C++语言学习(9):《C++程序设计原理与实践》第四章笔记

这一章的标题是《计算》，想法是：计算是一个过程，是处理输入得到输出的过程。也有B站网友称之为 IPO 编程：Input, Process, Output. 其中 Process 相当于是广义上的「计算」。

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计算过程的输入

如果认为程序是以计算为目的，那么就需要考虑：「计算」这一过程的输入和输出分别是什么？输入的来源有很多：键盘、鼠标、触屏、传感器、摄像头，etc

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避免孤立的从输入得到输出

输出的途径有很多；但是最有意思的I/O是这两个：

从其他程序输入或输出
从同一个程序的其他部分输入或输出

在2000年前后，中小学课本用的是「信息技术」这个关键字来表示电脑课/微机课，所谓信息其实就是输入、输出的统称，甚至说更主要指代输入。

而高中、大学课本里，更多的使用「算法」这个关键字，它其实是一类程序的统称，把关注点从无限的数据，转移到了能用规则描述清楚的、有限文字或公式表述的过程上。

实现计算过程时的注意事项

注意优先级，先正确，再保持简单，最后是保持高效：
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实现保持简单，目的是控制程序的复杂度；单个函数超过1000行，和分解为10个100行的函数，显然后者更容易维护：

善于使用高质量的库，而不是完全从头写，既能保证质量，也能减少工作量：

良好的代码组织结构，是代码能够长期健康存活的关键；没有结构的代码犹如用泥砖盖房子，虽然能用但很凑合，无法盖起5层高楼：
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编程时对编码结构和质量所付出的努力，可以大大简化最令人沮丧的编程工程：调试。原因：好的程序结构，一方面可以减少错误的发生，另一方面能缩短发现和改正错误的时间。

表达式：变量在等号左边表示对象，在等号右边表示变量的值：
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使用常量，替代硬编码的 magic number，一方面增加了代码的可读性，另一方面增加了代码的可维护性

不要觉得「硬编码的魔数，含义很直白」，因为读代码的人可能从未接触过你的领域知识细节，比如 299792458，它缺乏语义信息，是「面向信息编程」，是混乱的；要改为 const int light_speed = 299792458 才有意义，才是「面向概念的编程」：
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程序的正确性：需要检查输入的合法性，避免非法输入数据执行计算、得到错误结果，例如如下的 if/else，并没有判断 unit 不为 i 时，可能是c（合法），也可能是c和i之外的字母（非法）：
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改进方式是对输入做检查，只支持承诺的输入数据，对于不支持的则明确告知：

练习 - 货币转美元

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v1

对于这个任务，我最初的代码是：

void convert_money_to_us_dollars()
{float money;std::string type;// en: japan// eu: euro// uk: uk poundstd::cin >> money >> type;float us_dollars = 0.f;if (type == "en"){us_dollars = money * 0.0068f;}else if (type == "eu"){us_dollars = money * 1.1027f;}else if (type == "uk"){us_dollars = money * 1.3126f;}std::cout << money << " " << type << " == " << us_dollars << "\n";
}

存在的问题：

命名：money 需要改为 currency
命名：en 需要改为 jpy（Japan Yen），eu 需要改为 Eur， uk 需要改为 gbp（Great British Pound)
没处理非法输入的类型
硬编码了汇率转换数据
缺少输入提示
缺少单元测试代码

v2


void convert_currency_to_us_dollars()
{float money;std::string type;std::cout << "Please input currency value and type(one of: jpy, eur, gbp)\n";constexpr float usd_per_jpy = 0.0068f; // Japan Yenconstexpr float usd_per_eur = 1.1027f; // Europeconstexpr float usd_per_gbp = 1.3126f; // Great British Poundstd::cin >> money >> type;float us_dollars = 0.f;if (type == "jpy"){us_dollars = money * usd_per_jpy;}else if (type == "eu"){us_dollars = money * usd_per_eur;}else if (type == "uk"){us_dollars = money * usd_per_gbp;}else{std::cout << "error: invalid currency type. valid types: jpy, eur, gbp\n";return;}std::cout << money << " " << type << " == " << us_dollars << " usd\n";
}// Test function
void test_convert_currency_to_us_dollars()
{std::string test_input = "100 jpy\n"; // Change this to test other inputsstd::istringstream iss(test_input);// Redirect cin to use the stringstream inputauto cin_buff = std::cin.rdbuf();  // Save original bufferstd::cin.rdbuf(iss.rdbuf());// Run the function to testconvert_currency_to_us_dollars();// Restore original cinstd::cin.rdbuf(cin_buff);
}

这一版代码，整体有改进，但是仍存在问题：

输入：是通过 cin 给出的，需要改为函数参数; 提示信息应当作为应用程序（测试函数）的输入，而不是核心转换函数的输入
输出：是通过 cout 给出的，需要改为返回值; 错误输入时的报错信息，可以让应用程序给出

v3

float convert_currency_to_us_dollars(float currency, const std::string& type)
{constexpr float usd_per_jpy = 0.0068f; // Japan Yenconstexpr float usd_per_eur = 1.1027f; // Europeconstexpr float usd_per_gbp = 1.3126f; // Great British Poundif (type == "jpy"){return currency * usd_per_jpy;}else if (type == "eu"){return currency * usd_per_eur;}else if (type == "uk"){return currency * usd_per_gbp;}else{return -1.0;}
}void convert_currency_to_us_dollars_app()
{std::cout << "Please input currency value and type (one of: jpy, eur, gbp)\n";float currency;std::string type;std::cin >> currency >> type;float usd = convert_currency_to_us_dollars(currency, type);if (usd == -1.0f){std::cout << "error: invalid currency type: " << type << ". valid types: jpy, eur, gbp\n";return;}std::cout << currency << " " << type << " == " << usd << " usd\n";
}// Test function
void test_convert_currency_to_us_dollars()
{std::string test_input = "100 jpy\n"; // Change this to test other inputsstd::istringstream iss(test_input);// Redirect cin to use the stringstream inputauto cin_buff = std::cin.rdbuf();  // Save original bufferstd::cin.rdbuf(iss.rdbuf());// Run the function to testconvert_currency_to_us_dollars_app();// Restore original cinstd::cin.rdbuf(cin_buff);
}

这一版的代码，从原来的2级调用，改为3级。最内层的函数 convert_currency_to_us_dollars() 只负责转换，中间一层的函数 convert_currency_to_us_dollars_app() 则负责给出输入、输出的打印信息，最外层的 test_convert_currency_to_us_dollars() 则负责测试。

对于C++11，基本上就这样了；如果是C++17，可以用 std::optional 作为返回值类型。。。

switch-case 语句，可以一定程度上改进 if/else 语句，但是如果 case 中忘记写 break，编译器没有报错，也没有警告：

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不过， clang-tidy 可以会给出提示

4.5.1 使用函数

初学者，大概会写出如下代码：

void print_squares_v1(){for(int i=0;i<100;i++)cout<<i<<'\t'<<i*i<<'\n';
}

大概写了一年，注意到空格缩紧格式，会改进为：

void print_squares_v2()
{for (int i = 0; i < 100; i++)cout << i << '\t' << i * i << '\n';
}

但是，把什么内容都放在单个函数里，就缺乏了抽象层级；大概从业3年～10年，会意识到，要使用函数则可以把独立的任务加以封装，调用这个函数的地方，整体代码的逻辑更加清晰：

void print_square(int v)
{cout << v << '\t' << v * v << '\n';
}void print_squares_v3()
{for (int i = 0; i < 100; i++)print_square(i);
}

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4.6 vector

定义变量： vector<T>(n) v 指定了长度为n，类型为T。

.push_back() 增加元素.

.size() 获取 vector 的长度。

sort(v.begin(), v.end() 展示了 begin() 和 end() 成员函数用法。

总结

4.2 这一章节「目标和工具」，着重强调了代码结构和质量的重要性，值得仔细品味。

4.3.1 常量表达式举出了 pi 和 299792458 这两个例子，对代码可读性和可维护性的重要性做了展示。「面向概念编程」是我自创的词语，是和「面向信息编程」这种低效率、混乱代码相对立的。它也类似于「数学分析课本中注重概念，从而注重证明」，和「高等数学课本中注重计算」相对立；它也类似于人们说的「先理解再记忆」。

有了结构的代码，是有「二次生命」的代码；没有结构的代码，是「一次性的代码」，无法被拿去复用。对于具备规模的软件，它的代码应当是具有「二次生命」的代码。

4.4.1 通过展示 if/else 语句，表达了程序要检查输入合法性的思想，非法的输入会得到非法输出（GIGO, Garbage In, Garbage Out); 以及，程序只应当提供它承诺的功能，对于没承诺的功能，需要明确告知使用者「不支持」、「输入非法」。

通过编写 convert_currency_to_us_dollars() 函数，并多次重构，得到了不那么糟糕的实现。

4.4.1.3 给出了 switch/case 语句，强调了 case 缺少 break 时编译器没有错误和警告的问题，写的时候要注意。

4.5.1 通过 squares 的例子，给出了糟糕代码到好代码的改进。

4.6 是 vector 的一些操作。