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计算机基础(408) 3752字 19分钟

计算机基础综合速成（1）：编程语言（C/C++/Java）

作者

C、C++、Java三种编程语言相关概念辨析。大部分内容较为基本，疑难点见“常见内容问答”“核心概念对比”小节。

Hyplus目录

1 C和C++

1.1 基本辨析

C语言面向过程，重点在于算法和数据结构。C程序的设计首先考虑的是如何通过一个过程，对输入（或环境条件）进行运算处理得到输出，或实现过程（事务）控制。

C++语言面向对象，首先考虑的是如何构造一个对象模型，让这个模型能够契合与之对应的问题域，这样就可以通过获取对象的状态信息得到输出，或实现过程（事务）控制。它在C的基础上添加了面向对象、模板等现在程序设计语言的特性。它拓展了面向对象设计的内容，如类、继承、虚函数、模板和容器类等，使之更加符合现代程序设计的需要。

C++是C语言的继承，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计（泛型编程），还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计（面向对象编程），支持类、封装、继承、多态等特性。

1.2 关于面向对象

面向对象编程：面向对象是一种对现实世界理解和抽象的方法、思想，通过将需求要素转化为对象进行问题处理的一种思想。

类：类定义了事物的属性和它可以做的行为。一个类的方法或属性被称为成员。一个类所包含的数据和方法描述一组对象的共同属性和行为。类是在对象之上的抽象，对象则是对类的具象化，是类的实例。

封装性：封装使数据和加工该数据的方法（函数）封装为一个整体，把对象的设计者和对象的使用者分开，使用者不必知晓行为实现的细节。可以增加安全性。

继承性：继承是子类共享父类之间数据和方法的机制。一个类直接继承其他类的全部描述，可以对其进行修改和扩充。可以增强代码的复用性。

多态性：对象根据所接收的消息做出动作，同一消息被不同的对象接收时可能产生完全不同的行动，这种现象称为多态。可使不同内部结构的对象共享相同的外部接口。可以增加扩展性。

1.3 常见内容问答

  1. 指针和变量的自增自减有什么不同？
    • 变量的自增自减是改变变量的值；指针的自增自减是改变指针的指向地址。
  2. 宏定义与操作符的区别？
    • 宏定义是C/C++的预处理命令之一，它是一种替换操作，不执行计算和表达式求解，不占内存和编译时间。
  3. 虚函数和纯虚函数的特点？
    • 虚函数（virtual ReturnType functionName(Parameter) { ... }）：。必须是基类的非静态成员函数，其访问权限可以是protected或public。
    • 纯虚函数（virtual void functionName() = 0;）：虚函数的一个子集，含有纯虚函数的类就是抽象类，它不能生成对象。
  4. 如何使用纯虚函数？
    • 纯虚函数用于定义没有意义的实现，用于抽象类中需要交给派生类具体实现的方法。
  5. 值传递和引用传递的区别？
    • 值传递：传递的是值的副本，函数对形参的操作不会影响实参的值。
    • 引用传递：传递的是引用对象的内存地址，函数对形参的操作会影响实参的值，实参的值会随着形参的值的改变而改变。
  6. 引用和指针的区别？
    1. 引用无需解引用，指针需要解引用。
    2. 引用在定义时被初始化之后就不可变，指针可变。
    3. 引用不能为空，指针可以为空。
    4. 指针变量需要分配内存区域，而引用不需要分配内存区域。故指针自增操作是指针变量的自增，引用自增操作是变量值的自增。
  7. 面向过程和面向对象的区别？
    • 面向过程是一种以过程为中心的编程思想，以算法进行驱动。组成：程序=算法+数据。
    • 面向对象是一种以对象为中心的编程思想，以消息进行驱动。组成：程序=对象+消息。
  8. 面向对象的特征是什么？
    • 面向对象3要素：封装、继承、多态。面向对象中所有对象都可以归属为各种类。
  9. 结构体和类有什么区别？
    1. 结构体存储在栈中；类的实例化既可以存储在栈中，也可以存储在堆中。
    2. 结构体的执行效率比类要高。
    3. 结构体没有析构函数，类有析构函数。
    4. 结构体不可以继承，类可以继承。
  10. C++覆盖与隐藏概述？
    • 覆盖：子类和父类中，存在函数名与参数均相同的函数，并且父类的该函数为虚函数。
    • 隐藏：子类和父类中——
      1. 存在函数名相同、参数不同的函数，此时父类函数无论是否为虚函数都被隐藏。
      2. 存在函数名与参数均相同的函数，此时父类函数只有当不为虚函数时才会被隐藏。
  11. C++支持参数个数不确定的函数吗？
    • C++可以通过可变参数机制支持参数不确定的函数。
  12. 什么是内联函数？
    • 使用inline关键字修饰。可理解为将调用的函数体直接嵌入调用处，省去了调用时的参数传递、挂起和返回的开销，从而提高了程序的执行效率。在类声明的内部实现的函数自动成为内联函数。在内联函数内不允许有循环语句和switch语句，且无法递归调用。
  13. 什么是静态函数？如何使用静态函数？
    • 使用static关键字修饰。静态函数中不能使用this指针，只能访问静态变量。
    • 类中若某成员函数调用的结果不会访问或修改任何对象数据成员，则该函数声明为静态成员函数比较好。
  14. 什么是函数重载？
    • 函数重载是指在相同作用域下，函数名相同、参数列表不同的多个函数。
  15. 什么是函数模板？
    • 函数模板技术是指使用了模板（Template）技术定义了参数化类型的非成员函数，这使得程序能够使用不同的参数类型调用相同的函数。
  16. 什么是类模板？
    • 类模板是指使用模板技术的类，描述了能够管理其他数据类型的通用数据类型。类模板技术通常用于建立包含其他类型的容器类（链表、栈与队列等）。
  17. 什么是泛型编程？如何实现泛型编程？
    • 泛型编程就是以独立于特定类实现的方式编写代码，针对不同的类型提供通用的实现。
    • C++中使用模板技术来实现泛型编程，主要用于设计函数模板和类模板。

2 C++和Java

2.1 基本辨析

Java由C++发展而来，保留了C++的大部分内容。Java的编程方式类似于C++，但句法更清晰、规模更小、更易学。Sun公司曾对多种程序设计语言进行分析研究，取其精华去其糟粕，最终推出了Java。Java从根本上解决了C++的固有缺陷，形成了新一代面向对象的程序设计语言。

2.2 核心概念对比

  1. 解释与编译
    • Java是一种半编译半解释的解释型语言，其在执行时需要用JVM（Java虚拟机）解释成二进制形式。现代的Java语言除了这种解释执行方式外，还存在即时编译器（Just-In-Time compiler，JITC）技术和原型编译技术，运行效率大大提高。
    • C++是编译型语言，程序只能在特定操作系统上编译并在特定系统上运行，即一步到位变成机器语言。
  2. 关于指针
    • Java没有指针的概念。在C/C++中，指针操作内存时经常会出现错误；Java通过取消指针这一概念，有效防止了一系列由指针引起的操作层失误（如指针悬空造成的系统崩溃），更有利于Java程序的安全。
  3. 内存安全
    • Java是一种内存安全型语言，这意味着可以为给定数组分配任意参数，即使超出范围也只会返回错误提示。C++更为灵活，但代价是一旦分配的参数超出资源范围，则会引起错误甚至严重崩溃。
  4. 关于多重继承
    • Java不支持多重继承。多重继承允许多个父类派生一个子类，即一个类允许继承多个父类。尽管多重继承功能性很强，但使用复杂，且容易引起许多麻烦，编译器的实现开销也不小。因此Java不支持多重继承，但允许一个类实现多个接口，可见，Java既保留了C++多重继承的功能效果，又避免了C++的许多问题。
  5. 关于数据类型
    • Java是完全面向对象的语言，故所有方法和数据都必须是类的一部分。除了基本数据类型之外，其余类型的数据都作为对象型数据（例如字符串和数组）。类封装了数据和方法，这样每个对象都可实现具有自己特点的行为。C++仍可用面向过程的编码方式，定义全局变量和函数并进行调用，这容易增加程序负担。此外，Java还取消了C/C++中的结构体和联合，两者均可用类来实现，这使得编写程序更加简洁。
  6. 自动内存管理
    • Java自动进行无用内存回收操作，不再需要手动删除。Java程序中所有对象都可通过new操作符定义在堆栈上，这类似于C++中的new操作符。当Java中一个对象不再被用到时，无需手动使用内存回收器，在其被添加删除标签之后，无用内存回收器便会利用空闲时间在后台运行内存回收。而C++中必须由程序释放内存资源，这增加了编码负担。
  7. 关于操作符重载
    • Java不支持操作符重载。操作符重载是C++的突出特征之一，通过给操作符（Operator）赋予新的意义，可实现更为细致具体的运算等功能。要实现操作符重载，必须使用操作符重载函数，而运用函数就肯定会存在各种限制条件和特殊情况，特殊情况需要特殊处理，因此编写优质的操作符重载的过程相当繁琐。Java主打简洁性，毅然抛弃了操作符重载这一繁琐功能，但为了避免舍本逐末，Java仍可通过类来实现操作符重载所具有的功能。
  8. 关于预处理功能
    • C/C++在编译过程中都存在预处理阶段，由预处理器负责，它为编码提供了便利，但增加了编译的复杂性。Java允许预处理，但没有预处理器，而是提供了引入语句（import），与C++预处理器的功能类似。
  9. 关于缺省参数函数
    • Java不支持缺省参数函数，而C++支持。在C语言中，代码组织在函数中，函数可以访问程序的全局变量；C++引入了类，提供了类方法；Java类方法与C++类方法十分相似。由于C++仍支持C语言，故C++程序中仍可使用C的函数，结果导致函数和方法混合使用，使得程序编码混乱。而Java严格意义上讲没有函数（应称为方法），作为比C++更纯粹的面向对象的语言，Java强迫开发人员把所有例行程序包括在类中。事实上，用方法实现例行程序可激励开发人员更好地组织编码。
  10. 字符串
    • C和C++不支持字符串变量（STL容器除外），在C和C++程序中使用'/0'（NULL）终止符代码字符串的结束。在Java中，字符串使用类对象（String和StringBuffer等）来实现，在任何系统中建立字符串和访问字符串元素的方法都是一致的。Java字符串类是作为Java语言的一部分定义的，而不是作为外加的延伸部分。此外，Java还可以对字符串用+进行连接操作。
  11. 关于goto语句
    • 可怕的goto语句是C和C++的“遗物”，它是语言技术上的合法部分。goto语句又称为无条件转移语句，通常与条件语句配合使用，用于实现条件转移、构成循环、跳出循环体等功能。但是，在结构化程序设计中一般不主张使用goto语句，以免造成程序流程的混乱、使程序的可读性变差、增加程序调试的难度。Java尽管指定goto作为关键字，但不提供它的使用，这使程序更简洁易读。
  12. 关于类型转换
    • 在C和C++中，有时会出现数据类型的隐式转换，这涉及到强制类型转换问题，例如，在C++中可将一个浮点值赋予整型变量，这使得其小数部分被去掉。Java不支持自动强制类型转换，必须由程序显式地进行强制类型转换。

2.3 应用场景对比

Java侧重于大型企业级应用开发。Java是Android开发领域的首选语言之一，移动端开发者常选择它作为项目基础。此外，Java也常见于Web及桌面应用乃至服务端应用开发。

C++侧重于底层应用开发。C++更接近机器语言，因此其软件运行速度更快，且能够直接与计算机内存、磁盘、CPU或其他设备进行协作。此外，C++也能为游戏提供良好的运行性能。

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