C++编程语言简介

C++ 以其低延迟和高效率而著称。了解更多关于这种编程语言的信息，它被广泛用于创建操作系统和嵌入式系统。了解更多

译自 Introduction to C++ Programming Language，作者 TNS Staff。

C++ 以其低延迟和高效率而备受推崇，这对于操作系统和嵌入式系统的系统级编程至关重要。它在创建编译器、库、游戏引擎和高性能计算任务（包括科学模拟、图形渲染和图像处理）方面起着关键作用。此外，C++ 通常支持大型系统中对性能要求严苛的部分的开发，并在流行的 Web 浏览器中发挥了作用。

与 C 相比，C++ 提供了更大的标准库和更多的语言特性，这使得它对开始复杂项目或预期代码库会增长的开发人员非常有用。例如，C++ 支持类，类是将数据和方法组合成单个对象的结构，从而方便了面向对象编程。然而，C 是过程式的，不支持类。

C++ 是一种编程语言，使开发人员能够构建软件系统和应用程序。Bjarne Stroustrup 是一位丹麦计算机科学家，他在 20 世纪 80 年代创建了 C++，作为 C 编程语言的升级版，其中融入了面向对象的元素，从而能够创建有组织且健壮的代码环境。

C++ 提供的功能可以对系统资源进行详细控制，例如直接内存管理、底层数据操作以及与硬件接口的直接交互，这对于系统级编程、操作系统开发和对性能要求严苛的应用程序至关重要。

这意味着程序员可以编写更高效的程序，这些程序可以充分利用底层硬件的功能，而不会产生更抽象、更高级语言带来的开销。由于这些原因，C++ 长期以来一直能够支持各种类型的基础设施。

C++ 的开发在软件创建的历史中具有重要意义。Stroustrup 在前人奠定的基础上发展而来。FORTRAN 支持科学和工程应用，COBOL 适应商业和管理环境，然后 SIMULA 通过引入“类”的概念弥合了这些世界。

Stroustrup 意识到模块化和可重用代码结构的更大潜力，将 SIMULA 的高级抽象能力与 C 的效率和硬件邻近性相结合。因此，C++ 可以有效地处理要求苛刻的计算任务，结合了高级和低级编程范例的优点。

最初旨在用于系统编程，该语言已发展到可以适应塑造其他编程语言设计的应用程序。例如，Rust 承认 C++ 的影响，尤其是在其使用 RAII（资源获取即初始化）以实现更好的内存管理方面。它旨在通过改进 C++ 的内存安全功能来提供更安全的替代方案。

事实上，负责保护网络基础设施的政府机构最近鼓励软件制造商从 C 和 C++ 过渡到内存安全的编程语言，例如有前途的替代方案 Rust。

多年来，C++ 已通过国际标准化组织（ISO）进行了标准化，并进行了各种修订，其中包含模板、异常和命名空间等功能，从而增强了其多功能性和有效性。

C++11 被认为是一项特别有影响力的修订，引入了根本性的变化和补充，例如对 lambda 表达式、右值引用、auto 关键字、唯一和共享指针以及并发性的支持。Stroustrup 当时评论说，这感觉就像一种全新的语言，其中“各个部分比过去更好地结合在一起”。

在软件开发领域，C++ 以其功能组合和微调硬件交互的能力而著称，非常适合需要一流性能和复杂数据处理的任务。值得注意的方面包括：

• 面向对象编程： 封装、继承和多态是 C++ 的标志，能够创建可重用代码和复杂的应用程序。
• 内存管理： C++ 通过指针和引用提供对内存使用的精确控制，这对于资源受限的应用程序和性能关键型系统至关重要。
• 标准模板库 (STL)： STL 是一个强大的数据结构和算法库，是编写高效 C++ 代码不可或缺的一部分。
• 多范式编程： C++ 是一种强大的多范式编程语言，支持面向对象、过程化和泛型编程，使其具有高度的通用性。与其他在运行时解析的语言中的泛型不同，C++ 模板在编译时进行编译和专门化，从而实现高效且类型安全的可重用代码。
• 性能： 凭借其系统级功能，C++ 经常成为需要最佳性能的软件的首选语言，从游戏引擎到企业应用程序。

C++ 建立在几个基本概念之上，这些概念是其功能和通用性的基础。

• 对象和类： 对象和类是 C++ 面向对象编程的核心。类定义了对象的蓝图，封装了数据和操作这些数据的方法，从而提高了模块化和可重用性。
• 数据抽象和封装： 这些原则将对象的内部状态与外部世界隔离开来，并且仅通过定义明确的接口公开必要的内容。接口和实现的这种分离有助于降低系统复杂性并提高可维护性。
• 继承： C++ 支持单继承和多重继承。此功能有助于扩展功能并重用现有代码。但是，当两个基类具有一个公共基类时，就会出现问题。这被称为“菱形问题”，因为继承图类似于菱形。C++ 通过虚拟继承解决此问题，确保基类仅在继承链中包含一次。
• 多态性： 通过接口和重写方法，C++ 允许调用不仅特定于基类数据类型的方法，还允许调用派生类的方法，从而实现灵活和动态的代码行为。

除了基本功能之外，C++ 还包括几个高级功能，这些功能增强了其处理复杂编程任务的能力。

• 模板： C++ 模板支持泛型编程，允许开发人员定义具有稍后指定的占位符类型的函数和类。此基础功能有助于高级技术，例如模板特化和可变参数模板，从而增强了可重用算法和数据结构的灵活性和效率。
• 命名空间： 为了管理大型代码库中变量和函数的作用域，C++ 提供了命名空间。这些是声明性区域，可防止大型项目中的名称冲突。
• 异常处理： C++ 具有强大的异常处理模型，该模型使用 try、catch 和 throw 关键字来处理程序执行中的异常，从而提供了一种处理运行时错误的结构化方式。

C++ 最强大的功能之一是其详细的内存管理功能。

• 指针和引用： 这些允许直接内存访问和操作，这对于资源管理和创建高效程序至关重要。
• 资源获取即初始化 (RAII)： 这种范例确保通过将资源管理与对象生命周期联系起来来正确释放内存、网络句柄和文件流等资源，从而简化内存管理并提高程序可靠性。
• 内存安全问题： 尽管 C++ 具有强大的内存管理功能，但由于内存泄漏、缓冲区溢出和悬空指针等漏洞（这些漏洞可能因指针使用不当和手动内存分配而引起），C++ 越来越被认为是一种内存不安全的语言。这些漏洞需要仔细的编程实践和使用现代功能（如智能指针）来增强内存安全性。

标准模板库 (STL) 是 C++ 标准库的基本组成部分，它提供了一组丰富的方法、函数和类来管理典型的数据结构并执行算法操作。STL 分为几个主要组成部分：

• 容器： 这些是存储对象和数据的数据结构。示例包括 vector、list、deque、stack、queue、set、map。
• 和各种关联容器。
• 算法： STL 提供了一套算法来执行排序、搜索和转换数据等操作。这些算法是通用的，可以与满足必要接口要求的任何数据类型一起使用。
• 迭代器： 它们的功能与指针类似，但用途更广泛且更安全。指针是存储另一个变量的内存地址的变量。迭代器提供了一种更抽象的方式来访问和遍历各种容器中的元素。

虽然 STL 是一个核心组件，但 C++ 标准库还包括其他基本功能，这些功能支持现代 C++ 开发。

• 智能指针（例如，std::unique_ptr, std::shared_ptr, std::weak_ptr）：与传统指针相比，这些指针可以更安全、更高效地管理动态内存和资源，从而有助于防止内存泄漏和悬空指针。
• 并发支持： 这包括线程管理、互斥锁、条件变量、futures 和 promises，这些对于编写现代、多线程和安全的并发 C++ 应用程序至关重要。
• 正则表达式： C++ 提供了正则表达式库（例如，std::regex），用于模式匹配和文本操作，这在从数据验证到解析的许多上下文中都很有用。

有效利用 C++ 标准库涉及理解最佳实践和常用使用模式。

• 使用上的一致性： 采用一致的容器和算法模式可以简化代码库并提高可维护性。例如，通过为某些类型的任务（那些需要随机访问和处理中等大小的数据的任务）始终如一地选择std::vector，您可以标准化部分代码库。
• 效率考虑： 从标准库中选择正确的数据结构和算法可以极大地影响应用程序的性能。例如，将std::vector用于随机访问和小型到中等大小的数据，或者在需要频繁插入和删除时使用std::list。
• 错误处理： 利用库的异常处理机制可以通过适当地捕获和管理异常来帮助构建健壮的应用程序。

C++ 通过其各种版本的演变显着增强了其可用性和功能。每个新标准都带来了改进和特性，以满足现代软件开发的需求：

• C++11： 通常被称为“C++0x”，这个标准是一次重大更新，引入了 auto 声明、基于范围的 for 循环、lambda 表达式和智能指针。
• C++14： 此更新提供了 auto 声明的增强功能、广义 lambda 捕获，并扩展了constexpr的功能，以支持在编译时进行更复杂的计算。
• C++17： 添加了结构化绑定、可选返回值和内联变量，从而在代码中提供了更大的灵活性和效率。
• C++20： 它引入了 concepts、协程、ranges 和模块，这些模块显着地使该语言现代化，使其更健壮且更易于维护。
• C++23： 该标准在技术上于 2023 年最终确定，完善了 C++20 中引入的许多特性，并增强了对元编程、并发和集成更多网络功能的支持。它包括简化使用声明的语法、标准化std::print以及扩展constexpr的功能等改进。

现代 C++ 引入了几个特性，这些特性已经改变了开发人员的游戏规则。

• Lambda 表达式和 auto 关键字： 这些特性简化了代码并提高了其可读性和可维护性。
• 移动语义和智能指针： 它们优化了资源管理，减少了开销并提高了性能。
• 并发特性： 现代 C++ 增强了对多线程和并行执行的支持，这对于复杂应用程序中的性能优化至关重要。

为了说明现代 C++ 特性的实际好处，可以检查几个案例研究。

• 在资源管理中使用智能指针。 通过自动管理对象的生命周期，智能指针可以防止内存泄漏和悬空指针，这些是大型应用程序中的常见问题。
• 采用 lambda 表达式来实现高性能算法。 Lambda 表达式允许使用更内联和高效的代码，这在需要自定义比较器函数或操作的算法中特别有用。
• 在 Web 服务器中采用并发。 在 Web 服务器中实现多线程和异步编程模型，以更有效地处理多个用户请求。

C++ 在操作系统、文件系统和系统实用程序的系统和软件开发中发挥着作用。它的效率以及与硬件紧密协作的能力使其成为需要性能和对系统资源进行精确控制的项目的首选。值得注意的是，Microsoft Windows 和 Apple macOS 的重要组件都是使用 C++ 开发的，突显了它的可靠性和性能优势。

游戏行业在很大程度上依赖 C++，因为它具有快速的处理能力和令人印象深刻的图形性能。C++ 赋予游戏开发者对硬件资源的精确控制，这在游戏编程中至关重要，因为快速的响应时间和高效的处理速度至关重要。

Unreal Engine 等领先的游戏引擎在很大程度上依赖 C++ 来执行需要高性能的核心操作。Unity 构建于 C++ 和 C# 的组合之上。它的核心引擎是用高度优化的 C++ 编写的，以实现优化的性能，而 C# 则广泛用于脚本编写和游戏开发任务。流行的 3D 计算机图形应用程序 Maya 部分是用 C++ 编写的；Maya 的插件也可以用 C++ 创建。

在机器人、航空和电信等领域，C++ 因其需要实时性能的任务而备受重视。高效的多线程和可预测的资源管理等特性在精确的计时和有效性至关重要的环境中至关重要。这些特性有助于保证系统在时限内运行。

C++ 广泛用于编程嵌入式系统，因为它能够与硬件紧密交互，同时还提供面向对象的功能。它广泛应用于从微控制器到家用电器等各种设备的固件开发。

C++ 允许对硬件组件进行有效的低级控制，这对于有效管理系统资源至关重要。同时，它提供了高级编程语言的用户友好方面，使其成为创建强大且可维护的嵌入式软件的理想选择。

在金融、科学和工程领域，C++ 因其执行速度以及它提供的对计算过程的精确控制而备受青睐。交易、统计分析和高级物理模拟等行业依赖 C++ 来高效地处理复杂的计算和大规模数据处理。这种性能优势使其在需要快速处理大量数据和及时执行的场景中尤其有价值。

C++ 编译器和集成开发环境 (IDE) 是基本工具，有助于 C++ 应用程序的编码、调试和测试。一些最广泛使用的包括：

• GCC (GNU Compiler Collection): GCC 在学术界和专业领域中被广泛使用，以其稳健性和对各种 C++ 标准的全面支持而闻名。
• Clang: Clang 以其卓越的性能和高质量的诊断（错误和警告消息）而闻名，尤其是在开发速度和对最新 C++ 标准的支持至关重要的环境中备受青睐。
• Microsoft Visual Studio: 此 IDE 在 Windows C++ 开发人员中非常受欢迎，因为它具有强大的调试工具、广泛的库支持以及与 Microsoft 软件生态系统的无缝集成。
• JetBrains CLion: 一个跨平台 IDE，提供丰富的功能集，包括智能代码导航、非常高效的调试器以及与 CMake 构建系统的集成。

调试和分析对于优化 C++ 应用程序并确保它们高效且正确地运行至关重要。这些过程中使用的工具包括：

• Valgrind: 一个检测框架，可帮助进行内存调试、内存泄漏检测和分析。
• GDB (GNU Debugger): 一个强大的工具，用于跟踪在各种类 Unix 系统上运行的 C++ 应用程序中的错误。
• Intel VTune Profiler: 一种性能分析工具，可帮助开发人员优化代码以提高速度，尤其是在 Intel 处理器上。

C++ 用于应用程序必须在不同的操作系统上运行而无需进行重大更改的环境中。有助于实现这一点的工具包括：

• CMake: 一个跨平台的构建系统，它使用独立于平台的配置文件来控制软件编译过程。
• Qt: 不仅是一个工具，更是一个框架，Qt 支持 GUI 应用程序的开发，这些应用程序可以在 Windows、Mac、Linux 和移动操作系统上运行。

编写有效的 C++ 代码不仅仅是理解该语言的语法和特性。它需要遵守一系列最佳实践，以提高代码质量和效率。

• 理解所有权语义。 使用智能指针（如 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）正确管理资源所有权，以避免内存泄漏和悬挂指针。
• 首选 使用 const 正确性。在适用的地方使用 const，以防止意外修改数据，从而使代码更安全、更可预测。
• 利用 RAII（资源获取即初始化）。 这一原则确保通过将资源的生命周期与对象的生命周期联系起来，从而正确释放资源，从而防止资源泄漏。
• 拥抱现代 C++ 特性。 利用现代 C++ 标准中的特性，如自动类型推导、基于范围的 for 循环和 lambda 表达式，以编写更具可读性和可维护性的代码。
• 选择 STL 算法而不是循环。 尽可能使用标准库算法代替手写循环，以使代码更紧凑、更高级别且不易出错。

C++ 程序员经常会遇到一些特定的陷阱，这些陷阱可能会导致错误或效率低下的代码。

• 过度使用指针和手动内存管理。 这可能会导致复杂且容易出错的代码。现代 C++ 鼓励使用智能指针和容器来自动管理内存。
• 忽略异常安全性。 不在资源管理中规划异常可能会导致资源泄漏和不一致的程序状态。确保您的代码能够优雅地处理异常。
• 滥用多态和继承。 过度使用继承和动态多态可能会使代码难以阅读和维护。首选组合而不是继承，并谨慎使用多态。

对于那些希望加深 C++ 知识的人来说，探索高级主题可以带来显著的好处。

• 模板元编程： 这涉及到编写在编译期间操作其他代码的代码，允许程序员在编译时生成更高效和灵活的代码。
• 并发和多线程： 掌握 C++ 并发 API 可以帮助编写健壮的多线程应用程序，这些应用程序是最佳且安全的。
• 优化技术： 了解如何分析和优化 C++ 代码可以显著提高性能，尤其是在资源有限或速度至关重要的系统中。

C++ 社区非常活跃且乐于助人，提供了大量的论坛、讨论组和在线平台，开发人员可以在这些平台上分享知识、解决问题和协作项目。主要资源包括：

• Stack Overflow： 对于任何编程问题（包括 C++ 挑战）来说，都是至关重要的资源。它提供了大量的问答存储库，涵盖了从基本语法到复杂编程问题的广泛主题。
• GitHub： 不仅仅是一个存储库托管服务，GitHub 还是 C++ 开发人员协作开源项目、审查代码、参与讨论并通过实际应用程序提高编码技能的关键平台。
• Reddit： 像 r/cpp 这样的 Subreddit 提供了一个发布新闻、项目公告以及讨论 C++ 和相关主题的场所。对于 C++ 开发人员来说，cppreference.com 是一个必不可少的工具，它提供了关于 C++ 标准库和语言特性的详尽文档，尽管非专业人士可能会觉得技术细节过于繁琐。
• C++ Reference：对于C++开发人员来说，cppreference.com是一个必不可少的工具，它提供了关于C++标准库和语言特性的详尽文档，不过非专业人士可能会觉得其中的技术细节过于复杂。
• Standard C++ Foundation： 这个非营利组织运营并资助 isocpp.org，此外还提供其他在线资源和 CppCon 会议，支持 C++ 软件开发人员社区，并促进在所有编译器和平台上理解和使用现代标准 C++。CppCon YouTube 频道提供会议亮点，例如闪电演讲。

对 C++ 社区的贡献可以采取多种形式，从开发开源项目和编写文档到参与标准委员会：

• 开源项目： 贡献开源 C++ 项目是开发人员回馈社区、获得经验并改进所有 C++ 用户可用的工具和库的好方法。
• ISO C++ 标准委员会： 通过提案、反馈甚至只是随时了解最新讨论来参与标准制定过程，有助于塑造 C++ 的未来。

在快速发展的软件开发领域，持续学习至关重要。 C++ 开发人员可以访问各种教育资源。

• 在线课程： Coursera、Udemy 和 Pluralsight 等平台提供从初级到高级的课程，通常由行业专家授课。
• 书籍： 诸如 Scott Meyers 的《Effective Modern C++》和 Stanley B. Lippman 的《C++ Primer》等经典著作，提供了对有效和高效使用 C++ 的深刻见解。
• 会议和研讨会： CppCon、Meeting C++ 和 C++Now 等活动是从其他 C++ 专业人士那里学习和交流的绝佳机会。

C++ 语言在技术进步和用户需求的双重驱动下不断发展。 新兴趋势包括：

• 更加强调并发性和并行性： 随着硬件不断向多核和众核架构发展，计划发布的 C++26 旨在强调并发性和并行性。 正如最近的讨论所表明的那样，C++26 还可能包括堆栈协程等功能。
• 标准库的扩展： 未来版本的 C++ 有望显着扩展标准库，包括更多用于网络编程、范围的功能，甚至可能包括一个已在讨论中的标准图形库。
• 专注于简化语言： C++23 包含旨在简化语言使用的功能，例如简化隐式移动和修复 range-for 循环中的临时对象。 目前正在努力通过简化常见任务和增强代码清晰度的功能，使 C++ 更易于学习和使用，从而降低出现错误的几率，并使该语言更容易被新手接受。

C++23 及更高版本将引入几个重要的功能，这些功能将进一步塑造该语言：

• 反射： 关于反射（程序观察自身代码并相应地塑造其行为的能力）的提案一直是 C++ 的长期目标。 一些开发人员现在正在期待进展。
• 模块： 虽然在 C++20 中引入，但模块的持续开发和实施将显着改变 C++ 程序的结构、编译和链接方式，从而可能缩短编译时间和改进程序组织。
• 协程： C++20 中引入的协程的使用可能会变得更加广泛，从而提供更有效的方式来处理异步编程并增强对可扩展、高性能应用程序的支持。
• 解决安全性问题： 内存安全辩论将继续成为这种编程语言的一个决定性问题。 该语言的创建者 Stroustrup 指出，批评通常将 C 和 C++ 归为一类，这是具有误导性的，并且淡化了 30 多年的进步。 然而，他也承认“许多 C++ 的使用也停留在遥远的过去，忽略了改进，包括显着提高安全性的方法。” 他提出“我们可以通过编程风格、支持库和通过静态分析的强制执行来实现各种安全性。”

作为一名 C++ 程序员，及时了解这些更新以保持最新和知识渊博非常重要。 以下是一些随时了解情况的方法。

• 参与 C++ 论坛和标准会议： 及时了解 ISO C++ 标准委员会和社区论坛中的讨论，可以深入了解该语言的发展方向。
• 参与持续学习： 随着语言的发展，开发人员也必须如此。 通过课程、书籍和研讨会进行继续教育对于有效理解和利用新功能至关重要。

多年来，C++ 一直是软件开发领域的重要参与者，随着时间的推移不断适应，以满足当今不断变化的计算环境的需求。 其强度、适应性和效率的独特结合使其在系统软件、游戏、实时系统和大型商业应用程序等领域中必不可少。

• 性能与控制: C++ 在系统资源的底层控制和高级功能之间实现了最佳平衡，使其成为对效率和性能要求最高的应用程序的理想选择。
• 多功能性: 该语言的适应性在其在各个领域的广泛使用中显而易见，突显了其应对各种编程挑战的能力。
• 持续发展: 每次更新，C++ 都会集成现代功能，使其在快速发展的技术领域中保持相关性，确保其满足当今开发人员的需求。

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