Coursera课程笔记----C++程序设计----Week1&2

从C走进C++（Week1&2）

函数指针

基本概念

• 程序运行期间，每个函数都会占用一段连续的内存空间
• 函数名就是该函数所占内存区域的起始地址（入口地址）
• 可以将函数的入口地址赋给指针变量，使该指针变量指向该函数，通过指针变量就可以调用这个函数
• 这种指向函数的指针变量被称为“函数指针”

定义形式

• 类型名(* 指针变量名)(参数类型1，参数类型2,......)

int (*pf)(int , char);
//pf为一个函数指针，它所指向的函数的返回值是int，2个参数一个是int类型一个是char类型

使用方法

• 可以用一个原型匹配的函数的名字给一个函数指针赋值
• 通过函数指针调用他所指向函数
  • 函数指针名 (实参表)

#include <stdio.h>
void PrintMin(int a, int b)
{
  if(a < b)
    printf("%d",a);
  else
    printf("%d",b);
}
int main()
{
  void(* pf)(int, int);
  int x = 4, y = 5;
  pf = PrintMin;
  pf(x,y);
  return 0;
}
//pf指针指向PrintMin

qsort库函数

• 对数组排序，需要知道
  1. 数组起始地址
  2. 数组元素个数
  3. 每个元素的大小（从而得出每个元素的地址）
  4. 元素谁前谁后的规则

void qsort(void *base, int nelem, unsigned int width, int(* pfCompare)(const void*,const void*));
//base：待排序数组的起始地址
//nelem：待排序数组的元素个数
//width：待排序数组的每个元素的大小（以字节为单位）
//pfCompare：比较函数的地址
//pfCompare：函数指针，它指向一个“比较函数”，该比较函数的形式如下
//int 函数名 (const void * elem1,const void * elem2);
//比较函数是程序员自己编写的

• 排序就是一个不断比较并交换位置的过程
• qsort函数在执行期间，会通过pfCompare指针调用“比较函数”，调用时将要比较的两个元素的地址传给“比较函数”，然后根据“比较函数”返回值判断哪个应该排在前面
• 比较函数编写规则
  • 如果*elem1应该在前，函数返回负整数
  • 如果*elem2应该在前，函数返回正整数
  • 如果无所谓前后，函数返回0
• 实例
  • 功能：调用qsort库函数，将一个unsigned int数组按照个位数从小到大进行排序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int MyCompare(const void * elem1,const void * elem2)
{
  unsigned int * p1, * p2;
  p1 = (unsigned int *) elem1; //"*elem1" 非法，编译器不知道void指针指向的元素有多少个字节
  p2 = (unsigned int *) elem2; //"*elem2" 同上
  return (*p1 % 10) - (*p2 % 10);
}
#define NUM 5
int main()
{
  unsigned int an[NUM] = (8,123,11,10,4);
  qsort(an,NUM,sizeof(unsigned int),MyCompare);
  for(int i=0;i<NUM;i++)
    printf("%d",an[i]);
  return 0;
}

命令行参数

以命令行方式运行程序

• notepad sample.txt
  • notepad程序如何得知，用户在以命令行方式运行它的时候，后面跟着什么参数？

命令行参数

• 用户在CMD窗口输入可执行文件名的方式启动程序时，跟在可执行文件名后面的那些字符串，称为“命令行参数”。
• 命令行参数可以有多个，用空格分隔
• 举例
  • copy file1.txt file2.txt
  • "copy","file1.txt","file2.txt"就是命令行参数
• 如何获得命令行参数
  • argc (argument counter)：代表启动程序时，命令行参数的个数。C/C++语言规定，可执行程序程序本身的文件名，也算一个命令行参数，因此，argc的值至少是1
  • argv (argument vector)：指针数组，其中的每个元素都是一个char* 类型的指针，该指针指向一个字符串，这个字符串里就存放着命令行参数
  • 提示: argument是实参，parameter是形参
  • 由于命令行参数之间用空格分隔，如果其本身就含有空格，则可用双引号括起来

int main(int argc, char * argv[])
{
  ...
}

位运算

基本概念

• 位运算：
  • 用于对整数类型(int, char, long...)变量中的某一位(bit)或者若干位进行操作。比如：
    1. 判断某一位是否为1
    2. 只改变其中某一位，而保持其他位都不变
  • C/C++语言提供了六种位运算符来进行位运算操作：
    • & 按位与（双目）
    • ｜按位或（双目）
    • ^ 按位异或 （双目）
    • ~ 按位非（取反）（单目）
    • <<左移（双目）
    • >>右移（双目）

按位与“&”

• 将参与运算的两数，各对应的二进制位进行与操作，只有对应的两个二进制位均为1时，结果对应的二进制位才为1，否则为0

• 通常用来将某变量中的某些位清0切同时保留其他位不变，也可用来获取某变量中的某一位

按位或“|”

• 将参与运算的两操作数各对应的二进制位进行或操作，只有对应的两个二进制位都为0时，结果的对应二进制位才是0，否则为1
• 通常用来将某变量中的某些位置1且保留其他位不变

按位异或“^”

• 将参与运算的两操作数各对应的二进制位进行异或操作，只有对应的两个二进制位不相同时，结果的对应二进制位才是1，否则为0
• 通常用来将变量中的某些位取反且保留其他位不变
• 特点：如果有a^b=c➡️cb=a 、c^a=b
• 能实现不通过临时变量就交换两个变量的值

int a = 5, b = 7;
a = a ^ b;
b = b ^ a;
a = a ^ b;

按位非“~”

• 将操作书中的二进制位0变成1，1变成0

左移运算符“<<”

• a << b
• 将a的各二进制位全部左移b位后得到的值。左移时，高位丢弃，低位补0，a本身的值不会被更改
• 左移1位就等于*2，左移n位就等于* $2^n$

右移运算符“>>”

• a >> b
• 将a的各二进制位全部右移b位后得到的值。右移时，移出右边的位会被丢弃，a本身的值不会被更改
• 对于有符号数，右移时，符号位将一起移动
• 大多C/C++编译器规定，如果原符号位位1，右移时高位补1，否则补0。
• 左移1位就等于/2，左移n位就等于/ $2^n$，并且将结果往小取整

引用

引用的概念

• 下面的写法定义了一个引用，并将其初始化为引用某个变量

  类型名 & 引用名 = 某变量名

int n = 4;
int & r = n; //r引用了n，r的类型是int &

• 某个变量的引用，等价于这个变量，相当于该变量的一个别名

• 定义引用时一定要将其初始化成引用某个变量

• 初始化后，他就一直引用该变量，不会再引用别的变量了

• 引用只能引用变量，不能引用常量和表达式

引用的应用

• C语言中，如何编写交换两个整形变量值的函数？

void swap(int a, int b)
{
 int tmp;
 tmp = a; a = b; b = tmp;
}
int n1,n2;
swap(n1,n2); //n1n2的值不会被交换，形参的改变无法影响实参

void swap(int *a,int *b)
{
 int tmp;
 tmp = *a; *a = *b; *b = tmp;
}
int n1,n2;
swap(&n1,&n2); //n1n2的值被交换，但是多了很多符号，比较麻烦

void swap(int &a, int &b)
{
  int tmp;
  tmp = a; a = b; b = tmp;
}
int n1,n2;
swap(n1,n2); //n1n2的值被交换，由于a和b是n1和n2的引用，因而可以直接修改

• 引用作为函数的返回值

int n = 4;
int & SetValue() {return n;}
int main()
{
  SetValue() = 40; //函数的返回值是引用，就可以把函数写在等号左边，可以直接赋值
  cout<<n;//输出：40
  return 0;
}

常引用

• 定义引用时，前面加const关键字，即为“常引用”

int n;
const int & r = n;
//r的类型是const int &

• 特点：不能通过常引用去修改其引用的内容

常引用和非常引用的转换

• const T & 和 T &是不同的类型（T为int，char等类型）
• T & 类型的引用或T类型的变量可以用来初始化const T & 类型的引用
• const T 类型的常变量和const T & 类型的引用则不能用来初始化 T & 类型的引用，除非进行强制类型转换

const关键字的用法

1. 定义常量

const int MAX_VAL = 23;
const double Pi = 3.14;

2. 定义常量指针
   • 不可通过常量指针修改其指向的内容
   • 不能把常量指针赋值给非常量指针，反过来可以
   • 函数参数为常量指针时，可避免函数内部不小心改变参数指针所指地方的内容

int n,m;
const int *p = &n;
*p = 5; //编译错误
n = 4; //正确
p = &m; //正确，可以改变常量指针指向的对象

const int * p1; int * p2;
p1 = p2;//正确
p2 = p1;//错误
p2 = (int *)p1;//正确，通过强制类型转换

void MyPrintf(const char *p)
{
  strcpy(p,"this");//编译错误
  printf("%s",p);//正确
}

3. 定义常引用
   • 不能通过常引用修改其引用的变量

int n;
const int & r = n;
r = 5;//编译错误
n = 4;//正确

动态内存分配

用new运算符实现动态内存分配

• 第一种用法，分配一个变量
  • P = new T;
  • T是任意类型名，P是类型为**T ***的指针
  • 动态分配出一片大小为sizeof(T)字节的内存空间，并且将该内存空间的起始地址赋值给P

int *pn;
pn = new int;
*pn = 5;

• 第二种用法，分配一个数组
  • P = new T[N];
  • T：任意类型名
  • P：类型为T *的指针
  • N：要分配的数组元素的个数，可以是整形表达式
  • 动态分配出一片大小为N*sizeof(T)字节的内存空间，并将该内存空间的起始地址赋值给P
• 动态分配数组实例

int *pn;
int i = 5;
pn = new int[i * 20];
pn[0] = 20;
pn[100] = 30;//虽然编译正确，但运行时会出现数组越界

• new 运算符的返回值类型
  • new T; new T[n];
  • 这两个表达式返回值的类型都是 T*
  • int *p = new int;

用delete运算符释放动态分配的内存

• 用“new”动态分配的内存空间，要用“delete”运算符进行释放
  • delete 指针; //该指针必须指向new出来的空间

int *p = new int;
*p = 5;
delete p;
delete p; //导致异常，一片空间不能够被delete多次

用delete运算符释放动态分配的数组

• 用“delete”释放动态分配的数组，要加“[]”
  • delete [] 指针; //该指针必须指向new出来的数组

int *p = new int[20];
p[0] = 1;
delete [] p;

内联函数，函数重载和函数缺省参数

内联函数

• 函数调用存在时间开销。如果函数本身只有几条语句且执行非常快，而且函数被反复执行多次，相比其运行时间，调用函数所产生的时间开销就会很大。

• 为了减少该开销，引入了内联函数机制。编译器处理对内联函数的调用语句时，是将整个函数的代码插入到调用语句处，而不会产生调用函数的语句。

• 在函数定义前面加“inline”关键字，即可定义内联函数

• 缺点是可执行程序的体积会增大

函数重载

• 一个或多个函数，名字相同，然而参数个数或参数类型不相同，这叫做函数重载

  • 以下三个函数是重载关系：

    int Max(double f1,double f2){ }
    int Max(int n1,int n2){ }
    int Max(int n1,int n2,int n3){ }
    

  • 函数重载简化函数命名

  • 编译器根据调用语句中的实参的个数和类型判断应该调用哪个函数

函数缺省参数

• C++中，定义函数的时候可以让最右边的连续若干个参数有缺省值，那么调用函数的时候，若相应位置不写参数，参数就是缺省值。

void func(int x1, int x2 = 2, int x3 = 3){ }

func(10);//等效于func(10,2,3)
func(10,8);//等效于func(10,8,3)
func(10,,8);//编译错误，只能最右边的连续若干个参数缺省

• 函数参数可缺省的目的在于提高程序的可扩充性
• 如果某个写好的函数要添加新的参数，而原先那些调用该函数的语句，未必需要使用新增的参数，那么为了避免对原先那些函数调用语句的修改，就可以使用缺省参数

面向对象程序设计方法

结构化程序设计

• 复杂的大问题➡️层层分解/模块化➡️若干子问题
• 自顶向下，逐步求精
• 程序 = 数据结构（变量）+算法（函数）
• 在结构化程序设计中，数据结构和算法没有直接关系
• 遇到的问题
  • 理解难
  • 修改难
  • 查错难
  • 重用难

面向对象的程序设计

• 软件设计的目标：更快，更正确，更经济
• 面向对象的程序设计 = 类 + 类 + …… + 类
• 设计程序的过程➡️设计类的过程
• 对一类事物进行抽象，提炼出共同属性（数据结构）和行为（函数），将数据结构和算法封装（捆绑）在一起，变成类。

面向对象语言的发展历程

• 第一个面向对象语言：Simula

  • 1967年发布Simula 67
  • 提出了类（class）和子类（subclass）的概念

• 第二个面向对象语言：Smalltalk

• 1983年 C++

• 1995年 JAVA

• 2003年 C#

C++标准的发展

• 1989年 C++2.0
• 1994年 ANSI C++
• 1998年 C++98
  • 加入STL（Standard Template Library）-泛型设计
• 2003年 C++03
• 2011年 C++11
• 2014年 C++14
• 2017年 C++17
• 2020年 C++20

从客观事物抽象出类

• 写一个程序，输入矩形的宽和高，输出面积和周长
  • 矩形的属性——宽和高两个变量
  • 矩形的操作——设置宽和高，计算面积计算周长
• 类的成员=成员变量+成员函数
• 类就是一个带函数的结构体
• 类定义的变量➡️类的实例➡️对象

class CRectangle{
  public:
  int w,h;
  
  void Init(int w_, int h_)
  {
    w = w_; h = h_;
  }
  int Area()
  {
    return w*h;
  }
  int Perimeter()
  {
    return 2*(w+h);
  }
};

int main()
{
  int w,h;
  CRectangle r; //r是一个对象
  cin>>w>>h;
  r.Init(w,h);
  cout<<r.Area()<<endl<<r.Perimeter();
  return 0;
}

• 对象的内存分配

  • 对象的内存空间
    • 对象的大小 = 所有成员变量的大小之和
    • e.g. CRectangle类的对象，sizeof(CREctangle) = 8
  • 每个对象各有自己的存储空间
    • 一个对象的某个成员变量被改变，不会影响到其他的对象

• 对象间的运算

  • 对象之间可以用‘=’进行赋值
  • 不能用== != > < >= <=进行比较
    • 除非这些运算符经过了“重载“

• 访问类的成员变量和成员函数

  • 用法1:对象名.成员名
  • 用法2:指针->成员名
  • 用法3:引用名.成员名

• 类的成员函数的另一种写法

  • 成员函数体和类的定义分开写，在类内只声明，在类外详细定义（要加::）

类成员的可访问范围

• 关键字——类成员可被访问的范围
  • private：指定私有成员，只能在成员函数内被访问
  • public：指定公有成员，可以在任何地方被访问
  • protected：指定保护成员
• 三种关键字出现的次数和先后次序都没有限制
• 如果缺省，就默认为私有成员
• 对象成员的访问权限
  • 类的成员函数内部，可以访问：
    • 当前对象的全部属性和函数
    • 同类其他对象的全部属性和函数
  • 类的成员函数以外的地方
    • 只能访问该类对象的公有成员
• 设置私有成员的目的
  • 强制对成员变量的访问一定要通过成员函数进行
  • 避免程序出错，并且易于对程序进行修改
• 设置私有成员的机制——隐藏

编程作业

Quiz1 简单的学生信息处理程序实现

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<string.h>
//虽然我本地编译用最上面那个头文件就过了，但上传上去好像必须要加上后面这四个才能通过……行吧
using namespace std;
class student{
private:
    char name[10];
    int age;
    char number[10];
    unsigned int gradeAverage;

public:
    void gradeCalculate(unsigned int a,unsigned int b,unsigned int c,unsigned int d)
    {
        gradeAverage = (a+b+c+d)/4;
    }
    student(const char* name_, int age_, const char* number_)
    {
        strcpy(name,name_);
        age = age_;
        strcpy(number,number_);
    }
    void getAll()
    {
        cout << name <<',' << age << ',' << number << ',' << gradeAverage << endl;
    }
};

int main()
{
    char name[10] = {'\0'},number[10] = {'\0'};
    int age;
    unsigned int grade1,grade2,grade3,grade4;
    //此处的cin.get()用于把逗号吞掉
    cin.getline(name,10,',');
    cin >> age;
    cin.get();
    cin.getline(number,10,',');
    cin >> grade1;
    cin.get();
    cin>> grade2;
    cin.get();
    cin >> grade3;
    cin.get();
    cin >> grade4;
    
    student* a = new student(name,age,number);
    a->gradeCalculate(grade1,grade2,grade3,grade4);

    a->getAll();
    delete(a);
    return 0;
}