【C++ 进阶】语句：从基础到实践

目录

一、输入输出体系的范式革命

1.1 C语言的格式化

1.2 C++的流抽象革命

二、字符串处理的抽象跃迁

2.1 C语言的字符指针

2.2 C++的string类革命

三、结构体到类的类型系统进化

3.1 C语言的结构体局限

3.2 C++类的革命性演进

四、基础控制语句差异

4.1 条件语句：if-else 与 switch

4.1.1 if-else 语句

4.1.2 switch 语句

4.2 循环语句：for、while 和 do-while

4.2.1 for 循环

4.2.2 while 和 do-while 循环

五、函数相关语句差异

5.1 函数定义和声明

5.1.1 函数重载

5.1.2 默认参数

5.2 函数调用和返回语句

5.2.1 函数调用

 5.2.2 返回语句

六、类和对象相关语句差异

6.1 类定义和对象创建语句

6.2 成员访问和方法调用语句

七、异常处理语句差异

7.1 C 语言的错误处理

7.2 C++ 的异常处理

八、总结

九、参考资料

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C 语言作为一门经典的编程语言，以其高效性和可移植性闻名，广泛应用于系统软件和嵌入式开发等领域。而 C++ 是在 C 语言基础上发展而来的面向对象编程语言，它在兼容 C 语言的同时，引入了众多新特性，极大地增强了语言的表达能力和灵活性。本文将深入探讨 C++ 和 C 语言在语句方面的不同点，更好地理解和运用这两门语言。

一、输入输出体系的范式革命

1.1 C语言的格式化

C语言的scanf/printf体系构建了一个精细的格式控制王国：

// C语言示例
int a;
double b = 3.1415926;
scanf("%d", &a);
printf("a=%-5d\nb=%6.2f", a, b);

• 格式符系统：%d、%f等基础类型符配合修饰符（如%-5d左对齐）实现精确控制
• 内存操作本质：通过指针直接操作内存地址，&运算符显式获取变量地址

1.2 C++的流抽象革命

C++通过iostream库引入流抽象层：

// C++示例
int a;
double b = 3.1415926;
cin >> a;
cout << "a=" << setw(5) << a 
     << "\nb=" << fixed << setprecision(2) << b;

• 类型安全流：>>和<<运算符自动处理类型转换
• 操纵器系统：setw、fixed等操纵器实现格式化控制
• 链式调用特性：支持cout << a << b << endl的连续输出

二、字符串处理的抽象跃迁

2.1 C语言的字符指针

C语言通过字符数组和指针实现字符串操作：

char str1[] = "Hello";
char str2[] = "World";
char result[20];

strcpy(result, str1);
strcat(result, " ");
strcat(result, str2);
printf("%s\n", result); // 输出：Hello World

• 函数依赖：需要手动调用strcpy、strcat等库函数
• 缓冲区风险：需预先计算缓冲区大小防止溢出

2.2 C++的string类革命

C++引入std::string类实现面向对象操作：

#include <string>
using namespace std;

string str1 = "Hello";
string str2 = "World";
string result = str1 + " " + str2;
cout << result << endl; // 输出：Hello World

• 运算符重载：支持+直接拼接字符串
• 自动内存管理：无需手动计算缓冲区大小
• 丰富接口：提供substr()、find()等高级方法

性能对比表：

操作类型	C语言实现	C++实现	时间复杂度
字符串拼接	O(n) 需手动计算长度	O(1) 运算符重载	优化显著
子串查找	O(n) 遍历比较	O(n) 但算法优化	效率提升
内存管理	手动malloc/free	自动RAII管理	安全性增强

三、结构体到类的类型系统进化

3.1 C语言的结构体局限

C语言结构体仅为数据容器： 

struct Student {
    int id;
    char name[20];
};

void printStudent(struct Student s) {
    printf("ID:%d Name:%s", s.id, s.name);
}

• 函数分离：操作函数需单独定义
• 无封装性：所有成员默认公开访问

3.2 C++类的革命性演进

C++类实现完整面向对象特性：

class Student {
private:
    int id;
    string name;
public:
    Student(int i, string n) : id(i), name(n) {}
    void print() {
        cout << "ID:" << id << " Name:" << name;
    }
};

• 访问控制：通过private/public实现封装
• 构造函数：支持初始化列表语法
• 成员函数：方法直接关联对象

四、基础控制语句差异

4.1 条件语句：if-else 与 switch

4.1.1 if-else 语句

在 C 和 C++ 中，if-else 语句的基本语法相似，但 C++ 支持更复杂的条件表达式。例如，C++ 可以使用类对象的布尔转换运算符作为条件。

// C++ 示例
#include <iostream>

class BooleanWrapper {
private:
    bool value;
public:
    BooleanWrapper(bool val) : value(val) {}
    operator bool() const { return value; }
};

int main() {
    BooleanWrapper wrapper(true);
    if (wrapper) {
        std::cout << "Wrapper is true." << std::endl;
    }
    return 0;
}

在 C 语言中，由于没有类和运算符重载的概念，无法实现这样的用法。

4.1.2 switch 语句

C++ 的 switch 语句在功能上与 C 语言基本相同，但 C++ 允许 switch 表达式为枚举类型，并且可以使用 constexpr 变量。 

// C++ 枚举类型在 switch 中的使用
#include <iostream>

enum Color { RED, GREEN, BLUE };

int main() {
    Color myColor = RED;
    switch (myColor) {
        case RED:
            std::cout << "The color is red." << std::endl;
            break;
        case GREEN:
            std::cout << "The color is green." << std::endl;
            break;
        case BLUE:
            std::cout << "The color is blue." << std::endl;
            break;
        default:
            std::cout << "Unknown color." << std::endl;
    }
    return 0;
}

4.2 循环语句：for、while 和 do-while

4.2.1 for 循环

C++11 引入了范围 for 循环，这是 C 语言所没有的。范围 for 循环可以方便地遍历容器和数组。 

// C++ 范围 for 循环示例
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在 C 语言中，需要使用传统的 for 循环来遍历数组。

// C 语言传统 for 循环遍历数组示例
#include <stdio.h>

int main() {
    int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", numbers[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

4.2.2 while 和 do-while 循环

while 和 do-while 循环在 C 和 C++ 中的基本语法相同，但 C++ 可以使用更复杂的条件表达式，例如包含类对象的比较操作。

// C++ 中 while 循环使用类对象比较示例
#include <iostream>

class Counter {
private:
    int count;
public:
    Counter(int c) : count(c) {}
    bool operator>(int value) const { return count > value; }
    void decrement() { count--; }
};

int main() {
    Counter counter(5);
    while (counter > 0) {
        std::cout << counter > 0;
        counter.decrement();
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

五、函数相关语句差异

5.1 函数定义和声明

5.1.1 函数重载

C++ 支持函数重载，即可以定义多个同名函数，但它们的参数列表必须不同（参数个数、类型或顺序不同）。

#include <iostream>

class Counter {
private:
    int count;
public:
    Counter(int c) : count(c) {}
    bool operator>(int value) const { return count > value; }
    void decrement() { count--; }

    // 添加输出运算符重载（可选）
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Counter& c) {
        os << c.count;
        return os;
    }
};

int main() {
    Counter counter(5);
    while (counter > 0) {
        std::cout << (counter > 0);  // 输出布尔值（1/0）
        counter.decrement();
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在 C 语言中，函数名必须唯一，不支持函数重载。

5.1.2 默认参数

C++ 允许为函数参数设置默认值，调用函数时可以省略这些参数。

// C++ 默认参数示例
#include <iostream>

int add(int a, int b = 10) {
    return a + b;
}

int main() {
    int result1 = add(1);
    int result2 = add(1, 2);
    std::cout << "Result 1: " << result1 << std::endl;
    std::cout << "Result 2: " << result2 << std::endl;
    return 0;
}

C 语言不支持默认参数。

5.2 函数调用和返回语句

5.2.1 函数调用

C++ 支持函数对象（仿函数）的调用，这是 C 语言所没有的。函数对象是一个重载了 () 运算符的类对象。

// C++ 函数对象示例
#include <iostream>

class Adder {
public:
    int operator()(int a, int b) {
        return a + b;
    }
};

int main() {
    Adder adder;
    int result = adder(1, 2);
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

 5.2.2 返回语句

C++ 可以返回类对象，并且支持移动语义，避免不必要的拷贝。

// C++ 返回类对象并使用移动语义示例
#include <iostream>
#include <vector>

class MyVector {
private:
    std::vector<int> data;
public:
    MyVector(std::vector<int> vec) : data(std::move(vec)) {}
    MyVector(MyVector&& other) noexcept : data(std::move(other.data)) {}
    void print() {
        for (int num : data) {
            std::cout << num << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};

MyVector createVector() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
    return MyVector(vec);
}

int main() {
    MyVector myVec = createVector();
    myVec.print();
    return 0;
}

在 C 语言中，返回复杂数据结构通常需要手动管理内存，没有移动语义这样的特性。 

六、类和对象相关语句差异

6.1 类定义和对象创建语句

①类定义

C++ 引入了类的概念，类可以包含数据成员和成员函数，并且可以使用访问控制符（public、private、protected）来控制成员的访问权限。

// C++ 类定义示例
#include <iostream>

class Rectangle {
private:
    int width;
    int height;
public:
    Rectangle(int w, int h) : width(w), height(h) {}
    int area() {
        return width * height;
    }
};

int main() {
    Rectangle rect(3, 4);
    std::cout << "Area: " << rect.area() << std::endl;
    return 0;
}

C 语言没有类的概念，使用结构体来组织数据，但结构体中不能包含成员函数。

// C 语言结构体示例
#include <stdio.h>

typedef struct {
    int width;
    int height;
} Rectangle;

int area(Rectangle rect) {
    return rect.width * rect.height;
}

int main() {
    Rectangle rect = {3, 4};
    printf("Area: %d\n", area(rect));
    return 0;
}

②对象创建

C++ 可以使用构造函数来初始化对象，并且支持多种对象创建方式，如栈上创建和堆上创建。

// C++ 对象创建示例
#include <iostream>

class Circle {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() {
        return 3.14 * radius * radius;
    }
};

int main() {
    // 栈上创建对象
    Circle circle1(2.0);
    std::cout << "Circle 1 area: " << circle1.area() << std::endl;

    // 堆上创建对象
    Circle* circle2 = new Circle(3.0);
    std::cout << "Circle 2 area: " << circle2->area() << std::endl;
    delete circle2;

    return 0;
}

在 C 语言中，使用结构体时需要手动初始化成员变量。

6.2 成员访问和方法调用语句

6.2.1 成员访问

C++ 可以使用 . 和 -> 运算符访问类的成员，同时还可以通过成员函数访问私有成员。

// C++ 成员访问示例
#include <iostream>

class Person {
private:
    std::string name;
public:
    Person(const std::string& n) : name(n) {}
    std::string getName() {
        return name;
    }
};

int main() {
    Person person("John");
    std::cout << "Name: " << person.getName() << std::endl;

    Person* personPtr = &person;
    std::cout << "Name: " << personPtr->getName() << std::endl;

    return 0;
}

C 语言使用 . 和 -> 运算符访问结构体成员，但没有私有成员的概念。

6.2.2 方法调用

C++ 的成员函数可以使用 this 指针来引用当前对象，并且支持虚函数和多态。 

// C++ 方法调用和多态示例
#include <iostream>

class Shape {
public:
    virtual void draw() {
        std::cout << "Drawing a shape." << std::endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
    }
};

void drawShape(Shape& shape) {
    shape.draw();
}

int main() {
    Circle circle;
    drawShape(circle);
    return 0;
}

C 语言没有多态和虚函数的概念。

七、异常处理语句差异

7.1 C 语言的错误处理

C 语言通常使用返回值来表示错误，调用者需要检查返回值来判断函数是否执行成功。

// C 语言错误处理示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int divide(int a, int b, int* result) {
    if (b == 0) {
        return -1; // 表示错误
    }
    *result = a / b;
    return 0; // 表示成功
}

int main() {
    int result;
    int status = divide(10, 0, &result);
    if (status == -1) {
        printf("Error: division by zero!\n");
    } else {
        printf("Result: %d\n", result);
    }
    return 0;
}

7.2 C++ 的异常处理

C++ 引入了异常处理机制，使用 try、catch 和 throw 关键字来处理异常。

// C++ 异常处理示例
#include <iostream>

int divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        throw "Division by zero!";
    }
    return a / b;
}

int main() {
    try {
        int result = divide(10, 0);
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    } catch (const char* msg) {
        std::cout << "Error: " << msg << std::endl;
    }
    return 0;
}

八、总结

C++ 在兼容 C 语言语句的基础上，引入了众多新特性，如函数重载、默认参数、类和对象、异常处理等，使得 C++ 在表达能力和灵活性上有了很大的提升。这些新特性能够更方便地编写复杂的程序，提高代码的可维护性和可扩展性。然而，C 语言由于其简洁性和高效性，在一些对性能要求极高的场景中仍然有着广泛的应用。开发者可以根据具体的需求选择合适的编程语言。

对比点	C 语言	C++
条件语句	基本语法简单，条件表达式较单一	支持更复杂条件表达式，如类对象布尔转换
循环语句	传统 for、while、do - while 循环	增加范围 for 循环，可方便遍历容器
函数定义	函数名唯一，不支持重载和默认参数	支持函数重载和默认参数
函数调用	普通函数调用	支持函数对象调用
类和对象	无类概念，用结构体组织数据	引入类，有访问控制和多态等特性
异常处理	通过返回值判断错误	引入 try - catch - throw 异常处理机制

九、参考资料

•  《C++ Primer（第 5 版）》这本书是 C++ 领域的经典之作，对 C++ 的基础语法和高级特性都有深入讲解。
• 《Effective C++（第 3 版）》书中包含了很多 C++ 编程的实用建议和最佳实践。
• 《C++ Templates: The Complete Guide（第 2 版）》该书聚焦于 C++ 模板编程，而using声明在模板编程中有着重要应用，如定义模板类型别名等。
• C++ 官方标准文档：C++ 标准文档是最权威的参考资料，可以查阅最新的 C++ 标准（如 C++11、C++14、C++17、C++20 等）文档。例如，ISO/IEC 14882:2020 是 C++20 标准的文档，可从相关渠道获取其详细内容。
• cppreference.com：这是一个非常全面的 C++ 在线参考网站，提供了详细的 C++ 语言和标准库文档。
• LearnCpp.com：该网站提供了系统的 C++ 教程，配有丰富的示例代码和清晰的解释，适合初学者学习和理解相关知识。

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