第 2 章 初探 C++

本章提要 2-1 撰寫第一 個 C++ 程式 2-2 C++ 程式的組成及語法規則 2-3 良好的程式撰寫習慣

2-1 撰寫第一 個 C++ 程式 開發 C++ 程式的第一個動作, 當然就是寫程式了, 程式寫好後才能依照前一章所述, 進行編譯、連結的動作, 以產生可執行的程式檔。 2-1-1 程式的編輯與存檔 2-1-2 編譯、連結、執行程式

程式的編輯與存檔 不管您要使用整合開發環境或命令列工具, 您都必須先輸入程式的內容, 通常稱之為原始碼 (Source Code), 而儲存原始碼的檔案則稱為原始檔或原始程式檔。請在您的整合開發環境或文字編輯器中輸入以下的程式內容：

程式的編輯與存檔

程式的編輯與存檔 請注意, 輸入以上的程式內容時, 必須和書上的大小寫完全一致, 否則稍後將無法成功編譯程式。輸入完畢後, 以 Ch02-01.cpp 為檔名存檔, cpp 是目前一般所用的 C++ 原始程式副檔名。接下來即可編譯 / 連結程式, 並看看程式的執行結果。

編譯、連結、執行程式 使用命令列工具者, 請在文字模式下執行編譯器, 並在後面加上 C++ 程式檔名 (剛才存的檔名為 Ch02-01.cpp) 即可。目前多數的編譯器工具, 會在編譯成功後自動呼叫連結器進行連結, 以產生可執行檔, 所以您可能只看到幾行簡短的訊息或甚至沒有任何訊息, 就表示程式已完成編譯和連結。例如以下即為使用 Visual C++ 2005 Express 所附的命令列工具程式編譯時, 所出現的訊息：

編譯、連結、執行程式

執行程式 編譯 / 連結成功後, 預設建立的執行檔主檔名與程式的主檔名相同, 所以只要在命令提示字元下輸入程式的名稱, 即可執行程式：(如下頁) 這個程式的執行結果, 就是在螢幕上顯示一行訊息：Hello, 我的第一個 C++ 程式。

執行程式

編譯連結出現錯誤訊息 如果編譯或連結時, 編譯器顯示一些訊息, 且未產生可執行檔, 表示原始程式內容有問題, 編譯器無法正確解讀以進行編譯動作。此時必須回頭檢查程式, 你可檢查如下的項目： 是否有大小寫與書上範例程式不同的地方, 並請將之更正為與書上相同。請切記, C++ 語言會區分大小寫, 也就是說同一個英文字母的大寫和小寫在 C++ 是 2 個不同的符號。

編譯連結出現錯誤訊息 修正問題後再重新編譯 / 連結, 應該就能成功。 是否有遺漏標點符號, 例如分號、括號、括弧等等。 是否誤用了全型的標點符號, C++ 語法只接受英文半型符號, 如果您不小心將某個標點符號輸入成中文全型符號, 請將之換回半型。 修正問題後再重新編譯 / 連結, 應該就能成功。

2-2 C++ 程式的組成及語法規則 看過一個簡單 的 C++ 程式後, 以下我們要來分析一下程式的結構, 並逐行解說各行程式的意義。

基本的程式輪廓 我們再回頭看一次程式的內容：

基本的程式輪廓 程式大概可分為 2 個部份, 第 1 行並不算是 C++ 的程式, 但許多 C++ 程式都少不了它, 我們把它稱為寫 C++ 程式前的準備工作, 有了它之後稍後寫程式會比較方便。這個程式因為內容較簡單, 所以準備工作只有一行, 有些較複雜的程式, 這部份可能多達十數行；從第 2 行開始才是真正的 C++ 程式。以下我們就逐行解說各程式的內容。

前處理指令與含括檔 前面說過, 程式第一行並不算是 C++ 的敘述, #include 是個前置處理指令 (preprocessing directive, 或稱為假指令) 在 C++ 編譯器編譯程式前, 會先由前置處理器 (preprocessor) 處理程式所有以 # 開頭的前置處理指令, 例如前置處理器看到 #include 這個指令時, 會將指令後面所列的含括檔 (include file, 或稱表頭檔, header file) 整個置入到 #include 指令所在的位置, 同時將原來 #include 這一行移除。這個置入的動作, 就稱之為含括 (include)。

標準函式庫 為了方便我們設計有用的程式, C++ 語言提供了一組具備各式功能的工具箱, 這個工具箱一般稱為標準函式庫 (standard library)。函式 (function) 就是一段程式組合, 它能提供某項實用的功能, 像是專門計算正弦函數 (sin) 值的函式、用來將一組文字或數字排序的函式...等等。在 C++ 的標準函式庫中已提供許多現成的函式, 例如當我們需要計算正弦函數值, 就可直接用標準函式庫中的數學函式來計算, 省下自己設計計算正弦函數值程式的工夫。

標準函式庫 C++ 標準函式庫提供的不只是函式, 也有許多實用的類別 (class) 和物件 (object) 可直接取用。 而 C++ 語言規定, 使用任何函式、類別、物件時, 必須先宣告 (declare), 宣告的意思是說某個字 (名字) 是有特殊的意義。同樣的, 要使用標準函式庫所提供的函式、類別、物件, 也都必需在程式中一一宣告這些函式、類別、物件的名字。

標準函式庫 但這樣一來, 寫個簡單的程式, 就要先在程式開頭宣告一堆名字, 實在太不方便, 因此標準函式庫所提供的函式、類別、物件等, 其宣告都放在預先定義好的含括檔中, 我們只要用 #include 指令含括必要的含括檔, 就能使用其中所宣告的任何函式、類別、或物件。

#include 的格式 #include 指令可有下列兩種格式：

#include 的格式 所以我們程式 第 1 行所含括的就是標準函式庫中的 iostream 含括檔, 檔案內含 C++ 所提供的標準輸出及輸入工具, 我們程式中就會用到其中一樣工具。 除了 iostream 外, C++ 還有很多含括檔, 以 Visual C++ 2005 為例, 在 “Program Files\Microsoft Visual Studio 8\VC\include” 路徑下即可看到 Visual C++ 2005 所提供的含括檔。

main() 函式- C++ 程式的起點 剛剛已介紹過函式, 而範例程式第 3 行的 main() 就是一個函式, 稱為 main() 函式。所有的 C++ 程式都要有個 main() 函式, 它是程式執行的起點。也就是說 C++ 程式在執行時, 都是從 main() 函式開始執行。

main() 函式- C++ 程式的起點 main() 函式開頭的 “int” 是整數 (Integer) 的意思, 表示 main() 函式在執行完會傳回一個整數給作業系統。至於作業系統如何使用這個傳回值, 在此不做討論。只要請您記得, “int main()” 是 C++ 程式的主體, 我們寫的程式都要有它。 第 4 到 7 行由大括號 { } 包住的部份, 稱為 main() 函式的本體 (body), 也就是放 main() 函式的內容。

main() 函式- C++ 程式的起點 main() 函式雖是程式執行的起點, 但它不一定要放在原始程式的開頭, 其 main() 函式可能會放在程式的後方, 這對程式執行並無影響。因為編譯器仍會把程式編譯成從 main() 函式開始執行。

單一敘述的組成 在 main() 函式中有 2 行程式, 或者說是有 2 個 敘述 (statement), 敘述 是 C++ 程式的基本組 成單位。回顧一下前一章控制機器人的例子, 我們下給機器人的指令, 就是一個敘述。C++ 的每個敘述都必須以分號 (;) 結尾, 因為 C++ 編譯器就是依分號來分辨一個敘述的開頭和結 尾, 才能據以將之編譯成對應的機器語言。

單一敘述的組成 敘述乃是由一些符合語法的字串所組成, 常見的敘述有：宣告、定義、運算式、設定、函式呼叫、迴圈及流程控制等, 例如： 第 5 行敘述的功用應不用再說明了, 對照程式的執行結果, 我們就能明白此敘述的功用就是在螢幕上輸出 “Hello, 我的第一 個 C++ 程式” 這段文字。

單一敘述的組成 由於已成慣例, 所以這行敘述可以省略不寫, 當編譯器看到 main() 函式沒有傳回數值時, 會自動把它視為傳回 0。 第 6 行的敘述 “return 0” 則是呼應前面介紹過 的 main() 函式傳回值, 也就是說我們的 main() 函式在輸出文字後, 會傳回 0 這個數值給作業系統。一般慣例都是用傳回 0 表示程式執行未發生任何問題。 由於已成慣例, 所以這行敘述可以省略不寫, 當編譯器看到 main() 函式沒有傳回數值時, 會自動把它視為傳回 0。

字符與空白符號 敘述可以再細分為由一或多個字符 (Token) 所組成。例如第 5 行 std::cout << “Hello, 我的第一 個 C++ 程式”; 就是由 std::、cout<<、“Hello, 我的第一 個 C++ 程式” 、; 這些字符所組成。字符與字符之間可以加上適當數量的空白符號 (Whitespace), 以茲識別。例如同樣這一行程式, 我們可以寫成下面這個樣子, 其意義是相同的：

字符與空白符號 我們在幾個字符間加上額外的空白、甚至換行, 其意義仍是相同的。因為對 C++ 編譯器來說, 空白字元、定位字元 (Tab)、換行都算是空白符號。

字符與空白符號 簡單的說, 字符 (Token) 就是對 C++ 編譯器有意義的符號, 例如 std 、cout 等是在 <iostream> 含括檔中宣告的；而 ::、<< 則都屬於 C++ 語言的運算子 (operator) 而分號 (;) 則是用來分隔敘述的符號。 再次提醒, 在 C++ 中大小寫是有分別的, 所以 std 不能寫成 “STD”、“Std”、“sTd”, C++ 編譯器會將它們視為不同的字符。

為程式加上註解 在第 6 行程式後面, 從兩條斜線開始的部份, 稱為註解 (comment)。註解是我們寫給自己或其他人閱讀的說明文字, 而編譯器在遇到註解時, 會自動跳過。 註解的格式有 2 種： 單行註解：也就是以 2 個斜線 (//) 開頭的註解。當編譯器看到 “//” 時, 就會將 “//” 到這一行結尾的文字完全忽略, 從下一行程式再開始編譯。

為程式加上註解 區塊註解：如果您要寫的註解有好幾行, 就可使用這種方式, 其格式是以成對的 /* 與 */ 來包含所要加入的註解說明。這一對符號不需在同一行, 編譯器會自動跳過這一對符號間的所有文字, 例如：(如下頁) 下述這個程式的執行結果和前一個程式相同, 而第 14 行就是一個區塊註解。如果您將 C++ 敘述寫在其中, 編譯器將不會看到它, 所以也發生不了作用。

為程式加上註解

C++ 的輸出與輸入 C++ 語言本身並不具備輸出與輸入的功能, 所有的輸出與輸入均是藉由函式呼叫的方式來達成。這些函式都已預先製作好了, 並放在標準函式庫內供我們使用。輸出與輸入裝置的種類很多, 有鍵盤、螢幕、檔案、印表機等, 其中有一組特殊的裝置稱為標準輸入與輸出, 一般而言就是指由鍵盤讀入和由螢幕輸出。

C++ 的輸出與輸入 我們回頭看 std::cout << “Hello, 我的第一 個 C++ 程式”; 這行敘述, 其中 std::cout 是代表標準輸出的串流物件。而我們用 << 這個運算子將 “Hello, 我的第一 個 C++ 程式” 這個字串輸出到螢幕上, 所以我們能在畫面上看到這串文字。 利用同樣的方式, 我們可以輸出多行的文字字串, 例如下面這個程式：

2-2-6 C++ 的輸出與輸入

C++ 的輸出與輸入 第 5 及 第 7 行的程式分別就是輸出執行結果所示的 2 行訊息。至於第 6 行 的 std::endl 則是定義在 iostream 含括檔中, 它代表的是一行的結尾 (END Line), 也就是讓輸出的內容換行, 所以 第 7 行程式輸出的訊息, 會出現在另一行。如果沒有第 6 行輸 出 std::endl 的敘述, 則 “Bye, C++ !” 這幾個字會緊接在 “Hello, 我的第一 個 C++ 程式” 後面。

C++ 的輸出與輸入 像前面這樣輸出訊息非常不便, 每次都要打一串 “std::cout <<” 文字。如果程式要輸出 100 行訊息, 豈不是要重複 200 行都要打 “std::cout <<” (包括換行動作) 。 其實我們可透過 2 種方式簡化使用 “std::cout” 的敘述內容： 在程式開頭即宣告使用 std 名稱空間。 將多個 std::cout 敘述串接成單一敘述。

使用 std 名稱空間 其實標準輸出的物件名稱是 “cout”, 前面的 “std” 代表的是 cout 這個名字是定義在一個名 為 std 的名稱空間 (namespace, 或稱命名空間) 簡單的說, 名稱空間是避免大家使用同樣的名稱為類別、物件命名的一種機制。我們可做這樣的比喻：在現實生活中, 我們可能會在同一班就遇到同名同姓的人, 但 C++ 程式 (同一班) 卻不允許有同名同姓的情況發生, 但可允許不同班有同名同姓者。

使用 std 名稱空間 名稱空間的功用, 是讓 C++ 程式中有同名同姓的人時, 可將他們區分為不同班 (不同的名稱空間), 如此 C++ 編譯器就不會弄錯, 造成編譯錯誤；因此 “std::cout” 的意思, 就是告訴 C++ 編譯器：這位 cout 同學 是 std 這一班的。 但我們的程式並沒有那麼複雜, 實在不需要去分班, 所以我們可在程式一開始就宣告說我們都是 std 這一班, 這樣一來, 使用 cout 時, 前面就不需加上 “std::” 了。宣告的方法是用 using namespace 敘述, 如以下程式所示：

使用 std 名稱空間

串接輸出 為了方便起見, “<<” 運算子可以串接起來使用, 正如我們平常寫加減法的運算式時, 可以將 +、-、*、/ 符號串在一起用一樣, 例如前一個範例程式的第 6、7 行, 可以合併成：

串接輸出 輸出的順序是由左至右逐一輸出, 所 以 cout 會先在螢幕上輸出一行 “Hello...” 的字串後, 就會緊接著換行。利用同樣的方式, 我們可以串接多個輸出內容。所以我們又可將程式簡化成：(如下頁) 請注意第 68 行總共只有一個分號, 所以它們其實是一個敘述, 只不過我們將它分成 3 行來寫。因為換行也算是空白符號, 所以像這樣分成多行, C++ 編譯器也能正常解讀並編譯程式。

串接輸出

輸入資料 std::cout 是用於輸出資料, 至於要想讓使用者由鍵盤輸入資料, 則需使用 std::cin 物件。cin 稱為標準輸入 (Standard Input), 在個人電腦上通常就是指鍵盤, 所以使用 cin 就是要從鍵盤輸入資料。cin 的用法很簡單, 最基本的語法如下：

輸入資料 cin >> 儲存物件的變數; 由 cout 輸出時用的 是 “<<” 運算子, 由 cin 輸入時則換個方向使用 “>>” 運算子。由外界輸入資料時, 程式要準備一個儲存空間來放這筆資料, 而最簡單的方式就是準備一個變數 (variable) 來存放輸入的資料。我們先簡單示範 cin 的用法：

輸入資料

輸入資料 其中第 7 行的敘述是宣告一個用來存放整數 (int) 的變數, 變數名稱為 i, 在第 8 行就將由鍵盤輸入的資料存到 i 之中, 在第 9 行則將 i 所存的數值接在字串後一起輸出。 編譯好程式後, 執行時會先現如下的訊息： 這時候程式會暫停, 等待我們輸入資料, 例如我們輸入 123 後按 , 程式就會接著執行, 也就是輸出前列第 9 行的訊息：

輸入資料 請注意, 由於用來接受輸入的變數 i 只能存放整數的資料, 所以若我們輸入文字或符號等非數字資料, cin 就會視為輸入錯誤, 而不會將輸入的文字或符號存入 i, 此時 i 將維持其預設值 1, 如下所示：

2-3 良好的程式撰寫習慣 寫程式的目的不外乎是能正常執行, 但是要如何讓您的程式簡明易懂也是相當重要的。因為我們可能在程式寫好過了半個月、三個月後要回頭參考或修改, 此時要讀幾個月前寫的程式, 若看到程式碼排得亂七八糟, 縱然記憶力再好, 恐怕也很難記得當初程式所想表達的含意。為了避免這種情形, 一般都會依循幾個原則, 建立良好的程式撰寫習慣。

良好的程式撰寫習慣 前面說過, C++ 是自由格式的程式語言, 只要有確實遵照字符間加上必要的空格、敘述結尾加上分號… 等基本的語法規則, 不管我們的程式如何排列, C++ 編譯器仍能正常讀取進而編譯。但寫程式並不只是寫給 C++ 編譯器看, 很多時候程式也要給除了自己以外的人閱讀。所以如何提高程式的可讀性, 就是我們在撰寫程式時所要注意的。

適當的分行： 便於整篇程式的閱讀 在 C++ 語言中並未限制單行的長度, 所以就算把整個程式寫成非常長的一行, 只要每段敘述都有正確地以分號標開, 編譯程式時也不會發生錯誤。問題是, 這樣的程式讀起來, 感覺會像讀一篇沒有標點符號的文章一樣, 不知道哪裡該停頓, 哪裡是段落結束：

適當的分行： 便於整篇程式的閱讀 因此一般習慣都是將每個敘述、前置處理指令都個別放在一行, 而函式的名稱、大括號也是各佔一行。就像我們前面的範例程式所示：

適當的分行： 便於整篇程式的閱讀 如果敘述很長時, 可以在適當的地方將之換行, 例如前面已看過的例子： 這 3 行程式就等於：

適當的分行： 便於整篇程式的閱讀 如果要用 cout 輸出的字串本身就很長時, 可將字串切割成多個子字串, 個別輸出, 例如： 只要適當的切割, 就能將它分成 2 個子字串, 分列 在 2 行 (注意！切割後的每個子字串前後都要用引號“ 括起來) ：

適當的分行： 便於整篇程式的閱讀 或改用 2 個敘述個別輸出： 其它類型的敘述, 也都可採類似的技巧。

適當縮排 為了提高可讀性, 寫程式要像寫文章一樣：段落明顯, 章節分明。要讓程式看起來有段落、章節的感覺, 就需善用內縮的技巧。

適當縮排 一般習慣只要用到大括號時, 則大括號以內的程式都會比大括號的位置內縮一些。至於內縮幾格, 視每個人的習慣不同, 有些人習慣空 2 或 4 格, 也有人是直接用 Tab 鍵來做縮排。而像上列 cout 敘述的 第 23 行, 其內縮方式則是讓 “<<” 符號彼此對齊。利用這種方式, 我們就能讓程式看起來有段落、層次感, 閱讀起來也比較能找出條理。

程式碼的註解：幫助瞭解程式 最後一點要注意的, 就是要適時的替程式加上註解。為什麼要加註解呢 ? 一來有時程式的邏輯會較為巧妙, 無法一眼看出, 此時適當的加上說明, 可幫助閱讀。 其次從維護程式的考量, 對自己, 可能早就忘了程式在寫什麼；對別人來說, 則可能完全不能瞭解程式的內容。為了提升效率, 避免大家浪費太多時間, 若能在一開始寫程式時, 就在適當的地方加上各種說明註解, 這樣維護程式也會變得比較輕鬆自在。

程式碼的註解：幫助瞭解程式 在註解您的程式時, 建議可依如下的原則： 盡量使用 “//” 來標示註解, 除非是多行的連續註解, 才使用 /* 與 */。畢竟只在註解開頭輸入 “//”, 比要在註解前後輸入 “/*” 與 “*/” 來得方便。 當註解太長時需要換行時, 新的一行也必須在 /* 與 */ 之間。 註解越詳細越好, 但也不要浮濫, 讓程式檔充斥一堆非程式的文字, 反而影響閱讀。