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[轉]C++強大背後

在31年前(1979年)，一名剛獲得博士學位的研究員，為了開發一個軟件項目發明了一門新編程語言，該研究員名為Bjarne Stroustrup，該門語言則命名為——C with classes，四年後改稱為C++。C++是一門通用編程語言，支持多種編程范式，包括過程式、面向對象(object-oriented programming, OP)、泛型(generic programming, GP)，後來為泛型而設計的模版，被發現及證明是圖靈完備的，因此使C++亦可支持模版元編程范式(template metaprogramming, TMP)。C++繼承了C的特色，既為高級語言，又含低級語言功能，可同時作為系統和應用編程語言。

C++廣泛應用在不同領域，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之後)。 C++經歷長期的實踐和演化，才成為今日的樣貌。1998年，C++標准委員會排除萬難，使C++成為ISO標准(俗稱C++98)，當中含非常強大的標准模版庫(standard template library, STL)。之後委員會在2005年提交了有關標准庫的第一個技術報告(簡稱TR1)，並為下一個標准C++0x而努力。可惜C++0x並不能在200x年完成，各界希望新標准能於2011年內出台。

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++並非萬能丹，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使用腳本語言；
• 程序須盡量發揮硬件的最高性能，且性能瓶頸在於CPU和內存；
• 程序須頻繁地與操作系統或硬件溝通；
• 程序必須使用C++框架/庫，如大部分游戲引擎(如Unreal/Source)及中間件(如Havok/FMOD)，雖然有些C++庫提供其他語言的綁定，但通常原生的API性能最好、最新；
• 項目中某個目標平台只提供C++編譯器的支持。

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

使用C++還是C?

C++和C的設計哲學並不一樣，兩者取捨不同，所以不同的程序員和軟件項目會有不同選擇，難以一概而論。與C++相比，C具備編譯速度快、容易學習、顯式描述程序細節、較少更新標准(後兩者也可同時視為缺點)等優點。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++源代碼翻譯為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)，並且C++標准庫也較豐富。有時候C++的語法可使程序更簡潔，如運算符重載、隱式轉換。但另一方面，C語言的API通常比C++簡潔，能較容易供其他語言程序調用。因此，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和其他C++庫整合等。

為何C++性能可優於其他語言?

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為目標平台的機器碼。一般而言，C/C++程序在編譯及鏈接時可進行的優化最豐富，啟動時的速度最快，運行時的額外內存開銷最少。而C/C++相對動態語言(如Python/Lua)也減少了運行時的動態類型檢測。此外，C/C++的運行行為是確定的，且不會有額外行為(例如C#/Java必然會初始化變量)，也不會有如垃圾收集(GC)而造成的不確定性延遲，而且C/C++的數據結構在內存中的布局也是確定的。有時C++的一些功能會使程序性能優於C，當中以內聯和模版最為突出，這兩項功能使C++標准庫的sort()通常比C標准庫的qsort()快多倍(C可用宏或人手編碼去解決此問題)。另一方面，C/C++能直接映射機器碼，之間沒有另一層中間語言，因此可以做底層優化，例如使用內部(intrinsic)函數和嵌入匯編語言。然而，許多C++的性能優點並非免費午餐，代價包括較長的編譯鏈接時間和較易出錯，因而增加開發時間和成本，這點稍後補充。

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

C++常見問題

C++源代碼跨平台嗎?

C++有不錯的跨平台能力，但由於直接映射硬件，因性能優化的關系，跨平台能力不及Java及多數腳本語言。然而，實踐跨平台的C++軟件還是可行的，但須注意以下問題：

• C++標准沒有規定原始數據類型(如int)的大小，需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有所不同，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異；
• 編譯器提供的一些編譯器或平台專用擴充指令；
• 避免作應用二進制接口(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，跨平台C++軟件可在頭文件中用宏檢測編譯器和平台，再用宏、typedef、自定平台相關實現等方法去實踐跨平台，C++標准不會提供這類幫助。

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，有可能造成崩潰。但要注意，很多運行時錯誤，如向空指針/引用解引用、數組越界、堆棧溢出等，其他語言也會報錯或拋出異常，這些都是程序問題，而不是語言本身的問題。有些意見認為，出現這類運行時錯誤，應該盡量寫入日志並立即崩潰，不該讓程序繼續運行，以免造成更大的影響(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為多進程，像Chrome或使用fork()的形式。然而，C++有許多機制可以減少錯誤，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少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，有時會導致崩潰，而且調試版和發行版的行為可能不同。

C++要手動做內存管理?

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，或使用不同的容器和智能指針。 C++程序員經常進一步優化內存，自定義內存分配策略以提升效能，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，但也可以自行編寫或使用現成庫。此外，C/C++也可以直接使用操作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，都會重造不少標准庫已提供的功能，此情況在其他語言中較少出現。我試圖分析個中原因。首先，C++標准庫相對很多語言來說是貧乏的，各開發者便會重復地制造自訂庫。從另一個角度看，C++標准庫是用C++編寫的(很多其他語言不用自身而是用C/C++去編寫庫)，在能力和性能上，自訂庫和標准庫並無本質差別；另外，標准庫為通用而設，對不同平台及多種使用需求作取捨，性能上有所影響，例如EA公司就曾發表自制的EASTL規格，描述游戲開發方面對STL的性能及功能需求的特點；此外，多個C++庫一起使用，經常會因規范不同而引起沖突，又或功能重疊，所以項目可能須自行開發，或引入其他庫的概念或實現(如Boost/TR1/Loki)，改寫以符合項目規范。

C++編譯速度很慢?

錯，是非常慢。我認為C++可能是實用程序語言中編譯速度最慢的。此問題涉及C++沿用C的編譯鏈接方式，又加入了復雜的類/泛型聲明和內聯機制，使編譯時間倍增。在C++對編譯方法改革之前(如module提案)，可使用以下技巧改善：第一，使用pimpl手法，因性能損耗應用於調用次數不多的類；第二，僅包含必要頭文件，並盡量使用及提供前置聲明版本的頭文件(如iosfwd)；第三采用基於接口的設計，但須注意虛函數調用成本；第四，采用unity build，即把多個cpp文件結合在一個編譯單元進行編譯；第五，采用分布式生成系統如IncrediBuild。

C++缺乏什麼功能?

雖然C++已經非常復雜，但仍缺少很多常見功能。 C++0x作出了不少改善，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、采用哈希表的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

為應用挑選特性集

我同意Stroustrup關於使用C++各種技術的回應：“你可以做，不意味著你必須這麼做。(Just because you can do it, doesn’t mean that you have to.)” C++充滿豐富的特性，但同時帶來不同問題，例如過分復雜、編譯及運行性能的損耗。一般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。使用過分復雜的設計和功能，可能會令部分團隊成員更難理解和維護。

為團隊建立編程規范

C++的編碼自由度很高，容易編寫風格迥異的代碼，C++本身也沒有定義一些標准規范。而且，C++的源文件物理構成，較許多語言復雜。因此，除了決定特性集，每個團隊應建立一套編程規范，包括源文件格式(可使用文件模版)、花括號風格。

盡量使用C++風格而非C風格

由於C++有對C兼容的包袱，一些功能可以使用C風格實現，但最好使用C++提供的新功能。最基本的是盡量以具名常量、內聯函數和泛型取代宏，只把宏用在條件式編譯及特殊情況。舊式的C要求局部變量聲明在作用域開端，C++則無此限制，應把變量聲明盡量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++中能加強類型安全的功能應盡量使用，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。

結合其他語言

如前文所述，C++並非適合所有應用情境，有時可以混合其他語言使用，包括用C++擴展其他語言，或在C++程序中嵌入腳本語言引擎。對於後者，除了使用各種腳本語言的專門API，還可使用Boost或SWIG作整合。

C++學習建議

C++缺點之一，是相對許多語言復雜，而且難學難精。許多人說學習C語言只需一本K&R《C程序設計語言》即可，但C++書籍卻是多不勝數。我是從C進入C++，皆是靠閱讀自學。在此分享一點學習心得。個人認為，學習C++可分為4個層次：

• 第一層次，C++基礎：挑選一本入門書籍，如《C++ Primer》、《C++大學教程》、或Stroustrup撰寫的經典《C++程序設計語言》或他一年半前的新作《C++程序設計原理與實踐》，而一般C++課程也止於此，另外《C++ 標准程序庫》及《The C++ Standard Library Extensions》可供參考；
• 第二層次，正確高效地使用C++：此層次開始必須自修，閱讀過《(More)Effective C++》、《(More)Exceptional C++》、《Effective STL》及《C++編程規范》等，才適宜踏入專業C++開發之路；
• 第三層次，深入了解C++：關於全局問題可讀《深入探索C++對象模型》、《Imperfect C++》、《C++沉思錄》、《STL源碼剖析》，要挑戰智商，可看關於模版及模版元編程的書籍如《C++ Templates》、《C++設計新思維》、《C++模版元編程》；
• 第四層次，研究C++：閱讀《C++語言的設計和演化》、《編程的本質》(含STL設計背後的數學根基)、C++標准文件《ISO/IEC 14882:2003》、C++標准委員會的提案書和報告書、關於C++的學術文獻。

由於我主要是應用C++，大約只停留於第二、三個層次。然而，C++只是軟件開發的一環而已，單憑語言並不能應付業務和工程上的問題。建議讀者不要強求幾年內“徹底學會C++的知識”，到達第二層左右便從工作實戰中汲取經驗，有興趣才慢慢繼續學習更高層次的知識。雖然學習C++有難度，但也是相當有趣且有滿足感的。

數十年來，C++雖有起伏，但她依靠其使用者而不斷得到頑強的生命力，相信在我退休之前都不會與她分離，也希望更進一步了解她，與她走進未來。

本文原於《程序員》2010年8月刊揭載。