C++語法架構解說

C++?是一種功能強大且靈活的編程語言，廣泛應用于系統編程、游戲開發、嵌入式系統、金融軟件等領域。

其語法架構復雜且豐富，涵蓋了從基礎語法到高級特性的各個方面。

對?C++ 語法架構?的詳細解析，涵蓋其核心語法結構、面向對象編程（OOP）特性、模板編程、標準庫以及現代?C++?的特性。

1.?基礎語法結構

1.1 程序結構

一個典型的?C++?程序由以下幾個部分組成：

預處理指令：以?#?開頭的指令，如?#include、#define?等，用于在編譯前處理代碼。
主函數：程序的入口點，通常是?int main()?或?int main(int argc, char* argv[])。
語句和表達式：執行具體操作的代碼，如變量聲明、賦值、函數調用等。
注釋：用于解釋代碼的文本，單行注釋使用?//，多行注釋使用?/* */。

示例：

cpp

#include <iostream> // 預處理指令，包含輸入輸出庫// 主函數
int main() {// 輸出到控制臺std::cout << "Hello, World!" << std::endl;return 0; // 返回值
}

1.2 數據類型與變量

C++?支持多種數據類型，包括基本類型和用戶自定義類型。

基本數據類型：
- 整型：int,?short,?long,?long long
- 浮點型：float,?double,?long double
- 字符型：char,?wchar_t
- 布爾型：bool
復合數據類型：
- 數組：int arr[10];
- 指針：int* ptr;
- 引用：int& ref = var;
用戶自定義類型：
- 結構體（struct）
- 類（class）
- 聯合體（union）

示例：

cpp

int main() {int a = 10; // 整型變量double b = 3.14; // 浮點型變量char c = 'A'; // 字符型變量bool d = true; // 布爾型變量int* ptr = &a; // 指針int& ref = a; // 引用return 0;
}

1.3 控制結構

C++?提供了多種控制結構來控制程序的執行流程。

條件語句：
- if,?else if,?else
- switch,?case,?default
循環語句：
- for
- while
- do-while
跳轉語句：
- break
- continue
- return
- goto

示例：

cpp

int main() {int a = 5;if (a > 0) {std::cout << "Positive" << std::endl;} else {std::cout << "Non-positive" << std::endl;}for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << i << std::endl;}while (a > 0) {std::cout << a << std::endl;--a;}return 0;
}

2.?面向對象編程（OOP）特性

2.1 類與對象

C++?支持面向對象編程，核心概念包括類（class）和對象（object）。

類：定義對象的屬性（成員變量）和行為（成員函數）。
對象：類的實例，通過類創建。

示例：

cpp

class Rectangle {
public:int width;int height;int area() {return width * height;}
};int main() {Rectangle rect;rect.width = 5;rect.height = 10;std::cout << "Area: " << rect.area() << std::endl;return 0;
}

2.2 繼承

繼承允許一個類（派生類）繼承另一個類（基類）的屬性和方法。

示例：

cpp

class Shape {
public:virtual void draw() {std::cout << "Drawing Shape" << std::endl;}
};class Circle : public Shape {
public:void draw() override {std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;}
};int main() {Shape* shape = new Circle();shape->draw(); // 輸出: Drawing Circledelete shape;return 0;
}

2.3 多態

多態允許通過基類指針或引用調用派生類的函數，實現動態綁定。

示例：

cpp

class Animal {
public:virtual void speak() {std::cout << "Animal speaks" << std::endl;}
};class Dog : public Animal {
public:void speak() override {std::cout << "Dog barks" << std::endl;}
};int main() {Animal* animal = new Dog();animal->speak(); // 輸出: Dog barksdelete animal;return 0;
}

2.4 封裝

封裝通過訪問控制修飾符（public,?protected,?private）來限制對類成員的訪問。

示例：

cpp

class Person {
private:std::string name;int age;public:void setName(const std::string& n) {name = n;}void setAge(int a) {if(a > 0) age = a;}void display() {std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl;}
};int main() {Person p;p.setName("Alice");p.setAge(30);p.display(); // 輸出: Name: Alice, Age: 30return 0;
}

3.?模板編程

3.1 函數模板

函數模板允許定義通用的函數，可以處理不同類型的數據。

示例：

cpp

template <typename T>
T add(T a, T b) {return a + b;
}int main() {int x = add(2, 3); // 5double y = add(2.5, 3.5); // 6.0return 0;
}

3.2 類模板

類模板允許定義通用的類，可以處理不同類型的數據。

示例：

cpp

template <typename T>
class Box {
private:T value;
public:void setValue(const T& v) {value = v;}T getValue() const {return value;}
};int main() {Box<int> intBox;intBox.setValue(10);std::cout << "Value: " << intBox.getValue() << std::endl;Box<std::string> stringBox;stringBox.setValue("Hello");std::cout << "Value: " << stringBox.getValue() << std::endl;return 0;
}

3.3 模板特化

模板特化允許為特定類型提供不同的模板實現。

示例：

cpp

// 主模板
template <typename T>
class Storage {
public:void store(const T& value) {std::cout << "Storing generic type" << std::endl;}
};// 對 int 類型的特化
template <>
class Storage<int> {
public:void store(const int& value) {std::cout << "Storing int: " << value << std::endl;}
};int main() {Storage<std::string> stringStorage;stringStorage.store("Hello");Storage<int> intStorage;intStorage.store(10);return 0;
}

4.?標準庫

C++?標準庫（Standard?Library）提供了豐富的功能和工具，涵蓋了容器、算法、迭代器、輸入輸出、字符串處理等多個方面。

4.1 容器

順序容器：
- std::vector
- std::deque
- std::list
關聯容器：
- std::map
- std::unordered_map
- std::set
- std::unordered_set
容器適配器：
- std::stack
- std::queue
- std::priority_queue

4.2 算法

排序：std::sort
搜索：std::find,?std::binary_search
遍歷：std::for_each
變換：std::transform

4.3 迭代器

迭代器提供了一種統一的方式來訪問容器中的元素，支持指針類似的操作。

示例：

cpp

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};std::sort(vec.begin(), vec.end());for(auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {std::cout << *it << std::endl;}return 0;
}

4.4 輸入輸出

C++?提供了強大的輸入輸出庫（iostream），支持格式化輸入輸出、文件操作等。

示例：

cpp

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {// 輸出到控制臺std::cout << "Hello, World!" << std::endl;// 輸出到文件std::ofstream outfile("example.txt");outfile << "Hello, File!" << std::endl;outfile.close();// 從文件讀取std::ifstream infile("example.txt");std::string line;while (std::getline(infile, line)) {std::cout << line << std::endl;}infile.close();return 0;
}

5.?現代 C++ 特性

5.1 Lambda 表達式

Lambda?表達式允許在函數內部定義匿名函數，常用于算法庫中的回調函數。

示例：

cpp

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};int sum = 0;std::for_each(vec.begin(), vec.end(), [&](int x) {sum += x;});std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;return 0;
}

5.2 自動類型推導

auto?關鍵字允許編譯器自動推導變量的類型，提高代碼的簡潔性。

示例：

cpp

int main() {auto x = 10; // intauto y = 3.14; // doubleauto z = 'A'; // charauto w = std::string("Hello"); // std::stringreturn 0;
}

5.3 范圍 for 循環

范圍?for?循環提供了一種簡潔的遍歷容器的方法。

示例：

cpp

#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};for(const auto& x : vec) {std::cout << x << std::endl;}return 0;
}

5.4 智能指針

智能指針（如?std::unique_ptr,?std::shared_ptr,?std::weak_ptr）幫助管理動態內存，避免內存泄漏。

示例：

cpp

#include <memory>
#include <iostream>int main() {std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10);std::cout << *ptr << std::endl;// 不需要手動刪除，智能指針會自動釋放內存return 0;
}

5.5 移動語義

移動語義允許資源的所有權從一個對象轉移到另一個對象，提高性能，避免不必要的拷貝。

示例：

cpp

#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3};std::vector<int> vec2 = std::move(vec1); // 移動所有權std::cout << "vec1 size: " << vec1.size() << std::endl; // 0std::cout << "vec2 size: " << vec2.size() << std::endl; // 3return 0;
}