C++ Beginner's Guide: Building a Guess Number Game

这篇博客记录了我跟着 C++ Beginner's Guide 学习 C++ 的第一天，并通过一个猜数字游戏的实践来加深对 I/O、基本数据类型、控制流等基础知识的理解。

准备开发环境

在 macOS 上，可以直接使用 clang/clang++ 来编译 C++ 代码，也可以使用 gcc/g++ 命令，因为他们指向的均为 clang：

> gcc --version
Apple clang version 14.0.0 (clang-1400.0.29.202)
Target: arm64-apple-darwin22.3.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin
> g++ --version
Apple clang version 14.0.0 (clang-1400.0.29.202)
Target: arm64-apple-darwin22.3.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin
> clang --version
Apple clang version 14.0.0 (clang-1400.0.29.202)
Target: arm64-apple-darwin22.3.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin
> clang++ --version
Apple clang version 14.0.0 (clang-1400.0.29.202)
Target: arm64-apple-darwin22.3.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin

你也可以使用 cpp.sh 在线运行 C++ 代码。其它平台的安装方式可以参考 C++ Development Setup。

学习基础知识

首先，参考 Hello World 学习如何编写、编译并运行一个简单的 C++ 程序。

1. 创建一个名为 hello.cpp 的文件，内容如下：

hello.cpp

#include <iostream>
int main()
{
    std::cout << "Hello World!\n";
}

2. 将 hello.cpp 编译为可执行文件 hello 并运行：

g++ hello.cpp -o hello && ./hello

# Hello World!

第一个简单的 hello.cpp 程序主要包含了以下几个部分：

• #include <iostream>：包含了 C++ 标准库中的 iostream 头文件，该头文件包含了 std::cout 和 std::cin 等用于输入输出的对象。
• int main()：程序的入口函数，所有的 C++ 程序都必须包含一个 main 函数。
• std::cout << "Hello World!\n";：输出字符串 "Hello World!"，并在末尾添加一个换行符 \n。

输入与输出

C++ 中的输入输出可以通过 std::cin 和 std::cout 对象来实现：

• std::cin：用于从标准输入（通常是键盘）读取数据。
• std::cout：用于向标准输出（通常是屏幕）输出数据。

下面是一个使用 std::cin 和 std::cout 的简单示例：

io.cpp

#include <iostream>

int main() {
  int a, b;
  std::cout << "Enter two numbers: ";
  std::cin >> a >> b;
  std::cout << "The numbers you entered are: " << a << " and " << b << '\n';
}

将 io.cpp 编译为可执行文件 a.out（未指定 -o 时的默认值）并运行：

g++ --std=c++20 io.cpp && ./a.out

# Enter two numbers: 2 3
# The numbers you entered are: 2 and 3

在上面的示例程序中：

• 输入时使用了 std::cin >> a >> b; 语句读取两个数值并分别赋值给 a 和 b。
• 输出时使用了 std::cout << "The numbers you entered are: " << a << " and " << b << '\n'; 语句将 a 和 b 的值输出到屏幕上。
• >> 和 << 为流操作符，用于将数据从流中读取或写入到流中。

更多信息可以参考 Input & Output (Basics)。

变量声明与数据类型

C++ 中声明变量的语法为：

type variable = value;

例如，声明一个整型变量 a 并赋值为 5：

int a = 5;

更多信息可以参考 Fundamental Types。

控制流

关于控制流的详细信息可以参考 Control Flow (Basics)。

条件

条件语句可以通过 if、else 和 else if 关键字来实现，语法如下：

if (condition1) {
  // do this if condition1 is true
} else if (condition2) {
  // else this id condition2 is true
} else {
  // otherwise do this
}

下面是判断输入的数字是正数、负数还是零的示例程序：

condition.cpp

#include <iostream>

int main() {
  int i = 0;
  std::cout << "Enter a number: ";
  std::cin >> i;
  if (i == 0) {
    std::cout << "zero\n";
  } else if (i > 0) {
    std::cout << "positive\n";
  } else {
    std::cout << "negative\n";
  }
}

将 condition.cpp 编译为可执行文件并运行：

g++ --std=c++20 condition.cpp && ./a.out

#Enter a number: 0
# zero

# Enter a number: 1
# positive

# Enter a number: -1
# negative

循环

C++ 中的循环语句可以通过 while、do while 和 for 关键字来实现，使用示例如下：

while

下面示例输出结果为 5 6 7 8 9：

while.cpp

#include <iostream>

int main() {
  int i = 5;
  while (i < 10) {
    std::cout << i << ' ';
    i = i + 1;
  }
}

do ... while

下面示例输出结果为 10：

do_while.cpp

#include <iostream>

int main() {
  int i = 10;
  do {
    std::cout << i << ' ';
    i = i + 1;
  } while (i < 10);
}

for

下面示例输出结果为 5 6 7 8 9：

for.cpp

#include <iostream>

int main() {
  for (int i = 5; i < 10; i = i + 1) {
    std::cout << i << ' ';
  }
}

实践：猜数字游戏

编写一个猜数字游戏，程序随机生成一个 1 到 100 之间的整数，用户输入一个数字，程序判断用户输入的数字是否正确，如果错误则提示用户输入的数字过大或过小，直到用户猜中为止。

伪代码

1. 生成一个 1 到 100 之间的随机数
2. 用户输入一个数字 guess_number
3. 如果 guess_number == random_number，则提示用户猜中，游戏结束
4. 如果 guess_number > random_number，则提示用户输入的数字过大，然后跳转到第 2 步
5. 如果 guess_number < random_number，则提示用户输入的数字过小，然后跳转到第 2 步

生成随机数

首先需要解决的问题是如何生成一个 1 到 100 之间的随机数。可以在 cppreference.com 中搜索 rand，找到 std::rand 函数。该函数用于生成一个 [0, RAND_MAX] 之间的随机数，并不符合我们的需求。但是，在 std::rand 文档的 See also 章节可以看到：

quote

• uniform_int_distribution: produces integer values evenly distributed across a range
• srand: seeds pseudo-random number generator
• RAND_MAX: maximum possible value generated by std::rand
• randint: generates a random integer in the specified range

因此可以使用 std::uniform_int_distribution 生成一个 [min, max] 之间的随机数。

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(1, 100);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer;
}

处理用户输入

用户输入的数字可以通过 std::cin 来获取：

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(1, 100);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer << '\n';

  int guess_number;
  std::cout << "Guess the number: ";
  std::cin >> guess_number;

  std::cout << "The guess_number is: " << guess_number << '\n';
}

判断用户输入的数字是否正确

使用 if 语句来判断用户输入的数字是否正确：

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(1, 100);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer << '\n';

  int guess_number;
  std::cout << "Guess the number: ";
  std::cin >> guess_number;

  std::cout << "The guess_number is: " << guess_number << '\n';

  if (guess_number == answer) {
    std::cout << "Congratulations!\n";
  } else if (guess_number < answer) {
    std::cout << "Guess a higher number!\n";
  } else {
    std::cout << "Guess a lower number!\n";
  }
}

添加循环

使用 while 循环在用户没有猜中的情况下一直提示用户输入：

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(1, 100);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer << '\n';

  while (true) {
    int guess_number;
    std::cout << "Guess the number: ";
    std::cin >> guess_number;

    if (guess_number == answer) {
      std::cout << "Congratulations!\n";
      break;
    } else if (guess_number < answer) {
      std::cout << "Guess a higher number!\n";
    } else {
      std::cout << "Guess a lower number!\n";
    }
  }
}

使用示例如下：

g++ --std=c++20 guess_number.cpp && ./a.out
# The answer is: 5
# Guess the number: 2
# Guess a higher number!
# Guess the number: 4
# Guess a higher number!
# Guess the number: 5
# Congratulations!

提供当前猜数字的范围

在提示用户输入更大或更小数值时，可以提供更准确的正确数字范围。在程序处理中，需要在 while 循环内记录并维护当前的数字范围：

• 当 guess_number < answer 时，min_val 应该更新为 guess_number + 1，max_val 不变。
• 当 guess_number > answer 时，min_val 不变，max_val 应该更新为 guess_number - 1。

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  int min_val = 1;
  int max_val = 100;
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(min_val, max_val);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer << '\n';

  while (true) {
    int guess_number;
    std::cout << "Guess the number: ";
    std::cin >> guess_number;

    if (guess_number == answer) {
      std::cout << "Congratulations!\n";
      break;
    } else if (guess_number < answer) {
      min_val = guess_number + 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    } else {
      max_val = guess_number - 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    }
  }
}

在测试时发现，如果猜测的数字不在当前范围内，程序给出的提示信息不准确。例如，如果当前范围为 [56, 69]，而用户输入的数字为 52，此时程序提示的范围为 [53, 69]，这是不正确的。

g++ --std=c++20 guess_number.cpp && ./a.out
# The answer is: 57
# Guess the number: 50
# Guess the number from 51 to 100
# Guess the number: 70
# Guess the number from 51 to 69
# Guess the number: 55
# Guess the number from 56 to 69
# Guess the number: 52
# Guess the number from 53 to 69

为了解决这个问题，需要在更改 min_val 或 max_val 时，判断取值是否在当前范围内：

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  int min_val = 1;
  int max_val = 100;
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(min_val, max_val);
  int answer = distrib(gen);

  std::cout << "The answer is: " << answer << '\n';

  while (true) {
    int guess_number;
    std::cout << "Guess the number: ";
    std::cin >> guess_number;

    if (guess_number == answer) {
      std::cout << "Congratulations!\n";
      break;
    } else if (guess_number < answer) {
      min_val = guess_number < min_val ? min_val : guess_number + 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    } else {
      max_val = guess_number > max_val ? max_val : guess_number - 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    }
  }
}

修改后的程序输出如下：

g++ --std=c++20 guess_number.cpp && ./a.out
# The answer is: 57
# Guess the number: 50
# Guess the number from 51 to 100
# Guess the number: 70
# Guess the number from 51 to 69
# Guess the number: 55
# Guess the number from 56 to 69
# Guess the number: 52
# Guess the number from 56 to 69

整体代码

guess_number.cpp

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
  int min_val = 1;
  int max_val = 100;
  std::random_device rd;
  std::mt19937 gen(rd());
  std::uniform_int_distribution<> distrib(min_val, max_val);
  int answer = distrib(gen);

  while (true) {
    int guess_number;
    std::cout << "Guess the number: ";
    std::cin >> guess_number;

    if (guess_number == answer) {
      std::cout << "Congratulations!\n";
      break;
    } else if (guess_number < answer) {
      min_val = guess_number < min_val ? min_val : guess_number + 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    } else {
      max_val = guess_number > max_val ? max_val : guess_number - 1;
      std::cout << "Guess the number from " << min_val << " to " << max_val
                << '\n';
    }
  }
}