C++

C++

编程范型	多范型：面向对象编程，程序编程，泛型编程
设计者	比雅尼·斯特劳斯特鲁普
发行时间	1983年​（1983）
最新发行时间	ISO/IEC 14882:2014（2014年8月18日）
最新测试版发行日期	C++14（2014年3月2日）
型态系统	静态类型，强类型，不安全
主要实作产品 Borland C++ Builder、GCC、Intel C++ Compiler、Microsoft Visual C++、Sun Studio、Clang、Qt 衍生副语言 ISO/IEC 14882:1998、ISO/IEC 14882:2003、ISO/IEC 14882:2011 启发语言 C、Simula、Ada 83、ALGOL 68、CLU、ML 影响语言 Perl、Lua、Ada 95、Java、PHP、D、C99、C#、Aikido、Falcon、Dao

C++是一种广泛使用的电脑程式设计语言。它是一种通用程式设计语言，静态资料类型检查，支持多重编程范式，例如程序化程式设计、资料抽象化、物件导向程式设计、泛型程式设计、基于原则设计等。

比雅尼·斯特劳斯特鲁普博士在贝尔实验室工作期间在20世纪80年代发明并实现了C++。起初，这种语言被称作“C with Classes”（“包含类别的C语言”），作为C语言的增强版出现。随后，C++不断增加新特性。虚函数（virtual function）、操作符重载（operator overloading）、多重继承（multiple inheritance）、模板（template）、异常处理（exception）、RTTI（Runtime type information）、命名空间（namespace）逐渐纳入标准。1998年，国际标准组织（ISO）颁布了C++程式设计语言的第一个国际标准ISO/IEC 14882:1998，目前最新标准为ISO/IEC 14882:2014。根据《C++编程思想》（Thinking in C++）一书所评述的，C++与C的效率往往相差在±5%之间。

C++语言发展大概可以分为三个阶段：第一阶段从80年代到1995年。这一阶段C++语言基本上是传统类型上的面向对象语言，并且凭借着接近C语言的效率，在工业界使用的开发语言中占据了相当大份额；第二阶段从1995年到2000年，这一阶段由于标准模板库（STL）和后来的Boost等程式库的出现，泛型程式设计在C++中占据了越来越多的比重性。当然，同时由于Java、C#等语言的出现和硬体价格的大规模下降，C++受到了一定的冲击；第三阶段从2000年至今，由于以Loki、MPL(Boost)等程式库为代表的产生式编程和模板元编程的出现，C++出现了发展历史上又一个新的高峰，这些新技术的出现以及和原有技术的融合，使C++已经成为当今主流程式设计语言中最复杂的一员。

发展历史

比雅尼·史特劳斯特鲁普，C++之父

比雅尼·史特劳斯特鲁普（Stroustrup）工作起于1979年的C with Classes。这个构思起源于Stroustrup做博士论文时的一些程式撰写经验。他发现Simula具备很利于大型软体开发的特点，但Simula的执行速度太慢，无法对现实需求发挥功效；BCPL虽快得多，但它过于低阶的特性，使其不适于大型软体的开发。当Stroustrup开始在贝尔实验室工作时，他有分析UNIX核心关于分散式计算的问题。回想起他的博士论文经验，Stroustrup开始为C语言增强一些类似Simula的特点。之所以选择C，是因为它适于各种用途、快速和可移植性。除了C和Simula之外，同时也从其它语言中取得灵感，如ALGOL 68、Ada、CLU以及ML。刚开始时，类别、衍生类别、储存类型检查、内联和预设参数特性，都是透过Cfront引入C语言之中。1985年10月出现了第一个商业化发布。

1983年，C with Classes改命名为C++。加入了新的特性，其中包括虚拟函式、函式名和运算子多载、参考、常数、使用者可控制的自由空间储存区控制、改良的型别检查，以及新的双斜线（//）单行注解风格。1985年，发布第一版《C++程式设计语言》，提供一个重点的语言参考，至此还不是官方标准。1989年，发布了Release 2.0。引入了多重继承、抽象类别、静态成员函式、常数成员函式，以及成员保护。1990年，出版了The Annotated C++ Reference Manual。这本书后来成为标准化的基础。稍后还引入了模板、异常处理、命名空间、新的强制类型转换，以及布尔类型。

随著C++语言的演变，也逐渐演化出相应的标准程式库。最先加进C++标准函式库的是串流I/O程式库，其用以取代传统的C函式，如printf和scanf。随后所引入的程式库中最重要的便是标准模板库，简称STL。

多年后，一个联合的ANSI-ISO委员会于1998年对C++标准化（ISO/IEC 14882：1998）。在官方释出1998标准的若干年后，委员会处理缺陷报告，并于2003年发布一个C++标准的修正版本。2005年，一份名为Library Technical Report 1（简称TR1）的技术报告释出。虽然还不是官方标准的一部分，不过它所提供的几个扩展可望成为下一版C++标准的一部分。几乎所有目前仍在维护的C++编译器皆已支援TR1。

目前最新的C++标准是2014年8月18日发布的ISO/IEC 14882:2014，又称C++14或C++1y。

虽然C++免专利，但标准文件本身并不是免费的，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++名字的由来

C++这个名字是Rick Mascitti于1983年中所建议的，并于1983年12月首次使用。更早以前，尚在研究阶段的发展中语言曾被称为“new C”，之后是“C with Classes”。在电脑科学中，C++仍被称为C语言的上层结构。它最后得名于C语言中的“++”运算子（其对变数的值进行递增）。而且在共同的命名约定中，使用“+”以表示增强的程式。Stroustrup说：“这个名字象征著源自于C语言变化的自然演进”。C+是一个和C/C++无关的早期程式语言。

Rick Mascitti在1992年被非正式地问起名字的由来，他表示这是在半开玩笑中说出的。他从没想过C++会成为这门语言的正式名字。

有一个关于C++名字的笑话是，当你使用后缀++时，附加只发生在运算之后（因此，它应该是++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

由ISO/IEC JTC1/SC22/WG21进行。已经出版的标准文档如下：

发布时间	文档	通称	备注
2015	ISO/IEC TS 19570:2015	-	用于并行计算的扩展
2015	ISO/IEC TS 18822:2015		文件系统
2014	ISO/IEC 14882:2014	C++14	第四个C++标准
2011	ISO/IEC TR 24733:2011	-	十进制浮点数扩展
2011	ISO/IEC 14882:2011	C++11	第三个C++标准
2010	ISO/IEC TR 29124:2010	-	数学函数扩展
2007	ISO/IEC TR 19768:2007	C++TR1	C++技术报告：库扩展
2006	ISO/IEC TR 18015:2006	-	C++性能技术报告
2003	ISO/IEC 14882:2003	C++03	第二个C++标准
1998	ISO/IEC 14882:1998	C++98	第一个C++标准

设计原则

在《C++语言的设计和演化》（1994）中，Bjarne Stroustrup描述了他在设计C++时，所使用的一些原则。知道这些原则有助于理解C++为何会是现在这个样子。以下总结了一些原则，详尽的内容可参阅《C++语言的设计和演化》：

• C++设计成直接的和广泛的支援多种程式设计风格（程序化程式设计、资料抽象化、物件导向程式设计、泛型程式设计）。
• C++设计成给程式设计者更多的选择，即使可能导致程式设计者选择错误。
• C++设计成尽可能与C相容，借此提供一个从C到C++的平滑过渡。
• C++避免平台限定或没有普遍用途的特性。
• C++不使用会带来额外开销的特性。
• C++设计成无需复杂的程式设计环境。

标准程式库

1998的C++标准分为两个部分：核心语言和C++标准程式库；后者包含了大部分标准模板库和C标准程式库的稍加修改版本。存在许多不属于标准部分的C++程式库，且使用外部链接，程式库甚至可以用C撰写。

C++标准程式库充分吸收了C标准程式库，并佐以少许的修改，使其与C++良好的运作。另一个大型的程式库部分，是以标准模板库（STL）为基础，STL于1994年2月正式成为ANSI/ISO C++。它提供了实用的工具，如容器（如：向量和链表），迭代器（广义指标）提供容器以类似阵列的存取方式，以及演算法进行搜寻和排序的运算。此外还提供了（multi）map（关联阵列）和（multi）set，它们都使用相容的界面。因此，以下成为可能，使用模板撰写泛型演算法，它可以和任何容器或在任何以迭代器定义的序列上运作。如同C，使用#include指令包含标准表头，即可存取程式库里的功能。C++提供69个标准表头，其中19个不再赞成使用。

使用标准库（例如：使用std::vector或std::string来取代C风格的阵列）有助于导向更安全和更灵活的软体。 STL在纳入C++标准以前，是来自HP和后来的SGI的第三方程式库，标准中并未称之为“STL”，它只是标准库中的一部分，但仍有许多人使用这个名称，以别于其它的标准库（输入／输出串流、国际化、诊断、C程式库子集，等等）。 另外，如std::basic_string此类标准委员会添加的接口，有时也被误认为STL；实际上它们并不存在于原始的SGI STL中，在标准化后SGI STL才从标准库吸收加入其中。

C++中的特色

和C语言相比，C++引入了更多的特性，包括：陈述性宣告，类似函式的强制转型，new/delete运算子，布尔类型，参考类型，预设参数，函式重载，命名空间，类别（包括所有和类别相关的特性，如继承、成员函式、虚拟函式、抽象类别和建构子），运算子重载，模板，::运算子，异常处理和执行时期识别。

和普遍认为的相反，C++不是第一个正式引入const关键字的语言。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，并在带类别的C中取得了一定经验。关键字const正式引入C语言是在ANSI C89。这早于第一个C++国际标准近十年，但此时const已被C++实现普遍采用。

C++在某些案例中（见下“与C不相容之处”），进行比C还要多的类型检查。

以“//”起始作为注解起源自C的前身BCPL，而后被重新引入到C++。

C++的一些特性，C不久之后也采用了，包括在for循环的括号中声明，C++风格的注解（使用//符号，和inline，虽然C99定义的inline关键字与C++的定义不相容。不过，C99也引入了不存在于C++的特性，如：可变参数巨集，和以阵列作为参数的较佳处理；某些C++编译器可能实作若干特性，以作为扩展，但其馀部分并不符合现存的C++特性）

一个常见的混淆其实只是一个微妙的术语问题：由于它的演化来自C，在C++中的术语物件和C语言一样是意味著记忆体区域，而不是类的实例，在其它绝大多数的物件导向语言也是如此。举例来说，在C和C++中，语句int i;定义一个int类型的物件，这就是变数的值i将在赋值时，所存入的记忆体区域。

C++语言中的const关键字

const是一个C和C++语言的关键字，意思是宣告一个常数(不能改变的变数)，即唯读。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作为类型限定符，是类型的一部分。

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语言并不支持这样的用法，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。

与C不相容之处

C++有时被认为是C的超集（superset），但这并不严谨。

各个版本的ISO/IEC 14882的附录C中都指出了C++和ISO C的一些不兼容之处。

大部分的C代码可以很轻易的在C++中正确编译，但仍有少数差异，导致某些有效的C代码在C++中失效，或者在C++中有不同的行为。

最常见的差异之一是，C允许从void*隐式转换到其它的指标类型，但C++不允许。下列是有效的C代码：

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

但要使其在C和C++两者皆能运作，就需要使用显式转换：

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

另一个常见的可移植问题是，C++定义了很多的新关键字，如new和class，它们在C程式中，是可以作为识别字（例：变数名）的。

C99去除了一些不相容之处，也支援了一些C++的特性，如//注解，以及在代码中混合宣告。不过C99也纳入几个和C++冲突的新特性（如：可变长度阵列、原生复数类型和复合逐字常数），而C++11已经加入了兼容C99预处理器的特性。

由于C++函数和C函数通常具有不同的名字修饰和调用约定，所有在C++中呼叫的C函数，须放在extern "C" { /* C函数声明 */ }之内。

C++的Hello World程序

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”代替以上代码里的“endl”，不过必须用在句子的后端。请不要把斜线（/）和反斜线（\）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。

语言特性

预处理器

C++主要有三个编译阶段：预处理、转译成目的码和连结（最后的两个阶段一般才视为真正的“编译”）。在第一阶段，预处理，会将预处理器指令替换成原始码，然后送到下一个编译阶段。

预处理器指令和巨集

预处理指令的运作方式是根据使用者定义的规则，简单的把记号字元序列置换成其它的记号字元序列。它们进行巨集置换、含入其它的档案（由底层至高阶的特性，例如包含模组／包／单元／元件）、条件式编译和条件式含入。例如：

#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

每次在原始码中出现的PI，将会替换为3.1415926535897932384626433832795028841971693993751。另一个普遍的例子是

#include <iostream>

它从标准库表头iostream含入（汇入）所有的符号。除了以上提到的常用指令以外，还有几个额外的预处理器指令，可以用来控制编译流程、条件式含入或排除代码区块等等。

参阅预处理器和C预处理器

模板

模板（Template）指C++程式语言中的函式模板（function template）与类别模板（class template），这种观念是取材自Simula的泛型程式设计。它采用typename和class两个关键字，来标识模板类别的类型参数。C++11和C++14分别引入了类型别名模板和变量模板。

类别与对象

在物件导向物件程式设计术语中，物件（object）是资料（data）和处理资料的指令（instructions）的联合（association）。模拟（simulate）实际世界（real-world），物件有三种特质（characteristics）：状态（State）、行为（Behavior）、同一性身分，并且使用讯息（message）来引发彼此的互动。类别（class）为物件的蓝图或工厂，定义了物件的抽象特质，包括物件的属性特质和物件的行为特质，属性的值即是物件的状态，行为即是物件能够做的事。

C++为类别构成式物件导向程式设计语言（class-based object-oriented programming language），类别概念具现化（reification）地作为二等公民（second-class citizen）出现在C++语言当中，在语法中明确地使用类别来做到资料抽象化、封装、模组化、继承、子型别多型、物件状态的自动初始化。C++中，一个类别即为一个型别，加上封装，一个类别即为一个抽象资料型别（Abstract Data Type，ADT），继承、多型、模板都加强了类别的可抽象性。在C++可以使用class或struct这两个关键字宣告类别（class），而使用new运算子实体化类别产生的实体（instance）即为物件，是一等公民。C/C++以资料成员（data member）表达属性，以成员函式（member function）表达行为。

声明一个Car class：

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

但是仍然需要注意，严格来说，C++中对象的概念和C的对应概念接近，表示的是具有特定类型的存储，而非面向对象意义上的“对象”：一个对象不一定是类类型的。此外，C++意义上的“实例”仅指模板实例化的结果，而并不指对象。作为对比，Java的“对象”和“实例”的概念和这里的使用一致。

封装

封装（Encapsulation）是将资料和处理资料的程序（procedure）组合起来，仅对外公开接口（interface），达到信息隐藏（information hiding）的功能。封装的优点是能减少耦合（Coupling）。C++、Java、C# 等语言定义物件都是在语法中明确地使用类别（Class）来做到封装。

C++的类别对其成员（包括数据成员、函数成员）分为三种封装状态：

• 公有（public）：类别的用户可以访问、使用该类别的此种成员。
• 保护（protected）：该类别的衍生类别可以访问、使用该类别的此成员。外界用户不可以访问、使用这种成员。
• 私有（private）：只有类别自身的成员函数可以访问、使用该类别的此成员。

一般地，C++类别的对外接口设定为公有成员；类别内部使用的数据、函数设定为私有成员；供派生自该类别的子类别使用的数据、函数设定为保护成员。

继承

继承（Inheritance）是指子类别（subclass）继承超类别（superclass），会自动取得超类别除私有特质外的全部特质，同一类别的所有实体都会自动有该类别的全部特质，做到程式码再用（reuse）。C++只支援类别构成式继承，虽然同一类别的所有实体都有该类别的全部特质，但是实体能够共享的实体成员只限成员函式，类别的任何实体资料成员乃每个实体独立一份，因此物件间并不能共享状态，除非特质为参考型别的属性，或使用指标来间接共享。C++支持的继承关系为：

• 公有继承（public inheritance）：最常用继承关系，含义是“is-a”关系，代表了在完全使用公有继承的物件类别之间的阶层体系（hierarchy）。
• 保护继承（protected inheritance）：基础类别的公有或保护内容可以被衍生类别，以及由此衍生的其他类别使用。但是基础类别对外界用户是不可见的。衍生类别的用户不能访问基础类别的内容、不能把派生类别转换为基础类别的指针或引用。
• 私有继承（private inheritance）：基础类别的公有或保护内容仅可以被衍生类别访问，含义是“implemented-in-term-of”。但基础类别对衍生类别的子类别或衍生类别的用户都是不可见的。衍生类别的子类别或衍生类别的用户都不能访问基础类别的内容、不能把衍生类别转换为基础类别的指针或引用。

C++支援多重继承（multiple inheritance，MI）。多重继承（multiple inheritance，MI）的优缺点一直广为使用者所争议，许多语言并不支援多重继承，而改以单一继承和介面继承（interface inheritance），而另一些语言改以单一继承和混入（mixin）。C++支援虚继承（Virtual Inheritance）用以解决多重继承的菱形问题。

多态

Polymorphism Ad Hoc                   Universal Overloading   Coercion       Inclusion  Parametric

除了封装与继承外，C++还提供了多态功能，物件导向的精神在于多态（Polymorphism），一般的多态，是指动态多态，系使用继承和动态系结（Dynamic Binding）实现，使用多型可建立起继承体系（Inheritance hierarchy）。类别（class）与继承只是达成多态中的一种手段，所以称物件导向而非类别导向。

多态又分成静态多态（Static Polymorphism）与动态多态（Dynamic Polymorphism）。C++语言支持的动态多态必须结合继承和动态绑定（Dynamic Binding）方式实现。静态多态是指编译时决定的多态，包括重载和以模板（template）实现多型的方法即参数化型态（Parameterized Types），是使用巨集（marco）的“程式码膨胀法”达到多型效果。

型别转换（type cast）也是一种区域（ad hoc）多型的概念，C++提供dynamic_cast, static_cast等运算元来实作强制型别转换（Coercion）。

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

分析和处理C++原始码

C/Java/C#都可以用某种 LR 剖析器（或其变形）分析文法，但C++是个著名的例外：请看下面的代码。

#include <vector>
#include <string>
std::vector<std::vector<std::string> > table1;
std::vector<std::vector<std::string>>  table2;

上面的 table1 显然是一个字符串的二维数组，而 table2 则未必能通过编译：如果严格遵循 LR 分析过程，串 >> 会被解释为右移运算符而非两个代表模板参数表结束的右尖括号，因此出现编译错误，必须以 table1 的方式用空格区分。（然而在 C++11 中，特别规定了当处理模板时 >> 被优先视为两个 >。）

争议

“在这12年里，C++使用者人数大约每七个月半增加一倍”是许多C++相关文件必引的一段话；然而，时至今日新语言层出不穷，使用者人数已不太可能以如此速度增长。分析机构EvansData定期对开发人员展开调查，其资料显示，以C++为工具的开发人员在整个开发界所占的比例由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类型的程序。
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。

概括说来UNIX程序员批评C++主要是由于UNIX社区与C++社区的文化差异。

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。

参阅

• 《C++程式语言》（The C++ Programming Language）
• 比较Java和C++
• C++托管扩展
• C++/CLI
• Boost C++ Libraries

参考文献

书目

• 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

外部链接

• JTC1/SC22/WG21 - The C++ Standards Committee （英文）
• the GNU Compiler Collection （英文）
• C和C ++资源的最终列表