探索C++编程：从基础到面向对象的全面指南

### 探索 C++ 编程：从基础到面向对象的全面指南 #### 1. 致谢与反馈 在开始学习之前，要感谢众多为相关资料的完善做出贡献的人。Mike Radtke 和 Harry Henderson 进行了专业的技术评审；Edward Wright 对新练习进行了评审和实验。第一版中，Mitch Waite 仔细审阅手稿并给出大量有用建议；Bill McCarty 评审内容并提出改进建议，还帮忙纠正拼写；George Leach 运行程序发现问题；Scott Calamar 处理编写和制作的组织事务；Nan Borreson 提供软件最新版本；Louise Orlando 推动资料制作；Merrill Peterson 协调顺利的制作流程；Juan Vargas 进行创新设计；Frances Hasegawa 解读草图并创作精美的艺术作品。 同时，也欢迎读者反馈意见。作为执行编辑，希望了解读者对内容的看法，包括哪些做得好、哪些可以改进、希望看到在哪些领域出版等。可以通过电子邮件 [email protected] 或写信至 Sams Publishing, 201 West 103rd Street, Indianapolis, IN 46290 USA 反馈。写信时请注明资料标题、作者姓名以及自己的姓名和电话或传真号码。不过，编辑无法帮助解决技术问题，且由于邮件量大可能无法回复每一条信息。 #### 2. 编程创新与 C++ 学习 在过去，程序员启动项目时几乎会立即开始编写代码。但随着编程项目变得更大、更复杂，这种方法效果不佳，问题在于复杂性。大型程序可能是人类创造的最复杂的实体，由于其复杂性，程序容易出错，软件错误可能代价高昂甚至危及生命（如在航空交通管制中）。为应对复杂性问题，编程领域出现了三大创新： - **面向对象编程（OOP）**：将程序视为一组具有特定属性和能执行特定操作的对象，而非一系列要执行的步骤。这使得程序更清晰、更可靠且更易于维护。 - **统一建模语言（UML）**：一种由多种图表组成的图形语言，帮助程序分析师确定程序应实现的功能，协助程序员设计和理解程序的工作原理。 - **改进的软件开发流程**：提高软件开发的效率和质量。 C++ 是最广泛使用的面向对象编程语言。与 Java 相比，Java 缺少指针、模板和多重继承等特性，使得其功能和通用性不如 C++。不过，如果想学习 Java，由于其语法与 C++ 相似，学习 C++ 能为学习 Java 提供基础。近年来还出现了如 C# 等其他面向对象语言，但尚未获得像 C++ 那样广泛的认可。 在 1997 年 11 月，ANSI/ISO C++ 标准委员会批准了现在所知的标准 C++ 的最终草案。标准 C++ 为语言添加了许多新特性，如标准模板库（STL）。在学习中，将遵循标准 C++（少数地方会特别说明）。 #### 3. 学习目标与适用人群 学习目标是使用 Microsoft 或 Borland 编译器，通过 C++ 语言教授面向对象编程，同时介绍 UML 和软件开发流程。适用于专业程序员、学生和业余爱好者。 #### 4. 新的概念与学习方法 面向对象编程涉及一些对于使用传统语言（如 Pascal、Basic 和 C）的程序员来说全新的概念，如类、继承和多态性，这些是面向对象编程的核心。很多资料在讨论面向对象语言的细节时，容易让读者忽略这些概念存在的原因。而本学习资料会关注整体概念，并将细节与更大的概念联系起来。 采用循序渐进的方法，从非常简单的编程示例开始，逐步过渡到成熟的面向对象应用程序。缓慢引入新概念，让读者有时间消化每个概念。尽可能使用插图来帮助澄清新思想。大多数章节末尾都有问题和编程练习，问题和前几个（带星号）练习的答案可以在附录 G 中找到。练习难度各异，为学生提供各种挑战。 #### 5. 学习所需知识与软硬件要求 即使没有编程经验也可以学习，但有编程经验（如 Visual Basic）会有帮助。不需要了解 C 语言，本资料会从零开始教授 C++。不过，需要熟悉 Microsoft Windows 的基本操作，如启动应用程序和复制文件。 需要一个 C++ 编译器，资料中的程序已在 Microsoft Visual C++ 和 Borland C++Builder 上进行了测试，这两种编译器都有适合学生的低价“学习版”。可以在附录 C 中获取 Microsoft 编译器的详细操作信息，在附录 D 中获取 Borland 编译器的相关信息。其他遵循标准 C++ 的编译器可能也能处理资料中的大多数程序。计算机需要有足够的处理器速度、内存和硬盘空间来运行所选的编译器，可以查看制造商的规格来确定这些要求。 #### 6. 示例程序与图形库 资料中有许多示例程序，它们是控制台模式程序，可在编译器环境的字符模式窗口或直接在 MS - DOS 框中运行，避免了全功能图形化 Windows 程序的复杂性。 可以从 Sams Publishing 网站（http://www.samspublishing.com）获取示例程序的源代码。输入 ISBN 或资料标题并点击搜索，找到相关页面后点击“Source Code”下载程序示例。 部分示例程序使用名为 Console Graphics Lite 的图形库绘制图片。该图形依赖于控制台字符，不太复杂，但能实现一些有趣的程序。该库的文件与示例程序的源文件一起提供在出版商的网站上。要编译和运行这些图形示例，需要根据编译器在程序中包含头文件（MSOFTCON.H 或 BORLACON.H），并将 MSOFTCON.CPP 或 BORLACON.CPP 添加到图形示例项目中。附录 E 提供了这些文件的列表并说明如何使用它们，附录 C 和 D 解释了如何在特定编译器环境中处理文件和项目。 #### 7. 编程练习 每章大约包含 12 个练习，每个练习都需要创建一个完整的 C++ 程序。每章前三个或四个练习的解决方案在附录 G 中提供，其余练习需要读者自己完成。对于教授 C++ 课程的教师，可以从 Sams Publishing 网站获取建议的解决方案。练习难度差异较大，每章早期的练习相对容易，后期的练习更具挑战性，教师可能需要根据班级水平布置合适的练习。 #### 8. 面向对象编程的必要性 面向对象编程的出现是因为早期编程方法存在局限性。像 C、Pascal、FORTRAN 等语言是过程式语言，程序是一系列指令，每个语句告诉计算机执行某个操作，如获取输入、相加数字、除以六、显示输出等。对于非常小的程序，不需要其他组织原则，程序员创建指令列表，计算机执行它们。 但当程序变大时，单一的指令列表变得难以管理。很少有程序员能理解超过几百条语句的程序，除非将其分解为更小的单元。因此，引入了函数的概念（在 C++ 和 C 中使用“函数”一词，在其他语言中可能称为子程序、子程序或过程）。过程式程序被划分为函数，理想情况下，每个函数都有明确的目的和与程序中其他函数明确的接口。 下面用一个 mermaid 流程图展示过程式编程和面向对象编程的简单对比： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(编写程序):::process B --> C{程序规模小?}:::decision C -->|是| D(按单一指令列表编写):::process C -->|否| E(分解为函数):::process D --> F(计算机执行):::process E --> F F --> G([结束]):::startend H([开始]):::startend --> I(确定对象和类):::process I --> J(定义对象属性和方法):::process J --> K(创建对象并交互):::process K --> L([结束]):::startend ``` 表格展示过程式语言和面向对象语言的特点对比： | 语言类型 | 组织方式 | 程序理解 | 可维护性 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 过程式语言 | 指令列表，可分解为函数 | 大型程序较难理解 | 大型程序维护难度大 | | 面向对象语言 | 对象和类的集合 | 更清晰，通过对象和类组织 | 更易于维护，修改局部不影响全局 | 列表总结学习 C++ 的要点： 1. 理解编程创新的重要性，包括 OOP、UML 和改进的软件开发流程。 2. 掌握 C++ 的基本语法和面向对象编程的核心概念。 3. 学会使用 UML 来辅助程序设计和理解。 4. 根据自己的情况选择合适的编译器。 5. 多做编程练习，从简单到复杂逐步提高编程能力。 ### 探索 C++ 编程：从基础到面向对象的全面指南 #### 9. 面向对象编程的特点 面向对象编程具有几个显著的特点，这些特点使其成为现代软件开发的首选方法。 - **封装**：将数据和操作数据的方法捆绑在一起，形成一个独立的单元，即类。通过封装，可以隐藏对象的内部实现细节，只对外提供必要的接口，提高了代码的安全性和可维护性。例如，一个银行账户类可以封装账户余额和相关的操作方法，如存款、取款等，外部只能通过这些方法来操作账户，而不能直接访问账户余额。 - **继承**：允许一个类继承另一个类的属性和方法，从而实现代码的复用和扩展。被继承的类称为父类或基类，继承的类称为子类或派生类。子类可以继承父类的所有非私有成员，并可以添加自己的新成员或重写父类的方法。例如，一个动物类可以作为父类，狗类和猫类可以作为子类继承动物类的属性和方法，并添加自己特有的属性和方法。 - **多态性**：允许不同的对象对同一消息做出不同的响应。多态性可以通过继承和接口实现。在继承中，子类可以重写父类的方法，从而实现不同的行为。在接口中，不同的类可以实现同一个接口，从而对同一消息做出不同的响应。例如，一个图形类可以定义一个绘制方法，不同的图形子类（如圆形、矩形、三角形等）可以重写这个方法，实现不同的绘制效果。 下面用一个 mermaid 流程图展示继承的过程： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([父类]):::startend --> B(定义属性和方法):::process B --> C(子类继承父类):::process C --> D(子类添加新属性和方法):::process D --> E(子类重写父类方法):::process E --> F([子类]):::startend ``` 表格展示封装、继承和多态性的作用： | 特性 | 作用 | | ---- | ---- | | 封装 | 隐藏内部实现细节，提高代码安全性和可维护性 | | 继承 | 实现代码复用和扩展，减少代码重复 | | 多态性 | 提高代码的灵活性和可扩展性，允许不同对象对同一消息做出不同响应 | #### 10. C++ 与 C 的关系 C++ 是在 C 语言的基础上发展而来的，但它们是两种不同的语言。虽然 C++ 的语法与 C 相似，并且 C 是 C++ 的一个子集，但它们的基本编程方法有很大的不同。 - **语法差异**：C++ 引入了许多新的语法特性，如类、对象、继承、多态性、模板等，这些特性在 C 语言中是不存在的。例如，C++ 可以定义类和对象，而 C 只能使用结构体来模拟类的功能。 - **编程思想差异**：C 语言是一种过程式语言，强调程序的执行过程，将数据和操作数据的函数分开处理。而 C++ 是一种面向对象语言，强调数据和操作数据的方法的封装，通过对象之间的交互来实现程序的功能。 - **应用场景差异**：C 语言通常用于系统编程、嵌入式系统开发等对性能要求较高的领域。而 C++ 除了可以用于这些领域外，还广泛应用于游戏开发、图形处理、人工智能等领域。 表格展示 C 和 C++ 的差异对比： | 对比项 | C | C++ | | ---- | ---- | ---- | | 语法 | 基本语法简单，无类、对象等概念 | 引入类、对象、继承、多态等新语法 | | 编程思想 | 过程式编程，数据和函数分离 | 面向对象编程，数据和方法封装 | | 应用场景 | 系统编程、嵌入式开发 | 游戏开发、图形处理、人工智能等 | #### 11. 统一建模语言（UML）的应用 统一建模语言（UML）是一种强大的图形化工具，在软件开发中具有重要的作用。 - **需求分析**：UML 可以帮助分析师更好地理解用户的需求，通过绘制用例图来描述系统的功能和用户与系统的交互。用例图可以清晰地展示系统的边界和功能需求，为后续的设计和开发提供基础。 - **系统设计**：在系统设计阶段，UML 可以用于绘制类图、序列图、状态图等，帮助设计师设计系统的结构和行为。类图可以展示系统中类的关系和属性，序列图可以展示对象之间的交互顺序，状态图可以展示对象的状态变化。 - **代码实现**：UML 图可以作为代码实现的参考，开发人员可以根据 UML 图来编写代码，确保代码的实现与设计一致。同时，UML 图也可以帮助开发人员理解代码的结构和功能，提高代码的可维护性。 下面用一个 mermaid 流程图展示 UML 在软件开发中的应用流程： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([需求分析]):::startend --> B(绘制用例图):::process B --> C(确定系统功能和需求):::process C --> D([系统设计]):::startend D --> E(绘制类图、序列图等):::process E --> F(设计系统结构和行为):::process F --> G([代码实现]):::startend G --> H(根据 UML 图编写代码):::process H --> I(确保代码与设计一致):::process I --> J([测试和维护]):::startend ``` 列表总结 UML 的重要性： 1. 帮助分析师更好地理解用户需求。 2. 辅助设计师进行系统设计，提高设计的准确性和可维护性。 3. 为开发人员提供代码实现的参考，确保代码与设计一致。 4. 促进团队成员之间的沟通和协作，提高软件开发的效率。 #### 12. 软件开发流程的优化 在软件开发中，采用合适的开发流程可以提高开发效率和软件质量。 - **传统开发流程**：传统的软件开发流程如瀑布模型，按照需求分析、设计、编码、测试、维护的顺序依次进行，每个阶段都有明确的输入和输出。这种流程适用于需求明确、项目规模较大的软件开发。 - **敏捷开发流程**：敏捷开发流程强调快速迭代、客户参与和团队协作。通过短周期的迭代开发，不断交付可运行的软件版本，及时获取客户反馈，调整开发方向。敏捷开发流程适用于需求不确定、变化频繁的软件开发。 - **面向对象开发流程**：面向对象开发流程结合了面向对象编程的思想和软件开发的流程，强调在整个开发过程中使用面向对象的方法进行需求分析、设计和实现。这种流程可以提高软件的可维护性和可扩展性。 表格展示不同开发流程的特点： | 开发流程 | 特点 | 适用场景 | | ---- | ---- | ---- | | 瀑布模型 | 按顺序依次进行，阶段明确 | 需求明确、项目规模大 | | 敏捷开发 | 快速迭代、客户参与、团队协作 | 需求不确定、变化频繁 | | 面向对象开发 | 结合面向对象思想，强调可维护性和扩展性 | 注重软件质量和可扩展性 | #### 13. 学习建议与总结 学习 C++ 编程是一个长期的过程，需要不断地实践和积累。以下是一些学习建议： 1. 多做编程练习：通过做练习可以加深对知识的理解和掌握，提高编程能力。可以从简单的练习开始，逐步提高难度。 2. 阅读优秀代码：阅读优秀的 C++ 代码可以学习到别人的编程技巧和经验，提高自己的编程水平。可以阅读开源项目的代码或经典的 C++ 书籍中的代码示例。 3. 参与开源项目：参与开源项目可以与其他开发者合作，学习他们的编程风格和思路，同时也可以为开源社区做出贡献。 4. 持续学习：C++ 语言不断发展和更新，需要持续学习新的知识和技术，保持对技术的敏感度。 总之，学习 C++ 编程不仅可以掌握一门强大的编程语言，还可以学习到面向对象编程的思想和方法，提高自己的编程能力和解决问题的能力。通过学习 C++，可以进入到软件开发的各个领域，为自己的职业发展打下坚实的基础。希望大家在学习过程中能够不断探索和实践，享受编程的乐趣。