C++ Primer 核心知識點精華筆記：從基礎語法到模板元編程

基礎語言特性

IO 流與條件判斷

• `while (cin >> x)`：流對象轉為 `bool` 判斷狀態，EOF 或錯誤時為 `false`
• VS 中未初始化指針無法輸出；`string`/`int` 未初始化在 VS 為編譯錯誤
• C++ 推薦 `nullptr` 替代 `NULL`/`0` 作為空指針
• `void*` 只能比較、傳遞、賦值給 `void*`，不能直接解引用操作

引用與指針進階

• `T*&`：指針的引用，函數內修改指針本身可影響實參
• `const T&` 綁定字面值/臨時對象/不同類型（產生臨時量）
• `constexpr` 指針初始值只能是 `nullptr`/`0`/固定地址對象
• 函數體內變量非常量表達式，`constexpr` 指針不能指向它

類型推導

字符串與容器操作

• `getline` 遇換行符結束，即使開頭是換行也返回空串
• 字符串字面值與 `std::string` 是不同類型，`+` 運算至少一方為 `string`
• 範圍 `for` 內不得改變容器大小（迭代器失效）
• `vector::operator[]` 只能訪問已有元素，不能添加
• 迭代器 `end()` 不可解引用/遞增；`difference_type` 為帶符號距離類型
• `forward_list` 不支持遞減、`push_back`、`pop_back`

數組與指針

• C++ 無真正多維數組，「多維」實為數組的數組
• `size_t` 定義於 ``，無符號，用於下標/大小
• 指針相減得 `ptrdiff_t`（帶符號），同屬 ``
• 尾後指針不可解引用/遞增
• `char a[] = "Hello"` 含結束符，`char* p = "Hello"` 指向只讀字面值
• `typedef` 只能為類型別名，數組類型別名需用 `using Arr = int[4];`

函數與重載

• 局部靜態對象：首次經過定義初始化，程序結束銷毀
• 引用形參優於指針；不需修改用 `const T&`
• `initializer_list` 元素均為 `const`
• `void` 函數 `return expr;` 要求 `expr` 也是 `void` 函數調用
• 含 `return` 的循環後必須有 `return`，否則未定義行為
• 不返回局部對象的引用/指針
• 默認實參：從右向左連續，後續聲明只能補全無默認值的參數
• `inline` 僅是建議，編譯器可忽略
• `constexpr` 函數：字面值類型參數/返回，單一 `return`，編譯期可計算
• 函數指針類型必須完全匹配；`decltype(func)` 得函數類型非指針

類設計核心

封裝與訪問控制

• `struct` 默認 `public`，`class` 默認 `private`，唯一區別
• 友元聲明只影響訪問權限，非普通聲明，需額外在類外聲明才能被調用
• 類內類型定義需前置，通常放類開頭
• 類內初始值只能用 `=` 或 `{}` 形式
• `mutable` 允許 `const` 成員函數修改該成員

構造函數

• 構造函數不能 `const`；`const` 對象構造完成後才具備常量性
• 內置/復合類型成員無類內初始值 → 僅適合合成默認構造函數
• `= default` 在類內為 `inline`，類外非 `inline`
• 初始化列表順序 = 成員聲明順序，與列表書寫順序無關
• 委托構造函數：`C(int x) : C(x, 0) {}`
• 默認構造函數使用場景：塊作用域無初始化定義、類成員無初始化、數組初始化不足、局部靜態無初始化

隱式轉換與 explicit

• 單參數構造函數定義隱式轉換規則
• 只允許一步類類型轉換
• `explicit` 抑制隱式轉換，僅允許直接初始化
• 顯式轉換：`static_cast(expr)`、`T(expr)`

靜態成員

• 靜態數據成員：類外定義初始化，屬於類不屬於對象
• `constexpr static` 類內初始化，若用於不可替換場景仍需類外定義
• 靜態成員函數：無 `this`，不能 `const`，不能訪問非靜態成員
• 靜態成員可作為默認實參

IO 流深度

• 流有緩衝區：`flush` 刷新，`ends` 輸出 `\0` 並刷新，`endl` 輸出 `\n` 並刷新
• `unitbuf` 模式：每次輸出後自動 `flush`
• 程序崩潰緩衝區不刷新 → 數據丟失
• `ofstream` 保留原文件需指定 `app` 或 `in` 模式

STL 容器與算法精要

容器操作失效規則

關鍵算法分類

• 非變序：`count`、`find`、`search`、`equal`、`mismatch`、`lexicographical_compare`
• 變序：`copy`、`replace`、`remove`、`fill`、`generate`、`transform`、`sort`、`partition`、`binary_search`
• `stable_sort` 保證相等元素相對順序
• `unique` 僅移除相鄰重複，需配合 `sort`
• 關聯容器不適用泛型算法（迭代器為 `const`）

Lambda 表達式

• 捕獲列表：`[=]` 值捕獲，`[&]` 引用捕獲，`[x, &y]` 混合
• 值捕獲在創建時拷貝，引用捕獲需保證生命週期
• `mutable` 允許修改值捕獲的副本
• 泛型 Lambda (C++14)：`[](auto a, auto b) { return a + b; }`

智能指針與動態內存

• `unique_ptr`：獨佔所有權，不可拷貝，可移動，`make_unique` (C++14)
• `shared_ptr`：共享所有權，引用計數，`make_shared` 一次分配控制塊+對象
• `weak_ptr`：弱引用，打破循環引用，`lock()` 獲取 `shared_ptr`
• `get()` 僅用於傳遞裸指針給不接管所有權的代碼，絕不用於初始化另一個智能指針
• `new (nothrow) T` 失敗返回 `nullptr` 不拋異常
• 刪除數組必須 `delete[]`，單對象 `delete`，混用導致未定義行為

拷貝控制與資源管理

• 五大特殊成員：構造、拷貝構造、移動構造、拷貝賦值、移動賦值、析構
• 拷貝構造第一參數必須是 `const T&`
• 需要析構函數的類通常需要拷貝/移動操作（三/五法則）
• `= default` 顯式要求編譯器生成合成版本
• `= delete` 禁用特定操作（如禁止拷貝）
• 移動操作應 `noexcept`，且處理自賦值

模板進階

• 模板參數：類型參數、非類型參數 (整型/指針/引用)、模板模板參數
• 類模板實參推導 (C++17)：`std::pair p(1, 2.0);` 自動推導為 `pair`
• 模板特化：全特化、偏特化（類模板）
• SFINAE：`std::enable_if`、表達式檢測控制重載解析
• 可變參數模板：`template void f(Args... args)` + 折疊表達式 (C++17)

並發與線程 (C++11+)

• `std::thread`、`std::mutex`、`std::lock_guard`/`unique_lock`、`std::condition_variable`
• `std::async` + `std::future` 異步任務
• `std::atomic` 無鎖原子操作
• `thread_local` 線程局部存儲
• 內存模型：`memory_order` 控制可見性與順序

現代 C++ 最佳實踐清單

1. 優先 `const`、`constexpr`、`auto`、`nullptr`、`範圍 for`
2. RAII 管理所有資源：智能指針、容器、鎖守衛
3. 值語義優先，移動語義優化，避免裸 `new/delete`
4. 介面設計：傳值/傳常引用/轉移所有權（`unique_ptr`/`T&&`）
5. 算法優於手寫循環：``、``
6. 錯誤處理：異常用於不可恢復錯誤，`std::optional`/`expected` (C++23) 用於可恢復錯誤
7. 編譯期計算：`constexpr`、`if constexpr` (C++17)、概念 (C++20)
8. 模塊化：命名空間、模塊 (C++20)、頭文件護衛

總結

這份筆記提煉了 C++ Primer 核心知識體系：從基礎類型推導、類設計、模板機制，到 STL 容器/算法特性、智能指針資源管理、現代 C++ 語法糖與最佳實踐。掌握「值類別語義、RAII、移動優化、編譯期計算、標準庫優先」這條主線，配合對未定義行為邊界的敬畏，是寫出高效、安全、可維護 C++ 代碼的關鍵。