C++：走向现代化#

本文主要内容整理自本贾尼·斯特劳斯特卢普（Bjarne Stroustrup）发表的著作和论文，相关内容参见文末参考资料。

0. 当我们说 C++ 的时候，我们在说什么#

对用户而言，“C++”不只是由标准定义的程序设计言，而是由很多部分组成的集合，不限于：

由标准定义的语言规范
标准库
其它的库
大量的（遗留）代码库
（包括其他语言开发的）工具
教学和培训资源
社区支持

1. C++ 简史#

C++ milestones

C with Classes -> C84 -> Release 1.0(Cfront) -> Release 1.2(Cfront) -> Release 2.0(Cfront) -> ARM -> C++98(std) -> C++03(std) -> C++11(std) -> C++14(std) -> C++17(std) -> C++20(std)

1979: Start of work on “C with Classes” that became C++; first non-research user;
- Language: classes, constructors/destructors, public/private, simple inheritance, function argument type checking
- Library: tasks (coroutines and simulation support), vector parameterized with macros
1985: First commercial release of C++; TC++PL1
- Language: virtual functions, operator overloading, references, const
- Library: complex arithmetic, stream I/O
1989-91: ANSI and ISO standardization start; TC++PL2
- Language: abstract classes, multiple inheritance, exceptions, templates
- Library: iostreams (but no tasks)
1998: C++98, the first ISO C++ standard, TC++PL3
- Language: namespaces, named casts, bool, dynamic_cast
- Library: the STL (containers and algorithms), string, bitset
2011: C++11, TC++PL4
- Language: memory model, auto, range-for, constexpr, lambdas, user-defined literals, ...
- Library: threads and locks, future, unique_ptr, shared_ptr, array, time and clocks, random numbers, unordered containers (hash tables), ...
2014: C++14
- Language: generic lambdas, local variables in constexpr functions, digit separators, ...
- Library: user-defined literals, ...
2017: C++17
- Language: structured bindings, variable templates, template argument deduction from constructors, ...
- Library: file system, scoped_lock, shared_mutex (reader-writer locks), any, variant, optional, string_view, parallel algorithms, ...
2020: C++20
- Language: concepts, modules, coroutines, three-way comparisons, improved support for compile-time computation, ...
- Library: concepts, ranges, dates and time zones, span, formats, improved concurrency and parallelism support, ...

2. 传统 C++ 的设计规则#

The Evolution of C++

2.1. 设计目标（Aims）#

C++ 使认真的人更享受编程的乐趣

C++ makes programming more enjoyable for serious programmers

C++ 是一个通用程序设计语言，它更倾向于系统编程，并且

C++ is a general-purpose programming language with a bias towards systems programming that

是更好的 C（is a better C）
支持数据抽象（supports data abstraction）
支持面向对象编程（supports object-oriented programming）
支持泛型编程（supports generic programming）

2.2. 一般性规则（General Rules）#

C++ 的发展必须由实际问题推动
不应被牵涉到无益的对完美的追求中
C++ 必须是现在就有用的
每个特征必须存在一种合理的明显实现方式
总是提供一个变通的方法
C++ 是一种语言，而不是一个完整的系统

一个程序设计环境包含了许多部分，一种方式是将多个部分组合成一个“集成化的”系统，另一种方式是维持系统中各部分之间的经典划分，例如编译器、连接器、语言的运行支持库、I/O库、编辑器、文件系统、数据库，等等。C++遵循的是后一条路。
为每种应该支持的风格提供全面支持
不试图去强迫人做什么

程序员都是聪明人:)，总能找到方法绕过觉得无法接受的规则和限制。

2.3. 支持设计的规则（Design Support Rules）#

支持健全的设计概念
为程序的组织提供各种机制
直接说出你的意思

允许用语言本身表达所有重要的东西，而不是在注释或者通过宏这类黑客的手段。
所有的特征都必须是能负担的
允许一个有用的特征比防止各种错误使用更重要
支持从分别开发的部分出发进行软件组合

2.4. 语言的技术性规则（Language-Technical Rules）#

不隐式地违反静态类型系统
为用户定义类型提供与内部类型同样好的支持
局部化是好事情
避免顺序依赖性
如果有疑问，就选择该特征的最容易说清楚的形式
语法是重要的（常以某些我们不希望的方式起作用）
清除使用预处理程序的必要性

支持Low-Level编程的规则（Low-Level Programming Support Rules）
使用传统的（dumb）连接器

好的连接兼容性：容易移植，容易与用其它语言编写的软件互操作。
没有无故的与C的不兼容性
不为比C++低级的语言保留生存空间（除了汇编）

同时提供低级特征和抽象机制
不为不使用的特性付出代价（zero-overhead rule）
为存疑的东西提供人工介入的手段

比如模版的特化

3. C++ in 2006#

3.1. 环境的改变#

单处理器（单核）性能增长放缓，能效成为关键指标
硬件供应商绑定开发语言，平台分立（Smart phone）
新老项目都在向更时髦的平台转移
学校教学和考试更青睐Java，C++课程教学质量下降

3.2. C++ vs Java & C##

C ++ 基于“程序设计语言与底层操作系统分离”的传统模型，由众多独立工具供应商提供支持。而托管语言往往是专有的，由强大的组织支持。该组织开发庞大的基础架构和库，以供开发者使用。

C++ is based on the traditional model of a programming language separate from the underlying operating system and supported by a multitude of independent tool suppliers. The managed languages tended to be proprietary; only a large and rich organization could develop the massive infrastructure and libraries required.

3.3. Java & C# 的观点#

低级（low level）的需求应该由少量的 C 或汇编完成；
高级（high level）的需求应该由具有广泛运行时支持的、安全的、带垃圾回收的语言完成，这样更好、更低价、更高效；
Java 和 C# 这样的托管语言，提供垃圾回收和运行时检查，使专家程序员更高产，也使入门更简单；
程序设计语言要和平台深度集成，集成工具集对于构建大型系统和提高生产效率是必不可少的。

3.4. C++ 的劣势#

工具链上手门槛高
接口灵活性和 ABI 稳定性不可兼得
C++ 标准委员会具有大组织的通病

4. C++11: It Feels Like a New Language#

支持并发，简化编码（开发），增强泛型编程，静态安全类型扩充，对创建工具库的支持，标准库扩充

4.1. 语言特性#

内存模型：基于现代硬件环境，针对并发的高效 low-level 模型

memory model - an efficient low level-model of modern hardware as a foundation for concurrency
auto和decltype：简化类型声明
range-for：简化范围迭代
移动（move）语义和右值引用：减少数据拷贝次数
统一的初始化：一致的对象和内置类型的语法（语义）
nullptr：空指针语义（类型和值两方面）
constexpr函数：编译期求值函数
用户定义字面量：用户定义类型的字面量
原始字符串字面量：不转义字符
属性（attributes）：本质上是关联任意信息和名字
lambdas：匿名函数对象
可变参数模板（variadic templates）：可以处理不定数量任意类型参数的模板
模板别名：重命名，并绑定模板参数
noexcept：担保函数不会抛出异常
override和final：用于类继承的语法扩充
static_assert：编译期断言
long long：更宽的整型
成员默认初始值：不用通过构造函数初始化列表设置成员默认值
enum classes：带作用域的强类型枚举

4.2. 标准库#

unique_ptr和shared_ptr：实践 RAII 的资源管理指针
内存模型和原子量（atomic）
thread，mutex，condition_variable：类型安全且可移植的系统级并发支持
function，bind：通用函数封装器
future，promise，packaged_task：轻量的高级并发工具
tuple：匿名的基础复合类型
类型萃取（type traits）：用于元编程的类型属性识别
正则表达式
随机数：支持多种生成器和数据分布
时间（Time）：time_point和duration
unordered_map等：哈希表
forward_list：轻量级链表
array：长度可知的固定长度数组
花括号（emplace）运算：构造容器时避免对象拷贝
exception_ptr：跨线程传递异常

5. C++14: Completing C++11#

ABI稳定，无痛升级

5.1. 语言特性#

二进制字面量：0b1001000011110011
数字分隔符：增强可读性，0b1001’0000’1111’0011
变量模板：参数化常量和变量
函数返回值类型推导

对 c++11 中 lambda 返回值类型推导的推广
泛型lambda
constexpr函数支持局部变量
移动（move）捕获：[p = move(ptr)] { /* ... */ };
带类型的tuple访问：x = get<int>(t);
标准库支持用户定义字面量：basic_string、duration与complex

6. C++17: Lost at Sea#

新特性很多，但没有重大改进

6.1. 语言特性#

类模板实参推导：简化对象定义
推导原则（guides）：用于消除构造函数模板参数类型推导歧义的精确符号
结构化绑定：简化表示，并消除一个可能引起变量未初始化问题的源

auto [x,y,z] = f();  // call syntax, introducing aliases

inline变量：简化仅头文件的库中具有静态存储期的变量的使用
折叠表达式：简化变参模板的使用
判断（if、switch和while）语句中的初始化器：类似for语句
强制的复制消除：消除一些多余的拷贝运算
更严格的求值顺序：防止一些细微的求值顺序错误
auto占位的非类型模板形参：值模板参数类型推导
捕获通用错误的新属性：[[maybe_unused]], [[nodiscard]], and [[fallthrough]]
十六进制浮点字面量
编译期的constexpr if语句：简化编译期求值代码

6.2. 标准库#

optional，variant，any：表示可选值的标准库类型
shared_mutex，shared_lock（读写锁），scoped_lock（加多个锁，且不会引发死锁）
并行STL：标准库算法的多线程和/或向量化版本
文件系统：操纵文件系统的路径和目录的可移植方式
string_view：引用（非所属的）不可变字符序列
数学特殊函数：Laguerre多项式，Legendre多项式，beta函数，黎曼zeta函数

7. C++20: A Struggle for Direction#

继C++11后的又一重大突破

7.1. 主要特性#

Concepts：specification of requirements for generic code
Modules：support for modularity for code hygiene and improved compile times
Coroutines：stackless coroutines
Compile-time computation support
<=>：a three-way comparison operator
Ranges：a library flexible range abstractions
Date：a library providing date types, calendar, and time zones
Span：a library providing efficient and safe access to arrays
Format：a library providing type-safe printf-like output
Concurrency增强：such as scoped threads and stop tokens

7.2. 次要特性#

C99-style designated initializers
Refinements to lambda capture
Template parameter lists for generic lambdas
Initialization of an additional variable within a range-for
Lambdas in unevaluated contexts
Pack expansions in lambda capture
Removing the need for typename in some cases
More attributes: [[likely]] and [[unlikely]]
source_location to give the source code location of a piece of code without the use of macros
Feature test macros
Conditional explicit
Signed integers are guaranteed to be two’s complement
Mathematical constants, such as pi and sqrt2
Operations on bits, such as rotations and counting ones

8. C++23#

8.1. 开发中的特性#

Networking and executors
Contracts：assertions, preconditions, and postconditions
Static reflection：facilities for generating code based on the surrounding program
Pattern Matching：selecting code to be executed based on types and object values