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C++编程语言 01：从 Python 到 C++ 的启航

引言：欢迎来到 C++ 的世界！

各位同学，大家好！很高兴能和大家一起开启 C++ 的学习之旅。相信大家已经掌握了 Python 编程的基础，对编程的思想和逻辑有了初步的认识。那么，为什么要学习 C++ 呢？C++ 又会给我们带来什么新的体验和挑战呢？这就是我们今天课程要探讨的内容。

一、 C++ 与 Python 的对比：理解差异，扬长避短

我们首先来对比一下 C++ 和大家熟悉的 Python，了解它们的优势和适用场景，从而更好地理解学习 C++ 的意义。

速度和效率：

C++：编译型语言，执行速度快，效率高。 C++ 代码在运行前会被完整地编译成机器可以直接执行的二进制代码，这使得 C++ 在执行效率上具有天然的优势，尤其是在处理大量计算和对性能有极致要求的场景下。
Python：解释型语言，执行速度相对较慢，但开发效率高。 Python 代码在运行时逐行解释执行，这牺牲了一部分执行效率，但换来了更快的开发速度和更简洁的语法，非常适合快速原型开发和脚本编写。

内存管理：

C++：需要手动管理内存。 C++ 允许程序员直接控制内存的分配和释放，这赋予了开发者更高的灵活性和优化空间，但也带来了内存泄漏等风险。
Python：自动内存管理（垃圾回收机制）。 Python 自动处理内存分配和回收，降低了开发者的心智负担，但也可能在某些情况下带来性能上的开销。

应用领域：

C++：性能敏感型应用、系统级编程、游戏开发、嵌入式系统、高性能计算等。 由于其高效的执行速度和对硬件的直接控制能力，C++ 在这些领域扮演着重要的角色。
Python：数据分析、人工智能、Web 开发、自动化脚本、快速原型开发等。 Python 的简洁语法和丰富的库使其在这些领域非常受欢迎。

为什么人工智能班级学习 C++？

深入理解底层原理，为算法优化提供基础。 AI 的核心算法往往涉及大量的计算，了解 C++ 可以帮助我们理解这些算法在底层是如何高效执行的，从而为算法优化提供思路。
部分高性能库和框架使用 C++ 开发，学习 C++ 有助于更好地使用和理解这些工具。 许多流行的深度学习框架（如 TensorFlow、PyTorch 的底层）都是用 C++ 实现的，掌握 C++ 可以更深入地了解它们的运行机制，甚至进行二次开发。
提升编程技能和代码效率。 C++ 的学习能够锻炼我们对内存管理、性能优化等方面的理解，提升我们的编程基本功，并编写出更高效的代码。

二、 C++ 的发展与平台：历史的脉络与选择

了解 C++ 的发展历程和它所运行的平台，有助于我们更好地理解这门语言的特点和应用场景。

C++ 的发展历程：从机器到现代
- 机器语言: 计算机最早只能理解的语言，用二进制代码表示指令，例如 0001101000。非常难以理解和编写。
- 汇编语言: 用助记符代替二进制代码，例如 mov, jmp, add。相较于机器语言更容易理解，但仍然很底层，开发效率不高。
- 高级语言 (C语言): 更接近人类语言，更容易理解和编写，例如 int x = 5;。提高了开发效率，但仍然偏向过程式编程。
- C++: 在C语言基础上发展而来， 由 Bjarne Stroustrup 于 1979 年在贝尔实验室开发。增加了面向对象特性（类、继承、多态），并持续引入泛型编程、Lambda 表达式等现代特性，兼顾开发效率和执行效率。 C++ 可以看作是 C 语言的增强版，它既保留了 C 的高效性，又加入了许多现代编程的特性。
C++版本：不断进化的语言
- C++98/03： C++ 的早期稳定版本。
- C++11： 一个重要的里程碑版本，引入了大量现代特性，如智能指针、Lambda 表达式、自动类型推断等，是学习现代 C++ 的基础。
- C++14, C++17, C++20...： 后续版本不断引入新特性和改进，使 C++ 更加强大和易用。我们建议学习最新的稳定版本，目前 C++20 或更新版本是主流。

三、 C++ 编译原理：从代码到执行

与 Python 的解释执行不同，C++ 是一门编译型语言。理解编译过程对于学习 C++ 至关重要。

Python：解释型语言，逐行解释执行代码。 就像我们阅读文章一样，Python 解释器会一行一行地理解并执行代码。

C++：编译型语言，需要先将代码编译成机器语言才能执行。 C++ 代码需要经过一个“翻译”的过程，将其转化为计算机能够理解的机器语言。

编译过程详解:

预处理 (Preprocessing)：
- 处理以 # 开头的预处理指令。
- 例如：
  - #include <iostream>：将 iostream 头文件的内容复制到当前文件中。
  - #define PI 3.14159：将代码中的 PI 替换为 3.14159。
- 预处理的输出结果是一个包含了所有必要代码的源文件。
编译 (Compilation)：
- 将预处理后的 C++ 代码翻译成汇编语言。
- 汇编语言是一种更接近机器语言的低级语言，使用助记符表示机器指令。
汇编 (Assembly)：
- 将汇编语言代码翻译成机器语言（也称为目标代码）。
- 机器语言是由二进制指令组成的，计算机可以直接执行。
- 汇编器的输出结果是一个或多个目标文件 (.obj 或 .o 文件)。
链接 (Linking)：
- 将多个目标文件和所需的库文件（包含已经编译好的函数和代码）合并成一个最终的可执行文件 (.exe 或无后缀文件)。
- 链接器负责解决符号引用问题，例如将函数调用与函数定义连接起来。

四、 C++ 开发环境搭建：工欲善其事，必先利其器

选择合适的开发环境能大大提高我们的学习和开发效率。

推荐使用 CLion:

跨平台开发工具，支持 Windows、Linux、macOS 等平台。 无论你使用哪种操作系统，CLion 都能提供一致的开发体验。
专为 C++ 设计的集成开发环境 (IDE)，提供代码补全、语法高亮、调试、重构等强大功能。 这些功能可以帮助我们更快更准确地编写代码，并更容易发现和修复错误。
与 CMake 构建系统无缝集成，方便项目管理。 CMake 是一个流行的跨平台构建工具，CLion 的集成使得管理复杂的 C++ 项目变得更加容易。

CLion 安装演示:

下载 CLion 安装包：
运行安装程序，根据提示完成安装。
启动 CLion，配置 C++ 工具链。
- CLion 需要一个 C++ 编译器才能工作。常见的编译器有 GCC、Clang 和 Visual Studio 的 MSVC。
- 在首次启动 CLion 时，它会提示你选择或配置编译器。
- 在 Windows 上，通常会选择 MinGW 或安装 Visual Studio Community，并配置其编译器。
- 在 Linux 和 macOS 上，通常系统已经自带 GCC 或 Clang。

TIP

其他开发环境:

GCC/G++: 开源编译器，使用命令行操作，适合有一定基础的开发者，可以更深入地了解编译过程。
Visual Studio: 微软开发的集成开发环境，功能强大，尤其在 Windows 平台开发中表现优秀，但体积较大。
VS Code with C/C++ Extension: 轻量级但功能强大的代码编辑器，通过安装 C/C++ 扩展可以获得代码补全、调试等功能，适合喜欢自定义配置的开发者。

五、第一个 C++ 程序：迈出 C++ 编程的第一步

让我们一起编写并运行你的第一个 C++ 程序！

c++

#include <iostream> // 引入 iostream 头文件，提供输入输出功能

using namespace std; // 使用标准命名空间，简化代码

int main() { // 主函数，程序执行的入口
  cout << "Hello, world!" << endl; // 使用 cout 输出字符串到控制台，并换行
  return 0; // 返回值 0 表示程序正常结束
}

好的，我将你提供的 C++ 基础数据类型部分进行补充和完善，使其成为更完整的第一节课后半部分内容。

六、C++ 数据类型

我们已经了解了 C++ 的一些基本特性，现在让我们深入了解 C++ 中的数据类型，这是构建任何程序的基础。

1. 基本数据类型:

int：整型（Integer）
- 用于存储整数（没有小数部分的数字），例如：-10, 0, 123。
- 通常占用 4 个字节（32位），可以存储的范围通常为 -2³¹ 到 2³¹-1。
- 注意： 实际大小可能因编译器和操作系统而异，可以使用 sizeof(int) 查看。
char：字符型（Character）
- 用于存储单个字符，例如：'a', 'B', '1', '$'.
- 通常占用 1 个字节（8位），可以存储 ASCII 码表中的字符。
float：单精度浮点型（Floating-point）
- 用于存储带有小数部分的数值，精度有限。例如：3.14, -0.5, 2.0f (注意 f 后缀)。
- 通常占用 4 个字节，提供约 7 位有效数字的精度。
bool：布尔类型（Boolean）
- 用于存储逻辑值，只有两个可能的值：true（真）或 false（假）。
- 通常占用 1 个字节，但实际存储可能只用一个比特位。
void：空类型
- 表示没有值。
- 主要用于以下两种情况：
  - 函数返回值： 如果函数不返回任何值，则将其返回类型声明为 void。
  - 函数参数： 如果函数不接受任何参数，则参数列表可以写为 void 或空着。

2.算术运算符:

+ 加法：将两个操作数相加。
- 减法：将第二个操作数从第一个操作数中减去。
* 乘法：将两个操作数相乘。
/ 除法：将第一个操作数除以第二个操作数。
% 取余（模）：返回两个整数相除后的余数。
sizeof() 大小运算符：用于获取数据类型或变量所占用的内存大小（以字节为单位）。
整数除法的重要特性:
- 截断行为： 当两个整数进行除法运算时，结果会被截断为整数部分，小数部分会被直接舍弃，不会进行四舍五入。
- 示例： 7 / 3 的结果是 2，而不是 2.333...。
取余运算的应用:
- 判断整除性： 如果 a % b 的结果为 0，则表示 a 可以被 b 整除。
- 获取个位数字： n % 10 可以获取整数 n 的个位数字。
- 循环处理： 常用于循环中，例如限制索引在一定范围内。

3. 其他基本数据类型 (大小和范围可能因系统和编译器而异):

short int (简写为 short)：短整型
- 通常占用 2 个字节，存储范围比 int 小，但可以节省内存。
long int (简写为 long)：长整型
- 通常占用 4 或 8 个字节，存储范围比 int 大。在现代 64 位系统中，通常为 8 字节。
long long int (简写为 long long)：更长的整型
- 通常占用 8 个字节，提供更大的整数存储范围。
浮点型 (精度和范围不同):
- double：双精度浮点型
  - 精度比 float 更高，可以存储更多位的小数。
  - 通常占用 8 个字节，提供约 15 位有效数字的精度。推荐在需要较高精度的浮点数计算中使用。
- long double：扩展精度浮点型
  - 提供比 double 更高的精度，但具体大小和精度取决于编译器和平台。
  - 通常占用 10 或 16 个字节。
无符号类型（Unsigned）:
- 在整数类型（如 int, short, long, long long, char）前加 unsigned 关键字，表示该类型不存储符号位，只能存储非负数（零和正数）。
- 优点： 可以扩展正数的表示范围。例如，unsigned int 的正数范围是 int 的两倍。
- 缺点： 不能存储负数。
- 示例： unsigned int, unsigned short, unsigned long long, unsigned char。

代码示例分析:

c++

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
  // 声明变量并赋值
  int age = 25;
  char initial = 'J';
  float height = 1.75;
  bool isStudent = true;

  // 打印变量值
  cout << "Age: " << age << endl;
  cout << "Initial: " << initial << endl;
  cout << "Height: " << height << endl;
  cout << "Is student? " << isStudent << endl;

  // 算术运算
  int a = 10;
  int b = 3;
  int sum = a + b;
  int difference = a - b;
  int product = a * b;
  int quotient = a / b;
  int remainder = a % b;

  cout << "Sum: " << sum << endl;
  cout << "Difference: " << difference << endl;
  cout << "Product: " << product << endl;
  cout << "Quotient: " << quotient << endl; // 输出 3，因为是整数除法
  cout << "Remainder: " << remainder << endl; // 输出 1

  // 使用 sizeof 运算符
  cout << "Size of age: " << sizeof(age) << " bytes" << endl;
  cout << "Size of float: " << sizeof(float) << " bytes" << endl;

  return 0;
}

代码示例解释:

变量声明和初始化：
- int age = 25;：声明一个整型变量 age 并赋值为 25。
- char initial = 'J';：声明一个字符型变量 initial 并赋值为字符 'J'。
- float height = 1.75;：声明一个单精度浮点型变量 height 并赋值为 1.75。
- bool isStudent = true;：声明一个布尔类型变量 isStudent 并赋值为 true。
使用 cout 打印变量的值：
- cout << "Age: " << age << endl;：使用 cout 将字符串和变量 age 的值输出到控制台。
算术运算示例：
- 演示了加、减、乘、除和取余运算。
- 特别注意 quotient 的结果，展示了整数除法的截断行为。
使用 sizeof 运算符：
- cout << "Size of age: " << sizeof(age) << " bytes" << endl;：使用 sizeof 运算符获取变量 age 所占用的内存大小，并输出到控制台。这可以帮助我们验证不同数据类型的大小。

总结：

理解 C++ 的基本数据类型及其特性是编写有效和高效 C++ 代码的关键。选择合适的数据类型可以帮助我们节省内存，提高程序的性能，并避免潜在的错误。在后续的课程中，我们将学习更多关于如何使用这些数据类型进行更复杂的操作。

作业:

温度转换器
编写一个 C++ 程序，实现华氏温度到摄氏温度的转换。
- 程序开始时，提示用户输入一个华氏温度值（可以使用 int 或 double 类型存储）。
- 使用以下公式将华氏温度转换为摄氏温度： 摄氏温度 = (华氏温度 - 32) * 5 / 9
- 将计算得到的摄氏温度值输出到控制台，并注明单位（摄氏度）。
- 扩展练习（可选）： 让程序也能实现摄氏温度到华氏温度的转换。用户可以选择进行哪种转换。
示例输出：
```
请输入华氏温度：68
对应的摄氏温度为：20 摄氏度

或者 (扩展练习)

请选择转换类型 (1. 华氏转摄氏, 2. 摄氏转华氏)：1
请输入华氏温度：68
对应的摄氏温度为：20 摄氏度
```

参考实现如下：

c++

#include <iostream>
#include <iomanip> // 用于设置输出精度

using namespace std;

int main() {
    int choice;
    double temperature, convertedTemperature;

    // 提示用户选择转换类型
    cout << "请选择转换类型 (1. 华氏转摄氏, 2. 摄氏转华氏)：";
    cin >> choice;

    if (choice == 1) {
        // 华氏转摄氏
        cout << "请输入华氏温度：";
        cin >> temperature;
        convertedTemperature = (temperature - 32) * 5.0 / 9.0;
        cout << "对应的摄氏温度为：" << fixed << setprecision(2) << convertedTemperature << " 摄氏度" << endl;
    } else if (choice == 2) {
        // 摄氏转华氏
        cout << "请输入摄氏温度：";
        cin >> temperature;
        convertedTemperature = (temperature * 9.0 / 5.0) + 32;
        cout << "对应的华氏温度为：" << fixed << setprecision(2) << convertedTemperature << " 华氏度" << endl;
    } else {
        cout << "无效的选择，请重新运行程序。" << endl;
    }

    return 0;
}

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一、 C++ 与 Python 的对比：理解差异，扬长避短 ​

二、 C++ 的发展与平台：历史的脉络与选择 ​

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