 等于5时停止。

而 do-while 循环的示例：

int i = 0;
do {
    std::cout << i << " ";
    i++;
} while (i < 5);

这段代码同样输出 0 1 2 3 4 ，但是即使 i 初始值不是0，它至少会执行一次循环体。

3.2.3 循环控制语句

C++ 提供了特殊的语句来控制循环的执行流程，包括 break 和 continue 。

• break 语句可以立即退出循环，即使循环条件还没有达到。
• continue 语句用于跳过当前循环迭代的剩余部分，并立即开始下一次迭代。

下面是一个结合 break 和 continue 的例子：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (i == 5) {
        break;  // 当 i 等于 5 时退出循环
    }
    if (i % 2 == 0) {
        continue;  // 当 i 是偶数时跳过本次循环的剩余部分
    }
    std::cout << i << " ";
}

这段代码将输出 1 3 ，然后因为 i 达到了5，触发 break 语句，循环被退出。注意，当 i 为偶数时，使用 continue 语句跳过输出。

总结来说，控制结构是程序流程控制的核心，使得程序能够根据条件执行不同的操作，或重复执行操作直到满足特定条件。掌握这些基础知识，可以让你编写出逻辑清晰、执行高效的程序代码。

4. 函数的定义与应用

4.1 函数基础

4.1.1 函数声明和定义

函数声明是告诉编译器函数的名称、返回类型、参数类型，以及参数的顺序，但不提供函数的实现细节。函数定义则提供了函数的完整实现。在C++中，函数声明通常放在头文件中，而定义则放在源文件中。

下面是一个函数声明和定义的简单例子：

// 函数声明在头文件中
int max(int a, int b); // 声明一个返回类型为int，参数为两个int的函数max

// 函数定义在源文件中
int max(int a, int b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

在C++中，函数声明是必须的，因为它们告诉编译器函数的接口，即使函数的定义在另一个文件中。如果函数在程序中被调用，但没有对应的声明，则会导致链接错误。

4.1.2 参数传递机制

在C++中，函数参数可以通过值传递或引用传递。值传递意味着函数接收的是原始参数值的一个副本，而在函数内部对参数的任何修改都不会影响到原始数据。引用传递则是将参数的引用传递给函数，这意味着函数内部的任何修改都会直接影响到原始数据。

参数传递方式有以下几种：

• 值传递(value passing)
• 值传递（const引用传递）
• 引用传递（非const引用传递）

下面展示了三种参数传递方式的示例代码：

void passByValue(int value) {
    value = 100; // 修改副本，不会影响原始值
}

void passByConstReference(const int& value) {
    // value = 100; // 错误: 不能修改const引用
}

void passByReference(int& value) {
    value = 100; // 修改引用，会影响原始值
}

int main() {
    int originalValue = 10;
    passByValue(originalValue); // 值传递
    // originalValue 的值仍然是 10

    passByConstReference(originalValue); // const引用传递
    // originalValue 的值仍然是 10

    passByReference(originalValue); // 引用传递
    // originalValue 的值现在是 100

    return 0;
}

在设计函数时，选择合适的参数传递方式是很重要的。通常，对于较大的对象，使用引用传递可以避免不必要的数据复制，提高效率。而const引用传递可以在不提供修改权限的情况下提供对数据的访问。而值传递则适用于不需要修改参数值的小数据类型，或者当函数需要一个原始值的副本进行操作时。

4.2 函数高级特性

4.2.1 函数重载

函数重载是指在同一个作用域内可以声明几个功能类似的同名函数，但它们的参数类型、个数或顺序至少有一个不同。重载函数使得相同的操作可以通过同一个名字调用，但是根据不同的参数列表，编译器将自动选择正确的一个。

下面是一个简单的函数重载示例：

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

在这个例子中，有两个 add 函数，它们接受不同类型的参数。编译器会根据实际调用时提供的参数类型来决定调用哪一个函数。

函数重载有一些限制，比如不能仅通过返回类型来区分重载的函数，也不能使用仅在某些平台上不一样的类型（如 short 和 int 在32位系统上可能是相同的，从而不能区分）。

4.2.2 默认参数

默认参数是函数声明时为函数的参数指定默认值。这样在调用函数时，如果没有提供该参数的值，则会使用默认值。

下面是一个使用默认参数的函数声明和调用的例子：

void printMessage(const std::string& message, int count = 1) {
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        std::cout << message << std::endl;
    }
}

int main() {
    printMessage("Hello, World!"); // 输出1次 "Hello, World!"
    printMessage("Hello, World!", 3); // 输出3次 "Hello, World!"
    return 0;
}

在这个例子中， printMessage 函数定义了默认参数 count = 1 ，意味着如果没有提供 count 的值，函数将会输出消息一次。如果提供了 count 的值，则会按照提供的次数输出消息。

4.2.3 内联函数和函数模板

内联函数是在编译时将函数调用替换为函数体，以减少函数调用的开销。通常，函数调用会涉及到保存当前状态、跳转到函数体执行后再返回，这个过程是有开销的。内联函数可以减少或消除这种开销。

使用 inline 关键字在函数声明之前，可以建议编译器将函数视为内联的，但这不是强制性的。编译器可能会根据函数体的大小和其他因素来决定是否真正内联。

下面是一个内联函数的示例：

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

函数模板是一种通用的函数描述，它可以用来创建参数类型不同的函数。模板允许重用代码，并对不同类型的数据执行相同的操作。

下面是一个函数模板的示例：

template <typename T>
T add(const T& a, const T& b) {
    return a + b;
}

在上面的例子中， add 函数模板可以接受任何类型的两个参数，并返回它们的和。编译器会根据传入的实际类型自动实例化相应的函数。

内联函数和函数模板都是C++语言中提供代码重用和提高效率的机制。内联函数通过减少函数调用的开销来提高效率，而函数模板通过参数化类型来实现代码的重用。

5. 类和对象概念

5.1 面向对象编程基础

面向对象编程（OOP）是C++的核心特性之一，它允许程序设计者将数据以及操作这些数据的方法封装在一起，形成一个类（Class）。类可以被看作创建对象的蓝图或模板，而对象是根据这个模板创建出的具体实体。

5.1.1 类的定义

在C++中，类是通过关键字 class 来定义的，类定义了对象的状态（通过成员变量表示）和行为（通过成员函数表示）。下面是一个简单的类定义示例：

class Rectangle {
    private:
        int width, height;
    public:
        void setValues(int w, int h) {
            width = w;
            height = h;
        }

        int area() {
            return width * height;
        }
};

在这个例子中， Rectangle 类有两个私有成员变量 width 和 height ，它们只能在类内部被访问和修改。类还包含两个公有成员函数： setValues 用于设置矩形的长和宽，而 area 用于计算矩形的面积。

5.1.2 对象的创建和使用

创建一个对象的过程称为实例化。根据类定义，可以创建多个具有不同状态但共享相同行为的对象。以下是创建和使用 Rectangle 类对象的代码示例：

Rectangle rect; // 创建Rectangle类的对象rect
rect.setValues(5, 3); // 调用setValues函数设置矩形的尺寸
std::cout << "Area: " << rect.area() << std::endl; // 调用area函数计算并输出矩形的面积

对象 rect 根据 Rectangle 类定义的蓝图创建，具有自己的状态（宽和高），并可以调用成员函数来展示其行为。

5.2 类的高级特性

5.2.1 访问控制和友元函数

访问控制是类的一个重要特性，它允许我们定义成员变量和成员函数的访问级别。在C++中，有三种访问级别： public 、 protected 和 private 。默认情况下，类成员是私有的（ private ），而结构体（ struct ）中的成员默认是公有的（ public ）。

友元函数是一个类的非成员函数，它有权访问类的私有成员。为了使函数成为友元，你需要在类定义中使用关键字 friend 指定它。

class Circle {
    private:
        double radius;
        friend double area(Circle& c); // 声明友元函数

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

// 定义友元函数
double area(Circle& c) {
    return 3.14 * c.radius * c.radius;
}

在这个例子中， area 函数是一个友元函数，它可以访问 Circle 类的私有成员 radius 。

5.2.2 构造函数和析构函数的高级用法

构造函数和析构函数是类的特殊成员函数，分别用于对象的初始化和销毁。构造函数可以带参数，甚至有多个不同参数的版本（即构造函数重载）。析构函数在对象生命周期结束时自动调用，执行清理工作。

class File {
    private:
        char* name;

    public:
        File(const char* filename) : name(nullptr) {
            name = new char[strlen(filename) + 1];
            strcpy(name, filename);
        }

        ~File() {
            delete[] name;
        }

        const char* getName() const {
            return name;
        }
};

在这个例子中， File 类有一个构造函数，用于为文件名分配内存，并将传入的文件名复制到这块内存中。析构函数负责释放这块内存。

5.2.3 静态成员与常量成员

静态成员是属于类的成员，而不是属于类的某个特定对象的。静态成员函数只能访问静态数据成员和其他静态成员函数。静态数据成员在所有对象之间共享，可以在没有创建类的实例的情况下进行访问。

class Counter {
    private:
        static int count; // 静态成员变量

    public:
        Counter() { ++count; } // 构造函数中增加计数
        ~Counter() { --count; } // 析构函数中减少计数

        static int getCount() { // 静态成员函数
            return count;
        }
};

在这个例子中， Counter 类有一个静态成员变量 count ，用于跟踪创建了多少 Counter 类的对象。静态成员函数 getCount 可以用来获取当前的计数值。

常量成员函数保证不会修改类的任何成员变量，这是通过在函数声明后添加 const 关键字来实现的。这允许你将函数绑定到常量对象上。

通过理解并正确使用这些类的高级特性，开发者能够更加高效和安全地实现复杂的数据结构和算法，以面向对象的方式管理和维护大型代码库。

6. 面向对象编程特性

面向对象编程（OOP）是一种编程范式，它使用“对象”来设计软件。对象可以包含数据，以字段（通常称为属性或成员变量）的形式存在，以及代码，以过程的形式存在。C++支持面向对象编程的各种特性，如封装、继承和多态。在本章中，我们将深入探讨继承与多态的机制，以及其他面向对象的高级特性，例如抽象类、接口和模板类。

6.1 继承与多态

继承和多态是面向对象编程的两个核心概念。继承允许一个类（派生类）继承另一个类（基类）的属性和方法，而多态则允许同一个操作作用于不同的对象时具有不同的行为。

6.1.1 基类与派生类的关系

基类提供了派生类继承的通用接口和属性。派生类通过扩展基类的属性和行为来增加额外的特性。在C++中，使用冒号（:）来声明继承关系，并可选地指定继承类型（如public, protected, private）。

class Base {
public:
    void function() { std::cout << "Base function called." << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void function() override { std::cout << "Derived function called." << std::endl; }
};

以上代码展示了公共继承，其中 Derived 类继承了 Base 类，并重写了 function 方法。

6.1.2 虚函数和纯虚函数

为了实现多态性，C++利用了虚函数的概念。当基类中的函数被声明为 virtual 时，派生类可以重写该函数，允许在运行时选择正确的函数版本。纯虚函数是一个在基类中声明但没有实现（即没有函数体）的虚函数，表示这个函数必须在派生类中被实现。

class Base {
public:
    virtual void pureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数
    virtual void virtualFunction() { std::cout << "Base virtualFunction called." << std::endl; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void pureVirtualFunction() override { std::cout << "Derived pureVirtualFunction called." << std::endl; }
    void virtualFunction() override { std::cout << "Derived virtualFunction called." << std::endl; }
};

6.1.3 多态的实现与应用

多态在C++中是通过虚函数表（vtable）实现的，这是一种在运行时解析函数调用的技术。利用多态，可以编写与具体对象类型无关的代码，增加程序的通用性和可扩展性。

void doSomething(Base& obj) {
    obj.virtualFunction(); // 调用虚函数，运行时确定调用哪一个版本
}

Base b;
Derived d;

doSomething(b); // 输出: Base virtualFunction called.
doSomething(d); // 输出: Derived virtualFunction called.

6.2 其他面向对象特性

C++提供了多种面向对象编程的高级特性，如抽象类、接口和运算符重载。

6.2.1 抽象类和接口

抽象类是包含至少一个纯虚函数的类。它不能被实例化，但可以被继承。接口是只包含纯虚函数的抽象类，用于定义类必须实现的接口，但不提供任何实现。

class IShape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数，定义接口
    virtual ~IShape() = default; // 虚析构函数
};

class Circle : public IShape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Circle::draw()" << std::endl;
    }
};

6.2.2 运算符重载

运算符重载是C++提供的一种机制，允许程序员定义运算符如何工作在用户定义的类型上。通过运算符重载，可以编写更自然和直观的代码。

class Complex {
private:
    double real, imag;
public:
    Complex(double r = 0.0, double i = 0.0) : real(r), imag(i) {}

    Complex operator+(const Complex& other) const {
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
    }
};

Complex c1(1.0, 2.0), c2(3.0, 4.0);
Complex c3 = c1 + c2;
// 输出结果：c3 的实部为 4.0，虚部为 6.0

6.2.3 模板类的使用

模板类是C++泛型编程的一个重要特性，它允许创建可以与任何数据类型一起工作的类。模板类在编译时生成具体类型的实例。

template <typename T>
class Stack {
private:
    std::vector<T> v;

public:
    void push(T value) { v.push_back(value); }
    void pop() { v.pop_back(); }
    T top() { return v.back(); }
};

Stack<int> intStack;
intStack.push(10);
std::cout << "Top element is " << intStack.top() << std::endl;

在本章中，我们讨论了面向对象编程的继承、多态和其他高级特性。在第七章中，我们将进一步探讨STL的使用，它为C++开发者提供了一系列标准数据结构和算法。

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