你好，我是吳詠煒。 C++ 可算是一種聲名在外的編程語言了。這個名聲有好有壞，從好的方面講，C++ 性能非常好，哪個編程語言性能好的話，總忍不住要跟 C++ 來單挑一下；從壞的方面講，它是臭名昭著的復雜、難學、難用。當然，這樣一來，熟練的 C++ 程序員也就自然而然獲得了“水平很高”的名聲，所以這也不完全是件壞事。 不管說 C++ 是好還是壞，不可否認的是，C++ 仍然是一門非常流行且非常具有活力的語言。繼沉寂了十多年，并終于發布語言標準的第二版——C++11——之后，C++ 以每三年一版的頻度發布著新的語言標準，每一版都在基本保留向后兼容性的同時，提供著改進和新功能。本專欄主要就是講這些新特性以及相關的編程實踐。 在講所有這些細節之前，我想先講一講為什么要用 C++，什么時候該用 C++，及如何學習C++。 ### C++ 的意義 C++ 程序員應該都聽到過下面這種說法： > C++ 是一門多范式的通用編程語言。 多范式，是因為 C++ 支持面向過程編程，也支持面向對象編程，也支持泛型編程，新版本還可以說是支持了函數式編程。同時，上面這些不同的范式，都可以在同一項目中組合使用，這就大大增加了開發的靈活性。因此，C++ 適用的領域非常廣泛，小到嵌入式，大到分布式服務器，到處可以見到 C++ 的身影。 下面是一些著名的用到 C++ 的場合： * 大型桌面應用程序（如 Adobe Photoshop、Google Chrome 和 Microsoft Office） * 大型網站后臺（如 Google 的搜索引擎） * 游戲（如 StarCraft）和游戲引擎（如 Unreal 和 Unity） * 編譯器（如 LLVM/Clang 和 GCC） * 解釋器（如 Java 虛擬機和 V8 JavaScript 引擎） * 實時控制（如戰斗機的飛行控制和火星車的自動駕駛系統） * 視覺和智能引擎（如 OpenCV、TensorFlow） * 數據庫（如 Microsoft SQL Server、MySQL 和 MongoDB） 有些同學可能會覺得，這些應用場景似乎和平時的開發場景有點遠啊！你的感覺是對的。有些傳統上使用 C++ 的場合現在已經不一定使用 C++，最典型的是個人電腦上的桌面應用。以前 Windows 下開發桌面應用常常用 MFC，微軟的 C++ 框架，而現在我估計聽說過 MFC 的程序員都不多吧。目前很流行的 Visual Studio Code 主要是用TypeScript 寫的，不是 C++。而我自己也用 C# 寫過桌面應用，不過界面邏輯之外的計算和處理仍然是用一個 C++ 的 DLL 來完成。典型情況是，需要性能的組件用 C++ 來寫，整個應用程序融合多種不同的語言。 前面我提到了， C++ 的傳統領域有被侵蝕的風險，那是因為和它相競爭的語言遠遠不止一個，可以說是上下夾攻。 * 如果專注性能和最小內存占用的話，C 仍然是首選——嵌入式領域用 C 非常多，而Linux 也是用純 C 寫的。 * 如果專注抽象表達和可讀性的話，那 Python 之類的腳本語言則要方便得多。 * 圖形界面（GUI）編程傳統上是 C++ 的地盤，但近年來 C# 和 JavaScript 占領了很大一部分市場。 * 游戲算是 C++ 的經典強項了，但有了 C++ 寫的游戲引擎，游戲用 C# 寫也沒啥問題了——你可能不一定知道，Unity 游戲引擎上的首選開發語言是 C#，而王者榮耀是用什么游戲引擎呢？答案正是 Unity——所以王者榮耀可以認為是用 C# 開發的。 * 還有，Go 和 Rust 也加入了戰團，對 C++ 形成了一定的競爭…… ### 看起來，C++ 有點危險啊…… 不過，真是這樣嗎？我們需要回到 C++ 的核心競爭力上來看一下。 * 抽象能力：意味著較高的開發效率，同時，更重要的是，不會因抽象而降低性能。 * 性能：這不用多說了，就是快并且占用資源少。 * 功耗：這是近年來我們越來越關注的問題，跟性能直接相關，性能好了功耗自然就低 計算機在發明的初期，價格奇高，而性能拿今天的標準來看卻是極低的，自然不能不關注性能。慢慢地，計算機的性能“足夠”了，性能似乎也就不那么重要了，腳本語言于是也有了用武之地。而隨著移動設備的普遍使用，大量設備用電池供電而不接電源了，功耗就逐漸成了我們大家關注的大問題。因此，即使主流移動平臺的開發語言不是 C++——而是 Java和 Objective-C 或 Swift——但任何性能要求高的應用，都幾乎必然會用到 C++ 開發的組件。 同時，移動設備要聯網，也大大刺激了服務器的增加。在服務器端，雖然沒有電池電量的問題，但有著服務器集群的供電問題、空調問題、需要的服務器數量問題等，因而 C++ 的使用也是非常廣泛的。 前面說到了王者榮耀的客戶端是用 Unity + C# 開發的，但我沒有說王者榮耀的服務器端——那可還是用 C++ 開發的。另外，有一點我前面還藏著呢！雖然王者榮耀初期是純用Unity 開發的，沒有用到 C++；但后來，騰訊又用C++ 把游戲的邏輯部分獨立成了一個GameCore，進一步提高了性能 [1]。 目前，跟 C++ 定位差不多、能有直接競爭關系的，也就是既支持高度抽象、又追求高性能的通用編程語言，其實只有 Rust 一種。而 Rust 遠沒有達到跟 C++ 一樣的成熟和普及程度。這也可以從 TIOBE 的排名看出來：C++ 是第 4 位，而 Rust 是第 25 位 [2]。 另外，和 C 的兼容性，也是 C++ 的一大優勢。雖然現在很多大型程序都混雜了多種語言，但在小項目里，減少語言的數量可以簡化開發和部署。前不久，我在 Python 里做了一些加解密運算，發現使用的第三方庫性能仍不夠高，雖然它已經用了 C 開發的加解密引擎。所以，我找了用 C 寫的高性能加解密代碼，然后使用 pybind11 庫 [3]，只手寫了一百來行的 C++11 代碼，就把性能又提高了幾倍。 ### 什么時候該用 C++？ 如此說來，C++ 既然性能又好，又支持抽象，為什么沒有更流行呢？ 因為代價更高。C++ 是一種復雜的語言，難以上手和熟練掌握，因此也是一種比較容易出錯、被誤用的語言。C++ 一直與 C 基本保持了向后兼容性，這種兼容性，也一直是 C++的安全性和易用性方面的負擔。C++ 比起 C 來，要更安全，更不容易出現緩沖區溢出這類漏洞，但跟沒有指針概念的語言比起來，它仍然是一種“不安全”的語言。我的個人經驗，完成同樣的功能，C++ 需要的代碼行數一般是 Python 的三倍左右，而性能則可以達到Python 的十倍以上。 #### 問題來了：你在開發上額外付出的時間，能從性能上省回來嗎？ 顯然，這取決于你開發軟件的用途和開發時間。舉個例子，如果你用 Python 開發需要一天，運行需要十秒，并且不需要反復運行；那么，轉用 C++ 開發就意味著開發費用也許要增加兩倍，開發加運行的總時間增加兩天，大虧。 反之，如果用 Python 開發還是需要一天，單次運行需要十秒，但是軟件會作為服務長時間運行、每天被調用十萬次。在這種情況下，明顯你就需要多臺服務器來支撐其使用了。這時，如果用 C++ 開發會需要額外的兩天，但跟 Python 相比，部署上有望節約十分之九的硬件和電費——那就很值了。 簡言之，當你的軟件屬于運算密集或者內存密集型，你需要性能、且愿意為性能付出額外代價的時候，應該考慮用 C++，特別在你的代碼需要部署在多臺服務器或者移動設備的場合。反之，如果性能不會成為你開發的軟件的瓶頸，那 C++ 可能就不是一個最合適的工具。 此外，在嵌入式應用的場景，那就根本不是值不值、而是行不行的問題。如果程序完成一個功能不能在指定的若干毫秒、甚至微秒內完成，那產品根本是失敗、不可用的。在這種場合，能和 C++ 競爭的只有 C，但 C 是一種開發效率更低、更需要堆人力的語言了。在嵌入式開發使用 C++ 的最大障礙可能不是技術，而是人力資源——搞嵌入式開發的程序員可能大多都習慣使用純 C 了。 由于 C++ 是解決性能問題的利器，短時間里在市場上沒有真正的競爭對手，對 C++ 的需求會在相當長的時間里一直存在，尤其在大公司和像金融機構一樣對性能渴求的地方。順便提一句，C++ 之父 Bjarne Stroustrup 目前就職的地方便是摩根斯坦利。 ### 如何學習 C++？ 作為很多聰明人使用過的語言，C++ 在某些場合也可能被用來炫技，寫出除了本人之外誰都看不懂的高抽象代碼。這恰恰是 Bjarne 想努力抵制的方向。他想讓 C++ 對初學者變得更為友好，也明確提出過，他不希望 C++ 是一種讓人們耍機靈的語言，而是一種讓人們更易于使用的語言 [4]。 這同樣也是本專欄的一個目標：我希望你能把 C++ 當作一種實用的語言，能用它寫出抽象但自然的代碼，而非佶屈聱牙、難以卒讀的那種。希望我 30 年的 C++ 經驗能夠給你一點幫助。 學習 C++ 語言就像學一門活躍使用中的外語，你不要期望能夠掌握所有的單詞和語法規則——那對于世界上99.999999% 的人來說是不可能的。但語言是服務于人的，語法規則也是服務于人的，是為了讓人們能夠更好地溝通和表達。雖然 C++ 的每一個新標準都是讓語言從定義和規則的角度變得更復雜，但從用法上來說，新標準允許人們能夠更簡單地表達自己的計算意圖。跟學外語一樣，我們需要的是多看多寫，掌握合適的“語感”，而不是記住 所有的規則。 **Bjarne 有一個洋蔥理論**：抽象層次就像一個洋蔥，是層層嵌套的。如果想用較低的抽象層次表達較高的概念，就好比一次切過了很多層洋蔥，你會把自己的眼淚熏出來的。與這個思路相反，教 C++ 往往有一種不好的傾向，從那些瑣碎易錯的底層教起，自底向上，使得學生常常在尚未領悟到抽象的真諦之前就已經被 C++ 的復雜性嚇翻，從入門到放棄；或者，在學了基本的 C 語法和 class 之后就滿足了，錯過了高級抽象帶來的全新境界。他主張學習應當自頂向下，先學習高層的抽象，再層層剝繭、絲絲入扣地一步步進入下層。如果一次走太深的話，挫折可能就難免了。 作為專欄而非具體的工具參考書，我會重點講是什么和為什么，而不是語法細節。同樣，我也不講或少講技巧，但在需要的地方，我會給出合適的參考資料。希望你在學習了本專欄之后，能夠知道某個 C++ 的功能為什么存在和應該在什么情況下使用。那樣的話，本專欄的目的就達到了。 具體內容上，本專欄共分為四個部分，詳情如下： * 第一部分——基礎篇，講解現代 C++ 中的最重要特性，幫助你理解基礎概念。 * 第二部分——提高篇，講述幾個獨立的專題，幫助你掌握 C++ 中的一些高級技巧。 * 第三部分——實戰篇，討論實際的工具和第三方庫，幫助你打磨手頭的兵器庫。 * 第四部分——未來篇，討論 C++20 中即將引入的一些新特性，幫助你培養前瞻性。  希望你在完整地學完這四個部分之后，能對現代 C++，這一熟悉而又陌生的語言，有著新的理解，并用它去更好地解決項目中的實際問題。 最后，感謝你的關注。關于 C++ 呢，不知道你有什么樣的看法？你學習它的主要原因是什么？你平時使用 C++ 的場景有哪些？歡迎你在留言區和我交流。 **參考資料** [1] 游戲葡萄，“《王者榮耀》技術總監復盤回爐歷程：沒跨過這三座大山，就是另一款MOBA 霸占市場了”。http://youxiputao.com/articles/11842 [2] TIOBE Index for November 2019.  https://www.tiobe.com/tiobe-index/ [3] Wenzel Jakob et al., pybind11.  https://github.com/pybind/pybind11 [4] Interview, “What’s all the C Plus Fuss? Bjarne Stroustrup warns of dangerous future plans for his C++”. https://www.theregister.co.uk/2018/06/18/bjarne_stroustrup_c_plus_plus/