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C++

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C++
编程范型多范型：面向对象编程，程序編程，泛型编程
設計者比雅尼·斯特劳斯特鲁普
发行时间1983年
当前版本
  • C++23（2024年10月19日；穩定版本）[1]
編輯維基數據鏈接
型態系統静态类型，强类型，不安全
網站isocpp.org 編輯維基數據鏈接
主要實作產品
Borland C++ Builder、GCC、Intel C++ Compiler、Microsoft Visual C++、Sun Studio、Clang、Qt
衍生副語言
ISO/IEC 14882:1998、ISO/IEC 14882:2003、ISO/IEC 14882:2011
受影响于
C、Simula、Ada 83、ALGOL 68、CLU、ML
影響語言
Perl、Lua、Ada 95、Java、PHP、D、C99、C#、Aikido、Falcon、Dao

C++是一種廣泛使用的電腦程式設計語言。它是一種通用程式設計語言，靜態資料類型檢查，支持多重编程范式，例如程序化程式設計、資料抽象化、物件導向程式設計、泛型程式設計、基於原則設計等。

貝爾實驗室的比雅尼·斯特勞斯 特魯普博士在20世紀80年代發明並實現了C++。起初，這種語言被稱作“C with Classes”（“包含類別的C語言”），作為C語言的增強版出現。随后，C++不斷增加新特性。虚函数（virtual function）、運算子多載（operator overloading）、多重繼承（multiple inheritance）、模板（template）、异常处理（exception）、RTTI（Runtime type information）、命名空間（namespace）逐漸納入標準。1998年，國際標準組織（ISO）頒布了C++程式設計語言的第一個國際標準ISO/IEC 14882:1998，目前最新标准为ISO/IEC 14882:2014。根據《C++編程思想》（Thinking in C++）一書所評述的，C++與C的效率往往相差在±5%之間。

C++語言發展大概可以分為三個階段：第一階段從80年代到1995年。這一階段C++語言基本上是傳統類型上的面向对象語言，並且憑藉着接近C語言的效率，在工業界使用的開發語言中佔據了相當大份額；第二階段從1995年到2000年，這一階段由於標準模板庫（STL）和後來的Boost等程式庫的出現，泛型程式設計在C++中佔據了越來越多的比重性。當然，同時由於Java、C#等語言的出現和硬體價格的大規模下降，C++受到了一定的衝擊；第三階段從2000年至今，由於以Loki、MPL(Boost)等程式庫為代表的產生式編程和模板元編程的出現，C++出現了發展歷史上又一個新的高峰，這些新技術的出現以及和原有技術的融合，使C++已經成為當今主流程式設計語言中最複雜的一員。

發展歷史

比雅尼·史特勞斯特魯普，C++之父

比雅尼·史特勞斯特魯普（Stroustrup）工作起於1979年的C with Classes。這個構思起源於Stroustrup做博士論文時的一些程式撰寫經驗。他發現Simula具備很利於大型軟體開發的特點，但Simula的執行速度太慢，無法對現實需求發揮功效；BCPL雖快得多，但它過於低階的特性，使其不適於大型軟體的開發。當Stroustrup開始在貝爾實驗室工作時，他有分析UNIX核心關於分散式計算的問題。回想起他的博士論文經驗，Stroustrup開始為C語言增強一些類似Simula的特點。之所以選擇C，是因為它適於各種用途、快速和可移植性。除了C和Simula之外，同時也從其它語言中取得靈感，如ALGOL 68、Ada、CLU以及ML。剛開始時，類別、衍生類別、儲存類型檢查、內聯和預設參數特性，都是透過Cfront引入C語言之中。1985年10月出現了第一個商業化發佈。

1983年，C with Classes改命名為C++。加入了新的特性，其中包括虛擬函式、函式名和運算子多載、參考、常數、使用者可控制的自由空間儲存區控制、改良的型別檢查，以及新的雙斜線（//）單行註解風格。1985年，發佈第一版《C++程式設計語言》，提供一個重點的語言參考，至此還不是官方標準。1989年，發佈了Release 2.0。引入了多重繼承、抽象類別、靜態成員函式、常數成員函式，以及成員保護。1990年，出版了The Annotated C++ Reference Manual。這本書後來成為標準化的基礎。稍後還引入了模板、例外處理、命名空間、新的強制类型转换，以及布爾类型。

隨著C++語言的演變，也逐漸演化出相應的標準程式庫。最先加進C++標準函式庫的是串流I/O程式庫，其用以取代傳統的C函式，如printf和scanf。隨後所引入的程式庫中最重要的便是標準模板庫，簡稱STL。

多年後，一個聯合的ANSI-ISO委員會於1998年對C++標準化（ISO/IEC 14882：1998）。在官方釋出1998標準的若干年後，委員會處理缺陷報告，並於2003年發佈一個C++標準的修正版本。2005年，一份名為Library Technical Report 1（簡稱TR1）的技術報告釋出。雖然還不是官方標準的一部分，不過它所提供的幾個擴展可望成為下一版C++標準的一部分。幾乎所有目前仍在維護的C++編譯器皆已支援TR1。

目前最新的C++标准是2014年8月18日发布的ISO/IEC 14882:2014[2]，又称C++14或C++1y。

雖然C++免專利，但標準文件本身並不是免費的，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++名字的由來

C++這個名字是Rick Mascitti於1983年中所建議的，並於1983年12月首次使用。更早以前，尚在研究階段的發展中語言曾被稱為「new C」，之後是「C with Classes」。在電腦科學中，C++仍被稱為C語言的上層結構。它最後得名於C語言中的「++」運算子（其對變數的值進行遞增）。而且在共同的命名約定中，使用「+」以表示增強的程式。Stroustrup說：「這個名字象徵著源自於C語言變化的自然演進」。C+是一個和C/C++無關的早期程式語言。

Rick Mascitti在1992年被非正式地問起名字的由來，他表示這是在半開玩笑中說出的。他從沒想過C++會成為這門語言的正式名字。

有一個關於C++名字的笑話是，當你使用後綴++時，附加只發生在運算之後（因此，它應該是++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[3] - 用于并行计算的扩展
2015 ISO/IEC TS 18822:2015[4] 文件系统
2014 ISO/IEC 14882:2014[5] C++14 第四个C++标准
2011 ISO/IEC TR 24733:2011[6] - 十进制浮点数扩展
2011 ISO/IEC 14882:2011[7] C++11 第三个C++标准
2010 ISO/IEC TR 29124:2010[8] - 数学函数扩展
2007 ISO/IEC TR 19768:2007[9] C++TR1 C++技术报告：库扩展
2006 ISO/IEC TR 18015:2006[10] - C++性能技术报告
2003 ISO/IEC 14882:2003[11] C++03 第二个C++标准
1998 ISO/IEC 14882:1998[12] C++98 第一个C++标准

設計原則

在《C++語言的設計和演化》（1994）中，Bjarne Stroustrup描述了他在設計C++時，所使用的一些原則。知道這些原則有助於理解C++為何會是現在這個樣子。以下總結了一些原則，詳盡的內容可參閱《C++語言的設計和演化》：

  • C++設計成直接的和廣泛的支援多種程式設計風格（程序化程式設計、資料抽象化、物件導向程式設計、泛型程式設計）。
  • C++設計成給程式設計者更多的選擇，即使可能導致程式設計者選擇錯誤。
  • C++設計成儘可能與C相容，藉此提供一個從C到C++的平滑過渡。
  • C++避免平台限定或沒有普遍用途的特性。
  • C++不使用會帶來額外開銷的特性。
  • C++設計成無需複雜的程式設計環境。

標準程式庫

1998的C++標準分為兩個部分：核心語言和C++標準程式庫；後者包含了大部分標準模板庫和C標準程式庫的稍加修改版本。存在許多不屬於標準部分的C++程式庫，且使用外部連結，程式庫甚至可以用C撰寫。

C++標準程式庫充分吸收了C標準程式庫，並佐以少許的修改，使其與C++良好的運作。另一個大型的程式庫部分，是以標準模板庫（STL）為基礎，STL於1994年2月正式成為ANSI/ISO C++。它提供了實用的工具，如容器（如：向量和鏈表），迭代器（廣義指標）提供容器以類似陣列的存取方式，以及演算法進行搜尋和排序的運算。此外還提供了（multi）map（關聯陣列）和（multi）set，它們都使用相容的界面。因此，以下成為可能，使用模板撰寫泛型演算法，它可以和任何容器或在任何以迭代器定義的序列上運作。如同C，使用#include指令包含標準表頭，即可存取程式庫裡的功能。C++提供69個標準表頭，其中19個不再贊成使用。

使用標準庫（例如：使用std::vector或std::string來取代C風格的陣列）有助於導向更安全和更靈活的軟體。

STL在納入C++標準以前，是來自HP和後來的SGI的第三方程式庫，標準中並未稱之為「STL」，它只是標準庫中的一部分，但仍有許多人使用這個名稱，以別於其它的標準庫（輸入／輸出串流、國際化、診斷、C程式庫子集，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語言相比，C++引入了更多的特性，包括：陳述性宣告，類似函式的強制轉型，new/delete運算子，布爾類型，參考類型，預設參數，函式重載，命名空間，類別（包括所有和類別相關的特性，如繼承、成員函式、虛擬函式、抽象類別和建構子），運算子重載，模板，::運算子，異常處理和執行時期識別。

和普遍認為的相反，C++不是第一個正式引入const關鍵字的语言。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，并在带類別的C中取得了一定经验。关键字const正式引入C語言是在ANSI C89。这早于第一个C++国际标准近十年，但此时const已被C++实现普遍採用。

C++在某些案例中（見下「與C不相容之處」），進行比C還要多的類型檢查。

以「//」起始作為註解起源自C的前身BCPL，而後被重新引入到C++。

C++的一些特性，C不久之後也採用了，包括在for循环的括号中声明，C++風格的註解（使用//符號，和inline，雖然C99定義的inline關鍵字與C++的定義不相容。不過，C99也引入了不存在於C++的特性，如：可变参数巨集，和以陣列作為參數的較佳處理；某些C++編譯器可能實作若干特性，以作為擴展，但其餘部分並不符合現存的C++特性）

一個常見的混淆其實只是一個微妙的術語問題：由於它的演化來自C，在C++中的術語物件和C語言一樣是意味著記憶體區域，而不是類別的實體，在其它絕大多數的物件導向語言也是如此。舉例來說，在C和C++中，語句int i;定義一個int型別的物件，這就是變數的值i將在指派時，所存入的記憶體區域。

C++语言中的const关键字

const是一个C和C++语言的关键字，意思是宣告一個常數(不能改變的變數)，即唯讀。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作为型別限定符，是型別的一部分。

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。

與C不相容之處

C++有时被認為是C的超集（superset），但這並不嚴謹。

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代碼可以很輕易的在C++中正確編譯，但仍有少數差異，導致某些有效的C代碼在C++中失效，或者在C++中有不同的行為。

最常見的差異之一是，C允許從void*隱式轉換到其它的指標類型，但C++不允許。下列是有效的C代碼： 

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

但要使其在C和C++兩者皆能運作，就需要使用显式轉換： 

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

另一個常見的可移植問題是，C++定義了很多的新關鍵字，如new和class，它們在C程式中，是可以作為識別字（例：變數名）的。

C99去除了一些不相容之處，也支援了一些C++的特性，如//註解，以及在代碼中混合宣告。不過C99也納入幾個和C++衝突的新特性（如：可變長度陣列、原生複數類型和複合逐字常數），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，須放在extern "C" { /* C函数声明 */ }之內。

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”代替以上代碼裡的“endl”，不過必須用在句子的後端。請不要把斜線（/）和反斜線（\）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。

語言特性

運算子

主条目：C和C++運算子

預處理器

C++主要有三個編譯階段：預處理、轉譯成目的碼和連結（最後的兩個階段一般才視為真正的「編譯」）。在第一階段，預處理，會將預處理器指令替換成原始碼，然後送到下一個編譯階段。

預處理器指令和巨集

預處理指令的運作方式是根據使用者定義的規則，簡單的把記號字元序列置換成其它的記號字元序列。它們進行巨集置換、含入其它的檔案（由底層至高階的特性，例如包含模組／包／單元／元件）、條件式編譯和條件式含入。例如： 

#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

每次在原始碼中出現的PI，將會替換為3.1415926535897932384626433832795028841971693993751。另一個普遍的例子是 

#include <iostream>

它從標準庫表頭iostream含入（匯入）所有的符號。除了以上提到的常用指令以外，還有幾個額外的預處理器指令，可以用來控制編譯流程、條件式含入或排除代碼區塊等等。

參閱預處理器和C預處理器

模板

主条目：模板 (C++)

模板（Template）指C++程式語言中的函式模板（function template）與類別模板（class template），這種觀念是取材自Simula的泛型程式設計。它采用typename和class两个关键字，来标识模板類別的型別参数。C++11和C++14分别引入了类型别名模板和变量模板。

類別与对象

主条目：C++類別

在物件導向物件程式設計術語中，物件（object）是資料（data）和處理資料的指令（instructions）的聯合（association）。模擬（simulate）實際世界（real-world），物件有三種特質（characteristics）：狀態（State）、行為（Behavior）、同一性身分（英语：Identity (object-oriented programming)），並且使用訊息（message）來引發彼此的互動。類別（class）為物件的藍圖或工廠，定義了物件的抽象特質，包括物件的屬性特質和物件的行為特質，屬性的值即是物件的狀態，行為即是物件能夠做的事。

C++為類別構成式物件導向程式設計語言（class-based object-oriented programming language），類別概念具現化（reification）地作為二等公民（second-class citizen）出現在C++語言當中，在語法中明確地使用類別來做到資料抽象化、封裝、模組化、繼承、子型別多型、物件狀態的自動初始化。C++中，一個類別即為一個型別，加上封裝，一個類別即為一個抽象資料型別（Abstract Data Type，ADT），繼承、多型、模板都加強了類別的可抽象性。在C++可以使用class或struct這兩個關鍵字宣告類別（class），而使用new運算子實體化類別產生的實體（instance）即為物件，是一等公民。C/C++以資料成員（data member）表達屬性，以成員函式（member function）表達行為。

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。

封裝

封裝（Encapsulation）是將資料和處理資料的程序（procedure）組合起來，僅對外公開接口（interface），达到信息隐藏（information hiding）的功能。封裝的優點是能減少耦合（Coupling）。C++、Java、C# 等語言定義物件都是在語法中明確地使用類別（Class）來做到封裝。

C++的類別对其成员（包括数据成员、函数成员）分为三种封装状态：

  • 公有（public）：類別的用户可以访问、使用该類別的此种成员。
  • 保护（protected）：该類別的衍生類別可以访问、使用该類別的此成员。外界用户不可以访问、使用这种成员。
  • 私有（private）：只有類別自身的成员函数可以访问、使用该類別的此成员。

一般地，C++類別的对外接口设定为公有成员；類別内部使用的数据、函数设定为私有成员；供派生自该類別的子類別使用的数据、函数设定为保护成员。

繼承

繼承（Inheritance）是指子類別（subclass）繼承超類別（superclass），會自動取得超類別除私有特質外的全部特質，同一類別的所有實體都會自動有該類別的全部特質，做到程式碼再用（reuse）。C++只支援類別構成式繼承，雖然同一類別的所有實體都有該類別的全部特質，但是實體能夠共享的實體成員只限成員函式，類別的任何實體資料成員乃每個實體獨立一份，因此物件間並不能共享狀態，除非特質為參考型別的屬性，或使用指標來間接共享。C++支持的继承关系为：

  • 公有繼承（public inheritance）：最常用繼承关系，含义是「is-a」關係，代表了在完全使用公有繼承的物件類別之間的階層體系（hierarchy）。
  • 保護繼承（protected inheritance）：基礎類別的公有或保护内容可以被衍生類別，以及由此衍生的其他類別使用。但是基礎類別对外界用户是不可见的。衍生類別的用户不能访问基礎類別的内容、不能把派生類別转换为基礎類別的指针或引用。
  • 私有繼承（private inheritance）：基礎類別的公有或保护内容仅可以被衍生類別访问，含义是“implemented-in-term-of”。但基礎類別对衍生類別的子類別或衍生類別的用户都是不可见的。衍生類別的子類別或衍生類別的用户都不能访问基礎類別的内容、不能把衍生類別转换为基礎類別的指针或引用。

C++支援多重繼承（multiple inheritance，MI）。多重繼承（multiple inheritance，MI）的優缺點一直廣為使用者所爭議，許多語言並不支援多重繼承，而改以單一繼承和介面繼承（interface inheritance），而另一些語言改以單一繼承和混入（mixin）。C++支援虛繼承（Virtual Inheritance）用以解決多重繼承的菱形问题（英语：Diamond problem）。

多态

Polymorphism

Ad Hoc                   Universal
Overloading   Coercion       Inclusion  Parametric

除了封裝與繼承外，C++還提供了多型功能，物件導向的精神在於多态（Polymorphism），一般的多态，是指動態多态，係使用繼承和動態繫結（Dynamic Binding）實現，使用多型可建立起繼承體系（Inheritance hierarchy）。類別（class）與繼承只是達成多态中的一種手段，所以稱物件導向而非類別導向。

多态又分成靜態多态（Static Polymorphism）與動態多态（Dynamic Polymorphism）。C++语言支持的動態多态必須結合繼承和动态绑定（Dynamic Binding）方式實現。靜態多态是指编译时决定的多态，包括重载和以模板（template）實現多型的方法即參數化型態（Parameterized Types），是使用巨集（marco）的“程式碼膨脹法”達到多型效果。

型別轉換（type cast）也是一種區域（ad hoc）多型的概念，C++提供dynamic_cast, static_cast等運算元來實作强制型別轉換（Coercion）。

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

分析和處理C++原始碼

C/JAVA/CSharp都可以用某種 LR 剖析器（或其變形）分析文法[來源請求]，但C++是個著名的例外。

争议

「在這12年裡，C++使用者人數大約每七個月半增加一倍」是許多C++相關文件必引的一段話；然而，時至今日新語言層出不窮，使用者人數已不太可能以如此速度增長。分析機構EvansData定期對開發人員展開調查，其資料顯示，以C++為工具的開發人員在整個開發界所佔的比例由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類型的程序。
  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。[13]

概括說來UNIX程式設計者批評C++主要是由於UNIX社群與C++社群的文化差異。 [14]

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。

参考文献

引用

  1. ^ ISO/IEC 14882:2024 - Programming languages — C++. 2024年10月19日. 
  2. ^ ISO/IEC 14882:2014. ISO. [2015-01-15]. 
  3. ^ ISO/IEC TS 19570:2015. 
  4. ^ ISO/IEC TS 18822:2015. 
  5. ^ ISO/IEC 14882:2014. 
  6. ^ ISO/IEC TR 24733:2011. 
  7. ^ ISO/IEC 14882:2011. 
  8. ^ ISO/IEC TR 29124:2010. 
  9. ^ ISO/IEC TR 19768:2007. 
  10. ^ ISO/IEC TR 18015:2006. 
  11. ^ ISO/IEC 14882:2003. 
  12. ^ ISO/IEC 14882:1998. 
  13. ^ Ian Joyner著的《C++?? A Critique of C++ and Programming and Language Trends of the 1990s》第3章51节
  14. ^ Eric Raymond著的《unix編程藝術》一書第十四章第四節“語言評估”

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

外部連結

參閱

C++標準庫
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=C%2B%2B&oldid=41353231”