C++基礎語法介紹

# 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** ```cpp= #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 -2^31^ ~ 2^31^-1 (-2147483648~2147483647) * 佔用空間 4 Byte ```cpp int x = -100; ``` ##### unsigned int * 範圍 0 ~ 2^32^ - 1 * 佔用空間 4 Byte * 沒有負數 ```cpp unsigned int x = 0; ``` ##### long long * 範圍 -2^63^ ~ 2^63^-1 * 佔用空間 8 Byte ```cpp long long x = 1000000000000000; ``` ##### unsigned long long * 範圍 0 ~ 2^64^-1 * 佔用空間 8 Byte * 沒有負數 ```cpp 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 ```cpp float x = 3.1415; ``` ##### double * 精準至約小數點後第十五位 * 佔用空間 8 Byte ```cpp 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 用`' '`表示一個字元 ```cpp char c = 'a'; ``` ##### string * 儲存字串(多個字元) 用`" "`表示字串 ```cpp 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)` 或 `false(0)` * 占用空間 1 Byte ```cpp= 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。 ```cpp= 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`和`'\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） ```cpp 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。 ```cpp= 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 ``` 2. ### **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 `+` ```cpp int x = 3 + 2; ``` * #### 減法 `-` ```cpp 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。 ```cpp= 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。 ```cpp= int x = 0; cout << --x << endl; // x = -1, 輸出-1 cout << x-- << endl; // x = -2, 輸出-1 ``` * #### 乘法 `*` ```cpp 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。 ```cpp= int x = 7 / 2; // x = 3 float y = 1.0 / 2.0; // y = 0.5 ``` * #### 取餘數 `%` ```cpp 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`()`**。 ```cpp= cout << (1 + 2) * 3 << endl; //輸出9 cout << 2 * ((1 + 2) * 3 + 2) << endl; //輸出22 ``` 3. ### **比較運算子** 在比較運算中只會有 `true` 或 `false` 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。） 4. ### **邏輯運算子** 在邏輯運算中只會有 `true` 或 `false` 兩種結果。 * #### 邏輯AND `&&` `A`、`B`皆為true時， `A && B` 為`true`，否則 `A && B` 為 `false`。 | A && B | B = true | B = false| | ------------ | -------- | -------- | | **A = true** | true | false | | **A = false**| false | false | * #### 邏輯OR `||` `A`、`B`皆為`false`時， `A || B` 為`false`，否則 `A || B` 為 `true`。 | A \|\| B | B = true | B = false| | ------------ | -------- | -------- | | **A = true** | true | true | | **A = false**| true | false | * #### 邏輯NOT `!` 當 `A` 為 `true` 時，`!A` 為 `false`。反之，`A` 為 `false` 時，`!A` 為 `true`。 | | 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**及**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。 ```cpp= 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。 ```cpp= 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： ```cpp= 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`if`、`else`和`else 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」： ```cpp= 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`else`。`else`需要接在`if`或`else 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」： ```cpp= 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`if`或`else 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」： ```cpp= 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; } ``` 在`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： ```cpp= 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： ```cpp= int n; cin >> n; for(int i = 0; i < n; i++){ cout <> 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`。 ```cpp= 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: ```cpp= 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: ```cpp= int n; cin >> n; for(int i = 0; i < n; i++){ if(i % 2 == 1) continue; cout < ## 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： ```cpp= 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： ```cpp= 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。 * C語法班講義 https://tw-csie-sprout.github.io/c2021/#!slides.md * 算法班講義　https://www.csie.ntu.edu.tw/~sprout/algo2021/ #### **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/

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`Code`	`Code`	在筆記中貼入程式碼
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