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C++ 语法基础

代码框架

如果你不想深究背后的原理，初学时可以直接将这个「框架」背下来：

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#include <cstdio>
#include <iostream>

int main() {
  // do something...
  return 0;
}
什么是 include？

#include 其实是一个预处理命令，意思为将一个文件「放」在这条语句处，被「放」的文件被称为头文件。也就是说，在编译时，编译器会「复制」头文件 iostream 中的内容，「粘贴」到 #include <iostream> 这条语句处。这样，你就可以使用 iostream 中提供的 std::cin、std::cout、std::endl 等对象了。

如果你学过 C 语言，你会发现目前我们接触的 C++ 中的头文件一般都不带 .h 后缀，而那些 C 语言中的头文件 xx.h 都变成了 cxx，如 stdio.h 变成了 cstdio。因为 C++ 为了和 C 保持兼容，都直接使用了 C 语言中的头文件，为了区分 C++ 的头文件和 C 的头文件，使用了 c 前缀。

一般来说，应当根据你需要编写的 C++ 程序的需要来确定你要 #include 哪些头文件。但如果你 #include 了多余的头文件，只会增加编译时间，几乎不会对运行时间造成影响。目前我们只接触到了 iostream 和 cstdio 两个头文件，如果你只需要 scanf 和 printf，就可以不用 #include <iostream>。

可以 #include 自己写的头文件吗？答案是，可以。

你可以自己写一个头文件，如：myheader.h。然后，将其放到和你的代码相同的目录里，再 #include "myheader.h" 即可。需要注意的是，自定义的头文件需要使用引号而非尖括号。当然，你也可以使用编译命令 -I <header_file_path> 来告诉编译器在哪找头文件，就不需要将头文件放到和代码相同的目录里了。

什么是 main()？

可以理解为程序运行时就会执行 main() 中的代码。

实际上，main 函数是由系统或外部程序调用的。如，你在命令行中调用了你的程序，也就是调用了你程序中的 main 函数（在此之前先完成了全局 变量 的构造）。

最后的 return 0; 表示程序运行成功。默认情况下，程序结束时返回 0 表示一切正常，否则返回值表示错误代码（在 Windows 下这个错误代码的十六进制可以通过 Windows Error Codes 网站 进行查询）。这个值返回给谁呢？其实就是调用你写的程序的系统或外部程序，它会在你的程序结束时接收到这个返回值。如果不写 return 语句的话，程序正常结束默认返回值也是 0。

在 C 或 C++ 中，程序的返回值不为 0 会导致运行时错误（RE）。

注释

在 C++ 代码中，注释有两种写法：

  1. 行内注释

    以 // 开头，行内位于其后的内容全部为注释。

  2. 注释块

    以 /* 开头，*/ 结尾，中间的内容全部为注释，可以跨行。

注释对程序运行没有影响，可以用来解释程序的意思，还可以在让某段代码不执行（但是依然保留在源文件里）。

在工程开发中，注释可以便于日后维护、他人阅读。

在 OI 中，很少有人写许多注释，但注释可以便于在写代码的时候理清思路，或者便于日后复习。而且，如果要写题解、教程的话，适量的注释可以便于读者阅读，理解代码的意图。希望各位同学能养成写注释的好习惯。

输入与输出

cin 与 cout

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#include <iostream>

int main() {
  int x, y;                          // 声明变量
  std::cin >> x >> y;                // 读入 x 和 y
  std::cout << y << std::endl << x;  // 输出 y，换行，再输出 x
  return 0;                          // 结束主函数
}
什么是变量？

可以参考 变量 页面。

什么是 std？

std 是 C++ 标准库所使用的 命名空间。使用命名空间是为了避免重名。

关于命名空间的详细知识，可以参考 命名空间 页面。

scanf 与 printf

scanf 与 printf 其实是 C 语言提供的函数。大多数情况下，它们的速度比 cin 和 cout 更快，并且能够方便地控制输入输出格式。

读入输出优化

cin/cout 和 scanf/prinf 的具体差别和读入输出优化，请参考 读入、输出优化 页面。

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#include <cstdio>

int main() {
  int x, y;
  scanf("%d%d", &x, &y);   // 读入 x 和 y
  printf("%d\n%d", y, x);  // 输出 y，换行，再输出 x
  return 0;
}

其中，%d 表示读入/输出的变量是一个有符号整型（int 型）的变量。

类似地：

  1. %s 表示字符串。
  2. %c 表示字符。
  3. %lf 表示双精度浮点数 (double)。
  4. %lld 表示长整型 (long long)。根据系统不同，也可能是 %I64d。
  5. %u 表示无符号整型 (unsigned int)。
  6. %llu 表示无符号长整型 (unsigned long long)，也可能是 %I64u。

除了类型标识符以外，还有一些控制格式的方式。许多都不常用，选取两个常用的列举如下：

  1. %1d 表示长度为 1 的整型。在读入时，即使没有空格也可以逐位读入数字。在输出时，若指定的长度大于数字的位数，就会在数字前用空格填充。若指定的长度小于数字的位数，就没有效果。
  2. %.6lf，用于输出，保留六位小数。

这两种运算符的相应地方都可以填入其他数字，例如 %.3lf 表示保留三位小数。

「双精度浮点数」，「长整型」是什么

这些表示变量的类型。和上面一样，会留到 变量 中统一讲解。

为什么 scanf 中有 & 运算符？

在这里，& 实际上是取址运算符，返回的是变量在内存中的地址。而 scanf 接收的参数就是变量的地址。具体可能要在 指针 才能完全清楚地说明，现在只需要记下来就好了。

什么是 \n？

\n 是一种 转义字符，表示换行。

转义字符用来表示一些无法直接输入的字符，如由于字符串字面量中无法换行而无法直接输入的换行符，由于有特殊含义而无法输入的引号，由于表示转义字符而无法输入的反斜杠。

常用的转义字符有：

  1. \t 表示制表符。
  2. \\ 表示 \。
  3. \" 表示 "。
  4. \0 表示空字符，用来表示 C 风格字符串的结尾。
  5. \r 表示回车。Linux 中换行符为 \n，Windows 中换行符为 \r\n。在 OI 中，如果输出需要换行，使用 \n 即可。但读入时，如果使用逐字符读入，可能会由于换行符造成一些问题，需要注意。例如，gets 将 \n 作为字符串结尾，这时候如果换行符是 \r\n，\r 就会留在字符串结尾。
  6. 特殊地，%% 表示 %，只能用在 printf 或 scanf 中，在其他字符串字面量中只需要简单使用 % 就好了。
什么是字面量？

「字面量」是在代码里直接作为一个值的程序段，例如 3 就是一个 int 字面量，'c' 就是一个 char 字面量。我们上面写的程序中的 "hello world" 也是一个字符串字面量。

不加解释、毫无来由的字面量又被称为「魔术数」（magic number），如果代码需要被人阅读的话，这是一种十分不被推荐的行为。

一些扩展内容

C++ 中的空白字符

在 C++ 中，所有空白字符（空格、制表符、换行），多个或是单个，都被视作是一样的。（当然，引号中视作字符串的一部分的不算。）

因此，你可以自由地使用任何代码风格（除了行内注释、字符串字面量与预处理命令必须在单行内），例如：

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/* clang-format off */

#include <iostream>

 int 

    main(){
int/**/x, y;  std::cin
>> x >>y;
                std::cout <<
          y  <<std::endl   
     << x

          ;

    return       0;     }

当然，这么做是不被推荐的。

一种也被广泛使用但与 OI Wiki 要求的码风不同的代码风格：

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/* clang-format off */

#include <iostream>

int main()
{
    int x, y;

    std::cin >> x >> y;
    std::cout << y << std::endl << x;

    return 0;
}

#define 命令

#define 是一种预处理命令，用于定义宏，本质上是文本替换。例如：

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#include <iostream>
#define n 233

// n 不是变量，而是编译器会将代码中所有 n 文本替换为 233，但是作为标识符一部分的
// n 的就不会被替换，如 fn 不会被替换成 f233，同样，字符串内的也不会被替换

int main() {
  std::cout << n;  // 输出 233
  return 0;
}
什么是标识符？

标识符就是可以用作变量名的一组字符。例如，abcd 和 abc1 都是合法的标识符，而 1a 和 c+b 都不是合法的标识符。

标识符由英文字母、下划线开头，中间只允许出现英文字母、下划线和数字。值得注意的是，关键字（如 int,for,if）不能用作标识符。

什么是预处理命令？

预处理命令就是预处理器所接受的命令，用于对代码进行初步的文本变换，比如 文件包含操作 #include 和 处理宏 #define 等，对 GCC 而言，默认不会保留预处理阶段的输出 .i 文件。可以用 -E 选项保留输出文件。

宏可以带参数，带参数的宏可以像函数一样使用：

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#include <iostream>
#define sum(x, y) ((x) + (y))
#define square(x) ((x) * (x))

int main() {
  std::cout << sum(1, 2) << ' ' << 2 * sum(3, 5) << std::endl;  // 输出 3 16
}

但是带参数的宏和函数有区别。因为宏是文本替换，所以会引发许多问题。如：

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#include <iostream>
#define sum(x, y) x + y
// 这里应当为 #define sum(x, y) ((x) + (y))
#define square(x) ((x) * (x))

int main() {
  std::cout << sum(1, 2) << ' ' << 2 * sum(3, 5) << std::endl;
  // 输出为 3 11，因为 #define 是文本替换，后面的语句被替换为了 2 * 3 + 5
  int i = 1;
  std::cout << square(++i) << ' ' << i;
  // 输出未定义，因为 ++i 被执行了两遍
  // 而同一个语句中多次修改同一个变量是未定义行为（有例外）
}

使用 #define 是有风险的（由于 #define 作用域是整个程序，因此可能导致文本被意外地替换，需要使用 #undef 及时取消定义），因此应谨慎使用。较为推荐的做法是：使用 const 限定符声明常量，使用函数代替宏。

但是，在 OI 中，#define 依然有用武之处（以下两种是不被推荐的用法，会降低代码的规范性）：

  1. #define int long long+signed main()。通常用于避免忘记开 long long 导致的错误，或是调试时排除忘开 long long 导致错误的可能性。（也可能导致增大常数甚至 TLE，或者因为爆空间而 MLE）
  2. #define For(i, l, r) for (int i = (l); i <= (r); ++i)、#define pb push_back、#define mid ((l + r) / 2)，用于减短代码长度。

不过，#define 也有优点，比如结合 #ifdef 等预处理指令有奇效，比如：

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#ifdef LINUX
// code for linux
#else
// code for other OS
#endif

可以在编译的时候通过 -DLINUX 来控制编译出的代码，而无需修改源文件。这还有一个优点：通过 -DLINUX 编译出的可执行文件里并没有其他操作系统的代码，那些代码在预处理的时候就已经被删除了。

#define 还能使用 #、## 运算符，极大地方便调试。

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