用 C++ 创建控制台计算器

C++ 程序员通常从在命令行上运行的“Hello, world!”应用程序开始。 你将以本文为起点，逐步进阶，加深学习难度：计算器应用。

先决条件

• 在 Visual Studio 中安装“使用 C++ 的桌面开发”工作负载并在计算机上运行。 请参阅在 Visual Studio 中安装 C++ 支持，了解如何安装该工作负载。
• 本教程演示了“编辑并继续”这项功能，使用此功能，可以在应用运行时对代码进行更改。 若要启用“编辑并继续”，请在主菜单中选择“工具”>“选项”>“调试”>“常规”，并确保选中“要求源文件与原始版本完全匹配”。

创建应用项目

Visual Studio 使用项目来组织应用的代码，使用解决方案来组织一个或多个项目。 项目包含用于生成应用的所有选项、配置和规则。 它还负责管理所有项目文件和任何外部文件间的关系。 若要创建应用，先创建一个新项目和解决方案。

1. 启动 Visual Studio - 将出现 Visual Studio 启动对话框。 选择“创建新项目”以开始使用。

   

   该对话框包含这些选项：克隆存储库、打开项目或解决方案、打开本地文件夹和新建项目。

2. 在项目模板列表中，依次选择“控制台应用”、“下一步”。

   

   重要

   请确保选择 Console App 模板的 C++ 版本。 它具有 C++、Windows 和 Console 标记，该图标在角落处有“++” 。

3. 在“配置新项目”文本框中，选择“项目名称”文本框，将新项目命名为 CalculatorTutorial，然后选择“创建”。

   

   将创建一个空的 C++ Windows 控制台应用程序“Hello World”应用。 控制台应用程序使用 Windows 控制台窗口显示输出并接受用户输入。 在 Visual Studio 中，将打开一个编辑器窗口并显示生成的代码：

   // CalculatorTutorial.cpp : This file contains the 'main' function. Program execution begins and ends there.
   //
   
   #include <iostream>
   
   int main()
   {
       std::cout << "Hello World!\n";
   }
   
   // Run program: Ctrl + F5 or Debug > Start Without Debugging menu
   // Debug program: F5 or Debug > Start Debugging menu
   
   // Tips for Getting Started:
   //   1. Use the Solution Explorer window to add/manage files
   //   2. Use the Team Explorer window to connect to source control
   //   3. Use the Output window to see build output and other messages
   //   4. Use the Error List window to view errors
   //   5. Go to Project > Add New Item to create new code files, or Project > Add Existing Item to add existing code files to the project
   //   6. In the future, to open this project again, go to File > Open > Project and select the .sln file
   

验证新应用是否生成并运行

新的 Windows 控制台应用程序模板创建了一个简单的 C++“Hello World”应用。 此时，可以看到 Visual Studio 如何生成并运行直接从 IDE 创建的应用。

1. 若要生成项目，请从“生成”菜单选择“生成解决方案”。 “输出”窗口将显示生成过程的结果 。

   

2. 若要运行代码，请在菜单栏上依次选择“调试”、“开始执行(不调试)”(Ctrl+F5)。

   

   随即将打开控制台窗口，然后运行你的应用。

   在 Visual Studio 中启动控制台应用时，它会运行代码，然后输出“按任意键关闭此窗口。 。 .”，让你有机会看到输出。

   祝贺你！ 你在 Visual Studio 中创建了首个“Hello, world!”控制台应用！

3. 按任意键关闭该控制台窗口并返回到 Visual Studio。

现在即可使用你的工具在每次更改后生成并运行应用，以验证代码是否仍按预期运行。 如果未按预期运行，稍后我们将向你演示调试方法。

编辑代码

现在，将此模板中的代码修改为计算器应用。

1. 将 CalculatorTutorial.cpp 文件的内容替换为以下代码，使其与本示例一致：

   // CalculatorTutorial.cpp : This file contains the 'main' function. Program execution begins and ends there.
   //
   
   #include <iostream>
   
   using namespace std;
   
   int main()
   {
       cout << "Calculator Console Application" << endl << endl;
       cout << "Please enter the operation to perform. Format: a+b | a-b | a*b | a/b"
           << endl;
       return 0;
   }
   
   // Run program: Ctrl + F5 or Debug > Start Without Debugging menu
   // Debug program: F5 or Debug > Start Debugging menu
   // Tips for Getting Started:
   //   1. Use the Solution Explorer window to add/manage files
   //   2. Use the Team Explorer window to connect to source control
   //   3. Use the Output window to see build output and other messages
   //   4. Use the Error List window to view errors
   //   5. Go to Project > Add New Item to create new code files, or Project > Add Existing Item to add existing code files to the project
   //   6. In the future, to open this project again, go to File > Open > Project and select the .sln file
   

   了解代码：

   • #include 语句允许引用位于其他文件中的代码。 有时，文件名使用尖括号 (<>) 括起来；其他情况下，使用引号 (" ") 括起来。 通常，引用 C++ 标准库时使用尖括号，引用其他文件时使用引号。
   • using namespace std; 行提示编译器期望在此文件中使用 C++ 标准库中的内容。 如果没有这一行，库中的每个关键字都必须以 std:: 开头，以表示其范围。 例如，如果没有该行，则对 cout 的每个引用都必须写为 std::cout。 using 语句的使用是为了使代码看起来更干净。
   • cout 关键字用于在 C++ 中打印到标准输出。 << 运算符提示编译器将其右侧的任何内容发送到标准输出。
   • endl 关键字与 Enter 键类似；用于结束该行并将光标移动到下一行。 如果要执行相同的操作，最好在字符串中使用 \n（用 "" 包含），因为使用 endl 会始终刷新缓冲，进而可能影响程序的性能。 但是，由于这是一个非常小的应用，所以改为使用 endl 以提高可读性。
   • 所有 C++ 语句都必须以分号结尾，所有 C++ 应用程序都必须包含 main() 函数。 该函数是程序开始运行时运行的函数。 若要使用所有代码，必须可从 main() 访问所有代码。

2. 要保存文件，请按下 Ctrl+S，或者选择 IDE 顶部附近的“保存”图标，即菜单栏下工具栏中的软盘图标。

3. 要运行该应用程序，请按“Ctrl+F5”或转到“调试”菜单，然后选择“启动但不调试”。 应会显示一个控制台窗口，其中显示代码中指定的文本。

4. 完成后，请关闭控制台窗口。

添加代码来执行一些数学运算

类就像执行某事的对象的蓝图。 在这种情况下，我们将定义一个计算器类来包含数学逻辑。

添加 Calculator 类

1. 转到“项目”菜单，然后选择“添加类”。 在“类名”编辑框中，输入“Calculator” 。 选择“确定”。

   

   类名字段设置为 Calculator。 .h 文件字段设为 Calculator.h。 .cpp 文件字段设为 Calculator.cpp。 基类字段为空。 其他选项（虚拟析构函数、内联函数和非托管函数）均未选中。

   这会向项目中添加两个新文件。 若要同时保存所有已更改的文件，请按“Ctrl+Shift+S” 。 这是“文件”>“全部保存”的键盘快捷方式 。 在“保存”按钮旁边还有一个用于“全部保存”的工具栏按钮，这是两个软盘的图标 。 一般来说，最好经常使用“全部保存”，这样你保存时就不会遗漏任何文件 。

   “添加类”向导创建与该类同名的 .h 和 .cpp 文件。 可以在 IDE 一侧的“解决方案资源管理器”窗口中看到项目文件的完整列表 。 如果该窗口不可见，则可从菜单栏中打开它：选择“查看”>“解决方案资源管理器”。

   

   计算器教程 (Calculator Tutorial) 项目具有包含 Calculator.h 的头文件节点。 源文件节点包含 Calculator.cpp 和 CalculatorTutorial.cpp。 引用、外部依赖项和资源文件的节点可见，但处于关闭状态。

   可通过在“解决方案资源管理器”窗口中双击文件将其打开。 双击 Calculator.h 将其打开。

2. 将 Calculator.h 的内容替换为以下代码，使文件现在如下所示：

   #pragma once
   class Calculator
   {
   public:
       double Calculate(double x, char oper, double y);
   };
   

   了解代码

   • 此代码声明了一个名为 Calculate 的新函数，我们将使用它来运行加法、减法、乘法和除法的数学运算。
   • C ++ 代码被组织成标头 (.h) (.h) 文件和源 (.cpp) 文件。 所有类型的编译器都支持其他几个文件扩展名，但这些是要了解的主要文件扩展名。 函数和变量通常在头文件中进行声明（即在头文件中指定名称和类型）和实现（或在源文件中指定定义） 。 若要访问在另一个文件中定义的代码，可以使用 #include "filename.h"，其中 filename.h 是声明要使用的变量或函数的文件的名称。
   • 最好根据代码的功能将代码组织到不同的文件中，方便稍后需要这些代码时能够轻易查找到。 在本例中，我们分别定义了 Calculator 类和包含 main() 函数的文件，但我们计划在 main() 中引用 Calculator 类。

3. Calculate 下方会出现绿色波浪线，因为尽管已声明 Calculate 函数，但并未定义该函数。 将鼠标悬停在 Calculate 上，单击显示的螺丝刀上的向下箭头，然后选择“在 Calculator.cpp 中创建 "Calculate" 定义”。

   

   此代码将添加到 Calculator.cpp：

   

   将构造函数定义为：double Calculator::Calculate( double x, char oper, double y) { return 0.0; }

   目前，它只返回 0.0。 让我们来更改它。

4. 切换到编辑器窗口中的 Calculator.cpp 文件。 将 Calculator::Calculate(double x, char oper, double y) 的内容替换为：

   double Calculator::Calculate(double x, char oper, double y)
   {
       switch(oper)
       {
           case '+':
               return x + y;
           case '-':
               return x - y;
           case '*':
               return x * y;
           case '/':
               return x / y;
           default:
               return 0.0;
       }
   }
   

   了解代码

   • 函数 Calculate 使用数字、运算符和第二个数字，然后对数字执行请求的操作。
   • Switch 语句检查提供了哪个运算符，并仅执行与该操作对应的情况。 “default: case”是一个回滚，以防用户键入一个不被接受的运算符，因此程序不会中断。 通常，最好以更简洁的方式处理无效的用户输入，但这超出了本教程的范围。
   • double 关键字表示支持小数的数字类型。 因此，Calculator 可以处理十进制数学和整数数学。 要始终返回这样的数字，需要 Calculate 函数，因为代码的最开始是 double（这表示函数的返回类型），这就是为什么我们在默认情况下返回 0.0。
   • .h 文件声明函数“prototype”，它预先告诉编译器它需要什么参数，以及期望它返回什么样的返回类型。 .cpp 文件包含该函数的所有实现细节。

如果此时再次生成并运行代码，则在询问要执行的操作后，它会立即退出。 因此，修改 main 函数以执行多个计算。

调用 Calculator 类的成员函数

1. 按如下所示更新 CalculatorTutorial.cpp 中的 main 函数：

   // CalculatorTutorial.cpp : This file contains the 'main' function. Program execution begins and ends there.
   //
   
   #include <iostream>
   #include "Calculator.h"
   
   using namespace std;
   
   int main()
   {
       double x = 0.0;
       double y = 0.0;
       double result = 0.0;
       char oper = '+';
   
       cout << "Calculator Console Application" << endl << endl;
       cout << "Please enter the operation to perform. Format: a+b | a-b | a*b | a/b"
            << endl;
   
       Calculator c;
       while (true)
       {
           cin >> x >> oper >> y;
           result = c.Calculate(x, oper, y);
           cout << "Result " << "of " << x << oper << y << " is: " << result << endl;
       }
   
       return 0;
   }
   

   了解代码

   • 由于 C++ 程序总是从 main() 函数开始，我们需要从这里调用其他代码，因此需要 #include 语句。
   • 声明了一些初始变量 x、y、oper 和 result，分别用于存储第一个数字、第二个数字、运算符和最终结果。 提供一些初始变量始终是最佳做法，这样可避免未定义的行为，此示例即是如此。
   • Calculator c; 行声明一个名为“c”的对象作为 Calculator 类的实例。 类本身只是计算器工作方式的蓝图；对象是进行数学运算的特定计算器。
   • while (true) 语句是一个循环。 只要 () 内的条件成立，循环内的代码就会一遍又一遍地执行。 由于条件简单地列为 true，它始终为 true，因此循环将永远运行。 若要关闭程序，用户必须手动关闭控制台窗口。 否则，程序始终等待新输入。
   • cin 关键字用于接受来自用户的输入。 假设用户输入符合所需规范，此输入流足够智能，可以处理在控制台窗口中输入的一行文本，并按顺序将其放入列出的每个变量中。 可以修改此行以接受不同类型的输入，例如，两个以上的数字，但还需要更新 Calculate() 函数来处理此问题。
   • c.Calculate(x, oper, y); 表达式调用前面定义的 Calculate 函数，并提供输入的输入值。 然后该函数返回一个存储在 result 中的数字。
   • 最后，将 result 输出到控制台，以便用户查看计算结果。

再次生成和测试代码

现在再次测试程序以确保一切正常。

1. 按“Ctrl+F5”重建并启动应用 。

2. 输入 5+5，然后按 Enter 。 验证结果是否为 10。

   

   应用输出消息：请输入要执行的运算。 格式：a+b | a-b | a*b | a/b。 用户输入了 5+5。 应用输出：5+5 的结果：10

调试应用

由于用户可以自由地在控制台窗口中输入任何内容，因此请确保计算器会处理意外输入。 现在调试程序，而不运行程序，以便可以逐步检查程序所执行的每一项操作。

在调试器中运行应用

1. 在 CalcuatorTutorial.cpp 中的 result = c.Calculate(x, oper, y); 行上设置断点。 若要设置断点，请在该行旁边编辑器窗口左边缘的灰色竖线上单击。 将显示一个红点。

   

   现在，当调试程序时，执行进程会暂停在该行。 我们已大概了解了该程序可用于简单案例。 由于不想每次调用 Calculate() 时都暂停执行，因此可以设置断点条件。

2. 右键单击表示断点的红点，并选择“条件”。 在条件的编辑框中，输入 (y == 0) && (oper == '/')。 选择“关闭”按钮以保存断点条件。

   

   断点的条件为：y==0 && oper == '/' 为 true。

   现在，当应用尝试除以 0 时，执行进程会在断点处暂停。

3. 若要调试程序，请按 F5 或选择带绿色箭头图标的“本地 Windows 调试程序”工具栏按钮。 在控制台应用中，如果输入类似“5 - 0”的内容，程序将正常运行并继续运行。 但是，如果键入“10/0”，它会在断点处暂停。 你可以在运算符和数字之间放置任意数量的空格：cin 足够智能，可以适当地解析输入。

   

调试器中有用的窗口

调试代码时，你可能会注意到会出现一些新窗口。 你可借助这些窗口提高调试体验。 了解一下“自动”窗口 。 显示的“自动”窗口指示，在当前行之前，变量的当前值至少使用了三行 。

oper 的值为 47 '/'，结果为 5，x 为 10，y 为 0。

若要查看该函数的所有变量，请切换到“局部变量”窗口 。 可以在调试时修改这些变量的值，以查看它们对程序的影响。 在这种情况下，不必理会。

oper 的值为 47 '/'，结果为 0，x 为 10，y 为 0。

还可以将鼠标悬停在代码中的变量上，以查看该变量在此时点暂停执行的位置的值。 请先单击编辑器窗口，确保其处于焦点位置。

继续调试

1. 左侧的黄色箭头表示当前的执行点。 当前行调用 Calculate，因此按 F11 以“单步执行”函数 。 现在，你就在 Calculate 函数的主体中执行代码。 请小心使用“单步执行”，因为它会单步执行你正在处理的行上的任何函数，包括标准库函数。 单步执行标准库没有问题，但你可能更想专注于你的代码而不是库代码。

2. 现在执行点位于 Calculate 函数的开头，按 F10 移动到程序执行的下一行 。 F10 也称为“单步跳过” 。 可以使用“单步跳过”在行与行之间移动，而无需深入研究行的每个部分的详细信息 。 一般情况下，应使用“单步跳过”而不是“单步执行”，除非你希望深入研究从其他地方调用的代码（就像你访问 Calculate 的主体一样）。

3. 继续使用 F10 “单步跳过”每一行，直到返回到另一个文件中的 main() 函数，然后停在 cout 行 。

   程序在按预期执行操作：取第一个数字，然后除以第二个数字。 在 cout 行，将鼠标悬停在 result 变量上，或在“自动”窗口中查看 result 。 它的值 inf 看起来似乎不正确，因此我们来修复此错误。 cout 行只输出存储在 result 中的任何值，因此当使用 F10 向前再执行一行时，控制台窗口将显示以下内容 ：

   

   应用输出：请输入要执行的运算。 格式：a+b | a-b | a*b | a/b。 用户输入了 5-0。 应用输出：结果为：5。 用户输入了 10/0。 应用输出：结果为：inf

   出现这种结果是因为未定义除以零运算，因此程序无法给请求的运算提供数值解。

修复“被零除”错误

让我们更简洁地处理除数为零的情况，让用户可以更轻松地了解问题。

1. 在 CalculatorTutorial.cpp 中，进行下列更改。 （借助“编辑并继续”调试器功能，你可以在编辑时让程序继续运行）。 在 cin >> x >> oper >> y; 后面添加一个 if 语句，以检查除数为零的情况，并在发生此情况时向用户输出消息。 否则会打印结果。

   // CalculatorTutorial.cpp : This file contains the 'main' function. Program execution begins and ends there.
   //
   
   #include <iostream>
   #include "Calculator.h"
   
   using namespace std;
   
   int main()
   {
       double x = 0.0;
       double y = 0.0;
       double result = 0.0;
       char oper = '+';
   
       cout << "Calculator Console Application" << endl << endl;
       cout << "Please enter the operation to perform. Format: a+b | a-b | a*b | a/b" << endl;
   
       Calculator c;
       while (true)
       {
           cin >> x >> oper >> y;
           if (oper == '/' && y == 0)
           {
               cout << "Attempted to divide by zero!" << endl;
               continue;
           }
           else
           {
               result = c.Calculate(x, oper, y);
           }
           cout << "Result " << "of " << x << oper << y << " is: " << result << endl;
       }
   
       return 0;
   }
   

2. 按 F5 一次。 程序将继续执行，直到它必须暂停以请求用户输入。 再次输入 10 / 0。 现在，将输出更有用的信息。 用户被要求输入更多内容，程序继续正常执行。

   

   控制台窗口显示两行，第一行为：10/0 结果为：inf；第二行为：10/0 数学错误：尝试除以零。

   注意

   在调试模式下编辑代码时，有可能会遇到旧代码。 当调试器仍在运行旧代码并且尚未使用更改进行更新时，将发生这种情况。 调试器会显示一个对话框，通知你何时发生这种情况。 有时，你可能需要按 F5 来刷新正在执行的代码 。 特别是，如果在函数内部进行更改而执行点位于该函数内部，则需要退出该函数，然后再次返回该函数以获取更新的代码。 如果该操作不起作用，且你看到错误消息，则可以通过单击 IDE 顶部菜单下工具栏中的红色方块来停止调试，然后通过输入 F5 或通过选择工具栏上“停止”按钮旁的绿色“播放”箭头重新开始调试。

   “编辑并继续”可能失败的另一个原因是出现一条消息，显示“需要启用‘调试’->‘选项’->‘常规’下的‘要求源文件与原始版本完全匹配’设置...”要解决此问题，请在主菜单中选择“工具”>“选项”>“调试”>“常规”，并确保选中“要求源文件与原始版本完全匹配”。

   了解“运行”和“调试”快捷方式

   • 按 F5（或“调试”>“启动调试”）启动调试会话（如果尚未激活），并运行程序，直到到达断点或程序需要用户输入 。 如果不需要用户输入，也没有可用的断点，程序将终止，当程序运行结束时，控制台窗口将自动关闭。 如果要运行类似“Hello World”程序，请使用 Ctrl+F5 或在按下 F5 之前设置断点以保持窗口打开。
   • Ctrl+F5（或“调试”>“开始执行(不调试)”在不进入调试模式的情况下运行应用程序 。 此快捷方式比调试要略微快一些，并且在程序执行完成后控制台窗口仍保持打开状态。
   • F10（称为“单步跳过”步骤）可逐行迭代代码，并可视化代码的运行方式，以及执行每个步骤的变量值 。
   • F11（称为“单步执行”）的工作方式类似于“单步跳过”，只是它将单步执行在执行行上调用的任何函数 。 例如，如果正在执行的行调用了一个函数，按下 F11 可将指针移动到函数体中，这样就可以在返回开始的行之前遵循正在运行的函数代码 。 按 F10 可执行函数调用并移动到下一行；函数调用仍然会发生，但是程序不会暂停来显示它在做什么 。

关闭应用程序

• 如果它仍在运行，请关闭计算器应用的控制台窗口。

添加 Git 源代码管理

现在你已经创建了应用，可能需要将它添加到 Git 存储库。 我们已经为你准备好了。 Visual Studio 通过 Git 工具简化了该过程，你可直接从 IDE 中使用这些工具。

提示

Git 是使用最广泛的新式版本控制系统，因此无论你是专业开发人员，还是正在学习如何编码，Git 都非常有用。 如果你是刚刚接触 Git，可访问 https://git-scm.com/ 网站开始了解。 在这里，你能找到速查表、畅销在线图书和 Git 基础知识视频。

若要将代码与 Git 关联，需要首先创建一个新的 Git 存储库来容纳代码。 下面介绍如何操作：

1. 在 Visual Studio 右下角的状态栏中，选择“添加到源代码管理”，然后选择“Git” 。

   

2. 在“创建 Git 存储库”对话框中，登录到 GitHub。

   

   存储库名称根据你的文件夹位置自动填充。 默认情况下，新存储库是专用的，这意味着只有你可以访问它。

   提示

   无论存储库是公用的还是专用的，都最好将代码的远程备份安全地存储在 GitHub 上。 即使你不与团队合作，也可使用任意计算机上在远程存储库中访问你的代码。

3. 选择“创建并推送”。

   创建存储库后，状态栏中会显示状态详细信息。

   

   带箭头的第一个图标显示当前分支中的传出/传入提交数。 可以使用此图标来拉取任何传入提交或推送任何传出提交。 还可选择先查看这些提交。 为此，请选择图标，然后选择“查看传出/传入”。

   带铅笔的第二个图标显示代码的未提交更改数。 可选择此图标，在“Git 更改”窗口中查看这些更改。

若要详细了解如何在应用中使用 Git，请参阅 Visual Studio 版本控制文档。

完成的应用

祝贺你！ 你已经完成计算器应用的代码，生成并调试了它，还将它添加到了存储库 - 所有这些操作都在 Visual Studio 中完成。

后续步骤

了解有关 Visual Studio for C++ 的更多信息