C++的最后一道坎|百萬(wàn)年薪的程序員

| 導(dǎo)語(yǔ) C++ 的起源可以追溯到 40 年前，但它仍然是當(dāng)今使用最廣泛的編程語(yǔ)言之一，C++發(fā)明人Bjarne Stroustrup 一開(kāi)始沒(méi)想到 C++ 會(huì)獲得如此大的成功，他說(shuō)：“C++ 的成功顯然令人驚訝。我認(rèn)為它的成功取決于其最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是有效的使用硬件，再加上強(qiáng)大的抽象機(jī)制，以及它根據(jù)來(lái)自實(shí)際使用情況的反饋進(jìn)行謹(jǐn)慎的發(fā)展”。

C ++編程語(yǔ)言的歷史可以追溯到1979年，當(dāng)時(shí)Bjarne Stroustrup為博士學(xué)位論文進(jìn)行了一些開(kāi)發(fā)。在Stroustrup可以使用的所有單詞中，有一種被稱(chēng)為Simula的語(yǔ)言，顧名思義，它可能是一種主要為仿真而設(shè)計(jì)的語(yǔ)言。Simula 67語(yǔ)言是Stroustrup使用的變體，被認(rèn)為是支持面向?qū)ο缶幊谭独闹饕Z(yǔ)言。Stroustrup發(fā)現(xiàn)這種范例對(duì)包裝開(kāi)發(fā)很有幫助。但是，Simula語(yǔ)言對(duì)于實(shí)踐和實(shí)際使用而言太慢了；

隨后不久，Bjarne Stroustrup希望通過(guò)支持面向?qū)ο蠓独齺?lái)增強(qiáng)C。他深入研究了Smalltalk的OO實(shí)現(xiàn)，以獲取有關(guān)實(shí)現(xiàn)的想法。但是他不愿意為此放棄性能，因此他開(kāi)始從事“C with Classes (帶有類(lèi)的C） ”的工作，希望C ++代碼運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有與C代碼相似（或更好）的性能。

第一個(gè)帶有類(lèi)別編譯器的C稱(chēng)為Cfront，它是從稱(chēng)為CPre的C編譯器派生而來(lái)的。它曾經(jīng)是一個(gè)旨在將帶有類(lèi)別代碼的C轉(zhuǎn)換為通用C的程序。值得注意的目的是Cfront主要是用C用類(lèi)編寫(xiě)的，從而創(chuàng)建了一個(gè)自舉的編譯器（可以自行編譯的編譯器） 。Cfront后來(lái)在1993年被放棄，但是Cfront對(duì)未來(lái)的編譯器和Unix操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了巨大影響。

1983年，語(yǔ)言的名稱(chēng)從“帶有類(lèi)的C”更改為C ++。C語(yǔ)言中的++運(yùn)算符是用于遞增變量的運(yùn)算符，它使您可以深入了解Stroustrup如何看待該語(yǔ)言。在此期間添加了許多新功能，其中最引人注目的是虛函數(shù)，函數(shù)重載，帶有＆符號(hào)的引用，const關(guān)鍵字和使用兩個(gè)正斜杠的單行注釋。

1985年，Stroustrup引用了名為“ C ++編程語(yǔ)言”的語(yǔ)言。已出版。同年，C ++被實(shí)現(xiàn)為商業(yè)產(chǎn)品。該語(yǔ)言尚未正式標(biāo)準(zhǔn)化，因此使該書(shū)成為非常重要的參考。該語(yǔ)言在1989年再次進(jìn)行了更新，以包括受保護(hù)的成員和靜態(tài)成員，以及從多個(gè)類(lèi)的繼承.

1990年，發(fā)行了《帶注釋的C ++參考手冊(cè)》。同年，Borland的Turbo C ++編譯器將作為商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布。Turbo C ++添加了許多其他庫(kù)，這些庫(kù)會(huì)對(duì)C ++的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。盡管Turbo C ++的最后一個(gè)穩(wěn)定版本是2006年，但該編譯器仍被廣泛使用。

1998年，C ++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布了第一個(gè)C ++ ISO / IEC 14882：1998國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其非正式名稱(chēng)為C ++ 98。據(jù)說(shuō)《帶注釋的C ++參考手冊(cè)》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的制定產(chǎn)生了很大的影響。還包括標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)，該模板庫(kù)于1979年開(kāi)始概念開(kāi)發(fā)。2003年，該委員會(huì)對(duì)1998年標(biāo)準(zhǔn)所報(bào)告的多個(gè)問(wèn)題做出了回應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的修訂。更改的語(yǔ)言稱(chēng)為C ++ 03。

2005年，C ++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)發(fā)布了一份技術(shù)報(bào)告（稱(chēng)為T(mén)R1），詳細(xì)介紹了他們計(jì)劃添加到最新C ++標(biāo)準(zhǔn)中的各種功能。新標(biāo)準(zhǔn)被非正式地稱(chēng)為C ++ 0x，因?yàn)樗型诘谝粋€(gè)十年結(jié)束之前的某個(gè)時(shí)間發(fā)布。具有諷刺意味的是，新標(biāo)準(zhǔn)要到2011年年中才會(huì)發(fā)布。直到那時(shí)為止，已經(jīng)發(fā)布了幾份技術(shù)報(bào)告，并且一些編譯器開(kāi)始為新功能添加實(shí)驗(yàn)性支持。

2011年中，新的C ++標(biāo)準(zhǔn)（稱(chēng)為C ++ 11）完成。Boost庫(kù)項(xiàng)目對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了重大影響，其中一些新模塊直接來(lái)自相應(yīng)的Boost庫(kù)。一些新功能包括正則表達(dá)式支持，全面的隨機(jī)化庫(kù)，新的C ++時(shí)間庫(kù)，原子支持，標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)程庫(kù) ，一種新的for循環(huán)語(yǔ)法，提供的功能類(lèi)似于某些其他語(yǔ)言中的foreach循環(huán)，auto關(guān)鍵字，新的容器類(lèi)，對(duì)聯(lián)合和數(shù)組初始化列表以及可變參數(shù)模板的更好支持。

2014年，C ++ 14（也稱(chēng)為C ++ 1y）作為C++11的一個(gè)小擴(kuò)展發(fā)布，主要功能是錯(cuò)誤修復(fù)和小的改進(jìn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)投票程序草案于2014年8月中完成，加強(qiáng)lambda函數(shù)，constexpr和類(lèi)型推導(dǎo)特性；

2017年，發(fā)布C++17標(biāo)準(zhǔn)，C++17提供了很多東西。增強(qiáng)了核心語(yǔ)言和庫(kù)；

2020年，發(fā)布C++20標(biāo)準(zhǔn)，推出了很多重量級(jí)功能，其中比較重要：

• Concepts：概念改變了我們思考和編程模板的方式。它們是模板參數(shù)的語(yǔ)義類(lèi)別。它們使您可以直接在類(lèi)型系統(tǒng)中表達(dá)您的意圖。如果出了什么問(wèn)題，您會(huì)收到清晰的錯(cuò)誤消息。

• Ranges library：新的ranges庫(kù)使它可以直接在容器上執(zhí)行算法，用管道符號(hào)組成算法，并將其應(yīng)用于無(wú)限數(shù)據(jù)流。

• Coroutines：由于協(xié)程，C ++中的異步編程成為主流。協(xié)程是協(xié)作任務(wù)，事件循環(huán)，無(wú)限數(shù)據(jù)流或管道的基礎(chǔ)。

• Modules：模塊克服了頭文件的限制。他們承諾很多。例如，頭文件和源文件的分離變得和預(yù)處理器一樣過(guò)時(shí)了。最后，我們有更快的構(gòu)建時(shí)間和更輕松的構(gòu)建軟件包的方法。

• Concurrency：

  Atomic Smart Pointers,

  Joining & Cancellable Threads,

  The C++20 Synchronization Library，增強(qiáng)了C++并發(fā)編程能力；

  總結(jié)一下，C++標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線(xiàn)如下圖：

 從C++發(fā)展歷史背景來(lái)看，C++產(chǎn)生的根本原因有兩點(diǎn)：

• 面向?qū)ο缶幊?/span>：  Bjarne Stroustrup研究Simula OOP編程思想，覺(jué)得這個(gè)是應(yīng)對(duì)大型軟件開(kāi)發(fā)的絕佳武器，擁有很好的現(xiàn)實(shí)抽象能力和代碼組織能力；

• 高性能：Bjarne Stroustrup準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一套通信系統(tǒng)，需要編寫(xiě)接近硬件的低級(jí)代碼，例如內(nèi)存管理器、進(jìn)程調(diào)度器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)分離軟件組件，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件性能限制，對(duì)軟件性能要求苛刻，廣泛使用的C語(yǔ)言有比較接近硬件工作的能力，所以Bjarne Stroustrup基于C語(yǔ)言創(chuàng)造可以面向?qū)ο缶幊痰腃++語(yǔ)言；
  

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的雛形，早在1960年的Simula語(yǔ)言中即可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域正面臨著一種危機(jī)：在軟硬件環(huán)境逐漸復(fù)雜的情況下，軟件如何得到良好的維護(hù)？面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)在某種程度上通過(guò)強(qiáng)調(diào)可重復(fù)性解決了這一問(wèn)題。20世紀(jì)70年代的Smalltalk語(yǔ)言在面向?qū)ο蠓矫婵胺Q(chēng)經(jīng)典——以至于30年后的今天依然將這一語(yǔ)言視為面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的基礎(chǔ)。

面向?qū)ο缶幊?/span>就是通過(guò)對(duì)象把現(xiàn)實(shí)世界映射到計(jì)算機(jī)模型的一種編程方法，是抽象思維的一種體現(xiàn)。而抽象是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最重要的一種思維方式； 

面向?qū)ο蠓椒ǖ谋举|(zhì)就是主張從客觀(guān)世界固有的事物出發(fā)的構(gòu)造系統(tǒng)，提倡用人類(lèi)在現(xiàn)實(shí)生活中常用的思維方法來(lái)認(rèn)識(shí)、理解和描述客觀(guān)事物，具體實(shí)現(xiàn)采用對(duì)象為基礎(chǔ)，對(duì)象是面向?qū)ο蠓椒ㄖ凶罨镜母拍睢?duì)象可以用來(lái)表示客觀(guān)世界中的任何實(shí)體，它既可以是具體的物理實(shí)體的抽象，也可以是人為的概念，或者是任何有明確邊界和意義的東西；

程序的本質(zhì)是人的意志延伸到計(jì)算機(jī)的可識(shí)別的指令。計(jì)算機(jī)（CPU）僅能識(shí)別 01代碼，本身不能解決任何問(wèn)題（無(wú)意識(shí)），只能由人編寫(xiě)程序控制計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題，因此編程的本質(zhì)就是人“教會(huì)”計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題。

面向?qū)ο蟮木幊?span style="font-family: -apple-system, "SF UI Text", Arial, "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei", "WenQuanYi Micro Hei", sans-serif, SimHei, SimSun;text-align: start;background-color: rgb(255, 255, 255);">技術(shù)有助于減小這一隔閡、并使這兩個(gè)空間盡量趨于一致;

主要的方法是對(duì)象和類(lèi)：

對(duì)象是面向?qū)ο蠓椒ㄖ凶罨镜母拍睢?duì)象可以用來(lái)表示客觀(guān)世界中的任何實(shí)體，它既可以是具體的物理實(shí)體的抽象，也可以是人為的概念，或者是任何有明確邊界和意義的東西；

類(lèi)是具有共同屬性、共同方法的對(duì)象的集合，是關(guān)于對(duì)象的抽象描述，反映屬于該對(duì)象類(lèi)型的所有對(duì)象的性質(zhì)，它由一組靜態(tài)特征(數(shù)據(jù)）和它可執(zhí)行的一組操作（方法）組成，一個(gè)對(duì)象就是類(lèi)的一個(gè)實(shí)例；

對(duì)象和對(duì)象之間隱藏自己內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信，這樣就可以提高程序內(nèi)聚，降低耦合，方便系統(tǒng)進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

主要的方法通過(guò)類(lèi)的公有繼承、保護(hù)繼承，私有繼承，單繼承，多繼承；結(jié)合類(lèi)成員的三種屬性：public、protected 和 private; 來(lái)實(shí)現(xiàn)共享和限制屬性和方法的訪(fǎng)問(wèn)；

繼承的優(yōu)點(diǎn)是：相似的對(duì)象可以共享程序代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而大大減少了程序中的冗余信息，提高軟件的可重用性，便于軟件迭代；

編譯時(shí)多態(tài)

主要的方法是重載和模板，重載包括運(yùn)算符重載和函數(shù)重載，運(yùn)算符重載通過(guò)重新定義運(yùn)算符實(shí)現(xiàn)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，底層還是函數(shù)重載，函數(shù)重載通過(guò)參數(shù)列表的不同來(lái)區(qū)分不同的方法，底層是不同的函數(shù)簽名；

模板是通過(guò)參數(shù)化類(lèi)型來(lái)區(qū)分不同類(lèi)和函數(shù)；

細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

  C++模版的本質(zhì)

《C++ Templates: The Complete Guide》

運(yùn)行時(shí)多態(tài)

主要方法是重寫(xiě)，子類(lèi)對(duì)父類(lèi)方法的“重新”實(shí)現(xiàn)，底層是通過(guò)定義虛函數(shù)和構(gòu)建虛函數(shù)表，在虛函數(shù)表里面插入RTTI（運(yùn)行時(shí)類(lèi)型信息）信息，結(jié)合繼承和動(dòng)態(tài)綁定，程序就可以根據(jù)實(shí)際類(lèi)型判斷并調(diào)用相應(yīng)的屬性和方法。

細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

  C++內(nèi)存管理全景指南

《深度搜索c++對(duì)象模型》

多態(tài)強(qiáng)大的功能允許不修改父類(lèi)代碼和業(yè)務(wù)邏輯代碼，就通過(guò)擴(kuò)展子類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。多態(tài)使模塊在復(fù)用的基礎(chǔ)上具備了更強(qiáng)的可擴(kuò)展性；

高效地使用硬件

• 保持與C語(yǔ)言兼容，C++代碼與C代碼運(yùn)行時(shí)應(yīng)具有相似（或更好）的性能；

• 將內(nèi)置操作和類(lèi)型直接映射到硬件，以提供有效的內(nèi)存使用和有效的低級(jí)操作；

  
  

零成本的抽象機(jī)制

• 低成本的靈活抽象機(jī)制，可為用戶(hù)定義的類(lèi)型提供與內(nèi)置類(lèi)型相同的符號(hào)支持，用途范圍和性能；

• 類(lèi)，繼承，模板，概念，別名等；

任何違反以上兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之一的建議都可能會(huì)遭到拒絕；

更加靈活，支持多種編程范型：

• 面向過(guò)程編程：兼容C語(yǔ)言編程，支持自上而下面向過(guò)程編程；

• 面向?qū)ο缶幊?/span>：封裝，繼承，多態(tài)，對(duì)象內(nèi)存模型，構(gòu)造和析構(gòu)；

• 泛型編程：泛型編程是自 STL（標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)）納入到 C++ 標(biāo)準(zhǔn)以后才逐漸流行起來(lái)的新范式，核心思想是“一切皆為類(lèi)型”，或者說(shuō)是“參數(shù)化類(lèi)型”“類(lèi)型擦除”，使用模板而不是繼承的方式來(lái)復(fù)用代碼，所以運(yùn)行效率更高，代碼也更簡(jiǎn)潔；

• 模板元編程：模板元編程是一種高級(jí)、復(fù)雜的技術(shù)，C++模板是圖靈完備的，可以在編譯期間模擬一個(gè)完整的圖靈機(jī)，也就是說(shuō)，可以完成任何的計(jì)算任務(wù)，比如編譯期數(shù)值計(jì)算、類(lèi)型計(jì)算、代碼計(jì)算（如循環(huán)展開(kāi)），而類(lèi)型計(jì)算和代碼計(jì)算可以使得代碼更加通用，更加易用，性能更好；

• 函數(shù)式編程：核心思想是以函數(shù)對(duì)象（可以作為入?yún)⒑头祷刂担瑹o(wú)狀態(tài)（無(wú)副作用），更加強(qiáng)調(diào)程序執(zhí)行的結(jié)果而非執(zhí)行的過(guò)程，倡導(dǎo)利用若干簡(jiǎn)單的執(zhí)行單元讓計(jì)算結(jié)果不斷漸進(jìn)，逐層推導(dǎo)復(fù)雜的運(yùn)算，C++已經(jīng)提供了一些基本元素：Lambda表達(dá)式，std::function、函數(shù)對(duì)象。模板元編程等；

更好的類(lèi)型系統(tǒng)：內(nèi)置更多類(lèi)型（通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)擴(kuò)展），更安全類(lèi)型系統(tǒng)，更好類(lèi)型泛化編程支持，支持自省，反射等特性；

更好資源的安全性：更好的對(duì)象內(nèi)存模型，更好對(duì)象所有權(quán)設(shè)計(jì)（可以學(xué)習(xí)借鑒Rust），更好異常安全機(jī)制；

更好利用硬件：caches，多核（更好支持并發(fā)編程）,GPUs，F(xiàn)PGA，SIMD等；

看Bjarne Stroustrup專(zhuān)訪(fǎng)，關(guān)于程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)哲學(xué)討論，更能體會(huì)到C++的核心設(shè)計(jì)思想；

我挑選一些自己覺(jué)得比較重要的實(shí)踐條目，大家可以自行修正補(bǔ)充一下：

• 盡量使用現(xiàn)代C++（C++11 以上）進(jìn)行C++編程，開(kāi)發(fā)效率，性能，安全性都有極大提高；

• 盡量使用智能指針，用RAII模式管理對(duì)象生命周期；

  
  

• 理解C++對(duì)象的內(nèi)存模型和布局，方便定位和解決各種C++內(nèi)存問(wèn)題；

  
  

• 異常是一個(gè)即安全又危險(xiǎn)的特性，請(qǐng)謹(jǐn)慎使用；

  
  

• 熟悉常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式和C++特有的設(shè)計(jì)范式，幫助自己設(shè)計(jì)構(gòu)建更好的系統(tǒng)，對(duì)代碼進(jìn)行必要的重構(gòu)；

  
  

• 代碼一定要做單元測(cè)試，測(cè)試代碼盡量覆蓋所有的分支（覆蓋率盡量高），可以采用GoogleTest單元測(cè)試框架；

• 代碼最好用valgrind等工具跑一遍，檢查代碼有沒(méi)有內(nèi)存泄漏和異常；

《C++編程規(guī)范(C++ Coding Standards) 》

用來(lái)當(dāng)手冊(cè)使用，有需要時(shí)候查詢(xún)一下。

C++初學(xué)者入門(mén)：

《C++ Primer》

此書(shū)為入門(mén)經(jīng)典書(shū)籍，初學(xué)者一定要經(jīng)常翻看。

如何更好編寫(xiě)C++程序：

《Exceptional C++》

讓你了解C++經(jīng)驗(yàn)用法，避免踩坑。

C++內(nèi)存模型：

 C++內(nèi)存管理全景指南

《深度搜索c++對(duì)象模型》

讓你理解C++內(nèi)存布局，對(duì)C++各種內(nèi)存異常問(wèn)題有幫助。

泛型編程：

《深入淺出STL》

《Beyond the C++ Standard Library(Boost)》

可以學(xué)習(xí)泛型編程精髓。

modern C++：

《深入理解C++11》

《Effective Modern C++》

C++11版本以后被稱(chēng)為modern C++，代表一個(gè)新時(shí)代C++誕生，寫(xiě)代碼更快，更好，更穩(wěn)。

高手進(jìn)階

模板編程:

《C++ 模板完全指南(C++ Templates: The Complete Guide)》

《C++設(shè)計(jì)新思維-泛型編程與設(shè)計(jì)模式之應(yīng)用(Modern C++ Design ) 》

《C++模板元編程(C++ Template Metaprogramming)》

《Advanced c++ Programming Styles and Idioms 》

如果想看懂標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)STL或者boost庫(kù)代碼，需要了解一些模板編程相關(guān)的知識(shí)。

設(shè)計(jì)模式：

《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》

《Modern C++ Design》

《More C++ Idioms》

《Advanced c++ Programming Styles and Idioms 》

了解一下常用設(shè)計(jì)模式和C++設(shè)計(jì)慣用方法，可以更好設(shè)計(jì)C++系統(tǒng)。

兩個(gè)經(jīng)典網(wǎng)站：

http://www.cplusplus.com

https://en.cppreference.com

用來(lái)查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)API和使用說(shuō)明，以及標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明解釋