[转]C++强大背后

2014-01-22 分类：互联网阅读(9295) 评论(6)

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，被发现及证明是图灵完备的，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。根据近十年的调查，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)。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)，并为下一个标准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，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)，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(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(512×512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)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)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/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)，可使用以下技巧改善：第一，使用pimpl手法，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》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++大学教程》、或Stroustrup撰写的经典《C++程序设计语言》或他一年半前的新作《C++程序设计原理与实践》，而一般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++》、《(More)Exceptional C++》、《Effective STL》及《C++编程规范》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》、《Imperfect C++》、《C++沉思录》、《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++设计新思维》、《C++模版元编程》；
第四层次，研究C++：阅读《C++语言的设计和演化》、《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。

本文原于《程序员》2010年8月刊揭载。

巴特西

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