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C++基礎語法介紹

程式語言是什麼?

先看看維基百科怎麼說:

程式語言(英語:programming language),是用來定義電腦程式的形式語言。它是一種被標準化的交流技巧,用來向電腦發出指令,一種能夠讓程式設計師準確地定義電腦所需要使用資料的電腦語言,並精確地定義在不同情況下所應當採取的行動。

簡單來說就是可以透過程式語言對電腦下達指令,讓電腦知道它要如何執行。而程式語言可大致分為以下三種:

  • 機器語言

    電腦是透過二進位(0、1)進行資料的儲存和計算,而機器語言就是以二進位的方式直接對電腦下達指令。這些指令是直接透過硬體結構讓電腦擁有這些功能,所以不同廠牌或種類所使用的機器語言都有所不同。
  • 組合語言

    以二進位的方式很難編寫,也不方便閱讀,於是就衍伸出以文字代替二進位來表達指令的組合語言。組合語言中每文字指令都對應到一個或多個機器語言指令,所以在執行指令前需要把它翻譯成機器語言,這個動作就稱為組譯。但由於組合語言依然對應到機器語言,所以仍然會有無法在不同處理器共通的問題。
  • 高階語言

    為了讓同一個程式可以在不同的處理器上運行,同時又能更貼近人類日常用語,讓程式更好理解,所以產生了高階語言。而高階語言翻譯成機器語言的方式主要有兩種:
  1. ​​​​​​​在程式執行前,透過編譯器一次翻譯所有程式碼。
    
  2. ​​​​​​​在程式執行時,一邊翻譯一邊執行。
    

C++是什麼?

  • C與C++

    C語言是在1970年左右由Dennis Ritchie和Ken Thompson在貝爾實驗室開發出來的程式語言,它是由B語言演變而來,屬於編譯語言。C語言具有高階語言的特性,同時也有接近組合語言的速度。
    C++ 也是在貝爾實驗室開發出來的,目的是打造一種具有物件導向的C語言,所以用C語言寫的程式大部份都可以在C++執行。

  • C++的用途

    C++ 是一個相當複雜的語言,它包含了C語言大部分的功能,使其能夠寫出具有底層硬體控制功能的程式,例如記憶體的安排;它也加入了物件導向等許多現今語言的特性,因此能夠處理更加貼近使用者的程式。作業系統如Windows、iOS以及瀏覽器如Chrome、Firefox等,和大家熟知的英雄聯盟,都是使用C++寫的。

  • C++程式開發軟體

    1. Dev-C++
    Dev-C++ 是一款免費且非常容易使用的C++ 整合開發環境(IDE),不過它是一個比較古老的IDE,連編譯器也是好幾年前的,因此操作不是很方便。
    ( 但聽說最近有別的公司接手,詳情可參考此網站:https://github.com/Embarcadero/Dev-Cpp )

    2. Code::Blocks
    Code::Blocks是一個免費、針對C/C++設計的整合開發環境,操作簡單,但Code::Blocks本身不包含編譯器,需要另外安裝。

    3. Visual Studio
    Visual Studio是微軟的免費整合開發環境產品,有很好的除錯功能,但在使用的時候會消耗比較多的CPU和記憶體空間,環境設定也比較複雜。

    4. 軟體安裝參考網站
    Dev-C++:https://alwaysfreesir.blogspot.com/2017/05/devcpp-install.html
    Code::Blocks:http://blog.ittraining.com.tw/2018/01/dev-c-codeblocks.html
    Visual Studio:https://docs.microsoft.com/zh-tw/visualstudio/install/install-visual-studio?view=vs-2019

    5. 線上編譯器
    https://www.onlinegdb.com/
    這是一個線上的程式編譯器,直接點進去就可以開始寫程式了,也可以把程式碼分享給其他人。


第一個程式

#include <iostream> using namespace std; int main() { cout << "Hello world!" << endl; }

這是一個C++最初階的程式,它會在螢幕上印出「Hello World!」,看不懂沒關係,我們一行一行來解釋。

#include<iostream>

#include就是引入一個函式庫,函式庫可以當作一個已經寫好的工具集。而iostream是一個輸入和輸出的函式庫。

using namespace std;

using namespace是指引入一個命名空間,而std是標準函式庫的命名空間的名稱。如果沒有加上這一行,在使用函式庫中的函式就需要加上它的命名空間,例如std::cout。命名空間的作用是可以區分不同函式庫中相同名稱的函式。

int main()

這是main函式,它是C++定義一個程式的起點,當執行一個程式時,就會從main函式開始,而大括號{ }內就是main函式的內容。如果看不懂也沒關係,對於初學者來說,目前只需要知道,要電腦執行的程式就要寫在這個大括號內。

cout << "Hello world!" << endl;

cout是輸出的指令,後面的部分會再詳細介紹它的使用方法。這裡要特別注意的是,除了某些特定的情況,大部分的程式碼都要在行尾加上分號。


變數

變數是程式用來存放資料的空間,它會占有電腦的記憶體,在程式執行的過程中,可以對變數進行處理和運算。就像是數學方程式中的未知數X、Y一樣,代表著某一個資料。

宣告

在使用變數前,要先告訴電腦你要創造一個變數,這個動作叫做宣告。

  • 宣告格式:變數型別 變數名稱;

例如int x;就是宣告一個整數變數x。

  • 對宣告的變數做初始化:變數型別 變數名稱 = 初始化的值;

例:int x = 0;

  • 變數命名的規則:
  1. ​​​​​​​須以字母(a, b, c...)或下底線(_)為開頭
    
  2. ​​​​​​​不可以數字為開頭
    
  3. ​​​​​​​不可使用保留字(例:不可宣告一個為int的變數)
    
  4. ​​​​​​​字母一般使用小寫(非強制)
    

除上述規則外,變數名稱皆可自由命名。

常用變數型別

變數有很多種不同的型別,它可以用來存放各種不同類型的資料,以下是幾種常見變數型別:

1. 整數

整數型別用於儲存沒有小數點的數值。

int
  • 範圍 -231 ~ 231-1 (-2147483648~2147483647)
  • 佔用空間 4 Byte
int x = -100;
unsigned int
  • 範圍 0 ~ 232 - 1
  • 佔用空間 4 Byte
  • 沒有負數
unsigned int x = 0;
long long
  • 範圍 -263 ~ 263-1
  • 佔用空間 8 Byte
long long x = 1000000000000000;
unsigned long long
  • 範圍 0 ~ 264-1
  • 佔用空間 8 Byte
  • 沒有負數
unsigned long long x = 10;

2. 浮點數

浮點數是用來儲存有小數點的數值,但因為電腦二進位的儲存方式,導致浮點數可能會出現誤差,使用時要注意。

float
  • 精準至約小數點後第七位
  • 佔用空間 4 Byte
float x = 3.1415;
double
  • 精準至約小數點後第十五位
  • 佔用空間 8 Byte
double x = 3.1415926535;

3.字元

字元在電腦中有一個編號:ASCII碼,字元的儲存就是儲存它的編號。

char
  • 以ASCII碼儲存一個字元
  • 佔用空間 1 Byte

' '表示一個字元

char c = 'a';
string
  • 儲存字串(多個字元)

" "表示字串

string s = "Hello world";

4.布林(真假)值

布林值是一個只會儲存true或false的型別:

bool
  • 儲存 true(1)false(0)
  • 占用空間 1 Byte
bool x = true; x = false; x = 1; x = 0;

輸入與輸出

C++的輸入和輸出是使用cin和cout來進行,在使用它們的時候需要引入「iostream」函式庫。

cin

cin是C++用來輸入的物件,格式為cin >> 變數;
如果要輸入多個值可以使用cin >> 變數 >> 變數;的格式。

int x, y; cin >> x >> y;

cout

cout是C++用來輸出的物件,格式為cout << 要輸出的物件;,可以輸出變數或是輸出一個值。
如果要輸出多個值可以使用cout << 變數 << 變數;的格式,在需要換行的地方可以輸出endl或是'\n'
endl'\n'其實不太一樣,endl除了換行以外還會執行cout.flush(),會清空輸出緩衝區)

cout << 100 << x << endl;

運算子

在C++中,可以使用運算子來對變數或數值做運算。以下介紹幾種常用的運算子,同時也會提到當兩種不同型別的變數進行運算時,電腦會如何判斷要使用哪個型別,以及如何做強制型別轉換。

  1. 指定運算子

    使用等於=符號表示,會先對等號右邊進行運算,再將結果指定給左邊的變數。這個等號跟數學的等號不太一樣,需要花一點時間習慣。
int x; x = 2 + 1; //x = 3 (//是註解,在C++程式編譯時不會被編譯) x = x + 1; //x = 4,因為是先計算右邊的x + 1 = 3 + 1,再存到左邊的x
  1. 算術運算子

算術運算子就是數學的運算符號,具有跟數學四則運算一樣,先乘除後加減的規則。

  • 加法 +

int x = 3 + 2;
  • 減法 -

int x = 10 - 5;
  • 遞增 ++

遞增可分成前置++x和後置x++,它們的不同在於,前置的值會是運算之後的值,後置的值則是運算之前的值。可以看成前置++x是先加再用,而後置x++是先用再加。

int x = 0; cout << ++x << endl; // x = 1, 輸出1 cout << x++ << endl; // x = 2, 輸出1
  • 遞減 --

與遞增相同,一樣有分成前置和後置。

int x = 0; cout << --x << endl; // x = -1, 輸出-1 cout << x-- << endl; // x = -2, 輸出-1
  • 乘法 *

int x = 2 + 3 * 4; //x = 14, 先乘除後加減
  • 除法 /

兩個整數在做運算時, 當對兩個整數做除法/,會自行向下取整,也就是取商。

int x = 7 / 2; // x = 3 float y = 1.0 / 2.0; // y = 0.5
  • 取餘數 %

int x = 5 % 2; // x = 1
  • 括號

在C++中,一樣可以使用括號來標示優先計算的部分,且都是使用小括號()

cout << (1 + 2) * 3 << endl; //輸出9 cout << 2 * ((1 + 2) * 3 + 2) << endl; //輸出22
  1. 比較運算子

在比較運算中只會有 truefalse 兩種結果。

  • <小於、>大於
  • <=小於等於、>=大於等於
  • == 相等 、 != 不相等
    (相等是==,而=是指定運算子,意義跟用途都不同,要小心不要搞混。)
  1. 邏輯運算子

在邏輯運算中只會有 truefalse 兩種結果。

  • 邏輯AND &&

AB皆為true時, A && Btrue
否則 A && Bfalse

A && B B = true B = false
A = true true false
A = false false false
  • 邏輯OR ||

AB皆為false時, A || Bfalse
否則 A || Btrue

A || B B = true B = false
A = true true true
A = false true false
  • 邏輯NOT !

Atrue 時,!Afalse
反之,Afalse 時,!Atrue

A = true A = false
!A false true

型別轉換

型別轉換顧名思義就是把某個型別轉換成另一個型別。型別轉換主要有兩種,分別是隱含型別轉換強制型別轉換

  • 隱含型別轉換

隱含型別轉換是C++ 會自動做的轉換,在一個運算式中,C++會選擇運算式中所有型別中儲存空間較大的型別,盡量避免失真的問題。

cout << 3 / 2 << endl; //輸出 1 cout << 3 / 2.0 << endl; //輸出 1.5

但如果是使用指定運算子=,C++就會以指定運算子左邊的資料型別為準。

int x = 3 / 2.0; cout << x << endl; //輸出 1

強制型別轉換

強制型別轉換是在程式運算過程中,對型別做強制的轉換。
轉換格式:

(轉換型別) 變數;
(轉換型別) 數值;

例如要將數字轉為字元的編號:

int x = 3; cout << (double)x / 2 << endl; //輸出 1.5 cout << (char)97 << endl; //輸出「a」, 97是字元'a'在ASCII碼中的編號

選擇結構

選擇結構在C++ 中用於判斷條件並決定要執行哪些程式,C++使用ifelseelse if作為選擇結構的語法,接下來會一個一個介紹它們的用法。

if

if的使用格式如下:

if(判斷條件){
    判斷條件成立時執行的程式;
}

if後的小括號用於放判斷式,如果判斷式運算結果為true,就會執行大括號內的程式碼。要注意大括號後不需要加分號。

以下是一個用於判斷你輸入的數是否大於100的程式,如果大於100,將輸出「x大於100」:

int x; cin >> x; if(x > 100){ cout << x << "大於100" << endl; }

else

若在if判斷為false,就可能會需要處理條件不成立的狀況,這時就會用到elseelse需要接在ifelse if後,else if會在後面提到。
以下是else的用法:

if(判斷條件){
    判斷條件成立時執行的程式;
}else{
    判斷條件不成立時執行的程式;
}

以下是一個用於判斷輸入的數是否大於100的程式。如果大於100,將輸出「x大於100」;否則輸出「x小於等於100」:

int x; cin >> x; if(x > 100){ cout << x << "大於100" << endl; }else{ cout << x << "小於等於100" << endl; }

else if

當你需要多個選擇時,你可以使用else if來達成,else if可以接在ifelse if後面,以下是else if的用法:

if(判斷條件1){
    判斷條件1成立時執行的程式;
}else if(判斷條件2){
    判斷條件2成立時執行的程式;
}
else{
    判斷條件2不成立時執行的程式;
}

要特別注意的是,在整個選擇結構中,如果在其中一項成立,它就會跳過結構中後面的部分。
以下是一個用於判斷輸入的數是否大於100的程式。如果x大於100,將輸出「x大於100」;如果x等於100,則輸出「x等於100」;否則輸出「x小於100」:

int x; cin >> x; if(x > 100){ cout << x << "大於100" << endl; }else if(x == 100){ cout << x << "等於100" << endl; }else{ cout << x << "小於100" << endl; }

迴圈

當你需要重複執行一樣的程式時,可以使用迴圈反覆執行相同的程式。在C++中,迴圈分為兩種:for迴圈和while迴圈。

for

for迴圈通常用在需要重複的次數已知時使用,它的格式如下:

for(一開始要執行的動作; 迴圈執行條件; 每次迴圈跑完後要執行的動作){
    迴圈內的程式;
}

for迴圈的大括號後不需要加分號。
比較常見的程式寫法如下:

for(int i = 0; i < 執行次數; i++){ //迴圈的內容 }

以下是一個可以輸出0 ~ n - 1的程式:

int n; cin >> n; for(int i = 0; i < n; i++){ cout << i << ' '; } cout << endl;

while

while迴圈的結構比for迴圈簡單,只需要一個迴圈執行條件,格式如下:

while(判斷條件){
    迴圈內的程式;
}

這是一個計算輸入數字是幾位數的程式:

int x; cin >> x; int cnt = 0; while(x > 0){ cnt++; x = x / 10; } cout << cnt << endl;

while迴圈還有另一種寫法,是使用do-while

do{ 迴圈內容 }while(執行條件);

它跟while迴圈不同的地方是,while迴圈會在一開始就檢查是否執行迴圈,而do-while則是先執行過第一次之後再判斷是否繼續執行迴圈。還有要注意在do-while的大括號後需要加上分號,while迴圈則不用。

break

break是迴圈的一個特別的指令,只能在迴圈內使用。當執行到break時,電腦會直接結束break所屬的迴圈。
以下是一個輸入數字n,輸出0 ~ n - 1的程式:

int n; cin >> n; int now = 0; while(true){ if(now >= n) break; cout << now++ << ' '; }

continue

continue也是迴圈的指令,當執行到continue時他會跳過迴圈剩下的部分,直接回到判斷迴圈條件的步驟。
以下是一個輸入數字n,輸出0 ~ n - 1的偶數的程式:

int n; cin >> n; for(int i = 0; i < n; i++){ if(i % 2 == 1) continue; cout << i << '\n'; }

陣列

陣列是多個相同資料型別的變數所組成的,陣列中的每個元素都是一個變數。它的宣告格式如下:

變數型別 陣列名稱[陣列大小]; //陣列大小須為常數

當要使用時,用中括號[]加上索引值陣列名稱[索引值]來表示陣列的某個變數。要特別注意的是,陣列的第一個位置索引值是0,以下是一些簡單的操作方式:

int a[5]; a[0] = 1; a[1] = 2; a[2] = 3; a[3] = 4; a[4] = 5;

陣列和迴圈

陣列經常搭配迴圈一起使用,以下是一個簡單的程式:

int a[10]; for(int i = 0; i < 10; i++){ a[i] = 0; }

這是一個把陣列索引0~9的值設為0的程式,可以看到這裡利用for迴圈的i作為陣列的索引。


結語

這份講義只有簡單介紹了C++ 的基礎語法,而C++ 還有很多有趣的東西值得你去探索,包括指標、類別、STL等,程式也還有很多不同的領域。
如果你對資訊奧林匹亞或是演算法有興趣的話,可以嘗試到一些線上解題網站寫個幾題,網路上也有很多學習的資源,講義最後也會附上幾個推薦網站。
但如果你想寫一些小遊戲的話,那你選錯語言了,你可能要學習物件導向程式設計,還有怎麼用程式繪製圖形等等。
最後,希望這份講義能幫助你學會C++的基礎使用方法,也期望你未來能夠在資訊這個領域持續學習、進步。

網路學習資源

AP325

AP325是由吳邦一教授編寫,適合對程式基礎語法有一定了解的人,講義裡的例題也有放在TCIRC judge上。
https://drive.google.com/drive/folders/10hZCMHH0YgsfguVZCHU7EYiG8qJE5f-m

臺大資訊之芽

臺大資訊之芽是針對高中學生設計的培訓課程,以下是C語法班和算法班的講義,只要更改網址中年份的地方就可以找到歷年的講義。

建中校內培訓講義

建中的校內培訓講義,從簡單的算法到各種困難的技巧都有。
https://tioj.ck.tp.edu.tw/articles/5

線上解題網站

TIOJ

建中的線上解題系統。
https://tioj.ck.tp.edu.tw/

zerojudge

題目較多,但要找到適合的題目也相對較難。
https://zerojudge.tw/

TCIRC judge

台中一中的線上解題系統,裡面有AP325講義的題目。
https://judge.tcirc.tw/

codeforces

最多人參加的線上競賽網站,每隔幾天就會有一場線上比賽,並且大部份的比賽都有詳解。但因為是俄羅斯的網站,所以比賽的時間都是晚上10點左右,且都是英文。
https://codeforces.com/