臺中一中電研社C++教學講義 === >[name=張皓凱、沈奕呈][time=Sep 24,2021] ###### tags:`tcirc` `社課` `C++` `台中一中電研社` --- 第一節社課 === [TOC] --- ## 開始 首先感謝大家來參加我們電研社，沒接觸過`c++`的人不用擔心，我們會從零基礎教起，而且會盡量用讓大家容易懂的方式教喔，有任何不清楚的地方都可以舉手發問，回家可以練練題目讓自己進步更快喔； 如果是去年已經來過`c++`班的資深社員可以考慮看看新開的python班，或是解解我們電研開的judge😛 --- ## tcirc judge -[https://judge.tcirc.tw/](https://judge.tcirc.tw/) --- ## C++ > C++是一種被廣泛使用的電腦程式設計語言。它是一種通用程式設計語言，支援多重程式設計模式，例如：程序化程式設計、資料抽象化、物件導向程式設計、泛型程式設計和設計模式等。 (引用自維基百科) ---- 反正就是通用，很多平台支援，歷久不衰，適合用於畫面呈現需求低作業👍👍 --- ## IDE > 整合開發環境（Integrated Development Environment，簡稱IDE），是一種輔助程式開發人員開發軟體的應用軟體，在開發工具內部就可以輔助編寫原始碼文字、並編譯打包成為可用的程式。 (引述自維基百科) 簡單來說就是可以幫助你寫程式更方便的一種軟體，常見的有：codeblock, devc++, eclipse, visual stdio... ---- IDE主要有的功能有： 1. 將程式碼上色以方便閱讀 2. 自動排版 3. 智慧完成程式碼(Intelligent code completion) 4. 將編譯這個麻煩的動作變成一個按鈕 5. 預覽圖形介面(GUI) 6. 除錯(debug) --- ## 編譯(compile)(補充) 程式語言一共分成三種，高階語言、組合語言(Assembly Language)及機器語言(Machine Code)，一般常聽到的程式名稱都是高階語言，例如：C++, python, java, javascript, ruby...而高階語言及組合語言是讓人類看的，電腦是無法閱讀的，所以這時候就需要一個翻譯，那就是編譯器。這三種語言的關係圖如下： ----  (圖源：https://kopu.chat/2017/04/14/arm-intel-cpu/) ---- **C++：** ```cpp= #include<iostream> using namespace std; int main(){ cout<<"hello world"<<'\n'; return 0; } ``` ---- **組合語言：** ```assembly= .LC0: .string "hello world" main: push rbp mov rbp, rsp mov esi, OFFSET FLAT:.LC0 mov edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout call std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*) mov esi, 10 mov rdi, rax call std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char) mov eax, 0 pop rbp ret __static_initialization_and_destruction_0(int, int): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov DWORD PTR [rbp-4], edi mov DWORD PTR [rbp-8], esi cmp DWORD PTR [rbp-4], 1 jne .L5 cmp DWORD PTR [rbp-8], 65535 jne .L5 mov edi, OFFSET FLAT:_ZStL8__ioinit call std::ios_base::Init::Init() [complete object constructor] mov edx, OFFSET FLAT:__dso_handle mov esi, OFFSET FLAT:_ZStL8__ioinit mov edi, OFFSET FLAT:_ZNSt8ios_base4InitD1Ev call __cxa_atexit .L5: nop leave ret _GLOBAL__sub_I_main: push rbp mov rbp, rsp mov esi, 65535 mov edi, 1 call __static_initialization_and_destruction_0(int, int) pop rbp ret ``` ---- **機器語言：** 會由一堆0和1構成，但因為過於攏長，這裡就不列出了。 以上的內容聽不懂就算了，對於以後寫程式不會有什麼影響。 --- ## hello world ```cpp= #include<iostream> using namespace std; int main(){ //this program will print hello world cout<<"hello world"<<'\n'; return 0; } ``` ``` /*OUTPUT--- hello world ------------*/ ``` --- ### #include (工具箱🧰) ```cpp= #include<iostream> ``` 用來引入一些寫好的程式碼("標頭檔")，包含許多函數和物件(工具🔧)，而`<iostream>`標頭檔包含一些基本物件及函式 --- ### namespace (哪來的工具) ```cpp= using namespace std; ``` 用來區分函式及物件所屬的函式庫，通常我們使用的為標準函式庫(standard library) --- ### main{} (主要工作區) ```cpp= int main(){ // your code goes here return 0; } ``` 稱作「主函式」，由作業系統呼叫，並從此函式開始執行程式碼 大部分的程式會寫在這裡，也就是 `{` 到 `}` 之間 (在主函式之前可以寫全域變數、函式、前置編譯指令) --- ### cout ```cpp= cout<<"hello world"<<'\n'; ``` 執行程式時可以把想輸出的東西(數字、字元、字串)顯示在使用者的畫面上，cout後面要加上 `<<` 再接上想要輸出的東西 這裡要輸出字串(兩個以上的字或中文字)，得用雙引號(`" "`)放在字串前後 --- ### 註解 ```cpp= //this program will print hello world ``` 這行就是註解，如果要寫的程式有點複雜的時候(要做不只一件事情)，寫註解可以提醒你要做哪些事情、一項一項來看事情有沒有做好(就像寫待辦事項一樣)； 當你以後重新回來看這支程式(或是和其他人合作寫一支程式)的時候，可以比較快理解每行程式碼在做什麼🤔🤔 ---- 寫法: - 單行註解:先打上 `//` 再寫上註解 - 多行註解:用 `/*` 和 `*/` 把註解包起來 註解單純只是寫給人理解程式碼用的，裡面的內容是不會被編譯，也不會被執行的。所以裡面要寫什麼都可以(包括程式碼) --- ### 分號 `;` 請在每行程式碼結束的地方(通常是最後面)加上分號 **這很重要** 就像寫作文要分段一樣，不在後面加上分號的話系統執行會出錯 (就像作文老師會毫不留情給你0級分😂😂) --- ### 題目練習:[b003: Hello,TCFSH!](https://judge.tcfsh.tc.edu.tw/ShowProblem?problemid=b003) - 練習cout --- ## 各種型態的輸出 ```cpp= cout<<"hello world"<<'\n'; ``` - 數字與變數 純數字或「變數」的輸出前後不用加東西 - 字元 單一個字(英文、數字、符號)的輸出得用單引號(' ')放在字元前後(**中文**算字串得用雙引號) - 字串 兩個字以上和**中文**的輸出得用雙引號(" ")放在前後 - 跳脫字元 這個的輸出也是得用單引號(' ')放在前後，下一頁是它的獨立介紹 --- ### 跳脫字元 跳脫字元是在特定字元前加上一個反斜線(`\`)，為了讓系統知道某些符號不是用於特殊功能，就只是一個字元而已，或是模擬鍵盤上的其他功能 ---- #### 一些跳脫字元 - ‘\0’ 空字元，用於字串的結束 - ‘\n’ New Line，換行符號 - ‘\r’ Carriage Return，回歸鍵(即 Enter 鍵) - ‘\t’ Tab，跳格 - ‘\b’ Backspace，倒退鍵 - ‘\a’ Bell，嗶一聲 - ’ \\\\ ’ 反斜線 \ - ’ \’ ’ 單引號 ’ - ’ \\" ’ 雙引號 " --- ### 題目練習:[b004: 串串的強迫症](https://judge.tcfsh.tc.edu.tw/ShowProblem?problemid=b004) - 練習使用跳脫字元 --- ## 變數 存放在電腦裡的資料，不能更動的稱為常數，可以更改內容的則稱為變數。類似於數學中的x, y。 ---- ### 宣告 在C++中任何的變數都需要先透過宣告後才能夠使用，相當於數學中要先假設未知數後，才可以使用未知數。而宣告的方法如下： ```cpp= 資料型態 變數名稱; int a; float b; char c; int d, e; ``` 在宣告時對於同資料型態的變數可以同時宣告多個變數，只需要在各個變數之間加上逗號即可。 ---- * 變數名稱是自己決定的，可以是任何未被定義的英文及數字字串。已經被定義的字串例如：資料型態名稱(int, float, char)，純數字(2, 56)，函式名稱(sort, upper_bound) * 變數名稱建議使用方便辨識及輸入的字串，如：a, temp, num * **<font color="#f00">每行結束務必記得加分號!</font>** ---- ### 賦值 有了變數之後就可以設定變數的值，將一個變數的記憶體覆寫為一個值的過程就稱為賦值。 實際操作上會使用`=`來賦值，賦值可以在宣告變數後的任何地方進行，並且新的值會覆蓋過原本的值。賦值也可以在宣告時就同時進行。 ```cpp= #include <iostraem> using namespace std; int main(){ int a; a = 1; int b = 2; a = 3; //a=3, b=2 int c = 3, d = 4; // c=3, d=4 } ``` ---- ### 輸出 如果想要知道一個變數的值可以透過前面教過的`cout`來輸出。此時只需要在`<<`後加上變數名稱即可。 **注意：此處不需要使用`""`**，加上`""`後程式會將`""`內的認定為字串輸出。 ```cpp= #include <iostraem> using namespace std; int main(){ int a=1; cout << a << endl; a = 3; cout << a << endl; cout << "a" << endl; } ``` ``` /*OUTPUT--- 1 3 a ------------*/ ``` ---- ### 資料型態 前面一直提到的資料型態究竟是什麼呢？資料型態就是指變數的種類，以下列舉出一些C++常見的變數： ---- | 型態 | 類型 | 占用記憶體(bytes) | 可存放範圍 | |:------------:| --- |:----------:|:------------------------------------------------:| | int | 整數 | 4 | $-2^{31}$ ~ $2^{31}-1$ | | unsigned int | 整數 | 4 | $0$ ~ $2^{32}-1$ | | short int | 整數 | 2 | $-2^{15}$ ~ $2^{15}-1$ | | float | 小數 | 4 | ±$3.4×10^{-38}$ ~ ±$3.4×10^{38}$<br>有效位數 7位 | ---- | 型態 | 類型 | 占用記憶體(bytes) | 可存放範圍 | |:------------------:| --- |:----------:|:---------------------------------------------------:| | double | 小數 | 8 | ±$1.7×10^{-308}$ ~ ±$1.7×10^{308}$<br>有效位數 15位 | | char | 字元 | 1 | $0$ ~ $255$ （ASCII碼） | | bool | 布林 | 1 | true, false | | long long | 整數 | 8 | $-2^{63}$ ~ $2^{63}-1$ | | unsigned long long | 整數 | 8 | $0$ ~ $2^{64}-1$ | ---- ### 字元 字元這一種資料型態在宣告時有兩種方式，第一種是在`''`內輸入字元，第二種是直接輸入0~255之間的數字(不須`''`)。而所有字元以及其對應的數字可以參考ASCII碼 ----   (圖源：http://kevin.hwai.edu.tw/~kevin/material/JAVA/Sample2016/ASCII.htm ) (Dec：十進位，Ｈex：十六進位) ---- ```cpp= #include <iostream> using namespace std; int main(){ char a = 'A'; char b = 65; char c = '65'; cout << a << " " << b << " " << c; } ``` ``` /*OUTPUT--- A A 5 ------------*/ ``` 變數a與b都是字元的宣告方法，而c因為字元型態本身就只能儲存一個字元，故只有最後面那位會被儲存。 --- ## cin 你可能覺得為什麼聽到現在，感覺不像在寫程式的？因為程式的目的是為使用者做事情，所以我們必須從使用者取得資料，此時我們就需要輸入(input)了。在C++，中要取得輸入時可以使用`cin`，使用方法類似`cout`。 ```cpp= cin >> 希望此資料存放的位置(即變數); ``` ---- ```cpp= #include <iostream> using namespace std; int main(){ int a; cin >> a; cout << a; } ``` ``` /*INPUT--- 565 ------------*/ /*OUTPUT--- 565 ------------*/ ``` --- ## 運算子 有特定運算功能的符號即稱為運算子，以下皆為運算子的舉例。 | 運算子 | 說明 | |:-------:|:--------:| | + - * / | 加減乘除 | | % | 取餘，a%b = a除以b的餘數 | | == >< >= <= | 比較運算子，回傳值是bool | | ! | 將一個bool值做反向 | | \|\| && | OR/AND 邏輯運算 | ---- ### 設定運算子 前面提到賦值用的`=`就是屬於設定運算子 ### 算數運算子 常見的算數運算子有`+`、`-`、`*`、`/`、`%`，分別代表加、減、乘、除、取餘。 --- ## 運算式 程式裡總不可能所有的變數都是先設定好或者是輸入的，程式的一大意義就是要幫你計算。這時候當你想要對一個變數進行運算時就需要使用到運算式了。 ---- ### 基本寫法 ```cpp= 變數 = 常數或變數 算數運算子 常數或變數; //將左邊變數設定成右邊運算的結果 ``` 這裡的`=`是賦值得意思，並非數學上兩邊相等的意思。 ---- ```cpp= #include <iostream> using namespace std; int main(){ int a = 1, b = 2, c; c = 4 + 3; cout << c << " "; c = 5 - b; cout << c << " "; c = a * 2; cout << c << " "; c = b / a; cout << c << " "; c = (b+5)%4;//程式中一樣可以透過括號來進行優先運算 cout << c << endl; c=(a+1)*(b+9); //但任何的運算符號都不能被省略 //c=(a+1)(b+9)此行是錯誤的 } ``` ``` /*OUTPUT--- 7 3 2 2 3 ------------*/ ``` ---- ### 簡寫 ```cpp= #include <iosream> using namespace std; int main(){ int i=1; i = i + 5; i += 5; } ``` 從上面這隻程式我們可以發現第五行的地方是運算式的基本寫法，但左右兩邊都出現了i，~~於是我們就可以把兩邊都消掉i~~(設定運算子不能這樣用)，於是懶惰的程式設計師就發明了簡寫，如第六行所示。 ---- ```cpp= int i; //這兩行是一樣的意思 變數A = 變數A 算數運算子 常數或變數; 變數A 算數運算子= 常數或變數; i = i + 9; i += 9; //這三行是一樣的意思 i += 1; i++; ++i; //這三行是一樣的意思 i -= 1; i--; --i; ``` ---- ### `i++`與`++i`的差異(補充) `++i`是先做，`i++`是後做，什麼先做後做的聽起來很抽象，那就直接看範例吧 ```cpp= #include<iostream> using namespace std; int main(){ int i=1; cout<<"1:"<<i++<<endl; cout<<"2:"<<i<<endl;//i++會先輸出後才進行i=i+1 i=1; cout<<"3:"<<i<<endl; cout<<"4:"<<++i<<endl;//而++i則是先進行i=i+1後才輸出 cout<<"5:"<<i<<endl; } ``` ``` /*OUTPUT--- 1:1 2:2 3:1 4:2 5:2 ------------*/ ``` --- ## 資料型態之間的轉換 ---- ### 數字 不同的資料型態在計算時會發生一些變換，在撰寫程式時必須特別注意以下規則： 1. 當整數和浮點數進行運算時，統一轉換為浮點數運算。否則一律以整數運算 2. 當2個大小不同的整數/浮點數做運算時，較大的型別會被採用。short一律當作int計算 3. 字元做運算時，統一轉換為整數 4. 在賦值時，「計算結果」統一轉換為該變數的資料型態(計算時依舊為原計算模式)利用(資料型態)可作強制轉換 ---- ```cpp= #include<iostream> using namespace std; int main(){ double a = 5000/3; //"5000/3" is calclated in int then assigned to double cout << a << '\n'; double b = 5000.0/3; //"5000.0/3" is calculated in double then assigned to double cout << b << '\n'; double c = 2.25; int d = c; //double is converted to int before assigning cout << d << ' ' << c*d << ' ' << (int)(c*d) << '\n'; char k = 'A'; //char is converted to int during compution cout << k + 5 << ' ' << k + 'A' << ' ' << '\n'; short x = 5000; cout << x*x << ' '; //short is converted to int during compute x = x*x; //int is converted back to short during assignment cout << x << '\n'; } ``` ``` /*OUTPUT--- 1666 1666.67 2 4.5 4 70 130 25000000 30784 ------------*/ ``` ---- ### 數字及字元 可以利用`(int)`及`(char)`對字元及整數進行轉換，轉換結果會依照ASCII碼。若是想要將`'0'~'9'`之間的字元轉換為`0~9`的數字，可以透過`-'0'`來達成。 ```cpp= #include <iostream> using namespace std; int main(){ int a = 65; char b = 'a'; char c = '5'; int d = c; int e = c - '0'; cout << (char)a << " " << (int)b << endl; cout << d << " " << e; } ``` ``` /*OUTPUT--- A 97 53 5 ------------*/ ``` --- ## 溢位 既然資料型態有範圍，那如果數字超出了範圍會怎樣？當變數的值超出範圍，我們就稱這個情況為溢位(overflow)。如果我們宣告(int)一個整數i的值為2147483647，值的範圍會落在int的範圍內。但是這時我們使 i+1 便會發生溢位的狀況，這時的i會回到int的最小值-214748348。 --- ## 題目練習 * [b005: 電電的三角形](https://judge.tcfsh.tc.edu.tw/ShowProblem?problemid=b005) * [b006: 電電的梯形](https://judge.tcfsh.tc.edu.tw/ShowProblem?problemid=b006) * [b007: 邊緣的串串](https://https://judge.tcfsh.tc.edu.tw/ShowProblem?problemid=b007)