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C++强大的背后

核心提示：在31年前（1979年），1名刚取得博士学位的研究员，为了开发1个软件项目发明了1门新编程语言，该研究员名为Bjarne Stroustrup，该门语言则命名为——C with classes，4年后改称为C++。

在31年前（1979年），1名刚取得博士学位的研究员，为了开发1个软件项目发明了1门新编程语言，该研究员名为Bjarne Stroustrup，该门语言则命名为——C with classes，4年后改称为C++。C++是1门通用编程语言，支持多种编程范式，包括进程式、面向对象（object-oriented programming， OP）、泛型（generic programming， GP），后来为泛型而设计的模版，被发现及证实是图灵完备的，因此使C++亦可支持模版元编程范式（template metaprogramming， TMP）。C++继续了C的特点，既为高级语言，又含低级语言功能，可同时作为系统和利用编程语言。

C++广泛利用在不同领域，使用者以数百万计。根据近10年的调查，C++的流行程度约稳定排行第3位（于C/Java以后）。 C++经历长时间的实践和演变，才成为本日的样貌。1998年，C++标准委员会排除万难，使C++成为ISO标准（俗称C++98），当中含非常强大的标准模版库（standard template library， STL）。以后委员会在2005年提交了有关标准库的第1个技术报告（简称TR1），并为下1个标准C++0x而努力。惋惜C++0x其实不能在200x年完成，各界希看新标准能于2011年内出台。

流行的C++编译器中，微软Visual C++ 2010已实现部份C++0x语法并加进TR1扩充库，而gcc对C++0x语法和库的支持比VC2010更多。

应否选择C++

哪些程序适合使用C++？

C++并非万能丹，我按经验举出1些C++的适用时机。

C++合适构造程序中需求较稳定的部份，需求变化较大的部份可使用脚本语言；

程序须尽可能发挥硬件的最高性能，且性能瓶颈在于CPU和内存；

程序须频繁地与操纵系统或硬件沟通；

程序必须使用C++框架/库，如大部份游戏引擎（如Unreal/Source）及中间件（如Havok/FMOD），固然有些C++库提供其他语言的绑定，但通常原生的API性能最好、最新；

项目中某个目标平台只提供C++编译器的支持。

按利用领域来讲，C++适用于开发服务器软件、桌面利用、游戏、实时系统、高性能计算、嵌进式系统等。

使用C++还是C？

C++和C的设计哲学其实不1样，二者取舍不同，所以不同的程序员和软件项目会有不同选择，难以1概而论。与C++相比，C具有编译速度快、轻易学习、显式描写程序细节、较少更新标准（后二者也可同时视为缺点）等优点。在语言层面上，C++包括尽大部份C语言的功能（例外之1，C++没有C99的变长数组VLA），且提供OOP和GP的特性。但实在用C也可实现OOP思想，亦可利用宏往实现某程度的GP，只不过C++的语法能较简洁、自动地实现OOP/GP。C++的RAII（resource acquisition is initialization，资源获得就是初始化）特性比较独特，C/C#/Java没有相应功能。回顾历史，Stroustrup开发的早期C++编译器Cpre/Cfront是把C++源代码翻译为C，再用C编译器编译的。由此可知，C++编写的程序，都能用等效的C程序代替，但C++在语言层面上提供了OOP/GP语法、更严格的类型检查系统、大量额外的语言特性（如异常、RTTI等），并且C++标准库也较丰富。有时候C++的语法可使程序更简洁，如运算符重载、隐式转换。但另1方面，C语言的API通常比C++简洁，能较轻易供其他语言程序调用。因此，1些C++库会提供C的API封装，同时也可供C程序调用。相反，有时候也会把C的API封装成C++情势，以支持RAII和其他C++库整合等。

为甚么C++性能可优于其他语言？

相对运行于虚拟机语言（如C#/Java），C/C++直接以静态情势把源程序编译为目标平台的机器码。1般而言，C/C++程序在编译及链接时可进行的优化最丰富，启动时的速度最快，运行时的额外内存开消最少。而C/C++相对动态语言（如Python/Lua）也减少了运行时的动态类型检测。另外，C/C++的运行行动是肯定的，且不会有额外行动（例如C#/Java必定会初始化变量），也不会有如垃圾搜集（GC）而酿成的不肯定性延迟，而且C/C++的数据结构在内存中的布局也是肯定的。有时C++的1些功能会使程序性能优于C，当中之内联和模版最为突出，这两项功能使C++标准库的sort()通常比C标准库的qsort()快多倍（C可用宏或人手编码往解决此题目）。另1方面，C/C++能直接映照机器码，之间没有另1层中间语言，因此可以做底层优化，例如使用内部（intrinsic）函数和嵌进汇编语言。但是，很多C++的性能优点并非免费午饭，代价包括较长的编译链接时间和较易出错，因此增加开发时间和本钱，这点稍后补充。

我进行了1个简单全局渲染性能测试（512x512像素，每像素10000个采样），C++ 1小时36分、Java 3小时18分、Python约18天、Ruby约351天。评测方式和其他语言的结果详见博文。

C++常见题目

C++源代码跨平台吗？

C++有不错的跨平台能力，但由于直接映照硬件，因性能优化的关系，跨平台能力不及Java及多数脚本语言。但是，实践跨平台的C++软件还是可行的，但须留意以下题目：

C++标准没有规定原始数据类型（如int）的大小，需要特定大小的类型时，可自订类型（如int32_t），同时对任何类型使用sizeof()而不假定其大小；

字节序（byte order）按CPU有所不同，特别要留意2进制输进输出、reinterpret_cast法；

原始数据和结构类型的地址对齐有差异；

编译器提供的1些编译器或平台专用扩充指令；

避免作利用2进制接口（application binary inte***ce， ABI）的假定，例如调用函数时参数的取值顺序在C/C++中没定义，在C++中也不可随便假定RTTI/虚表等实现方式。

总括而言，跨平台C++软件可在头文件中用宏检测编译器和平台，再用宏、typedef、自定平台相干实现等方法往实践跨平台，C++标准不会提供这类帮助。

C++程序轻易崩溃？

和很多语言相比，C/C++提供不安全的功能以最优化性能，有可能造成崩溃。但要留意，很多运行时毛病，如向空指针/援用解援用、数组越界、堆栈溢出等，其他语言也会报错或抛出异常，这些都是程序题目，而不是语言本身的题目。有些意见以为，出现这类运行时毛病，应当尽可能写进日志并立即崩溃，不该让程序继续运行，以免造成更大的影响（例如程序继续把内存中毛病的数据覆写文件）。若要容错，可按业务把程序分割为多进程，像Chrome或使用fork()的情势。但是，C++有很多机制可以减少毛病，例如以string代替C字符串；以vector或array（TR1）代替原始数组（有些实现可在调试模式检测越界）；使用智能指针也能减少1些原始指针的题目。另外，我最常碰到的Bug，就是没有初始化成员变量，有时会导致崩溃，而且调试版和发行版的行动可能不同。

C++要手动做内存治理？

C++同时提供在堆栈上的自动局部变量，和从自由存储（free store）分配的对象。对后者，程序员需手动开释，或使用不同的容器和智能指针。 C++程序员常常进1步优化内存，自定义内存分配策略以提升效能，例如使用对象池、自定义的单向/双向堆栈区等。固然C++0x还没加进GC功能，但也能够自行编写或使用现成库。另外，C/C++也能够直接使用操纵系统提供的内存相干功能，例如内存映照文件、共享内存等。

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使用C++常要重造轮子？

我曾参与的C++项目，都会重造很多标准库已提供的功能，此情况在其他语言中较少出现。我试图分析个中缘由。首先，C++标准库相对很多语言来讲是贫乏的，各开发者便会重复地制造自订库。从另1个角度看，C++标准库是用C++编写的（很多其他语言不用本身而是用C/C++往编写库），在能力和性能上，自订库和标准库并没有本质差别；另外，标准库为通用而设，对不同平台及多种使用需求作取舍，性能上有所影响，例如EA公司就曾发表自制的EASTL规格，描写游戏开发方面对STL的性能及功能需求的特点；另外，多个C++库1起使用，常常会因规范不同而引发冲突，又或功能堆叠，所以项目可能须自行开发，或引进其他库的概念或实现（如Boost/TR1/Loki），改写以符合项目规范。

C++编译速度很慢？

错，是非常慢。我以为C++多是实用程序语言中编译速度最慢的。此题目触及C++沿用C的编译链接方式，又加进了复杂的类/泛型声明和内联机制，使编译时间倍增。在C++对编译方法改革之前（如module提案），可使用以下技能改良：第1，使用pimpl手法，因性能消耗利用于调用次数未几的类；第2，仅包括必要头文件，并尽可能使用及提供前置声明版本的头文件（如iosfwd）；第3采取基于接口的设计，但须留意虚函数调用本钱；第4，采取unity build，即把多个cpp文件结合在1个编译单元进行编译；第5，采取散布式天生系统如IncrediBuild。

C++缺少甚么功能？

固然C++已非常复杂，但仍缺少很多常见功能。 C++0x作出了很多改良，例如语言方面加进Lambda函数、闭包、类型推导声明等，而库方面则加进正则表达式、采取哈希表的unordered_set/unordered_map、援用计数智能指针shared_ptr/weak_ptr等。但最值得留意的是C++0x引进多线程的语法和库功能，这是C++演进的1大步。但是，模组、GC、反射机制等功能虽有提案，却未加进C++0x。

C++使用建议

为利用挑选特性集

我同意Stroustrup关于使用C++各种技术的回应：“你可以做，不意味着你必须这么做。（Just because you can do it， doesn‘t mean that you have to.）” C++布满丰富的特性，但同时带来不同题目，例如过分复杂、编译及运行性能的消耗。1般可考虑是否是使用多重继续、异常、RTTI，并调理使用模版及模版元编程的程度。使用过分复杂的设计和功能，可能会令部份团队成员更难理解和保护。

为团队建立编程规范

C++的编码自由度很高，轻易编写风格差异的代码，C++本身也没有定义1些标准规范。而且，C++的源文件物理构成，较很多语言复杂。因此，除决定特性集，每个团队应建立1套编程规范，包括源文件格式（可使用文件模版）、花括号风格。

尽可能使用C++风格而非C风格

由于C++有对C兼容的包袱，1些功能可使用C风格实现，但最好使用C++提供的新功能。最基本的是尽可能以具名常量、内联函数和泛型取代宏，只把宏用在条件式编译及特殊情况。旧式的C要求局部变量声明在作用域开端，C++则无此限制，应把变量声明尽可能置于邻近其使用的地方，for()的循环变量声明可置于for的括号内。 C++中能加强类型安全的功能应尽可能使用，例如避免“万能”指针void *，而使用个别或泛型类型；用bool而非int表示布尔值；选用4种C++ cast关键字代替简单的强迫转换。

结合其他语言

如前文所述，C++并非合适所有益用情境，有时可以混合其他语言使用，包括用C++扩大其他语言，或在C++程序中嵌进脚本语言引擎。对后者，除使用各种脚本语言的专门API，还可使用Boost或SWIG作整合。

C++学习建议

C++缺点之1，是相对很多语言复杂，而且难学难精。很多人说学习C语言只需1本K&R《C程序设计语言》即可，但C++书籍却是多不胜数。我是从C进进C++，皆是靠浏览自学。在此分享1点学习心得。个人以为，学习C++可分为4个层次：

第1层次，C++基础：挑选1本进门书籍，如《C++ Primer》、《C++大学教程》、或Stroustrup撰写的经典《C++程序设计语言》或他1年半前的新作《C++程序设计原理与实践》，而1般C++课程也止于此，另外《C++ 标准程序库》及《The C++ Standard Library Extensions》可供参考；

第2层次，正确高效地使用C++：此层次开始必须自修，浏览过《（More）Effective C++》、《（More）Exceptional C++》、《Effective STL》及《C++编程规范》等，才适合踏进专业C++开发之路；

第3层次，深进了解C++：关于全局题目可读《深进探索C++对象模型》、《Imperfect C++》、《C++寻思录》、《STL源码剖析》，要挑战智商，可看关于模版及模版元编程的书籍如《C++ Templates》、《C++设计新思惟》、《C++模版元编程》；

第4层次，研究C++：浏览《C++语言的设计和演变》、《编程的本质》（含STL设计背后的数学根基）、C++标准文件《ISO/IEC 14882:2003》、C++标准委员会的提案书和报告书、关于C++的学术文献。

由于我主要是利用C++，大约只停留于第2、3个层次。但是，C++只是软件开发的1环而已，单凭语言其实不能应付业务和工程上的题目。建议读者不要强求几年内“完全学会C++的知识”，到达第2层左右便从工作实战中汲取经验，有爱好才渐渐继续学习更高层次的知识。固然学习C++有难度，但也是相当有趣且有满足感的。

数10年来，C++虽有起伏，但她依托其使用者而不断得到顽强的生命力，相信在我退休之前都不会与她分离，也希看更进1步了解她，与她走进未来。

本文转自博客园原文：C++强大背后

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