C++強大的背後

時間 2020-12-27

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轉自：http://www.cnblogs.com/miloyip/archive/2010/09/17/1828449.html

在31年前(1979年)，一名剛得到博士學位的研究員，爲了開發一個軟件項目發明了一門新編程語言，該研究員名爲 Bjarne Stroustrup，該門語言則命名爲——C with classes，四年後改稱爲C++。C++是一門通用編程語言，支持多種編程範式，包括過程式、面向對象(object-oriented programming, OP)、泛型(generic programming, GP)，後來爲泛型而設計的模版，被發現及證實是圖靈完備的，所以使C++亦可支持模版元編程範式(template metaprogramming, TMP)。C++繼承了C的特點，既爲高級語言，又含低級語言功能，可同時做爲系統和應用編程語言。

C++普遍應用在不一樣領域，使用者以數百萬計。根據近十年的調查，C++的流行程度約穩定排行第3位(於C/Java以後)。 C++經歷長期的實踐和演化，才成爲今日的樣貌。1998年，C++標準委員會排除萬難，使C++成爲ISO標準(俗稱C++98)，當中含很是強大的標準模版庫(standard template library, STL)。以後委員會在2005年提交了有關標準庫的第一個技術報告(簡稱TR1)，併爲下一個標準 C++0x而努力。惋惜C++0x並不能在200x年完成，各界但願新標準能於2011年內出臺。

流行的C++編譯器中，微軟Visual C++ 2010已實現部分C++0x語法並加入TR1擴充庫，而gcc對 C++0x語法和庫的支持比VC2010更多。

應否選擇C++

哪些程序適宜使用C++?

C++並不是萬能丹，我按經驗舉出一些C++的適用時機。

C++適合構造程序中需求較穩定的部分，需求變化較大的部分可以使用腳本語言；
程序須儘可能發揮硬件的最高性能，且性能瓶頸在於CPU和內存；
程序須頻繁地與操做系統或硬件溝通；
程序必須使用C++框架/庫，如大部分遊戲引擎(如Unreal/Source)及中間件(如Havok/FMOD)，雖然有些C++庫提供其餘語言的綁定，但一般原生的API性能最好、最新；
項目中某個目標平臺只提供C++編譯器的支持。

按應用領域來講，C++適用於開發服務器軟件、桌面應用、遊戲、實時系統、高性能計算、嵌入式系統等。

使用C++仍是C?

C++和C的設計哲學並不同，二者取捨不一樣，因此不一樣的程序員和軟件項目會有不一樣選擇，難以一律而論。與C++相比，C具有編譯速度快、容易學習、顯式描述程序細節、較少更新標準(後二者也可同時視爲缺點)等優勢。在語言層面上，C++包含絕大部分C語言的功能(例外之一，C++沒有C99的變長數組VLA)，且提供OOP和GP的特性。但其實用C也可實現OOP思想，亦可利用宏去實現某程度的GP，只不過C++的語法能較簡潔、自動地實現OOP/GP。C++的 RAII(resource acquisition is initialization，資源獲取就是初始化)特性比較獨特，C/C#/Java沒有相應功能。回顧歷史，Stroustrup開發的早期C++編譯器Cpre/ Cfront是把C++源代碼翻譯爲C，再用C編譯器編譯的。由此可知，C++編寫的程序，都能用等效的C程序代替，但C++在語言層面上提供了OOP/GP語法、更嚴格的類型檢查系統、大量額外的語言特性(如異常、 RTTI等)，而且C++標準庫也較豐富。有時候C++的語法可以使程序更簡潔，如運算符重載、隱式轉換。但另外一方面，C語言的API一般比C++簡潔，能較容易供其餘語言程序調用。所以，一些C++庫會提供C的API封裝，同時也可供C程序調用。相反，有時候也會把C的API封裝成C++形式，以支持RAII和其餘C++庫整合等。

爲什麼C++性能可優於其餘語言?

相對運行於虛擬機語言(如C#/Java)，C/C++直接以靜態形式把源程序編譯爲目標平臺的機器碼。通常而言，C/C++程序在編譯及連接時可進行的優化最豐富，啓動時的速度最快，運行時的額外內存開銷最少。而C/C++相對動態語言(如Python/Lua)也減小了運行時的動態類型檢測。此外，C/C++的運行行爲是肯定的，且不會有額外行爲(例如C#/Java必然會初始化變量)，也不會有如垃圾收集(GC)而形成的不肯定性延遲，並且C/C++的數據結構在內存中的佈局也是肯定的。有時C++的一些功能會使程序性能優於C，當中之內聯和模版最爲突出，這兩項功能使C++標準庫的sort()一般比C標準庫的qsort() 快多倍(C可用宏或人手編碼去解決此問題)。另外一方面，C/C++能直接映射機器碼，之間沒有另外一層中間語言，所以能夠作底層優化，例如使用內部(intrinsic)函數和嵌入彙編語言。然而，許多C++的性能優勢並不是免費午飯，代價包括較長的編譯連接時間和較易出錯，於是增長開發時間和成本，這點稍後補充。

我進行了一個簡單全局渲染性能測試(512x512像素，每像素10000個採樣)，C++ 1小時36分、Java 3小時18分、Python約18天、Ruby約351天。評測方式和其餘語言的結果詳見博文。

C++常見問題

C++源代碼跨平臺嗎?

C++有不錯的跨平臺能力，但因爲直接映射硬件，因性能優化的關係，跨平臺能力不及Java及多數腳本語言。然而，實踐跨平臺的C++軟件仍是可行的，但須注意如下問題：

C++標準沒有規定原始數據類型(如int)的大小，須要特定大小的類型時，可自訂類型(如int32_t)，同時對任何類型使用sizeof()而不假設其大小；
字節序(byte order)按CPU有所不一樣，特別要注意二進制輸入輸出、reinterpret_cast法；
原始數據和結構類型的地址對齊有差別；
編譯器提供的一些編譯器或平臺專用擴充指令；
避免做應用二進制接口(application binary interface, ABI)的假設，例如調用函數時參數的取值順序在C/C++中沒定義，在C++中也不可隨便假設RTTI/虛表等實現方式。

總括而言，跨平臺C++軟件可在頭文件中用宏檢測編譯器和平臺，再用宏、typedef、自定平臺相關實現等方法去實踐跨平臺，C++標準不會提供這類幫助。

C++程序容易崩潰?

和許多語言相比，C/C++提供不安全的功能以最優化性能，有可能形成崩潰。但要注意，不少運行時錯誤，如向空指針/引用解引用、數組越界、堆棧溢出等，其餘語言也會報錯或拋出異常，這些都是程序問題，而不是語言自己的問題。有些意見認爲，出現這類運行時錯誤，應該儘可能寫入日誌並當即崩潰，不應讓程序繼續運行，以避免形成更大的影響(例如程序繼續把內存中錯誤的數據覆寫文件)。若要容錯，可按業務把程序分割爲多進程，像 Chrome或使用fork()的形式。然而，C++有許多機制能夠減小錯誤，例如以 string代替C字符串；以 vector或 array(TR1)代替原始數組(有些實現可在調試模式檢測越界)；使用智能指針也能減小一些原始指針的問題。另外，我最常遇到的Bug，就是沒有初始化成員變量，有時會致使崩潰，並且調試版和發行版的行爲可能不一樣。

C++要手動作內存管理?

C++同時提供在堆棧上的自動局部變量，以及從自由存儲(free store)分配的對象。對於後者，程序員需手動釋放，或使用不一樣的容器和智能指針。 C++程序員常常進一步優化內存，自定義內存分配策略以提高效能，例如使用對象池、自定義的單向/雙向堆棧區等。雖然C++0x還沒加入GC功能，但也能夠自行編寫或使用現成庫。此外，C/C++也能夠直接使用操做系統提供的內存相關功能，例如內存映射文件、共享內存等。

使用C++常要重造輪子?

我曾參與的C++項目，都會重造很多標準庫已提供的功能，此狀況在其餘語言中較少出現。我試圖分析箇中緣由。首先，C++標準庫相對不少語言來講是貧乏的，各開發者便會重複地製造自訂庫。從另外一個角度看，C++標準庫是用C++編寫的(不少其餘語言不用自身而是用C/C++去編寫庫)，在能力和性能上，自訂庫和標準庫並沒有本質差異；另外，標準庫爲通用而設，對不一樣平臺及多種使用需求做取捨，性能上有所影響，例如EA公司就曾發表自制的EASTL規格，描述遊戲開發方面對STL的性能及功能需求的特色；此外，多個C++庫一塊兒使用，常常會因規範不一樣而引發衝突，又或功能重疊，因此項目可能須自行開發，或引入其餘庫的概念或實現(如 Boost/ TR1/ Loki)，改寫以符合項目規範。

C++編譯速度很慢?

錯，是很是慢。我認爲C++多是實用程序語言中編譯速度最慢的。此問題涉及C++沿用C的編譯連接方式，又加入了複雜的類/泛型聲明和內聯機制，使編譯時間倍增。在C++對編譯方法改革以前(如 module提案)，可以使用如下技巧改善：第一，使用 pimpl手法，因性能損耗應用於調用次數很少的類；第二，僅包含必要頭文件，並儘可能使用及提供前置聲明版本的頭文件(如iosfwd)；第三採用基於接口的設計，但須注意虛函數調用成本；第四，採用 unity build，即把多個cpp文件結合在一個編譯單元進行編譯；第五，採用分佈式生成系統如 IncrediBuild。

C++缺少什麼功能?

雖然C++已經很是複雜，但仍缺乏不少常見功能。 C++0x做出了很多改善，例如語言方面加入Lambda函數、閉包、類型推導聲明等，而庫方面則加入正則表達式、採用哈希表的unordered_set/unordered_map、引用計數智能指針shared_ptr/weak_ptr等。但最值得留意的是C++0x引入多線程的語法和庫功能，這是C++演進的一大步。然而，模組、GC、反射機制等功能雖有提案，卻未加進C++0x。

C++使用建議

爲應用挑選特性集

我贊成Stroustrup關於使用C++各類技術的迴應：「你能夠作，不意味着你必須這麼作。(Just because you can do it, doesn't mean that you have to.)」 C++充滿豐富的特性，但同時帶來不一樣問題，例如過度複雜、編譯及運行性能的損耗。通常可考慮是否使用多重繼承、異常、RTTI，並調節使用模版及模版元編程的程度。使用過度複雜的設計和功能，可能會令部分團隊成員更難理解和維護。

爲團隊創建編程規範

C++的編碼自由度很高，容易編寫風格迥異的代碼，C++自己也沒有定義一些標準規範。並且，C++的源文件物理構成，較許多語言複雜。所以，除了決定特性集，每一個團隊應創建一套編程規範，包括源文件格式(可以使用文件模版)、花括號風格。

儘可能使用C++風格而非C風格

因爲C++有對C兼容的包袱，一些功能可使用C風格實現，但最好使用C++提供的新功能。最基本的是儘可能以具名常量、內聯函數和泛型取代宏，只把宏用在條件式編譯及特殊狀況。舊式的C要求局部變量聲明在做用域開端，C++則無此限制，應把變量聲明儘可能置於鄰近其使用的地方，for()的循環變量聲明可置於for的括號內。 C++中能增強類型安全的功能應儘可能使用，例如避免「萬能」指針void *，而使用個別或泛型類型；用bool而非int表示布爾值；選用4種C++ cast關鍵字代替簡單的強制轉換。