Chapter 1 C++ introduction and simple order of logic
Programming is a way to control computer. It requires a software environment with a compiler. An Integrated Development Environment (IDE) can be installed and used. Typing speed can be improved with more practice.
A trivial starter C++ program:
A. Basic syntax
1. Define a variable – a variable must be declared first. Its name needs to be unique. Example:
Typical variable type and range:
max int:2e9; max long long:9e18
1. Input and output输入输出
Integer input/output 整数的输入输出:
String input/output字符串的输入输出:
Input out different types of variables输入输出多个不同类型的变量:
- 表达式 expression
Integer add/subtract/multiply/divide整数的加减乘除四则运算:
浮点数(小数)的运算:floating point(decimal point) operations
整型变量的自增、自减:integer type self-increment and self-decrement
变量的类型转换:casting a data type
- 顺序语句 order of statements
(1) 输出第二个整数:output the second integer
(2) 计算 (a + b) * c的值 compute value of (a+b)*c
(3) 带余除法 division with remainder
(4) 求反三位数:reverse a 3 digit number
(5) 交换两个整数 swap two integers
swap(a,b)
(6) 输出菱形 output a rhombus
第二章 printf语句与C中的判断结构
printf statement and C control structure
学习语言最好的方式就是实践,每当掌握一个新功能时,就要立即将这个功能应用到实践中。
一、printf输出格式 printf output format
注意:使用printf 时最好添加头文件 #include [HTML_REMOVED]。
-
Int、float、double、char等类型的输出格式:
(1) Int:%d
(2) Float: %f, 默认保留6位小数 default is 6 decimal points
(3) Double: %lf, 默认保留6位小数 default is 6 decimal points
(4) Char: %c, 回车也是一个字符,用’\n’表示 carriage return is a char ‘\n’ -
所有输出的变量均可包含在一个字符串中:all output variable can be printed as a string:
练习:输入一个字符,用这个字符输出一个菱形:
Exercise: input a character, and use it to output a rhombus
练习:输入一个整数,表示时间,单位是秒。输出一个字符串,用”时:分:秒”的形式表示这个时间。
Exercise: input an integer as time in seconds, output a string showing the time as“hour:minute:second”
- 扩展功能 extension
(1) Float, double等输出保留若干位小数时用:%.4f, %3lf
Specifying number of decimal points to keep
(2) 最小数字宽度 width of number
a. %8.3f, 表示这个浮点数的最小宽度为8,保留3位小数,当宽度不足时在前面补空格。
%8.3f means the float width is 8 with 3 decimal digits, with space paddings in the FRONT
b. %-8.3f,表示最小宽度为8,保留3位小数,当宽度不足时在后面补上空格
%8.3f means the float width is 8 with 3 decimal digits, with space paddings in the BACK
c. %08.3f, 表示最小宽度为8,保留3位小数,当宽度不足时在前面补上0
二、if 语句
1. 基本if-else语句
当条件成立时,执行某些语句;否则执行另一些语句。
Else 语句可以省略:
当只有一条语句时,大括号可以省略:
练习:输入一个整数,输出这个数的绝对值。
练习:输入两个整数,输出两个数中较大的那个。
If-else语句内部也可以是if-else语句。
练习:输入三个整数,输出三个数中最大的那个。
-
常用比较运算符
(1) 大于 >
(2) 小于 <
(3) 大于等于 >=
(4) 小于等于 <=
(5) 等于 ==
(6) 不等于 != -
If-else 连写:
输入一个0到100之间的分数,
如果大于等于85,输出A;
如果大于等于70并且小于85,输出B;
如果大于等于60并且小于70,输出C;
如果小于60,输出 D;
练习:
1. 简单计算器输入两个数,以及一个运算符+, -, , /,输出这两个数运算后的结果。
当运算符是/,且除数是0时,输出”Divided by zero!”; 当输入的字符不是+, -, , /时,输出”Invalid operator!”。
- 判断闰年。闰年有两种情况:
(1) 能被100整除时,必须能被400整除;
(2) 不能被100整除时,被4整除即可。
输入一个年份,如果是闰年输出yes,否则输出no。
三、条件表达式
(1) 与 &&
(2) 或 ||
(3) 非
例题:输入三个数,输出三个数中的最大值。
练习:用一条if语句,判断闰年。
第三章 C++中的循环结构
学习编程语言语法是次要的,思维是主要的。如何把头脑中的想法变成简洁的代码,至关重要。
学习循环语句只需要抓住一点——代码执行顺序!
一、 while循环
可以简单理解为循环版的if语句。If语句是判断一次,如果条件成立,则执行后面的语句;while是每次判断,如果成立,则执行循环体中的语句,否则停止。
练习:求1~100中所有数的立方和。
练习:求斐波那契数列的第n项。f(1)=1, f(2)=1, f(3)=2, f(n)=f(n-1) + f(n-2)。
死循环:循环永久执行,无法结束。我们要避免写出死循环。
二、 do while循环
do while循环不常用。
do while语句与while语句非常相似。唯一的区别是,do while语句限制性循环体后检查条件。不管条件的值如何,我们都要至少执行一次循环。
三、 for 循环
基本思想:把控制循环次数的变量从循环体中剥离。
for (init-statement : condition: expression)
{
statement
}
init-statement可以是声明语句、表达式、空语句,一般用来初始化循环变量;
condition 是条件表达式,和while中的条件表达式作用一样;可以为空,空语句表示true
expression 一般负责修改循环变量,可以为空
练习:求1~100中所有数的立方和。
练习:求斐波那契数列的第n项。f(1)=1, f(2)=1, f(3)=2, f(n)=f(n-1) + f(n-2)。
init-statement可以定义多个变量,expression也可以修改多个变量。
例如求 1 * 10 + 2 * 8 + 3 * 7 + 4 * 6:
四、 跳转语句
1. break
可以提前从循环中退出,一般与if语句搭配。
例题:判断一个大于1的数是否是质数:
- continue
可以直接跳到当前循环体的结尾。作用与if语句类似。
例题:求1~100中所有偶数的和。
五、 多层循环
练习:打印1~100中的所有质数
练习:输入一个n,打印n阶菱形。n是奇数。
n=9时的结果:
第四章 C++中的数组
程序 = 逻辑 + 数据,数组是存储数据的强而有力的手段。
- 一维数组
1.1 数组的定义
数组的定义方式和变量类似。
1.2 数组的初始化
在main函数内部,未初始化的数组中的元素是随机的。
1.3 访问数组元素
通过下标访问数组。
练习题1: 使用数组实现求斐波那契数列的第N项。
练习题2:输入一个n,再输入n个整数。将这n个整数逆序输出。
练习题3:输入一个n,再输入n个整数。将这个数组顺时针旋转k(k <= n)次,最后将结果输出。
练习题4:输入n个数,将这n个数按从小到大的顺序输出。
练习题5:计算2的N次方。N <= 10000
- 多维数组
多维数组就是数组的数组。
Int a[3][4]; // 大小为3的数组,每个元素是含有4个整数的数组。
Int arr[10][20][30] = {0}; // 将所有元素初始化为0
// 大小为10的数组,它的每个元素是含有4个整数的数组
// 这些数组的元素是含有30个整数的数组
练习题:输入一个n行m列的矩阵,从左上角开始将其按回字形的顺序顺时针打印出来。
第五章 C++中的字符串
字符串是计算机与人类沟通的重要手段。
- 字符与整数的联系——ASCII码
每个常用字符都对应一个-128~127的数字,二者之间可以相互转化.
常用ASCII值:’A’-‘Z’ 是65~90,’a’-‘z’是97-122,’0’-‘9’是48-57。
字符可以参与运算,运算时会将其当做整数:
练习:输入一行字符,统计出其中数字字符的个数,以及字母字符的个数。
- 字符数组
字符串就是字符数组加上结束符’\0’。
可以使用字符串来初始化字符数组,但此时要注意,每个字符串结尾会暗含一个’\0’字符,因此字符数组的长度至少要比字符串的长度多1!
2.1 字符数组的输入输出:
读入一行字符串,包括空格:
2.2 字符数组的常用操作
下面几个函数需要引入头文件:
include [HTML_REMOVED]
(1) strlen(str),求字符串的长度
(2) strcmp(a, b),比较两个字符串的大小,a < b 返回-1,a == b 返回0,a > b返回1。这里的比较方式是字典序!
(3) strcpy(a, b),将字符串b复制给从a开始的字符数组。
2.3 遍历字符数组中的字符:
练习:给定一个只包含小写字母的字符串,请你找到第一个仅出现一次的字符。如果没有,输出“no”。
练习:把一个字符串中特定的字符全部用给定的字符替换,得到一个新的字符串。
3. 标准库类型 string
可变长的字符序列,比字符数组更加好用。需要引入头文件:
include [HTML_REMOVED]
3.1 定义和初始化
3.2 string 上的操作
(1) string的读写:
注意:不能用printf直接输出string,需要写成:printf(“%s”, s.c_str());
(2) 使用getline读取一整行
(3) string的empty和size操作(注意size是无符号整数,因此 s.size() <= -1一定成立):
(4) string 的比较:
支持 > < >= <= == !=等所有比较操作,按字典序进行比较。
(5) 为string对象赋值:
string s1(10, ‘c’), s2; // s1的内容是 cccccccccc;s2是一个空字符串
s1 = s2; // 赋值:用s2的副本替换s1的副本
// 此时s1和s2都是空字符串
(6) 两个string对象相加:
string s1 = “hello, ”, s2 = “world\n”;
string s3 = s1 + s2; // s3的内容是 hello, world\n
s1 += s2; // s1 = s1 + s2
(7) 字面值和string对象相加:
做加法运算时,字面值和字符都会被转化成string对象,因此直接相加就是将这些字面值串联起来:
string s1 = “hello”, s2 = “world”; // 在s1和s2中都没有标点符号
string s3 = s1 + “, “ + s2 + ‘\n’;
当把string对象和字符字面值及字符串字面值混在一条语句中使用时,必须确保每个加法运算符的两侧的运算对象至少有一个是string:
string s4 = s1 + “, “; // 正确:把一个string对象和有一个字面值相加
string s5 = “hello” +”, “; // 错误:两个运算对象都不是string
string s6 = s1 + “, “ + “world”; // 正确,每个加法运算都有一个运算符是string
string s7 = “hello” + “, “ + s2; // 错误:不能把字面值直接相加,运算是从左到右进行的
3.3 处理string对象中的字符
可以将string对象当成字符数组来处理:
或者使用基于范围的for语句:
练习:密码翻译,输入一个只包含小写字母的字符串,将其中的每个字母替换成它的后继字母,如果原字母是’z’,则替换成’a’。
练习:输入两个字符串,验证其中一个串是否为另一个串的子串。
第六章 C++中的函数
函数让代码变得更加简洁。
-
函数基础
一个典型的函数定义包括以下部分:返回类型、函数名字、由0个或多个形参组成的列表以及函数体。
1.1 编写函数
我们来编写一个求阶乘的程序。程序如下所示:
int fact(int val)
{
int ret = 1;
while (val > 1)
ret *= val – ;
return ret;
}
函数名字是fact,它作用于一个整型参数,返回一个整型值。return语句负责结束fact并返回ret的值。
1.2 调用函数
int main()
{
int j = fact(5);
cout << “5! is ” << j << endl;return 0;
}
函数的调用完成两项工作:一是用实参初始化函数对应的形参,二是将控制权转移给被调用函数。此时,主调函数的执行被暂时中断,被调函数开始执行。
1.3 形参和实参 parameter vs argument (formal parameter vs actual argument)
实参是形参的初始值。第一个实参初始化第一个形参,第二个实参初始化第二个形参,依次类推。形参和实参的类型和个数必须匹配。
fact(“hello”); // 错误:实参类型不正确
fact(); // 错误:实参数量不足
fact(42, 10, 0); // 错误:实参数量过多
fact(3.14); // 正确:该实参能转换成int类型,等价于fact(3);
形参也可以设置默认值,但所有默认值必须是最后几个。当传入的实参个数少于形参个数时,最后没有被传入值的形参会使用默认值。
1.4 函数的形参列表
函数的形参列表可以为空,但是不能省略。
void f1() {/ …. /} // 隐式地定义空形参列表
void f2(void) {/ … /} // 显式地定义空形参列表
形参列表中的形参通常用逗号隔开,其中每个形参都是含有一个声明符的声明。即使两个形参的类型一样,也必须把两个类型都写出来:
int f3(int v1, v2) {/ … /} // 错误
int f4(int v1, int v2) {/ … /} // 正确
1.5 函数返回类型
大多数类型都能用作函数的返回类型。一种特殊的返回类型是void,它表示函数不返回任何值。函数的返回类型不能是数组类型或函数类型,但可以是指向数组或者函数的指针。
1.6 局部变量、全局变量与静态变量
局部变量只可以在函数内部使用,全局变量可以在所有函数内使用。当局部变量与全局变量重名时,会优先使用局部变量。
2. 参数传递
2.1 传值参数
当初始化一个非引用类型的变量时,初始值被拷贝给变量。此时,对变量的改动不会影响初始值。
2.2 传引用参数
当函数的形参为引用类型时,对形参的修改会影响实参的值。使用引用的作用:避免拷贝、让函数返回额外信息。
2.3 数组形参
在函数中对数组中的值的修改,会影响函数外面的数组。
一维数组形参的写法:
// 尽管形式不同,但这三个print函数是等价的
void print(int a) {/ … /}
void print(int a[]) {/ … /}
void print(int a[10]) {/ … */}
多维数组形参的写法:
// 多维数组中,除了第一维之外,其余维度的大小必须指定
void print(int (*a)[10]) {/* … */}
void print(int a[][10]) {/* … */}
- 返回类型和return语句
return 语句终止当前正在执行的函数并将控制权返回到调用该函数的地方。return语句有两种形式:
return;
return expression;
3.1 无返回值函数
没有返回值的return语句只能用在返回类型是void的函数中。返回void的函数不要求非得有return语句,因为在这类函数的最后一句后面会隐式地执行return。
通常情况下,void函数如果想在它的中间位置提前退出,可以使用return语句。return的这种用法有点类似于我们用break语句退出循环。
void swap(int &v1, int &v2)
{
// 如果两个值相等,则不需要交换,直接退出
if (v1 == v2)
return;
// 如果程序执行到了这里,说明还需要继续完成某些功能
int tmp = v2;
v2 = v1;
v1 = tmp;
// 此处无须显示的return语句
}
3.2 有返回值的函数
只要函数的返回类型不是void,则该函数内的每条return语句必须返回一个值。return语句返回值的类型必须与函数的返回类型相同,或者能隐式地转换函数的返回类型。
- 函数递归
在一个函数内部,也可以调用函数本身。
第七章 类、结构体、指针、引用
类可以将变量、数组和函数完美地打包在一起。
-
类与结构体
类的定义:类中的变量和函数被统一称为类的成员变量。
private后面的内容是私有成员变量,在类的外部不能访问;public后面的内容是公有成员变量,在类的外部可以访问。
类的使用:include [HTML_REMOVED]
using namespace std;
const int N = 1000010;
class Person
{
private:
int age, height;
double money;
string books[100];public:
string name;void say() { cout << "I'm " << name << endl; } int set_age(int a) { age = a; } int get_age() { return age; } void add_money(double x) { money += x; }
} person_a, person_b, persons[100];
int main()
{
Person c;c.name = “yxc”; // 正确!访问公有变量
c.age = 18; // 错误!访问私有变量
c.set_age(18); // 正确!set_age()是共有成员变量
c.add_money(100);c.say();
cout << c.get_age() << endl;return 0;
}
结构体和类的作用是一样的。不同点在于类默认是private,结构体默认是public。 -
指针和引用
指针指向存放变量的值的地址。因此我们可以通过指针来修改变量的值。
数组名是一种特殊的指针。指针可以做运算:
引用和指针类似,相当于给变量起了个别名。
- 链表
第八章 C STL
STL是提高C编写效率的一个利器。
-
include [HTML_REMOVED]
vector是变长数组,支持随机访问,不支持在任意位置O(1)插入。为了保证效率,元素的增删一般应该在末尾进行。
声明
#include [HTML_REMOVED] 头文件
vector[HTML_REMOVED] a; 相当于一个长度动态变化的int数组
vector[HTML_REMOVED] b[233]; 相当于第一维长233,第二位长度动态变化的int数组
struct rec{…};
vector[HTML_REMOVED] c; 自定义的结构体类型也可以保存在vector中
size/empty
size函数返回vector的实际长度(包含的元素个数),empty函数返回一个bool类型,表明vector是否为空。二者的时间复杂度都是O(1)。
所有的STL容器都支持这两个方法,含义也相同,之后我们就不再重复给出。
clear
clear函数把vector清空。
迭代器
迭代器就像STL容器的“指针”,可以用星号“”操作符解除引用。
一个保存int的vector的迭代器声明方法为:
vector[HTML_REMOVED]::iterator it;
vector的迭代器是“随机访问迭代器”,可以把vector的迭代器与一个整数相加减,其行为和指针的移动类似。可以把vector的两个迭代器相减,其结果也和指针相减类似,得到两个迭代器对应下标之间的距离。
begin/end
begin函数返回指向vector中第一个元素的迭代器。例如a是一个非空的vector,则a.begin()与a[0]的作用相同。
所有的容器都可以视作一个“前闭后开”的结构,end函数返回vector的尾部,即第n个元素再往后的“边界”。a.end()与a[n]都是越界访问,其中n=a.size()。
下面两份代码都遍历了vector[HTML_REMOVED]a,并输出它的所有元素。
for (int I = 0; I < a.size(); I ) cout << a[i] << endl;
for (vector[HTML_REMOVED]::iterator it = a.begin(); it != a.end(); it ) cout << it << endl;
front/back
front函数返回vector的第一个元素,等价于a.begin() 和 a[0]。
back函数返回vector的最后一个元素,等价于==a.end() 和 a[a.size() – 1]。
push_back() 和 pop_back()
a.push_back(x) 把元素x插入到vector a的尾部。
b.pop_back() 删除vector a的最后一个元素。 -
include [HTML_REMOVED]
头文件queue主要包括循环队列queue和优先队列priority_queue两个容器。声明
queue[HTML_REMOVED] q;
struct rec{…}; queue[HTML_REMOVED] q; //结构体rec中必须定义小于号
priority_queue[HTML_REMOVED] q; // 大根堆
priority_queue[HTML_REMOVED], greater[HTML_REMOVED] q; // 小根堆
priority_queue[HTML_REMOVED]>q;
循环队列 queue
push 从队尾插入
pop 从队头弹出
front 返回队头元素
back 返回队尾元素
优先队列 priority_queue
push 把元素插入堆
pop 删除堆顶元素
top 查询堆顶元素(最大值)
3. #include [HTML_REMOVED]
头文件stack包含栈。声明和前面的容器类似。
push 向栈顶插入
pop 弹出栈顶元素
4. #include [HTML_REMOVED]
双端队列deque是一个支持在两端高效插入或删除元素的连续线性存储空间。它就像是vector和queue的结合。与vector相比,deque在头部增删元素仅需要O(1)的时间;与queue相比,deque像数组一样支持随机访问。
[] 随机访问
begin/end,返回deque的头/尾迭代器
front/back 队头/队尾元素
push_back 从队尾入队
push_front 从队头入队
pop_back 从队尾出队
pop_front 从队头出队
clear 清空队列
5. #include [HTML_REMOVED]
头文件set主要包括set和multiset两个容器,分别是“有序集合”和“有序多重集合”,即前者的元素不能重复,而后者可以包含若干个相等的元素。set和multiset的内部实现是一棵红黑树,它们支持的函数基本相同。
声明
set[HTML_REMOVED] s;
struct rec{…}; set[HTML_REMOVED] s; // 结构体rec中必须定义小于号
multiset[HTML_REMOVED] s;
size/empty/clear
与vector类似
迭代器
set和multiset的迭代器称为“双向访问迭代器”,不支持“随机访问”,支持星号(*)解除引用,仅支持””和–“两个与算术相关的操作。
设it是一个迭代器,例如set[HTML_REMOVED]::iterator it;
若把it,则it会指向“下一个”元素。这里的“下一个”元素是指在元素从小到大排序的结果中,排在it下一名的元素。同理,若把it–,则it将会指向排在“上一个”的元素。
begin/end
返回集合的首、尾迭代器,时间复杂度均为O(1)。
s.begin() 是指向集合中最小元素的迭代器。
s.end() 是指向集合中最大元素的下一个位置的迭代器。换言之,就像vector一样,是一个“前闭后开”的形式。因此–s.end()是指向集合中最大元素的迭代器。
insert
s.insert(x)把一个元素x插入到集合s中,时间复杂度为O(logn)。
在set中,若元素已存在,则不会重复插入该元素,对集合的状态无影响。
find
s.find(x) 在集合s中查找等于x的元素,并返回指向该元素的迭代器。若不存在,则返回s.end()。时间复杂度为O(logn)。
lower_bound/upper_bound
这两个函数的用法与find类似,但查找的条件略有不同,时间复杂度为 O(logn)。
s.lower_bound(x) 查找大于等于x的元素中最小的一个,并返回指向该元素的迭代器。
s.upper_bound(x) 查找大于x的元素中最小的一个,并返回指向该元素的迭代器。
erase
设it是一个迭代器,s.erase(it) 从s中删除迭代器it指向的元素,时间复杂度为O(logn)
设x是一个元素,s.erase(x) 从s中删除所有等于x的元素,时间复杂度为O(k+logn),其中k是被删除的元素个数。
count
s.count(x) 返回集合s中等于x的元素个数,时间复杂度为 O(k +logn),其中k为元素x的个数。
6. #include [HTML_REMOVED]
map容器是一个键值对key-value的映射,其内部实现是一棵以key为关键码的红黑树。Map的key和value可以是任意类型,其中key必须定义小于号运算符。
声明
map[HTML_REMOVED] name;
例如:
map[HTML_REMOVED] vis;
map[HTML_REMOVED] hash;
map[HTML_REMOVED], vector[HTML_REMOVED]> test;
size/empty/clear/begin/end均与set类似。
Insert/erase
与set类似,但其参数均是pair[HTML_REMOVED]。
find
h.find(x) 在变量名为h的map中查找key为x的二元组。
[]操作符
h[key] 返回key映射的value的引用,时间复杂度为O(logn)。
[]操作符是map最吸引人的地方。我们可以很方便地通过h[key]来得到key对应的value,还可以对h[key]进行赋值操作,改变key对应的value。
第九章 位运算与常用库函数
C++帮我们实现好了很多有用的函数,我们要避免重复造轮子。 -
位运算
& 与
| 或
~ 非
^ 异或右移
<< 左移
常用操作:
(1) 求x的第k位数字 x >> k & 1
(2) lowbit(x) = x & -x,返回x的最后一位1 - 常用库函数、
(1) reverse 翻转
翻转一个vector:
reverse(a.begin(), a.end());
翻转一个数组,元素存放在下标1~n:
reverse(a + 1, a + 1 + n);
(2) unique 去重
返回去重之后的尾迭代器(或指针),仍然为前闭后开,即这个迭代器是去重之后末尾元素的下一个位置。该函数常用于离散化,利用迭代器(或指针)的减法,可计算出去重后的元素个数。
把一个vector去重:
int m = unique(a.begin(), a.end()) – a.begin();
把一个数组去重,元素存放在下标1~n:
int m = unique(a + 1, a + 1 + n) – (a + 1);
(3) random_shuffle 随机打乱
用法与reverse相同
(4) sort
对两个迭代器(或指针)指定的部分进行快速排序。可以在第三个参数传入定义大小比较的函数,或者重载“小于号”运算符。
把一个int数组(元素存放在下标1~n)从大到小排序,传入比较函数:
int a[MAX_SIZE];
bool cmp(int a, int b) {return a > b; }
sort(a + 1, a + 1 + n, cmp);
把自定义的结构体vector排序,重载“小于号”运算符:
struct rec{ int id, x, y; }
vector[HTML_REMOVED] a;
bool operator <(const rec &a, const rec &b) {
return a.x < b.x || a.x == b.x && a.y < b.y;
}
sort(a.begin(), a.end());
(5) lower_bound/upper_bound 二分
lower_bound 的第三个参数传入一个元素x,在两个迭代器(指针)指定的部分上执行二分查找,返回指向第一个大于等于x的元素的位置的迭代器(指针)。
upper_bound 的用法和lower_bound大致相同,唯一的区别是查找第一个大于x的元素。当然,两个迭代器(指针)指定的部分应该是提前排好序的。
在有序int数组(元素存放在下标1~n)中查找大于等于x的最小整数的下标:
int I = lower_bound(a + 1, a + 1 + n,. x) – a;
在有序vector[HTML_REMOVED] 中查找小于等于x的最大整数(假设一定存在):
int y = *–upper_bound(a.begin(), a.end(), x);