C++ 入門核心筆記：從基礎語法到類別設計

C++ 基礎語法與環境

標頭檔與命名空間

標準 C++ 標頭檔不含 .h 後綴（如 <iostream>）。C 標頭檔建議改為 c 前綴形式（<cstdio>、<cmath>）。標準庫所有符號置於 std 命名空間，使用時需加 std:: 前綴，或以 using namespace std; 一次引入。

輸入輸出與編譯

• 標準串流：cin >> var、cout << data，支援鏈式操作。
• 副檔名：.cpp、.C、.cc、.cxx。
• 編譯：g++ 或 gcc -lstdc++。
• 註解：/* */ 區塊註解、// 單行註解。

命名空間進階

命名空間解決符號衝突。可巢狀定義：namespace A { namespace B { int x; } }，存取為 A::B::x。using namespace A; 導入整個空間；using A::x; 僅導入特定符號。全域命名空間以 :: 存取（如 ::var）。

型別系統增強

基本型別差異

• bool：真正布林型別（C99 引入），true/false，轉整數為 1/0。非零即真。
• 字元字面值：C++ 中 sizeof('X') == 1（C 語言為 4）。
• void*：嚴格禁止隱式轉換為其他指標型別，體現強型別特性。

型別轉換新語法

C++ 提供四種具體轉換運算子，取代 C 風格強制轉型：

• static_cast<T>(expr)：數值型別互轉、void* 與具體指標互轉。
• reinterpret_cast<T>(expr)：位元重新解讀，如指標轉整數、不同指標型別互轉。
• const_cast<T>(expr)：移除 const/volatile 資格。
• dynamic_cast：執行期多態轉型（後文詳述）。

函式增強特性

• 預設引數：由右至左指定，宣告處給定，定義處省略。
• 函式多載：同名函式參數表不同（型別、個數、順序），與回傳型別無關。const 屬性可構成多載。
• 內聯函式：inline 建議編譯器展開呼叫點程式碼，避免呼叫開銷，替代巨集函式，具型別安全且無副作用。類別內定義的成員函式預設為內聯。
• 參考傳遞：Type& name = init; 本質為指標別名，必須初始化且不可重繫結。參考非新型別，而是傳遞語意。const 參考可綁定暫時物件。

動態記憶體管理

• new Type、new Type(init)、new Type[n] 配置記憶體，失敗拋出 bad_alloc；new (nothrow) Type 失敗回傳 nullptr。
• delete ptr、delete[] ptr 釋放，需與 new/new[] 配對。delete nullptr 安全無效。
• 定位 new：new (address) Type 在指定位址建構物件（少用）。

類別與物件導向基礎

封裝與存取控制

class 預設 private（封裝隱藏）；struct 預設 public（相容 C）。成員函式定義於類外時以 ClassName::funcName 指定。建議類別拆分為 .h（宣告）與 .cpp（實作）。

建構子與解構子

• 建構子：同類別名稱、無回傳型別、可多載。未定義時編譯器產生預設無參建構子；一旦自訂建構子，預設建構子不再自動生成。
• 初始化清單：ClassName::ClassName(int x) : member(x), constMember(10), refMember(r) { } 初始化 const、參考成員及成員物件，效率更高。
• 解構子：~ClassName()，無參、不可多載。未定義時編譯器產生空解構子。釋放物件自有記憶體後執行解構子本體，可釋放額外資源。
• 物件生命週期：全域/靜態區域物件於 main 前後建構/解構；區域物件於作用域進出時建構/解構；動態物件由 new/delete 控制；暫時物件於完整運算式結束時銷毀。

this 指標與靜態成員

• this：ClassName* const，指向呼叫成員函式的物件。*this 為物件本身。const 成員函式中 this 型別為 const ClassName* const。
• 靜態成員：static 成員屬於類別而非物件。靜態資料成員須在類外定義初始化（int ClassName::staticVar = 0;）。靜態成員函式無 this，僅能存取靜態成員。

運算子多載

基本規則

• 運算子視為函式：operator@。參數對應運算元，回傳值對應結果。
• 至少一個運算元為使用者定義型別。不可改變優先順序、結合性、運算元個數。不可建立新運算子。. .* :: ?: sizeof typeid 及四種轉型運算子不可多載。

兩種定義形式

• 全域函式：RetType operator@(Operand1, Operand2)。需為 friend 才能存取私有成員。operator<</operator>> 必須為全域函式（左運算元為串流物件）。
• 成員函式：RetType ClassName::operator@(Operand2)，左運算元隱含為 *this。[] () = -> 型別轉換 必須為成員函式。

關鍵運算子實作要點

• 指派運算子：ClassName& operator=(const ClassName&)。預設逐成員指派。若含指標成員指向動態記憶體，必須自訂實作深度複製（三大件：拷貝建構子、指派運算子、解構子）。回傳 *this 支援鏈式指派。
• 型別轉換運算子：operator TypeName()，無回傳型別、無參數、必須為成員函式。
• 函式呼叫運算子：RetType operator()(Params)，參數個數不定。支援此運算子的物件稱函式物件。
• 遞增遞減：前置版本回傳參考 T& operator++()；後置版本需虛設參數 T operator++(int)，回傳舊值副本。
• 位址運算子：T* operator->() 回傳內部物件位址，編譯器再遞迴套用 ->。
• new/delete：多載負責原始記憶體配置/釋放，編譯器自動安插建構/解構呼叫。new[]/delete[] 為獨立運算子。

拷貝建構子與匿名物件

• 拷貝建構子：ClassName(const ClassName&)。以同類別物件初始化新物件時呼叫。預設逐成員複製。含指標成員指向動態記憶體時，必須自訂實作深度複製。
• 匿名物件：ClassName(args); 無變數名，語句結束即銷毀。單參數建構子可隱式型別轉換，explicit 關鍵字可禁止。
• 零初始化：TypeName() 產生零值或匿名物件。

進階類別特性

• const 物件僅能呼叫 const 成員函式。mutable 成員允許在 const 物件/函式中修改。
• 友元：friend 函式/類別可存取私有/保護成員。友元非成員、單向、不傳遞。
• 巢狀類別：類別內定義類別，常用於實作細節封裝與避免名稱衝突。