C++

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C++
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编程范型 多范型面向对象编程程序編程泛型编程
发行时间 1983年
設計者 Bjarne Stroustrup
最新发行时间 ISO/IEC 14882:2011 / 2011年8月12日
最新测试版发行日期 C++14 / 2014年3月2日
型態系統 静态类型强类型不安全
主要實作產品 Borland C++ BuilderGCCIntel C++ CompilerMicrosoft Visual C++Sun StudioClang
衍生副語言 ISO/IEC 14882:1998, ISO/IEC 14882:2003, ISO/IEC 14882:2011
啟發語言 C, Simula, Ada 83, ALGOL 68, CLU, ML
影響語言 Perl, Lua, Ada 95, Java, PHP, D, C99, C#, Aikido, Falcon, Dao

C++是一種使用非常廣泛的電腦程式設計語言。它是一種靜態資料類型檢查的,支援多範型的通用程式設計語言。C++支援程序化程式設計資料抽象化物件導向程式設計泛型程式設計基於原則設計等多種程式設計風格。

貝爾實驗室比雅尼·斯特勞斯特魯普博士在20世紀80年代發明並實現了C++。起初,這種語言被稱作“C with Classes”(“包含類別的C語言”),作為C語言的增強版出現。随后,C++不斷增加新特性。虚函数(virtual function)、運算子多載(operator overloading)、多重繼承(multiple inheritance)、模板(template)、异常处理(exception)、RTTI(Runtime type information)、命名空間(namespace)逐漸納入標準。1998年,國際標準組織(ISO)頒布了C++程式設計語言的第一個國際標準ISO/IEC 14882:1998,目前最新标准为 ISO/IEC 14882:2011。另外,就目前學習C++而言,可以認為它是一門獨立的語言;它並不依賴C語言,我們可以完全不學C語言,而直接學習C++。根據《C++編程思想》(Thinking in C++)一書所評述的,C++與C的效率往往相差在±5%之間。所以有部分人[谁?]認為在大多數場合[哪些?]中,C++完全可以取代C語言。

C++語言發展大概可以分為三個階段:第一階段從80年代到1995年。這一階段C++語言基本上是傳統類型上的面向对象語言,並且憑藉着接近C語言的效率,在工業界使用的開發語言中佔據了相當大份額;第二階段從1995年到2000年,這一階段由於標準模板庫(STL)和後來的Boost等程式庫的出現,泛型程式設計在C++中佔據了越來越多的比重性。當然,同時由於JavaC#等語言的出現和硬體價格的大規模下降,C++受到了一定的衝擊;第三階段從2000年至今,由於以LokiMPL等程式庫為代表的產生式編程模板元編程的出現,C++出現了發展歷史上又一個新的高峰,這些新技術的出現以及和原有技術的融合,使C++已經成為當今主流程式設計語言中最複雜的一員。

發展歷史[编辑]

比雅尼·史特勞斯特魯普(Stroustrup)工作起於1979年的C with Classes。這個構思起源於Stroustrup做博士論文時的一些程式撰寫經驗。他發現Simula具備很利於大型軟體開發的特點,但Simula的執行速度太慢,無法對現實需求發揮功效;BCPL雖快得多,但它過於低階的特性,使其不適於大型軟體的開發。當Stroustrup開始在貝爾實驗室工作時,他有分析UNIX核心關於分散式計算的問題。回想起他的博士論文經驗,Stroustrup開始為C語言增強一些類似Simula的特點。之所以選擇C,是因為它適於各種用途、快速和可移植性。除了CSimula之外,同時也從其它語言中取得靈感,如ALGOL 68AdaCLU以及ML。剛開始時,類別、衍生類別、儲存類型檢查、內聯和預設參數特性,都是透過Cfront引入C語言之中。1985年10月出現了第一個商業化發佈。

1983年,C with Classes改命名為C++。加入了新的特性,其中包括虛擬函式、函式名和運算子多載、參考、常數、使用者可控制的自由空間儲存區控制、改良的型別檢查,以及新的雙斜線(//)單行註解風格。1985年,發佈第一版《C++程式設計語言》,提供一個重點的語言參考,至此還不是官方標準。1989年,發佈了Release 2.0。引入了多重繼承、抽象類別、靜態成員函式、常數成員函式,以及成員保護。1990年,出版了The Annotated C++ Reference Manual。這本書後來成為標準化的基礎。稍後還引入了模板例外處理命名空間、新的強制类型转换,以及布爾类型。

隨著C++語言的演變,也逐漸演化出相應的標準程式庫。最先加進C++標準函式庫的是串流I/O程式庫,其用以取代傳統的C函式,如printfscanf。隨後所引入的程式庫中最重要的便是標準模板庫,簡稱STL

多年後,一個聯合的ANSI-ISO委員會於1998年對C++標準化(ISO/IEC 14882:1998)。在官方釋出1998標準的若干年後,委員會處理缺陷報告,並於2003年發佈一個C++標準的修正版本。2005年,一份名為Library Technical Report 1(簡稱TR1)的技術報告釋出。雖然還不是官方標準的一部分,不過它所提供的幾個擴展可望成為下一版C++標準的一部分。幾乎所有目前仍在維護的C++編譯器皆已支援TR1。

目前最新的C++标准是2011年9月发布的ISO/IEC 14882:2011[1],又称C++0xC++11

雖然C++免專利,但標準文件本身並不是免費的,尽管标准文档不是免费的,但是很容易从网络中取得,最简单的就是C++标准文档之前的最后一次草稿版本,它与标准的差别几乎只在于排版上。

C++名字的由來[编辑]

C++這個名字是Rick Mascitti於1983年中所建議的,並於1983年12月首次使用。更早以前,尚在研究階段的發展中語言曾被稱為「new C」,之後是「C with Classes」。在電腦科學中,C++仍被稱為C語言的上層結構。它最後得名於C語言中的「++」運算子(其對變數進行遞增)。而且在共同的命名約定中,使用「+」以表示增強的程式。Stroustrup說:「這個名字象徵著源自於C語言變化的自然演進」。C+是一個和C/C++無關的早期程式語言。

Rick Mascitti在1992年被非正式地問起名字的由來,他表示這是在半開玩笑中說出的。他從沒想過C++會成為這門語言的正式名字。

有一個關於C++名字的笑話是,當你使用後綴++時,附加只發生在運算之後(因此,它應該是++C,而不是C++,这个笑话是说时下某些程序员还在以使用C的方式使用C++,这通常被一些权威著作认为是不正确的)。

标准化[编辑]

年份 C++标准 俗称 备注
2011 ISO/IEC 14882:2011[2] C++11 第三个C++标准
2007 ISO/IEC TR 19768:2007[3] C++TR1 标准化委员会的草案文件
2003 ISO/IEC 14882:2003[4] C++03 第二个C++标准
1998 ISO/IEC 14882:1998[5] C++98 第一个C++标准

設計原則[编辑]

在《C++語言的設計和演化》(1994)中,Bjarne Stroustrup描述了他在設計C++時,所使用的一些原則。知道這些原則有助於理解C++為何會是現在這個樣子。以下總結了一些原則,詳盡的內容可參閱《C++語言的設計和演化》:

  • C++設計成直接的和廣泛的支援多種程式設計風格(程序化程式設計資料抽象化物件導向程式設計泛型程式設計)。
  • C++設計成給程式設計者更多的選擇,即使可能導致程式設計者選擇錯誤。
  • C++設計成儘可能與C相容,藉此提供一個從C到C++的平滑過渡。
  • C++避免平台限定或沒有普遍用途的特性。
  • C++不使用會帶來額外開銷的特性。
  • C++設計成無需複雜的程式設計環境。

標準程式庫[编辑]

1998的C++標準分為兩個部分:核心語言C++標準程式庫;後者包含了大部分標準模板庫和C標準程式庫的稍加修改版本。存在許多不屬於標準部分的C++程式庫,且使用外部連結,程式庫甚至可以用C撰寫。

C++標準程式庫充分吸收了C標準程式庫,並佐以少許的修改,使其與C++良好的運作。另一個大型的程式庫部分,是以標準模板庫(STL)為基礎,STL於1994年2月正式成為ANSI/ISO C++。它提供了實用的工具,如容器(如:向量鏈表),迭代器(廣義指標)提供容器以類似陣列的存取方式,以及演算法進行搜尋和排序的運算。此外還提供了(multi)map(關聯陣列)和(multi)set,它們都使用相容的界面。因此,以下成為可能,使用模板撰寫泛型演算法,它可以和任何容器或在任何以迭代器定義的序列上運作。如同C,使用#include指令包含標準表頭,即可存取程式庫裡的功能。C++提供69個標準表頭,其中19個不再贊成使用。

使用標準庫(例如:使用std::vectorstd::string來取代C風格的陣列)有助於導向更安全和更靈活的軟體。

STL在納入C++標準以前,是來自HP和後來的SGI的第三方程式庫,標準中並未稱之為「STL」,它只是標準庫中的一部分,但仍有許多人使用這個名稱,以別於其它的標準庫(輸入/輸出串流、國際化、診斷、C程式庫子集,等等)。

C++中的特色[编辑]

和C語言相比,C++引入了更多的特性,包括:陳述性宣告,類似函式的強制轉型,new/delete運算子,布林類型,參考類型,預設參數,函式重載,命名空間,類別(包括所有和類別相關的特性,如繼承、成員函式、虛擬函式、抽象類別和建構子),運算子重載,模板,::運算子,異常處理和執行時期識別。

和普遍認為的相反,C++不是第一個正式引入const關鍵字的语言。80年代早期,Bjarne Stroustrup和Dennis Retchie讨论之后提供了在C语言中readonly/writeonly的实现机制,并在带類別的C中取得了一定经验。关键字const正式引入C語言是在ANSI C89。这早于第一个C++国际标准近十年,但此时const已被C++实现普遍採用。

C++在某些案例中(見下「與C不相容之處」),進行比C還要多的類型檢查。

以「//」起始作為註解起源自C的前身BCPL,而後被重新引入到C++。

C++的一些特性,C不久之後也採用了,包括在for循环的括号中声明,C++風格的註解(使用//符號,和inline,雖然C99定義的inline關鍵字與C++的定義不相容。不過,C99也引入了不存在於C++的特性,如:可变参数巨集,和以陣列作為參數的較佳處理;某些C++編譯器可能實作若干特性,以作為擴展,但其餘部分並不符合現存的C++特性)

一個常見的混淆其實只是一個微妙的術語問題:由於它的演化來自C,在C++中的術語物件和C語言一樣是意味著記憶體區域,而不是類別的實體,在其它絕大多數的物件導向語言也是如此。舉例來說,在C和C++中,語句int i;定義一個int型別的物件,這就是變數的值i將在指派時,所存入的記憶體區域。

C++语言中的const关键字[编辑]

const是一个C和C++语言的关键字,它限定一个变量不允许被改变,即只读。使用const在一定程度上可以提高程序的安全性和可靠性,也便于实现对此进行优化(如把只读对象放入ROM中)。const作为型別限定符,是型別的一部分。

以下是和C语言相容的用法:

int m = 1, n = 2; // int 类型的对象
const int a = 3; // const int 类型的对象
int const b = 4; //同上
const int * p //指向 const int 类型对象的指针
int const * q; //同上
int * const x; //指向 int 类型对象的 const 指针;注意 const 的位置
const int * const r; //指向 const int 类型对象的 const 指针
int const * const t; //同上

但是,const在C++中有更强大的特性。它允许在编译时确定作为真正的常量表达式。例如,

const int max_len = 42;
int a[max_len];

此前C语言不支持这样的用法,直到C99允许用变量作为数组长度。此外,C++中,命名空间作用域的const对象的名称隐含内部链接。这意味着直接在头文件里定义const对象被多个源文件包含时,也不会重定义。

與C不相容之處[编辑]

C++一般被認為是C的超集(superset),但這並不嚴謹。大部分的C代碼可以很輕易的在C++中正確編譯,但仍有少數差異,導致某些有效的C代碼在C++中失效,或者在C++中有不同的行為。

最常見的差異之一是,C允許從void*隱式轉換到其它的指標類型,但C++不允許。下列是有效的C代碼:

/* 從 void * 隱式轉換為 int * */
int * i = malloc(sizeof(int) * 5);

但要使其在C和C++兩者皆能運作,就需要使用显式轉換:

int * i = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);

另一個常見的可移植問題是,C++定義了很多的新關鍵字,如newclass,它們在C程式中,是可以作為識別字(例:變數名)的。

C99去除了一些不相容之處,也支援了一些C++的特性,如//註解,以及在代碼中混合宣告。不過C99也納入幾個和C++衝突的新特性(如:可變長度陣列、原生複數類型和複合逐字常數)。

若要混用C和C++的代碼,則所有在C++中呼叫的C代碼,必須放在extern "C" { /* C代碼 */ }之內。

C++的Hello World程序[编辑]

下面这个程序显示“Hello, world!”然后结束运行:

# include <iostream>
 
int main()
{
    std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
 
    return 0;
}

这里也可以使用using指令减少重复的std:::

# include <iostream>
 
using namespace std;
 
int main()
{
    cout << "Hello, world!" << endl;
 
    return 0;
}

你可以用“\n”代替以上代碼裡的“endl”,不過必須用在句子的後端。請不要把斜線(/)和反斜線(\)混淆。

std::cout << "Hello, world!\n";

根据ISO C++的规定,全局main函数必须返回int。 以下的形式是必须被实现支持的:

int main()
{
    // ...
}

以及

int main(int argc, char * argv[])
{
    // ...
}

尽管如此,但在一些编译器(例如Visual C++)上,

// 永远不要这么写,除非放弃兼容性
void main()
{
     // ...
}

也被支持。

語言特性[编辑]

運算子[编辑]

預處理器[编辑]

C++主要有三個編譯階段:預處理、轉譯成目的碼和連結(最後的兩個階段一般才視為真正的「編譯」)。在第一階段,預處理,會將預處理器指令替換成原始碼,然後送到下一個編譯階段。

預處理器指令和巨集[编辑]

預處理指令的運作方式是根據使用者定義的規則,簡單的把記號字元序列置換成其它的記號字元序列。它們進行巨集置換、含入其它的檔案(由底層至高階的特性,例如包含模組/包/單元/元件)、條件式編譯和條件式含入。例如:

#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

每次在原始碼中出現的PI,將會替換為3.1415926535897932384626433832795028841971693993751。另一個普遍的例子是

#include <iostream>

它從標準庫表頭iostream含入(匯入)所有的符號。除了以上提到的常用指令以外,還有幾個額外的預處理器指令,可以用來控制編譯流程、條件式含入或排除代碼區塊等等。

參閱預處理器C預處理器

模板[编辑]

模板(Template)指C++程式語言中的函式模板(function template)與類別模板(class template),這種觀念是取材自Simula的泛型程式設計。它采用typenameclass两个关键字,来标识模板類別的型別参数。C++之父Bjarne Stroustrup認為可以透過C++的多載(overloading)功能來表達泛型。

類別与对象[编辑]

在物件導向物件程式設計術語中,物件(object)是資料(data)和處理資料的指令(instructions)的聯合(association)。模擬(simulate)實際世界(real-world),物件有三種特質(characteristics):狀態(State)、行為(Behavior)、同一性身分(Identity),並且使用訊息(message)來引發彼此的互動。類別(class)為物件的藍圖或工廠,定義了物件的抽象特質,包括物件的屬性特質和物件的行為特質,屬性的值即是物件的狀態,行為即是物件能夠做的事。

C++為類別構成式物件導向程式設計語言(class-based object-oriented programming language),類別概念具現化(reification)地作為二等公民(second-class citizen)出現在C++語言當中,在語法中明確地使用類別來做到資料抽象化、封裝、模組化、繼承、子型別多型、物件狀態的自動初始化。C++中,一個類別即為一個型別,加上封裝,一個類別即為一個抽象資料型別(Abstract Data Type,ADT),繼承、多型、模板都加強了類別的可抽象性。在C++可以使用class或struct這兩個關鍵字宣告類別(class),而使用new運算子實體化類別產生的實體(instance)即為物件,是一等公民first-class citizen)。C/C++以資料成員(data member)表達屬性,以成員函式(member function)表達行為。我們可以說類別是程式人員產生的,而物件是編譯器(compiler)產生的。[來源請求]

申明一个Car class:

class Car
{
    private:
        int IsRunning;
    public:
        Run();
};

封裝[编辑]

封裝(Encapsulation)是將資料和處理資料的程序(procedure)組合起來,僅對外公開接口(interface),达到信息隐藏(information hiding)的功能。封裝的優點是能減少耦合(Coupling)。C++、Java、C# 等語言定義物件都是在語法中明確地使用類別(Class)來做到封裝。

C++的類別对其成员(包括数据成员、函数成员)分为三种封装状态:

  • 公有(public):類別的用户可以访问、使用该類別的此种成员。
  • 保护(protected):该類別的衍生類別可以访问、使用该類別的此成员。外界用户不可以访问、使用这种成员。
  • 私有(private):只有類別自身的成员函数可以访问、使用该類別的此成员。

一般地,C++類別的对外接口设定为公有成员;類別内部使用的数据、函数设定为私有成员;供派生自该類別的子類別使用的数据、函数设定为保护成员。

繼承[编辑]

繼承(Inheritance)是指子類別(subclass)繼承超類別(superclass),會自動取得超類別除私有特質外的全部特質,同一類別的所有實體都會自動有該類別的全部特質,做到程式碼再用(reuse)。C++只支援類別構成式繼承,雖然同一類別的所有實體都有該類別的全部特質,但是實體能夠共享的實體成員只限成員函式,類別的任何實體資料成員乃每個實體獨立一份,因此物件間並不能共享狀態,除非特質為參考型別的屬性,或使用指標來間接共享。C++支持的继承关系为:

  • 公有繼承(public inheritance):最常用繼承关系,含义是「is-a」關係,代表了在完全使用公有繼承的物件類別之間的階層體系(hierarchy)。
  • 保護繼承(protected inheritance):基礎類別的公有或保护内容可以被衍生類別,以及由此衍生的其他類別使用。但是基礎類別对外界用户是不可见的。衍生類別的用户不能访问基礎類別的内容、不能把派生類別转换为基礎類別的指针或引用。
  • 私有繼承(private inheritance):基礎類別的公有或保护内容仅可以被衍生類別访问,含义是“implemented-in-term-of”。但基礎類別对衍生類別的子類別或衍生類別的用户都是不可见的。衍生類別的子類別或衍生類別的用户都不能访问基礎類別的内容、不能把衍生類別转换为基礎類別的指针或引用。

C++支援多重繼承(multiple inheritance,MI)。多重繼承(multiple inheritance,MI)的優缺點一直廣為使用者所爭議,許多語言並不支援多重繼承,而改以單一繼承和介面繼承(interface inheritance),而另一些語言改以單一繼承和混入(mixin)。C++支援虛繼承(Virtual Inheritance)用以解決多重繼承的菱形問題diamond problem)。

多型[编辑]

Polymorphism

Ad Hoc                   Universal
Overloading   Coercion       Inclusion  Parametric

除了封裝與繼承外,C++還提供了多型功能,物件導向的精神在於多态(Polymorphism),一般的多态,是指動態多态,係使用繼承和動態繫結(Dynamic Binding)實現,使用多型可建立起繼承體系(Inheritance hierarchy)。類別(class)與繼承只是達成多态中的一種手段,所以稱物件導向而非類別導向。

多态又分成靜態多态(Static Polymorphism)與動態多态(Dynamic Polymorphism)。C++语言支持的動態多态必須結合繼承和动态绑定(Dynamic Binding)方式實現。靜態多态是指编译时决定的多态,包括重载和以模板(template)實現多型的方法即參數化型態(Parameterized Types),是使用巨集(marco)的“程式碼膨脹法”達到多型效果。

型別轉換(type cast)也是一種區域(ad hoc)多型的概念,C++提供dynamic_cast, static_cast等運算元來實作强制型別轉換(Coercion)。

運算元重載(operator overloading)或函式重載(function overloading)也算是多型的概念。

分析和處理C++原始碼[编辑]

眾多的程式語言[哪些?]都可以用某種 LR 剖析器(或其變形)分析文法,但C++是個著名的例外。

争议[编辑]

「在這12年裡,C++使用者人數大約每七個月半增加一倍」是許多C++相關文件必引的一段話;然而,時至今日新語言層出不窮,使用者人數已不太可能以如此速度增長。分析機構EvansData定期對開發人員展開調查,其資料顯示,以C++為工具的開發人員在整個開發界所佔的比例由1998年春天的76%下降至2004年秋的46%。

一部分Unix/C程序员对C++语言深恶痛绝,他们批评的理由如下:

  1. STL以非常丑陋的方式封装了各种数据结构和算法,写出来的代码难以理解、不美观。
  2. C++编译器复杂和不可靠,不适合构建人命关天類型的程序。
  3. Ian Joyner认为面向对象技术徒增学习成本,不如面向过程的C语言简单容易使用,尤其是在系统软件的构建上。[6]

概括說來UNIX程式設計者批評C++主要是由於UNIX社群與C++社群的文化差異。 [7]

一个值得注意的事情是Linux之父Linus Torvalds曾经炮轰C++;图灵奖得主尼克劳斯·维尔特也曾经批评C++语言太复杂、语法语义模糊,是“拙劣工程学”的成果。

事实上,对于C++语言的批评并不只来源于Unix/Unix-Like系统下的程序员。就像C++语言本身是一个跨平台的语言一样,对C++的批评并不局限于Unix/Unix-Like系统用户。

一个确定的观点是:C++是一门复杂的语言、这门语言拥有过多的特性从而难以彻底掌握;C++的某些库难以学习、掌握并应用于实际当中;很多程序员都认为C++是一个过度设计的程序语言。

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ ISO/IEC 14882:2011. ISO. [3 September 2011]. 
  2. ^ ISO/IEC 14882:2011. 
  3. ^ ISO/IEC TR 19768:2007. 
  4. ^ ISO/IEC 14882:2003. 
  5. ^ ISO/IEC 14882:1998. 
  6. ^ Ian Joyner著的《C++?? A Critique of C++ and Programming and Language Trends of the 1990s》第3章51节
  7. ^ Eric Raymond著的《unix編程藝術》一書第十四章第四節”語言評估“

书目[编辑]

  • The C++ Programming Language: Special Edition
  • Stanley B. Lippman,Josée Lajoie,Barbara E. Moo. C++ Primer. (有中文译本:人民邮电出版社出版,ISBN 978-7-115-14554-3
  • Luca Cardelli and Peter Wegner, "On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism", Computing Surveys, Volume 17, Number 4, pp. 471–522, December 1985
  • Scott Meyers,Effective C++: 50 Specific Ways to Improve Your Programs and Design (2nd Edition) (Addison-Wesley Professional Computing Series)
  • Scott Meyers,Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library (Addison-Wesley Professional Computing Series)
  • The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference
  • C++ Templates: The Complete Guide

外部連結[编辑]

參閱[编辑]