C++ 教學講義

last updated: 2021, Mar 27^th 新增陣列、函數

課本解答參閱程式範例解答（目前編輯中進度約10%）
相關練習題在GitHub\

建議學習順序

1. 基本程式碼的概念
2. 輸出入
3. 變數
4. 條件if
5. while
6. for
7. 陣列

建議編輯器：

程式語言的發展

程式語言大致可以分成三種：機器語言、組合語言和高（低）階語言

Machine Language 機器語言

微電腦最原始的語言—即僅以代表數位高低電位的1、0組成，並以不同的10組合代表不同的機器指令集，這種語言除了可讀性差之外，不同種的機器也有不同種的機器語言，然而這種語言絕對有必要存在，因為電腦只看得懂這種語言，因此為解決上述的兩種問題，勢必得找出機器語言的替代方案。

Assembly Language 組合語言

組合語言即為解決上述問題的其中一種方案，以一些特別的輔助記憶碼mnemonic來代替機器指令集，並建置出一個「組譯器」負責將記憶碼與該機器上的指令集進行轉換，以此方式，使得組譯語言可在不同的平台進行移植，並且大大的簡化了程式的開發過程。

add 2, 3, result

High-level Language 高階語言

高階語言與低階語言僅是相對的概念，通常把machine code, assembly code歸類於低階語言；現在大多學到的語言全數屬於高階語言，如C++, Python, Java, Visual Basic等

C與Ｃ＋＋的不同：

C相較於Ｃ＋＋介於低階語言與高階語言間，較“貼近硬體的運作”，因此寫法較Ｃ＋＋對人而言比較生澀難懂；Ｃ＋＋則是赴著在Ｃ上的語言，Ｃ的header亦可用在Ｃ＋＋中，且Ｃ＋＋支援物件導向(object-oriented programming, OOP)，對人較好理解

From Souce Codes To Executable Files

C series語言的source code在進行編碼至機器碼的執行檔(windows是.exe, Unix系統是.out)前，皆會進行前處理，編譯，組譯，連結四部份，而Ｃ++語言本身只含核心關鍵字，故我們在打c++ source code時，需同時去引入(#include)相關的標頭，使前處理器可正常的運行

• 預先處理：預先處理是在進行編譯前的準備工作，包括去抓取header內容、將#define出來的東西將數字與文字做替換（就是把所有出現的這個名字東西都換成數字啦），並組合成一個檔案

預先處理過程就是將#include、#define、#if、特殊符號等取出需要的東西後去除，且與原檔同義，只有常數、字符串、變數定義、以及Ｃ關鍵字等yen0224

• 編譯過程：在此階段中，編譯器會開始進行語法的檢查及找出編譯路徑(優化)，確認語法無誤後轉為組譯語言，接著組譯器開始再把由組譯語言轉換為機器語言，在輸出為目的檔。
• 連結：將上步驟中產生的目的檔將各種目標文件鏈結起來，將為定義標示符與其路徑做對應，最後產生一動態鏈結資料庫，或執行檔

命令列編譯指令：
(前往cpp檔位置)

cd [address]

(name.cpp為檔名，請替換，a.out為預設名稱，不可更改)

g++ name.cpp && ./a.out

(optional parameter 自訂輸出檔名稱

g++ -o name name.cpp

前處理器

預處理器指示詞（例如 #define 和 #ifdef ）通常用來讓來源程式在不同的執行環境中變得更容易變更和編譯。 來源檔案中的指示詞會指示前處理器採取特定動作。 例如，前置處理器可以取代文字中的語彙基元、將其他檔案的內容插入原始程式檔，或是透過移除文字區段來隱藏編譯檔案的一部分。 在巨集展開之前，會辨識並執行前置處理器程式行。

目前學習階段用到的前處理器keyword有：

• #define: 用來宣告常數、亦可宣告簡易function（不嚴謹喔！！因無型別的定義）

//語法
#define 識別符 值
#define PI 3.14 //定義PI為常數3.14
#define multiply( a1 , a2 ) ( a1 * a2)//定義multiply()

• #undef：取消#define的作用

//語法
#undef 識別符
#undef PI

• #include：告知前處理器指定檔案的內容包含在指示詞的位置

//語法
#include <標頭檔名>
#include "路徑"
#include <iostream> //宣告引入“iostream”標頭
#include <algorithms>//宣告引入“algorithms”標頭
#include "usr/lib/head.h"//宣告引入head.h自訂標頭

• #if #elif #else：條件式

基本source code架構

#include <iostream>
using namespace std;
int main(/*int argc, char const *argv[]*/)
{
    return 0;
}

第一部分 #include <iostream>:

告訴前處理器，此source code會用到名為iostream的headers

• iostream 基本輸出入的標頭，包含ostream,istream
• "headers":標頭，為相關的函數"定義"的地方

第二部分int main(/*int argc, char const *argv[]*/){}

• main function，為c++程式的基礎，是整個函式的主體，當作業系統執行程式時，呼叫的即是main()
• function 就跟數學中的函數一樣，是一個工作模組，並允許參數的輸入，並執行特定任務，最後輸出結果
• int表示回傳值為整數型態（return type is integer）

• int argc, int argc, char const *argv[]:此為main function的參數列(parameter list)
  • int argc為宣告編號
  • argc[0]為第一參數
  • argv[1]為第二參數
  • 「以此類推」
  • 若此程式不需要任何參數資料以檔案等獨立形式輸入則可用void或直接留空代替

int main(void){}
或
int main(){}

• 註解：註解分為兩種形式，單行註解 與多行註解
• 單行註解：以兩個斜線//作為開頭，此行的東西不會被編譯，也不會被輸出

//我是單行註解

• 多行註解：以斜線和乘號成對表之，內容一樣無效果

/*我是多行註解
 *（通常會加一個符號在前，其功能有二，一為對齊，二為告知在看的人此行為註解
 */  

第三部分–大括號內的內容

括號內為函式的主要工作內容，return為回傳的關鍵字，在main函式中的return值較為特別，如同前面所說的“作業系統呼叫的是main函數”，同理main函數亦是回傳給作業系統直為電腦系統的，代表的是程式的執行狀態，0表示程式順利結束，其他非0零的值則由電腦做定義，通常為錯誤碼

void hello(){
    cout<<"hello world";
}
int returnMAX(int a1,int a2){
    return (a1>a2)?a1:a2;
}

關鍵字與識別字

• 關鍵字keyword：為啟用相關功能、被定義於編譯器的字，可以解釋為“當這些字被打出來時，會有些預先定義的功能被發動”，根據微軟developer docs寫道“關鍵字是具有特別意義的預先定義保留識別項，他們無法當作程式中的識別字做使用”。

• 識別字identifier：依程式需求自行定義的名稱，舉凡程式中所用的各種名稱都屬於識別字，標準程式庫、第三方程式庫中亦是。
  最新資訊

基本輸出入

由於c++可以說是由c語言「改良」後的新語言，故c語言的函式庫c++皆可使用 （base on C.）

C++輸出入

<iostream> cout

cout物件，定義於iostream中，其可以將字串或數字輸出到標準輸出裝置上，和Ｃ語言中printf()相同，但使用法不同

cout物件可以接收由*串接運算子<<*所組成的字串，這些字串會依序組合成為一個更長的字串，再藉由cout物件輸出至螢幕上。

//語法
cout<<變數1或字串<<變數2或字串<<...<<變數n或字串;
//example
cout<<"hello world";
//(同義)
cout<<"hello"<<" "<<"world";
//亦可與變數同時輸出
cout<<"After calculation, your BMI is"<<BMI;

1. <<為左移運算子
2. 可輸出運算式的結果、變數值、文字
3. 在句尾加endl，有換行和排清匯流排{可使資料立即顯示於螢幕上}的效果

cout<<........<<endl;

<iostream> cin

相較於cout的輸出，cin則是用來從鍵盤中輸入各種資料，利用資料流截取運算子>>，即可讀取自鍵盤的輸入，供執行中的程式使用

cin>>[變數1](>>[變數2]>>...>>[變數n]);

C輸出入

<cstdio> printf()

printf( const char* format, ... );

• const char* format:填入輸出格式，後面填入參數
• 格式化方法：

Example:

printf("abc");//輸出abc
printf("%d",10);//輸出10
printf("%d",a);//輸出（整數）變數a值
printf("%f",0.1234)//輸出0.123400（預設輸出6位）
printf("%.2f",0.1234)//輸出0.12
//多重參數
printf("今天的日期是：%d年%d月%d日，台幣兌美元匯率為%f\n",year, mounth, day, exchange);

more info: https://en.cppreference.com/w/cpp/io/c/fprintf

變數—基本內建型態primitive built-in type

看完上面的解說，我們應該已經成功在電腦上輸出資料，但有兩個問題：我們要如何輸入東西到電腦？還有上面一直提到的「變數」是什麼呢？？

變數在電腦中的定義就和他字面上的意義相同，為一可變的數，若結合計算機硬體的概念來看，即是將待用資料存入於記憶體的其一位址中，待需要使用時再將其呼叫此位址然後將值載入暫存器中，但因為位址很難記，打程式時Coders會利用一個標示符來代替他，以提高效率及程式碼的理解性。

我們已知，電腦的資源是有限的，故我們要依資料的不同類去分配不同型態的變數來儲存，例如人數一定是整數，重量可能帶有小數位，因此用浮點數較為適合 C和C++一樣皆有下列這些變數型態（型態最大的不同在於在記憶體內的空間）：

可以把變數當成是一個一個不同大小的盒子，可以裝入不同大小的東西，但東西的大小一定要比盒子小，雖然可以硬塞，但會讓裡面的東西壞掉（overflow溢位）

宣告的概念即是向作業系統索取盒子的過程，必須明確告知作業系統這個盒子的大小，是整數、浮點數、或字元值

接著，在作業系統給予我們這個盒子時，作業系統也會在這個盒子上坐上一個標籤，稱為記憶體位址，是一個獨一無二的id，然而因為現在的記憶體都是動輒好幾GB的，他的位址也是0x123…不易讓人記憶，因此，高階語言也允許我們自訂這個盒子的名稱，使我們方便編程（記憶體位置仍然不變，只是多了一個“給人看”的標籤而已）

基本資料型態（盒子的大小）

變數宣告

//只宣告型別，代賦值
type name1,[name2,name3,...];
int a,b,c;
//型別、值同時宣告
type name=number;
int a=1,b=2;
//亦可混合，部分賦值、部份不賦值
int a,b=33,c;

細說型別與變數

宣告？？變數？？常數？？

變數，即為一可變的數，恰與亙久不變的常數相反，然而不管變數變了多少次，其在記憶體內的佔用空間不會改變（，故資料精度大於記憶體分配空間則會造成資料數值錯誤的溢位overflow現象）;宣告的概念，會指定實體的唯一名稱，以及其型別和其他特性的相關資訊。

字面常數literal

即程式中直接寫出來的數值value

bool

宣告(declare)布林型態的變數使用關鍵字(keyword) bool，其字面值有true和false，分別代表1,0，邏輯上的真與假

int, long int, short int

一般而言，最常用的是int型態，沒有特別指定的整數字面常數皆會被視為int型態，欲使用long型態，則需在字面常數的尾巴加上l或Ｌ

int a=1;
long b=1234l;

float &double

最常使用的是double，沒有特別指定的浮點數字面常數會被視為double，欲使用float型態，需在字面常數尾加上f或F

double a=2458.3721;
float p=22.0f;

char

宣告字元型態的變數使用關鍵字char，字元型態的字面常數為單引號圍起來的單一字元，或是單引號圍起來反斜線加上四位的十六位元數字

char e='a';
char f='2';
char i='\n';
char k='\a';

char變數的字面常數是「文字」 沒錯，但事實上它是依據ASCII表將文字轉為數字來進行儲存的，每個字母有其專屬的數字代碼，大小有不同，故其亦有有效範圍且一樣是由數字決定 可參閱ASCII表\

在上面程式碼區塊的3,4行可以看到由反斜線\加上一個英文字母的組合文字，其稱作跳脫字元，即一些不可見字元（換行、對其、雙引號（因已被定義））

變數若不是基本內建型態則代表他是個物件，看得懂的話可以先看指標與參考

變數命名原則（識別字命名原則）

• 變數命名原則
  1. 變數的命名以簡單、清楚為原則，常見小寫英文單字ex. iter, total…；或以底線連接多個單字而成ex. exam_score,count_time…
  2. 數字不能是識別字的開頭，另建議不要以兩個連續的底線命名（程式庫中的很多函式都是這樣命名，會衝突）
  3. 每個英文單字之間不能有空格，因空格是區分兩個程式中記號的符號
• 型態type如類別class、結構structure、列舉enumeration使用的識別字以大寫駝峰式命名法, ex.SimpleGame, RunTimeExpection
• 函數的命名亦已大寫駝峰式命名，第一字通常為動詞
• 簡易函式、或類別中的存取、修改函數，較常用小寫字母組合

運算式expression

Ｃ++中的每一行，都為一陳述，而每行陳述，可以運算式組成，並以分號作為運算式的結尾

運算式expression＝運算元oprand＋運算子operator

• operand1; 單一運算元
• operand1 operator operand2; 運算元＋運算子
• operand1? operand2 : operand3; 具條件判斷功能之運算式

算術運算子 arithmetic operator

包括加減乘除取餘數，分別符號為+-*/%，使用概念和數學的概念一模模一樣樣，唯有一個要注意的就是除法時要注意捨去的問題：

int a=1,b=3;
cout<<a/b;//輸出值應該要是0.333

實際結果：，然而浮點數除法就不會有此問題，因此要將原函式改為：

float a=1,b=3;
cout<<a/b;//輸出值應該要是0.333
//或
int a=1,b=3
cout<<(float)a/b;

第二種寫法稱為型別的強制轉換，原本a是整數，但在進行運算時加上了(float)的前綴使其暫時轉為浮點數進行運算，故其小數值不會被捨掉。

大家可以試試看此段程式碼，看結果有何不同：

int a=1,b=3;
cout<<float(a/b);

結果

遞增、遞減運算子 increment /decrement operator

判斷是「先運算再進行遞增減」還是「先遞增減再運算」的方法，是看他們在變數的哪個位置上，在前面就是先遞增減，在後面就是後遞增減 yen0224

遞增減運算子的優先順序高於算數運算子，可以思考一下下列程式碼輸出的值為多少：

b = 10 ;
cout << 10 * (++b) ;

再思考一下如果對字元變數進行遞增會輸出什麼呢：

邏輯、關係運算子 logical &relational operator

邏輯AND與OR運算子

即為數學「且」與「或」的概念，只有在兩個運算元皆為true時，AND運算的結果才會是true，若是or的話，任一運算元為true時即為true。
AND與OR永遠會進行短路運算(short-circuit evaluation)，即右運算元只在左運算元無法決定結果時才會進行運算：

• 一個&&的右邊只在右邊為true才運算（AND兩邊都要是true，若前面是false，那右邊就可不計算）
• 一個｜｜的右邊只有在左邊為false時才計算（OR任一為true即可，前面為false，則要知後面是true還false才有結果）

邏輯NOT運算子

邏輯運算子NOT回傳其運算真假值的相反，即expr的結果為true，!expr的結果為false

關係運算子

關係運算子的概念很簡單、和數學中的概念是相同的，唯二要注意的是相等是＝＝，＝為指派運算子，另外若要有連續判斷大小，如i<j<k的情況，需借助邏輯運算子來寫判斷式，否則結果會出錯。

if( i<j && j<k )

原因：若k大於1，因關係運算子為左結合的，k會跟i<j的結果進行判斷，即使k並無大於J，其與布林值的比較會是恆成立的(true=1, false=0)

指派與複合指派運算子

指派運算子是右結合的，其左運算元需為一個可改變的lvalue； 複合指派，即是把“一個運算子套用在一個物件上，然後結果指派在相同的物件”這個動作合一
以下為用法：

條件運算子（?:運算子）

cond ? exp1 : exp2 ;

cond是用來表示條件的運算式，而exp1和exp2為相同型別的運算，其執行方式為：當cond為true時，exp1會被執行，若否，exp2執行

int score = 60 ;
cout << ((score > 60 ? ) pass : fail);
//result :fail

位元運算子

建議將位元運算子只用於unsigned型別，才不會使正負號錯誤

位元NOT,AND,XOR,OR

NOT運算：將每個bit反轉
AND,XOR,OR:將expr1與expr2進行邏輯運算

sizeof運算子

回傳型別所佔大小

int a;
sizeof a;

總表

述句statement

程式的結構主要三種，其共同的特徵是，只有一個進入點，也只有一個出口

1. 循序性結構：採top-to-down的敘述方式，當一個敘述執行完畢之後，接著在執行下一行敘述
2. 選擇性結構：此結構會依據條件的成立與否，再決定要執行哪些敘述
3. 重複性結構：此結構會根據判斷條件的成立與否，決定程式段落的執行次數

選擇性結構—if述句 (if statement)

最簡單的條件判斷式：一個if加上一個運算式，若運算式的結果為非零，則進行if括號內的述句，若為零，則進行else的內容，若無else則不進行任何動作； 在多個條件運算式中，則以else if關鍵字進行第二條件的判斷，else if可有可無，務必注意的是，連續多個條件的判斷，應將最小範圍的條件排在最前，否則可能會有淺在的bug產生。

巢狀if：if中又有if

if(/*condiotion1*/){
    statement1;
}
else if(/*condition2*/){
    statement2;
}
~
~
else if(/*conditionN*/){
    statementN;
}
else{
    statementN_1;
}

for example #1 閏年的判斷：
已知判斷閏年的條件有：

• 非百年則能除4則閏
• 逢百年需亦能用400才潤

#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
    int year;
    cin >> year;
    if ((year % 4) == 0){
        if ((year % 100) == 0){
            if ((year % 400) == 0){
                cout << year << "年是閏年(400倍數)" << endl ;
            }
            else{
                cout << year << "年非閏年(100年)" << endl ; 
            }
        }
        else{
            cout << year << "年是閏年(非100倍數4倍數)" << endl ;
        }
    }
    else{
        cout << year << "年非閏年（非4倍數）" << endl ;
    }
    return 0;
}

可觀察一下4, 100, 400出現位置、及改變他們的位置可能會有什麼影響；若硬要改變位置，相對應的寫法要怎麼寫呢？為何要用巢狀，不用多個if和邏輯運算式呢？？

if-else變形：switch statement

switch(variables){
case const1:
    states;
    break;
case const2:
    states;
    break;
default:
    states;
}

重複性結構

while述句 (while statement)

while(/*condition*/){
    statement;
}

do{
    statement;
}while(/*condition*/)

for 述句 （for statement）

for ( init-statement ; condition ; iteration_expression ){
     statements;   
}

for迴圈由三部分組成：

1. 第一是在執行迴圈之前，所需要先給定的初始值設定。
2. 第二是進入或留在迴圈的條件，有如while指令後面接著的判斷式。
3. 第三是在每當要執行下一次迴圈之前，所需要執行的式子。

由上面三個部分，可以得知for loop 等效於:

{
    init_statement 
    while ( condition ) { 
        statement;
        iteration_expression ; 
    }
}

對於for語法還不熟悉的可以先嘗試用while去寫，尤其是做有計數器的題目可以更快掌握for的用法yen020224

迴圈跳離

break

break敘述可以讓程式強迫跳離回圈，當程式執行到break敘述時，即會離開回圈，繼續執行回圈之外的下一行敘述（若違巢狀迴圈，則跳至此回圈外之下行敘述）

for(;;;){
    staA;
    staB;
    staC;
    ...
    break;
    staN;
}
statements;//break之後會執行這行

continue

continue敘述，

goto

陣列

陣列array是由一群相同型態的變數所組成的變數型態，他們以一個共同的名稱表示，陣列中的個別元素(element)則以註標(index)來標示其存放的位置；一陣列的複雜程度可分為一維、多維陣列

一維陣列

宣告法1：純宣告

type name[amount];
//[資料型態] 陣列名稱[元素數量];
//e.g.
int score[6]; //宣告一個陣列名為score，內有6個元素
float temp[7]; //宣告一個陣列名為temp，內有7個元素
char name[12]; //宣告一個陣列名為name，內有12個元素

宣告法2:陣列初值設定

//[資料型態] 陣列名稱[n]={初值0,1,2,.....,n-1};
//注意
//注意
//注意
//註標只有到n-1，因為是從0開始的
type name[n]={0,1,2,3,...,n-1}
//e.g
int monthDay[12]={31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};
//也可這樣寫
int day[]={31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};

編譯器錯誤訊息
若所宣告大小與實際情形不符：
宣告數>輸入數：其餘以0補齊
宣告數<輸入數：出現錯誤訊息**"太多初始設定式值"**
(以macos為例：)

若是要讓使用者輸入值可以怎麼寫？
ANS:用for迴圈

#include <iostream>
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
int main(void){
    int amount;
    cout << "要輸入幾個數？" << endl ;
    int inputNum[amount];
    for(int i=0;i<amount;i++){
    //      ^注意初值，以及條件
        cout << "請輸入第" << i+1 <<"個數：";
        cin >> inputNum[i];
    //                  ^
    }
    return 0;
}

## 函數

指標與參考

指標pointer儲存變數的記憶體位址address，參考reference為變數的別名alias。

宣告指標變數使用*運算子，範例如下

#include <iostream>
using namespace std;
int main(void){
    //設值n 為整數11
    int n = 11;
    cout << n << endl;
    //設置np為指向n的指標，＆為取址運算子
    int *np = &n;
    cout << np << endl;
    //設定t取得從np位址指向的值，*為反參考運算子
    int t = *np;
    cout<< t << endl;
    return 0;
}

設置完n的值為11後，

int *np = &n ;
cout<< np << endl;

用np取得n的記憶體位址，*np中的*用來宣告指標，＆運算子可取得變數之位址。這段程式碼的完整解釋為：*宣告np變數為指標形式後，由取址運算子&取得n之位址，儲存於np中。 前面的int 為指標指向的變數位址所對應的變數的型態，在這邊，即是指n的型態，所以是int，若n為float，則程式為：

float n = 11.0f;
float *np = &n;

int t = *np;
cout << t << endl;

同樣是*，但這次出現在等號的右邊，則變成了反參考運算子，由t取得np所儲存記憶體位址變數的值；這裡的np儲存的為n的記憶體位址，所以t藉由*np反參考取得n之值，（＃2行）輸出11

• 指標 *p：可儲存物件的記憶體位址
• 取址運算子&n：取得變數、物件的記憶體位址
• 反參考運算子=*p：由指標取得指向物件之值

好麻煩，指標的概念好複雜，一樣是移動變數，為何要分那麼多步驟還有位址移來移去，直接複製變數不就好啦？？

答案是：效率的考量 當今天有100個變數要複製等處理，每個變數所佔空間是好幾個Byte，所以移動100個就是等於要對好幾百個Byte作處理，相較之下，一個記憶體位址只有一個位址的空間，相較之下，效率不就更好了？

若是對於更複雜的資料結構，指標的優點就更顯而易見了。

new關鍵字

Error Code ＆ Bug排解

bug有兩種，其中一個幾乎可以依靠編譯器的錯誤碼去判斷，另一種則需去檢視程式碼去找出錯誤

語法錯誤Syntax Error:指程式的敘述不符合編譯器.直譯器或組譯器正確的文法規則如

• 敘述句尾未加分號：Expected ';' after expression
• 未宣告型別：Use of undeclared identifier
• 分號出現在錯誤的地方，如出現在條件運算式內：Expected expression
• 符號、括號未對稱: Expected '}'
• 使用關鍵字當作識別字使用：Expected unqualified-id
• 字串、字元少引號
• 參數未加分格
• 打成全形字元
• 大小寫誤用（ＪＡＶＡ）
• 改到常數：Cannot assign to variable 'PI' with const-qualified type 'const float'

邏輯錯誤、演算法錯誤：為bug中最常發生的錯誤，且有時候會找很多次還找不到，甚至bug會生更多bug(苦笑…)，最後可能要整格程式碼重寫，並且算每個不同參數直到找到出錯點在哪，這就是最可怕的debugging過程

->建議解法：小鴨除錯法(Rubber Duck Debugging)，找一個人或物，向他一行一行解釋程式碼的功用與執行過程，藉此找到矛盾及激發靈感（但因為電腦工程師很多都是邊緣人所以只能跟小鴨講 (;´༎ຶД༎ຶ`))

Reference 參考資料

• <C++ Primer 11st ED.>
• <旗標出版 C++教學手冊 洪偉恩著>
• C++ 入門手冊
• Microsoft® developers DOCS
• http://billor.chsh.chc.edu.tw/IT/Supply/01.pdf