現代 C++ 101

:::warning WIP！ ::: # 序 C\+\+ 是一個強大的程式語言，儘管名字上相似，也有歷史淵源，但 C\+\+ 並非 C 的超集，如同Javascript 之於 Java，應該作為不同的語言看待。其能夠在兼顧高效能的同時表達高階概念，輕鬆撰寫出跨平台的程式碼，因而歷久不衰。無論是初學者，抑或已經掌握其他語言的程式設計師都適合學習。缺點則包含歷史因素導致語法艱澀等等，然而一個語言要有用並不只是良好的設計，也需要有豐富的第三方生態，因此目前看來，C\+\+ 還會繼續它的不朽。「現代 C\+\+」是指 C\+\+11 及其後的標準，與之前的標準有較大的區別，之前的標準也因此不建議學習。本教學將以 C\+\+17 為主，但也會提到一些 C\+\+20、23 的內容，並額外標註。在讀完後，應該可以掌握基礎的現代 C\+\+ 開發技能；但也請注意並不會囊括標準中所有內容，身為程式設計師應該要能夠自主解決問題、滿足需求並持續學習，而不是一味的背誦。如果有寫錯、遺漏的地方，或是有任何建議，都歡迎在 [GitHub Gist](https://gist.github.com/lumynou5/e7a1ac46ec66b03890d3b8a90a0f2c80) 下留言。 ## 致謝感謝一路上幫助我的所有人，感謝 [CISC](https://discord.gg/cisc) 的大家、網路上撰文的各位前輩，倘若沒有他們，我或許還在原地打轉，不會像現在這樣多少會點程式。也因此，希望能藉由本教學幫助到其他人，不在自己摸索的路上不斷碰壁，踏入 C\+\+ 的世界。特別感謝 [Mes](https://github.com/Mes0903) 和 [Alan Jian（CyKid）](https://github.com/alanjian85)不厭其煩地向我解釋。 # 入門 C\+\+ 是一種預先編譯的語言，這表示你必須先把你的程式碼（原始碼）「編譯」成執行檔。如此一來，若你想要分享你的程式，可以直接發送執行檔而不是要求其他人安裝執行環境（例如 Python）。這個章節中，我們將討論如何安裝必要的工具，以及撰寫第一個程式。 ## 安裝為了撰寫程式，你至少需要： - 編輯器（editor） - 編譯器（compiler）如果你正在進行一個大型專案，你甚至需要更多工具！（當然你也可以靠自己的大腦）編輯器就是任何可以編輯檔案的應用程式，例如記事本；編譯器則是「將原始碼翻譯成電腦可以執行的 0 和 1」的程式。所以，你可以使用 Windows 的記事本來寫程式，但那很不方便，因此開發者通常會使用整合開發環境（integrated development environment，IDE），一個好的 IDE 甚至可以讓開發更有效率。你可以使用 JetBrains 的 [CLion](https://www.jetbrains.com/clion/)[^CLion] 或 [Microsoft Visual Studio](https://visualstudio.microsoft.com/zh-hant/) 等。 IDE 通常有許多強大的輔助功能，但那不是我們要討論的。因此，這裡將（假設你）使用一個普通的文字編輯器，例如 [Notepad\+\+](https://notepad-plus-plus.org/) 或 [Visual Studio Code](https://code.visualstudio.com/)（VSCode）。當然也可以透過 IDE 的 GUI 操作，通常能在它們的網站上找到相關說明。接著，要安裝一個 C\+\+ 編譯器，Windows 中可以安裝 [clang](https://github.com/llvm/llvm-project/releases)，Linux 則可以使用 [gcc](https://gcc.gnu.org/)，當然這兩個實作其實都支援很多平台，也還有很多其他的編譯器，這只是建議而已。 :::info 一些 IDE 內建包含編譯器在內的工具鏈，例如 Microsoft Visual Studio 附帶 MSVC，如果你選擇使用這種 IDE，則不需要再安裝編譯器。 ::: Windows 下使用 VSCode 的環境建置可以參考[《礦坑系列・Windows 內的 C\+\+ 與 VSCode 環境建置》](https://hackmd.io/@Mes/MinerT_enviroment)。 ## 程式進入點一個函式（function）的定義包含四個部分：回傳型別（return type）、名稱、參數（parameter）、主體（body）。這裡的函式比起數學上的函數，稱作子程式（subprogram）可能更爲恰當，你可以傳入引數（argument）來呼叫（call）函式，並得到回傳值（return value）。但有時更重要的是函式的副作用（side effect），這也是函式與數學函數最大的差異；例如我們常常要在螢幕上顯示文字，那就可以把這個動作包裝成一個函式，如此一來要顯示文字只要呼叫這個函式即可，而不用撰寫重複的流程。進入點（entry point）是一個會在程式執行時，被系統呼叫的函式。在 C\+\+ 中這個函式名為 `main`，會回傳一個 `int`（也就是整數，integer）。這個整數會回傳給函式的呼叫者——系統，通常以 `0` 表示程式成功執行完畢，其他數值的含義則由系統決定。在下面的範例中，包含了一個函式，有回傳型別 `int`、名稱 `main`、參數（不接受參數），以及函式主體。主體以花括號包裹，裡面是多個述句（statement）。這個範例中只有一個述句：<code>return 0;</code>，也就是回傳 `0`。 <pre> <code><div class="wrapper"> <div class="gutter linenumber"> </div> <div class="code">int main() { return 0; } </div></div></code></pre> C\+\+ 中，`main` 函式的簽名（signature）永遠是 `int main()` 或 `int main(int, char**)`。部分編譯器如 MSVC 允許 `void main()`，但這不符合標準。同時，比起一般的函式，`main` 函式有一些特殊的屬性，例如它不能在程式中被呼叫，且可以不包含 `return`，`main` 函式的結尾隱含 `return 0;`。 ## 編譯並執行打開文字編輯器，輸入上面的程式碼（原始的程式碼通常稱作原始碼（source code））並儲存成 `main.cpp`。然後打開終端，輸入： <pre> <code>g++ -std=c++17 -o main main.cpp chmod +x main # 賦予檔案執行權限。 ./main </code></pre> `-std=c++17` 意味著使用 C\+\+17 標準編譯，這是此教學使用的標準。 `-o` 則指定了輸出的檔案名稱。注意指令會因為作業系統、shell 和編譯器而有所不同，請自行查找使用方式。 :::info 儘管在一些平台上，副檔名並非必須的，然而為了方便知道檔案的類型還是建議加上。 C\+\+ 原始碼常見的副檔名包括 `.cpp` 和 `.cc`。 ::: ## Hello World Hello World 是程式設計中一個經典的例子： <pre> <code><div class="wrapper"> <div class="gutter linenumber"> </div> <div class="code">#include <iostream> int main() { std::cout << "Hello World!"; return 0; } </div></div></code></pre> 前置處理器會在編譯之前執行前置處理器指令（preprocessor directive），也就是井號開頭的行。 `#include` 指令能要求前置處理器找到指定的檔案，然後把裡面的內容貼上到你的檔案。這裡，我們引入了 C\+\+ 標準庫中的 `iostream`，這個檔案裡有一些輸出輸入相關的東西。通常這些檔案被稱作標頭檔（header file）。 `std` 是一個命名空間（namespace），標準庫的東西都在這個命名空間中，如此一來就可以防止「撞名」。例如假如有兩個地方都叫紐約，說「美國，紐約」就可以知道是哪個紐約了。 `::` 這個運算子能夠從命名空間中取得東西，所以 `std::cout` 就是「`std` 裡的 `cout`」的意思。 `cout` 的意思是 character output，連結到標準輸出流（standard output stream），通常會輸出到終端。如果你會其他語言的話，或許會覺得 `<<` 很怪，那看起來是個位元左移運算子。事實上，那是多載過的運算子，運算子就只是個函式，但讓程式碼更清楚（例如可以使用 `one < another` 而不用像 `one.isLessThan(another)` 這樣冗長）。在這裡，`<<` 是「流出」，它將右方的值放到左方的流中。而 `"Hello World!"` 是一個字串字面值（literal）。在 C\+\+ 中，字串字面值必須使用雙引號包裹。 ## 註解註解（comment）是程式中的「筆記」，能夠讓人更快速的瞭解程式的意圖，而編譯器會忽略這些部分。可以使用兩個斜線來標記註解的開始，直到該行結束都會被編譯器忽略。從 `/*` 到第一個 `*/` 為止的內容也都會被忽略。然而為了統一風格，Google style 建議只用其中一種，而不要混用。 <pre> <code>// 這是一行註解。 /* 這是一「塊」註解。 */ </code></pre> :::info 註解的習慣十分重要！良好的註解可以讓其他人更快讀懂程式的意圖，也可以讓未來的自己更好維護。 ::: ## 使用變數當需要儲存一個值時，可以使用變數（variable）。對於大多數如 C\+\+ 一樣的命令式語言來說，變數和數學上的變數並不一樣，更像是一個在代表記憶體上特定的空間（即物件，object）的名字。最大的差異便是它是可變的（mutable）。 <pre> <code>int variable = 0; </code></pre> 例如上面的程式碼定義了一個名為 `variable` 的變數，其型別為 `int`，也就是說物件是一個整數。在 C\+\+ 中型別決定了能做的運算，例如對整數可以進行加法。變數的名字和程式中其他東西的名字，或者稱作「識別符（identifier）」，都只能包含大小寫字母、數字和底線，不能以數字開頭，且不能和任何關鍵詞一樣。實際上，C\+\+ 標準允許使用大部分的字元，但很多編譯器實作不支援，且使用其他語言不方便編寫，也不方便他人閱讀，因此不建議使用。區域變數（local variable），也就是在函式主體內定義的變數，若是內建型別的話，預設初始化並不會決定它的值，嘗試取得資料是未定義行為（undefined behavior，UB）。因此建議初始化所有變數。 ### 內建型別 C\+\+ 提供的內建型別（built-in type）包含了算術型別和一些特別的型別，算術型別中又有許多整數型別（integral type）。 #### 整數型別基礎的整數型別是 `int`，標準保證至少有16位元長，可以使用以下修飾符（modifier）： - 有號性 `signed` : 有號，預設的有號性。 `unsigned` : 無號，即只能表示 0 和正數。 - 大小（通常會省略 `int`） `short` : 至少 16 位元。 `long` : 至少 32 位元。 `long long` : 至少 64 位元。也可以將 `short`、`int`、`long`、`long long` 和其各自的無號版本視作不同型別，方便理解。 ##### 字元型別 `char` 則是字元型別，但也是整數型別的一種。然而並不建議用來當作整數運算，因為型別對程式設計師來說也決定了預期的資料類型，例如一個印出內容的函式可能會將字元型別的參數作為字元印出而非整數。 `char` 也可以使用 `signed` 和 `unsigned` 修飾，但如同前面所述，並不建議將其看作數字，若需要一個小的整數可以使用 `std::int8_t` 和 `std::uint8_t`。預設的有號性是實作定義的。寬字元（`wchar_t`，wide character）的大小至少能儲存機器所支援的任何編碼碼點。也有對應版本的 `std::wcout`，表示 wide character output。 `char8_t`（自從 C\+\+20）、`char16_t`、`char32_t` 則分別儲存 UTF-8、UTF-16、UTF-32 編碼下的一個編碼單元。這表示除了 `char32_t`，一個其他兩個型別的物件並不一定是一個 Unicode 碼點。 ##### 布爾型別 `bool` 表示一個布爾值[^布爾]（Boolean），即只有「是」和「否」兩種狀態的型別，字面值分別是 `true` 和 `false`。 #### 浮點數型別 `float`、`double`、`long double` 分別是不同精度的浮點數（single-precision、double-precision 和 extended-precision floating-point），浮點數是以二進位方式表示實數的近似值，因此存在誤差。 `float` 的精度最差，但所佔空間也較小，運算速度也較快，但得益於現代電腦效能的提升，這些差異有時並不明顯。 #### void 型別還有一個特殊的型別：`void`。其並不能作為變數的型別，用途也很少，最常見的用法是作為函式回傳型別表示沒有值會被回傳。 #### size-of 運算子為了知道型別的大小可以使用 `sizeof` 運算子，例如 `sizeof(int)` 在一些機器上會回傳 4，也就是說一個 `int` 有四個 `char` 的大小。其括號不一定要放型別，也可以是變數等。 ### 參考一個參考（reference）是一個物件的「別名」，本身並不是一個物件。使用上如下所示，型別後加上 `&` 即可。 <pre> <code>int i = 0; int& ref = i; </code></pre> 當定義一個參考變數時，必須將其繫結（bind）到一個物件，也就是告訴編譯器這個參考是哪個物件的別名，之後無法再改變繫結的對象。對 `ref` 的所有操作都等同於對 `i` 進行的。 :::info 在 C\+\+ 中，物件通常指記憶體中的資料，而非物件導向的物件。 ::: ### 指標指標（pointer）是儲存著記憶體位址（address）的型別，只要在型別後加上 `*` 表示指向前面的型別的物件的指標，例如 `int*` 表示指向一個 `int` 物件的指標、`int**` 表示指向一個 `int*` 物件的指標。要取得物件的位址可以使用取址運算子（address-of operator）`&`，要取得指向的物件則可以使用間接取值運算子（indirection operator）`*`。 <pre> <code>int i = 0; int* ptr = &i; *ptr = 10; </code></pre> :::info 未初始化的指標的值是未定義的，若嘗試取值將造成嚴重錯誤。所有指標都應該被初始化。 ::: #### 未知型別的指標指標是儲存記憶體位址的型別，也就是說，在那個位址儲存著什麼物件對指標來說應該是不重要的，但 C\+\+ 的指標卻要指定指向物件的型別；這是因為型別決定了物件能做的運算，也可以降低開發者的負擔，不需要擔心指標指向的物件是什麼型別。不過仍然有一個特殊的指標型別：`void*` 用以表示「通用」的指標。這個型別並不建議使用，大部分時候也不需要用，除非確定自己在做什麼，否則不要撰寫這樣的程式碼。 #### 指標的運算指標可以進行加和減的運算，表示指標後或前的物件，例如 `ptr + 1` 表示 `ptr` 往後一個位置的物件。 #### 迷途指標迷途指標（dangling pointer，又稱懸空指標、野指標）是指指向無效位址的指標。例如 `ptr + 1` 指向了 `i` 之後一個物件，顯而易見的，這個指標沒有任何意義。這也是為什麼所有指標都應該初始化，否則的話，由於其值未定義，不小心對其取值可能會造成嚴重的錯誤。 #### 空指標如果一個指標不指向任何東西，或者說指向「空」，可以使用字面值 `nullptr`，這個特殊的值可以隱式轉換成任何指標。如此一來，即使一個指標暫時沒有值，也可以讓其指向空，而避免掉造成迷途指標。嘗試對空指標取值是未定義行為。 ### 陣列陣列是一種使用一個變數來存取多個物件的方式，也就是說，可以只用一個陣列變數來表示一連串同型別的資料，而不用多個變數。 <pre> <code>int arr[3]; // `arr` 有 3 個整數元素，其值未定義。 </code></pre> 可以使用初始化列表來初始化陣列元素的值。如果有初始化，也可以讓編譯器自行推導陣列長度： <pre> <code>int arr[] = {10, 20, 30}; // `arr` 的長度為 3。 </code></pre> 然而傳統陣列也有許多缺點，例如無法一次存取整個陣列： <pre> <code>int a[] = {10, 20, 30}; int b[] = a; // 錯誤，陣列只能使用預設初始化或列表初始化。 a = {50, 60, 70}; // 錯誤，初始化列表並不是建構一個陣列。 </code></pre> 要存取陣列中的元素，可以使用下標運算子（subscript operator）`[]`。值得注意的是索引（index）是從 0 開始的，且*沒有超界檢查*。因此如果使用 `a[3]`，就像對迷途指標取值一樣，會造成未定義行為。 <pre> <code>std::cout << arr[0]; </code></pre> `sizeof` 運算子會回傳陣列大小相當於多少個 `char`，就像對其他型別一樣，因此對於一個長度為 3 的 `int` 陣列，在 `int` 是 4 個 `char` 的情況下，會得到 12。 #### 陣列與指標的轉換在需要指標的地方給一個陣列，會隱式轉換為「指向陣列中第一個物件的指標」，換言之，`arr` 與 `&arr[0]` 在這種情況下是等價的。這也表示 `*(arr + idx)` 與 `arr[idx]` 會得到同樣的值，因為陣列是連續的儲存資料，所以指向第一個物件的指標加上索引值，就是指向該索引的物件的指標了。 <pre> <code>int arr[3] = {10, 20, 30}; int* ptr0 = arr; int* ptr1 = &arr; // 錯誤，`int(*)[3]` 無法轉換至 `int*`。 int(* ptr2)[3] = &arr; </code></pre> ### 字面值所謂字面值（literal）便是寫死在程式碼中的值，例如 `0` 是一個 `int` 型別的字面值。整數字面值後可以加上後綴，來指定型別（預設是 `int`）。後綴不分大小寫，但通常使用大寫，因為字母 `l` 和數字 `1` 外形相似。 | 後綴 | 型別 | | ---- | ----------- | | `U` | `unsigned` | | `L` | `long` | | `LL` | `long long` | 例如，`10UL` 是一個 `unsigned long` 型別的整數。也可以加上前綴來改變進位制，一般是十進位，`0x` 開頭的數字則是十六進位，`0` 開頭的數字是八進位。 --- 只要數字中包含小數點，預設型別便是 `double`。若字面值沒有小數位，但想使用 `double` 型別，可以加上小數點，如 `10.`。一個浮點數字面值（必須有小數點才可使用）可以加上以下後綴： | 後綴 | 型別 | | ---- | ------------- | | `F` | `float` | | `L` | `long double` | --- 字元和字串字面值預設是 `char` 和 `const char[]` 型別，可以使用以下前綴（大小寫敏感）來改變型別（或陣列元素的型別）。 | 前綴 | 型別 | | ---- | ---------- | | `L` | `wchar_t` | | `u8` | `char8_t` | | `u` | `char16_t` | | `U` | `char32_t` | 其中 `u8` 只有字串字面值可以使用。字元字面值以單引號包裹，字串字面值以雙引號包裹，其中可以使用跳脫序列（escape sequence）來表示特殊字元。 | 跳脫序列 | 字元 | | ------------ | -------------------------- | | `\'` | 單引號（single quote） | | `\"` | 雙引號（double quote） | | `\?` | 問號（question mark） | | `\\` | 反斜線（backslash） | | `\a` | 響鈴（audible bell） | | `\b` | 退格（backspace） | | `\f` | 換頁（form feed） | | `\n` | 換行（line feed） | | `\r` | 回車（carriage return） | | `\t` | 水平製表（horizontal tab） | | `\v` | 垂直製表（vertical tab） | | `\000` | 位元組 `000`，八進位表示 | | `\x00` | 位元組 `00`，十六進位表示 | | `\u0000` | Unicode 碼點 `U+0000` | | `\U00000000` | Unicode 碼點 `U+00000000` | 前綴 `R` 可以關閉跳脫序列，詳細用法可以參考 [cppreference](https://zh.cppreference.com/mwiki/index.php?title=cpp/language/string_literal&variant=zh-tw)，這裡就不展開討論了。一個字串字面值的陣列長度和看起來不會一樣，例如 `"C++"` 的長度為 4，因為其結尾會有一個空字元 `\0`，這是 C 式字串（使用字元陣列表示字串）的特性：空結尾（null-terminated）。 ## 標準輸出與標準輸入先前說過，`iostream` 中提供了輸出、輸入相關的操作介面，這一節將說明更多應用。 ### 輸出 `<<` 運算子會輸出右運算元，然後回傳輸出流，因此可以連續使用。且其能輸出各種型別的物件，包含整數、浮點數、字元、指標（會輸出記憶體位址）等。 <pre> <code>std::cout << "Hello " << 20; </code></pre> 等等，陣列會被隱式轉換成指標，那 `std::cout` 是怎麼輸出字串的？之前提過，C 式字串實際上是字元陣列，並且以空字元結尾，因此我們只需要輸出 `*(ptr + idx)`，直到空字元即可。標準庫還提供了一些稱作流操作子（stream manipulator）的方法，用於操作流的一些行為： `std::flush` : 刷新輸出流，也就是把緩衝區（buffer）中的字元輸出。 `std::endl` : 插入換行並刷新流。 `std::setprecision` : 設定數值精度。當數值無法在指定位數內表示，將使用科學記號。 <pre> std::cout << std::setprecision(3) << 3.1415; // 輸出 `3.14`。 </code></pre> `std::fixed` : 設定小數位數。 <pre> <code>std::cout << std::fixed << std::setprecision(3) << 3.00014; // 輸出 `3.000`。 </code></pre> `std::setw`、`std::setfill`、`std::left`、`std::right` : <pre> <code>std::cout << std::setw(10) // 設定寬度。 << std::setfill(' ') // 設定填充字元。 << std::right // 靠右對齊。 << 3.1415; // 輸出 ` 3.1415`。 </code></pre> ### 輸入標準輸入流 `std::cin` 和 `std::cout` 相似，可以使用 `>>` 來「流入」。 <pre> <code>int input; std::cin >> input; </code></pre> :::spoiler 關於流與 I/O C\+\+ 的流某方面來說設計十分不良。 - 操作子實際上控制了物件該怎麼格式化（format），例如 `setw` 控制了寬度。然而操作子這種格式化與 I/O 分離不佳的方式致使流必須儲存這些狀態，使流變得不必要地複雜。且這些全域的狀態使程式更容易寫錯，例如： <pre> <code>std::cout << std::setw(10) << std::setfill('0') << x; // 沒有將狀態設回去！ </code></pre> 比起操作子，以下方法顯然更為直觀： <pre> <code>std::cout << pad(to_string(x), 10, '0'); </code></pre> - 對本地化支援不佳，例如： <pre> <code>std::cout << "My name is " << name << " and I'm " << occupation << " from " hometown; </code></pre> 字串難以翻譯，也難以適應 GNU gettext 等本地化庫。 C 式 I/O，如 `printf` 等函式雖然沒有以上問題，但也具有許多缺陷，例如無法擴展、型別不安全等等。更好的方法應該是使用其他庫，例如 [{fmt}](https://github.com/fmtlib/fmt)。在 C\+\+ 中使用 `<cstdio>` 提供的 C 式 I/O 並沒有不好，最重要的只使用其中一種，保持一致。參見 [Stack Overflow - Who architected / designed C++'s IOStreams, and would it still be considered well-designed by today's standards?](https://stackoverflow.com/questions/2753060/who-architected-designed-cs-iostreams-and-would-it-still-be-considered-wel)。 ::: ## 實作猜數字遊戲利用先前的知識，可以寫出以下的程式： <pre> <code><div class="wrapper"> <div class="gutter linenumber"> </div> <div class="code">#include <iostream> int main() { int answer = 5; int input; std::cout << "輸入一個 1~10 的整數。" << std::endl; std::cin >> input; return 0; } </div></div></code></pre> 要判斷輸入的數字是否正確可以使用 `if`，在後方放一對括號，其中放入條件（一個布爾值），就可以做到「如果（if）條件成立，才做某件事」。可以再加上 `else`，當條件不成立時做另一件事。因此我們在程式碼中加上： <pre> <code><div class="wrapper"> <div class="gutter linenumber"> </div> <div class="code"> if (input == answer) { std::cout << "猜對了！" << std::endl; } else { std::cout << "猜錯了！正確答案是：" << answer << std::endl; } </div></div></code></pre> 其中 `==` 是等於運算子（equal-to operator），會在兩邊的運算元相等時回傳 `true`，否則回傳 `false`。不過現在每次的答案都是 5，並不有趣。為了產生隨機產生答案，引入 `cstdlib`，並將字面值 `5` 改成 `std::rand() % 10 + 1`。 `%` 是取餘運算子（remainder operator），將亂數除以 10 的餘數加上 1，得到的結果便必定落在 1 到 10 之間。不過即使隨機產生了，答案卻每次都一樣，這是因為電腦只能通過數學計算取得偽亂數（pseudo random），只要種子（seed）一樣就會產生一樣的偽亂數序列，這也是為什麼在 Minecraft 中同樣種子會生成一樣的「隨機」世界。為了每次都使用不同的種子，要引入 `ctime`，並在呼叫 `std::rand` 前使用 `std::srand(std::time(nullptr))` 將時間設為種子。最終程式碼： <pre> <code><div class="wrapper"> <div class="gutter linenumber"> </div> <div class="code">#include <iostream> #include <cstdlib> #include <ctime> int main() { std::srand(std::time(nullptr)); int answer = std::rand() % 10 + 1; int input; std::cout << "輸入一個 1~10 的整數。" << std::endl; std::cin >> input; if (input == answer) { std::cout << "猜對了！" << std::endl; } else { std::cout << "猜錯了！正確答案是：" << answer << std::endl; } return 0; } </div></div></code></pre> 注意這並不是最佳實作，此程式碼只是作為示例。 # 前置處理器前置處理器指令會在編譯之前執行，替換掉原始碼的一些內容，並且永遠以井號開頭、換行結尾。 ## 引入我們已經看過 `#include` 指令很多次了，它可以找到指定的檔案，並把內容複製到你的程式碼中。當引數是以角括號包裹時，前置處理器會從系統目錄尋找，使用雙引號則是從目前目錄。更詳細的差異可以參考 [cppreference](https://zh.cppreference.com/mwiki/index.php?title=cpp/preprocessor/include&variant=zh-tw)。因為只是複製貼上，我們通常需要把 `#include` 放在其他程式碼前面，否則，由於 C\+\+ 編譯器是由上到下讀取，在 `#include` 之前的程式碼將無法使用之後才引入的東西。 ### 標頭檔標頭檔（header files），也就是被引入的檔案，應該要能夠單獨編譯，也就是說其內容應該是完整、合法的 C\+\+ 程式碼。如果單純要插入內容，建議使用副檔名 `.inc`。 ## 定義使用 `#define` 定義的東西稱作巨集（macro），會在編譯之前被展開，也就是取代成原本的內容。為了方便辨識，巨集名稱通常全部大寫，並以底線分隔字詞。 <pre> <code>#define PI (3.1415F) </code></pre> 注意這並不是一個變數，`PI` 不會佔用記憶體，而是在編譯之前，所有的 `PI` 都會被取代成 `(3.1415F)`。數字加上括號是為了避免在某些地方被展開導致非預期的結果。 --- 巨集也可以接受引數： <pre> <code>#define MAX(a, b) (a > b ? a : b) </code></pre> 其中 `? :` 是條件運算子（conditional operator），也是 C\+\+ 中唯一一個接受三個運算元的運算子，因此也有人直接將其稱作三元運算子。當第一個運算元為 `true`，會回傳第二個運算元，反之回傳第三個。 ## 條件編譯所謂條件編譯，顧名思義，只在某些情況下編譯某些程式碼。通常會使用 `#ifdef` 和 `#ifndef`，來分別在定義或沒有定義某些巨集的情況下使用不同的程式碼。例如針對不同作業系統使用不同版本的實作，或是透過 `#if` 與比較運算子來根據版本條件編譯等等。 `#else` 指令標記條件不成立時應該編譯的程式碼，`#elif`、`#elifdef`、`#elifndef`（自從 C\+\+23） 則可以進行多種情況選擇的條件編譯。條件編譯預處理器指令必須以成對的 `#endif` 指令標記條件編譯的程式碼的範圍。 ### 引入防範由於 `#include` 指令只是複製貼上，因此如果引入同一個標頭檔兩次，便會因為重複定義造成錯誤，或造成編譯時間延長。對於這個問題，最常見的做法是使用引入防範（include guard），這也是條件編譯最常見的使用情境。 <pre> <code>#ifndef CPPTUTORIAL_EXAMPLE_HEADER_H // 如果沒有定義…… #define CPPTUTORIAL_EXAMPLE_HEADER_H // 內容。 #endif </code></pre> 引入防範的巨集名稱應盡可能獨一無二，通常使用專案名稱和標頭檔路徑。另一種做法是在標頭檔的第一行使用非標準的指令 `#pragma once`，如果編譯器不支援會直接忽略，因此不建議使用。 ### 標準特定如果希望函式庫能夠為新版標準的使用者提供對應的功能，或其他類似的場景，`__cplusplus` 巨集能用以判斷編譯時的標準。例如，在 C\+\+11，其被定義成 `201103L`，14 被定義成 `201402L` 等等，參見 [cppreference](https://zh.cppreference.com/mwiki/index.php?title=cpp/preprocessor/replace&variant=zh-tw)。但這個巨集也有其限制，例如 MSVC 總是將其定義為 `199711L`，除非使用選項 `/Zc:__cplusplus`。 # 控制流程控制流程（control flow）是指令式程式設計的一個特點，指的是程式求值或執行的順序。控制流程述句則是指程式語言中用以改變執行順序的述句，包含先前看過的 `if` 等。 ## goto 與標籤標籤是原始碼中某個特定位置的名稱，可以使用 `goto` 來跳轉到標籤位置。 <pre> <code> goto label; std::cout << "This will never be executed." << std::endl; label: std::cout << "Hello World!" << std::endl; </code></pre> 值得注意的是，變數的生命週期不能在 goto 之後開始、但在標籤之前未結束。這是因為如果一個變數在 goto 和標籤之間定義，那麼 goto 就會跳過這個變數的定義。換句話說，如果上面的範例中，在 `goto label;` 和 `label:` 之間加上 `int x = 0;`，便不會通過編譯。但如果把變數放在一對花括號之中——`{ int x = 0; }`——變數會在離開作用域時解構，因此可以通過編譯。 :::info 濫用 goto 的話會導致控制流程複雜、像義大利麵一樣糾纏在一起，也就是所謂的 spaghetti code！ ::: ## 回傳我們在一開始就看過回傳了，回傳述句會將控制流程交還給函式的呼叫者，並回傳一個值回去。 <pre> <code>void hello() { std::cout << "Hello!" << std::endl; return; } </code></pre> 位於函式末端，且沒有值要回傳時（回傳型別為 `void`），回傳述句可以省略。 ## if-else 我們已經知道 `if` 會在條件成立時執行後方的述句，還可以加上 `else` 以在條件不成立時執行另外的述句： <pre> <code>if (cond) { // ... } else { // ... } </code></pre> 事實上，`if` 和 `else` 執行的都是「後方的一個述句」，而這個述句也可以是一個區塊，以此來讓其可以執行多個述句。但為了可讀性與可維護性，即使只有一條述句，大多數情況下仍然建議加上花括號。利用 `else` 執行的是下一個述句的特性，可以做到 if-else-if： <pre> <code>if (cond) { // ... } else if (cond) { // ... } else { // ... } </code></pre> ## switch C\+\+ 中的 switch 述句可以在給定的值與某些編譯時已知的常數相等時分別跳轉到不同的位置，但只適用於整數型別。比起大量的 if-else，switch 有更好的可讀性與效能。 <pre> <code>switch (c) { case 'a': std::cout << "The character is 'a'!" << std::endl; break; case 'b': std::cout << "The character is 'b'!" << std::endl; break; default: std::cout << "The character is neither 'a' nor 'b'!" << std::endl; } </code></pre> break 是 C\+\+ 的跳轉述句之一，在 switch 中能夠退出 switch 述句。也可以透過不加上 `break;` 來實現在等於不同的常數時都做相同的事。 :::spoiler TL; DR C\+\+ 的 switch 述句有那麼多奇怪的限制的原因可以從比較底層的角度來看，例如，編譯器可以以分支表（branch table，又稱跳轉表 jump table）實作： <pre> <code> static void* switch_table[] = { &&case_a, &&case_b, &&case_default }; std::size_t index = c - 'a'; if (index > 1) goto case_default; goto *switch_table[index]; case_a: std::cout << "The character is 'a'!" << std::endl; goto done; //break; case_b: std::cout << "The character is 'b'!" << std::endl; goto done; //break; case_default: std::cout << "The character is neither 'a' nor 'b'!" << std::endl; done: </code></pre> 這也是為什麼其效能會優於巢狀的 if-else。參閱[《你所不知道的 C 語言：goto 和控制流程篇・switch 背後的 goto 和實作考量》](https://hackmd.io/@sysprog/c-control-flow#switch-%E8%83%8C%E5%BE%8C%E7%9A%84-goto-%E5%92%8C%E5%AF%A6%E4%BD%9C%E8%80%83%E9%87%8F)。 ::: ## 迴圈迴圈（loop）是一段重複執行的程式碼。所有迴圈述句都可以使用 break 和 continue 述句。類似於在 switch 之中，break 在迴圈中會直接退出迴圈；continue 則會跳過迴圈的剩餘部分，開始下一次迭代，等同於直接 goto 到迴圈的結尾。 ### while 迴圈 while 述句是條件控制的迴圈（condition-controlled loop），會在條件成立時執行一次。 <pre> <code>while (cond) { // ... } </code></pre> ### do-while 迴圈 do-while 和 while 類似，但改在迴圈的結尾檢查條件，因此至少會執行一次。 <pre> <code>do { // ... } while (cond); </code></pre> ### for 迴圈 <pre> <code>for (int i = 0; i < 10; ++i) { // ... } </code></pre> for 後面的括號中的三個部分分別是初始化（initialization）、條件（condition）、遞增式（increment）。初始化在開始時執行一次，條件在每次循環開始時檢查（和 while 迴圈一樣），遞增式則在每次循環結束後執行。每個部分都是可選的。 ### 基於範圍的 for 迴圈基於範圍的 for 迴圈（range-based for loop）是在 C\+\+11 加入的新特性，能夠更簡潔的遍歷一個容器。當一個容器有提供 `begin` 和 `end` 兩個方法就可以這樣使用。 <pre> <code>std::vector<int> vec; for (int& x : vec) { // ... } </code></pre> 在上面的例子中，`std::vector` 是標準庫中提供的一個容器，與向量沒太大關聯，實際上是可變長度的陣列資料結構。 `x` 是一個參考，所以迴圈中的程式碼可以更改到儲存的數字。如果不是參考的話，則會透過複製將 `vec` 中的值賦值給 `x`。 # 函式我們先前已經看過函式了，定義一個函式要有回傳型別、名字、參數、以及主體。例如： <pre> <code>int foo(int x) { return x + 1; } </code></pre> 而我們可以這樣呼叫： <pre> <code>int main() { int x = 10; x = foo(x); std::cout << x; return 0; } // ... </code></pre> 然而，編譯器卻報錯了。因為 C\+\+ 編譯器是逐行解析程式碼，在 `main` 函式中它並不知道 `foo` 是什麼，所以我們需要先宣告（declare）`foo` 才行。 <pre> <code>int foo(int); // ... </code></pre> 宣告（declaration）中可以省略參數名，如以上程式碼中所示，但仍然建議加上。 :::warning To be continued... ::: # 附錄：延伸閱讀 - [cppreference](https://zh.cppreference.com/mwiki/index.php?title=%E9%A6%96%E9%A1%B5&variant=zh-tw)，[英語頁面](https://en.cppreference.com/w/) - [礦坑系列](https://hackmd.io/@Mes/Cpp_Miner/https%3A%2F%2Fhackmd.io%2F%40Mes%2FPreface) - [潮・C\+\+](https://tjsw.medium.com/) - [良葛格學習筆記](https://openhome.cc/Gossip/CppGossip/) # 變更記錄 :::spoiler 變更記錄 ## 2023-05-30 - 新增關於流和 C 式 I/O 的描述。 ## 2023-05-18 - 改善敘述。 ## 2023-04-05 - 更新 [GitHub Gist](https://gist.github.com/lumynou5/e7a1ac46ec66b03890d3b8a90a0f2c80) 連結。 - 更新 [HackMD 主題](https://hackmd.io/@lumynou5/dark-theme/edit)嵌入名稱。 ## 2023-04-04 - 改善排版。 - 「Boolean」改譯為「布爾」，視語境可能指「布爾值」。由於中文中較無如英文直接以「Boolean」指「布爾值」的使用，以及註釋中提到的原因，筆者認為此翻譯較為合理且不會導致歧義。 ## 2023-03-27 - 加入〈函式〉。 ## 2023-03-14 - 〈入門・程式進入點〉中加入有關 `main` 函式特殊性的描述，改善敘述。 ## 2023-03-12 - 〈入門・程式進入點〉中加入有關 `main` 函式簽名的描述。 ## 2023-03-09 - 將回饋連結改為 [GitHub Gist](https://gist.github.com/Luminous-Coder/e7a1ac46ec66b03890d3b8a90a0f2c80)。 ## 2023-03-06 - 為「呼叫」加入對應英文註記「call」（〈入門・程式進入點〉中）。 ## 2023-03-01 - 〈入門・安裝〉中 g++ 改為 gcc。 - 改善〈入門・安裝〉中的語句。 - 加入「MSVC」縮寫。 - 〈控制流程・goto 與標籤〉中加入對濫用 goto 的警告。 - 〈控制流程・switch・TL; DR〉中的程式碼從虛擬碼改為使用 GNU extension computed goto 的非標準 C++，改善敘述。 ## 2023-02-13 - 變更記錄改為使用 spoiler。 ## 2023-02-11 - 將 cppreference 的連結統一改為 zh-tw 頁面。 - 〈附錄：延伸閱讀〉加入[《良葛格學習筆記》](https://openhome.cc/Gossip/CppGossip/)。 ## 2023-02-07 - 加入變更記錄。 - 加入〈前置處理器・條件編譯・標準特定〉。 - 〈入門・安裝〉加入有關 Microsoft Visual C\+\+ 的描述。 ::: --- 版權所有 (c) 2023 Lumynous 所有內容在 [CC「姓名標示—非商業性—相同方式分享」4.0 國際公眾授權條款](https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/legalcode.zh-Hant)下發佈。 {%hackmd @lumynou5/dark-theme %} [^CLion]: CLion 需要付費，但如果你是學生便可以申請教育方案，免費使用 JetBrains 的各種 IDE，GitHub Student Developer Pack 中也有贈送。但也請注意 CLion 與 Visual Studio 作為全面的 IDE 或許會造成初學者有些不知所措。 [^布爾]: 臺灣更為廣泛使用的翻譯為「布林」，但由於「Boolean」源自 [George Boole](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E4%B9%94%E6%B2%BB%C2%B7%E5%B8%83%E5%B0%94) 的姓氏，是其形容詞化，直接音譯不妥，故本文採用其姓氏之音譯「布爾」。 *[MSVC]: Microsoft Visual C++ <style> /* Header Numbering */ .markdown-body { counter-reset: h1 h2 h3; } .markdown-body h1::before { counter-set: h2 0; counter-increment: h1; content: counter(h1) ". 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