C++强大的背后

迷南。 2022-05-30 20:46 160阅读 0赞

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在31年前(1979年)，一名刚获得博士学位的研究员，为了开发一个软件项目发明了一门新编程语言，该研究员名为[Bjarne Stroustrup][]，该门语言则命名为——C with classes，四年后改称为C++。C++是一门通用编程语言，支持多种编程范式，包括过程式、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][Link 1]及[证明是图灵完备的][Link 2]，因此使C++亦可支持[模版元编程范式(template metaprogramming, TMP)][template metaprogramming_ TMP]。C++继承了C的特色，既为高级语言，又含低级语言功能，可同时作为系统和应用编程语言。

C++广泛应用在不同领域，使用者[以数百万计][Link 3]。根据[近十年的调查][Link 4]，C++的流行程度约稳定排行第3位(于C/Java之后)。 C++经历长期的实践和演化，才成为今日的样貌。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)][standard template library_ STL]。之后委员会在2005年提交了有关标准库的[第一个技术报告(简称TR1)][TR1]，并为下一个标准[C++0x][C_0x]而努力。可惜C++0x并不能在200x年完成，各界希望新标准能于2011年内出台。

流行的C++编译器中，微软Visual C++ 2010已实现[部分C++0x语法并加入TR1扩充库][C_0x_TR1]，而gcc对[C++0x语法和库的支持][C_0x 1]比VC2010更多。

## 应否选择C++ ##

### 哪些程序适宜使用C++? ###

C++并非万能丹，我按经验举出一些C++的适用时机。

*  C++适合构造程序中需求较稳定的部分，需求变化较大的部分可使用脚本语言；
 *  程序须尽量发挥硬件的最高性能，且性能瓶颈在于CPU和内存；
 *  程序须频繁地与操作系统或硬件沟通；
 *  程序必须使用C++框架/库，如大部分游戏引擎(如Unreal/Source)及中间件(如Havok/FMOD)，虽然有些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。

按应用领域来说，C++适用于开发服务器软件、桌面应用、游戏、实时系统、高性能计算、嵌入式系统等。

### 使用C++还是C? ###

C++和C的设计哲学并不一样，两者取舍不同，所以不同的程序员和软件项目会有不同选择，难以一概而论。与C++相比，C具备编译速度快、容易学习、显式描述程序细节、较少更新标准(后两者也可同时视为缺点)等优点。在语言层面上，C++包含绝大部分C语言的功能(例外之一，C++没有C99的[变长数组VLA][VLA])，且提供OOP和GP的特性。但其实用C也可实现OOP思想，亦可利用宏去实现某程度的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，资源获取就是初始化)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。但另一方面，C语言的API通常比C++简洁，能较容易供其他语言程序调用。因此，一些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++形式，以支持RAII和其他C++库整合等。

### 为何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++直接以静态形式把源程序编译为目标平台的机器码。一般而言，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销最少。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。此外，C/C++的运行行为是确定的，且不会有额外行为(例如C\#/Java必然会初始化变量)，也不会有如垃圾收集(GC)而造成的不确定性延迟，而且C/C++的数据结构在内存中的布局也是确定的。有时C++的一些功能会使程序性能优于C，当中以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][Link 5](C可用宏或人手编码去解决此问题)。另一方面，C/C++能直接映射机器码，之间没有另一层中间语言，因此可以做底层优化，例如使用[内部(intrinsic)函数][intrinsic]和嵌入汇编语言。然而，许多C++的性能优点并非免费午餐，代价包括较长的编译链接时间和较易出错，因而增加开发时间和成本，这点稍后补充。

我进行了一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][Link 6]。

## C++常见问题 ##

### C++源代码跨平台吗? ###

C++有不错的跨平台能力，但由于直接映射硬件，因性能优化的关系，跨平台能力不及Java及多数脚本语言。然而，实践跨平台的C++软件还是可行的，但须注意以下问题：

*  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()而不假设其大小；
 *  字节序(byte order)按CPU有所不同，特别要注意二进制输入输出、reinterpret\_cast法；
 *  原始数据和结构类型的地址对齐有差异；
 *  编译器提供的一些编译器或平台专用扩充指令；
 *  避免作[应用二进制接口(application binary interface, ABI)][application binary interface_ ABI]的假设，例如调用函数时参数的取值顺序在C/C++中没定义，在C++中也不可随便假设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、自定平台相关实现等方法去实践跨平台，C++标准不会提供这类帮助。

### C++程序容易崩溃? ###

和许多语言相比，C/C++提供不安全的功能以最优化性能，有可能造成崩溃。但要注意，很多运行时错误，如向空指针/引用解引用、数组越界、堆栈溢出等，其他语言也会报错或抛出异常，这些都是程序问题，而不是语言本身的问题。有些意见认为，出现这类运行时错误，应该尽量写入日志并立即崩溃，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错误的数据覆写文件)。若要容错，可按业务把程序分割为多进程，像[Chrome][]或使用fork()的形式。然而，C++有许多机制可以减少错误，例如以[string][]代替C字符串；以[vector][]或[array(TR1)][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一些原始指针的问题。另外，我最常遇到的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为可能不同。

### C++要手动做内存管理? ###

C++同时提供在堆栈上的自动局部变量，以及从自由存储(free store)分配的对象。对于后者，程序员需手动释放，或使用不同的容器和智能指针。 C++程序员经常进一步优化内存，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。虽然C++0x还没加入GC功能，但也可以自行编写或使用现成库。此外，C/C++也可以直接使用操作系统提供的内存相关功能，例如内存映射文件、共享内存等。

### 使用C++常要重造轮子? ###

我曾参与的C++项目，都会重造不少标准库已提供的功能，此情况在其他语言中较少出现。我试图分析个中原因。首先，C++标准库相对很多语言来说是贫乏的，各开发者便会重复地制造自订库。从另一个角度看，C++标准库是用C++编写的(很多其他语言不用自身而是用C/C++去编写库)，在能力和性能上，自订库和标准库并无本质差别；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，描述游戏开发方面对STL的性能及功能需求的特点；此外，多个C++库一起使用，经常会因规范不同而引起冲突，又或功能重叠，所以项目可能须自行开发，或引入其他库的概念或实现(如[Boost][]/[TR1][TR1 1]/[Loki][])，改写以符合项目规范。

### C++编译速度很慢? ###

错，是非常慢。我认为C++可能是实用程序语言中编译速度最慢的。此问题涉及C++沿用C的编译链接方式，又加入了复杂的类/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][module])，可使用以下技巧改善：第一，使用[pimpl手法][pimpl]，因性能损耗应用于调用次数不多的类；第二，仅包含必要头文件，并尽量使用及提供前置声明版本的头文件(如iosfwd)；第三采用基于接口的设计，但须注意虚函数调用成本；第四，采用[unity build][]，即把多个cpp文件结合在一个编译单元进行编译；第五，采用分布式生成系统如[IncrediBuild][]。

### C++缺乏什么功能? ###

虽然C++已经非常复杂，但仍缺少很多常见功能。 C++0x作出了不少改善，例如语言方面加入Lambda函数、闭包、类型推导声明等，而库方面则加入正则表达式、采用哈希表的unordered\_set/unordered\_map、引用计数智能指针shared\_ptr/weak\_ptr等。但最值得留意的是C++0x引入多线程的语法和库功能，这是C++演进的一大步。然而，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 ##

### 为应用挑选特性集 ###

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++充满丰富的特性，但同时带来不同问题，例如过分复杂、编译及运行性能的损耗。一般可考虑是否使用多重继承、异常、RTTI，并调节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，可能会令部分团队成员更难理解和维护。

### 为团队建立编程规范 ###

C++的编码自由度很高，容易编写风格迥异的代码，C++本身也没有定义一些标准规范。而且，C++的源文件物理构成，较许多语言复杂。因此，除了决定特性集，每个团队应建立一套编程规范，包括源文件格式(可使用文件模版)、花括号风格。

### 尽量使用C++风格而非C风格 ###

由于C++有对C兼容的包袱，一些功能可以使用C风格实现，但最好使用C++提供的新功能。最基本的是尽量以具名常量、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，应把变量声明尽量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量使用，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制转换。

### 结合其他语言 ###

如前文所述，C++并非适合所有应用情境，有时可以混合其他语言使用，包括用C++扩展其他语言，或在C++程序中嵌入脚本语言引擎。对于后者，除了使用各种脚本语言的专门API，还可使用[Boost][Boost 1]或[SWIG][]作整合。

## C++学习建议 ##

C++缺点之一，是相对许多语言复杂，而且难学难精。许多人说学习C语言只需一本K&R[《C程序设计语言》][C]即可，但C++书籍却是多不胜数。我是从C进入C++，皆是靠阅读自学。在此分享一点学习心得。个人认为，学习C++可分为4个层次：

*  第一层次，C++基础：挑选一本入门书籍，如[《C++ Primer》][C_ Primer]、[《C++大学教程》][C 1]、或Stroustrup撰写的经典[《C++程序设计语言》][C 2]或他一年半前的新作[《C++程序设计原理与实践》][C 3]，而一般C++课程也止于此，另外[《C++ 标准程序库》][C_]及[《The C++ Standard Library Extensions》][The C_ Standard Library Extensions]可供参考；
 *  第二层次，正确高效地使用C++：此层次开始必须自修，阅读过《([More][])[Effective C++][Effective C]》、《([More][More 1])[Exceptional C++][Exceptional C]》、[《Effective STL》][Effective STL]及[《C++编程规范》][C 4]等，才适宜踏入专业C++开发之路；
 *  第三层次，深入了解C++：关于全局问题可读[《深入探索C++对象模型》][C 5]、[《Imperfect C++》][Imperfect C]、[《C++沉思录》][C 6]、[《STL源码剖析》][STL]，要挑战智商，可看关于模版及模版元编程的书籍如[《C++ Templates》][C_ Templates]、[《C++设计新思维》][C 7]、[《C++模版元编程》][C 8]；
 *  第四层次，研究C++：阅读[《C++语言的设计和演化》][C 9]、[《编程的本质》][Link 7](含STL设计背后的数学根基)、C++标准文件[《ISO/IEC 14882:2003》][ISO_IEC 14882_2003]、[C++标准委员会][C 10]的提案书和报告书、关于C++的学术文献。

由于我主要是应用C++，大约只停留于第二、三个层次。然而，C++只是软件开发的一环而已，单凭语言并不能应付业务和工程上的问题。建议读者不要强求几年内“彻底学会C++的知识”，到达第二层左右便从工作实战中汲取经验，有兴趣才慢慢继续学习更高层次的知识。虽然学习C++有难度，但也是相当有趣且有满足感的。

数十年来，C++虽有起伏，但她依靠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，也希望更进一步了解她，与她走进未来。

[http_www.cnblogs.com_miloyip_archive_2010_09_17_1828449.html]: http://www.cnblogs.com/miloyip/archive/2010/09/17/1828449.html
[Bjarne Stroustrup]: http://www2.research.att.com/~bs/
[Link 1]: http://www.erwin-unruh.de/meta.html
[Link 2]: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=AA022F3026015EF910CAEF5156901019?doi=10.1.1.14.3670&rep=rep1&type=pdf
[template metaprogramming_ TMP]: http://en.wikipedia.org/wiki/Template_metaprogramming
[Link 3]: http://www2.research.att.com/~bs/bs_faq.html#number-of-C++-users
[Link 4]: http://www.tiobe.com/index.php/content/paperinfo/tpci/index.html
[standard template library_ STL]: http://www.sgi.com/tech/stl/
[TR1]: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2005/n1836.pdf
[C_0x]: http://en.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B0x
[C_0x_TR1]: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd465215.aspx
[C_0x 1]: http://gcc.gnu.org/projects/cxx0x.html
[VLA]: http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-length_array
[RAII]: http://en.wikipedia.org/wiki/Resource_Acquisition_Is_Initialization
[Cfront]: http://en.wikipedia.org/wiki/Cfront
[RTTI]: http://en.wikipedia.org/wiki/RTTI
[Link 5]: http://en.wikipedia.org/wiki/Sort_%28C%2B%2B%29#Comparison_to_qsort.28.29
[intrinsic]: http://en.wikipedia.org/wiki/Intrinsic_function
[Link 6]: http://www.cnblogs.com/miloyip/archive/2010/07/07/languages_brawl_GI.html
[application binary interface_ ABI]: http://en.wikipedia.org/wiki/Application_binary_interface
[Chrome]: http://dev.chromium.org/developers/design-documents/multi-process-architecture
[string]: http://en.wikipedia.org/wiki/String_%28C%2B%2B%29
[vector]: http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_%28C%2B%2B%29
[array_TR1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Array_%28C%2B%2B%29
[Boost]: http://www.boost.org/
[TR1 1]: http://en.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B_Technical_Report_1
[Loki]: http://loki-lib.sourceforge.net/
[module]: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2006/n2073.pdf
[pimpl]: http://en.wikipedia.org/wiki/Opaque_pointer
[unity build]: http://buffered.io/2007/12/10/the-magic-of-unity-builds/
[IncrediBuild]: http://www.xoreax.com/
[Boost 1]: http://www.boost.org/doc/libs/1_42_0/libs/python/doc/index.html
[SWIG]: http://www.swig.org/
[C]: http://book.douban.com/subject/1139336/
[C_ Primer]: http://book.douban.com/subject/4262575/
[C 1]: http://book.douban.com/subject/2030264/
[C 2]: http://book.douban.com/subject/1099889/
[C 3]: http://book.douban.com/subject/4875599/
[C_]: http://book.douban.com/subject/1110941/
[The C_ Standard Library Extensions]: http://book.douban.com/subject/1868179/
[More]: http://book.douban.com/subject/1241385/
[Effective C]: http://book.douban.com/subject/1842426/
[More 1]: http://book.douban.com/subject/1244943/
[Exceptional C]: http://book.douban.com/subject/1967356/
[Effective STL]: http://book.douban.com/subject/1792179/
[C 4]: http://book.douban.com/subject/1480481/
[C 5]: http://book.douban.com/subject/1091086/
[Imperfect C]: http://book.douban.com/subject/1470838/
[C 6]: http://book.douban.com/subject/2970056/
[STL]: http://book.douban.com/subject/1110934/
[C_ Templates]: http://book.douban.com/subject/2378124/
[C 7]: http://book.douban.com/subject/1119904/
[C 8]: http://book.douban.com/subject/4136223/
[C 9]: http://book.douban.com/subject/1096216/
[Link 7]: http://book.douban.com/subject/4722718/
[ISO_IEC 14882_2003]: http://openassist.googlecode.com/files/C%2B%2B%20Standard%20-%20ANSI%20ISO%20IEC%2014882%202003.pdf
[C 10]: http://www.open-std.org/JTC1/SC22/WG21/