C++进阶教程

一、引言

C++是一种高效、强大且灵活的编程语言，广泛应用于系统软件开发、游戏开发、科学计算等领域。对于已经掌握C++基础知识的开发者来说，进阶学习C++将帮助他们更深入地理解这门语言，并提升编程能力。本教程将介绍C++中的一些高级特性和技术，包括面向对象编程、模板编程、STL（标准模板库）的使用以及C++11/14/17等新版标准中的新特性。

二、面向对象编程（OOP）

面向对象编程是C++的核心特性之一，它使得代码更加模块化、可重用和易于维护。OOP的三大核心概念是类（Class）、对象（Object）和继承（Inheritance）。

1. 类与对象

类是对象的抽象描述，它定义了对象的属性和方法。对象则是类的实例，具有类的属性和方法。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个名为Person的类
class Person {
public:
    string name; // 成员变量（属性）
    int age;

    // 成员函数（方法）
    void introduce() {
        cout << "My name is " << name << ", and I'm " << age << " years old." << endl;
    }
};

int main() {
    // 创建一个Person对象
    Person person1;
    person1.name = "Alice";
    person1.age = 25;
    person1.introduce(); // 输出：My name is Alice, and I'm 25 years old.

    return 0;
}

2. 继承

继承允许我们创建一个新的类（子类或派生类），它继承了一个或多个已存在的类（父类或基类）的特征。子类可以访问和修改从父类继承的属性和方法，也可以添加新的属性和方法。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    void eat() {
        cout << "The animal is eating." << endl;
    }
};

class Dog : public Animal { // Dog类继承自Animal类
public:
    void bark() {
        cout << "The dog is barking." << endl;
    }
};

int main() {
    Dog myDog;
    myDog.eat(); // 输出：The animal is eating.（调用继承自Animal类的方法）
    myDog.bark(); // 输出：The dog is barking.（调用Dog类自己的方法）

    return 0;
}

三、模板编程

模板编程是C++中的一项重要技术，它允许我们编写通用的代码，这些代码可以处理不同类型的数据。模板编程主要包括函数模板和类模板。

1. 函数模板

函数模板允许我们编写一个函数，该函数可以处理多种类型的数据。在编译时，编译器会根据实际传入的参数类型来生成相应的函数实例。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义一个函数模板，用于交换两个变量的值
template <typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int x = 5, y = 10;
    swap(x, y); // 调用int类型的swap函数实例
    cout << "x = " << x << ", y = " << y << endl; // 输出：x = 10, y = 5

    double a = 3.14, b = 2.71;
    swap(a, b); // 调用double类型的swap函数实例
    cout << "a = " << a << ", b = " << b << endl; // 输出：a = 2.71, b = 3.14

    return 0;
}

2. 类模板

类模板允许我们编写一个类，该类可以处理多种类型的数据。与函数模板类似，编译器会根据实际传入的类型参数来生成相应的类实例。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

// 定义一个类模板，用于创建一个可以存储任意类型数据的数组
template <typename T>
class Array {
private:
    T* data;
    int size;

public:
    Array(int size) : size(size) {
        data = new T[size];
    }

    ~Array() {
        delete[] data;
    }

    T& operator[](int index) {
        if (index < 0 || index >= size) {
            throw out_of_range("Index out of range");
        }
        return data[index];
    }

    // ... 其他成员函数，如push_back、pop_back等（此处省略）
};

int main() {
    // 创建一个可以存储int类型数据的Array对象
    Array<int> intArray(5);
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        intArray[i] = i * 2;
    }
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        cout << intArray[i] << " "; // 输出：0 2 4 6 8 
    }
    cout << endl;

    // 创建一个可以存储string类型数据的Array对象
    Array<string> stringArray(3);
    stringArray[0] = "Hello";
    stringArray[1] = "World";
    stringArray[2] = "!";
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        cout << stringArray[i] << " "; // 输出：Hello World ! 
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

四、STL（标准模板库）的使用

STL是C++标准库中的一部分，它提供了一系列高效的模板类和函数，用于处理常见的数据结构和算法。STL中的容器类（如vector、list、map等）和算法类（如sort、find等）极大地简化了C++的编程工作。

1. 使用vector容器

vector是一个动态数组，可以存储任意类型的数据，并可以根据需要自动调整大小。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> // 用于sort函数
using namespace std;

int main() {
    // 创建一个存储int类型数据的vector对象
    vector<int> nums = {5, 2, 8, 1, 9};

    // 使用STL中的sort函数对vector中的元素进行排序
    sort(nums.begin(), nums.end());

    // 输出排序后的vector
    for (int num : nums) {
        cout << num << " "; // 输出：1 2 5 8 9 
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

2. 使用map容器

map是一个关联容器，它存储的元素是键值对（key-value pair），其中键是唯一的。

示例代码：

#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;

int main() {
    // 创建一个存储string-int键值对的map对象
    map<string, int> scores = {{"Alice", 90}, {"Bob", 85}, {"Charlie", 95}};

    // 遍历map并输出键值对
    for (const auto& pair : scores) {
        cout << pair.first << ": " << pair.second << endl; // 输出：Alice: 90, Bob: 85, Charlie: 95
    }

    // 查找键为"Bob"的元素，并输出其值
    auto it = scores.find("Bob");
    if (it != scores.end()) {
        cout << "Bob's score is " << it->second << endl; // 输出：Bob's score is 85
    }

    return 0;
}

五、C++11/14/17等新标准中的新特性

C++11、C++14和C++17等新版标准为C++带来了许多新特性和改进，如智能指针、lambda表达式、范围for循环、auto关键字、类型推导、nullptr关键字等。这些新特性使得C++编程更加简洁、安全和高效。

1. Lambda表达式

Lambda表达式是一种定义匿名函数的简洁方式。它允许我们在需要的地方直接定义并使用函数，而无需事先声明函数名。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums ={5, 2, 8, 1, 9};

    // 使用lambda表达式作为sort函数的比较函数
    sort(nums.begin(), nums.end(), [](int a, int b) { return a < b; });

    // 输出排序后的vector
    for (int num : nums) {
        cout << num << " "; // 输出：1 2 5 8 9 
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

2. 智能指针

智能指针是一种能够自动管理内存的生命周期的指针类型。C++11中引入了std::unique_ptr、std::shared_ptr和std::weak_ptr等智能指针。

示例代码（使用std::unique_ptr）：

#include <iostream>
#include <memory> // 引入智能指针头文件

class MyClass {
public:
    MyClass(int value) : value_(value) {
        cout << "MyClass(" << value_ << ") constructor called." << endl;
    }

    ~MyClass() {
        cout << "MyClass(" << value_ << ") destructor called." << endl;
    }

    void printValue() {
        cout << "Value: " << value_ << endl;
    }

private:
    int value_;
};

int main() {
    // 使用std::unique_ptr管理MyClass对象的生命周期
    std::unique_ptr<MyClass> ptr(new MyClass(42));
    ptr->printValue(); // 输出：Value: 42

    // 当ptr离开作用域时，它所指向的MyClass对象将自动被删除
    // 此时将输出：MyClass(42) destructor called.

    return 0;
}

六、总结

本教程介绍了C++中的一些高级特性和技术，包括面向对象编程、模板编程、STL的使用以及C++11/14/17等新标准中的新特性。这些特性和技术将帮助你更深入地理解C++，并提升你的编程能力。当然，C++的学习是一个持续的过程，不断地实践和探索将使你更加精通这门语言。