《清华大学计算机系列教材：C++语言程序设计（第4版）》针对程序设计的初学者，以面向对象的程序设计思想为主线，以通俗易懂的方法介绍C++语言，引导读者以最自然的方式，将人类习惯的面向对象的思维方法运用到程序设计中。主要内容包括程序设计基础知识、类与对象的基本概念、继承与多态、输入输出流，以及泛型程序设计。此外，本教材还介绍了一些常用数据结构基础知识，使得读者学习《清华大学计算机系列教材：C++语言程序设计（第4版）》后，能够解决一些简单的实际问题。整套教材语言生动、流畅，深入浅出。适用于各类学校的C++语言程序设计课程。

　　一、 版本说明
本书第1版于1999年出版，第2版于2001年出版，第3版于2003年出版。第4版是在前三版的基础上，广泛听取了读者和同行的建议，参考了最新的资料，并根据作者在授课过程中的经验而形成的。第4版主要修改内容如下。
(1) 删除了原来的第13章。
(2) 在第2～12章中，每章增加了一节“深度探索”，作为选学内容。
(3) 编写了贯穿第4～10章的新的综合实例“个人银行账户管理程序”.
(4) 重新编写了第10章。
二、 本书的编写背景
C++语言是从C语言发展演变而来的一种面向对象的程序设计语言。C++语言的主要特点表现在两个方面： 一是兼容C，二是支持面向对象的方法。
面向对象的程序设计（OOP）方法将数据及对数据的操作方法封装在一起，作为一个相互依存、不可分离的整体--对象。对同类型对象抽象出其共性，形成类。类中的大多数数据，只能用本类的方法进行处理。类通过一个简单的外部接口，与外界发生关系，对象与对象之间通过消息进行通信。这样，程序模块间的关系简单，程序模块的独立性、数据的安全性具有良好的保障，通过继承与多态性，使程序具有很高的可重用性，使得软件的开发和维护都更为方便。
由于面向对象方法的突出优点，目前它已经成为开发大型软件时所采用的主要方法。而C++语言是应用最广泛的面向对象的程序设计语言之一。
长期以来，C++语言被认为是较难使用的专业开发语言，很少被作为入门语言来讲授。那么C++语言与面向对象的程序设计方法是否真的是比较高深、难以掌握的技术吗？不是的！
其实C语言产生的初期，也只被少数专业开发人员使用。但随着计算机科学的发展，计算机技术已渗透到各学科的研究和应用之中，C语言已经被各专业的工程技术人员广泛应用于本专业的科研开发，也被很多学校作为第一门程序设计语言来讲授。C++全面兼容了C语言，同时提供了比C语言更严格更安全的语法。从这个意义上讲，C++首先是一个更好的C语言。
C++语言是一个面向对象的编程语言，而面向对象的编程方法（OOP）一度被看作是一门比较高深的技术。这是因为在面向对象的系统分析（OOA）和面向对象的系统设计（OOD）理论出现之前，程序员要写一个好的面向对象的程序，首先要学会运用面向对象的方法来认识问题和描述问题。现在，OOP的工作比较简单了，认识问题域与设计系统成分的工作已经在系统分析和设计阶段完成，OOP工作就是用一种面向对象的编程语言把OOD模型中的每个成分书写出来。
面向对象方法的出现，实际上是程序设计方法发展的一个返璞归真过程。软件开发从本质上讲，就是对软件所要处理的问题域进行正确的认识，并把这种认识正确地描述出来。面向对象方法所强调的基本原则，就是直接面对客观存在的事物来进行软件开发，将人们在日常生活中习惯的思维方式和表达方式应用在软件开发中，使软件开发从过分专业化的方法、规则和技巧中回到客观世界，回到人们通常的思维。
那么，学习C++语言是否应该首先学习C语言呢？不是的。虽然C++语言是从C语言发展而来的，但是C++本身是一个完整的程序设计语言，而且它与C语言的程序设计思想是完全不同的。我们学习的进程不必严格遵循科学技术的发展进程，只有尽快地掌握最新的理论和技术，才能站到巨人的肩膀上。
因此，我们认为，C++语言是可以作为程序设计的入门语言来学习的。
三、 本书的特色
本书的特色是内容全面、深入浅出、灵活剪裁、立体配套。
本书是一本面向广大初学者的入门教材，自1999年第一版出版以来，已经在清华大学等100多所学校的不同专业中使用，取得了良好的教学效果。
本书将C++语言作为计算机编程入门语言，不仅详细介绍了语言本身，而且介绍了常用的数据结构和算法、面向对象的设计思想和编程方法、UML建模语言。全书以面向对象的程序设计方法贯穿始终，每一章都是首先阐述面向对象的程序设计思想和方法，由实际问题入手，然后引出必要的语法知识，在讲解语法时着重从程序设计方法学的角度讲述其意义和用途。本书的宗旨是，不仅要使读者掌握C++语言本身，而且要能够对现实世界中较简单的问题及其解决方法用计算机语言进行描述。当然，要达到能够描述较复杂的问题域还需要学习面向对象的软件工程课等其他课程。
针对初学者和自学者的特点，本书力求做到深入浅出，将复杂的概念用简洁浅显的语言娓娓道来。不同学校可以针对自身的教学特点，选择不同的章节组合进行教学。如果学时较少，可以只选择第1～8章、第11章。每一章的深度探索也是选学内容，可以根据不同专业的教学需求进行选择。
作者使用本书授课时的讲课学时数为32学时，实验学时数为32学时，课外上机学时数为32学时，课内外共96学时，每学时45分钟。建议讲课学时数分配如下：
第1章2学时，第2章4学时，第3章2学时，第4章4学时，第5章2学时，第6章4学时，第7章2学时，第8章2学时，第9章4学时，第10章2学时，第11章2学时，第12章2学时。
实验学时数的分配请参考配套的《C++语言程序设计习题与实验指导》.
读者还可以通过配套的《C++语言程序设计学生用书》，在实践中达到对内容的深入理解和熟练掌握。为了方便教师备课，本书还配有电子教案（PPT文件）.
四、 内容摘要
第1章 绪论: 从发展的角度概要介绍了面向对象程序设计语言的产生和特点，面向对象方法的由来和主要的基本概念，并简单介绍了什么是面向对象的软件工程。最后介绍了信息在计算机中的表示和存储以及程序的开发过程。
第2章 C++简单程序设计: 讲述C++程序设计的基础知识。首先简要介绍C++语言的发展历史及其特点，接着学习构成C++语句的基本部分： 字符集、关键字、标识符、操作符等。还有C++的基本数据类型和自定义数据类型，以及算法的控制结构： 顺序、选择和循环结构。“深度探索”介绍变量的实现机制和C++表达式的执行原理。
第3章 函数: 讲述C++语言的函数。在面向对象的程序设计中，函数对处理问题过程的基本抽象单元，是对功能的抽象。同时，使用函数也为代码的重用提供了技术上的支持。主要从应用的角度讲述各种函数的定义和使用方法。“深度探索”介绍运行栈与函数调用的执行、函数声明与类型安全。
第4章 类与对象： 首先介绍面向对象程序设计的基本思想及其主要特点： 抽象、封装、继承和多态。接着围绕数据封装这一特点，着重讲解面向对象设计方法的核心概念--类。其中包括类的定义、实现以及如何利用类来解决具体问题。最后，简单介绍了如何用UML语言描述类的特性。“深度探索”介绍位域、用构造函数定义类型转换，以及对象作为函数参数和返回值的传递方式。
第5章 数据的共享与保护: 讲述标识符的作用域和可见性及变量、对象的生存期；使用局部变量、全局变量、类的数据成员、类的静态成员和友元来实现数据共享，共享数据的保护，以及使用多文件结构来组织和编写程序，解决较为复杂的问题。“深度探索”介绍常成员函数的声明原则、代码的编译连接与执行过程。
第6章 数组、指针与字符串： 讨论数组、指针与字符串。数组和指针是C++语言中最常用的复合（构造）类型数据，是数据和对象组织、表示的最主要手段，也是组织运算的有力工具。本章首先介绍数组、指针的基本概念和动态存储分配以及动态数组对象。接着围绕数据和对象组织这一问题，着重讲解如何通过使用数组和指针解决数据、函数以及对象之间的联系和协调。对于字符串及其处理，本章重点介绍string类。“深度探索”介绍指针与引用的联系、指针的安全性隐患及其应对方案，以及const_cast的应用。
第7章 继承与派生： 讲述类的继承特性。围绕派生过程，着重讨论不同继承方式下的基类成员的访问控制问题、添加构造函数和析构函数。接着讨论在较为复杂的继承关系中，类成员的唯一标识和访问问题。“深度探索”介绍组合与继承的区别与联系、派生类对象的内存布局，以及基类向派生类的转换及其安全性问题。
第8章 多态性： 讲述类的另一个重要特性--多态性。多态是指同样的消息被不同类型的对象接收时导致完全不同的行为，是对类的特定成员函数的再抽象。C++支持的多态有多种类型，重载（包括函数重载和运算符重载）和虚函数是其中主要的方式。“深度探索”介绍多态类型与非多态类型的区别、运行时类型识别机制，以及虚函数动态绑定的实现原理。
第9章 群体类和群体数据的组织： 群体是指由多个数据元素组成的集合体。群体可以分为两大类： 线性群体和非线性群体。本章介绍几种常用的群体类模板。
本章讨论的群体的组织问题，指的是对数组元素的排序与查找方法。排序（sorting)又称分类或整理，是将一个无序序列调整为有序的过程。查找（searching）是在一个序列中，按照某种方式找出需要的特定数据元素的过程。最后“深度探索”介绍模板的实例化机制、为模板定义特殊的实现。
第10章 泛型程序设计与C++标准模板库： 泛型程序设计就是将程序写得尽可能通用，同时并不损失效率。本章简单介绍C++标准模板库（STL）中涉及的一些概念、术语，以及它的结构、主要的组件的使用方法。重点介绍容器、迭代器、算法和函数对象的基本应用。目的是使读者对STL与泛型程序设计方法有一个概要性的了解。“深度探索”深入介绍深复制与浅复制的问题，另外还介绍了STL组件的类型特征与STL的扩展问题，以及Boost库。
第11章 流类库与输入输出： 讲述流的概念，然后介绍流类库的结构和使用。就像C语言一样，C++语言中也没有输入输出语句。但C++编译系统带有一个面向对象的I/O软件包，它就是I/O流类库。“深度探索”介绍宽字符、宽字符串与宽流，以及对象的串行化问题。
第12章 异常处理： 讲述异常处理问题。异常是一种程序定义的错误。C++中，异常处理是对所能预料的运行错误进行处理的一套实现机制。try,throw和catch语句就是C++语言中用于实现异常处理的机制。有了C++异常处理，程序可以向更高的执行上下文传递意想不到的事件，这样程序能更好地从这些异常事件中恢复过来。“深度探索”介绍异常安全性问题和避免异常发生时的资源泄漏。
五、 作者分工
本书第1～3章和第9, 11, 12章由郑莉编写，第4～8章由董渊、郑莉共同编写，第10章由何江舟编写，各章的综合实例和深度探索由何江舟编写，全书例题由何江舟调试。傅仕星、张瑞丰、田荣牌、孟鸿利、刘才良参加了部分编写工作。另外特别感谢谭浩强教授和王行言教授审阅了本书第2版，并提出了许多宝贵建议。
感谢读者选择使用本书，欢迎您对本书内容提出意见和建议，我们将不胜感激。作者的电子邮件地址： zhengli@mail.tsinghua.edu.cn，来信标题请包含“C++book" .

作者2010年3月 于清华大学

第1章 绪论1
1.1 计算机程序设计语言的发展1
1.1.1 机器语言与汇编语言1
1.1.2 高级语言2
1.1.3 面向对象的语言2

1.2 面向对象的方法2
1.2.1 面向对象方法的由来3
1.2.2 面向对象的基本概念4

1.3 面向对象的软件开发5
1.3.1 分析5
1.3.2 设计5
1.3.3 编程6
1.3.4 测试6
1.3.5 维护6

1.4 信息的表示与存储6
1.4.1 计算机的数字系统6
1.4.2 几种进位记数制之间的转换8
1.4.3 信息的存储单位10
1.4.4 二进制数的编码表示11
1.4.5 定点数和浮点数15
1.4.6 数的表示范围15
1.4.7 非数值信息的表示16

1.5 程序开发的基本概念16
1.5.1 基本术语16
1.5.2 完整的程序过程17
1.6 小结18
习题18

第2章 C++简单程序设计19
2.1 C++语言概述19
2.1.1 C++的产生19
2.1.2 C++的特点20
2.1.3 C++程序实例20
2.1.4 字符集21
2.1.5 词法记号22

2.2 基本数据类型和表达式23
2.2.1 基本数据类型24
2.2.2 常量25
2.2.3 变量27
2.2.4 符号常量28
2.2.5 运算符与表达式28
2.2.6 语句37

2.3 数据的输入与输出37
2.3.1 I/O流37
2.3.2 预定义的插入符和提取符37
2.3.3 简单的I/O格式控制38

2.4 算法的基本控制结构39
2.4.1 用if语句实现选择结构39
2.4.2 多重选择结构41
2.4.3 循环结构44
2.4.4 循环结构与选择结构的嵌套49
2.4.5 其他控制语句52

2.5 自定义数据类型52
2.5.1 typedef声明53
2.5.2 枚举类型enum53

2.6 深度探索55
2.6.1 变量的实现机制55
2.6.2 C++表达式的执行原理58
2.7 小结60
习题60

第3章 函数64
3.1 函数的定义与使用64
3.1.1 函数的定义64
3.1.2 函数的调用65
3.1.3 函数的参数传递78
3.2 内联函数81
3.3 带默认形参值的函数82
3.4 函数重载84
3.5 C++系统函数86
3.6 深度探索89
3.6.1 运行栈与函数调用的执行89
3.6.2 函数声明与类型安全94
3.7 小结95
习题96

第4章 类与对象98
4.1 面向对象程序设计的基本特点98
4.1.1 抽象98
4.1.2 封装99
4.1.3 继承100
4.1.4 多态100

4.2 类和对象100
4.2.1 类的定义101
4.2.2 类成员的访问控制102
4.2.3 对象103
4.2.4 类的成员函数104
4.2.5 程序实例106

4.3 构造函数和析构函数107
4.3.1 构造函数107
4.3.2 复制构造函数109
4.3.3 析构函数113
4.3.4 程序实例114

4.4 类的组合116
4.4.1 组合116
4.4.2 前向引用声明120

4.5 UML图形标识122
4.5.1 UML简介122
4.5.2 UML类图123

4.6 结构体和联合体129
4.6.1 结构体129
4.6.2 联合体130

4.7 综合实例--个人银行账户管理程序133
4.7.1 类的设计133
4.7.2 源程序及说明134

4.8 深度探索137
4.8.1 位域137
4.8.2 用构造函数定义类型转换139
4.8.3 对象作为函数参数和返回值的传递方式140
4.9 小结143
习题144

第5章 数据的共享与保护146
5.1 标识符的作用域与可见性146
5.1.1 作用域146
5.1.2 可见性150

5.2 对象的生存期150
5.2.1 静态生存期150
5.2.2 动态生存期151

5.3 类的静态成员153
5.3.1 静态数据成员154
5.3.2 静态函数成员156

5.4 类的友元158
5.4.1 友元函数160
5.4.2 友元类161

5.5 共享数据的保护163
5.5.1 常对象163
5.5.2 用const修饰的类成员164
5.5.3 常引用166

5.6 多文件结构和编译预处理命令168
5.6.1 C++程序的一般组织结构168
5.6.2 外部变量与外部函数170
5.6.3 标准C++库172
5.6.4 编译预处理173
5.7 综合实例--个人银行账户管理程序176

5.8 深度探索180
5.8.1 常成员函数的声明原则180
5.8.2 代码的编译连接与执行过程182
5.9 小结185
习题185

第6章 数组、指针与字符串188
6.1 数组188
6.1.1 数组的声明与使用188
6.1.2 数组的存储与初始化190
6.1.3 数组作为函数参数193
6.1.4 对象数组194
6.1.5 程序实例196

6.2 指针199
6.2.1 内存空间的访问方式199
6.2.2 指针变量的声明200
6.2.3 与地址相关的运算“?”和“&" 200
6.2.4 指针的赋值201
6.2.5 指针运算203
6.2.6 用指针处理数组元素205
6.2.7 指针数组206
6.2.8 用指针作为函数参数209
6.2.9 指针型函数210
6.2.10 指向函数的指针211
6.2.11 对象指针213
6.3 动态内存分配218
6.4 用vector创建数组对象224
6.5 深复制与浅复制226

6.6 字符串229
6.6.1 用字符数组存储和处理字符串230
6.6.2 string类230
6.7 综合实例--个人银行账户管理程序234

6.8 深度探索241
6.8.1 指针与引用241
6.8.2 指针的安全性隐患及其应对方案243
6.8.3 const_cast的应用246
6.9 小结248
习题248

第7章 继承与派生251
7.1 类的继承与派生251
7.1.1 继承关系举例251
7.1.2 派生类的定义252
7.1.3 派生类生成过程254

7.2 访问控制256
7.2.1 公有继承256
7.2.2 私有继承258
7.2.3 保护继承260
7.3 类型兼容规则262

7.4 派生类的构造和析构函数264
7.4.1 构造函数265
7.4.2 复制构造函数267
7.4.3 析构函数268

7.5 派生类成员的标识与访问270
7.5.1 作用域分辨符270
7.5.2 虚基类276
7.5.3 虚基类及其派生类构造函数278

7.6 程序实例--用高斯消去法解线性方程组279
7.6.1 算法基本原理279
7.6.2 程序设计分析280
7.6.3 源程序及说明281
7.6.4 运行结果与分析286

7.7 综合实例--个人银行账户管理程序287
7.7.1 问题的提出287
7.7.2 类设计288
7.7.3 源程序及说明289
7.7.4 运行结果与分析294

7.8 深度探索295
7.8.1 组合与继承295
7.8.2 派生类对象的内存布局298
7.8.3 基类向派生类的转换及其安全性问题301
7.9 小结303
习题304

第8章 多态性306
8.1 多态性概述306
8.1.1 多态的类型306
8.1.2 多态的实现306

8.2 运算符重载307
8.2.1 运算符重载的规则308
8.2.2 运算符重载为成员函数309
8.2.3 运算符重载为非成员函数313

8.3 虚函数315
8.3.1 一般虚函数成员316
8.3.2 虚析构函数319

8.4 纯虚函数与抽象类321
8.4.1 纯虚函数321
8.4.2 抽象类322

8.5 程序实例--变步长梯形积分算法求解函数的定积分324
8.5.1 算法基本原理324
8.5.2 程序设计分析325
8.5.3 源程序及说明326
8.5.4 运行结果与分析329
8.6 综合实例--对个人银行账户管理程序的改进329

8.7 深度探索335
8.7.1 多态类型与非多态类型335
8.7.2 运行时类型识别337
8.7.3 虚函数动态绑定的实现原理340
8.8 小结343
习题344

第9章 群体类和群体数据的组织346
9.1 函数模板与类模板347
9.1.1 函数模板347
9.1.2 类模板350

9.2 线性群体353
9.2.1 线性群体的概念353
9.2.2 直接访问群体--数组类355
9.2.3 顺序访问群体--链表类363
9.2.4 栈类368
9.2.5 队列类374

9.3 群体数据的组织377
9.3.1 插入排序377
9.3.2 选择排序379
9.3.3 交换排序380
9.3.4 顺序查找381
9.3.5 折半查找381
9.4 综合实例--对个人银行账户管理程序的改进382

9.5 深度探索385
9.5.1 模板的实例化机制385
9.5.2 为模板定义特殊的实现388
9.5.3 模板元编程简介392
9.6 小结395
习题395

第10章 泛型程序设计与C++标准模板库398
10.1 泛型程序设计及STL的结构398
10.1.1 泛型程序设计的基本概念398
10.1.2 STL简介399

10.2 迭代器402
10.2.1 输入流迭代器和输出流迭代器403
10.2.2 迭代器的分类405
10.2.3 迭代器的区间407
10.2.4 迭代器的辅助函数409

10.3 容器410
10.3.1 容器的基本功能与分类410
10.3.2 顺序容器412
10.3.3 关联容器427

10.4 函数对象435
10.4.1 函数对象基本概念及分类436
10.4.2 函数适配器441

10.5 算法447
10.5.1 STL算法基础448
10.5.2 不可变序列算法448
10.5.3 可变序列算法451
10.5.4 排序和搜索算法455
10.5.5 数值算法459
10.6 综合实例--对个人银行账户管理程序的改进461

10.7 深度探索467
10.7.1 swap467
10.7.2 STL组件的类型特征与STL的扩展469
10.7.3 Boost简介476
10.8 小结478
习题478

第11章 流类库与输入输出481
11.1 I/O流的概念及流类库结构481
11.2 输出流483
11.2.1 构造输出流对象483
11.2.2 使用插入运算符和操纵符484
11.2.3 文件输出流成员函数488
11.2.4 二进制输出文件490
11.2.5 字符串输出流491

11.3 输入流492
11.3.1 构造输入流对象492
11.3.2 使用提取运算符493
11.3.3 输入流操纵符493
11.3.4 输入流相关函数493
11.3.5 字符串输入流497
11.4 输入输出流498
11.5 综合实例--对个人银行账户管理程序的改进498

11.6 深度探索503
11.6.1 宽字符、宽字符串与宽流503
11.6.2 对象的串行化507
11.7 小结510
习题510

第12章 异常处理512
12.1 异常处理的基本思想512
12.2 C++异常处理的实现512
12.2.1 异常处理的语法513
12.2.2 异常接口声明515
12.3 异常处理中的构造与析构516
12.4 标准程序库异常处理517
12.5 综合实例--对个人银行账户管理程序的改进520

12.6 深度探索523
12.6.1 异常安全性问题523
12.6.2 避免异常发生时的资源泄漏525
12.7 小结528
习题529