5.1 从C到C＋＋
C语言是一门很有用的语言，但在算法竞赛中却不流行，原因在于它太底层，缺少一些“实用的东西”。例如，在2013年ACM/ICPC世界总决赛中，有1347份用C＋＋提交，323份用Java提交，但一份用C提交的都没有。
既然如此，为什么还要花这么多篇幅介绍C语言呢？答案是C＋＋太复杂了。与其把C＋＋学得一知半解，还不如先把C语言的基础打好。前面已经提到过，前4章的所有代码都可以直接作为C＋＋程序进行编译，所以请把前4章内容看作语言的核心部分，而把本章内容看作是可选的工具。如果某些工具难以掌握，索性避开就是了。
C＋＋博大精深，但也有很多让人诟病的地方。好在算法竞赛中的大多数选手只会用到其中很少的特性，本章的任务就是把这些特性介绍给读者，以供选用。
提示5-1：C＋＋的精华与糟粕并存。本章介绍的C＋＋特性是算法竞赛中最常用的部分，虽然不是解题所必需的，但值得学习。
5.1.1 C＋＋版框架
虽然前面介绍的内容都可以直接用在C＋＋程序里，但有些并不是C＋＋的推荐写法，只是为了更好地兼容C语言才如此编写的。下面是C＋＋版的“a＋b程序”：
#include<cstdio>
int main() {
int a, b;
while(scanf("%d%d", &a, &b) == 2) printf("%d\n", a+b);
return 0;
}
和之前的C程序比较，唯一的区别是stdio.h变成了cstdio。事实上，stdio.h仍然存在，但是C＋＋中推荐的头文件是cstdio。类似地，string.h变成了cstring，math.h变成了cmath，ctype.h变成了cctype。带.h后缀的头文件依然存在，但并不被C＋＋所推荐使用。
提示5-2：C＋＋能编译大多数C语言程序。虽然C语言中大多数头文件在C＋＋中仍然可以使用，但推荐的方法是在C头文件之前加一个小写的c字母，然后去掉.h后缀。
下面是一个稍微复杂一点的程序，它展示了更多的常用C＋＋特性。
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int maxn = 100 + 10;
int A[maxn];
int main() {
long long a, b;
while(cin >> a << b) {
cout << min(a,b) << "\n";
}
return 0;
}
这次的变化就大多了，新增的两个头文件不再是以字符c开头的。有人会猜这一定是C＋＋特有的头文件——的确如此。iostream提供了输入输出流，而algorithm提供了一些常用算法，例如代码中的min(1)。Cin>>a的含义是从标注输入中读取a，它的返回值是一个“已经读取了a的新流”，然后从这个新流中继续读取b。如果流已经读完，while循环将退出。这种方式相比scanf的最大优势就是不再需要记忆%d、%s等占位符，同时也避开了前面提到的“long long类型的输入输出占位符不统一”的问题。当然，C＋＋流也不是完美的，其最大缺点就是运行太慢，以至于很多竞赛题目会在题面中的显著位置注明：本题的输入量很大，请不要使用C＋＋的流输入(2)。
还有一个新内容：using namespace std。这是什么意思呢？C＋＋中有一个“名称空间”（namespace）的概念，用来缓解复杂程序的组织问题。例如张三写了一个函数叫my_good_function（意思是“我的优秀函数”），李四也写了这样一个函数，但作用和张三的不同。如果有一天需要把他们的程序合在一起用，就会出问题：函数不能重名。虽然后面会讲到C＋＋支持函数重载，但如果这两个函数的参数类型也完全相同，则是不能重载的。一个解决方案是分别把函数写在各自的名称空间里，然后就可以用zhang3：my_good_function() 和li4：my_good_function( )这样的方式进行调用了。
基于这样的考虑，头文件iostream和algorithm里定义的内容放在std名称空间里。如果代码和该名称空间里的内容不重名，就可以用using namespace std的方法把std里的名字导入默认空间(3)。这样就可以用cin代替std：：cin，cout代替std：：cout，min代替std：：min了。不信的话，你可以把这行语句注释掉，再编译一次试试。
提示5-3：C＋＋中可以使用流简化输入输出操作。标准输入输出流在头文件iostream中定义，存在于名称空间std中。如果使用了using namespace std语句，则可以直接使用。
最后还有一个细节：声明数组时，数组大小可以使用const声明的常数（这在C99中是不允许的）。在C＋＋中，这种写法更为推荐，因此本书后面的代码中一律采用这样的写法，而不是用#define声明常数。
顺便一提，C＋＋中的数据类型和C语言很接近，最显著的区别是多了一个bool来表示布尔值，然后用true和false分别表示真和假。虽然仍然可以用int来表示真假，但是用bool可以让程序更清晰。
5.1.2 引用
第4章中曾经介绍过交换两个变量的方法，最后给出的例子用到了指针，看上去不太自然。C＋＋提供了“引用”，虽然在功能上比指针弱，但是减少了出错的可能，提高了代码的可读性。使用引用交换两个变量的方法如下：
#include<iostream>
using namespace std;
void swap2(int& a, int& b) {
int t = a; a = b; b = t;
}
int main() {
int a = 3, b = 4;
swap2(a, b);
cout << a << " " << b << "\n";
return 0;
}
是不是很自然？如果在参数名之前加一个“&”符号，就表示这个参数按照传引用（by reference）的方式传递，而不是C语言里的传值（by value）方式传递。这样，在函数内改变参数的值，也会修改到函数的实参。按照第4章介绍的方法进行gdb调试，用b swap2加一个端点，然后用r命令执行，如下所示：
Breakpoint 1, swap2 (a=@0x22ff4c: 3, b=@0x22ff48: 4) at swap2.cpp:5
5 int t = a; a = b; b = t;
(gdb) bt
#0 swap2 (a=@0x22ff4c: 3, b=@0x22ff48: 4) at swap2.cpp:5
#1 0x004013e1 in main() at swap2.cpp:10
(gdb) up
#1 0x004013e1 in main() at swap2.cpp:10
10 swap2(a, b);
(gdb) print &a
$1 = (int *) 0x22ff4c
(gdb) print &b
$2 = (int *) 0x22ff48
看到了吗？main函数里的变量a、b的地址和swap2执行时参数a、b引用的地址一样，实际上是“同一个东西”。
提示5-4：C＋＋中的引用就是变量的“别名”，它可以在一定程度上代替C中的指针。例如，可以用“传引用”的方式让函数内直接修改实参。
细心的读者可能注意到了，为什么函数叫swap2而不是swap呢？因为algorithm这个头文件里已经提供过了swap，可以直接使用。这个swap比此处所写的swap2强大多了：它不仅同时支持int、double等所有内置类型，甚至还支持用户自己编写的结构体。它是怎么做到这一点的呢？我们很快就要学习到。
5.1.3 字符串
还记得前面所说的“数组不是一等公民”吗？C语言中的字符串就是字符数组，所以也不是“一等公民”，处处受限。例如，如何编写一个函数，把两个字符串拼接成一个长字符串？这个任务看上去简单，实际上却暗藏陷阱：新字符串的存储空间从哪里来？从第4章最后的讨论中可以知道：不能在函数中定义一个数组然后返回它的地址，因为函数返回后其中局部变量的地址便失效了。因此“字符串拼接”函数必须申请新的内存空间以存放结果，用完之后还要将申请的空间“退回去”，这会很麻烦。另外，字符串数组本身并不保存字符串长度，每次需要时都要用strlen函数重算一次。如果字符串很长，则strlen函数的开销将不容忽视(4)。为了避免不必要的strlen调用，可以在某个变量中保存字符串的长度，但这样一来，程序会变得更加复杂，难以调试。总而言之，C语言处理字符串并不方便。
C＋＋提供了一个新的string类型，用来替代C语言中的字符数组。用户仍然可以继续用字符数组当字符串用，但是如果希望程序更加简单、自然，string类型往往是更好的选择。例如，C＋＋的cin/cout可以直接读写string类型，却不能读写字符数组；string类型还可以像整数那样“相加”，而在C语言里只能使用strcat函数。
提示5-5：C＋＋在string头文件里定义了string类型，直接支持流式读写。string有很多方便的函数和运算符，但速度有些慢。
考虑这样一个题目：输入数据的每行包含若干个（至少一个）以空格隔开的整数，输出每行中所有整数之和。如果只能使用字符与字符数组，一般有两种方案：一是使用getchar( )边读边算，代码较短，但容易写错，并且相对较难理解(5)；二是每次读取一行，然后再扫描该行的字符，同时计算结果。如果使用C＋＋，代码可以很简单。
#include<iostream>
#include<string>
#include<sstream>
using namespace std;
int main() {
string line;
while(getline(cin, line)) {
int sum = 0, x;
stringstream ss(line);
while(ss >> x) sum += x;
cout << sum << "\n";
}
return 0;
}
string类在string头文件中，而stringstream在sstream头文件中。首先用getline函数读一行数据（相当于C语言中的fgets，但由于使用string类，无须指定字符串的最大长度），然后用这一行创建一个“字符串流”——ss。接下来只需像读取cin那样读取ss即可。
提示5-6：可以把string作为流进行读写，定义在sstream头文件中。
虽然string和sstream都很方便，但string很慢，sstream更慢，应谨慎使用(6)。
5.1.4 再谈结构体
C＋＋除了支持结构体struct之外，还支持类class。C＋＋不再需要用typedef的方式定义一个struct，而且在struct里除了可以有变量（称为成员变量）之外还可以有函数（称为成员函数）。在工程中，一般用struct定义“纯数据”的类型，只包含较少的辅助成员函数，而用class定义“拥有复杂行为”的类型，不过为了简单起见，本书中只使用struct而不使用class。另外，“成员变量”、“成员函数”、“构造函数”等很多C＋＋ struct里新加的概念同样适用于class(7)，所以不用担心在本章中学到的内容为“非主流”。
提示5-7：C＋＋中的结构体除了可以拥有成员变量（用a.x的方式访问）之外，还可以拥有成员函数（用a.add（1，2）的方式访问）。为了简单起见，本书中只使用struct而不使用class，但struct的很多概念和写法同样适用于class。
下面是一个例子：
#include<iostream>
using namespace std;
struct Point {
int x, y;
Point(int x=0, int y=0):x(x),y(y) {}
};
Point operator + (const Point& A, const Point& B) {
return Point(A.x+B.x, A.y+B.y);
}
ostream& operator << (ostream &out, const Point& p) {
out << "(" << p.x << "," << p.y << ")";
return out;
}
int main() {
Point a, b(1,2);
a.x = 3;
cout << a+b << "\n";
return 0;
}
上面的代码多数可以“望文知义”。结构体Point中定义了一个函数，函数名也叫Point，但是没有返回值。这样的函数称为构造函数（ctor）。构造函数是在声明变量时调用的，例如，声明Pointa，b（1，2）时，分别调用了Point（ ）和Point（1，2）。注意这个构造函数的两个参数后面都有“=0”字样，其中0为默认值。也就是说，如果没有指明这两个参数的值，就按0处理，因此Point( )相当于Point（0，0）。“：x（x），y（y）”则是一个简单的写法，表示“把成员变量x初始化为参数x，成员变量y初始化为参数y”。也可以写成：
Point（intx=0，inty=0）{this->x=x；this->y=y；}
这里的“this”是指向当前对象的指针。this->x的意思是“当前对象的成员变量x”，即（*this）.x。
提示5-8：C＋＋中的结构体可以有一个或多个构造函数，在声明变量时调用。
提示5-9：C＋＋中的函数（不只是构造函数）参数可以拥有默认值。
提示5-10：在C＋＋结构体的成员函数中，this是指向当前对象的指针。
接下来为这个结构体定义了“加法”，并且在实现中用到构造函数。这样，就可以用a＋b的形式计算两个结构体a和b的“和”了。
最后，定义这个结构体的流输出方式，然后就可以用cout << p来输出一个Point结构体p了。
5.1.5 模板
回顾第4章中介绍过的sum函数：
int sum(int* begin, int* end) {
int *p = begin;
int ans = 0;
for(int *p = begin; p != end; p++)
ans += *p;
return ans;
}
这个函数没有错误，但比较局限——只能求整数数组的和，不能求double数组的和，更不能求Point数组的和。没关系，可以把这个函数改一下。
template<typename T>
T sum(T* begin, T* end) {
T *p = begin;
T ans = 0;
for(T *p = begin; p != end; p++)
ans = ans + *p;
return ans;
}
这样，就可以用sum函数给double数组和Point数组求和了。
int main() {
double a[] = {1.1, 2.2, 3.3, 4.4};
cout << sum(a, a+4) << "\n";
Point b[] = { Point(1,2), Point(3,4), Point(5,6), Point(7,8) };
cout << sum(b, b+4) << "\n";
return 0;
}
细心的读者应该已发现了上述sum函数和第4章中写的有点不同：把“ans＋＝*p”改成了“ans=ans＋*p”。这样做的原因是Point结构体中只定义了“＋”运算符，没有定义“＋＝”。
结构体和类（class）也可以是带模板的。例如，上述Point结构体中的x和y是int型的，但有时需要的是double型的x和y，“＋”和“<<”的逻辑不变。可以用类似的写法把Point变成模板。
template <typename T<
struct Point {
T x, y;
Point(T x=0, T y=0):x(x),y(y) {}
};
然后把“+”和“<<”的代码也稍加改变：
template <typename T>
Point<T> operator + (const Point<T>& A, const Point<T>& B) {
return Point<T>(A.x+B.x, A.y+B.y);
}
template <typename T>
ostream& operator << (ostream &out, const Point<T>& p) {
out << "(" << p.x << "," << p.y << ")";
return out;
}
这样就可以同时使用int型和double 型的Point 了：
int main() {
Point<int> a(1,2), b(3,4);
Point<double> c(1.1,2.2), d(3.3,4.4);
cout << a+b << " " << c+d << "\n";
return 0;
}
虽然模板在工程中的应用范围很广，而且功能十分强大(8)，但选手们却很少会在算法竞赛中亲自编写模板。那为什么还要介绍模板呢？主要是因为模板有助于读者更好地理解STL。