Learning Objectives
- 說出 C++ 從 C with Classes 發展而來的經過，以及 C++98 到 C++23 的標準版本
- 說明 C++ 的特點：編譯式、靜態型別、效能與直接控制記憶體、支援多種程式設計風格
- 舉例說明 C++ 常見的應用領域
- 逐行讀懂第一個 C++ 程式：#include、using namespace std、main、cout、return 0
- 說明原始碼變成執行檔的四個階段，並用 g++ 編譯、執行程式
為什麼要學 C++
你每天用的瀏覽器、玩的遊戲、電腦的作業系統，裡面都有大量以 C++ 寫成的程式。 C++ 能寫出執行很快、佔用資源少的程式，也讓你直接控制記憶體；代價是寫程式時要多注意細節，例如每個變數的型別、記憶體什麼時候釋放。
學 C++ 的收穫不只是一個語言：你會看見程式在電腦裡實際怎麼運作，變數放在哪裡、資料佔幾個位元組、函式呼叫時發生什麼事。 這些觀念學會之後，再看其他語言也會更清楚。
這一課先認識 C++ 的來歷與特點，再讀懂第一個程式，最後看原始碼怎麼變成可以執行的程式。
從 C 到 C++
C++ 的設計者是 Bjarne Stroustrup。他在 1979 年於 AT&T 貝爾實驗室（Bell Labs）開始這項工作， 想用 Simula 語言那種「類別」的方式來組織程式，同時保有 C 語言的執行效率，所以最早的版本叫做 C with Classes（有類別的 C）。
1983 年 C with Classes 改名為 C++，名字是同事 Rick Mascitti 提議的。++ 是 C 語言的遞增運算子（x++ 表示 x 加 1），
C++ 的意思就是「C 的下一步」。1985 年 10 月，第一個商業版本與 Stroustrup 的著作《The C++ Programming Language》第一版同時推出。
之後 C++ 由國際標準組織（ISO）制定標準，各家編譯器依照同一份標準實作：
| 版本 | 年份 | 說明 |
|---|---|---|
| C++98 | 1998 | 第一個 ISO 標準（ISO/IEC 14882:1998） |
| C++03 | 2003 | 修正 C++98 的問題 |
| C++11 | 2011 | 大幅更新：auto、範圍 for 迴圈、lambda、nullptr、智慧指標、多執行緒函式庫等 |
| C++14、C++17、C++20 | 2014、2017、2020 | 之後大約每三年發布一版 |
| C++23 | 2023 | 目前的標準，ISO 在 2024 年 10 月正式出版（ISO/IEC 14882:2024） |
下一版 C++26 正在制定中。從 C++11 開始的寫法常被稱為「現代 C++」。CodeLab 的 C++ 課程以 C++17 為準， 你在網路上看到的舊範例如果寫法和這裡不同，多半是因為它還停在 C++98 的寫法。
C++ 的特點
| 特點 | 意思 |
|---|---|
| 編譯式語言 | 原始碼先由編譯器整個翻譯成機器碼，產生執行檔；執行時不需要原始碼，也不需要編譯器 |
| 靜態型別 | 每個變數宣告時就決定型別（int、double…），之後不能改；型別不合，編譯時就會報錯 |
| 效能與直接控制記憶體 | 可以取得變數的位址、自己配置與釋放記憶體，適合需要精準控制速度與資源的程式 |
| 支援多種寫法 | 可以像 C 一樣用函式一步一步寫（程序式），也可以用類別與物件（物件導向），還可以用模板寫出適用多種型別的程式（泛型程式設計） |
如果你學過 Python，可以這樣對照：
int count = 3; // C++：先宣告型別 int，每一句以分號結尾
count = "three"; // 編譯錯誤：int 不能放字串
Python 的 count = 3 不用寫型別，執行到那一行才知道 count 是什麼；C++ 在編譯時就檢查型別，
錯誤會在程式執行之前被抓出來。
C++ 用在哪裡
C++ 適合「執行速度要快、要直接操作硬體或大量資料」的場合。以下例子都有公開資料可以查：
| 領域 | 例子 |
|---|---|
| 作業系統 | Microsoft 的 Windows 等產品大量使用 C++；macOS 的部分重要元件也是 C++ |
| 瀏覽器 | Google Chrome 的開源基礎 Chromium、Mozilla Firefox |
| 遊戲引擎 | Unreal Engine 以 C++ 撰寫遊戲邏輯；許多遊戲公司的引擎與物理模擬元件 |
| 資料庫 | MySQL Server |
| 編譯器與開發工具 | GCC、LLVM 與 Clang 本身就是用 C++ 寫的 |
| 嵌入式與即時控制 | 船用柴油引擎控制、飛機的任務軟體等，對反應時間有嚴格要求的系統 |
| 科學與高效能運算 | CERN 的資料分析工具 ROOT、粒子模擬工具 Geant4，以及 NASA 火星探測車的自主導航系統 |
這些系統很少只用一種語言，例如 Firefox 也有 JavaScript 與 Rust 的程式碼；但效能最關鍵的部分常常交給 C++。
第一個 C++ 程式
按「下一步」一句一句執行。注意程式不是從第 1 行開始跑：第 1～3 行是給編譯器看的，執行是從 main 開始。每執行一句 cout，下方的輸出區就多一行字。
逐行讀懂第一個程式
| 程式 | 意思 |
|---|---|
// 第一個 C++ 程式… |
註解：// 之後到行尾都會被編譯器略過，只寫給人看。多行註解用 /* … */ |
#include <iostream> |
把標準函式庫的 iostream（輸入輸出）引入，才能使用 cout、cin。# 開頭的是前置處理指令，結尾不加分號 |
using namespace std; |
標準函式庫的名稱都放在 std 這個命名空間裡。寫了這行，std::cout 就可以簡寫成 cout |
int main() { … } |
main 函式：每個 C++ 程式都必須有一個，程式從這裡開始執行。int 表示它結束時會回傳一個整數 |
cout << "Hello, C++!" << endl; |
cout 是輸出到螢幕的物件，<< 把右邊的資料送過去，可以一直串接；endl 代表換行 |
return 0; |
結束 main，把 0 回傳給作業系統，0 表示「正常結束」 |
幾個一開始就要養成的習慣：
- 每一句（陳述式）以分號
;結尾；忘了寫是初學最常見的編譯錯誤 - 大括號
{ }把同一個區塊的程式包起來，裡面的程式縮排 4 格，方便閱讀 - C++ 區分大小寫：
Main、COUT和main、cout是不同的名稱 main最後的return 0;可以省略（標準規定 main 執行到結尾時視同回傳 0），但其他回傳 int 的函式不能省略
using namespace std;在小程式裡很方便，CodeLab 的範例大多會寫。大型專案常改寫成std::cout， 避免自己取的名稱和標準函式庫撞名。下一個範例就是不寫這行的版本。
由上而下執行、std:: 與註解
這個程式沒有 using namespace std;，所以每個 cout、endl 前面都加上 std::。注意第 5～6 行的多行註解，執行時直接被跳過；第 9 行沒有 endl，所以下一句的輸出會接在同一行。
程式從 main 開始
greet 寫在 main 前面，但程式還是從 main 開始執行。第 11 行呼叫 greet() 時，右邊多出一個 greet 的框架，執行完它的內容後回到 main。greet 被呼叫兩次，就執行兩次。
想一想：C++ 的來歷與特點
C++ 在 1983 年改名之前叫做什麼？
C++ 名稱裡的 ++ 代表什麼？
說 C++ 是「編譯式、靜態型別」的語言，下列哪一個描述正確？
從原始碼到執行檔
電腦的處理器只看得懂機器碼，hello.cpp 這種文字檔不能直接執行。用 g++ 編譯時，會依序經過四個階段：
| 階段 | 做什麼 | 產生的檔案 |
|---|---|---|
| 1. 前置處理（preprocessing） | 處理 # 開頭的指令：把 #include 的標頭檔內容整個貼進來、刪掉註解 |
.ii（展開後的原始碼） |
| 2. 編譯（compilation） | 檢查語法與型別，把 C++ 翻譯成組合語言 | .s（組合語言） |
| 3. 組譯（assembly） | 把組合語言轉成機器碼 | .o（目的檔，object file） |
| 4. 連結（linking） | 把目的檔和標準函式庫（例如 cout 的實作）接在一起 |
執行檔 |
平常只要下一個指令 g++ hello.cpp -o hello，g++ 就會自動跑完四個階段，中間檔案不會留下來。
語法錯誤會在第 2 階段被發現；如果用了某個函式卻找不到它的實作，錯誤會在第 4 階段（連結）出現。
本頁的逐步執行動畫是 CodeLab 的直譯器在瀏覽器裡模擬執行，方便你看見每一步。真正的 C++ 程式要先經過上面的編譯流程。
用 g++ 編譯與執行
以下是在 Linux（Ubuntu）終端機的操作。Ubuntu 可以用 sudo apt install g++ 安裝 g++；Windows 可以在 WSL 裡的 Ubuntu 操作，指令相同。
-
1
確認有 g++，看一下原始碼
which g++會顯示 g++ 安裝在哪裡；沒有任何輸出代表還沒安裝。cat把檔案內容印出來，這就是剛才的第一個程式。 -
2
一個指令編譯，再執行
-o hello指定執行檔的名稱，不寫的話會叫a.out。-std=c++17指定用 C++17 標準編譯（g++ 不指定時的預設標準依版本而不同），-Wall開啟常見的警告，建議每次都加上。編譯成功時 g++ 不會印出任何東西。執行檔要寫成./hello，表示「目前資料夾裡的 hello」。 -
3
把四個階段拆開來跑
-E只做前置處理，-S做到產生組合語言為止，-c做到產生目的檔為止，最後不加這些選項就會連結出執行檔。打開hello.ii會發現它有好幾萬行：#include <iostream>把整個標頭檔都貼進來了。 -
4
編譯錯誤長什麼樣子
hello_typo.cpp是把第 6 行結尾的分號刪掉的版本。g++ 的錯誤訊息格式是「檔名:行:欄: error: 說明」，這裡說的是「在 cout 之前應該有分號」：缺分號時，編譯器要讀到下一行開頭才發現不對，所以要往前一行找。錯誤訊息後面還會印出那一行程式，並用符號標出位置（以「…」省略）。編譯失敗不會產生執行檔；echo $?顯示上一個指令的結束狀態，不是 0 就代表失敗。
想一想：程式與編譯
下面的程式會印出什麼？
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
cout << "2 * 5 = " << 2 * 5;
return 0;
}
下面的程式執行結果是什麼？
#include <iostream>
int main() {
cout << "Hi" << std::endl;
return 0;
}
程式呼叫了一個函式，原始碼語法都正確，但這個函式的實作不存在。g++ 會在哪個階段報錯？
動手寫：自我介紹
完成 main，讓程式印出下面三行。第三行的 21 要用 3 * 7 讓程式算出來，不要直接寫 21。
姓名：王小明
科系：資訊管理學系
3 x 7 = 21
重點回顧
- C++ 由 Bjarne Stroustrup 在 1979 年開始設計，最早叫 C with Classes，1983 年改名 C++；
++是 C 的遞增運算子 - 第一個 ISO 標準是 C++98，C++11 是一次大幅更新，之後約每三年一版，目前是 C++23；本課程以 C++17 為準
- C++ 是編譯式、靜態型別的語言，執行效率高、可以直接控制記憶體，支援程序式、物件導向與泛型等寫法
- 作業系統、瀏覽器、遊戲引擎、資料庫、編譯器、嵌入式系統與科學運算都大量使用 C++
- 程式從
main開始執行；#include <iostream>才能用cout；每一句以分號結尾；C++ 區分大小寫 - 原始碼經過前置處理、編譯、組譯、連結四個階段變成執行檔；
g++ -std=c++17 -Wall hello.cpp -o hello一次完成