基础知识

我们要做的第一件事儿，

就是把律师统统杀光。

—— 《亨利六世》（中）¹

1.1 导言

本章将简略地呈现C++的文法、内存模型和计算模型，和把代码组织成程序的基本机制。这部分语言特性所支持的编程风格常见于 C，也被称为过程式编程（procedural programming）。

1.2 程序

C++是种编译型语言。要运行一个程序，其源文本需要通过编译器处理，生成一些目标文件，再经链接器组合后给出一个可执行文件。一个典型的C++程序要使用多个源代码文件（通常简称为源文件(source files)）生成。

可执行文件针对特定的硬件/操作系统组合而生成，不可移植，比方说，不能从 Mac系统拿到 Windows系统上运行。当我们说到 C++ 程序的可移植性时，一般是在说源代码的可移植性；就是说，这份源码可以在多个系统上被编译并运行。

ISO C++ 标准定义了两类东西：

语言核心特性(core language features)，诸如内置的类型（例如 char 和 int）以及循环（例如 for-语句和 while-语句）
标准库组件(standard-library components)，诸如容器（例如 vector 和 map）以及 I/O 操作（例如 << 和 getline()）

标准库组件完全是普通的 C++ 代码，由具体的 C++ 实现提供。换句话说， C++ 标准库可以且确实是用 C++ 自身 (包括少量的机器语言代码，用于线程上下文切换等功能)实现的。这意味着，对多数需求严苛的系统编程而言，C++ 具有足够的表达能力和效率。

C++ 是静态类型语言。就是说，任何一个东西（例如对象、值、名称和表达式）被用到的时候，编译器都必须已经知晓其类型。对象的类型确定了可施加操作的集合。

1.2.1 Hello, World!

最小的 C++ 程序是

int main(){}    // 最小的 C++ 程序

这定义了一个名为main的函数，它不接受参数，也不执行任何操作。

花括号{}，在 C++ 中表示结组。在此处，它标示了函数体的起止点。双斜杠，//，发起一个注释并延续至行尾。注释是供人阅读的，编译器忽略所有注释。

每个 C++ 程序必须有且只有一个名为main()的全局函数。整个程序由该函数开始执行。如果main()返回了任何int整数值，该值被返回给“系统”。如果没有返回值，系统会接收到一个值，表示执行成功。 main()返回的非零值表示出错。并非所有操作系统和执行环境都会用到这个返回值。基于 Linux/Unix 的环境用它，而基于 Windows 的环境几乎不用。

一般来说，程序会有些输出，以下程序写出Hello, World!：

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Hello, World!\n";
}

#include <iostream>这行告诉编译器，在iostream中查找标准输入输出流相关的声明，并把它们包含（include）进来。如果缺少了这些声明，以下表达式

std::cout << "Hello, World!\n"

就无效了。操作符<<(“输向”)把它的第二个参数写入第一个。在本例中，字符串文本(string literal)"Hello, World!\n" 被写入到标准输出流std::cout上。字符串文本是由双引号包围的一连串字符。在字符串文本中，反斜杠\后跟一字符共同表示一个“特殊字符”。在这里，\n是换行符，所以写出的字符是Hello, World!紧跟一个换行。

std::指出名称cout需要在标准库（standard-library）命名空间（§3.4）中查找。我在谈论标准功能的时候通常略掉std::； §3.4 里展示了一个方法，无需显式指出命名空间名，就可以让其中的名称可见。

一般来说，所有的可执行代码都会被置于函数中，再由main()函数直接或者间接地调用，例如：

#include <iostream>         // 包含（“引入”）I/O 流程序库的声明

using namespace std;        // 让std里的名称无需使用 std:: 就可见 (§3.4)

double square(double x)     // 计算一个双精度浮点数的平方
{
    return x*x;
}

void print_square(double x)
{
    cout << "the square of " << x << " is " << square(x) << "\n";
}

int main()
{
    print_square(1.234);    // 打印：the square of 1.234 is 1.52276
}

如果“返回类型”为void，表示该函数不返回任何值。

1.3 函数

如果在 C++ 程序里要做一件事，主要的方式是调用某个函数去执行它。定义函数就是指定某个操作怎样被执行。除非事先声明过，否则函数无法被调用。

函数声明给出了该函数的名称、返回值类型（如果有的话）、以及调用它时必须提供的参数数量和类型。例如：

Elem* next_elem();      // 不接受参数；返回指向 Elem 的指针（一个 Elem*）
void exit(int);         // int 参数；无返回值
double sqrt(double);    // double 参数；返回一个 double

在函数声明中，返回值出现在名称前面，参数类型被括在小括号里，跟在名称后面。

参数传递的语法跟初始化（§3.6.1）的语法一致。就是说，会检查参数类型，在必要的时候会对参数进行隐式类型转换（§1.4）。例如：

double s2 = sqrt(2);        // 以 double 类型参数 double{2} 调用 sqrt()
double s3 = sqrt("three");  // 错误：sqrt() 要求参数类型为 double

编译期类型检查和类型转换的价值至关重要。

函数声明中可以包含参数名。这对程序的读者有益，但除非该声明同时也是函数定义，编译器将忽略这些参数名。例如：

double sqrt(double d); // 返回 d 的平方根
double square(double); // 返回参数的平方

函数的类型包含返回值类型和参数类型序列。例如：

double get(const vector<double>& vec, int index); // 类型： double(const vector<double>&,int)

函数可以作为类（§2.3, §4.2.1）的成员。对于成员函数（member function）来说，类名也是该函数类型的组成部分。例如：

char& String::operator[](int index); // 类型： char& String::(int)

我们希望代码可读性好，因为这是可维护性的前提。而可读性的前提是，将运算任务拆分成有意义的小块（体现为函数和类），并为其命名。如同类型（内置类型和用户定义类型）为数据提供基本的词汇表那样，函数为运算提供词汇表。 C++ 标准算法（例如 find, sort 和 iota）开了个好头。然后，我们可以编排函数，把通用或专用的作业表示成更大型的运算任务。

代码的报错数量跟代码的量和复杂度有关。这两个问题都可以通过更多、更简短的函数来解决。使用函数完成一项特定任务，总是能搭救我们，避免在其它代码中再敲入一段特定的代码；创建函数会促使我们给一个行为命名并给它单独创建文档。

如果两个函数以同样的名称定义，但使用不同的参数类型，编译器将选用最恰当的函数调用。例如：

void print(int);    // 接收一个整型参数
void print(double); // 接收一个浮点型参数
void print(string); // 接收一个 string 参数

void user()
{
    print(42);          // 调用 print(int)
    print(9.65);        // 调用 print(double)
    print("Barcelona"); // 调用 print(string)
}

如果有两个备选函数可供调用，但都不优于另一个，此次调用将被判定为具有二义性，编译器会报错。例如：

void print(int,double);
void print(double,int);

void user2()
{
    print(0,0); // 错误：二义性
}

多个同名函数的定义被称为函数重载（function overloading），是泛型编程(§7.2)的重要组成部分。当函数被重载，所有同名函数应当具有相同的语义。 print()函数就是这样的示例；每个print()函数都打印其参数。

1.4 类型，变量和算术运算

所有的名称、表达式都具有类型，以确定可执行的运算。例如，声明

int inch;

指出，inch的类型是int；也就是说，inch是个整数变量。

声明（declaration） 是把一个实体引入程序的语句。它规定了这个实体的类型：

类型（type） 规定了一组可能的值和一组（针对对象的）运算
对象（object） 是一块内存，其中承载某种类型的值
值（value） 是一些二进制位，其含义由某个类型规定
变量（variable） 是一个具名对象

C++ 提供了一小撮基本类型，既然我并非组织学家，也就不把它们全部逐一列出了。如果需要完整列表，可以求助参考资料，例如网络上的 [Stroustrup,2013] 或者 [Cppreference]。举几个例子：

bool        // 布尔类型，可能的值是 true 和 false
char        // 字符，例如：'a'、'z' 和 '9'
int         // 整数，例如：-273、42、和 1066
double      // 双精度浮点数，例如：-273.15、3.14 和 6.626e-34
unsigned    // 非负整数，例如：0、1、和 999 (用于逻辑位运算)

每个基本类型都直接对应于硬件结构，其容量是固定的，该容量决定了其中存储的值的取值范围。

char类型变量，在给定的机器上是保存一个字符的自然大小（通常是个8比特位的字节），其余类型的容量都是char的整数倍。类型的容量是实现定义的（就是说，在不同的机器上可以不一样），可使用sizeof运算符获取；例如： sizeof(char) 等于 1，sizeof(int) 则通常是4。

数字可以是浮点数或者整数。

浮点数通过小数点识别（如：3.14）或者使用科学计数法（如：3e-2）。
整数文本默认是十进制（如：42的意思是四十二）。前缀0b表示二进制（基数是2）整数文本（如：0b10101010）。前缀0x表示十六进制（基数是16）整数文本（如：0xBAD1234）。前缀0表示八进制（基数是8）整数文本（如：0334）。

为提高长文本的可读性，可以使用单引号（'）作为数字分隔符。例如：π 大概是 3.14159'26535'89793'23846'26433'83279'50288，如果用十六进制就是 0x3.243F'6A88'85A3'08D3。

1.4.1 算术运算

算术运算符可以对基本类型进行适当的组合：

x+y     // 加法（plus）
+x      // 一元加（unary plus）
x-y     // 减法（minus）
-x      // 一元减（unary minus）
x*y     // 乘法（multiply）
x/y     // 除法（divide）
x%y     // 对整数取余(取模)（remainder(modulus)）

比较运算符也是这样：

x==y    // 相等（equal）
x!=y    // 不等（not equal）
x<y     // 小于（less than）
x>y     // 大于（greater than）
x<=y    // 小于等于（less than or equal）
x>=y    // 大于等于（greater than or equal）

除此之外，还提供了逻辑运算符：

x&y     // 按位与（bitwise and）
x|y     // 按位或（bitwise or）
xˆy     // 按位异或（bitwise exclusive or）
~x      // 取补（bitwise complement）
x&&y    // 逻辑与（logical and）
x||y    // 逻辑或（logical or）
!x      // 逻辑非(否定)（logical not(negation)）

按位的逻辑运算，其结果的类型与操作数一致，值是对每个对应的位进行运算的结果。逻辑运算符&& 和 || 依据操作数的值仅返回 true 或 false。

在赋值和算术运算中，C++ 会为操作数在基本类型之间执行任何有意义的转换，以便它们可以任意混合：

void some_function()    // 函数不返回任何值
{
    double d = 2.2;     // 初始化浮点数
    int i = 7;          // 初始化整数
    d = d+i;            // 把和赋值给d
    i = d*i;            // 把积赋值给i；注意：double类型的 d*i 被截断为一个 int
}

表达式里用到的转换被称为常规算术转换（the usual arithmetic conversions），旨在确保按操作数中最高的精度执行表达式运算。比如说，double 和 int 的加法运算，以双精度浮点数算术执行。

请留意，= 是赋值运算符，而 == 是进行相等性判定。

除了传统的算术和逻辑运算符，C++ 还提供了专门的运算符用于修改变量：

x+=y    // x = x+y
++x     // 自增： x = x+1
x-=y    // x = x-y
--x     // 自减： x = x-1
x*=y    // 倍增 x = x*y
x/=y    // 倍缩 x = x/y
x%=y    // x = x%y

这些运算符简明、便利，用得很频繁。

表达式的估值顺序是从左至右，赋值除外，它是从右到左。很不幸，函数参数的估值顺序是未指定。

1.4.2 初始化

在某个对象被使用之前，必须给定一个值。 C++ 有多种初始化方法，比如上面用到的 =，还有一种通用形式，基于花括号内被隔开的初值列表：

double d1 = 2.3;                // d1 初始化为 2.3
double d2 {2.3};                // d2 初始化为 2.3
double d3 = {2.3};              // d3 初始化为 2.3（使用 { ... } 时，此处的 = 可有可无）
complex<double> z = 1;          // 一个复数，使用双精度浮点数作为标量
complex<double> z2 {d1,d2};
complex<double> z3 = {d1,d2};   // （使用 { ... } 时，此处的 = 可有可无）

vector<int> v {1,2,3,4,5,6};    // 一个承载 int 的 vector

= 是传统形式，可追溯至C语言，但如果你拿不准，请使用 {}-列表这种通用形式。最起码，在涉及信息损失的类型转换时，它不会袖手旁观。

int i1 = 7.8; // i1 的值将是 7 （惊不惊喜，意不意外？）
int i2 {7.8}; // 错误：浮点数向整数转换

很不幸，缩窄转换（narrowing conversion） 这种有损信息的形式，比如double到int以及int到char，在使用=（而非{}）的时候，会被默许并悄无声息地进行。这种由隐式缩窄转换导致的问题，是对C语言向后兼容(§16.3)的代价。

常量(§1.6)必须初始化，变量也只该在极罕见的情况下不初始化。在准备好合适的值以前，别引入这个名称。对于用户定义的类型（比如string、vector、Matrix、 Motor_controller以及Orc_warrior）可将其定义为隐式初始化(§4.2.1)。

定义变量时，如果可以从初始值中推导出类型，就无需明确指定：

auto b = true;      // bool类型
auto ch = 'x';      // char类型
auto i = 123;       // int类型
auto d = 1.2;       // double类型
auto z = sqrt(y);   // 无论sqrt(y)返回什么类型，z都被指定为该类型
auto bb {true};     // bb是bool类型

使用auto的情况下，我们往往用=，因为不涉及类型转化的隐患，如果你更青睐{}初始化，但用无妨。

没有特定原因去指明类型时，就可以用auto，“特定原因”包括：

如果该定义处在较大的作用域中，希望其类型对阅读源码读的人一目了然。
希望明确规定变量的取值范围或精度（比方说，想用double，而非float）。

运用auto，可以避免冗余，也不用敲很长的类型名。在泛型编程中这尤为重要，这种情况下，对象的确切类型难于知晓，而且类型名可能还特别长(§12.2)。

1.5 作用域和生命期

声明会把其名称引入到某个作用域：

局部作用域（local scope）：声明在函数(§1.3)或lambda表达式(§6.3.2)内部的名称，被称为局部名称（local name）。它的作用域从声明的位置，延续到其声明所驻的代码块末尾。 代码块（block）由一对{}界定。函数参数的名称也被视为局部名称。
类作用域（class scope）：定义在类(§2.2、§2.3、第4章)中，且在任何函数(§1.3)、 lambda表达式(§6.3.2)和enum类(§2.5)之外的名称，被称为成员名称（member name）——也叫类成员名称（class member name）。其作用域从容纳它的类声明的左花括号{开始，到这个类声明的末尾。
命名空间作用域（namespace scope）：如果名称被定义在一个命名空间（namespace）(§3.4)里，且在任何函数(§1.3)、 lambda表达式(§6.3.2)、类(§2.2、§2.3、第4章)、和enum类(§2.5)之外，就称之为命名空间成员名称（namespace member name）。其作用域从声明所在位置开始，直至命名空间结尾。

未定义于任何其它结构内的名称，被称作全局名称（global name），位于全局命名空间（global namespace）中。

此外，某些对象可以不具名，例如临时变量，以及通过new创建的对象。例如：

vector<int> vec;    // vec是全局的（一个承载整数的全局 vector）

struct Record {
    string name;    // name 是Record的成员（string类型成员）
    // ...
};

void fct(int arg)   // fct是全局的（全局函数）
                    // arg是局部的（一个整数参数）
{
    string motto {"Who dares wins"};    // motto 是局部的
    auto p = new Record{"Hume"};        // p指向一个不具名Record（通过 new 创建）
    // ...
}

对象在使用前必须先被构造（初始化），并将在其作用域末尾被销毁。对于命名空间中的对象，其销毁的时间点位于程序的终止。对成员来说，其销毁的时间点，由持有它的对象的销毁时间点确定。经由new创建的对象，将“存活”至被delete(§4.2.2)销毁为止。

1.6 常量

关于不可变更，C++有两种概念：

const：相当于“我保证不会修改这个值”。它主要用于指定接口，对于通过指针以及引用传入函数的数据，无需担心其被修改。编译器为const作出的“保证”担保。一个const的值可在运行期间得出。

constexpr：相当于“将在编译期估值”。它主要用于定义常量，指定该数据被置于只读内存（在这里被损坏的几率极低）中，并且在性能方面有益。 constexpr的值必须由编译器算出。

例如：

constexpr int dmv = 17;             // dmv是个具名常量
int var = 17;                       // var不是常量
const double sqv = sqrt(var);       // sqv是个具名常量，很可能要在运行时得出

double sum(const vector<double>&);  // sum不会修改其参数(§1.7)

vector<double> v {1.2, 3.4, 4.5};   // v不是一个常量
const double s1 = sum(v);           // OK：sum(v)将在运行期估值
constexpr double s2 = sum(v);       // 报错：sum(v)不是常量表达式

如果函数要在常量表达式（constant expression）中使用，就是说，用在由编译器估值的表达式里，则必须用constexpr定义。例如：

constexpr double square(double x) { return x*x; }

constexpr double max1 = 1.4*square(17);     // OK 1.4*square(17) 是常量表达式
constexpr double max2 = 1.4*square(var);    // 报错：var不是常量表达式
const double max3 = 1.4*square(var);        // OK，可在运行时估值

constexpr函数可以用于非常量的参数，但此时其结果就不再是常量表达式。对于constexpr函数，在无需常量表达式的语境里，就可以用非常量表达式参数调用它。如此一来，就不必把本质上相同的函数定义两遍：一遍用于常量表达式，另一遍用于变量。

要成为constexpr，函数必须极其简单，且不能有副作用，且只能以传入的数据作为参数。尤其是，它不能修改非局部变量，但里面可以有循环，以及它自己的局部变量。例如：

constexpr double nth(double x, int n)   // 假定 n>=0
{
    double res = 1;
    int i = 0;
    while (i<n) {   // while-循环：在条件为真时执行(§1.7.1)
        res*=x;
        ++i;
    }
    return res;
}

在某些场合下，语言规则强制要求使用常量表达式（比如：数组界限(§1.7)、 case标签(§1.8)、模板的值参数(§6.2)，以及用constexpr定义的常量）。其它情况下，编译期估值都侧重于性能方面。抛开性能问题不谈，不变性（状态不可变更的对象）是一个重要的设计考量。

1.7 指针、数组及引用

最基本的数据集合是：一串连续分配的，相同类型元素的序列，被称为数组（array）。它基本脱胎于硬件。char类型元素的数组可以这样定义：

char v[6];  // 6个字符的数组

与之相似，指针的定义是这样：

char* p;    // 指向字符的指针

在声明里，[]的意思是“什么什么的数组”，而*的意思是“指向什么什么东西”。所有数组都以0作为下界，所以v有六个元素，从v[0]到v[5]。数组容量必须是常量表达式(§1.6)。指针变量可持有相应类型对象的地址：

char* p = &v[3];    // p指向v的第四个元素
char x = *p;        // *p是p指向的对象

在表达式里，一元前置运算符*的意思是“什么什么的内容”，而一元前置运算符&的意思是“什么什么的地址”。我们可以把前面初始化定义的结果图示如下：

思考一下，从一个数组里复制十个元素到另一个：

void copy_fct()
{
    int v1[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    int v2[10];                 // 将成为v1的副本

    for (auto i=0; i!=10; ++i)  // 复制所有元素
        v2[i]=v1[i];
    // ...
}

for-语句可读作“把i置零；在i不等于10的时候，复制第i个元素并把i增1。” 自增运算符++应用在整数或浮点数变量上时，简单地给变量加1。 C++还提供一个简化的 for-语句，名为区间-for-语句，是遍历序列最简单的方式：

void print()
{
    int v[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

    for (auto x : v)        // 针对v中的每个x
        cout << x << '\n';

    for (auto x : {10,21,32,43,54,65})
        cout << x << '\n';
    // ...
}

第一个区间-for-语句可读作“对于v的每个元素，从头至尾，复制进x并打印它。” 请留意，以列表初始化数组的时候，无需为它指定界限。区间-for-语句可用于任何的元素序列(§12.1)。

若不想把v中的值复制到变量x，而是仅让x引用一个元素，可以这么写：

void increment()
{
    int v[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

    for (auto& x : v)   // 为v里的每个x加1
        ++x;
    // ...
}

在声明中，一元前置运算符&的意思是“引用到什么什么”。引用和指针类似，只是在访问引用指向的值时，无需前缀*。此外，在初始化之后，引用无法再指向另一个对象。

在定义函数参数时，引用就特别有价值。例如：

void sort(vector<double>& v);   // 把v排序（v是个承载double的vector）

通过引用，我们确保了在调用sort(my_vec)的时候，不会复制my_vec，并且被排序的确实是my_vec，而非其副本。

想要不修改参数，同时还避免复制的开销，可以用const引用(§1.6)。例如：

double sum(const vector<double>&)

接收const引用参数的函数很常见。

运算符（例如&、*及[]）用在声明中的时候，被称为声明运算符（declarator operator）：

T a[n]  // T[n]: 具有n个T的数组
T* p    // T*: p是指向T的指针
T& r    // T&: r是指向T的引用
T f(A)  // T(A): f是个函数，接收一个A类型的参数，返回T类型的结果

1.7.1 空指针

我们尽量确保指针总是指向一个对象，以便解引用操作合法。当没有对象可指，或我们想表达“不存在有效对象”（比如：列表的终结）的概念时，就让指针的值为nullptr（空指针）。仅有一个nullptr，供所有指针类型共享：

double* pd = nullptr;
Link<Record>* lst = nullptr;    // 指向承载Record的Link
int x = nullptr;                // 报错：nullptr是指针而非整数

检查指针参数，以确保其有所指，小心驶得万年船：

int count_x(const char* p, char x)
    // 统计p[]中出现x的次数
    // 假定p指向 以零结尾 的字符数组（或者不指向任何对象）
{
    if (p==nullptr)
        return 0;
    int count = 0;
    for (; *p!=0; ++p)
        if (*p==x)
            ++count;
    return count;
}

请留意，可以用++递增指针，使其指向数组的下一个元素；以及，在用不到的时候，for-语句的初始化部分可以留空。

在count_x()的定义里，假定了这个char*是一个 C-风格字符串（C-style string），就是说，该指针指向一个以零结尾的char数组。字符串文本中的字符是不可变的，为了能处理count_x("Hello!")，我给count_x()声明了const char*参数。

在老式代码里，通常用0或NULL，而非nullptr。但是，采用nullptr，可以消除整数（比如0或NULL）和指针（比如nullptr）之间的混淆。

在count_x()的例子中，没使用for语句的初始化部分，因此可以用更简单的while-语句：

int count_x(const char* p, char x)
    // 统计p[]中出现x的次数
    // 假定p指向 以零结尾 的字符数组（或者没有指向）
{
    if (p==nullptr)
        return 0;
    int count = 0;
    while (*p) {
        if (*p==x)
            ++count;
        ++p;
    }
    return count;
}

while-语句会一直执行到其条件变成false为止。

对数值的判定（比如count_x()里的while(*p)），等同于将其与0比较（也就是while(*p!=0)）。对指针指的判定（比如if(p)），等同于将其与nullptr比较（也就是if(p!=nullptr)）。

不存在“空引用”。引用必须指向有效的对象（并且编译器的实现假定是这样）。有些隐晦的小聪明可以绕过这些规则；别那么干。

1.8 判定

C++有一套传统的语句表达选择和循环，诸如if-语句、switch-语句、while-语句、for-语句。举个例子，这有个很简单的函数，它向用户提问，并返回一个布尔值表示用户的反馈：

bool accept()
{
    cout << "Do you want to proceed (y or n)?\n";   // 输出问题
    char answer = 0;                                // 初始化一个值，无需显示
    cin >> answer;                                  // 读取回应
    if (answer == 'y')
        return true;
    return false;
}

跟输出运算符<<（“输至”）配对，运算符>>（“取自”）用于输入； cin是标准输入流（第10章）。 >>右操作数的类型决定可接受的输入内容，这个右操作数也是输入操作的收货方。待输出字符串末尾的字符\n表示另起一行(§1.2.1)。

请留意，answer定义在被需要的地方（而非更靠前的位置）。声明能够出现在任何可以出现语句的地方。

可以改良此例，让它也接收一个n（代表“no”）作为回应：

bool accept2()
{
    cout << "Do you want to proceed (y or n)?\n";   // 输出问题
    char answer = 0;                                // 初始化一个值，无需显示
    cin >> answer;                                  // 读取回应

    switch (answer) {
    case 'y':
        return true;
    case 'n':
        return false;
    default:
        cout << "I'll take that for a no.\n";
        return false;
    }
}

switch-语句把一个值跟一组常量进行比较。这些常量被称为case-标签，必须互不相同，如果该值与其中任何一个常量都不匹配，就执行default。如果值不匹配任何case-标签，又没有default，就什么都不做。

如果一个函数里有switch-语句，在从该函数返回的时候，可以不退出case。我们通常要继续执行switch-语句后续的内容。这可以使用break语句实现。举个例子，这是个电子游戏的命令解析器，略原始，还有点小聪明：

void action()
{
    while (true) {
        cout << "enter action:\n";  // 询问动作
        string act;
        cin >> act;                 // 把字符串读入一个string
        Point delta {0,0};          // Point里存有一个{x,y}对

        for (char ch : act) {
            switch (ch) {
            case 'u':   // 上（up）
            case 'n':   // 北（north）
                ++delta.y;
                break;
            case 'r':   // 右（right）
            case 'e':   // 东（east）
                ++delta.x;
                break;
            // ... more actions ...
            default:
                cout << "I freeze!\n";
            }
            move(current+delta*scale);
            update_display();
        }
    }
}

与for-语句(§1.7)类似，if-语句接收一个值并对它判定。例如：

void do_something(vector<int>& v)
{
    if (auto n = v.size(); n!=0) {
        // ... 如果 n!=0 就走到这 ...
    }
    // ...
}

此处的整数n的定义仅在if-语句内使用，以v.size()初始化，并立即由分号后的条件n!=0进行判定。在条件中声明的名称，其作用域同时囊括了if-语句的两个分支。

与for-语句的情况相同，把名称声明在if-语句的条件中，目的是限制变量的作用域以提升可读性，并减少错误发生。

最常见的情况是针对0（或nullptr）判定变量。这种情况下，无需明确提及判定条件。例如：

void do_something(vector<int>& v)
{
    if (auto n = v.size()) {
        // ... 如果 n!=0 就走到这 ...
    }
    // ...
}

请尽可能采用这种简洁的形式。

1.9 映射至硬件

C++ 提供到硬件的直接映射。当你用到基础运算，其操作由硬件执行，通常是单个的机器操作。例如把两个int相加，x+y执行一条整数加法的机器指令。

C++编译器实现把机器的内存视为一连串的存储位置，可向其中放置（带类型的）对象，并可用指针对其寻址：

指针在内存里以机器地址表示，所以图中p的数值会是3。如果这看起来像数组(§1.7)，那是因为在C++中，数组就是对“内存中一连串对象”的抽象。

这种基本语言构件向硬件的映射，对底层性能至关重要，数十年来，C和C++就是闻名于斯。 C和C++的基本机器模型基于计算机硬件，而非某种数学概念。

1.9.1 赋值

内置类型的赋值就是简单的机器复制操作。例如：

int x = 2;
int y = 3;
x = y; // x 变成 3
// 注意： x==y

显而易见。可以图示如下：

注意，两个对象是独立的。可以修改y的值却不牵连x。比如x=99并不会修改y的值。这一点对所有类型都成立，不仅仅是int，这跟Java、C#以及其它语言不同，但和C语言一样。

如果想让不同的对象指向相同（共享）的值，必须明确指出。可以用指针：

int x = 2;
int y = 3;
int* p = &x;
int* q = &y;    // 现在 p!=q 且 *p!=*q
p = q;          // p 成了 &y； 现在 p==q，因此（很明显）*p == *q

可图示如下：

用88和92作为int的地址，是随便选的。与前例相同，可见赋值目标获得了赋值源的值，结果是两个独立的对象（此处都是指针），具有相同的值。就是说p=q导致p==q。执行p=q后，两个指针都指向y。

引用和指针都指引向/指向对象，而且在内存里都表现为机器地址。但是在语言规则里，二者的使用形式不同。向一个引用赋值，不会改变它引用的目标，而是会给它引用的对象赋值：

int x = 2;
int y = 3;
int& r = x;     // r 引用向 x
int& r2 = y;    // 现在r2引用向 y
r = r2;         // 经由r2读取,通过r写入：x变成3

可图示如下：

想要访问指针指向的值，需要借助*；但访问引用所指的值却是自动（隐式）的。

对于所有内置类型，以及设计良好 ——提供=（赋值）和==（相等判定）——的用户定义类型（第2章），执行过x=y后，都会得到x==y。

1.9.2 初始化

初始化和赋值不一样。一般来说，想要让赋值操作正确运行，被赋值对象必须已经有一个值。另一边，初始化的任务是让一块未初始化过的内存成为一个有效的对象。对绝大多数类型来说，针对未初始化变量的读取和写入都是未定义的（undefined）。对于内置类型，这在引用身上尤其明显：

int x = 7;
int& r {x}; // 把r绑定到x上（r引用向x）
r = 7;      // 不论r引用向什么，给它赋值
int& r2;    // 报错：未初始化引用
r2 = 99;    // 不论r2引用向什么，给它赋值

很幸运，不存在未初始化的引用；如果能，那么r2=99就会把99赋值给某个不确定的内存位置；其结果会导致故障或者崩溃。

=可用于初始化引用，但千万别被它搞糊涂了。例如：

int& r = x; // 把r绑定到x上（r引用向x）

这依然是初始化r，并把它绑定到x上，而不涉及任何的值复制操作。

初始化和赋值的区别，对很多用户定义的类型 ——比如string和vector——而言同样极度重要，在这些类型中，被赋值的对象拥有一份资源，该资源最终将被释放(§5.3)。

参数传递和返回值返回的基本语义是初始化(§3.6)。举例来说，传引用（pass-by-reference）就是这么实现的。

1.10 忠告

此处的忠告是 C++ Core Guidelines [Stroustrup,2015] 的子集。以类似 [CG: ES.23]的形式引用向核心指南，其意思是 Expressions and Statement 章节的第23条规则。通常，核心指南提供更深入的理论和用例。

[1] 别慌！船到桥头自然直；§1.1; [CG: In.0]。
[2] 不要专门或单独使用内置特性。恰恰相反，基本（内置）特性，最好借助程序库间接使用，比方说 ISO C++ 标准库（第8-15章）；[CG: P.10]。
[3] 想写出好程序，不必对C++掌握到巨细靡遗。
[4] 把力气用在编程技术上，别死磕语言特性。
[5] 有关语言定义相关问题的最终解释，请参考 ISO C++ 标准；§16.1.3; [CG: P.2]。
[6] 把有用的操作“打包”成函数，再取个好名字；§1.3; [CG: F.1]。
[7] 函数应当仅具有单一的逻辑功能；§1.3; [CG: F.2]。
[8] 保持函数简短；§1.3; [CG: F.3]。
[9] 当函数针对不同类型执行同样概念的操作时，请采用重载；§1.3。
[10] 当函数可能在编译期估值时，用constexpr声明它；§1.6; [CG: F.4]。

[11] 去理解基本语义向硬件的映射；§1.4, §1.7, §1.9, §2.3, §4.2.2, §4.4。
[12] 用数字分隔符为大文本值提高可读性；§1.4; [CG: NL.11]
[13] 不要使用复杂表达式；[CG: ES.40]
[14] 不要使用导致范围缩小的类型转换；§1.4.2; [CG: ES.46]
[15] 尽量让变量的作用域保持最小；§1.5
[16] 不要使用“魔数”；使用符号常量；§1.6; [CG: ES.45]。
[17] 尽量用不可变更的数据；§1.6; [CG: P.10]。
[18] 每个声明里有（且仅有）一个名称；[CG: ES.10]
[19] 保持常见和局部名称简短，让不常见和非局部名称长一些；[CG: ES.7]。
[20] 不要使用形似的名称；[CG: ES.8]。
[21] 不要使用全大写（ALL_CAPS）名称；[CG: ES.9]。
[22] 在提及类型的声明里，尽量用{}-初始化语法；§1.4; [CG: ES.23]。
[23] 使用auto以避免重复输入类型名；§1.4.2; [CG: ES.11]。
[24] 尽量别弄出来未初始化的变量；§1.4; [CG: ES.20]。
[25] 尽量缩小作用域；§1.5; [CG: ES.5]。
[26] 如果在if-语句的条件中定义变量，尽量采用针对0的隐式判定；§1.8。
[27] 仅在涉及位操作时，使用unsigned；§1.4; [CG: ES.101] [CG: ES.106]。
[28] 确保对指针的使用简单且直白；§1.7; [CG: ES.42]。
[29] 用nullptr，而非0或NULL；§1.7; [CG: ES.47]。
[30] 在有值去初始化它之前，别声明变量；§1.7, §1.8; [CG: ES.21]。
[31] 别给直观的代码写注释； [CG: NL.1]。
[32] 用注释阐释意图；[CG: NL.2]。
[33] 保持缩进风格一致；[CG: NL.4]。

¹. 出自外语教学与研究出版社 2015年10月出版的《亨利六世中：英汉对照》由覃学岚译。 —— 译者注 ↩

1 基础知识