C/C++ 语言基础 (-std=c++14)

章节概要

1. 程序结构
2. 1.1 程序框架（注释、头文件、命名空间、main、语句与语句块）
3. 1.2 选择结构（if 语句、switch 语句、综合示例：闰年判定）
4. 1.3 循环结构（while、do while、for、跳转控制、综合示例：阶乘）
5. 1.4 goto 语句
6. 1.5 C 与 C++ 的主要区别
7. 数据类型
8. 2.1 基本数据类型与 C++11 固定宽度整数类型
9. 2.2 变量与常量、字面量后缀与数字分隔符 (C++14)
10. 2.3 数组与字符串（一维/多维数组、寻址、越界警告）
11. 2.4 指针（取地址、取值、常见操作）
12. 2.5 引用
13. 2.6 结构体
14. 运算符
15. 3.1 运算符优先级表
16. 3.2 常用运算符的作用（算术、比较、位运算、逻辑、自增自减、赋值）
17. 3.3 真值表
18. 3.4 类型强制转换
19. 函数
20. 4.1 定义和使用函数（返回值、内联函数 inline）
21. 4.2 传递实参（按值传递、指针传递、引用传递）
22. 4.3 Lambda 表达式（C++11/C++14 匿名函数、递归 Lambda）
23. 输入和输出
24. 5.1 标准输入/输出（<cstdio>、格式字符、修饰符）
25. 5.2 流输入/输出（<iostream>、<iomanip>、性能优化）
26. 库函数/宏定义
27. 6.1 常用库函数（数组操作、字符处理、最值、交换、排序、计时、随机数、数学函数、std::gcd/std::lcm）
28. 6.2 C++11/14 容器与算法便利特性（范围 for、auto、统一初始化、decltype、pair、nullptr）
29. 6.3 宏定义与 const/constexpr
30. 字符串操作
31. 7.1 C 风格字符串处理函数（<cstring>）
32. 7.2 格式化输入输出与 C++11 to_string()
33. 文件操作
34. 8.1 输入/输出重定向 (freopen)
35. 8.2 文件流 (ifstream/ofstream)
36. 8.3 FILE 指针 (fopen/fclose)
37. 简单的算法分析和优化
38. 9.1 时间与空间复杂度
39. 9.2 常用算法的时空复杂度与 C++14 constexpr
40. 9.3 简单的优化方法与原则
41. 代码编辑器
    • 10.1 Windows 平台
    • 10.2 macOS 平台
    • 10.3 Linux 平台
    • 10.4 工具详解（小熊猫 C++、CP Editor）
    • 10.5 竞赛选手推荐
    • 10.6 编译器与标准

详细内容

1. 程序结构

第一个 C++ 程序

#include <iostream>
using namespace std;

int main() { // 程序入口
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    cout << a + b << "\n"; 
    return 0; 
}

1.1 程序框架

• 注释：有两种，一种是 //（必须单独一行或位于代码行后），另一种是 /* … */（成对存在，可插入任意位置）。
• 引用头文件：使用 #include <头文件名>。引用自定义头文件时，尖括号（仅从系统目录搜索）需换成双引号（先从当前文件夹搜索，再到系统文件夹搜索）。
• 命名空间：许多 C++ 标准库组件依赖 std 命名空间，因此常用 using namespace std;。
• main()：所有程序从 main() 开始。在算法竞赛中，main() 必须返回 0，否则视为异常结束。
• 语句和语句块：
• 语句：一般以分号 ; 结尾。
• 语句块：用 { 和 } 包围的代码段，在语法上整体视为一条语句。

1.2 选择结构

• if 语句： cpp if (条件) { 语句或语句块 } else if (条件2) { 语句或语句块A } else { 语句或语句块B }

• switch 语句： cpp switch (表达式) { case 值1: 代码段A; break; case 值2: 代码段B; break; default: 代码段N; break; }

  注意：不使用 break 会导致程序顺序执行后面的 case（即“穿透”现象），switch 结尾必须有分号。

• 例：闰年判定 ```cpp #include using namespace std;

int main() { int year, month, day; bool b = false; cin >> year >> month >> day;

  // 判断是否为闰年
  if (year % 400 == 0)
      b = true;
  else if (year % 100 != 0 && year % 4 == 0)
      b = true;

  if (b)
      cout << year << "是闰年。\n";
  else
      cout << year << "不是闰年。\n";

  // 判断所在月份的天数
  switch (month) {
      case 1: case 3: case 5: case 7: case 8: case 10: case 12:
          cout << "这个月有31天。\n"; break;
      case 4: case 6: case 9: case 11:
          cout << "这个月有30天。\n"; break;
      case 2:
          cout << "这个月有" << (b ? 29 : 28) << "天。\n"; break;
  }
  return 0;

} ```

1.3 循环结构

• while 语句：条件成立时循环。 cpp while (条件) { 循环体; }
• do while 语句：循环体至少执行一次。 cpp do { 循环体; } while (条件);

• for 语句： cpp for (初始条件; 继续循环条件; 状态转移条件) { 循环体; }

  在循环内使用 break 可跳出当前循环，continue 可跳过当前轮次剩余代码。

• 例：求多个数的阶乘值 ```cpp #include using namespace std;

int main() { int n; long long r = 1; cin >> n; while (n > -1) { r = 1; for (int i = 1; i <= n; i++) { r *= i; } cout << n << "! = " << r << "\n"; cin >> n; } return 0; } ```

1.4 goto 语句

用于无条件跳转，通常用于从多层嵌套循环中直接跳出：

for (int i = 0; i < 9; i++) {
    for (int j = 0; j < 9; j++) {
        if (满足某种条件) goto __exited;
    }
}
__exited:

1.5 C 与 C++ 的重要区别

1. C++ 支持流式输入输出（cin/cout），C 语言主要依赖 scanf/printf。
2. C++ 支持面向对象编程及强大的 string 类。
3. C++ 拥有功能强大的 STL（标准模板库）。
4. C 的头文件在 C++ 中应去掉 .h 并以 c 开头（如 <stdio.h> 改为 <cstdio>）。
5. C 程序运行速度在极微观层面上通常略优于 C++。

2. 数据类型

2.1 基本数据类型

C++11 固定宽度整数类型（头文件 <cstdint>）： - int8_t / uint8_t、int16_t / uint16_t、int32_t / uint32_t、int64_t / uint64_t。竞赛中推荐使用 int64_t 替代 long long。

2.2 变量与常量、C++14 新特性

• 变量定义：变量类型 标识符;（未初始化时值不确定）。
• 常量定义：const 变量类型 标识符 = 初始值;
• C++11/14 字面量与分隔符：
• 整数字面量后缀：123LL、123ULL。
• 二进制字面量 (C++14)：0b1010（十进制 10）。
• 数字分隔符 (C++14)：123'456'789 等价于 123456789。

2.3 数组与字符串

• 一维数组：int a[10]; 下标范围 0 ~ 9。
• 二维数组：int b[5][3];
• 字符串：以 '\0' 结尾的 char 数组。数组不能整体赋值，需借助 memcpy 或 strcpy。
• 警告：C++ 不检查数组下标越界，越界会导致程序崩溃或未定义行为。

2.4 指针

• &：取地址运算符。
• *：取值运算符。
• 示例： cpp int a = 0, b = 1; int *p = &a; // p指向a *p = 3; // a变为3 p = &b; // p指向b p = nullptr; // C++11空指针

2.5 引用

引用是变量的别名，创建时必须初始化，且初始化后不可更改绑定对象：

int x = 10;
int &p = x; // p 是 x 的引用
p = 20;     // x 变为 20

2.6 结构体

struct pack {
    int value, weight;
};
pack p; // 定义结构体变量
p.value = 10;

3. 运算符

3.1 运算符优先级（自上而下优先级递减）

1. ::
2. . -> [] ()
3. ++ -- sizeof ! ~ + - (一元) * &
4. * / %
5. + -
6. << >>
7. < <= > >=
8. == !=
9. &
10. ^
11. |
12. &&
13. ||
14. ?: (条件运算符)
15. = += -= 等赋值运算符

3.2 常用运算符要点

• 除法：整数除以整数结果仍为整数（截断小数）。
• 浮点数比较：严禁直接用 ==，应设定精度 const double eps = 1e-6; if (abs(a - b) < eps)。
• 位运算：&, |, ^, ~, <<, >>。a << n 相当于 $a \times 2^n$。
• 短路求值：&&, ||, ?: 具有短路特性，避免在其中放置带副作用的函数调用。

4. 函数

4.1 定义和使用

inline int square(int x) {
    return x * x;
}

inline（内联函数）建议编译器在调用点展开代码以减少函数调用的开销。

4.2 传递实参

• 按值传递：传递副本，函数内修改不影响外部变量。
• 传递指针：通过地址修改外部变量。
• 传递引用：int foo(int &n)，既能直接修改外部变量，又免去了指针的繁琐语法。

4.3 Lambda 表达式 (C++11/14)

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

int main() {
    vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5};
    // 示例1：自定义排序降序
    sort(v.begin(), v.end(), [](int a, int b) { return a > b; });

    // 示例2：捕获外部变量
    int threshold = 2;
    auto cnt = count_if(v.begin(), v.end(), [threshold](int x) { return x > threshold; });

    // 示例3：递归 Lambda (C++14 万能引用)
    auto dfs = [&](auto&& self, int u, int fa) -> void {
        for (int v_node : v) {
            // 递归逻辑
        }
    };
    return 0;
}

5. 输入和输出

5.1 标准输入/输出 (<cstdio>)

#include <cstdio>
using namespace std;

int main() {
    int n;
    scanf("%d", &n);
    printf("n = %05d\n", n); // 5位数，右对齐，不足补0
    return 0;
}

5.2 流输入/输出 (<iostream>)

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

int main() {
    // 开启流加速
    ios::sync_with_stdio(false);
    cin.tie(nullptr);

    int n;
    cin >> n;
    cout << "Value: " << n << "\n";
    return 0;
}

6. 库函数/宏定义

6.1 常用库函数

• 内存操作 (<cstring>)：memset(a, 0, sizeof(a));、memcpy(b, a, sizeof(a));
• 算法 (<algorithm>)：sort(begin, end)、reverse(begin, end)、max()、min()、swap()
• C++17 数值 (<numeric>)：std::gcd(12, 18)、std::lcm(12, 18)
• 随机数 (<random>)：推荐使用 C++11 的 std::mt19937。

#include <random>
#include <chrono>
using namespace std;

mt19937 rng(chrono::steady_clock::now().time_since_epoch().count());
uniform_int_distribution<int> dist(1, 100);
int random_val = dist(rng); // 生成 [1, 100] 随机数

6.2 C++11/14 容器与算法便利特性

• 范围 for 循环： cpp vector<int> v = {1, 2, 3}; for (const auto& x : v) { cout << x << " "; }
• auto 与 decltype 类型推导
• 结构化绑定 (C++17)：auto [x, y] = make_pair(1, 2);
• 空指针 nullptr

6.3 宏定义与 const/constexpr

建议在 C++ 中尽量弃用 #define 常量和宏函数，改用 const、constexpr 以及 inline 函数以保证类型安全：

constexpr int N = 5000;
constexpr int SQUARE(int x) { return x * x; }

7. 字符串操作

头文件：<cstring>。printf 和 scanf 在 <cstdio> 中，cin 和 cout 在头文件 <iostream> 中且位于 std 命名空间内。

假设待处理的字符串为 str 和 str2，即：char str[MAX], str2[MAX];

• 注意事项：字符串的最后一个字符一定是 '\0'。如果字符串内没有 '\0'，进行输出等操作时可能会造成严重错误。
• 输出字符串 str： cpp cout << str; printf("%s", str); // 输出到文件：fprintf(fout, "%s", str);
• 输入字符串 str： cpp scanf("%s", str); // 输出到文件：fscanf(fin, "%s", str); cin >> str;

  以上两种方法在输入时会忽略空格、回车、TAB 等字符，并且在一个或多个非空格字符后面输入空格时，会终止输入。

cpp fgets(str, MAX, fin);

每调用一次，就会读取一行的内容（即不断读取，直到遇到回车停止）。

• 求字符串长度：strlen(str)（不包括末尾的 '\0'）。
• 连接字符串：strcat(str, str2)（将 str2 连接到 str 末尾，str 空间必须足够大）。strncat(str, str2, n) 表示连接前 $n$ 个字符。
• 复制字符串：strcpy(str, str2)。
• 比较字符串：strcmp(str, str2)（若 $\text{str} > \text{str2}$ 返回 1，相等返回 0，小于返回 -1）。
• 查找字符/子串：
• strchr(str, c)：返回字符 c 第一次出现位置的指针。
• strstr(str, str2)：返回子串 str2 第一次出现位置的指针。
• 数值与字符串转换：
• sscanf(str, "%d", &i); / sprintf(str, "%d", i);
• C++11 便利函数：to_string()（头文件 <string> 或 <iostream>） cpp string s = to_string(123); // s = "123" string s2 = to_string(3.14159); // s2 = "3.141590"
• C++17 引入 std::string_view（头文件 <string_view>），支持零拷贝访问字符串，适合作为只读字符串参数类型。

8. 文件操作

在 OJ（Online Judge）中通常不需要文件操作，但在正式竞赛中，数据多从 .in 文件读入，结果需输出到 .out 文件。

8.1 输入/输出重定向

头文件：<fstream> 或 <cstdio>

freopen("XXXXX.in", "r", stdin);
freopen("XXXXX.out", "w", stdout);

调用两次 freopen 后，scanf、printf、cin、cout 用法完全不变，操作对象自动变更为指定文件。注意重定向后屏幕键盘输入将失效。

8.2 文件流

头文件：<fstream>

ifstream fin("XXXXX.in");
ofstream fout("XXXXX.out");
fin >> a; 
fout << b;

也可以通过 #define cin fin 和 #define cout fout 简化代码。

8.3 FILE 指针

头文件：<cstdio> 或 <fstream>

FILE *fin, *fout;
int main() {
    fin = fopen("XXXXX.in", "r");
    fout = fopen("XXXXX.out", "w");

    fprintf(fout, "%d", ans);

    fclose(fin); 
    fclose(fclose); // 竞赛中切记关闭文件
    return 0;
}

9. 简单的算法分析和优化

9.1 复杂度

• 时间复杂度：算法主要运算次数的数量级，用大 $O$ 表示。保留最大项并忽略系数。
• 空间复杂度：算法执行时主要占用的内存空间大小。

9.2 常用算法的时空复杂度

1秒内计算机大约能执行 $5,000,000$ 次基本运算。

• C++11/14：constexpr 编译时常量与函数 cpp constexpr int factorial(int n) { return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1); } constexpr int N = factorial(5); // 编译时完成计算 C++14 放宽了限制，constexpr 函数中允许使用循环、条件判断等。

9.3 简单的优化方法

1. 时间优化：
2. 整型运算远快于浮点型。
3. 位运算速度极快。
4. 除法 % 和 / 运算非常耗时。
5. 减少不必要的函数调用（可考虑 inline）。
6. 空间优化：
7. 压缩存储、合理开辟数组大小。
8. 使用滚动数组优化空间复杂度。
9. 优化原则：不重复计算、不做无用功、不解决无用子问题。

10. 代码编辑器

10.1 Windows 平台

10.2 macOS 平台

10.3 Linux 平台

10.4 工具详解

• 小熊猫 C++ (RedPanda C++)：专为信息学竞赛（NOI 系列赛事）打造的轻量级 IDE，基于 Dev-C++ 深度优化。开箱即用（内置 MinGW），原生支持中文字符，界面现代。
• CP Editor：专为算法竞赛设计的开源跨平台 IDE。自动爬取样例数据，一键编译运行并比对，大幅提升刷题效率。

10.5 竞赛选手推荐

• 初学阶段：小熊猫 C++（专为 OI 设计，开箱即用，免去环境配置烦恼）。
• 进阶/刷题阶段：CP Editor（自动处理样例测试，刷题神器）。
• 赛前适应：终端命令行 + g++（提前适应比赛评测环境）。

10.6 编译器与标准

• 编译器：竞赛通常使用 GCC（g++）。
• C++ 标准：NOIP / NOI 系列竞赛统一支持 -std=c++14（部分赛事已支持 C++17），请严格按 C++14 标准编写代码。
• 命令行编译示例： bash g++ -std=c++14 -O2 -o program program.cpp

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