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 = 5double 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 = 3.14return 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vectorfor (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vectorfor (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;
}