C++ Primer 第三版 核心觀念闡述

本文件旨在提取並詳盡解釋《C++ Primer 第三版》一書（包含譯序及前言至第二十章）中的主要論點與觀念。

譯序與前言：理解 C++ 的演進與本書的特色

譯序和前言部分共同為讀者建立了理解 C++ 語言及其本書價值觀念的基礎。核心論點包括：

1. C++ 的成熟與標準化： C++ 是一門有近 20 年歷史的傳統語言，但也因 1998 年完成 ISO 標準化而成為一門「新」語言。標準化帶來了語言特性的統一、標準函式庫的建立以及更好的程式碼可移植性。本書正是基於這個新標準來闡述 C++，強調不應再將 C++ 簡單地視為 C 語言的超集。
2. 標準函式庫的重要性： 標準 C++ 引入了覆蓋面極廣的標準函式庫，特別是以前稱為 STL（Standard Template Library）的部分，包含了容器（如 vector, list, map, set）和泛型演算法。這大大豐富了 C++ 的基礎設施。
3. C++ 對多重程式設計範式的支援： C++ 不僅支援物件導向（Object-Oriented）程式設計，也支援程序式（Procedural）和基於物件（Object-Based，即抽象資料類型）的程式設計。這種多範式支援使得 C++ 能夠為不同的問題提供最適合的解決方案，但也增加了語言的複雜性。
4. 本書的權威性與深度： 本書由 C++ 領域的專家和標準委員會成員撰寫，結合了實作經驗與標準規範，具有權威性。儘管名為 “Primer”，本書內容深入，涵蓋了許多 C++ 的複雜特性，如函式重載解析、模板機制、異常處理等。因此，本書並非輕量的入門讀物，需要讀者投入時間反覆閱讀和練習。
5. 本書的結構與特色： 本書結構清晰，圍繞一系列可擴展的範例來介紹語言特性，這有助於讀者理解特性背後的動機和實際用法。特色包括：內容廣泛、提供大量實用範例、敘述安排體現多範式特點、與編譯器無關且遵從標準、提供配套練習。

第一篇：C++ 概述 (Chapters 1-2)

這部分提供了對 C++ 全貌的快速瀏覽，介紹了問題解決的基本策略以及 C++ 語言的一些核心概念和機制。

第一章 開始：程式的基礎構成

本章從解決問題的方法（分而治之、逐步求精）入手，介紹了 C++ 程式的基礎構成元素：

1. 程式的基本單位： 程式由陳述句 (statement) 組成，最簡單的是空陳述句。表達式 (expression) 是動作，以分號結尾的表達式可構成陳述句（如宣告、賦值、輸出）。
2. 函式與 main()： 函式 (function) 是將陳述句按邏輯語義分組的命名單元。每個 C++ 程式必須包含 main() 函式，它是程式執行時的第一個函式。函式由返回類型、函式名、參數表和函式體組成，可使用 return 陳述句返回值。
3. 編譯與執行： C++ 程式的建立涉及原始程式碼檔案（通常有 .c, .C, .cxx, .cpp 等後綴）的編寫、預處理 (preprocessing)、編譯 (compilation)、連結 (linking) 生成可執行檔。編譯器會檢查語法錯誤和類型錯誤。
4. 基本資料類型： 介紹了 C++ 內建的算術類型 (char, int, short, long, float, double, long double) 和布林類型 (bool)，以及它們的有符號/無符號、長度差異。
5. 標準函式庫基礎： 初步引入標準函式庫提供的抽象類型，如 string 和 vector，並指出這些類型也是基於 C++ 的類機制實現的。
6. 流程控制： 介紹了 if 陳述句用於條件執行，以及 while 和 for 迴圈用於重複執行。
7. 預處理器指令： 介紹 #include 用於包含頭文件， #ifndef/#define/#endif 用於防止頭文件重複包含，#ifdef 用於條件包含程式碼。提及預定義的預處理器宏和 C 標準庫的 assert() 宏。
8. 註解： 介紹 /* */ 和 // 兩種註解形式及其用法，強調註解的有效性。
9. 基本輸入/輸出： 介紹 iostream 庫，預定義的 cin, cout, cerr 物件，以及 << (輸出) 和 >> (輸入) 操作符，endl 操縱符，並初步展示文件輸入輸出 (fstream)。

第二章 C++瀏覽：多範式與核心機制預覽

本章通過一個具體的範例（數組抽象的演進）快速預覽了 C++ 對不同程式設計範式的支援以及幾個核心機制：

1. 內建數組的限制： 介紹內建數組作為同類型元素的集合，使用下標 [] 訪問元素。指出其限制，如不支援整體操作（賦值、比較）、缺乏自我意識（大小未知）以及作為函式參數時的限制。
2. 動態記憶體與指標： 簡要介紹動態記憶體分配 (dynamic memory allocation) 的概念（使用 new 和 delete），以及指標 (pointer) 作為存放記憶體地址的類型，用於間接操作對象，特別是動態分配的對象。
3. 基於物件的設計 (類)： 引入類 (class) 機制作為支援抽象資料類型的方式。介紹類定義 (class head, class body, public/private 訪問控制)、成員函式 (member function / method) 和資料成員 (data member)。通過 IntArray 類展示如何將操作（賦值、比較、查找、排序等）和數據封裝在一起，實現資訊隱藏 (information hiding)，並利用內聯函式 (inline function) 提高效能。介紹構造函式 (constructor) 作為自動初始化的機制和函式重載 (function overloading)。
4. 物件導向的設計 (繼承與虛擬函式)： 在基於物件設計的基礎上，引入繼承 (inheritance) 和動態綁定 (dynamic binding) 機制，支援物件導向。通過 IntArray 派生 IntArrayRC (帶範圍檢查) 展示繼承如何實現程式碼重用。介紹基類 (base class) 和派生類 (derived class / subtype) 的關係 (is-a)，保護 (protected) 訪問級別。引入虛擬函式 (virtual function) 實現動態綁定，使得通過基類指標/引用呼叫方法時，實際執行的函式根據對象的實際類型在執行時決定。
5. 泛型設計 (模板)： 引入模板 (template) 機制，允許將類型或值參數化。通過將 IntArray 泛化為 Array 模板，展示如何自動生成處理不同類型元素的類實例。介紹函式模板 (swap) 作為自動生成處理不同類型參數的函式的方式。
6. 異常處理： 初步介紹異常 (exception) 作為運行時不正常情況的表示，以及 try, throw, catch 關鍵字構成的異常處理機制。
7. 名字空間： 介紹名字空間 (namespace) 機制，用來封裝名字，避免全域名字衝突，特別是標準函式庫中的名字被放在 std 名字空間中。介紹合格名字 (qualified name) 和 using 指示符/宣告。
8. 標準函式庫容器與演算法： 再次提及 vector 作為標準庫提供的數組抽象（相對於內建數組的優勢），並首次介紹泛型演算法 (generic algorithm) 可以操作容器元素，如 sort, find。提及 map 關聯容器。

第二篇：基本語言 (Chapters 3-6)

這部分深入探討了 C++ 程式的基本構成要素：資料類型、表達式和陳述句。

第三章 C++資料類型：程式碼的基石

本章詳細介紹了 C++ 支援的各種資料類型：

1. 資料類型總覽： 強調資料類型決定了記憶體大小、值範圍及可應用操作。介紹內建數值類型、字元類型、布林類型，以及標準函式庫的 string、complex、vector 和 pair 等抽象類型。
2. 文字常量： 詳細介紹各種類型文字常量的寫法、類型後綴、轉義序列，並指出字符串文字是常量字元數組。
3. 變數： 定義變數為具名記憶體儲存區，具備類型、值和地址（左值/右值）。區分宣告 (declaration) 與定義 (definition)。討論變數命名規則、初始化方式（顯式賦值、括號初始化、預設初始化、成員初始化列表），並指出未初始化對象的危險性。
4. 指標類型： 詳細介紹指標作為存放地址的類型，指標的類型決定了對記憶體內容的解釋方式。void* 作為通用指標。解引用操作符 * 訪問指標指向的對象。指標算術運算及其在數組遍歷中的應用。
5. 字串類型： 再次討論 C++ 的兩種字串表示：C 風格字串（char* 和 C 庫函式）和標準庫 string 類型（作為物件導向抽象的優勢、常用操作：大小、空判斷、賦值、比較、連接、查找、子字串、替換、c_str() 轉換）。
6. const 限定修飾符： 介紹 const 使對象成為常量（只讀），必須初始化。const 對指標和引用的影響（指向 const 的指標 vs. const 指針），在函式參數中的應用。
7. 引用類型： 介紹引用作為對象的別名，必須初始化且不能重新綁定。引用作為函式參數（傳遞大型對象、返回多個值）的常用場景。區別引用與指標。
8. 布林類型： true 和 false 文字常量。與整數類型的自動轉換。
9. 枚舉類型： enum 定義具名整數常量的集合，每個枚舉定義一個獨立類型，限制值的有效範圍。
10. 數組類型： 再次詳細介紹內建數組的定義、初始化、索引（從 0 開始）、多維數組。指出其不支持整體操作和缺乏自我意識的限制。數組名可被解釋為指向首元素的指標，引入數組與指標的關係。
11. vector 容器類型： 再次介紹 vector 作為內建數組的替代，提供更豐富的操作（大小、空判斷、插入、刪除、與其他 vector 的初始化/賦值），支持動態增長。介紹數組習慣和 STL 習慣兩種用法。
12. complex 類型： 標準庫複數類型，支持算術操作和 I/O。
13. typedef 名稱： 為已有類型提供別名，提高可讀性，簡化複雜宣告。
14. volatile 限定修飾符： 指出對象的值可能在編譯器控制外改變，影響編譯器優化。
15. pair 類型： 標準庫類型，在單一對象中組合兩個值。
16. 類類型： 再次引入類作為定義新類型的方式，通過 String 類初步展示類成員、操作符重載、構造函式、析構函式等概念。

第四章 表達式：如何運算與控制流程細節

本章深入探討 C++ 的表達式以及如何組合操作符和控制運算流程：

1. 表達式構成： 表達式由操作數 (operand) 和操作符 (operator) 組成，單元或複合。
2. 算術操作符： +, -, *, /, %。整數除法的截斷，求餘 (%) 的限制與符號問題。算術異常（溢出、下溢）可能導致未定義行為。
3. 等於、關係、邏輯操作符： ==, !=, <, >, <=, >= 返回布林值。!, &&, || 邏輯操作符。&& 和 || 的短路求值特性及其應用。關係操作符的潛在陷阱（運算順序未定義、鏈式比較）。
4. 賦值操作符： = 將右值賦給左值。+=, -=, 等複合賦值操作符。賦值操作符的左操作數必須是左值。賦值表達式本身有返回值。
5. 遞增與遞減操作符： ++, -- 用於加一或減一。前置 (++var) 和後置 (var++) 形式的區別及其在棧實現中的應用示例。
6. 複數操作： 標準庫 complex 類型支持內建算術操作符、複合賦值操作符、I/O 操作符等，可與內建類型混合運算。
7. 條件操作符： expr1 ? expr2 : expr3 作為簡單 if-else 的替代。
8. sizeof 操作符： 返回對象或類型名的位元組數。結果是 size_t 類型。用於數組時返回整個數組大小。在編譯時計算，是常量表達式。
9. new 和 delete 表達式： 動態記憶體分配與釋放。new type(value) 分配並初始化單個對象。new type[size] 分配數組（內建類型不初始化）。delete pointer 釋放單個對象。delete [] pointer 釋放數組。動態分配對象是無名的。忘記釋放導致記憶體洩漏。誤用 delete 的危險。
10. 逗號操作符： , 串聯表達式，從左到右求值，結果是最右邊表達式的值。
11. 位操作符： ~, <<, >>, &, ^, |。操作數被解釋為位集合。與布林邏輯操作符的區別。
12. bitset 操作： 標準庫 bitset 類提供位集合抽象，相比直接操作整數位更安全、易用。提供設置、測試、翻轉、計數、大小等操作。
13. 操作符優先級： 決定複合表達式中操作的求值順序。括號可改變優先級。關聯性決定相同優先級的操作符求值順序。
14. 類型轉換： 發生在混合類型表達式、賦值、函式參數/返回值等場景。
    • 隱式類型轉換：編譯器自動進行的標準轉換。
    • 算術轉換：提升操作數至共同類型以防止精度損失。
    • 顯式類型轉換：使用 static_cast, const_cast, dynamic_cast, reinterpret_cast 強制轉換，可能繞過類型檢查，存在危險。
    • 舊式強制類型轉換：C 語言風格的 (type)expr 或 C++ 風格的 type(expr)，功能更廣泛但也更危險、可讀性差。

第五章 陳述句：程式的流程控制

本章詳細介紹了 C++ 中控制程式執行流程的陳述句：

1. 簡單與複合陳述句： 單個陳述句以分號結束。複合陳述句 {} 包圍多個陳述句，形成一個區塊 (block)，可替代單個陳述句。空陳述句 ; 和空複合陳述句 {}。
2. 宣告陳述句： 變數定義 (int ival;) 可出現在任何允許陳述句的地方，實現宣告的局部性 (locality of declaration)。在控制結構（if, switch, for, while）條件中宣告變數。
3. if 陳述句： 條件執行。if (condition) statement 和 if (condition) statement1 else statement2。condition 可為表達式或宣告。空懸 else 問題及其解決方法。 if-else 鏈。
4. switch 陳述句： 從一組互斥常量值中選擇執行路徑。case 標籤必須是常量表達式。break 陳述句跳出 switch。省略 break 導致穿透 (fallthrough)。default 標籤處理所有不匹配的情況。陷阱：忘記 break、case 值非法或重複、在 case 中宣告未用 {} 包圍。
5. for 迴圈陳述句： 常見用於遍歷固定長度數據結構。包含初始化、條件、表達式三部分。可省略部分或全部。初始化部分可宣告變數，其作用域通常僅限於 for 迴圈及其嵌套區塊。
6. while 迴圈陳述句： 當條件為真時重複執行。條件可為表達式或宣告。
7. do-while 迴圈陳述句： 至少執行一次，然後再測試條件。條件只能是表達式。
8. break 陳述句： 跳出最內層的 while, do-while, for 或 switch 陳述句。
9. continue 陳述句： 跳過當前迴圈迭代的剩餘部分，開始下一次迭代。僅用於迴圈陳述句。
10. goto 陳述句： 無條件跳轉到同一函式內的標號 (label)。不鼓勵使用，使程式碼流程難以理解和維護。不能跳過未用 {} 包圍的宣告。
11. 鏈表範例： 通過實現單向鏈表類 (ilist 和 ilist_item) 練習陳述句的用法，並逐步引入成員函式、構造/析構函式、指標、引用、操作符重載等概念。

第六章 抽象容器類型：處理集合數據

本章聚焦於標準函式庫提供的容器類型，特別是序列容器和關聯容器：

1. 容器概述： 容器是處理集合數據的抽象。序列容器（vector, list, deque）和關聯容器（map, set, multimap, multiset）。
2. vector vs. list： 比較兩種序列容器的優劣勢（隨機訪問、插入/刪除效率、記憶體連續性），提供選擇容器的準則。
3. vector 的動態增長： vector 通過預留 (reserve) 容量和重新分配 (reallocation) 實現高效增長，而非每次插入都重新分配。討論容量 (capacity) 與長度 (size) 的區別，不同類型元素對增長效能的影響。reserve() 成員函式。
4. 定義序列容器： 使用 <vector>, <list>, <deque> 頭文件。介紹各種初始化方式（空容器、指定長度、指定長度並賦初值、用迭代器對或指標對初始化、用另一個容器初始化）。resize() 改變長度。容器之間關係操作符（比較）。容器元素類型必須滿足的要求（相等、小於、預設值）。
5. 迭代器： 迭代器 (iterator) 提供通用遍歷容器的方式。begin() 指向首元素，end() 指向尾後位置。++ 前進，* 解引用。const_iterator 用於遍歷常量容器。迭代器算術僅適用於隨機訪問迭代器。迭代器對可標記範圍，用於初始化或傳遞給演算法。istream_iterator 和 ostream_iterator 用於流。
6. 序列容器操作： push_back(), push_front(), insert() (在指定位置插入單個/多個/範圍元素)。erase() (刪除單個/範圍元素), pop_back(), pop_front() (刪除首尾元素)。賦值 (=) 和交換 (swap()) 操作。
7. 泛型演算法： 再次強調泛型演算法 (generic algorithm) 獨立於容器類型，通過迭代器對操作元素。許多容器操作（如 find, sort）是作為泛型演算法提供的。
8. 文字查詢系統範例 (部分)： 通過實現文字查詢系統逐步展示容器用法。
   • 儲存文本行：使用 vector<string> 儲存文件內容，getline() 讀取每行。
   • 查找子字串：使用 string 的查找操作 (find, find_first_of, find_last_of, rfind, find_first_not_of, find_last_not_of) 將行分解為單詞。substr() 提取子字串。
   • 處理標點符號：使用 find_first_of() 和 erase() 移除單詞中的標點。
   • 處理其他格式：使用 tolower() 處理大小寫，初步處理單詞後綴。
   • 其他 string 操作：erase() (用迭代器或位置/數量刪除)，insert() (在指定位置插入字串/字元)，assign() 和 append() (賦值和附加)，swap(), at() (帶範圍檢查的字元訪問), compare() (字典序比較), replace() (替換子字串)。
9. map 關聯容器： 介紹 map 作為鍵/值對集合，通過鍵索引值，元素有序。用於建立單詞位置映射表（單詞作為鍵，位置向量作為值）。定義 map (map<Key, Value>), 插入元素（下標操作符 vs. insert()), 查找 (count(), find())，遍歷 map (迭代器指向 pair 物件)，刪除 (erase())。
10. 建立單詞排除集 (set)： 介紹 set 作為具備唯一鍵值的集合，用於判斷值是否存在，元素有序。用於建立排除無意義單詞的集合。定義 set (set<Type>), 插入元素 (insert()), 查找 (count(), find()), 遍歷 set。inserter 迭代器适配器用於插入元素。
11. multimap 和 multiset： 介紹 multimap 和 multiset 允許鍵重複，與 map 和 set 相似。訪問重複鍵的元素需要迭代器 (find() 結合 count() 或 equal_range())。不支持下標操作符。
12. stack： 標準庫 stack 作為容器適配器，預設由 deque 實現，支援後進先出 (push, pop, top, size, empty)。
13. queue 和 priority_queue： queue 支援先進先出 (push, pop, front, back, size, empty)。priority_queue 支援按優先級獲取元素。

第三篇：基於過程的程式設計 (Chapters 7-12)

這部分詳細探討了 C++ 中如何將基本語言元素組織成函式，以及相關的機制和特性。

第七章 函式：程式碼的組織單元

本章詳細介紹了函式的定義、宣告和使用：

1. 函式概述： 函式是程式碼的組織單元，包含一組實現特定任務的陳述句。函式由返回類型、名稱、參數列表和主體組成。main() 是程式入口。函式呼叫 (invocation) 涉及參數傳遞。函式需要先宣告 (declaration) 後使用。函式宣告（原型 function prototype）描述介面。
2. 函式原型： 返回類型（可為大多數類型，不可為數組或函式類型）、參數列表（逗號分隔的參數類型，可選參數名，空參數列表可用 void 表示）。參數類型檢查 (strong type-checked)。
3. 參數傳遞： 參數傳遞方式決定了函式如何接收實參 (argument)。
   • 按值傳遞 (pass-by-value)：預設方式，傳遞實參值的拷貝。函式內修改不影響實參。
   • 指標參數：傳遞實參地址，函式可間接修改實參。
   • 引用參數 (reference parameter / pass-by-reference)：傳遞實參的左值，函式可直接修改實參。常用於傳遞大型對象或返回多個值。const 引用參數用於傳遞大型對象同時保證不修改。指標引用。
   • 數組參數：數組永遠不按值傳遞，實質是傳遞指向首元素的指標。函式內修改影響原始數組。函式不知數組長度，常需額外參數。數組的引用參數包含數組長度資訊。
   • 抽象容器類型參數：容器可按值或按引用傳遞。按引用傳遞效率更高。
   • 預設實參 (default argument)：為參數指定預設值，呼叫時可省略相應實參。預設實參必須從右邊開始指定。
   • 省略號 (ellipsis)：... 暫停類型檢查，允許傳遞未知數目和類型的實參。
4. 返回值： return 陳述句結束函式並可返回值。返回 void 表示無返回值。返回值按值傳遞（預設）。可返回指標或引用。返回局部對象的引用是錯誤的。返回值也可以用作左值。函式參數和返回值 vs. 全域對象：建議通過參數傳遞而非全域對象進行函式間通信。
5. 遞歸： 函式直接或間接呼叫自身。必須有停止條件。
6. 內聯函式： inline 關鍵字建議編譯器將函式體在呼叫點展開，消除函式呼叫開銷，用於優化小型頻繁呼叫函式。只是建議，非保證。內聯函式定義通常放在頭文件中。
7. 連結指示符： extern "C" 等用於指定與其他語言編寫的函式（如 C 函式）的連結規則。可為單一陳述句或複合陳述句。
8. main()： 程式的入口。可接收命令行參數 int argc, char *argv[]。
9. 指向函式的指標： 指標可指向函式。宣告語法（返回類型 (*指標名)(參數列表)）。初始化與賦值。通過指標呼叫函式。函式指標的數組。用作函式參數或返回值。指向 extern "C" 函式的指標。

第八章 域和生命期：名字的有效範圍與對象的存活時間

本章探討名字在程式碼中的可見範圍（域）以及對象在運行時的存活時間（生命期）：

1. 域： C++ 中的每個名字都指向唯一的實體，域是名字的語義上下文。包括全域域 (global scope / global namespace scope)、局部域 (local scope / function block)、類域 (class scope)、名字空間域 (namespace scope)。名字解析 (name resolution) 是將表達式中的名字與宣告關聯的過程。
2. 局部域： 函式定義或複合陳述句內的區域。可嵌套。名字解析從內向外查找。在控制結構（for, if, switch, while）條件中宣告的變數作用域。
3. 全域對象和函式： 在全域域宣告的對象 (global object) 和函式 (global function)。程式整個執行過程中存在。全域對象/非內聯函式在程式中只能定義一次 (ODR, One Definition Rule)。宣告 vs. 定義 (extern 關鍵字)。不同文件間宣告的匹配。類型安全連結 (type-safe linkage)。頭文件的作用（局部性、一致性）。
4. 局部對象： 在局部域宣告的對象。包括自動對象 (automatic object)、寄存器對象 (register object)、局部靜態對象 (local static object)。區別在於存儲區屬性與生命期。自動對象在函式呼叫時分配，結束時釋放（棧上）。寄存器對象是建議放在寄存器中的自動對象。局部靜態對象程式執行期間一直存在，首次執行到宣告點時初始化。未初始化自動對象值未指定，局部靜態對象初始化為 0。返回局部對象的地址是錯誤的（空懸指標）。
5. 動態分配的對象： 使用 new 和 delete 在空閒儲存區 (free store / heap) 分配和釋放的對象，生命期由程式員控制。可分配單個對象或數組。數組長度可在運行時確定。
   • 單個對象分配：new type(value) 分配並可初始化。返回指標。
   • 釋放：delete pointer。誤用 delete 的危險（記憶體洩漏、重複刪除、使用已釋放記憶體）。
   • auto_ptr：標準庫模板，自動管理動態分配的單個對象，防止記憶體洩漏。支持所有權概念。
   • 數組分配：new type[size]。delete [] pointer 釋放。
   • 常量對象：可在空閒儲存區創建 const 對象。
   • 定位 new：new (address) type 在指定記憶體位址構造對象。無對應 delete 操作符。
6. 名字空間定義： namespace 封裝名字，解決全域名字空間污染。定義 (namespace name { ... }) 可非連續。名字空間成員使用合格名字 (namespace_name::member_name) 引用。嵌套名字空間。定義可在名字空間定義之外（需合格名字）。ODR 適用於名字空間成員。未命名名字空間 (namespace { ... }) 定義局部於檔案的實體。
7. 使用名字空間成員： namespace alias 為名字空間提供別名。using declaration (using namespace_name::member_name) 使特定名字空間成員在特定作用域可見。using directive (using namespace namespace_name) 使整個名字空間的成員在特定作用域可見。std 名字空間及其使用（建議使用 using 宣告）。

第九章 重載函式：使用同一個名字實現不同行為

本章詳細介紹了 C++ 中的函式重載機制：

1. 重載函式宣告： 允許兩個或更多函式共享同一個名字，只要參數列表不同。參數列表（數量或類型）是函式的標誌。返回類型不能區分重載函式。 const 和 volatile 對指標/引用的影響可區分。typedef 不能區分。作用域和重載：同一作用域中的同名函式才能重載。using 宣告/指示符可將基類或名字空間的函式引入作用域並形成重載集。extern "C" 函式不能重載。
2. 重載解析的步驟： function overload resolution 是將函式呼叫與重載函式集中的一個函式匹配的過程。
   • 確定候選函式 (candidate function)：同名且在呼叫點可見的函式，包括與實參類型相關的名字空間中的函式和友元函式。
   • 確定可行函式 (viable function)：能用呼叫中指定的實參呼叫的候選函式（參數數量匹配，實參可轉換為參數類型）。
   • 選擇最佳可行函式 (best viable function)：根據實參類型轉換的等級選擇最佳匹配的函式。
3. 參數類型轉換： 實參可轉換為函式參數類型，轉換分級影響重載解析。
   • 精確匹配 (exact match)：類型完全匹配或只需要最小轉換（左值轉右值、數組轉指標、函式轉指標、限定修飾符轉換）。
   • 提升 (promotion)：小整數類型、float、枚舉、布林類型提升到更大或標準類型。
   • 標準轉換 (standard conversion)：其他整數/浮點/浮點-整數轉換、指標轉換（0 到指標、任何指標到 void*）、布林轉換。
   • 引用參數：實參必須是引用的有效初始化值才可行。
4. 重載解析細節： 詳細闡述三步驟過程。候補函式來源。可行函式判斷（參數數量、類型轉換）。最佳可行函式選擇（比較實參轉換序列等級）。函式實參上的轉換序列 구성 (左值轉換、提升/標準轉換、限定修飾符轉換)。比較兩個轉換序列等級。缺省實參如何影響可行函式。

第十章 函式模板：程式碼的通用化

本章介紹函式模板，實現程式碼的通用化：

1. 函式模板定義： template <parameter list> 定義通用的函式算法，參數列表可包含類型參數 (class Type 或 typename Type) 和非類型參數 (int size 等常量表達式)。函式主體使用這些參數作為佔位符。
2. 函式模板實例化： 編譯器根據函式呼叫或取址時提供的實際類型/值，從模板定義自動生成函式實例 (template instantiation)。這個過程是隱式的。point of instantiation。
3. 模板實參推演： 編譯器根據函式實參的類型推斷模板實參的類型和值。允許的實參轉換有限制（左值轉換、限定修飾符轉換、派生類轉基類）。
4. 顯式模板實參： 在某些情況下推演可能失敗或期望特定實例，可顯式指定模板實參 (template <Args> function(args) 或 function<Args>(args))。
5. 模板編譯模式： 如何組織程式碼以定義和使用模板。
   • 包含模式 (inclusion model)：模板定義放在頭文件中，在使用實例的文件中包含頭文件。
   • 分離模式 (separation model)：宣告放頭文件，定義放實現文件。export 關鍵字標記定義（部分編譯器支持）。
   • 顯式實例宣告 (explicit instantiation declaration)：template function<Args>(); 要求編譯器在指定位置實例化模板。
6. 模板顯式特化： template<> return_type function<Args>(params) { ... } 為特定模板實參集合提供不同的實現，覆蓋通用模板定義生成的實例。
7. 重載函式模板： 函式模板可以重載。不同函式模板可有相同名稱，只要參數列表不同。
8. 重載解析與模板函式實例： 函式呼叫可能匹配普通函式或函式模板的實例。重載解析過程會考慮模板實例，根據實參轉換等級選擇最佳匹配。如果通用模板和特化都匹配，特化優先。如果普通函式和模板實例都匹配，普通函式優先。
9. 模板定義中的名字解析： 分兩階段進行。不依賴模板參數的名字在模板定義時解析。依賴模板參數的名字在模板實例化時解析。
10. 名字空間與函式模板： 函式模板可在名字空間中定義。特化宣告需在名字空間內。

第四篇：基於物件的程式設計 (Chapters 13-16)

這部分詳細介紹了 C++ 的類機制及其相關特性，以支援抽象資料類型和物件的創建與使用。

第十三章 類：定義自己的資料類型

本章介紹類作為定義使用者自訂類型的方式：

1. 類定義： class ClassName { member-list }; 類頭與類體。類定義引入一個獨立的類類型和類域 (class scope)。
2. 資料成員： 類中儲存資料的變數。可為任意類型。不可在類體中直接初始化（除了 const static 整數類型）。
3. 成員函式： 類中定義的操作。宣告在類體中，定義可在類內或類外（需使用類域操作符 ClassName::）。成員函式具備訪問類的私有成員的特權。可重載。const 成員函式不修改資料成員。volatile 成員函式。特殊成員函式（構造、析構、賦值、轉換）。
4. 成員訪問： 使用 . (對象/引用) 或 -> (指標) 操作符訪問成員。
5. 資訊隱藏： public, private, protected 訪問控制。private 成員只能由成員和友元訪問，protected 成員由成員、友元和派生類訪問，public 成員可在任何地方訪問。通常資料成員設為私有，成員函式設為公有。
6. 友元： friend 關鍵字授予函式或類訪問另一個類私有成員的權限。可以是全域函式、其他類的成員函式或整個類。友元不是成員，不受訪問控制影響。常用於重載操作符。
7. 類宣告與定義： 類可只宣告 (class ClassName;)，但不定義。只宣告的類只能用於聲明指標或引用。完整定義提供成員和大小信息。
8. 類對象： 定義類對象才分配記憶體。每個對象有自己的資料成員拷貝。對象有域和生命期。可互相初始化/賦值。可聲明指標和引用。通過成員訪問操作符訪問成員。
9. this 指標： 每個非靜態成員函式都隱含一個 this 指標，指向呼叫該函式的對象。用於訪問當前對象的成員。可顯式使用。常用於讓成員函式返回對象自身的引用（支援鏈式呼叫）或比較對象地址（防止自我賦值）。
10. 靜態類成員： static 資料成員所有對象共享一份拷貝。static 成員函式不操作特定對象，沒有 this 指標，只能訪問靜態成員。通過類名或對象/指標訪問靜態成員。
11. 指向類成員的指標： 指向非靜態資料成員 (Type ClassName::*) 或非靜態成員函式 (ReturnType (ClassName::* PointerName)(Params)) 的指標。與普通指標不同，需要綁定到特定對象才能訪問。靜態成員地址是普通指標。
12. 聯合： union 節省空間的類，成員共用記憶體。同一時間只有一個成員有值。匿名聯合。誤用危險性。
13. 位域： bit-field 節省空間的資料成員，儲存特定位數。

第十四章 類的初始化 賦值和析構：對象的生命始末

本章詳細介紹類對象生命周期開始和結束時的自動行為：

1. 類初始化： 類對象首次使用前自動初始化。公共資料成員類可使用顯式初始化列表 {}（C 風格）。構造函式 (constructor) 是用於初始化的特殊成員函式，與類同名，無返回值，可重載。缺省構造函式 (default constructor) 無需實參。explicit 關鍵字抑制單參數構造函式的隱式轉換。構造函式可設為私有限制創建。
2. 成員初始化表： ClassName() : member(value), ... { ... } 在構造函式原型後用冒號分隔成員和初始值列表。用於顯式初始化成員類對象或 const/引用成員。成員初始化順序由宣告順序決定。
3. 拷貝構造函式： ClassName(const ClassName&) 用同類對象初始化新對象。預設是按成員初始化 (default memberwise initialization)。對於包含指標或需要唯一性（如帳號）的成員，預設行為可能不夠，需提供顯式拷貝構造函式實現正確語義（如深拷貝或生成新 ID）。拷貝構造函式通常是 const 引用的參數。不提供顯式定義可防止拷貝。
4. 析構函式： ~ClassName() 對象生命期結束時自動呼叫。無返回類型、無參數。用於釋放資源（如 new 分配的記憶體、互斥鎖）。只有需要釋放資源的類才需要析構函式。可顯式呼叫析構函式（常與定位 new 結合）。
5. 類對象數組和 vector： 數組元素用缺省構造函式初始化。可用初始化列表提供實參。動態分配數組 (new type[size]) 要求類有缺省構造函式，元素用缺省構造函式初始化。delete [] pointer 釋放數組（需 [] 確保呼叫每個元素的析構函式）。堆上數組初始化可結合定位 new。vector 的元素初始化也涉及構造和拷貝構造函式，效率考量。
6. 按成員賦值： ClassName& operator=(const ClassName&) 對象賦值。預設行為是按成員賦值 (default memberwise assignment)，涉及隱含的拷貝賦值操作符。對包含指標或需要唯一性的成員，預設行為不足，需提供顯式拷貝賦值操作符，通常要檢查自我賦值 (this != &rhs)。可設為私有防止賦值。
7. 效率問題： 通過指標/引用傳遞對象通常比傳值高效。返回指標/引用也比按值返回高效。命名返回值最佳化 (named return value optimization) 可能將按值返回轉換為按引用返回。初始化通常比賦值更高效。

第十五章 重載操作符和使用者定義的轉換：擴充語言表達能力

本章介紹重載操作符和使用者定義的轉換，使類型的使用更靈活：

1. 操作符重載： 為類類型定義預定義操作符的行為。使用 operator symbol 作為函式名。可為成員函式或非成員函式。非成員操作符需要顯式參數代表操作數。
2. 成員 vs. 非成員： 特定操作符必須是成員（=, [], (), ->, new, delete）。非成員操作符常用於對稱操作（如 ==），可解決成員操作符左操作數必須是類類型限制。非成員操作符常需設為友元訪問私有成員。
3. 操作符=： 除了拷貝賦值，可重載接受其他類型參數的 =。
4. 操作符[]： 為容器類定義下標訪問。返回類型常為引用（支援左值）。
5. 操作符()： 重載函式呼叫操作符，用於函式對象。
6. 操作符->： 重載成員訪問箭頭操作符，用於智慧指標等。
7. 操作符++和–： 重載遞增/遞減操作符。需定義前置和後置版本（後置版本有額外 int 參數）。
8. 操作符new和delete： 重載全域 new()/delete() 或定義類成員 operator new()/operator delete() 接管特定類的記憶體管理。類成員版本需指定 size_t 參數。可重載定位 new。陣列版本 new[]/delete[]。
9. 使用者定義的轉換： 定義將類類型轉換為其他類型的方式。
   • 轉換函式 (operator type())：定義單向轉換（類 -> 其他類型）。無返回類型、無參數。
   • 構造函式作為轉換函式：單參數非顯式構造函式定義單向轉換（其他類型 -> 類）。explicit 關鍵字抑制隱式轉換。
10. 選擇一個轉換： 當存在多個使用者定義轉換可行時，編譯器選擇最佳序列。根據轉換函數後的標準轉換等級或構造函式前的標準轉換等級比較。
11. 重載解析和繼承： 繼承影響重載解析過程。
    • 候補函式：包含基類的成員、基類名字空間的函式、基類友元函式。
    • 可行函式和使用者定義轉換序列：考慮繼承來的轉換函數和構造函式。將派生類轉基類/指標/引用是標準轉換。
    • 最佳可行函式：繼承來的轉換會參與等級比較。派生類轉較近基類優於轉較遠基類。

第十六章 類模板：定義通用的資料類型

本章深入探討類模板，實現資料類型的通用化：

1. 類模板定義： template <parameters> 定義通用類結構。參數可為類型 (class/typename) 或非類型（常量表達式）。成員使用這些參數。定義可在類外（需模板參數前綴）。
2. 類模板實例化： 使用如 ClassName<Args> obj; 語法，編譯器根據 Args 從模板定義生成特定類實例。實例化在需要完整類定義的上下文發生。
3. 模板實參推演： 編譯器無法從類模板實例名推斷參數，必須顯式指定 Args。與函式模板不同。
4. 類模板的成員函式： 也是模板。定義可在類外。只在使用時才實例化。成員定義需 template <class ...> ClassName<class ...>::member<class ...>() 前綴。成員模板（函式或類）是類模板的成員。
5. 類模板中的友元宣告： 可宣告非模板函式/類、綁定模板實例、非綁定模板為友元。通常需指定模板參數（如 friend class Queue<Type>;）。
6. 類模板的靜態資料成員： 也是模板。每個類模板實例有自己的靜態成員拷貝。定義需在類外，指定模板參數前綴。僅在使用時實例化。
7. 類模板的嵌套類型： 嵌套類可為模板。使用外圍類模板參數。嵌套類型使用需指定外圍類模板實例（如 Queue<int>::QueueItem*）。
8. 類模板和編譯模式： 包含模式 (定義放頭文件，所有文件包含) vs. 分離模式 (宣告放頭文件，定義放實現文件，需 export)。顯式實例宣告控制實例化時機。
9. 類模板特化： template<> class ClassName<Args> { ... } 為特定 Args 提供獨立定義。覆蓋通用模板。成員特化。部分特化 template <PartialArgs> class ClassName<Args> { ... } 為部分 Args 提供特化。
10. 類模板中的名字解析： 兩階段解析。不依賴模板參數的名字定義時解析。依賴模板參數的名字實例化時解析。影響成員定義中的名字查找。
11. 名字空間和類模板： 模板定義可在名字空間中。成員定義可名字空間外。特化宣告需在原模板名字空間內。

第五篇：物件導向的程式設計 (Chapters 17-19)

這部分深入探討物件導向的核心概念，特別是繼承、多態、虛擬函式、RTTI 和異常處理。

第十七章 類繼承和子類型：構建對象的層次結構

本章介紹繼承和子類型，作為物件導向的基礎：

1. 繼承與子類型： 派生類從基類繼承資料和操作。class Derived : access Base { ... } 語法。派生類是基類的子類型 (subtype)，反映 is-a 關係。基類指標/引用可指向派生類對象（多態）。
2. 類繼承層次結構： 由基類和派生類組成。抽象基類 (abstract base class) 作為介面，不可實例化。具體基類 (concrete base class) 可實例化。
3. 確定層次成員： 設計基類和派生類成員。公有介面通常在基類聲明為虛擬。保護成員 (protected) 供派生類訪問。數據成員和共享操作常提至基類。
4. 基類和派生類的構造： 派生類對象包含基類子對象。構造函式呼叫順序：先基類，後派生類。派生類構造函式可通過成員初始化列表向基類構造函式傳參。派生類通常不能直接初始化基類資料成員。
5. 析構函式： 呼叫順序：先派生類，後基類。通過基類指標刪除派生類對象時，基類析構函式必須是虛擬的 (virtual ~Base())，否則可能僅呼叫基類析構函式，導致資源洩漏。
6. 虛擬函式： virtual 關鍵字標記，實現動態綁定。通過基類指標/引用呼叫虛擬函式時，根據對象實際類型在運行時決定呼叫哪個版本。非虛擬函式靜態綁定（編譯時決定）。純虛擬函式 (= 0) 標記抽象函式，使類成為抽象基類。在構造/析構函式中呼叫虛擬函式總是靜態呼叫基類版本。派生類虛擬函式需與基類版本原型匹配（返回類型可例外）。虛擬函式的缺省實參靜態綁定。虛擬 new 操作符不存在，常使用 clone() 虛擬函式模擬。
7. 按成員初始化與賦值： 繼承下，預設按成員操作會拷貝基類子對象和派生類部分成員。若基類或派生類包含指標或需要獨特語義，預設行為不足，需顯式拷貝構造函式/賦值操作符。顯式版本需負責基類子對對象和派生部分成員的正確拷貝。
8. UserQuery 管理類： 引入類將查詢處理邏輯封裝，管理 Query 類層次對象的創建與銷毀。

第十八章 多繼承和虛擬繼承：更複雜的類關係

本章探討多繼承和虛擬繼承，解決單繼承無法建模的問題：

1. 多繼承： class Derived : access Base1, access Base2 { ... } 派生類從多個基類繼承。派生類包含每個基類的子對象。構造順序依派生列表。析構順序相反。基類成員直接訪問可能因同名而二義。派生類指標/引用轉為基類指標/引用。虛擬函式在多繼承下行為。按成員初始化/賦值。
2. 虛擬繼承： class Derived : virtual access Base { ... } 解決多繼承中同一基類多次出現導致子對象重複和二義性問題。虛擬基類在最終派生類中只有一個共享實例。初始化語義特殊：虛擬基類由最終派生類初始化。構造順序：先所有虛擬基類，後非虛擬基類，最後派生類。析構順序相反。虛擬基類成員的可見性。

第十九章 C++中繼承的用法：多態的應用與細節

本章探討多態的實際應用及其支持的語言特性：

1. RTTI (Run-Time Type Identification)： 運行時識別多態對象的實際類型。
   • dynamic_cast：安全向下轉換基類指標/引用為派生類指標/引用。轉換失敗指標為 nullptr，引用拋異常。
   • typeid：獲取對象的實際類型信息 (type_info 對象)。type_info::name() 返回類型名 C 風格字串。
   • RTTI 僅用於帶虛擬函式的類。
2. 異常和繼承： 將異常定義為類層次結構。
   • 拋出派生類異常：可被基類 catch 捕獲。
   • catch 子句順序：派生類 catch 必須在基類 catch 之前。
   • 異常對象與虛擬函式：基類 catch 處理派生類異常時，需用引用才能呼叫派生類虛擬函式。
   • 棧展開與析構函式：異常拋出時，棧展開會自動呼叫局部對象析構函式，實現 RAII (Resource Acquisition Is Initialization)。
   • 異常規範：繼承下，派生類虛擬函式的異常規範不能比基類窄。
   • 函數 try 塊：在構造函式中捕獲成員初始化列表拋出的異常。
   • C++ 標準庫異常類層次：exception 為根，派生出 logic_error 和 runtime_error 等。
3. 重載解析與繼承： 繼承影響函式重載解析過程。
   • 候補函式：基類成員、基類名字空間函式、基類友元函式也會加入。
   • 可行函式與使用者定義轉換序列：考慮繼承來的轉換函式/構造函式。派生類轉基類是標準轉換。
   • 最佳可行函式：繼承來的轉換會影響轉換序列等級比較。

第二十章 iostream 庫：輸入輸出的抽象與應用

本章詳細介紹標準函式庫的 iostream 庫，用於輸入輸出：

1. iostream 概述： iostream 庫提供輸入輸出功能，基於多重繼承和虛擬繼承的類層次。包括標準流物件 cin, cout, cerr。主要通過重載的 >> (輸入) 和 << (輸出) 操作符進行操作。支持文件 I/O (fstream) 和字串流 (sstream)。支持 char 和 wchar_t 字元類型。
2. 輸出操作符 <<： 基本用法，可接受多種類型參數（內建、字串、複數、指標），可串聯。介紹 endl 等操縱符 (manipulator)。指針輸出默認十六進制。可重載以支持使用者定義類型輸出。非成員操作符重載常用於對稱性。
3. 輸入操作符 >>： 基本用法，可接受多種類型參數。可串聯。讀取時默認跳過空白字元。輸入錯誤會設置流的錯誤狀態。可重載以支持使用者定義類型輸入。
4. 其他輸入操作： get() 讀取單個字元（包括空白），getline() 讀取一行，read() 讀取指定位元組數，gcount() 返回實際讀取字元數。putback(), unget(), peek()。
5. 檔案輸入輸出： ifstream (輸入), ofstream (輸出), fstream (輸入輸出)。構造函式指定檔名和模式（如 ios_base::in, out, app）。可使用 open() 和 close() 成員函式。可檢查文件是否成功打開。seekg()/seekp() 重新定位文件位置，tellg()/tellp() 獲取當前位置。
6. 條件狀態： 流對象維護狀態標誌 (如 eofbit, badbit, failbit, goodbit)。eof(), bad(), fail(), good() 查詢狀態。setstate() 設置狀態，clear() 清除狀態。rdstate() 獲取狀態。
7. 字串流： istringstream 從字串讀，ostringstream 寫到字串，stringstream 雙向。str() 成員函式獲取底層字串。用於在內存中格式化或解析字串。
8. 格式狀態： 流對象的格式狀態控制輸出細節（进制、精度、對齊）。通過操縱符修改狀態。boolalpha, hex, oct, dec, showbase, showpoint, scientific, fixed, uppercase 控制格式。setprecision(), setw(), setfill(), setbase() 控制數值寬度和精度。
9. 強類型庫： iostream 庫是強類型，編譯器檢查確保正確使用輸入輸出操作符。