第2章 C++程序的组成部分

C++程序由类、函数、变量及其他元素组成。本书的大部分内容将对这些组成部分进行深入解释，但为了解程序是如何组合在一起的，必须分析一个完整的工作程序。

在本章中，您将学习：

• C++程序的组成部分；

• 各部分如何协同工作；

• 函数及其用途；

• 基本输入输出操作。

2.1 Hello World程序的组成部分

在第 1章中，您编写的第一个C++程序只是将句子Hello World打印到屏幕上，虽然如此，却包含了C++程序最重要的基本构件。本节将以程序清单2.1为例，对所有程序都包含的重要部分进行分析。

程序清单2.1 HelloWorldAnalysis.cpp：分析C++程序

可将这个C++程序划分为两个部分：以#打头的预处理器编译指令以及以 int main()打头的程序主体。

第1、4、7和10行以//或/*打头，它们都是注释，将被编译器忽略。这些注释是供人类阅读的。注释将在下一节更详细地讨论。

2.1.1 预处理器编译指令#include

顾名思义，预处理器是一个在编译前运行的工具。预处理器编译指令是向预处理器发出的命令，总是以符号#打头。在程序清单 2.1 中，第 2 行的#include<filename>让预处理器获取指定文件（这里是iostream）的内容，并将它们放在编译指令所处的位置。iostream是一个标准头文件，这里包含它是因为第8行使用了 std::cout将Hello World打印到屏幕上，而该头文件包含 std::cout的定义。换句话说，编译器之所以能够编译包含std::cout的第8行，是因为我们在第2行指示预处理器包含了std::cout的定义。

在专业人员编写的C++应用程序中，包含的文件并非都是标准头文件。编写复杂的应用程序时，通常将其代码放在多个文件中，这使得需要在某些文件中包含其他文件。因此，如果需要在FileA中使用FileB中定义的元素，就需要在前者中包含后者。为此，通常在FileA中使用如下include语句：

这里使用引号而不是尖括号来包含自己创建的头文件。尖括号（<>）通常用于包含标准头文件。

2.1.2 程序的主体——main()

预处理器编译指令的后面是程序的主体——main()函数，执行 C++程序时总是从这里开始。声明main()时，总是在它前面加上int，这是一种标准化约定，表示main()函数的返回类型为int。

在很多C++应用程序中，都使用了类似于下面的main()函数变种：

这符合标准且可以接受，因为其返回类型为int。括号内的内容是提供给程序的参数。该程序可能允许用户执行时提供命令行参数，如：

其中/DoSomethingSpecific是操作系统传递给程序的参数，以便在main中进行处理。

下面来看第8行，它实际执行该程序的功能：

cout（控制台输出，读作see-out）是将Hello World打印到屏幕上的语句。cout是在标准名称空间中定义的一个流（因此这里使用了std::cout），这里使用流插入运算符<<将文本Hello World放到这个流中。std::endl用于换行，将其插入流中相当于插入回车。每次需要将新实体插入流中时，都使用了流插入运算符。

C++流的优点是，将类似的语义用于另一种类型的流时，将执行不同的操作，如插入到文件而不是控制台。因此，流的用法非常直观，使用过一种流（如将文本写入控制台的 cout）后，其他流（如帮助将文本文件写入磁盘的fstream）使用起来就非常容易。

流将在第27章更详细地讨论。

实际文本（包括引号）“Hello World”被称为字符串字面量。

2.1.3 返回值

在C++中，除非明确声明了不返回值，否则函数必须返回一个值。main()也是函数，且总是返回一个整数。这个值返回给操作系统，根据应用程序的性质，这可能很有用，因为大多数操作系统都提供了查询功能，让您能够获悉正常终止的应用程序的返回值。在很多情况下，一个应用程序被另一个应用程序启动，而父应用程序（启动者）想知道子应用程序（被启动者）是否成功地完成了其任务。程序员可使用main()的返回值向父应用程序传递成功或错误状态。

根据约定，程序员在程序运行成功时返回 0，并在出现错误时返回−1。然而，返回值为整数，程序员可利用整个整数范围，指出众多不同的成功或失败状态。

C++区分大小写，如果将int写成了Int、将void写成了Void或将std::cout写成了Std::Cout，程序将不能通过编译。

2.2 名称空间的概念

在这个程序中，使用的是std::cout而不是cout，原因在于cout位于标准（std）名称空间中。

那么什么是名称空间呢？

假设调用cout时没有使用名称空间限定符，且编译器知道cout存在于两个地方，编译器应调用哪个呢？当然，这会导致冲突，进而无法通过编译。这就是名称空间的用武之地。名称空间是给代码指定的名称，有助于降低命名冲突的风险。通过使用std::cout，可命令编译器调用名称空间std中独一无二的cout。

您使用std（读作standard）名称空间来调用获得ISO标准委员会批准，并在该名称空间中声明的函数、流和工具。

很多程序员发现，使用cout和std名称空间中的其他功能时，在代码中添加std限定符很繁琐。为避免添加该限定符，可使用声明 using namespace，如程序清单 2.2所示。

程序清单2.2 using namespace声明

分析：

请注意第8行。通过告诉编译器您要使用名称空间std，在第11行使用cout和endl时，就无需显式地指定名称空间了。

程序清单2.3是程序清单2.2的更严谨版本，它没有包含整个名称空间，而只包含要使用的元素。

程序清单2.3 关键字using的另一种用法

分析：

在程序清单2.3中，使用第7～8行替换了程序清单2.2的第8行。两者的差别在于，前者让您能够在不显式指定名称空间限定符std::的情况下使用名称空间std中的所有元素，而后者让您能够在不显式指定名称空间限定符std::的情况下使用std::cout和std::endl。

2.3 C++代码中的注释

在程序清单2.3中，第1、4、10和13行包含口语（这里为英语）文本，但不会影响程序编译，也不会影响程序的输出。这些行被称为注释。注释会被编译器忽略，程序员使用它们来对代码进行解释，因此使用人类能够明白的语言编写。

C++支持下面两种风格的注释。

• //指出当前行为注释，例如：

• /和/表示它们之间的文本为注释，即便这些文本跨越多行：

程序员为何要对自己编写的代码进行解释呢？这看起来好像有点奇怪，但程序越大，合作开发同一个模块的程序员越多，编写易于理解的代码就越重要。必须使用清晰的注释对代码的功能以及为何要这样做进行解释，这很重要。

2.4 C++函数

C++函数与 C 语言函数相同。函数让您能够将应用程序划分成多个功能单元，并按您选择的顺序调用。函数被调用时，通常将一个值返回给调用它的函数。最著名的函数无疑是 main()，它被编译器视为C++应用程序的起点，必须返回一个整数。

程序员通常需要编写自己的函数。程序清单 2.4 是一个简单的应用程序，它使用一个函数在屏幕上显示内容，而该函数使用各种参数调用了std::cout。

程序清单2.4 声明、定义和调用函数，该函数演示了std::cout的一些功能

输出：

分析：

这里需要注意的是第5、10和15～25行。第5行为函数声明，它告诉编译器您要创建一个函数，该函数名为DemoConsoleOutput()，返回类型为int。正是因为该声明，编译器才会编译第10行，并假定后面会有函数定义（即函数的实现），这里是第15～25行。

这个函数演示了 cout的各种功能。它不仅能够像前面显示Hello World那样显示文本，还能显示简单算术运算的结果。第21和22行都试图显示pi的值（22/7），但后者更精确，因为22.0/7让编译器将结果视为实数（在C++中为float），而不是整数。

注意到该函数被声明为返回一个整数（这里返回的是0）。由于它不做任何决策，因此没必要返回其他值。同样，main()也返回0。鉴于main()将其所有任务都交给了函数DemoConsoleOutput()去完成，更明智的做法是，在main()中返回该函数的返回值，如程序清单2.5所示。

程序清单2.5 使用函数的返回值

分析：

该应用程序的输出与前一个程序清单相同，但编写方式存在细微的差别。首先，由于在 main()前面（第5行）定义了该函数，因此无需声明该函数。较新的C++编译器将其视为函数声明和定义。另外，main()也更简短。第19行调用函数DemoConsoleOutput()，并将该函数的返回值作为应用程序的返回值。

在函数无需做任何决策，也无需返回成功/失败状态时，可将其返回类型声明为void：

这个函数不能返回值。对于返回类型为void的函数，不能通过执行它来做决策。

函数可以接受参数，可以递归，可以包含多条返回语句，可以重载，还可声明为内联的，在这种情况下，编译器将展开函数调用。这些概念都将在第7章更详细地介绍。

2.5 使用std::cin和std::cout执行基本输入输出操作

计算机让用户能够以各种方式与其运行的应用程序交互，还让应用程序能够以众多方式与用户交互。用户通过键盘和鼠标与应用程序交互。您可以在屏幕上以文本和复杂图形的方式显示信息，使用打印机将信息打印到纸上，还可将信息存储到文件系统中，供以后使用。本节讨论最简单的 C++输入输出方式：使用控制台读写信息。

要将简单的文本数据写入到控制台，可使用 std::cout（读作 standard see-out）；要从控制台读取文本和数字，可使用 std::cin（读作 standard see-in）。事实上，在程序清单 2.1中，在屏幕上显示Hello World时，您就使用过cout：

在这条语句中，cout的后面依次为插入运算符<<（帮助将数据插入输出流）、要插入的字符串字面量Hello World、使用 std::endl（读作 standard end-line）表示的换行符。

cin的用法也很简单，但它用于输入，因此需要指定要将输入数据存储到其中的变量：

因此，cin后面依次为提取运算符>>（从输入流中提取数据）以及要将数据存储到其中的变量。如果需要将用户输入存储到两个变量中——每个变量包含用空格分隔的数据，可使用一条语句完成这项任务：

请注意，cin可用于从用户那里获取文本输入和数字输入，如程序清单2.6所示。

程序清单2.6 使用cin和cout显示用户的数字输入和文本输入

输出：

分析：

第8行声明了一个名为InputNumber的变量，用于存储类型为int的数据。第10行使用cout让用户输入一个数字，而第13行使用cin将输入的数字存储在该int变量中。接下来重复相同的操作，存储用户的名字，当然这不能存储在int变量中，而是存储在string变量中，如第17～18行所示。第2行包含了<string>，原因是后面在main()中使用了类型string。最后，第20行使用一条cout语句显示输入的名字和数字以及连接文本，输出为Siddhartha entered 2011。

这是一个非常简单的示例，演示了 C++中输入输出的基本原理。如果您不清楚变量的概念，不用担心，第3章将详细阐述。

2.6 总结

本章介绍了简单 C++程序的基本组成部分。您明白了 main()是什么，了解了名称空间，学习了控制台输入输出的基本知识。现在，您能够在自己编写的任何程序中使用这些知识了。

2.7 问与答

问：#include的作用是什么？

答：这是一个预处理器编译指令。预处理器在您调用编译器时运行。该指令使得预处理器将#include后面的<>中的文件读入程序，其效果如同将这个文件输入到源代码中的这个位置。

问：//注释和/*注释之间有何不同？

答：//注释到行尾结束；/注释到/结束。//注释也被称为单行注释，/注释通常被称为多行注释。请记住，即使是函数的结尾也不能作为/注释的结尾，必须加上注释结尾标记*/，否则将出现编译错误。

问：什么情况下需要命令行参数？

答：需要让用户修改程序的行为时。例如，Linux命令ls和Windows命令dir都显示当前目录（文件夹）的内容，要查看另一个目录中的文件，需要使用命令行参数指定相应的路径，如ls/或dir\。

2.8 作业

作业包括测验和练习，前者帮助读者加深对所学知识的理解，后者提供了使用新学知识的机会。请尽量先完成测验和练习题，然后再对照附录D的答案。在继续学习下一章前，请务必弄懂这些答案。

2.8.1 测验

1．声明 Int main()有何问题？

2．注释可以超过一行吗？

2.8.2 练习

1．查错：输入下面的程序并编译它。它为什么不能通过编译？如何修复？

2．修复练习1中的错误，然后重新编译、链接并运行它。

3．修改程序清单2.4，以演示减法（使用-）和乘法（使用*）。