C++强大的背后

核心提示：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++。

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（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。