第 1 章　简介和环境搭建

1.1　什么是编程语言

如果想控制计算机，你需要一种可以和计算机对话的方法。不像猫或狗那样有一套自己的神秘语言，计算机的语言是人类创造的。计算机程序是一段文本，就像一本书或一篇文章，有着特定的结构。编程语言对人类来说易于理解，但与自然语言相比，它们的结构更严格，词汇量也更小。C++便是这些计算机语言中很流行的一个。

在你写完程序之后，计算机需要一种方法来运行它，就是解释所写的是什么，也就是执行程序。执行的过程取决于所使用的编程语言和开发环境，我们稍后会讲到如何执行程序。

目前有很多种编程语言，尽管每种语言都有自己的语法和关键字，但它们在很多方面是相通的，一旦学会一种，再学习其他的便会容易很多。

1.2　C和C++之间的不同之处

C语言是为了开发Unix操作系统而诞生的，是一种低层且强大的语言，但缺少很多现代编程特性。C++是基于C语言的一个较新的语言，它增加了很多现代编程语言特性，比C更加易用。

C++包含了所有C语言的强大特性，同时提供了很多新功能，使其更容易编写复杂程序。

例如，C++可以非常方便地管理内存。它有很多的特性可以实现“面向对象编程”和“泛型编程”，我们之后会解释这些是什么意思。目前你只需要知道C++对程序员来说更加地简单，可以让他们无需考虑机器运行的细节，而是将注意力放在如何解决问题上。

如果你在学C还是学C++之间徘徊，我强烈建议学习C++。

1.3　学习C++之前，是否需要先了解C

不需要。C++是C的超集，任何能用C做的事情，都可以用C++完成。如果了解C语言，你会很快适应C++的面向对象特性。如果不了解C，也不要紧，先学会C并不会有多少优势，其实你能很快掌握并运用C++的独有特性(比如更简单的输入和输出)。

1.4　成为程序员，是否需要懂数学

如果每次有人问我这个问题我都收他5分钱的话，那我这笔财富要用计算器才能算清。很幸运，这答案是：不需要！大多数编程涉及的是设计和逻辑推理，而不是快速运算、线性代数或微积分。数学和编程之间的重叠部分，主要集中在逻辑推理和严密的思维部分。只有需要编写高级3D图形引擎(http://www.cprogramming.com/tutorial.html#3dtutorial)、数控编程，或是写程序来进行统计分析时，你才需要真正的数学知识。

1.5　术语

本书中我会不断定义新术语，不过会从一些非常基本的概念开始介绍。

1.5.1　编程

编程指的是编写计算机能够理解和执行的指令，这些指令称为源代码。我们将在接下来的内容中初步接触一些源代码。

1.5.2　可执行文件

编程的最终成果就是生成一个可执行文件。可执行文件即计算机能够运行的文件：如果使用Windows系统，这些文件即EXE文件。Microsoft Word便是一个可执行文件。有些程序会有额外的文件(图形文件、音乐文件等)，但每个程序都必须有一个可执行文件。为了生成可执行文件，你需要一个将程序源代码转化为可执行文件的编译器。没有编译器，除了眼巴巴地看着源代码，你无法做任何事情。这实在是太无聊了，我们赶紧安装一个编译器吧。

1.6　编辑和编译源文件

本章接下来的部分讲述如何搭建一个简单易用的编程环境。我推荐安装两个工具：一个编译器和一个编辑器。你已经知道编译器的存在是为了让程序可以工作。虽然之前没有提及编辑器，但它非常重要，编辑器可以让你按照正确的格式编辑源代码。

源代码必须以纯文本的形式编写。纯文本文件仅包含文字信息，不包含格式化信息。用Microsoft Word(或类似产品)创建的文件就不是纯文本文件，因为它包含字体、字号等格式化信息。在Word中打开文件时，尽管你看不到这些信息，但它们确实存在。而纯文本文件只有原始信息，可以使用接下来我们将要介绍的工具来创建和编辑。

编辑器还会提供两个很方便的功能：语法高亮和自动缩进。语法高亮给代码添加颜色，使你可以很容易地区分程序的不同元素。自动缩进可以自动对代码排版，使其更加易读。

如果你使用Windows或者Mac，我推荐更复杂的编辑器：包含了编辑器和编译器的集成开发环境(Integrated Development Environment，IDE)。如果你使用Linux，我推荐使用非常简单易用的编辑器nano。下文中，我将指导大家进行设置。

1.7　关于示例源代码

本书包含大量示例源代码，所有源代码都可以供你自由使用；使用无任何限制，但不保证质量。本书附带的示例源代码(sample_code.zip1)按章划分文件夹(例如，本章对应文件夹ch1)。本书中的每段源代码都有对应的相同名称的文件(非章名)。

1读者可在图灵社区iTuring.cn本书页面免费注册下载。——编者注

1.8　Windows

我们在Windows下安装的工具是Code::Blocks，一个免费的C++开发环境。

1.8.1　第1步：下载Code::Blocks

进入Windows 2000/XP/Vista/7/8部分；

查找名字中含有mingw的文件(本书翻译之时，其名称为codeblocks-13.12mingw-setup.exe；你看到的版本号可能会与此不同)；

保存文件到你的桌面(本书翻译之时，这一文件大约为97.86MB)。

1.8.2　第2步：安装Code::Blocks

双击安装文件；

连续单击Next，一些教程会假定你安装在C:\Program Files\CodeBlocks(默认安装路径)，但其实可以选择安装在其他位置；

进行完整安装(在下拉菜单Select the type of install中选择Full: All plugins, all tools, just everything)；

运行Code::Blocks。

1.8.3　第3步：运行Code::Blocks

系统会弹出Compilers auto-detection(编译器自动检测)窗口：

如果出现编译器自动检测窗口，单击OK按钮即可。Code::Blocks可能会询问你是否关联C/C++文件，建议进行关联。单击File按钮，在New选项下，选择Project...。

接下来会出现如下窗口：

选择Console Application选项，然后单击Go按钮。书中所有的示例代码都以控制台程序运行。

连续单击Next直到出现语言选择对话框：

对话框让你选择C或C++，这里学的是C++，所以选择C++。

继续单击Next，Code::Blocks会提示你选择程序保存路径：

我推荐将其保存在单独的文件夹里面，因为Code::Blocks可能会创建很多文件(尤其是创建其他类型的项目时)。你还要给项目起一个名字，任意名字都可以。

再次单击Next，程序会提示你选择编译器：

这里不需要做任何操作，保留默认值即可，然后单击Finish按钮。

现在，你可以打开左边的main.cpp文件了。

(如果找不到main.cpp，你可能需要展开Sources文件夹。)

至此，你有了自己的main.cpp文件，且可以随意修改它。注意文件的扩展名是.cpp而不是.txt，.cpp是C++源文件的标准扩展名，尽管C++源文件就是纯文本。目前它只能输出“Hello word !”。我们来运行它吧。单击F9，编译，然后运行。(你也可以选择Build | Build and Run选项。)

现在已经成功地运行了一个程序！你可以简单修改一下main.cpp，按F9键再次编译和运行。

1.8.4　错误调试

如果无法运行程序，很可能是因为编译错误或者编译环境没有配置好。

1. 环境设置

运行故障时最常见的错误是与此类似的消息："CB01 – Debug" uses an invalid compiler. Probably the toolchain path within the compiler options is not setup correctly?! Skipping...。

首先，确保下载的Code::Blocks是包含MinGW的完整版本；如果问题仍没有解决，很可能是编译器自动检测出了问题。接下来检查auto-detected的状态，找到Settings | Compiler and Debugger...，选择左边的Global Compiler Settings(有一个齿轮状图标)，然后选择右侧的Toolchain executables选项卡，选项卡上有一个Auto-detect按钮，单击它应该能够解决问题。如果仍未解决，你需要手动填写表单。下图是我的系统配置的演示截图，请更改Compiler's installation directory为你自己的实际路径(如果安装在了其他某个位置)，并且确保所有内容填写如下图。

完成修改后，按F9，看看能否正常运行程序。

2. 编译错误

如果你修改了main.cpp但编译器无法识别，则说明可能发生了编译错误。想找出错误原因，可以查看Build messages或Build log窗口。Build messages窗口仅显示编译错误，Build log则会显示其他信息。下面显示了一个编译错误：

从示例中可以看出，错误信息会给出文件名、代码行号和简短的错误描述。在这段代码中，我把return 0 ;改成了kreturn 0 ;，它不是C++的有效语法，所以出错了。

编程过程中遇到编译失败时，通过这个窗口可以获取有用的信息。

在本书中，你会看到大量示例代码。对于每个示例代码，你都能够参考创建一个新的控制台程序，或者直接修改附带的源文件。我建议创建新的控制台程序，以便修改示例代码并将其保存留待以后查看。

1.8.5 使用Code::Blocks的原因

我在书的开头提到了集成开发环境，Code::Blocks便是一个集成开发环境，编码和编译都可以用它轻松搞定。不过需要注意一下，Code::Blocks本身不是编译器。你下载Code::Blocks时，安装包里面包含了一个编译器，本书中编译器是MinGW(http://www.mingw.org/)的GCC，它是Windows下的一个免费编译器。Code::Blocks已经帮你处理了所有安装和调用编译器的工作。

1.9　Macintosh

本节主要讨论OS X系统上的环境设置。3

3如果你使用Mac OS 9或更早的系统版本，在无法升级的情况下，可以试用Macintosh Programmer's Workshop，官网链接是http://developer.apple.com/tools/mpw-tools/ 。OS 9之前的系统太古老了，这里不再介绍安装步骤。

OS X自带了一个非常强大的基于Unix的shell环境，所以本书在1.10节介绍的大部分工具也可以在OS X下使用。当然，你可能想尝试苹果的Xcode集成开发环境。不管是不是想用Xcode，使用标准Linux工具前必须安装Xcode。

在Mac下开发C++程序并不需要使用Xcode。只有你想开发Mac图形程序时才需要学习使用Xcode。

1.9.1　Xcode

Xcode是Mac OS X自带的一个免费软件，但默认情况下不会安装。你可以在Mac OS X的光盘中找到安装文件，也可以在网上下载最新版本。包含文档的下载版本体积非常大，如果网速比较慢，建议先尝试在光盘中找安装文件。注意，像gcc、g++这些基本的编译器，Linux通常会默认安装，但Mac OS X不会，想使用它们，必须下载Xcode Developer Tools。

注意，目前Xcode有Xcode 5和Xcode 6 beta两个版本。下文包含了Xcode 5和Xcode 6 beta两个版本的安装说明4。

4本书英文版撰写之时，Xcode有Xcode 3和Xcode 4两个版本，但目前已有Xcode 5和Xcode 6 beta两个版本，故本节后续内容已更新到这两个版本。——编者注

1.9.2 安装Xcode 5

你可以直接在Mac App Store中搜索Xcode 5。下载完成后，Dock上会出现一个Install Xcode图标，单击就可以进入安装过程。

安装过程要求同意许可协议，然后它列出需要安装的组件；选择默认的组件即可。安装时请全部选择默认选项，直到安装完成。

1.9.3 运行Xcode

安装完成后，你可以在Developer|Applications|Xcode下找到Xcode；单击运行。Xcode附带大量文档，你需要花费一些时间学习Xcode Quick Start Guide教程；可以通过单击开始界面上的Learn about using Xcode链接看到。但接下来的学习过程假设你没阅读过任何其他文档。

1.9.4 用Xcode 创建第一个C++程序

运行Xcode，在主界面上选择Create a new Xcode project(也可以选择File|New|New Project…，或者按快捷键Shift-⌘-N)。此时会出现如下界面：

选择在左边栏Mac OS X下方的Application，然后选择Command Line Tool。(你可能也会看到iOS下方的Application，不过请暂且忽略它。)然后单击Next。

之后会看到如下界面：

将项目名HelloWorld填到输入框里，选择Type为C++(默认可能为C)，然后单击Next按钮。

单击之后，会出现如下界面：

如果Create git repository on被选中，就反选它。Git是一个版本控制系统，会保留项目的多个版本，但Git超出了本书的讲述范围(所以先取消其选中状态)。然后，选择项目的存放位置——我把它放在Documentation目录中。完成这些后，请单击Create。

单击之后，会出现一个新的窗口，如图所示：

窗口中包含了很多信息。左侧边栏包含了源代码和产品。源代码放在与项目名同名的文件夹下，比如示例中的HelloWorld文件夹。窗口中剩下的区域会显示编译器信息，现在我们不需要对其做任何操作。

至此，让我们开始编辑源代码。从视图中左侧边栏中选择main.cpp(注意，文件的扩展名是.cpp而不是.txt，.cpp是C++的标准扩展名，尽管cpp文件就是纯文本)。单击，源代码便会显示在主窗口上。现在你可以直接进行修改了。

你也可以双击文件，然后会看到可以移动的编辑窗口。

Xcode默认提供了一个小示例程序。让我们来编译和运行。单击工具栏上的Run按钮，视图右下角就会输出相关信息(见视图下方被框起部分)。

1.9.5　安装Xcode 6 beta

你可以直接在Mac App Store中搜索Xcode 6 beta。下载完成后，Dock上会出现一个Install Xcode图标，单击就可以进入安装过程。

安装过程要求同意许可协议，然后它列出需要安装的组件；选择默认的组件即可。安装时请全部选择默认选项，直到安装完成。

1.9.6　运行Xcode

安装完成后，你可以在Developer|Applications|Xcode下找到Xcode；单击运行。Xcode附带大量文档，你需要花费一些时间学习Xcode Quick Start Guide教程；可以通过单击开始界面上的Learn about using Xcode链接看到。但接下来的学习过程是假设在你没阅读过任何其他文档的前提下进行的。

1.9.7　用Xcode创建第一个C++程序

运行Xcode，在主界面上选择Create a new Xcode project(也可以选择File|New|New Project…，或者按快捷键Shift-⌘-N)。此时会出现如下界面：

选择在左边栏Mac OS X下方的Application，然后选择Command Line Tool。(你可能也会看到iOS下方的Application，不过请暂且忽略它。)然后单击Next。

之后会看到如下界面：

将项目名HelloWorld填到输入框里，选择Type为C++(默认可能为C)然后单击Next按钮。

单击之后，会出现如下界面：

如果Create local git repository for this project被选中，就取消它。Git是一个“版本控制”系统，会保留项目的多个版本，但Git超出了本书的讲述范围(所以先取消)。然后选择项目的存放位置——我把它放在Documentation目录中。完成这些后，单击Create。

单击之后，会出现一个新的窗口，如图所示：

窗口中包含了很多信息。左侧边栏包含了源代码和产品。源代码放在与项目程名同名的文件夹下，比如示例中的HelloWorld文件夹。窗口中剩下的区域会显示编译器信息，现在我们不需要对其做任何操作。

至此，让我们开始编辑源代码。从视图中左侧边栏中选择main.cpp(注意，文件的扩展名是.cpp而不是.txt，.cpp是C++的标准扩展名，尽管cpp文件就是纯文本)。单击，源代码便会显示在主窗口上。现在你可以直接进行修改了。

你也可以双击文件，然后会出现可以移动的编辑窗口。

Xcode默认提供了一个小示例程序。让我们来编译和运行。单击工具栏上的Run按钮，视图右下角就会输出相关信息(见视图下方被框起部分)。

就这样，你成功运行了第一个应用程序！

从现在开始，当你想运行示例程序时，可以使用我们刚刚创建的项目，也可以新建项目然后编译执行。如果你想增加自己的代码，可以从修改Xcode自带的示例程序中的main.cpp开始。

1.9.8　错误调试5

5本节使用的是Xcode 5的截图。Xcode 6和Xcode 5基本相似。

程序可能会因为一些原因编译失败，通常是因为编译错误。(例如，示例代码可能打字错误，也可能程序中存在真正的错误。)如果出现编译错误，编译器会输出一个或多个编译错误信息。

Xcode直接在出错代码行旁显示编译错误信息。在下面的示例程序中，我把原来程序中的输出函数std::cout修改成单个字符c(见图)。

如构建失败截图所示，构建失败和编译失败信息显示在正上面的条形框中，点击右侧的叹号，左侧边栏中会出现具体的错误信息。

修改完错误，你只要单击Build and Run按钮就可以重新调试。

1.10　Linux

如果你使用Linux，应该已经安装了C++编译器。一般来说，Linux用户使用的C++编译器是g++；g++是GNU Compiler Collection(GCC)的一部分。

1.10.1　步骤1：安装g++

打开终端窗口，输入g++，按回车键。如果已经安装编译器，就会出现：

g++: no input files

如果你看到这样的信息：

command not found

那么需要安装g++，而安装g++取决于使用的Linux发行版的包管理软件。如果使用Ubuntu，只需要输入：

aptitude install g++

其他的Linux版本可能包含同样简单的包管理软件，也可能需要其他额外的操作步骤。请阅读你使用的Linux发行版的帮助文档，以获取更多的信息。

1.10.2　步骤2：运行g++

运行g++相对比较简单。首先，我们要创建第一个程序。创建一个扩展名为.cpp的简单文件，它包含的文本如下：

#include ＜iostream＞

int main ()

{

std::cout << "Hello, world" << std::endl;

}

示例代码1：hello.cpp

保存文件为hello.cpp，并记住文件保存的路径。(注意，文件扩展名是.cpp而不是.txt，.cpp是C++的标准扩展名，尽管cpp文件就是纯文本。)

返回终端窗口，进入你保存文件的目录。输入下列内容然后按下回车键：

g++ hello.cpp -o hello

g++的参数-o选项表示输出文件的名称。如果没有使用-o，名字默认为a.out。

1.10.3　步骤3：运行你的程序

本例中，程序的名字为hello，所以需要输入下面的命令来运行程序：

./hello

这样应该就可以看到输出了：

Hello, world

这是你的第一个程序，向美好的新世界打个招呼吧。

错误调试

程序可能会因为某些原因编译失败，通常是因为编译错误(例如，示例代码可能打印错误，也可能程序中存在真正的错误)。如果出现编译错误，编译器会输出一个或多个编译错误信息。

例如，如果在示例程序中的cout前加上一个x，那么编译器会返回如下错误：

gcc_ex2.cc: In function 'int main ()':

gcc_ex2.cc:5: error: 'xcout' is not a member of 'std'

每个错误都会显示文件名、行号和错误信息。示例中，问题出在编译器无法理解xcout上，因为它应该是cout。

1.10.4　步骤4：安装文本编辑器

如果你使用Linux，会想使用一个好的文本编辑器。Linux下有很多非常高端的文本编辑器，如Vim(http://www.vim.org/)和Emacs(http://www.gnu.org/software/emacs/)。(我在Linux环境下工作时使用Vim。)不过它们入门比较难，需要你投入大量时间。从长远看，花时间学习是值得的，但刚开始学习编程时，可能不想花这么长时间去学习使用编辑器。如果你已经熟悉两个工具中的任一个，那么就继续使用吧。

如果你还没有钟爱的编辑器，可以试一下nano。nano(http://www.nano-editor.org/)是一个相对简单的文本编辑器，但它包含非常有用的语法高亮和自动缩进功能(这样你就不用一直在换行的时候按tab键了；听起来无所谓，但非常需要)。nano基于pico编辑器；pico非常易用，但缺少很多编程时需要的功能。如果你用过邮箱程序pine，那么可能使用过pico；没用过也不要紧，使用nano无需任何经验。

如果已经安装了nano，在终端窗口中输入nano即可，它会自动启动。如果没有安装，并且出现以下信息：

command not found

此时你需要安装nano，可以按照Linux的软件包管理器获取软件的方式获取nano。本文采用的是2.2.4版本的nano，不过，之后的版本也可以。

1.10.5　配置nano

为了能够使用nano，需要安装一个nano配置文件。其配置文件名为 .nanorsc，和大部分Linux配置文件一样，你的个人配置文件放在home文件夹下(~/.nanorc)。

如果文件已经存在，只需要简单地编辑一下；否则，你需要创建它。(若你没有任何使用Linux文本编辑器的经验，可以使用nano进行配置；请阅读下文，如果你需要了解nano的基本知识。)

使用本书附带的示例.nanorc文件可以正确配置nano。它提供了漂亮的语法高亮和自动缩进，让编码变的更加简单。

1.10.6　使用nano

如果想新建一个文件，可以不带参数运行nano。你也可以在命令行里指定一个文件名来编辑那个文件：

nano hello.cpp

若文件不存在，nano将会在内存中创建一个文件，直到你进行保存，才会在硬盘上保存创建的文件。

下图是nano运行时的示例：

上方的矩形框里面显示的是正在编辑的文件的文件名；如果在启动软件时没有提供文件，则显示New Buffer。

下方的矩形框里面是一堆键盘命令。如果看到字母面前有^，说明你需要将字母和Ctrl键一起按下。比如，“退出”的键盘命令是^X，所以必须要同时按下Ctrl和X；不区分大小写。

如果你一直使用Windows，可能不熟悉nano的术语，因此让我们先学习一下基本的nano操作。

1. 文本编辑

你可以启动nano新建一个文件或者打开一个存在的文件。此时已经可以输入内容了，在这点上nano和Windows上的Notepad非常相似。但如果想用复制和粘贴，它们就不相同了，nano的剪切键是Ctrl-K，复制键是Ctrl-U。若你没有选择任何文本，命令会默认剪切一行。

查找文本时使用Ctrl-W，然后会出现很多选项，最简单的方法就是输入要查找的内容然后按回车键。

使用Ctrl-Y可跳转到前一页，使用Ctrl-V可跳转到后一页。注意，其快捷键操作和Windows中几乎完全不同。

nano唯一缺少，而其他大部分编辑器都包含的重要功能是被默认禁止的撤销/重做功能，nano目前(在版本2.2中)只是实验性地支持撤销/重做。nano默认禁用撤销/重做功能。

使用Alt-R可以进行文件范围内的替换/查找：首先提示输入需要查找的文本，然后提示输入替换文本。

2. 保存文件

在nano中，保存文件的术语是写入(WriteOut，快捷键是Ctrl-O)。

当你调用写入功能，软件提示要输入文件名，即便文件已经打开。如果你在编辑已存在的文件，文件名默认显示，可以直接按回车保存文件。如果想保存在新的位置，可以输入新的文件名进行保存，或者进入文件选择菜单To Files(Ctrl-T)选择文件保存目录。取消(Ctrl-C)是针对命令本身的——大部分命令都有取消本身操作的选项，和Windows不同的是，默认的取消键是Ctrl-C而不是 Esc。目前无须理会其他命令，一般情况下我们使用不到它们。

3. 打开文件

如果想打开一个文件进行编辑，需要用到读取文档(Ctrl-R)，读取文档会出现下面的菜单选项：

假设你想打开一个文件，而不是在编辑的文本中插入内容。在选择文件前选择菜单中的New Buffer；New Buffer的快捷键是M-F，M指的是元键，在示例中，你通常使用键盘中的Alt键：Alt-F6，告诉nano去打开文件。执行完后，你可以输入文件的名称，或者用Ctrl-T打开文件列表进行选择。操作过程中同样可以采用Ctrl-C取消文件选择操作。

6有些人使用Alt键时可能没有反应，你可以先单击一次Esc键，然后再按字母键；比如，Alt-F可以使用Esc F代替。

4. 查看源代码

你已经初步了解了如何使用nano，现在已经可以打开源文件并开始编辑了。如果.nanorc文件配置正确，当打开具有某些文本的源文件时，代码会根据函数的不同来标记不同的颜色，比如我们之前编辑的源代码hello.cpp，会如下图所示，其中“Hello, World”呈现粉红色。

语法高亮功能依赖文件扩展名，只有你保存源文件为.cpp，它才会出现高亮。

从现在起，当你需要运行示例程序时，可以按照上面的步骤，先用nano创建新的文本文件，然后进行编译。

5. 知识拓展