编程语言之CPP
2024-04-14 22:32:44 
阿炯
C++（亦写作：CPP）是一种被广泛使用的计算机程序设计语言。它是一种通用程序设计语言，支持多重编程范式，例如过程化程序设计、面向对象程序设计、泛型程序设计和函数式程序设计等。主要实现产品有：Embarcadero C++Builder, GCC, Intel C++ Compiler, Microsoft Visual C++, LLVM Clang等。
在20世纪80年代来自丹麦的比雅尼·斯特劳斯特鲁普（Bjarne Stroustrup）博士在贝尔实验室工作期间发明并实现了C++。起初被称作“C with Classes”（“包含‘类’的C语言”），作为C语言的增强版于1983年正式出现。随后其不断增加新特性，虚函数、运算符重载、多继承、标准模板库、异常处理、运行时类型信息、命名空间等概念逐渐纳入标准草案。1998年，国际标准组织颁布了C++程序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 14882:2020。ISO/IEC 14882通称ISO C++。ISO C++包含了主要包含了核心语言和标准库的规则。尽管从核心语言到标准库都有显著不同，ISO C++直接正式（normative）引用了ISO/IEC 9899（通称ISO C），且ISO C++标准库的一部分和ISO C的标准库的API完全相同，另有很小一部分和C标准库略有差异（例如，strcat等函数提供对const类型的重载）。这使得C和C++的标准库实现常常被一并提供，在核心语言规则很大一部分兼容的情况下，进一步确保用户通常较容易把符合ISO C的源程序不经修改或经极少修改直接作为C++源程序使用，也是C++语言继C语言之后流行的一个重要原因。
作为广泛被使用的免专利工业语言，C++存在多个流行的成熟实现：GCC、基于LLVM的Clang以及Visual C++等。这些实现同时也是成熟的C语言实现，但对C语言的支持程度不一（例如，VC++对ANSI C89之后的标准支持较不完善）。大多数流行的实现包含了编译器和C++部分标准库的实现。编译器直接提供核心语言规则的实现，而库提供ISO C++标准库的实现。这些实现中，库可能同时包含和ISO C标准库的共享实现（如VC++的msvcrt）；而另一些实现的ISO C标准库则是单独于编译器项目之外提供的，如glibc和musl。C++标准库的实现也可能支持多种编译器，如GCC的libstdc++库支持GCC的g++和LLVM Clang的clang++。这些不同的丰富组合使市面上的C++环境具有许多细节上的实现差异，因而遵循ISO C++这样的权威标准对维持可移植性显得更加重要。现今讨论的C++语言，除非另行指明，通常均指ISO C++规则定义的C++语言（虽然因为实现的差异，可能不一定是最新的正式版本）。
值得注意，和流行的误解不同，ISO C和ISO C++都从未明确要求源程序被编译（compile），而仅要求翻译（translate），因此C和C++并不是所谓的编译型语言。技术上讲，实现C和C++程序的单位是翻译单元（translation unit）。作为对比，Java语言规范中就明确要求Java程序被编译实现，明确存在编译单元（compilation unit）。实际上C和C++也存在REPL形式的解释器实现，如CINT和Cling。但因为传统上C和C++多以编译器实现，习惯上仍有一些混用，甚至至今仍出现在ISO C++某节标准库条款的标题 （页面存档备份，存于互联网档案馆）上。
传统上，C++语言被视为和C语言实现性能相近的语言，强调运行时的高效。根据《C++编程思想》（Thinking in C++）一书的观点：C++与C的代码执行效率往往相差在±5%之间。其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。当然，同时由于Java、C#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Loki、MPL(Boost)等程序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序设计语言中最复杂的一员。
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，详尽的内容可参阅该原则文档：
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、面向对象编程、泛型程序设计）。
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。
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。
避免平台限定或没有普遍用途的特性。
不使用会带来额外开销的特性。
设计成无需复杂的程序设计环境。
1998的C++标准分为两个部分：核心语言和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。
特点
和C语言相比，C++引入了更多的特性，包括：复合类型（引用类型等）、const限定符和constexpr常量表达式、类型处理运算符（类型别名及auto和decltype等多种类型指示符）、C++标准库（IO库与多种容器类）与迭代器、动态内存与智能指针、函数重载、面向对象程序设计（如数据抽象、成员函数、类作用域、构造函数与析构函数、静态成员、访问控制与继承、虚函数、抽象类与接口等）、拷贝控制、运算符重载、造型与函数风格的强制类型转换、模板与泛型编程，以及异常处理、命名空间、多继承与虚继承、运行时类型识别及嵌套类等。
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，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，而不是类的实体，在其它绝大多数的面向对象语言也是如此。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，但在C++中这是不被允许。C99去除了一些不兼容之处，也新增了一些C++的特性，如//注释，以及在代码中混合使用。不过C99也纳入几个和C++冲突的新特性（如：可变长数组、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++中调用的C函数，须放在extern "C" { /* C函数声明 */ }之内。
Hello World
下面这个程序显示“Hello, world!”然后结束运行：
#include <iostream>
// import <iostream>; // C++20 起
// import std; // C++23 起
int main() {
std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
// std::println("Hello, world!"); // C++23 起
return 0;
}
这里也可以使用using指令以避免多次声明std::——
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
cout << "Hello, world!" << endl;
return 0;
}
如果使用“\n”代替以上代码里的“endl”，输出结果相等。
std::cout << "Hello, world!\n";
std::endl 不仅仅会在某个输出流中插入换行字符，还将执行输出流的 flush() 函数（即刷新缓冲区），而'\n'则不会。
C++主要有三个编译阶段：预处理、转译成目标代码和链接（最后的两个阶段一般才视为真正意义上的“编译”）。
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，其批评的理由如下：
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。
C++编译器复杂和不可靠，不适合构建人命关天类型的程序。
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。Linux之父林纳斯·托瓦兹曾经多次炮轰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。
比雅尼·斯特劳斯特鲁普
（丹麦语：Bjarne Stroustrup，丹麦语发音：[ˈbjɑːnə ˈsdʁʌʊ̯ˀsdʁɔb]，1950年12月30日—），生于丹麦奥胡斯郡，计算机科学家。他以创造C++编程语言而闻名，被称为“C++之父”。
用他本人的话来说，自己“发明了C++，写下了它的早期定义并做出了首个实现……选择制定了C++的设计标准，设计了C++主要的辅助支持环境，而且负责处理C++标准委员会的扩展提案。”他还写了一本《C++程序设计语言》，它被许多人认为是C++的范本经典，目前是第四版（于2013年5月19日出版），最新版中囊括了C++11所引进的一些新特性。
斯特劳斯特鲁普于1975年获得丹麦奥胡斯大学的数学和计算机科学硕士学位，又于1979年获得英国剑桥大学的计算机科学博士学位。从贝尔实验室大规模编程（Large-scale Programming）研究部门设立至2002年晚些时候，他一直担任那里的负责人。2002年至2014年间，他在得州农工大学工学院担任计算机科学教授一职。2014年1月起，在纽约市的摩根史丹利技术部门担任董事总经理（Managing Director），并于哥伦比亚大学计算机科学系担任客座教授。
在20世纪80年代来自丹麦的比雅尼·斯特劳斯特鲁普（Bjarne Stroustrup）博士在贝尔实验室工作期间发明并实现了C++。起初被称作“C with Classes”（“包含‘类’的C语言”），作为C语言的增强版于1983年正式出现。随后其不断增加新特性，虚函数、运算符重载、多继承、标准模板库、异常处理、运行时类型信息、命名空间等概念逐渐纳入标准草案。1998年，国际标准组织颁布了C++程序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 14882:2020。ISO/IEC 14882通称ISO C++。ISO C++包含了主要包含了核心语言和标准库的规则。尽管从核心语言到标准库都有显著不同，ISO C++直接正式（normative）引用了ISO/IEC 9899（通称ISO C），且ISO C++标准库的一部分和ISO C的标准库的API完全相同，另有很小一部分和C标准库略有差异（例如，strcat等函数提供对const类型的重载）。这使得C和C++的标准库实现常常被一并提供，在核心语言规则很大一部分兼容的情况下，进一步确保用户通常较容易把符合ISO C的源程序不经修改或经极少修改直接作为C++源程序使用，也是C++语言继C语言之后流行的一个重要原因。
作为广泛被使用的免专利工业语言，C++存在多个流行的成熟实现：GCC、基于LLVM的Clang以及Visual C++等。这些实现同时也是成熟的C语言实现，但对C语言的支持程度不一（例如，VC++对ANSI C89之后的标准支持较不完善）。大多数流行的实现包含了编译器和C++部分标准库的实现。编译器直接提供核心语言规则的实现，而库提供ISO C++标准库的实现。这些实现中，库可能同时包含和ISO C标准库的共享实现（如VC++的msvcrt）；而另一些实现的ISO C标准库则是单独于编译器项目之外提供的，如glibc和musl。C++标准库的实现也可能支持多种编译器，如GCC的libstdc++库支持GCC的g++和LLVM Clang的clang++。这些不同的丰富组合使市面上的C++环境具有许多细节上的实现差异，因而遵循ISO C++这样的权威标准对维持可移植性显得更加重要。现今讨论的C++语言，除非另行指明，通常均指ISO C++规则定义的C++语言（虽然因为实现的差异，可能不一定是最新的正式版本）。
值得注意，和流行的误解不同，ISO C和ISO C++都从未明确要求源程序被编译（compile），而仅要求翻译（translate），因此C和C++并不是所谓的编译型语言。技术上讲，实现C和C++程序的单位是翻译单元（translation unit）。作为对比，Java语言规范中就明确要求Java程序被编译实现，明确存在编译单元（compilation unit）。实际上C和C++也存在REPL形式的解释器实现，如CINT和Cling。但因为传统上C和C++多以编译器实现，习惯上仍有一些混用，甚至至今仍出现在ISO C++某节标准库条款的标题 （页面存档备份，存于互联网档案馆）上。
传统上，C++语言被视为和C语言实现性能相近的语言，强调运行时的高效。根据《C++编程思想》（Thinking in C++）一书的观点：C++与C的代码执行效率往往相差在±5%之间。其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。当然，同时由于Java、C#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Loki、MPL(Boost)等程序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序设计语言中最复杂的一员。
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，详尽的内容可参阅该原则文档：
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、面向对象编程、泛型程序设计）。
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。
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。
避免平台限定或没有普遍用途的特性。
不使用会带来额外开销的特性。
设计成无需复杂的程序设计环境。
1998的C++标准分为两个部分：核心语言和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。
特点
和C语言相比，C++引入了更多的特性，包括：复合类型（引用类型等）、const限定符和constexpr常量表达式、类型处理运算符（类型别名及auto和decltype等多种类型指示符）、C++标准库（IO库与多种容器类）与迭代器、动态内存与智能指针、函数重载、面向对象程序设计（如数据抽象、成员函数、类作用域、构造函数与析构函数、静态成员、访问控制与继承、虚函数、抽象类与接口等）、拷贝控制、运算符重载、造型与函数风格的强制类型转换、模板与泛型编程，以及异常处理、命名空间、多继承与虚继承、运行时类型识别及嵌套类等。
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，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，而不是类的实体，在其它绝大多数的面向对象语言也是如此。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，但在C++中这是不被允许。C99去除了一些不兼容之处，也新增了一些C++的特性，如//注释，以及在代码中混合使用。不过C99也纳入几个和C++冲突的新特性（如：可变长数组、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++中调用的C函数，须放在extern "C" { /* C函数声明 */ }之内。
Hello World
下面这个程序显示“Hello, world!”然后结束运行：
#include <iostream>
// import <iostream>; // C++20 起
// import std; // C++23 起
int main() {
std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
// std::println("Hello, world!"); // C++23 起
return 0;
}
这里也可以使用using指令以避免多次声明std::——
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
cout << "Hello, world!" << endl;
return 0;
}
如果使用“\n”代替以上代码里的“endl”，输出结果相等。
std::cout << "Hello, world!\n";
std::endl 不仅仅会在某个输出流中插入换行字符，还将执行输出流的 flush() 函数（即刷新缓冲区），而'\n'则不会。
C++主要有三个编译阶段：预处理、转译成目标代码和链接（最后的两个阶段一般才视为真正意义上的“编译”）。
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，其批评的理由如下：
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。
C++编译器复杂和不可靠，不适合构建人命关天类型的程序。
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。Linux之父林纳斯·托瓦兹曾经多次炮轰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。
比雅尼·斯特劳斯特鲁普
（丹麦语：Bjarne Stroustrup，丹麦语发音：[ˈbjɑːnə ˈsdʁʌʊ̯ˀsdʁɔb]，1950年12月30日—），生于丹麦奥胡斯郡，计算机科学家。他以创造C++编程语言而闻名，被称为“C++之父”。
用他本人的话来说，自己“发明了C++，写下了它的早期定义并做出了首个实现……选择制定了C++的设计标准，设计了C++主要的辅助支持环境，而且负责处理C++标准委员会的扩展提案。”他还写了一本《C++程序设计语言》，它被许多人认为是C++的范本经典，目前是第四版（于2013年5月19日出版），最新版中囊括了C++11所引进的一些新特性。
斯特劳斯特鲁普于1975年获得丹麦奥胡斯大学的数学和计算机科学硕士学位，又于1979年获得英国剑桥大学的计算机科学博士学位。从贝尔实验室大规模编程（Large-scale Programming）研究部门设立至2002年晚些时候，他一直担任那里的负责人。2002年至2014年间，他在得州农工大学工学院担任计算机科学教授一职。2014年1月起，在纽约市的摩根史丹利技术部门担任董事总经理（Managing Director），并于哥伦比亚大学计算机科学系担任客座教授。