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给R使用者的C++最少必要知识

C++是一门非常复杂的编程语言，但是如果你已经有一定的R语言基础，希望通过C++来提高代码效率，那么掌握下面几点就能够开始写代码了，然后通过Rcpp调用。

C++是静态编程语言

C++是一门静态编程语言，这意味着对于一个变量而言，你需要先声明它，才能调用它。而且这个变量名的数据类型在使用过程中是无法更改的，这是因为它在内存中的大小已经固定了。

举个例子，在R语言中，下面这个代码运行时不会报错（但是会被吐槽）

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a <- 1
a <- 'a'

但是在C++中，下面的代码会被提示error: redefinition of 'x' with a different type: 'char' vs 'int'

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char a = 'a';
int a = 0;

注：每个C++语句后需要有;, 而R没有。

关于数据结构，标准C++的数据结构有如下几种

  • 整型: int, long
  • 浮点型: float, double
  • 逻辑: bool
  • 字符: char

C++的字符串在STL(Standard Template Library)中。STL里有很多高级数据结构，例如向量(vector)和列表(List)限于篇幅请自行检索。

C++的控制结构

C++的控制结构包括，for循环，while循环，if条件语句，switch条件语句，代码形式如下

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// for loop
for ( int i = 1; i <= 10; i++){
    ...;  
}

// while loop
while ( i <= 10){
  ...;
}

// if
if (){
  ...;
} else if(){
  ...;
} else{
  ...;
}

// switch
char grade = 'D';
switch (grade ){
  case 'A':
    cout << 'great' << endl;
    break ;
  case 'B' :
    cout << 'not bad' << endl;
    break ;
  case 'D' :
    cout << 'Not good' << endl;
  default:
    cout << 'wrong' << endl;
    
}

在代码形式上，if和while都是和R语言类似，for和switch则是有些不同。

C++的循环效率远远高于R语言，而且将对应的R代码修改成C++并不复杂。因此会用C++的循环，就能优化很多R代码。

函数

C++的函数和R不同，它的写法如下

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数据结构 函数名(数据结构 参数, ...){
  代码;
  return 变量名;
}

举个例子

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int sumTwo(int x, int y){
  int z = x + y;
  return z;
}

如果是在R中则是

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sumTwo <- function(x, y){
   z <- x + y
   return(z)
}

因此在改成原有的R函数时要注意两者的区别，

  • 代码形式不同
  • 参数名要声明数据类型
  • return后直接跟变量名

在函数的使用上，C++和R就没有区别了，都是函数名(变量)，举个例子sumTwo(1,2)

额外库加载

在使用R语言的大部分时间里，我们都是面向R包编程，也就是搜索一个R包，然后安装R包，加载R包，调用函数。对于C++而言，也有许多现成的库，能够让我们避免造轮子。

举个例子，加载Rcpp库，调用R函数

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#include <Rcpp.h>
#include <cstdio>

using namespace Rcpp;

//[[Rcpp::export]]
int main(){
  printf("N(0,1) 95th percential %9.8f\n",
         R::qnorm(0.95, 0.0, 1.0, 1, 0));

}

这里#include类似于安装R包，而using namespace Rcpp;则是library加载R包。

面向对象

C++和R语言都是一门面向对象编程语言。R里面有S3，S4，RC等形式，C++则是struct和class两种形式，举个例子

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struct Date {
  unsigned int year;
  unsigned int month;
  unsigned int date;
};

class Date {
private:
  unsigned int year;
  unsigned int month;
  unsigned int date;
public:
  void setDate(int y, int m, int d);
  int getDay();
  int getMonth();
  int getYear();
}

强行联系的话，R的S3和C++的struct比较像，R的S4和C++的Date比较像，因为R的S3比较宽松，是基于list的堆叠，内部数据直接暴露到外部，而S4则是比较安全。C++的class用private保证private无法直接被外部访问，只能功过public暴露的函数进行操作。

指针和内存管理

指针和内存管理是两个比较高级的话题，如果你学习C语言不懂指针那你就和没学过C一样。不过我们学的是C++，只要不涉及到很高级的操作，那么我们完全可以避免接触它们。

总结

对于一个R语言使用者而言，如果想学习C++，那么至少需要知道如下几个概念

  • 变量声明
  • 控制结构，for, while, if-else
  • 函数编写和调用
  • 额外库
  • 面向对象