C++ Primer Plus 第四章 複合型別 學習筆記

Soler索萊爾HO 發表於 2021-07-26

第四章 複合型別

1. 陣列概述

1.1 陣列的定義

陣列(array)是一種資料格式,能夠儲存多個同型別的值。每個值都儲存在一個獨立的陣列元素中,計算機在記憶體中依次儲存陣列的各個元素。

陣列宣告的三個特點:

  • 儲存在每個元素中的值的型別
  • 陣列名
  • 陣列中的元素數

C++中可以通過修改簡單變數的宣告,新增中括號(其中包含元素數目)來完成陣列宣告。

例如:

short days[24]; // 一天有24個小時

1.2 陣列的宣告

宣告陣列的的一般語法格式為:

// 陣列型別 陣列名字[陣列的大小]
int score[4]; // 四個人的分數,整型陣列

陣列的大小是指定元素的數目,必須是整型常數或const值,也可以是常量表示式(8*sizeof(int))

1.3 複合型別的陣列

可以使用其他的型別來建立(C語言使用術語:派生型別

陣列的用途,可以單獨訪問陣列元素,方法是:使用下標索引對元素進行編號。從0開始編號

編譯器不會檢查下標是否有效,所以要注意下標合法性,避免程式異常問題。
C++使用索引的方括號表示法來指定陣列元素。

1.4 陣列的初始化規則

1.只有在定義陣列時才能初始化,此後不能使用,也不能將一個數值賦給另一個陣列

2.初始化陣列時,提供的值少於陣列的元素數目。

3.如果只對陣列的一部分進行初始化,則編譯器把其他元素設定為0。

4.如果初始化為{1}而不是{0},則第一個元素被設定為1,其他元素都被設定為0.

5.如果初始化陣列方括號內([])為空,C++編譯器將計算元素個數。 例如:short things[] = {1,3,5,7};

1.5 C++11陣列初始化方法

C++11將使用大括號的初始化(列表初始化)作為一種通用的初始化方式,可用於所有型別。

在C++中列表初始化就增加了一些功能:

  • 初始化陣列時,可省略等號(=)
double earnings[4] {1.2e4,1.6e4,1.1e4,1.7e4};
  • 可不在大括號內包含任何東西,這會將所元素都設定為零。
unsigned int const[10] = {};

float balances[100] {};
  • 列表初始化禁止縮窄轉換。
long num[] = {25,92,3.0}; // 浮點數轉換為整型是縮窄操作

例子:

#include<iostream>

using namespace std;

int main()
{
    // 建立一個名字為yams的陣列,包含了3個元素,編號是0~2.
    int yams[3];
    yams[0] = 7;
    yams[1] = 8;
    yams[2] = 6;

    // 使用逗號分隔的值列表(初始化列表),然後用花括號括起來即可。
    // 列表中的空格是可選的,如果沒有初始化函式中定義的陣列,其元素值也是不確定。
    int yamcosts[3] = {1,2,3};

    cout<<"yams 陣列是:"<<yams[0]+yams[1]+yams[2]<<endl;
    cout<<"yams[1] = "<<yams[1]<<endl;
    int total = yams[0] * yamcosts[0] + yams[1] * yamcosts[1];
    total = total + yams[2] * yamcosts[2];
    cout<<"total yam = "<<total<<endl;

    // sizeof運算子返回型別或資料物件的長度(單位為位元組)。
    // 如果將sizeof運算子用於陣列名,得到的是整個陣列的位元組數。
    // 如果sizeof用於陣列元素,得到的是元素的長度(單位為位元組)。
    cout<<"\n yams陣列的大小 = "<<sizeof(yams)<<" Bytes.\n";
    cout<<"一個元素的大小 = "<<sizeof(yams[0])<<" Bytes.\n";

    return 0;
}

2. 字串

字串是儲存在記憶體的連續位元組中的一系列字元。

2.1 C++處理字串的兩種方式:

  • C語言,常常被稱為C-風格字串(C-style String)

    以空字元(\0,ASCII碼對應為0)來標記字串的結尾。

  • 基於String類庫的方法

儲存在連續位元組中的一系列字元意味著可以將字串儲存在char陣列中。其中每個字元都位於自己的陣列元素中。

使用引號括起來的字串,這種字串叫 字串常量(String constant)字串字面值(string literal)

字串常量(使用雙引號)不能與字元常量(使用單引號)互換。

例如:

char name[] = "Soler";

字串結尾的空字元不用直接顯式包括,機器在鍵盤輸入,將字串讀入到char型別中,會在結尾自動加上空字元

⚠️注意:確定了儲存字串所需的最短陣列時,不要忘記把結尾的空字元包括在內。

2.2 字串常量的拼接

方法:直接兩個引號括起來的字串合併為一個。任何兩個由空白(空格、製表符和換行符)分隔的字串常量都將自動拼接成一個。

cout<<"My name is " "Soler HO.\n" 

2.3 在陣列中使用字串

將字串儲存到陣列的常用方法:

  • 將陣列初始化為字串常量
  • 將鍵盤或檔案輸入讀入到陣列中。
#include <iostream>
#include <cstring> /*提供strlen()函式*/
using namespace std;

const int Size = 15;

int main()
{
    char name1[Size];
    char name2[Size] = "C++owboy";
    // 字串的拼接
    cout<<"Howdy!I'm "<< name2;
    cout<<"!,What's your name?\n";
    cin>>name1;

    cout<<"Well, "<<name1<<",your name has : "<<strlen(name1)<<" letters and is stored!\n" ;
    cout<<"In an array of "<<sizeof(name1)<<" Bytes\n";
    cout<<"Your iniatial is "<<name1[0]<<".\n"; // name1陣列中的第一個元素
    name2[3] = '\0';
    cout<<"Here are the first 3 characters of my name:"<<name2<<endl;

    return 0;
}

strlen() 函式sizeof()運算子的區別

  • strlen()函式

    • 返回的是儲存在陣列中的字串的長度,而~~不是陣列本身的長度~~
    • strlen()只計算可見的字元,而不把空字元計算在內
  • sizeof() 運算子

    • 指出變數資料型別位元組大小
    • 可用於獲取類、結構、共用體和其他使用者自定義資料型別的大小。

2.4 讀取一行字串的輸入

解決沒有逐行讀取輸入的缺陷。

istream中提供了面向行的類成員函式:getline()get() 函式

2.4.1 面向行的輸入:getline()

使用通過Enter鍵輸入的換行符來確定輸入結尾。使用 cin.getline()

函式有兩個引數:

  • 第一個引數:儲存輸入行的陣列名稱
  • 第二個引數:要讀取的字元數(注意包含結尾的空字元(\0))。

格式:

cin.getline(name,ArSize);

2.4.2 面向行的輸入:get()

getline() 函式類似,接受的引數相同,解釋引數的方式也相同,並讀到行尾

區別:get() 讀取並丟棄換行符,將其留在輸入佇列中。

格式:

cin.get(name,ArSize);

get() 將兩個類成員函式拼接(合併):

cin.get(name,ArSize).get();

⚠️注意:get() 函式讀取空行後設定會失效,輸入會被阻斷。可用如下恢復:

cin.clear();

混合輸入數字和麵向行的字串會導致的問題:無法輸入地址。

解決方法:直接使用get()進行讀取之前丟棄換行符。

3. string類

string類位於名稱空間std中,所以需要提供using指令或者是直接使用std::string進行引用。

要使用string類,必須在程式中包含標頭檔案string中。

string類定義隱藏了字串的陣列性質。

3.1 string物件的方式

使用string物件的方式和使用字元陣列相同。

  • C-風格字串來初始化string物件中。
  • 使用cin來將鍵盤輸入儲存到string物件中。
  • 使用cout來顯示string物件。
  • 可以使用陣列表示方法來訪問儲存在string1物件中的字元。

賦值 —— 不能將一個陣列賦給另一個陣列,但可以將一個string物件賦另一個string物件。

char char01[20];                // 建立一個空列表
char char02[20] = "Jason";      // 建立一個初始化陣列

string str01;                   // 建立一個空的string物件
string str02 = "Soler Ho";      // 建立一個初始化的string物件

char01 = char01;                // 不可執行,一個陣列不能賦值給另一個陣列
str01 = str02;                  // 可執行,可將一個string物件賦給另一個string物件。

3.2 複製、拼接和附加

string類簡化字串合併操作。

  • 利用運算子 + 將兩個string物件合併起來。
string str01;                  
string str02 = "Soler Ho";

string = str01 + str02;
  • 可以使用運算子 += 將字串附加到string物件的末尾
string str01;                  
string str02 = "Soler Ho";

str01 += str02;

4. 結構簡介

結構是使用者定義的型別,而結構宣告定義了型別的資料屬性

定義型別之後,就直接建立型別的變數。

結構比陣列靈活,同一個結構中可以儲存多種型別的資料。

4.1 建立結構的步驟:

  • 定義結構描述 —— 描述並標記能夠儲存在結構中的各種資料型別

  • 按描述建立結構變數(結構資料物件)。

4.2 結構的定義:

struct(關鍵字) 型別名(標記成為新型別的名稱)
{
    結構成員1;
    結構成員2;
    結構成員3;
};//(結束結構宣告)

對於結構中的成員,使用成員運算子(.)來進行訪問各個成員。

4.3 結構的初始化(C++11)

  • 與陣列一樣,列表的初始化用於結構,且等號(=)可有可無
infor Soler_infor {"Soler HO",55,168}; // 在C++11中,= 號可以省略
  • 如果大括號內未包含任何東西,各個成員都將設定為零。
infor Soler_infor {};
  • 不允許縮窄轉換

✅ 小Tips:C++允許在宣告結構變數時省略關鍵字struct。

4.4 成員賦值

成員賦值(memberwise assignment):可以使用賦值運算子(=)將結構賦另一個同型別的結構。這樣結構中的每個成員都將被設定為另一個結構中相應成員的值。即使成員是陣列。這種方式就是成員賦值

5. 共用體

共用體(union),也叫做聯合(union)。一種 構造資料型別

關鍵字:union

聯合(union):將不同型別的資料在一起共同佔用同一段記憶體

儲存不同的資料型別,但只能同時儲存其中的一種型別

示例:

union sample
{
    int int_val;
    long long_val;
    double double_val;
};

5.1 結構體和共用體的區別

  • 結構可以同時儲存int、long和double
  • 共用體只能儲存int、long和double三種。
  • 含義不同。
  • 關鍵字不同
    • 結構體:struct
    • 共用體:union

5.2 共用體的用途:

  • 當資料使用兩種格式或更多格式(但不會同時使用)時,可以節省空間。
    • 嵌入式系統程式設計(如控制烤箱、MP3播放器),記憶體非常寶貴。
  • 常用於作業系統資料結構或硬體資料結構。

5.3 匿名共用體

匿名共用體(anonymous union)沒有名稱,其成員將成為位於相同地址處的變數。

6. 列舉

C++的enum工具提供了另一種建立符號常量的方式,可以代替const,允許定義新型別,但必須有嚴格限制。

使用enum的語法格式與結構的使用類似。

enum color{red,orange,yellow,green,blue,voilet};

6.1 設定列舉量的值

enum week{Monday = 1,Tuesday = 2;Wednesday = 3;Thursday = 4};

指定的值必須是整數。也可以只顯示定義其中一些列舉量的值

如果第一個變數未初始化,預設為0。後面沒有被初始化的列舉量的值將比其前面的列舉量大1。也可以建立多個值相同的列舉量。

enum {zero,null = 0,numero_one,one = 1};

6.2 列舉的取值範圍

每個列舉都有取值範圍的上限,通過強制型別轉換,可以將取值範圍中的任何整數值賦給列舉常量,即使這個值不是列舉值。

6.3 取值範圍的定義

  • 找出上限,需要知道列舉量的最大值。
    • 找到大於最大值的,最小的2的冪,減去1,得到就是取值範圍的上限。
  • 計算下限,知道列舉量的最小值。
    • 如果不小於0,則取值範圍的下限為0,否則,採用尋找上限方式相同的方式,但是要加上負號。

對於選擇使用多少空間來儲存列舉由編譯器決定。

7. 指標和自由空間

對於地址顯示結果是十六進位制表示法,因為都是常常描述記憶體的表示法

  • 指標與C++基本原理

    物件導向程式設計和傳統的過程性程式設計的區別,OOP強調的是執行階段(而不是編譯階段)進行決策。

    • 執行階段:程式正在執行是,取決於不同的情況。
    • 編譯階段:編譯器將程式組合起來時。堅持原先設定的安排

指標用於儲存值的地址。指標名錶示的是地址。

*運算子稱為間接值或解除引用運算子,將其應用於指標,得到該地址處儲存的值。

7.1 宣告和初始化指標

指標的宣告必須指定指向的資料的型別

int *p_updates; 

*p_updates 的型別是int,所以*運算子被用於指標,所以p_updates變數必須是指標。

運算子*兩邊的空格是可選的。

int *ptr; /*該情況強調:*ptr是一個int型別的值。*/

int* ptr; /*該情況強調:int* 是一種型別,指向int的指標。*/

在C++中,int*是一種複合型別,是指向int的指標

double *tax_ptr;

7.2 指標的危險

在C++建立指標時,計算機將分配用來儲存地址的記憶體,但是不會分配用來儲存指標所指向的資料的記憶體

⚠️注意:一定要在對指標應用解除引用運算子(*)之前,將指標初始化為一個確定的、適當的地址

7.3 指標和數字

整數可以加減乘除等運算,而指標描述的是位置

C++語言數字不能作為地址使用,如果要把數字當地址來使用,應通過強制型別轉換將數字轉換為適當的地址型別。

7.4 使用new分配delete釋放記憶體

指標在執行階段 分配未命名的記憶體以儲存值。然後使用記憶體來訪問記憶體。

C語言中,使用 庫函式malloc()來分配記憶體。C++中使用 ———— new運算子。

7.4.1 要注意使用delete進行記憶體的釋放

需要記憶體時,直接使用new來請求,這是記憶體管理資料包的一個方面。

如果使用了delete運算子,使得在使用完記憶體後,能夠將其歸還給記憶體池,這是有效使用記憶體的關鍵。

使用delete時,後面要加上指向記憶體塊的指標。

int * ps = new int; // 使用new進行記憶體分配
 ...
delete ps; // 使用delete進行記憶體的釋放

⚠️注意點:

1.使用delete釋放ps的記憶體,但是不會刪除指標ps本身

2.只能用delete來釋放使用new分配的記憶體,但是如果是空的指標使用delete是安全的。

使用delete的關鍵:用於new分配的記憶體不是要使用於new的指標,而是用於new的地址

❌警告:不能建立兩個指向同一個記憶體塊的指標。會增加錯誤地刪除同一個記憶體塊兩次的可能性。

7.5 使用new建立動態陣列

C++中,建立動態陣列,只需要將陣列的元素型別元素數目告訴new即可。必須在型別名後面加上方括號,其中包含了元素數目。

通用格式:

Type_name *pointer_name = new Type_name[num_element];
//例子
int * psome =new int[10]; // 建立10個int元素的陣列

new運算子會返回第一個元素的地址

如果使用完new分配的記憶體,使用delete進行記憶體的釋放。

delete [] psome; // 進行記憶體的釋放

delete和指標直接的方括號告訴程式,應釋放整個陣列,不僅僅是指標指向的元素。

delete中的方括號的有無取決於使用new時的方括號有無

對於指標陣列的使用,直接可以按照普通陣列的使用即可。

7.6 使用new和delete時,要遵循的規則

  • 不要使用delete來釋放不是new分配的記憶體。
  • 不要使用delete釋放同一個記憶體塊兩次。
  • 如果使用new[]陣列分配記憶體時,則應使用delete[] 來釋放。
  • 如果使用new[]為一個實體分配記憶體,則應使用delete(沒有方括號)來釋放。
  • 對空指標使用delete時很安全。

8. 指標、陣列和指標算術

指標和陣列基本等價的原因:指標算術(pointer arithmetic)C++ 內部處理陣列的方式

  • 整數變數 + 1,其增加1
  • 指標變數 + 1,增加的量等於它指向的型別的位元組數
    獲取陣列地址的兩種方式
double * pw = wages; // 陣列名 = 地址 ;將pw宣告為指向double型別的指標。然後將其初始化為wages - - - wages陣列中第一個元素的地址。

short * ps = &wages[0]; // 使用地址操作;使用地址運算子來將ps指標初始化為stacks陣列的第一個元素。

8.1 指標問題小結

8.1.1 宣告指標

要宣告指向特定型別的指標,語法格式:

TypeName *pointerName;
// 例子
double * pn; // pn 指向一個double型別
char * ps;  // ps 指向一個char型別

8.1.2 給指標賦值

將記憶體地址賦給指標。可以對變數名應用 & 運算子,來獲得被變數名的記憶體地址,new運算子返回未命名的記憶體的地址。

示例:

double * pn;  // pn 指向一個double型別
double * pa; // pa 指向一個double型別

char * pc; // pc 指向一個char型別
double bubble = 3.2; 

pn = &bubble; // 把bubble的地址賦值給 pn
pc = new char; // 新建char地址並分配給pc

8.1.3 對指標解除引用

對指標解除引用意味著獲得指標指向的值

  • 方法1:對指標應用解除引用間接值運算子(*)來解除引用。
cout<<*pn;
*pc = 's';
  • 方法2:使用陣列表示法不可以對未初始化為適當地址的指標解除引用

8.1.4 陣列名

多數情況下,C++將陣列名視為陣列的第一個元素的地址

int tacos[10]; // 此時的tacos同樣也是&tacos[0]

8.1.5 指標算術

C++中允許指標和整數相加。加1 的結果等於原來的地址值加上指向的物件佔用的總位元組數

也可以將一個指標減去另一個指標,獲得兩個指標的差。得到一個整數,僅當兩個指標指向同一個陣列(也可以指向超出結尾的一個位置)時,這種情況會得到兩個元素的間隔。

8.1.6 陣列的動態聯編和靜態聯編

使用陣列宣告來建立陣列時,將採用靜態聯編,即陣列長度在編譯時設定。

int tacos[10] // 靜態聯編

使用new[]運算子建立陣列時,將採用動態聯編(動態陣列),即將在執行時為陣列分配空間,其長度為執行時設定。

使用這類陣列後,要使用delete[]釋放所佔用的記憶體。

8.1.7 陣列表示法和指標表示法

使用方括號陣列表示法等同於對指標解除引用

陣列名和指標變數也是一樣。所以對於指標和陣列名,既可以使用指標表示法,也可以使用陣列表示法

int * pt = new int [10];
*pt = 5;
pt[0] = 6;
pt[9] = 5;
int coats[10];
*(coats + 4) = 12;

8.2 指標和字串

陣列名是第一個元素地址

如果給cout提供一個字元的地址,則它將從該字元開始列印,直到遇到空字元為止。

在cout和多數C++表示式中,char陣列名char指標以及用引號括起來的字串常量都被解釋為字串第一個字元的地址

不要使用字串常量或未被初始化的指標來接收輸入

在字串讀入程式時,應使用已分配的記憶體地址。該地址不是陣列名,也可以使用new初始化過的指標。

strcpy()接受兩個引數,第一個:目標地址,第二個:要複製的字串的地址

要確定目標空間有足夠的空間來儲存副本。

8.3 使用new建立動態結構

對於在指定結構成員時,句點運算子箭頭運算子的選擇時:

  • 如果結構識別符號是結構名,則使用句點運算子(.)
  • 如果識別符號是指向結構的指標,則使用箭頭運算子(->)

把new用於結構的兩個步驟

  • 建立結構

    要建立結構,需要同時使用結構型別和new。

  • 建立訪問其成員。

8.4 C++管理資料記憶體的方式

  • 自動儲存
    在函式內部定義的常規變數使用自動儲存空間,稱為自動變數

    只在特定函式被執行時存在。

自動變數時一個區域性變數,作用域為包含它的程式碼塊。通常儲存在中,遵循後進先出(LIFO)

  • 靜態儲存

    • 變數稱為靜態的方式
      • 在函式外面定義
      • 在宣告變數時使用關鍵字static。

    整個程式執行期間都存在的儲存方式(存在於程式的整個生命週期)。

  • 動態儲存
    記憶體池(自由儲存空間或堆)用於靜態變數和自動變數,且記憶體是分開的。

  • 執行緒儲存(C++11特性)

9. 陣列替代品 --- 模板類

模板類vectorarray是陣列的替代品。

9.1 模板類vector

模板類vector類似於string類,也是一種動態陣列

  • vector物件包含在vector標頭檔案中。
  • vector包含在名稱空間std中,使用using編譯指令using宣告std::vector
  • 模板使用不同的語法來指出它儲存的資料型別
  • vector類使用不用的語法來指定元素數

9.2 模板類array(C++11)

位於名稱空間std中,與陣列一樣,array物件的長度固定,也使用棧(靜態記憶體分配),而不是自由儲存區

標頭檔案 array。

9.3 陣列、vector和array的區別

無論是陣列、vector物件還是array物件,都可使用標準陣列表示法來訪問各個元素。

地址可知,array物件和陣列儲存在相同的記憶體區域(即棧)中,vector物件儲存在自由儲存區域或堆中。

可以將一個array物件賦給另一個array物件,對於陣列,必須逐個元素複製資料。

Github地址:https://github.com/SolerHo/cpp-Primer-Plus-6e-Notes/blob/master/Chapter04/README.md

第四章 學習筆記完畢,如有大佬在文中發現錯誤,請指出,謝謝