用 C++ 和 Java 写算法，差别大吗?

作者：王晓华，GitChat 优秀作者

<>为什么会有这篇文章？

无论是七、八年前开始写的 “算法博客”，还是三年前出版的图书《算法的乐趣》
<https://gitbook.cn/gitchat/geekbook/5aefd304236f4c533a9230df?utm_source=feed190116>
，亦或是畅销课《算法应该怎么玩》
<https://gitbook.cn/gitchat/column/5b6d05446b66e3442a2bfa7b?utm_source=feed190116>
，我介绍算法用的例子都是用 C++ 编写的。

尽管以前博客的留言里不乏抱怨之声，但是在《算法的乐趣》
<https://gitbook.cn/gitchat/geekbook/5aefd304236f4c533a9230df?utm_source=feed190116>
出版的时候我仍然 “一意孤行” ，最终招致读者吐槽：“好好的一本算法书，为什么要用 C++？”

我的很多使用 Java 的朋友们也都为我 “打抱不平”，但是在事实面前，我不得不承认，这个拖了很久的需求必须要实现了。

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。

事实上，我在编写《算法应该怎么玩》
<https://gitbook.cn/gitchat/column/5b6d05446b66e3442a2bfa7b?utm_source=feed190116>
的过程中，参考资料里有不少 Java、Python 实现的算法，原理都是相通的，用何种编程语言实现只是对外展示的一张皮而已。

作为一个 Java 程序员时，经常会遇到 C++ 算法代码，有时候没有更好的替代例子的情况下，还必须得啃一啃 C++。

往好处想，虽然 C++ 涉及的内容广泛，但是算法上能用到的部分并不多，都是一些基本语言元素，短时间内了解一下 C++ 相关的内容，能够看懂小段的 C++
代码是完全有可能的。

接下来，我会在算法涉及的层面上，比较一下 C++ 和 Java 上的差异，通过这些对比和比较，Java 程序员能快速理解 C++ 算法实现的例子，C++
程序员也能看懂简单的 Java 算法代码。

PS：

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。

此外，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::string 和 String 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：
int numbers[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 }; for(int x : numbers) { std::cout << x
<< ","; }
Java 与之对应的形式是：
int[] numbers = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 }; for (int x : numbers) {
System.out.print(x); System.out.print(","); }
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：
std::vector<std::string> strArray = { "Tom", "Jim", "Jack", "Han Meimei" };
for(std::string& x : strArray) { std::cout << x << std::endl; }
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：
String[] strings = {"Tom", "Jim", "Jack", "Han Meimei"}; Collection<String>
list = java.util.Arrays.asList(strings); for (Object str : list) {
System.out.println(str); }
传统的 C++ 语言是用迭代器对标准库的容器进行遍历，比如：
std::list<int> intList = { 10, 20, 30, 40, 50 }; //C++
11以后，一般程序员都会用auto代替std::list<int>::iterator，让编译器自己推导it的类型 for
(std::list<int>::iterator it = intList.begin; it != intList.end(); ++it) {
std::cout << *it << std::endl; }
C++ 的容器都有 begin() 和 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：
int a[] = {10, 20, 30, 40, 50}; List<int> intList = new ArrqayList<int>();
intList.add(10); intList.add(20); ... for(Iterator i =
intList.iterator();i.hasNext();){ Object j = i.next(); System.out.println(j); }
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：
class PrintValue { public: void operator() (int x) { std::cout << x <<
std::endl; } }; std::vector<int> intList = { 10, 20, 30, 40, 50 };
std::for_each(intList.begin(), intList.end(), PrintValue());
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：
Queue<Integer> queue = new LinkedList<>(); queue.offer(32); queue.offer(55);
queue.offer(21); ... queue.forEach(integer -> { System.out.println(integer); });
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：
int intArray1[5]; //静态数组，分配在栈上 int intArray2[] = {10, 20, 30, 40, 50};
//这种静态初始化形式不需要指定长度，因为编译器知道长度是5 int *intArray3 = new int[5];
//动态分配内存的数组形式，分配在堆上，需要用delete[] intArray2显示释放
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：
int[] intArray1 = new int[5]; //对应上面C++中的intArray1和intArray3的形式 int[]
intArray2 = new int[] {10, 20, 30, 40, 50}; //对应上面C++中的intArray2
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：
int multiArray1[3][5]; //C++定义一个二维数组 int multiArray2[3][2] = { {1,2}, {2,3},
{4,5} }; //C++静态初始化二维数组
与之对应的 Java 语言初始化二维数组的形式是：
int[][] multiArray1 = new int[3][5]; //对应上面C++中multiArray1的形式 int[][]
multiArray2 = { {1,2}, {2,3}, {4,5} }; //对应上面C++中multiArray2的形式
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：
//第一种方法，直接分配内存： int (*multiArray3)[5] = new int[4][5]; multiArray3[2][3] = 56;
//第二种方法，二段式分配内存 int **multiArray4 = new int *[4]; for(int i = 0; i < 4; i++) {
multiArray4[i] = new int[5]; ... // 初始化数据 } multiArray4[2][3] = 56;
与之对应的 Java 的方法是：
//对应C++的第一种方法： int[][] multiArray3 = new int[4][5]; multiArray3[2][3] = 56;
//对应C++的第二种方法： int[][] multiArray4 = new int[4][]; for(int i = 0; i < 4; i++) {
multiArray4[i] = new int[5]; ... // 初始化数据 } multiArray4[2][3] = 56;
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：
int *multiArray3 = new int[3 * 2]; //三行两列的二维数组
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：
//C++98把本中的枚举和C语言类似，只是强化了于整数类型的差别 enum Color { RED, //默认值是0 GREEN,
//依次加1，默认就是1 BLUE = 5, //手工赋值为5 (C++不允许枚举变量和整型变量之间互相赋值，所以手工赋值已经意义不大了) YELLOW
//根据依次加1的原则，这个值就是6 }; Color c = RED; Color c = 5; //error //C++11中开始支持强类型枚举
enum class Color { RED, GREEN, BLUE, YELLOW }; Color c = RED; //error Color c =
Color::RED;
在我的算法代码中，基本上不会再使用第一种方式，所以，只要理解了第二种强类型枚举的方法，就可以了，这和 Java 的惯用方法真的很像，看看 Java
是怎么用的吧：
enum Color { RED, GREEN, BLUE, YELLOW } Color c = Color.RED;
<>I/O 系统

C++ 代码中一般用 std::cin 和 std::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：
int no; std::string name; std::cin >> name >> no; std::cout << "name is " <<
name << " no. is " << no;
将其翻译成 Java，是这个样子的：
Scanner cin = new Scanner(System.in); String name = cin.next(); int no =
cin.nextInt(); System.out.println("name is " + name + " no. is " + no);
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：
std::string name; std::getline(std::cin, name); //相当于：std::getline(std::cin,
name，'\n');
Java 也有与之对应的 Buffer IO 方式，请看：
BufferedReader cin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String str = cin.readLine();
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：
int no; //std::string name; char name[NAME_SIZE]; std::cin.get(name,
NAME_SIZE).get(); std::cin >> no; std::cout << "name is " << std::string(name)
<< " no. is " << no;
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：
struct Pet { std::string type; std::string name; int weight; }; Pet aDog;
aDog.name = "Xiao Qiang";
可以很轻松的转成 class：
class Pet { public String type; public String name; public int weight; }; Pet
aDog = new Pet(); aDog.name = "Xiao Qiang";
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：
class Bucket { public: Bucket(int capicity, int water = 0) { m_capicity =
capicity; m_water = water; } bool IsFull() const { return (m_capicity ==
m_water); } int GetSpace() const { return (m_capicity - m_water); } protected:
int m_water; int m_capicity; };
C++ 的类成员访问控制采用分节控制，用 public: 或 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：
Bucket bucket(5); //capicity是5，water是0 Bucket bucket(5，3); //capicity是5，water是3
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：
class Bucket { private int _water; private int _capicity; public Bucket(int
capicity, int water) { this._capicity = capicity; this._water = water; } public
Bucket(int capicity) { this._capicity = capicity; this._water = 0; } public
Boolean isFull() { return (_capicity == _water); } public int getSpace() {
return (_capicity - _water); } }
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：
class Shape { public: Shape(int color = 1) { m_color = color; } virtual double
Area() = 0; int GetColor() const { return m_color; } void SetColor(int color) {
m_color = color; } private: int m_color; };
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：
abstract class Shape { private int _color; Shape() { _color = 1; } Shape(int
color) { _color = color; } abstract double area(); int getColor() { return
_color; } void setColor(int color) { _color = color; } }
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：
const double PI = std::atan(1.0) * 4.0; class Circle : public Shape { public:
Circle(double radius, int color = 1) : Shape(color) { m_radius = radius; }
virtual double Area() { return PI * m_radius * m_radius; } private: double
m_radius; };
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：
class Circle extends Shape { private double _radius; public Circle(double
radius, int color) { super(color); this._radius = radius; } public
Circle(double radius) { super(1); this._radius = radius; } double area() {
return Math.PI * Math.pow(_radius, 2); } }
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：
class Base final { ... };
有时候，是某个不希望被派生类重载，比如：
class SomeClass // 可能继承自某个类 { ... virtual int SomeFunc() final {
...//SomeFunc()的行为希望到此为止不再变化，不允许派生类定义新的行为 } };
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。

通过对比发现不管是用 C++ 还是用 Java 来写算法，差别基本不大，如果朋友们对算法想再深度了解，可以看一下《算法应该怎么玩》
<https://gitbook.cn/gitchat/column/5b6d05446b66e3442a2bfa7b?utm_source=feed190116>
。

《算法应该怎么玩》
<https://gitbook.cn/gitchat/column/5b6d05446b66e3442a2bfa7b?utm_source=feed190116>
中选择了三十多个简单且实用的算法实例，这些算法实例基本覆盖了各种算法比赛中经常出现的题目以及生活中常见的一些有趣的算法实现。

每个算法实现都将讲解的侧重点放在各种算法的设计方法和思想在算法中的体现，通过一个个算法例子，来引导大家掌握常见的算法设计思想。

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