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C++

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发行时间
设计者
主要实现产品
派生副语言
启发语言
影响语言
多范型: 面向对象编程, 程序编程, 泛型编程
1983年
Bjarne Stroustrup
静态类型, 强类型, 不安全
Borland C++ BuilderGCCIntel C++ CompilerMicrosoft Visual C++Sun StudioClang
ISO/IEC C++ 1998, ISO/IEC C++ 2011
C, Simula, Ada 83, ALGOL 68, CLU, ML
Perl, Lua, Ada 95, Java, PHP, D, C99, C#, Aikido, Falcon, Dao

C++是一种使用非常广泛的电脑程序设计语言。它是一种静态数据类型检查的,支持多范型的通用程序设计语言。C++支持过程化程序设计数据抽象化面向对象程序设计泛型程序设计基于原则设计等多种程序设计风格。

贝尔实验室比雅尼·斯特劳斯特鲁普博士在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++程序设计语言的国际标准ISO/IEC 14882-1998。 另外,就目前学习C++而言,可以认为它是一门独立的语言;它并不依赖C语言,我们可以完全不学C语言,而直接学习C++。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。所以有部分人认为在大多数场合中,C++完全可以取代C语言。

C++语言发展大概可以分为三个阶段:第一阶段从80年代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,并且凭借著接近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等程序库的出现,泛型程序设计在C++中占据了越来越多的比重性。当然,同时由于JavaC#等语言的出现和硬件价格的大规模下降,C++受到了一定的冲击;第三阶段从2000年至今,由于以LokiMPL等程序库为代表的产生式编程模板元编程的出现,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序设计语言中最复杂的一员。

目录

[隐藏]

[编辑] 发展历史

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序撰写经验。他发现Simula具备很利于大型软件开发的特点,但Simula的运行速度太慢,无法对现实需求发挥功效;BCPL虽快得多,但它过于低级的特性,使其不适于大型软件的开发。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CSimula之外,同时也从其它语言中取得灵感,如ALGOL 68AdaCLU以及ML。刚开始时,类型、派生类、存储类型检查、内联和默认参数特性,都是通过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,其中包括虚函数、函数名和运算符重载、参考、常数、用户可控制的自由空间存储区控制、改良的类型检查,以及新的双斜线(//)单行注解风格。1985年,发布第一版《C++程序设计语言》,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、抽象类型、静态成员函数、常数成员函数,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

随着C++语言的演变,也逐渐演化出相应的标准程序库。最先加进C++标准库的是流I/O程序库,其用以取代传统的C函数,如printfscanf。随后所引入的程序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)。在官方发布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)的技术报告发布。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++编译器皆已支持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

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。

[编辑] 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”。在计算机科学中,C++仍被称为C语言的上层结构。它最后得名于C语言中的“++”操作符(其对变量进行递增)。而且在共同的命名约定中,使用“+”以表示增强的程序。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++无关的早期编程语言。

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)。

[编辑] 标准化

年份 C++标准 俗称 2011 2007 2003 1998
ISO/IEC 14882:2011[2] C++11
ISO/IEC TR 19768:2007[3] C++TR1
ISO/IEC 14882:2003[4] C++03
ISO/IEC 14882:1998[5] C++98

[编辑] 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++设计成使用静态类型机制、和C同样高效且可移植的多用途程序设计语言
  • C++设计成直接的和广泛的支持多种程序设计风格(过程化程序设计数据抽象化面向对象程序设计泛型程序设计)。
  • C++设计成给程序设计者更多的选择,即使可能导致程序设计者选择错误。
  • C++设计成尽可能与C兼容,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序设计环境。

[编辑] 标准程序库

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

C++标准程序库充分吸收了C标准程序库,并佐以少许的修改,使其与C++良好的运作。另一个大型的程序库部分,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:矢量链表),迭代器(一般化指针)提供容器以类似数组的访问方式,以及算法进行搜索和排序的运算。此外还提供了(multi)map(关系数组)和(multi)set,它们都使用兼容的界面。因此,以下成为可能,使用模板撰写泛型算法,它可以和任何容器或在任何以迭代器定义的串行上运作。如同C,使用#include指令包含标准表头,即可访问程序库里的功能。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::vectorstd::string来取代C风格的数组)有助于导向更安全和更灵活的软件。

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/输出流、国际化、诊断、C程序库子集,等等)。

[编辑] C++中的特色

和C语言相比,C++引入了更多的特性,包括:陈述性声明,类似函数的强制转型,new/delete操作符,布林类型,参考类型,默认参数,函数重载,命名空间,类型(包括所有和类型相关的特性,如继承、成员函数、虚函数、抽象类型和构造函数),操作符重载,模板,::操作符,异常处理和运行时期识别。

和普遍认为的相反,C++不是第一个引入const关键字的。Const是在正式引入C语言不久之后,才被C++采用。

C++在某些案例中(见下“与C不兼容之处”),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++的定义不兼容。不过,C99也引入了不存在于C++的特性,如:可变参数宏英语variadic macro,和以数组作为参数的较佳处理;某些C++编译器可能实现若干特性,以作为扩展,但其余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++中的术语对象和C语言一样是意味着存储器区域,而不是类的实例,在其它绝大多数的面向对象语言也是如此。举例来说,在C和C++中,语句int i;定义一个int类型的对象,这就是变量的值i将在赋值时,所存入的存储器区域。

[编辑] C++语言中,关于const的用法

const是一个C语言的关键字,它限定一个变量不允许被改变。使用const在一定程度上可以提高程序的安全性和可靠性。

整型变量

int m = 1, n = 2;

整型常量:

const int a = 3;
int const b = 4; // 这种写法更好

指向整型常量的指针:

const int * p;
int const * q; // 这种写法更好

指向整型数的常指针:

int * const x; // 只能这么写

指向整型常量的常指针:

const int * const r;
int const * const t; // 这种写法更好

[编辑] 与C不兼容之处

C++一般被认为是C的超集合(superset),但这并不严谨。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。

也许最常见的差异是,C允许从void*隐式转换到其它的指针类型,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,就需要使用强制转换:

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newclass,它们在C程序中,是可以作为识别字(例:变量名)的。

在最新的C标准(C99)中去除了一些不兼容之处,目前也支持了C++的特性,如//注解,以及在代码中混合声明。不过C99也纳入几个和C++冲突的新特性(如:可变长度数组、原生复数类型和复合逐字常数),所以语言的分岐可能还是大过合并。

若要混用C和C++的代码,则所有在C++中调用的C代码,必须放在extern "C" { /* C代碼 */ }之内。

[编辑] C++的Hello World程序

在使用兼容C89标准(也称为ANSI C)的编译器时,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;
}

在使用兼容C99标准(ISO/IEC 14882-1998)的编译器时,下面的程序也是可以的:

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

根据ISO C++的规定,main函数的形式只能是

int main()
{
    // ...
}

以及

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

尽管如此,但在大部分编译器(例如Visual C++编译器)上,

// 永远不要这么写
void main()
{
     // ...
}

也被支持。

[编辑] 语言特性

[编辑] 操作符

主条目:C和C++操作符

[编辑] 预处理器

C++主要有三个编译阶段:预处理、转译成目标代码和连结(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源代码,然后送到下一个编译阶段。

[编辑] 预处理器指令和宏

预处理指令的运作方式是根据用户定义的规则,简单的把记号字符串行置换成其它的记号字符串行。它们进行宏置换、含入其它的文件(由底层至高级的特性,例如包含模块/包/单元/组件)、条件式编译和条件式含入。例如:

#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

每次在源代码中出现的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(导入)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C预处理器

[编辑] 模板

主条目:模板 (C++)

模板(Template)指C++编程语言中的函数模板(function template)与类型模板(class template),这种观念是取材自Simula的泛型程序设计。它采用typenameclass两个关键字,来标识模板类的类型参数。C++之父Bjarne认为可以通过C++的重载(overloading)功能来表达泛型。

[编辑] 类与对象

主条目:C++类

在面向对象对象程序设计术语中,对象(object)是数据(data)和处理数据的指令(instructions)的联合(association)。模拟(simulate)实际世界(real-world),对象有三种特质(characteristics):状态(State)、行为(Behavior)、同一性身分(Identity),并且使用消息(message)来引发彼此的交互。类型(class)为对象的蓝图或工厂,定义了对象的抽象特质,包括对象的属性特质和对象的行为特质,属性的值即是对象的状态,行为即是对象能够做的事。

C++ 为类型构成式面向对象程序设计语言(class-based object-oriented programming language),类型概念具现化(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型来做到数据抽象化、封装、模块化、继承、子类型多态、对象状态的自动初始化。C++ 中,一个类型即为一个类型,加上封装,一个类型即为一个抽象数据类型(Abstract Data Type,ADT),继承、多态、模板都加强了类型的可抽象性。在C++可以使用class或struct这两个关键字声明类型(class),而使用 new 操作符实例化类型产生的实例(instance)即为对象,是一等公民(first-class citizen)。C/C++以数据成员(data member)表达属性,以成员函数(member function)表达行为。我们可以说类型是程序人员产生的,而对象是编译器(compiler)产生的。[来源请求]

申明一个 Car class:

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

[编辑] 封装

封装(Encapsulation)是将数据和处理数据的程序(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# 等语言定义对象都是在语法中明确地使用类型(Class)来做到封装。

[编辑] 继承

继承(Inheritance)是指子类(subclass)继承超类型(superclass),会自动取得超类型除私有特质外的全部特质,同一类型的所有实例都会自动有该类型的全部特质,做到代码再用(reuse)。C++ 只支持类型构成式继承,虽然同一类型的所有实例都有该类型的全部特质,但是实例能够共享的实例成员只限成员函数,类型的任何实例数据成员乃每个实例独立一份,因此对象间并不能共享状态,除非特质为参考类型的属性,或使用指针来间接共享。C++ 同时支持公有继承(public inheritance)、使用保护继承(protected inheritance)、私有继承(private inheritance)。其中最常用的是公有继承,“a... is a”关系代表了在完全使用公有继承的对象类型之间的层次结构体系(hierarchy)。

C++支持多重继承(multiple inheritance,MI)。多重继承(multiple inheritance,MI)的优缺点一直广为用户所争议,许多语言并不支持多重继承,而改以单一继承和接口继承(interface inheritance),而另一些语言改以单一继承和混入()。C++支持虚拟继承(Virtual Inheritance)用以解决多重继承的菱形问题diamond problem)。

[编辑] 多态

Polymorphism

Ad Hoc Universal
Overloading CoercionInclusionParametric

除了封装与继承外,C++ 还提供了多态功能,面向对象的精神在于多态(Polymorphism),一般的多态,是指动态多态,系使用继承和动态绑定(Dynamic Binding)实现,使用多态可创建起继承体系(Inheritance hierarchy)。类型(class)与继承只是达成多态中的一种手段,所以称面向对象而非类型导向。

C++ 的多态又分成静态多态(Static Polymorphism)与动态多态(Dynamic Polymorphism)。动态多态必须结合继承和动态绑定(Dynamic Binding)方式实现。静态多态是指以模板(template)实现多态的方法,也就是参数化的型态(Parameterized Types),属于编译前(pre-compile)的多态,是使用巨集(大陆一般称之为“宏”)(marco)的“代码膨胀法”达到多态效果。

类型转换(type cast)也是一种区域(ad hoc)多态的概念,C++提供 dynamic_cast, static_cast等运算对象来实现类型转换(Coercion)。

运算对象重载(operator overloading)或函数重载(function overloading)也算是多态的概念。

[编辑] 分析和处理C++源代码

众多的编程语言[哪些?]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。

[编辑] 争议

“在这12年里,C++用户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,用户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,其数据显示,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%。Forrester最新的调查显示,C++、微软Visual BasicJava是众多公司产品体系的首选语言。对100家公司的调查显示,C/C++、Visual BasicJava在产品体系中的使用比例分别是59%、61%和66%。

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。

3.一部分人[谁?]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。 [6]

一个值得注意的事情是Linux之父林纳斯·托瓦兹曾经炮轰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。

[编辑] 脚注

  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. ^ Eric Raymond著的《unix编程艺术》一书第十四章第四节”语言评估“

[编辑] 参考书目

  • The C++ Programming Language: Special Edition
  • Stanley B. Lippman,Josée Lajoie,Barbara E. Moo,C++ Primer
  • 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

[编辑] 外部链接

[编辑] 参阅


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