写算法,用 C++ 还是用 Java ,差别大吗?

大家好,我是为人造的智能操碎了心的智能禅师。

今天带来的文章,是 GitChat 签约作者王晓华在不断被读者吐槽:“好好一本算法书为什么要用 C++ 来写” 时,万般无奈下憋出来的。

还真别说,面对疾风的时候,总能爆发出作者的斗志来。所以本文特别的……长,以至于不得不提前跟大家说:TL;DR。

当然,说是这么说,R 还是要 R 的。因为这篇文章非常详细的讲述了用两门语言在写算法时候的优劣势,非常值得一读。

如果你刚好在学习算法,那么文末也贴心的为你准备了王晓华的算法课程,算法真的很好玩

全文大约3000字。读完可能需要下面这首歌的时间

?

好好一本算法书,为什么要用 c++ ?

尽管学习 Java 了很长时间,但是因为工作的需要,很少用 Java 做过大型的项目,所以在公开算法实现的时候,我本能地选择最擅长的 C++ 语言。我介绍算法用的例子都是用 C++ 编写的,最终招致读者吐槽:“好好的一本算法书,为什么要用 C++?

两种语言的对比会放在一起展示,如不做特殊说明,上面的代码是 C++ 的实现方式,下面的是 Java 的实现方式。 C++ 语法层面使用的版本是 C++11之后的版本,Java 使用的标准是 Java6 之后的版本。

C++ 和 Java 语法特性的相似性

因为历史原因,同为 C 语言家族的 Java 和 C++ 语言层面的相似性是有客观基础的。

我通常是这样理解的:Java 是跨平台的 C++,是一种更好的 C++(是不是有点拉仇恨的感觉)。

基本数据类型

C++ 的基本数据类型有:int、unsigned int、long、unsigned long、short、unsigned short、char、unsigned char、bool、float 和 double;

相应的,Java 也有 8 种基本数据类型,分别是:byte、short、int、long、float、double、char 和 boolean。

大部分情况下,两种语言的基本数据类型可以根据下表进行一对一的转换,但是也有差异,需要特别注意。

首先是 char,C++ 的 char 是 8 比特无符号整数,顺便表示了 ASCII 字符;Java 的 char 是 16 比特,天生就可以表示宽字符集的字符。

另一个需要注意的是 long 类型,C++ 的 long 是不可移植类型,在不同的系统上其长度不一样,可能是 32 位,也可能是 64 位,所以 C++ 程序员应尽量避免使用 long。

Java 的 long 比较单纯,无论是 32 位的系统还是 64 位的系统,它都表示 64 位整数。

反过来,Java 会用 d 或 D 表示一个直接数字是 double 类型的浮点数,比如 200.0d 或(200.0D),但是 C++ 不支持,因为 C++ 默认一个浮点型的直接数字就是 double 类型。

C++ 用字面量符号 f 或 F 表示一个直接数字是 float 类型浮点数,比如 250.1 f(或 250.1F),这一点 Java 也是一样的。

C++ 用字面量符号 l 或 L 表示 long,用 UL 表示 unsigned long。

字符串

很多 C++ 程序员喜欢的用 char* 或 char 类型的数组存储字符串,这其实是 C 语言用户带过来的习惯,我给出的 C++ 算法实现对字符串一般都用 std::string,对应 Java 的 String。

std::stringString 的用法对照如下表所示:

基本语法

虽然 Java 的语法和 C++ 十分地相似,但是语言层面还有一些不同。C++ 允许全局函数的存在,但是 Java 不允许,不过 Java 也留了个口子,就是用静态成员函数。

Java 没有指针,对象的传递和返回都是用的引用的方式,并且不需要像 C++ 那样用 “&” 做特殊的语法标记。

大多数介绍 Java 的书籍开篇就是类和抽象,然后才是基本的语法,这和 Java 上等人的气质是一致的,连这都不会,咋做程序员?C++ 应该多提升一下气质,少用点指针和全局函数。

不过本文是为了对比 C++ 和 Java 的相似性,所以就从基本语法结构开始介绍。

运算符和赋值

二者的运算符几乎一样,甚至 “++” 和 “—” 运算符都一样有前缀式和后缀式两种形式,意义也一样;运算符的优先级规则也是一样的。

赋值语句两者基本上是一样的,看看每一行结尾的 “;” 你就知道它们有多相似。

条件判断与循环

条件判断方面,C++ 与 Java 的 if 语句、switch 语句用法都相同;逻辑表达式的结构和语法、逻辑运算符的优先级也都相同。

C++ 的三种基本循环方式是 while 循环、do…while 循环和 for 循环,Java 都支持,甚至连关键字和 break、continue 控制语句的意义也一样。

C++11 版本引入了一种根据范围循环的语法,一般理解和 Java 的增强 for 循环类似,比如这种 C++ 循环形式:

Java 与之对应的形式是:

C++ 的基于范围的 for 循环也可用于 C++ 的标准库对象,用于取代老旧的迭代器循环方式:

同样,Java 的增强 for 循环也支持基于 Collection 的遍历,理解起来不成问题:

传统的 C++ 语言是用迭代器对标准库的容器进行遍历,比如:

C++ 的容器都有 begin()end() 接口,分别得到起始位置的迭代器的值和结束位置的迭代器的值,很多标准库的算法都会用到迭代器。

C++ 用当前迭代器的值是否等于 end() 代表的结束位置迭代器的值来判断是否遍历结束。

Java 的 Collection 也有迭代器的机制,Java 用 hasNext() 判断是否遍历结束。

C++ 直接用 “ * ” 提领迭代器,得到对象本身的引用,Java 用迭代器的 next() 接口得到对象本身的引用。以上 C++ 代码可以翻译成如下 Java 代码:

除了以上的 for 循环语句,C++ 还支持 for_each() 形式的遍历 + 处理操作,也是配合迭代器使用,for_each() 的前两个参数是一对迭代器,代表循环的起始位置和结束位置。

第三个参数是一个可调用对象,即函数对象(C++11 版本之后,这个参数还可以是一个 Lambda 表达式),举个栗子:

Java 没有与之对应的泛型函数接口,但是 Java 的很多 Collection 都支持 forEach() 接口:

C++ 的 for_each()其实用起来并不好用,自从 C++11 之后,除了怀旧派 C++ 程序员,其他人应该很少会再用 for_each() 了,基于范围的 for 循环简直丝滑的不要不要的。

函数

C++ 的函数结构和 Java 也一样,函数调用的形参和实参对应方式也一样,也无需多做说明。

数组

C++ 和 Java 都支持原生数组,并且数组索引都是从 0 开始。

C++ 中定义数组的同时就分配了存储空间,所以在定义时要指定长度,使用 new 动态申请内存时,要指定长度。

但是一种情况除外,那就是静态初始化数组的形式,因为此时编译器知道需要多少空间存储这些数据,如下是 C++ 定义数组的常用形式:

Java 如果仅仅是声明一个数组,可以不指定长度,因为此时并不分配存储空间,需要分配空间的时候,用 new。与之对应的 Java 语言的形式是:

C++ 中二维数组的每一维长度必须相同,因为 C++ 的二维数组实际上只是一块连续的存储空间而已,甚至可以用一维数组的下标遍历全部二维数组的存储空间。

Java 没这要求,因为 Java 的每一维都是可以单独申请存储空间的。但是二者在使用形式上是一样的。C++ 定义和初始化二维数组一般有这几种形式:

与之对应的 Java 语言初始化二维数组的形式是:

C++ 也支持动态内存形式的二维数组,一般有两种使用方法,Java 都有与之对应的习惯用法:

与之对应的 Java 的方法是:

这代码相似度很高。C++ 代码最后要用 delete[] 手动释放为数组申请的内存,Java 是不需要的。

C++ 还可以利用二维数组在内存中是连续存储这一特性,使用时用下标计算将一维数组当成二维数组使用,计算的方法是:a\[i]\[j] = b[i * 2 + j],如下代码示例:

遇到这样的代码,需要根据上述对应关系,小心地理解算法代码的意图。一些棋盘类游戏通常喜欢用一维数组存储二维的逻辑棋盘结构,好在 Java 也可以这么做,转换起来也没什么难度。

枚举

与 C 相比,C++ 强化了类型差异,枚举变量和整数变量之间不能互相赋值,但是使用方法依然是直接使用枚举值,没有限制域。

C++11 之后,开始支持强类型枚举,这一点就和 Java 很像了,越来越像一家人了:

I/O 系统

C++ 代码中一般用 std::cinstd::cout 进行控制台的输入和输出。

也有一些半吊子 C++ 程序员会在 C++ 代码中混用 C 语言的 printf() 打印输出信息。

不过话说回来,很多语言都支持 printf 方式的格式化输出,比如 Java、 Python,为啥 C++ 就不能提供一个呢?比如以下代码接受用户输入一个字符串和一个整数,并将其输出出来:

将其翻译成 Java,是这个样子的:

上述代码示例中,C++ 和 Java 的输入分隔符都是空格或回车,如果希望输入带空格的一整行内容怎么办?

C++ 提供了 getline() 函数,getline() 会从缓冲区中取输入流,直到遇到结束符。

结束符默认是 '\n',实际上是 getline() 函数有三个参数,第三个参数可指定结束符:

Java 也有与之对应的 Buffer IO 方式,请看:

C++ 程序员有时候也会用 std::cin::get() 函数,这个函数也是从缓冲区中读入一行,直到遇到结束符,和 getline() 函数一样,这个函数也可以指定结束符,如果不指定,默认是'\n'

但是 std::cin::get() 函数有个小个性,就是它不从缓冲区中读出结束符,而是将结束符留在缓冲区中。

为了适应它的这个小个性,C++ 程序员通常会在后面跟一个 get,将结束符读出并丢弃掉,所以代码看起来有点怪怪的:

理解了这一点,看懂 C++ 代码也就不难了。当然,无论是 C++ 还是 Java,其 I/O 系统都非常复杂,有流式 I/O,也有缓冲区 I/O,操作的数据可以是控制台 I/O,也可以是文件 I/O。

类和封装

首先说说 C++ 的 struct,Java 没有与之对应的相似物的,但是完全可以用 class 来替换这个概念。为什么这么说呢?

因为在 C++ 中,struct 的位置有点尴尬,它是个 POD 吧,但它的成员又可以用非 POD 的数据类型,比如 std::string,甚至还可以定义虚接口,一旦有了这些东西,它就算不上 POD 了,除了成员默认是公有之外,和 class 没有太大差别。

在我看来,C++ 保留 struct 的主要意义是为了兼容旧的 C 或 C++ 的库,这些库中很多接口用到了 struct,其次是纯粹作为一种 POD 的 value type 来使用。

我的算法代码中也会用到 struct,大概是为了怀旧吧,其实完全可以用 class 代替,当然也可以很容易地翻译成 Java 的 class。来看个例子,对于这个 struct:

可以很轻松的转成 class:

自从 C++11 发布以后,我就觉得 C++ 和 Java 的 class 越来越像了,分开这么多年后,C++ 终于也支持 final 和 override 了。

从语法层面看,二者的差异很小,就小规模的算法而言,也很少会用到继承和重载之类的情况,所以,Java 程序员看懂 C++ 的 class 定义与实现一点都不难。

少有的一些差异,比如 C++ 的函数可以设置参数默认值,或者 C++ 的抽象机制采用的虚函数要使用 virtual 关键字等。先看一个典型的 C++ 类的定义与实现:

C++ 的类成员访问控制采用分节控制,用 public:protected: 作为分节的标志,如果没有分节标志的类成员,则是默认的 private: 控制。

C++ 的成员函数可以有默认值,并且构造函数也支持默认值。以 Bucket 类为例,构造函数第二个参数默认值是 0,即在构造 Bucket 对象时,可以只确定一个参数 capicity,也可以在确定 capicity 参数的同时,确定 Bucket 的水量,比如:

Java 不支持参数默认值,但是可以通过重载函数解决这个问题,即增加一个只有 capicity 参数的构造函数:

C++ 没有抽象基类的语法,但是又抽象基类的概念,一般当一个类中有一个纯虚函数的时候,这个类是不能被直接实例化的,它就类似于是一个抽象基类,比如:

C++ 的函数有很多类型修饰,比如常见的 const,C++11 后新增了 final 和 override,但是 = 0 一直是一个比较奇怪的存在,它表明这个函数没有实现,需要在派生类中实现,同时,也说明这个类是不能被实例化的。

对于这样的机制,Java 可以理解为这就是个抽象基类:

C++ 的继承体系的语法与 Java 类似,只是语法形式上不同,Java 采用关键字:extends

C++ 对于基类声明的虚函数,继承类中不需要再用 virtual 关键字修饰,当然,加了 virtual 关键字也没错误。Java 也一样,abstract 关键字再继承类中可以省去。

从 Shape 抽象类派生一个 Circle 类,C++ 的典型代码是:

Circle 构造函数后面的 :Shape(color),表示对基类的初始化,对于 Java 语言来说,相当于调用 super(color)

以上代码翻译成 Java 语言,应该是这样的形式:

C++ 有时候也会将一个类声明为 final,意味着它不希望被其他类继承,从语法上做了限制,比如:

有时候,是某个不希望被派生类重载,比如:

这些对于 Java 程序员来说,并不陌生,语法上只是 final 关键字的位置不同,理解上应该不存在任何问题。

总结

本文介绍了 C++ 和 Java 在基本语法层面的对应关系,因为算法代码涉及的语言方面深度有限,所以本文介绍的内容也比较基础。

原文发布于微信公众号 - 人工智能头条(AI_Thinker)

原文发表时间:2018-11-07

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