В этом параграфе мы напишем первую программу на C++ и научимся печатать и считывать с клавиатуры строки и числа.
Функция main
Пожалуй, самая простая и короткая программа на C++ — это программа, которая ничего не делает. Она выглядит так:
int main() {
return 0;
}
Здесь определяется функция с именем main, которая не принимает никаких аргументов (внутри круглых скобок ничего нет) и не выполняет никаких содержательных команд. В каждой программе на C++ должна быть ровно одна функция main — с неё начинается выполнение программы.
У функции указан тип возвращаемого значения int (целое число), и она возвращает 0 — в данном случае это сообщение для операционной системы, что программа выполнилась успешно. И наоборот, ненулевой код возврата означает, что при выполнении возникла ошибка (например, программа получила некорректные входные данные).
Для функции main разрешается не писать завершающий return 0, чем мы и будем пользоваться далее для краткости. Поэтому самую короткую программу можно было бы написать вот так:
int main() {
}
Hello, world!
Соблюдая традиции, напишем простейшую программу на C++ — она выведет приветствие в консоль:
#include <iostream>
int main() {
std::cout << "Hello, world!\n";
}
Разберём её подробнее.
Директива #include <iostream> подключает стандартный библиотечный заголовочный файл для работы с потоками ввода-вывода (input-output streams). Для печати мы используем поток вывода std::cout, где cout расшифровывается как character output, то есть «символьный вывод».
В теле функции main мы передаём в std::cout строку Hello, world! с завершающим переводом строки \n. В зависимости от операционной системы \n будет преобразован в один или в два управляющих байта с кодами 0A или 0D 0A соответственно.
Инструкции внутри тела функции завершаются точками с запятой.
Компиляция из командной строки
Вы можете запустить эту программу из какой-нибудь IDE. Мы же покажем, как собрать её в консоли Linux с помощью компилятора clang++.
Пусть файл с программой называется hello.cpp. Запустим компилятор:
$ clang++ hello.cpp -o hello
В результате мы получим исполняемый файл с именем hello, который теперь можно просто запустить. Он напечатает на экране ожидаемую фразу:
$ ./hello Hello, world!
Если опцию -o не указать, то сгенерированный исполняемый файл будет по умолчанию назван a.out. В дальнейшем для простых примеров мы будем использовать краткую форму записи команды:
$ clang++ hello.cpp && ./a.out Hello, world!
С её помощью мы компилируем программу и в случае успеха компиляции сразу же запускаем.
Комментарии
Комментарии — это фрагменты программы, которые игнорируются компилятором и предназначены для программиста. В C++ есть два вида комментариев — однострочные и многострочные:
int main() { // однострочный комментарий продолжается до конца строки
/* Пример
многострочного
комментария */
}
Мы будем использовать комментарии в примерах кода для пояснений, а в реальных программах ими лучше не злоупотреблять.
Хорошо: комментировать, что делает библиотека, функция или класс или почему этот код написан именно так.
Плохо: комментировать, что происходит на отдельных строчках. Это признак того, что код можно написать лучше.
Библиотеки и заголовочные файлы
Библиотека — это код, который можно переиспользовать в разных программах. В стандарт языка C++ входит спецификация так называемой стандартной библиотеки, которая поставляется вместе с компилятором. Она содержит различные структуры данных (контейнеры), типовые алгоритмы, средства ввода-вывода и т. д. Конструкции из этой библиотеки предваряются префиксом std::, который обозначает пространство имён.
Чтобы воспользоваться теми или иными библиотечными конструкциями, в начале программы надо подключить нужные заголовочные файлы. Так, в программе, которая печатала Hello, world!, нам уже встречался заголовочный файл iostream и конструкция std::cout из стандартной библиотеки.
Для C++ существует также множество сторонних библиотек. Наиболее известной коллекцией сторонних библиотек для C++ является Boost.
Ошибки компиляции
Перед запуском программу необходимо скомпилировать. Компилятор проверяет корректность программы и генерирует исполняемый файл. Во время компиляции компилятор может обнаружить синтаксические ошибки.
Рассмотрим пример такой программы:
#include <iostream>
int main() {
cout << "Hello, world\n"
Компилятор может выдать такие сообщения:
$ clang++ hello.cpp
hello.cpp:4:5: error: use of undeclared identifier 'cout'; did you mean 'std::cout'?
cout << "Hello, world!\n"
^~~~
std::cout
hello.cpp:4:30: error: expected ';' after expression
cout << "Hello, world!\n"
^
;
hello.cpp:5:1: error: expected '}'
^
a.cpp:3:12: note: to match this '{'
int main() {
^
3 errors generated.
Первая ошибка — вместо std::cout мы написали cout. Вторая ошибка — не поставили точку запятой после "Hello, world!\n". Наконец, третья – не закрыли фигурную скобку с телом функции.
Ошибки компиляции (compile errors) следует отличать от возможных ошибок времени выполнения (runtime errors), которые происходят после запуска программы и, как правило, зависят от входных данных, неизвестных во время компиляции.
Отступы и оформление кода
Фрагменты программы на C++ могут быть иерархически вложены друг в друга. На верхнем уровне находятся функции, внутри них написаны их тела, в теле могут быть составные операторы, и так далее.
Среди программистов есть соглашение — писать внутренние блоки кода с отступами вправо: компилятор полностью игнорирует эти отступы, а код читать удобнее. Мы будем использовать отступы в четыре пробела. Также мы будем придерживаться стиля оформления кода, принятого в Яндексе. Имена переменных мы будем писать с маленькой буквы, имена функций и классов — с большой (если речь не идёт о конструкциях стандартной библиотеки, где действуют другие соглашения).
Переменные
Любая содержательная программа так или иначе обрабатывает данные в памяти. Переменная — это именованный блок данных определённого типа. Чтобы определить переменную, нужно указать её тип и имя. В общем виде это выглядит так:
Type name;
где Type — конкретный тип данных (например, строка или число), а name — имя переменной. Имена переменных должны состоять из латинских букв, цифр и знаков подчёркивания и не должны начинаться с цифры. Также можно в одной строке определить несколько переменных одного типа:
Type name1, name2, name3;
Например:
#include <string> // библиотека, в которой определён тип std::string
int main() {
// Определяем переменную value целочисленного типа int
int value;
// Определяем переменные name и surname типа std::string (текстовая строка)
std::string name, surname;
}
В этом примере мы используем встроенный в язык тип int (от слова integer — целое число) и поставляемый со стандартной библиотекой тип std::string. (Можно было бы использовать для строк встроенный тип с массивом символов, но это неудобно.)
Тип переменной должен быть известен компилятору во время компиляции.
От типа зависит:
- сколько байтов памяти потребуется для хранения данных;
- как интерпретировать эти байты;
- какие операции с этой переменной возможны.
Например, переменной типа int можно присваивать значения и с ней можно производить арифметические операции. Подробнее про разные типы данных и их размер в памяти мы поговорим ниже.
Важно понимать, что тип остаётся с переменной навсегда. Например, присвоить целочисленной переменной строку не получится — это вызовет ошибку компиляции:
int main() {
int value;
value = 42; // OK
value = "Hello!"; // ошибка компиляции!
}
Переменные можно сразу проинициализировать значением. В С++ есть много разных способов инициализации. Нам пока будет достаточно способа, который называется copy initialization:
#include <string>
int main() {
int value = 42;
std::string title = "Bjarne Stroustrup";
}
Если переменная была объявлена, но нигде дальше не использовалась, то компилятор выдаёт об этом предупреждение. При проверке решений мы используем опцию -Werror, которая считает предупреждения компилятора ошибками компиляции.
Потоковый ввод и вывод
Поток — это абстракция для чтения и записи последовательности данных в форматированном виде.
Записывать данные можно на экран консоли, в файл, буфер в памяти или в строку. Считывать их можно с клавиатуры, из файла, из памяти. Причём с каждым таким «устройством» можно связать свой поток.
Важно, что потоки не просто пересылают байты памяти, а применяют форматированный человекочитаемый ввод-вывод. Например, числа печатаются и считываются в десятичной нотации, хотя в памяти компьютера они хранятся в двоичном виде.
В программе Hello, world! нам уже встречался поток вывода std::cout, по умолчанию связанный с экраном консоли. Познакомимся с потоком ввода std::cin, связанным с клавиатурой. Для его использования нужен тот же заголовочный файл iostream.
Рассмотрим программу, которая спрашивает имя пользователя и печатает персональное приветствие:
#include <iostream>
#include <string>
int main() {
std::string name; // объявляем переменную name
std::cout << "What is your name?\n";
std::cin >> name; // считываем её значение с клавиатуры
std::cout << "Hello, " << name << "!\n";
}
Обратите внимание на направление угловых скобок в этом примере — они условно показывают направление потока данных. При печати данные выводятся на экран, и стрелки направлены от текста к cout. При вводе данные поступают с клавиатуры, и стрелки направлены от cin к переменной.
В нашем примере в переменную name считается одно слово, которое будет выведено в ответном сообщении. Пример работы программы:
What is your name? Alice Hello, Alice!
Однако если ввести строку из нескольких слов с пробелами, то в name запишется только первое слово:
$ ./a.out What is your name? Alice Liddell Hello, Alice!
Дело в том, что cin читает поток данных до ближайшего пробельного разделителя (пробела, табуляции, перевода строки или просто конца файла). Чтобы считать в строковую переменную всю строчку целиком (не включая завершающий символ перевода строки), нужно использовать функцию std::getline из заголовочного файла string:
#include <iostream>
#include <string>
int main() {
std::string name;
std::getline(std::cin, name);
std::cout << "Hello, " << name << "!\n";
}
В этом примере мы печатаем в одном выражении друг за другом несколько строк ("Hello, ", name и "!\n"), разделённых угловыми скобками <<. Таким образом, cin и cout позволяют кратко считывать и печатать несколько объектов одной командой.
Например, считывание нескольких чисел целого типа, набранных через пробельные разделители, может выглядеть так:
int main() {
int a;
int b;
int c;
std::cin >> a >> b >> c;
}
Напечатать их значения можно следующим образом:
std::cout << a << " " << b << " " << c << "\n";
Обратите внимание, что мы дополнительно вставляем между ними пробелы, чтобы в выводе числа не слиплись вместе. В конце вывода мы вставляем символ перевода строки \n, чтобы отделить этот результат от последующего вывода или от сообщений командной строки.
Итак, параграф позади! Впереди вас ждут первые задачи. Но прежде чем приступить к ним, советуем сперва взглянуть на небольшое руководство о том, как пользоваться системой проверки заданий.