C++强大背后
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