C++ 入门：导言

入门测评

在学习本单元之前，先测一测自己的起点是有益的。这项测评是自我测评：不计分，唯一的目的是为学习指引方向。由于这是本课程的第一单元，所以没有关于前面单元的题目；取而代之的是，前三道题检查课程假定已有的知识：整数除法的商和余数、一个过程中各步骤的顺序，以及文件的名称、扩展名和所在文件夹。其后的七道题按顺序涉及本单元六节课的核心思想。从未编过程序的人不必指望答对，这也无妨：每个答案，无论对错，都会解释要点，并指出讲解这一要点的那节课。同样的能力会在单元末尾的总结课中再次测量。

本单元的内容

本单元有六节课，它们按顺序走过从一个问题到一个能正常工作的程序的道路。每节课都以在它之前的那节课为前提，而第一节课不以语言的任何知识为前提。

• 从问题到算法。课程从没有代码的地方开始，因为算法先于程序。这节课教人用输入、输出以及两者之间的关系（前置条件和后置条件）来规约一个问题；用编号步骤毫不含糊地描述算法；借助跟踪表手工执行算法；在算法中认出顺序、选择和重复；并借助一个每一轮都减小的量，论证一个重复会终止。
• 程序、编译器与 C++。为机器写的算法就是程序，而 C++ 程序并不是按写下的样子执行的：预处理器、编译器和链接器把它转换成可执行文件。这节课依次讲解这三个阶段，区分编译时就能发现的问题和只有运行时才会显现的问题，比较编译型和解释型两种模式，并按时间梳理语言的各版标准，直到本课程使用的 C++23，以及编译器正在实现中的 C++26。
• 在 Windows、macOS 和 Linux 上安装环境。三份完整的指南，每个系统一份，用来安装一个支持 C++23 的编译器和编辑器 Visual Studio Code 及其 C++ 扩展，用一个检验程序确认一切正常，并解决常见问题：终端找不到编译器、版本过旧，以及没有指定所需的标准。
• 编译、运行与配置。编辑、保存、编译、运行、阅读这一工作循环，既在终端中进行，也在编辑器中进行，使用本课程的编译命令。这节课区分阻止生成可执行文件的错误和指出可疑代码的警告；启用检测器（sanitizer），即内存错误检测器 AddressSanitizer 和未定义行为检测器 UndefinedBehaviorSanitizer，它们在程序运行时对它进行监视；并解释为什么输出会显示奇怪的符号而不是汉字。
• 程序的解剖。把最小的程序一件一件拆开：包含指令和头文件，函数 main 和退出码，命名空间 std，语句、块和注释。这节课教人从第一条消息读起，借助编译器的消息改正结构错误，并确定本课程的风格指南。
• 输入、输出与错误。程序与外界交流：用 std::print 和 std::println 输出，借助格式说明规定宽度和小数位数，并用 std::cin 读取。这节课展示输入不符合预期格式时会发生什么，以及如何检查读取，最后按照错误出现的时刻对错误分类，以此结束本单元：编译错误、链接错误、运行时错误和逻辑错误。

把它们串起来的线索就是程序本身。第一节课构思它，第二节课说明它被转换成什么，第三节课安装转换它的工具，第四节课教人使用这些工具并倾听它们说什么，第五节课解剖它，第六节课让它与使用它的人对话。如果是这样，那么到单元结束时，学生对 C++ 所知仍然很少，但知道怎样用它工作，而这正是课程其余部分所假定的。

假定已有的知识

本课程不假定任何编程经验。不过，它假定了三种技能，如果入门测评显示出某些疑问，现在就值得复习一下。

第一种是学校里的算术：整数和小数的运算，遵守运算顺序（除非有括号，先乘除后加减），尤其是求整数除法的商和余数。最后这一点比看上去更重要。把 47 张纸分给 6 个人，每人 7 张，剩下 5 张，写成 $47 = 6 \cdot 7 + 5$，其中余数 $5$ 小于除数 $6$。C++ 有一个求商的运算符和一个求余数的运算符，而大量整数计算（把秒换算成小时、把一个数拆成各位数字、判断一个数是否为偶数）都归结为它们。想要仔细研究整数除法的人，可以在“代数与几何 I：数、函数与平面几何”课程中找到它及其证明；这里只要会算就够了。

第二种是严格按照书面指示办事的习惯，以及识别一条指示何时不足以让人知道该做什么的能力。这不是一种知识，而是一种态度：读到“加盐适量”，就能注意到这条指示取决于执行它的人。本单元的第一节课把这种态度变成方法。

第三种是计算机的基本操作：新建一个文件夹，用自己选定的名字把文件保存在其中，认出名字中的扩展名（.cpp、.txt、.exe），并知道每个文件在哪个文件夹里。最好从现在起就把系统设置为显示扩展名，因为有些系统（例如 Windows）默认会隐藏它们：源代码 suma.cpp 和可执行文件 suma.exe 是截然不同的文件，把它们弄混是一些荒唐错误的根源。本单元也会教人使用终端，所以不必事先就会；只要愿意用输入命令代替点击按钮就够了。最后，安装程序需要能够在自己的计算机上安装；对做不到的人，讲安装的那节课给出了一个在线的替代办法。

本课程不假定懂英语。编译器的消息是英文的，而本课程教人逐个字段地阅读它们，因此其中要紧的内容（文件、行、缺陷的类别）不必精通英语也能看懂。本课程也不假定超出学校水平的数学：例子用到的是除法、平均数、乘法表、日期和时间。

本单元要解决的问题

一个会用手算的计算，还不是程序。两者之间的距离，正是本单元教人走过的，而一个简单的问题可以让我们量出这段距离。

然而，机器无法接收上面的解释。它接收的是用一种编程语言写成的文本，而要写出这段文本，必须先解决手算时没有明说的三个问题。第一个是规格说明：输入什么（一个非负的整数秒数），输出什么（三个整数，即小时、分钟和秒），以及什么关系把它们联系起来：若 $t$ 为总秒数，则 $t = 3600 h + 60 m + s$，其中 $0 \leq m < 60$ 且 $0 \leq s < 60$。第二个是算法：对于任何合法的输入，都能产生这一输出的精确步骤。

1. $h$ 取值为 $t$ 除以 $3600$ 的商。
2. $m$ 取值为除以 $60$ 的商（被除数是 $t$ 除以 $3600$ 的余数）。
3. $s$ 取值为 $t$ 除以 $60$ 的余数。
4. 写出 $h$、冒号、两位数字的 $m$、冒号和两位数字的 $s$。

第三个是用 C++ 写出算法，采用语言所要求的确切形式，并用合适的工具把它翻译成可执行文件。下面的程序做的就是这件事。其中有许多东西还没有讲解：变量（第 2.1 课），给出整数除法的商和余数的运算符 / 和 %（第 3.1 课），用 std::cin 读取以及格式说明（第 1.6 课）；这个程序中的格式说明 {:02} 把一个数写成两位、在左边补零，它是那节课所讲的宽度的一种变体，第 3.1 课也会用到它。目前只要能在其中认出算法的四个步骤就够了。

#include <iostream>#include <print>​int main(){    int total{};  // 变量将在第 2.1 课讲解    std::print("时长（秒）：");    std::cin >> total;    const int hours{total / 3600};    const int minutes{total % 3600 / 60};    const int seconds{total % 60};    std::println("{} s = {}:{:02}:{:02}", total, hours, minutes, seconds);}

7384

时长（秒）：7384 s = 2:03:04

第 9 至 11 行是步骤 1 至 3，第 12 行是步骤 4。结果与手算的结果一致并非巧合，而是每个程序都应当经受的检验：先用一个答案已知的数据来试它。

程序解决了问题，但本单元也教人不要轻信它。如果用户输入 abc 而不是一个数，读取就会失败，total 保持为零，而程序毫无报警信号地写出时长为 0:00:00：这是一个看起来像真的假结论。如果输入一个负的时长，规格说明没有规定应当发生什么，结果也就毫无意义。如果写成 total / 360，而不是 total / 3600，程序照样编译、运行，给出错误的结果，而没有任何工具发出警告。这些缺陷各属不同类别的错误，在不同的时刻被发现，要用不同的方法寻找；本单元的最后一节课对它们进行分类。由此可知，本单元要解决的问题不仅是写出这个程序，而且是知道它为什么能工作，在什么数据下会失效，以及哪种工具会（或不会）对每个缺陷发出警告。

因此，学完本单元时，学生将能够编写、编译和运行这一类程序：少量的输入数据，按顺序进行的若干计算，以及带格式写出的若干结果。他们还不能在 C++ 中做判断或重复执行语句（虽然在用中文写出的算法中可以），也还不能有根据地为每个数据选择类型；这些是后面各单元要带来的。

通向何处

本单元是整个课程的门槛。在这里未加解释就使用的东西，以后会按以下顺序加以解释。第 2 单元“数据与类型”讲解变量以及变量如何保存在内存中，整数的界限（以及为什么一个正确的计算也可能溢出），带小数的数的舍入，以及类型之间的转换。第 3 单元“表达式与运算符”讲解 C++ 的算术，包括负数的商和余数、条件的逻辑，以及标准在表达式中未作定义的地方。第 4 单元“流程控制”把第一节课用中文写出的判断和重复带到 C++ 中，并教人论证一个循环是正确的、会终止的。第 5 单元把程序分解为函数；第 6 单元引入复合数据（数组、向量、表格和记录），以及查找和排序的算法及其代价；第 7 单元讨论文本、稳健的输入读取和文件；第 8 单元讨论多文件程序、系统的测试和调试器。

学完本课程之后，“C++ 程序设计 II”接着讲本课程有意留在外面的内容：指针和动态内存，带方法的类，自己编写的模板，匿名函数和异常。解决本课程的问题不需要这些主题中的任何一个，而把它们推后，可以让人专注于在任何语言中都适用的东西：规约问题，设计算法，清楚地写出算法，并检验它是正确的。本单元的总结课正会归纳这一区分，即什么是 C++ 特有的，什么可以带到任何其他语言中去。