回顾十年前Stroustrup谈<C++的本质>的演讲
十年前Bjarne Stroustrup(C++ 语言发明者, 下文称BS)在苏格兰格拉斯哥和爱丁堡所作的一次演讲. 十年之后重看这个演讲, 还是有诸多感慨的.
BS在演讲中强调了 C++ 的核心特性及其在实际应用中的权衡, 包括资源管理, 面向对象编程和泛型编程.
他提到 C++ 的优势在于性能, 可移植性和对硬件资源的精细控制, 但也承认其复杂性和编译时间过长等问题. BS展望了 C++ 的未来, 提出通过模块化系统, Concepts 和静态分析工具等改进, 使其更易于使用且保持高性能.
结合最近十年函数式语言(如 Haskell, Clojure, Scala)和 Rust 的快速发展, C++ 的设计理念和挑战仍然具有现实意义.
Rust 在内存安全和并发性方面的创新, 特别是其所有权系统和借用检查器, 直接回应了 C++ 中资源管理和内存安全的痛点.
受限于他的背景以及经验, 他并没有对函数式/异步编程给予过多的重视, 在高速发展的计算机行业, 十年几乎就是一辈子, 十年以降BS的演讲主旨极具具有前瞻性, 比如在高性能场景下GC无用; 资源管理和内存安全要通过所有权方法实现等.
BS提到的c++的演进方向和rust的实际特性的对比
C++ 特性 Rust 特性 对比说明 RAII (资源获取即初始化) 所有权系统 C++ 使用 RAII 管理资源, Rust 通过所有权系统确保资源安全 智能指针 所有权和借用检查器 C++ 的智能指针管理资源, Rust 通过所有权和借用检查器在编译时防止数据竞争 移动语义 移动语义 C++ 和 Rust 都支持移动语义, 但 Rust 的移动语义是默认行为. 模板编程 泛型编程 C++ 的模板编程功能强大但复杂, Rust 的泛型编程通过 Trait 约束更安全 异常处理 Result 和 Option 类型 C++ 使用异常处理错误, Rust 使用 Result 和 Option 类型强制显式处理错误 并发编程 无数据竞争的并发模型 C++ 的并发需要程序员手动管理, Rust 通过所有权系统编译器检查. 模块化系统 模块系统 C++ 的模块化系统正在引入, Rust 的模块系统是语言的一部分. Concepts Trait 约束 C++ 的 Concepts 用于约束模板参数, Rust 的 Trait 与语言深度集成. 垃圾回收 (可选) 无垃圾回收 C++ 支持可选的低频率垃圾回收, Rust 完全依赖编译时检查, 无需垃圾回收机制. 编译时间 编译时间优化 C++ 的编译时间较长, Rust 通过增量编译和更高效的依赖管理优化编译时间. BS没提到,但是实际发生了的
函数式
C++ Rust 对比说明 Lambda 表达式 闭包 C++ 的 Lambda 表达式支持函数式编程, Rust 的闭包更灵活, 支持捕获环境变量和所有权转移. 函数式编程风格 模式匹配 C++ 支持函数式编程风格, Rust 通过模式匹配和不可变性更自然地支持函数式编程. 不可变性 不可变性 C++ 的不可变性需要程序员手动管理, Rust 默认变量不可变, 需显式声明可变性. 异步特性
C++ Rust 对比说明 协程 (C++20) async/await C++20 引入协程支持异步编程, Rust 的 async/await 语法更简洁且与语言深度集成. 手动管理异步任务 Future 和 Task C++ 需要手动管理异步任务, Rust 通过 Future 和 Task 提供更高级的异步编程抽象. 线程池 异步运行时 C++ 通常依赖外部库实现线程池, Rust 的异步运行时(如 tokio, async-std)提供更高效的异步任务调度.
C++ 的核心特性及其在实际应用中的权衡
C++ 旨在实现高效和优雅的抽象, 它融合了接近硬件的低级编程能力和来自 Simula 的面向对象编程能力. C++ 的核心特性及其在实际应用中的权衡包括:
资源管理: C++ 强调明确的所有权和资源获取即初始化 (RAII) 的概念. 这有助于防止内存泄漏和其他资源泄漏, 特别是在使用异常的情况下. 然而, 它需要程序员了解构造函数, 析构函数和智能指针(如
unique-ptr和shared-ptr)的正确用法. 虽然垃圾收集可以简化内存管理, 但它不适用于所有类型的资源, 并且会带来性能开销.面向对象编程: C++ 支持类, 继承和多态性, 允许创建反映现实世界中分层关系的抽象. 然而, 继承和虚拟函数可能会增加程序的复杂性和耦合度. 重要的是要谨慎使用继承, 并避免过度使用复杂的类层次结构.
泛型编程: 模板允许创建可用于不同数据类型的算法和数据结构, 从而提高代码重用性和性能. 然而, 模板元编程可能会导致编译时间过长和难以理解的错误消息. C++11 引入的 constexpr 函数和 C++14 中的 Concepts 有助于缓解这些问题.
C++ 的优势包括:
- 性能: C++ 代码通常比使用垃圾收集或虚拟机的语言编写的代码运行速度更快.
- 可移植性: C++ 编译器可用于各种平台, 从嵌入式系统到大型服务器.
- 精细控制: C++ 为程序员提供了对硬件资源的精细控制.
C++ 的缺点包括:
- 复杂性: C++ 是一种功能丰富的语言, 具有陡峭的学习曲线.
- 编译时间: 大型 C++ 项目的编译时间可能很长, 尤其是当大量使用模板时.
- 向后兼容性: 维护与旧代码的向后兼容性会导致语言中存在一些不理想的特性.
C++ 是一种强大的语言, 适合需要高性能, 可移植性和对硬件资源进行精细控制的应用. 但是, 它的复杂性和潜在的陷阱需要程序员拥有丰富的经验和对最佳实践的深入理解.
BS对 C++ 的未来发展的展望
BS 认为 C++ 的未来发展方向是使其更易于使用, 同时保持其作为系统编程和资源受限应用的最佳语言的地位. 他强调以下几个方面:
- 鼓励程序员采用现代 C++ 代码风格. 现代 C++ 代码更安全, 更高效, 例如使用智能指针管理资源, 利用移动语义提高性能.
- 使 C++ 成为一门更好的语言. 这包括改进编译时间, 提高错误信息的可读性, 简化模板元编程.
- 保持与旧代码的兼容性. C++ 需要保持其长期稳定性, 同时通过代码分析和代码转换工具帮助程序员将旧代码升级到新的标准.
BS相信通过这些改进, C++ 将继续在高性能计算, 资源受限应用以及对硬件资源进行精细控制的领域保持领先地位. 他特别提到了以下几个具体的改进方向:
- 模块化系统: 这将有助于减少编译时间并提高代码组织能力.
- Concepts: 这将使模板代码更易于编写, 阅读和维护, 同时提高编译时错误信息的可读性.
- 静态分析和代码转换工具: 这些工具可以帮助程序员识别和修复旧代码中的问题, 并将其升级到新的标准.
总而言之, BS 对 C++ 的未来充满信心, 并相信它将继续发展成为一门更强大, 更易用, 更安全的语言.
C++ 模板编程的优势和不足
C++ 模板编程是一种强大的技术, 它允许程序员编写可用于不同数据类型和算法的通用代码. 但是, 它也有一些不足之处. 以下是 C++ 模板编程的优势和不足之处:
优势:
- 代码重用: 模板允许程序员编写一次代码, 然后将其用于各种数据类型, 从而减少代码重复并提高代码可维护性. 例如, 您可以编写一个排序算法模板, 然后使用它对整数, 浮点数, 字符串或任何其他具有定义良好的比较运算符的数据类型进行排序.
- 提高性能: 模板在编译时实例化, 这意味着编译器可以针对特定数据类型优化代码. 这与在运行时执行类型检查和分派的虚拟函数相比, 可以带来显著的性能提升.
- 类型安全: 模板在编译时进行类型检查, 这有助于在早期捕获错误并提高代码的可靠性. 与使用 void* 指针和运行时类型转换的 C 风格代码相比, 模板提供了更强的类型安全性.
不足之处:
- 编译时间: 模板代码的编译时间可能很长, 尤其是当大量使用模板时. 这是因为编译器需要为每个模板实例化生成单独的代码.
- 错误信息: 模板代码的错误信息可能难以理解, 特别是对于不熟悉模板元编程的程序员而言. 这是因为错误信息通常会引用模板实例化后的代码, 而不是程序员编写的原始代码.
- 复杂性: 模板元编程是一种强大的技术, 但它也可能非常复杂. 过度使用模板元编程可能会导致代码难以理解和维护.
BS承认 C++ 模板编程的复杂性和不足之处, 并一直在努力改进该语言以解决这些问题. 他特别提到了 C++14 中引入的 Concepts, 这是一种用于指定模板参数要求的新语言特性. Concepts 旨在使模板代码更易于编写, 阅读和维护, 同时提高编译时错误信息的可读性.
C++ 模板编程是一种强大的技术, 它可以带来许多优势, 包括代码重用, 提高性能和类型安全. 但是, 它也有一些不足之处, 包括编译时间长, 错误信息难以理解和复杂性. 随着 C++ 的不断发展, BS 和 C++ 标准委员会正在努力改进模板编程, 使其更易于使用并解决其不足之处.
评价垃圾回收机制
BS认为, 垃圾回收机制(Garbage Collection)虽然对内存管理有一定的作用, 但它并非万能的解决方案, 并且不适用于 C++ 的设计理念.
- 垃圾回收机制并非通用方案, 因为它只负责管理内存资源, 而实际应用中还有许多其他类型的资源需要管理, 例如文件句柄, 网络连接, 锁等等.
- 垃圾回收机制并非理想方案, 因为它会在系统中引入共享资源(例如用于跟踪对象引用的计数器), 而共享资源在并发环境下会带来性能开销. 在分布式系统中, 这种共享资源的引入是不必要的.
主张采用资源获取即初始化(RAII)智能指针和移动语义等现代 C++ 技术, 可以编写出高效, 安全且无内存泄漏的代码.
以下是演讲者建议的资源管理方法:
- 使用容器(例如 vector, map, hash table 等)存储数据, 并利用 RAII 机制(即构造函数和析构函数)管理资源.
- 利用移动构造函数, 使对象移动的成本几乎为零.
- 需要指针语义时, 使用智能指针.
- 如果是唯一所有者, 可以使用
unique_ptr. - 如果是共享所有权, 可以使用
shared_ptr.
- 如果是唯一所有者, 可以使用
对于遗留代码中难以避免的内存泄漏问题, 演讲者建议使用低频率的垃圾回收(例如每天运行一次), 并指出 C++ 标准库提供了一些接口可以支持这种垃圾回收机制.
资源管理方面的想法
在资源管理方面提出了一系列改进建议, 旨在摒弃传统的 C 风格手动内存管理, 转而采用更安全, 更高效的现代 C++ 技术. 这些建议的核心思想是明确资源的所有权, 并利用 RAII(资源获取即初始化) 机制, 让资源的获取和释放紧密绑定, 从而避免内存泄漏和其他资源泄漏问题.
具体改进建议及其对应的实现方式:
- 摈弃裸指针, 使用智能指针管理资源. 裸指针难以明确资源的所有权,
容易导致悬挂指针, 内存泄漏等问题. 智能指针(例如
unique_ptr和shared_ptr)可以清晰地表达资源的所有权, 并在其生命周期结束时自动释放资源. - 利用 RAII 机制, 将资源的获取和释放与对象的生命周期绑定. 在构造函数中获取资源, 在析构函数中释放资源, 可以确保资源的正确释放, 即使在发生异常的情况下.
- 使用容器(例如 vector, map, hash table 等)存储数据. 容器自身实现了 RAII 机制, 可以自动管理其内部存储的资源.
- 利用移动语义, 提高资源转移的效率. 移动语义允许将资源的所有权从一个对象转移到另一个对象, 而无需进行复制操作, 从而大幅提高性能, 特别是对于大型对象.
还提到了针对遗留代码的改进方案:
- 对于难以完全采用现代 C++ 技术的遗留代码, 可以采用低频率的垃圾回收机制, 例如每天运行一次, 以清理残留的垃圾资源. C++ 标准库提供了一些接口可以支持这种垃圾回收机制.
通过上述改进建议和实现方式, C++ 程序员可以编写出更安全, 更高效, 更易维护的代码, 有效避免资源泄漏问题.
详细解释了移动语义
在 C++ 中, 移动语义(move semantics) 是一种允许将资源(例如内存)的所有权从一个对象转移到另一个对象, 而无需进行复制操作的机制. 这对于处理大型对象或需要频繁转移所有权的情况特别有用, 因为它可以显著提高性能.
移动语义的核心概念:
- 右值引用(Rvalue reference): C++11 引入的一种新的引用类型, 用于标识即将被销毁的对象, 通常用 && 表示.
- 移动构造函数(Move constructor): 一种特殊的构造函数, 它接受右值引用作为参数, 并从源对象" 窃取" 资源, 将其转移到目标对象.
- 移动赋值运算符(Move assignment operator): 一种特殊的赋值运算符, 它接受右值引用作为参数, 并将源对象的资源转移到目标对象, 同时将源对象置于" 已移动" 状态.
移动语义的工作原理:
将一个右值(例如函数返回值或临时对象)传递给一个函数或将其赋给一个变量时, C++ 编译器会优先选择调用移动构造函数或移动赋值运算符. 这些特殊的成员函数会将源对象的资源转移到目标对象, 而无需进行复制操作.
移动语义的优势:
- 提高性能: 避免了不必要的复制操作, 尤其是在处理大型对象时, 可以显著提高性能.
- 减少内存使用: 通过转移资源的所有权, 可以避免创建不必要的副本, 从而减少内存使用.
示例:
假设有一个 Matrix 类, 它存储一个指向动态分配的内存块的指针. 如果想将一个 Matrix 对象赋给另一个 Matrix 对象, 传统的复制赋值运算符会创建一个新的内存块, 并将源矩阵的数据复制到新内存块中. 这对于大型矩阵来说是一个昂贵的操作.
使用移动语义, 可以定义一个移动赋值运算符, 它将源矩阵的指针转移到目标矩阵, 并将源矩阵的指针置为空. 这避免了复制操作, 并显著提高了性能.
移动语义是 C++11 中引入的一项重要特性, 它可以显著提高程序的性能和效率. 通过理解移动语义的概念和工作原理, 您可以编写更高效, 更易维护的 C++ 代码.
RAII的解释
RAII (资源获取即初始化) 是 C++ 中一种重要的资源管理技术, 其核心思想是将资源的获取和释放与对象的生命周期绑定, 从而确保资源的正确释放, 即使在发生异常的情况下.
- 在对象的构造函数中获取资源(例如, 分配内存, 打开文件, 获取锁等).
- 在对象的析构函数中释放资源.
RAII 的优势:
- 确保资源的正确释放: 由于析构函数在对象生命周期结束时自动调用, 因此可以保证资源得到及时, 正确的释放, 避免内存泄漏和其他资源泄漏问题.
- 简化代码, 提高代码可维护性: 无需手动管理资源, 代码更简洁, 易懂, 也更易于维护.
- 异常安全: 即使在发生异常的情况下, RAII 机制也能确保资源得到正确释放, 避免程序崩溃或资源泄漏.
RAII 的应用:
RAII 机制广泛应用于 C++ 标准库和各种应用程序中, 例如:
- 智能指针(
unique_ptr和shared_ptr): 智能指针利用 RAII 机制管理动态分配的内存, 确保内存的正确释放. - 容器(例如 vector, map, hash table 等): 容器自身实现了 RAII 机制, 可以自动管理其内部存储的资源.
- 锁管理: 可以使用 RAII 机制确保锁的正确获取和释放, 避免死锁问题.
- 文件操作: 可以使用 RAII 机制确保文件在使用后得到正确关闭, 避免文件损坏.
示例:
一个使用 RAII 机制管理文件资源的示例:
class FileHandler {
public:
FileHandler(const std::string& filename) : file_(filename) {
// 在构造函数中打开文件
if (!file_.is_open()) {
throw std::runtime_error("无法打开文件");
}
}
~FileHandler() {
// 在析构函数中关闭文件
if (file_.is_open()) {
file_.close();
}
}
private:
std::fstream file_;
};
在这个示例中, FileHandler 对象在构造函数中打开文件, 并在析构函数中关闭文件. 这样, 无论对象是正常销毁还是因为异常而销毁, 都能确保文件得到正确关闭.
总结:
RAII 是 C++ 中一种强大且重要的资源管理技术, 它可以简化代码, 提高代码可靠性, 并确保资源的正确释放.