C++ 基础

贡献者： addis

　　 Matlab 和 Python 等动态语言虽然用起来方便，但缺点是运行较慢，对于一些计算量大的项目不适合。目前在高性能计算中广泛使用的只有两种语言即 C++ 和 Fortran。虽然 Fortran 普遍被认为是一个过时的语言，但在计算物理中，许多人仍然在使用，一是因为以前遗留下的 Fortran 代码比较多，二是一些年纪较大的学者只会 Fortran。

　　 一本在数值算法中很有名的书是 Numerical Recipes，这本书第三版以前都使用 Fortran 或 C，而第三版却只有 C++，这也是本部分选择介绍 C++ 而不是 Fortran 的原因之一。本部分将从 Numerical Recipes 中借鉴许多代码上的风格和算法。

　　 C++ 的特征实在多不胜数，事实上无论是什么语言，做计算物理的研究者大多会倾向于只选择一些最基础的语法来使用。我们在这里列出本部分使用的 C++ 特性。

　　 在学习基本 C++ 语法时，强烈建议在 Jupyter Notebook 中使用 cling 解释器。这将节约大量的编译时间。

1. 基础语法

• 基本类型（bool, char, int, long, long long, float, double，long double）char, short, int 几乎总是 8, 16, 32 bit 的，虽然标准没这么规定。
• C 和 C++ 的整数（笔记）
• 基本算符（=, +, -, *, /, %, ++, --, +=, -=, *=, /=, ?:) 以及优先级
• 求值顺序没有定义：例如 f1() + f2() + f3() 等效于 (f1() + f2()) + f3()，但是三个函数被调用的顺序是没有定义的。
• 算符 % 的定义使 (m / n) * n + m % n == m 成立。
• 比特算符（&, |, ^, ~, <<，>>）
• 格式输出（printf, cout）
• scope（scope 内的名字在 scope 外没有定义，scope 内可以定义与 scope 外相同的名字并覆盖，类的 destructor 会在 scope 结束时自动调用）
• 判断（if, else if, else）
• 循环（for(;;), while，do while，break，continue）
• goto，label: 几乎不使用。
• 函数（函数名重载，变量默认值，算符函数，inline 函数，static 变量，pass by value/reference）
• const
• 指针，reference，pass by reference/value
• 引用
• 头文件机制（相当于原地插入头文件中的代码）#include <> 和 "" 的区别
• 多文件编译
• one definition rule（ODR)
• 内存的栈（stack）和堆（heap）（不是数据结构）
• typedef
• 数组：不指定个数的数组作为函数参数和指针是完全等效的。
• 运行时，编译时（例如数组的长度是编译时决定的，运行时不能修改）
• 动态内存管理 new, delete。
• 异常处理 throw, try, catch，std::runtime_error，out_of_range 等。
• undefined behavior 和 implementation defined behavior 有什么不同？前者编译器不需要诊断不需要有确定的行为，任何事情都可能发生（包括程序整个 crash）。后者需要编译器或者操作系统等有自己的统一定义，需要写入文档并遵守。作为程序员，前者坚决不要使用，后者也最好不要使用。

explicit 类型转换

• static_cast<新类型>(变量) 和 (新类型)变量 效果相同，但有一些转换不允许。
• reinterpret_cast<新类型*>(变量指针) 和 reinterpret_cast<新类型&>(变量) 并不会检查 strict aliasing rule，需要用户自己保证。
• strict aliasing rule：不允许不同类型的指针或索引指向同一个对象，可能导致优化时出错。但是有例外，例如用 char* 和 (un)signed char* 指向任何地址，用 base type 的指针指向对象等。
• standard-layout 类型 (e.g., structs without virtual functions or private members) 的指针可以互相转换，如果他们前几个成员是一样的。

2. 标准库

• cmath
• complex
• vector（包括内存管理机制、改变长度可能使指针失效）
• string, u32string
• iostream（cin，cout，<< 算符，>> 算符，cin 可以放在判断语句中，如 if (cin >> a)。）
• ifstream，ofstream
• 如何判断 cin 或 fin 读到了文件末尾（文件末尾允许任意多空格/空行）？不要用 cin.eof 判断，例如读 int，可以先初始化为 INT_MAX，然后读完以后判断是否仍为 INT_MAX。
• 换行：cin.ignore(numeric_limits<int>::max(), '\n');
• C 语言的 #include <climits> 中的常数（INT_MIN，INT_MAX，DBL_MAX，DBL_EPSILON），以及 std::numeric_limits<>::max() 等。
• 其他数据结构如 unordered_set, set, unordered_map, map, list, dequeue, stack 等。

高级

• __cplusplus 用于检测 cpp 版本。
• linux 中用 <bits/stdc++.h> 快速 include 所有 C 头文件和 STL 头文件。
• pair
• unordered_set，set
• unordered_map，ordered_map
• stack
• queue，deque，priority_que

3. 较高级的功能

• for(auto &e : v)，需要定义 v.begin()，v.end()，iterator 需要支持 ++，!=，*p。
• 类（constructor, destructor, public, private，数据成员，函数成员，operator+, -, *, /, (), []）
• POD（plain old data），类名() = default;（可以有其他 constructor），没有 destructor，没有 virtual function。可以用 std::is_pod<类名>::value 来判断。
• 宏（#include, #define, #if, #ifdef, #ifndef, #else, #endif）
• 宏函数，var（变量），#var（字符串），以及 ...##... 用于连接变量¹。
• #define ... do {} while(0) 避免多个语句不加花括号带来的错误。
• namespace
• constexpr
• decltype（double x; decltype(x) y;）
• 类的继承
• lambda 表达式，[=] [&]

4. 高级功能

• extern "C" 参考
• #ifdef __cplusplus 用于判断是否在用 C++ 编译器，还可以判断版本：#if __cplusplus >= 201103L，201402L，201703L
• 类模板
• 函数模板
• SFINAE

1. ^ 例如 #define MYFUN1(x) x*x，那么 MYFUN1(abcd) 就展开为 abcd*abcd。#define MYFUN2(x) #x，那么 MYFUN2(abcd) 就展开为 "abcd"。#define MYFUN3(x,y) a##x##y##f，那么 MYFUN3(bc,de) 展开为 abcdef。注意作为宏函数自变量的宏名不会先展开，例如 #define NUM 5，那么 MYFUN1(NUM) 先展开为 NUM*NUM 再进一步展开为 5*5。又例如 MYFUN2(NUM) 会展开为 "NUM"，但字符串不会作为宏进一步展开。宏函数体中双引号内的东西都不会展开，例如 #define MYFUN4(x) "x"，那么 MYFUN4(abc) 仍然展开为 "x"