C++ 基本结构

观察下面一段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    cout << "Hello world!";
    return 0;
}

此时运行这一段代码，即可看到控制台上的输出内容。

Hello world!

这个程序的目的很简单，就是在屏幕上显示（C++ 中我们称之为输出）一句话： Hello world!。当你成功输出这段文字，意味着你打开了编程世界的大门，你成功向这个新世界打了个招呼！

下面来逐句分解这个程序。

头文件

  • #include <iostream> 是头文件，用于引入外部库。
  • 举个例子，想要烹饪一道菜，除了食材之外还需要一些其他工具，如锅和铲子。
  • 在英语中，input 代表输入，output 代表输出，stream 代表流——C++ 的一种操作方式。取 input 和 output 的首字母，和 stream 拼起来，这个程序使用的 iostream 头文件是一个可以用来输入输出的“工具”。
  • 之后会接触更多的头文件，甚至可以自行编写头文件，也就是造一个工具。

命名空间

  • using namespace std; 是命名空间声明语句。
  • 暂时不用理解它的用途，并且你在相当长的一段时间内也不需要理解它，只需要记住在头文件之后加上这句话即可。

主函数

  • int main() 是主函数，这样带小括号的语句被称为函数。
  • 可以看到主函数后面有一对大括号 { }，将主函数中的语句给包围起来了。计算机运行程序的时候，会从 int main() 后面的大括号开始运行，依次执行大括号中的语句直到结束。
  • 举个例子，仍旧是想要烹饪一道菜，那么“炒菜”这个动作就是主函数。炒菜这个主函数里还包含别的步骤，例如“洗菜”“切菜” “下锅翻炒”“调味”“起锅装盘”就是这个主函数里面的语句。

输出

  • cout << "Hello world!"; 是输出语句，该语句可以让计算机输出一句话（注意是两个英文的小于号，而不是中文的左书名号）。
  • 我们将在下面的「输入与输出」部分详细讲解。

返回值

  • return 0; 的意思是，主函数在结束时需要告诉系统一个数字 $0$，这样「告诉」的操作在 C++ 中被称为返回，返回的东西被称为返回值。
  • 当主函数的返回值为 $0$ 时，这说明程序正常运行结束。
  • 在主函数中即使不写这一句话，编译器也会在编译时自动加上这句话。
  • 值得注意注意，千万不要返回一个其他的非 $0$ 值，这会造成系统认为这个程序异常退出。在算法竞赛中，这会导致被认为运行时错误。
  • 暂时不用理解它的用途，但是并且你在相当长的一段时间内也不需要理解它，只需要记住在主函数末尾加上这句话即可。

变量

很显然，C++ 能够完成的任务远不止计算一些东西这么简单，有的问题是需要进行很多计算才能解决的。因此，我们需要有一个办法能够储存计算的中间结果。这时，可以使用变量来满足这个要求。

这时变量的用途也就显而易见了：存储信息。

观察下面一段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 1, b;
    b = 2;
    int c = a + b;
    cout << c;
    return 0;
}

不难想出，这个程序的运行结果应该如下：

3

变量的定义

  • 注意到，在代码的第 4 行，出现了一个我们从来没有见过的语句：int a = 1, b;。
  • 可以想到，英语中有一个 integer 的单词，意为「整数」。事实上，这里的 int 就取了前三个字母，表示这是一个整数变量，这个 int 被称为数据类型。
  • $a$ 和 $b$ 是两个不同的变量名，因此可以发现，多个变量之间可以使用逗号隔开。此时，我们就已经创建了名为 $a$ 和 $b$ 的两个整数变量，这个创建变量的过程被称为定义。
  • 但是还有一个 a = 1 的部分没有解决。变量是用来存储信息的，但我们使用定义变量 $a$ 的时候还并没有让它存储什么东西。这里的等于号与数学上的等于不完全相同，它的意义是赋值，也就是让等于号前面的变量存储等于号后面的东西。此时，变量 $a$ 已经存储了整数 $1$。
  • 然而变量 $b$ 还没有存储任何信息。注意到代码第 $5$ 行，出现了单独的 b = 2; 的语句。没错，赋值操作不一定要在定义变量的时候可以进行。事实上，赋值可以在代码的任何地方进行。

上面只讲了整数，C++ 可以存储其他信息吗？答案是肯定的。下面给出了另外一些你目前可能用到的数据类型。

double a = 1.14514;  // 实数，可以为小数或整数（我们把这样的数据类型称为浮点数）
char b = 'a';        // 字符，存储的信息使用单引号
string c = "abcd";   // 字符串，顾名思义，存储一串字符，使用双引号

请牢记上述四种数据类型的使用方式及用途，我们将在接下来经常用到。

数学运算

  • 类比数学，C++ 也可以进行数学运算。
  • 加号 + 和减号 - 在键盘上可以直接打出来，因此 C++ 的加号也是 +，减号也是 - 。
  • 由于我们无法在键盘上打出数学上的乘除号，因此我们引入新的符号。在 C++ 中，乘号写作 *，除号写作 /（请注意斜杠的方向）。

观察下面一段代码（如果无法理解输出部分，请先阅读下面的「输入与输出」部分）：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 1, b = 2, c = 3;
    cout << a + b << ' ' << a - b << ' ' << b * c << ' ' << c / b;
    return 0;
}

运行程序，得到了下面的运行结果：

3 -1 6 1

可以发现，前面三个都是我们想要的结果，但是对于第四个结果，为什么 $c \div b = 1$ 呢？

整除运算

还记得我们上面说的，int 代表的是整数类型。C++ 其实是一个很傻的东西，它不知道两个整数相除为什么会得到一个浮点数，它只知道 $3$ 里边有 $1$ 个 $2$，所以 c / b 这个表达式的结果是 $1$。

这就是 C++ 在进行整数除法时进行的取整方式：向 $0$ 取整。为什么不是向下取整呢？通过实践可以得到，当结果为负数时，它又变成了向上取整。具体的原理我们现在无需理解，只需要记住整除会向 $0$ 取整即可。

问题又来了，如果我想得到一个浮点数的结果应该怎么做呢？很简单，既然 C++ 不会两个整数相除得到浮点数，那我们让其中一个整数以浮点数的形式出现不就好了吗？观察下面这段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int b = 2;
    double c = 3;
    cout << c / b;
    return 0;
}

得到了以下结果：

1.5

这与我们的预期相符。当然，$b$ 为 double $c$ 为 int ，或 $b$、$c$ 都为 double 时同理。

取模运算

不难想到，进行整除运算以后，很多时候都会剩下余数。当我们想要求这个余数的时候怎么办呢？

一个一个减似乎有点太慢了，这个时候我们引入一个新的运算：取模，它的符号是 %，在数学上写作 $\mod{}$，原本在除法式子里的除数，在取模运算里被称为模数。

观察下面这段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 10, b = 3;
    cout << a % b;
    return 0;
}

得到以下结果：

1

这与我们的预期相符。值得注意的是，由于涉及分数的除法没有余数的相关概念，因此取模运算也只能由整数参与运算。

运算优先级

  • C++ 中的运算优先级与数学上相似：先算乘 *、除 / 和取模 %，再算加 + 减 -。
  • 如果需要先计算某一部分，我们可以在需要先算的这一部分两端加上小括号 ( )。如下面这一段程序：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int a = 3, b = 4, c = 5;
    cout << (a + b) % a * c + b;
    return 0;
}

得到了以下的结果：

9

在这里，被小括号括起来的 $a+b$ 先进行了运算，然后再对 $a + b$ 进行后面的取模和乘法运算，最后再加上 $b$，得到结果 $9$。

输入与输出

输入

  • 因为我们正在学习的语言叫做 C++，输入的英文为 input，因此，C++ 中的输入语句是 cin（当然 cin 的实际含义并不是这样，但你可以在很长一段时间内都这么理解，方便记忆）。
  • 假如这里有一个变量 $a$，那么我们可以使用 cin >> a; 进行输入，也就是把外部的东西存储到变量 $a$ 中。
  • 这里的 >> 被称作输入流运算符，不过名字不重要，我们可以把它当作一个箭头理解。当输入的时候，信息从外部存储到变量内部，因此这个箭头指向变量。
  • 当然，cin 是忽略空格和换行的，这也就意味着我们可以连续使用 cin。假如这里有 $3$ 个变量 $a$，$b$ 和 $c$，我们就可以使用 cin >> a >> b >> c; 一次性读入这三个变量。

输出

  • 类比输入，C++ 的输出语句是 cout。
  • 对于我们上面提到的所有数据类型，我们都可以使用 cout 进行输出。cout 后面既可以跟一个实际的值，也可以跟一个变量。
  • 假如这里有一个变量 $a$，那么我们可以使用 cout << a; 进行输入，也就是把变量 $a$ 中的信息输出出来。
  • 这里的 << 被称作输出流运算符。当输出的时候，要把变量中的信息传递到外部，所以这个箭头从变量发出，指向 cout，也就是外部。
  • 从这里我们可以发现，被称作流运算符的「箭头」，总是指向信息传递的方向。
  • 与 cin 相同，我们也可以连续使用 cout。假如这里有 $3$ 个变量 $a$，$b$ 和 $c$，我们就可以使用 cin >> a >> b >> c; 一次性读入这三个变量。
  • 我们可以使用 endl 输出换行，用法将在下面的代码中给出。

有了输入，我们就可以进行交互式操作了，也就是对每次给出的数据进行运算，而不是针对一个程序里定死的值进行结果不变的运算。

观察下面一段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    int r;
    cin >> r;
    cout << 3.14 * r * r << endl;
    return 0;
}

我们输入了一个整数变量 $r$，并且输出了 $3.14 \times r \times r$。发现这是一个输入半径，求圆的近似面积的问题。由于输入会有变化，所以对于不同的输入，输出也会有变化。

至此，你已经学会了信息学竞赛中最为基础也最为重要的内容，这将是我们接下来学习一切知识点的基础，请务必熟练掌握。

最后修改：2024 年 02 月 02 日
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