你好，我是吴咏炜。 C++ 可算是一种声名在外的编程语言了。这个名声有好有坏，从好的方面讲，C++ 性能非常好，哪个编程语言性能好的话，总忍不住要跟 C++ 来单挑一下；从坏的方面讲，它是臭名昭著的复杂、难学、难用。当然，这样一来，熟练的 C++ 程序员也就自然而然获得了“水平很高”的名声，所以这也不完全是件坏事。 不管说 C++ 是好还是坏，不可否认的是，C++ 仍然是一门非常流行且非常具有活力的语言。继沉寂了十多年，并终于发布语言标准的第二版——C++11——之后，C++ 以每三年一版的频度发布着新的语言标准，每一版都在基本保留向后兼容性的同时，提供着改进和新功能。本专栏主要就是讲这些新特性以及相关的编程实践。 在讲所有这些细节之前，我想先讲一讲为什么要用 C++，什么时候该用 C++，及如何学习C++。 ### C++ 的意义 C++ 程序员应该都听到过下面这种说法： > C++ 是一门多范式的通用编程语言。 多范式，是因为 C++ 支持面向过程编程，也支持面向对象编程，也支持泛型编程，新版本还可以说是支持了函数式编程。同时，上面这些不同的范式，都可以在同一项目中组合使用，这就大大增加了开发的灵活性。因此，C++ 适用的领域非常广泛，小到嵌入式，大到分布式服务器，到处可以见到 C++ 的身影。 下面是一些著名的用到 C++ 的场合： * 大型桌面应用程序（如 Adobe Photoshop、Google Chrome 和 Microsoft Office） * 大型网站后台（如 Google 的搜索引擎） * 游戏（如 StarCraft）和游戏引擎（如 Unreal 和 Unity） * 编译器（如 LLVM/Clang 和 GCC） * 解释器（如 Java 虚拟机和 V8 JavaScript 引擎） * 实时控制（如战斗机的飞行控制和火星车的自动驾驶系统） * 视觉和智能引擎（如 OpenCV、TensorFlow） * 数据库（如 Microsoft SQL Server、MySQL 和 MongoDB） 有些同学可能会觉得，这些应用场景似乎和平时的开发场景有点远啊！你的感觉是对的。有些传统上使用 C++ 的场合现在已经不一定使用 C++，最典型的是个人电脑上的桌面应用。以前 Windows 下开发桌面应用常常用 MFC，微软的 C++ 框架，而现在我估计听说过 MFC 的程序员都不多吧。目前很流行的 Visual Studio Code 主要是用TypeScript 写的，不是 C++。而我自己也用 C# 写过桌面应用，不过界面逻辑之外的计算和处理仍然是用一个 C++ 的 DLL 来完成。典型情况是，需要性能的组件用 C++ 来写，整个应用程序融合多种不同的语言。 前面我提到了， C++ 的传统领域有被侵蚀的风险，那是因为和它相竞争的语言远远不止一个，可以说是上下夹攻。 * 如果专注性能和最小内存占用的话，C 仍然是首选——嵌入式领域用 C 非常多，而Linux 也是用纯 C 写的。 * 如果专注抽象表达和可读性的话，那 Python 之类的脚本语言则要方便得多。 * 图形界面（GUI）编程传统上是 C++ 的地盘，但近年来 C# 和 JavaScript 占领了很大一部分市场。 * 游戏算是 C++ 的经典强项了，但有了 C++ 写的游戏引擎，游戏用 C# 写也没啥问题了——你可能不一定知道，Unity 游戏引擎上的首选开发语言是 C#，而王者荣耀是用什么游戏引擎呢？答案正是 Unity——所以王者荣耀可以认为是用 C# 开发的。 * 还有，Go 和 Rust 也加入了战团，对 C++ 形成了一定的竞争…… ### 看起来，C++ 有点危险啊…… 不过，真是这样吗？我们需要回到 C++ 的核心竞争力上来看一下。 * 抽象能力：意味着较高的开发效率，同时，更重要的是，不会因抽象而降低性能。 * 性能：这不用多说了，就是快并且占用资源少。 * 功耗：这是近年来我们越来越关注的问题，跟性能直接相关，性能好了功耗自然就低 计算机在发明的初期，价格奇高，而性能拿今天的标准来看却是极低的，自然不能不关注性能。慢慢地，计算机的性能“足够”了，性能似乎也就不那么重要了，脚本语言于是也有了用武之地。而随着移动设备的普遍使用，大量设备用电池供电而不接电源了，功耗就逐渐成了我们大家关注的大问题。因此，即使主流移动平台的开发语言不是 C++——而是 Java和 Objective-C 或 Swift——但任何性能要求高的应用，都几乎必然会用到 C++ 开发的组件。 同时，移动设备要联网，也大大刺激了服务器的增加。在服务器端，虽然没有电池电量的问题，但有着服务器集群的供电问题、空调问题、需要的服务器数量问题等，因而 C++ 的使用也是非常广泛的。 前面说到了王者荣耀的客户端是用 Unity + C# 开发的，但我没有说王者荣耀的服务器端——那可还是用 C++ 开发的。另外，有一点我前面还藏着呢！虽然王者荣耀初期是纯用Unity 开发的，没有用到 C++；但后来，腾讯又用C++ 把游戏的逻辑部分独立成了一个GameCore，进一步提高了性能 [1]。 目前，跟 C++ 定位差不多、能有直接竞争关系的，也就是既支持高度抽象、又追求高性能的通用编程语言，其实只有 Rust 一种。而 Rust 远没有达到跟 C++ 一样的成熟和普及程度。这也可以从 TIOBE 的排名看出来：C++ 是第 4 位，而 Rust 是第 25 位 [2]。 另外，和 C 的兼容性，也是 C++ 的一大优势。虽然现在很多大型程序都混杂了多种语言，但在小项目里，减少语言的数量可以简化开发和部署。前不久，我在 Python 里做了一些加解密运算，发现使用的第三方库性能仍不够高，虽然它已经用了 C 开发的加解密引擎。所以，我找了用 C 写的高性能加解密代码，然后使用 pybind11 库 [3]，只手写了一百来行的 C++11 代码，就把性能又提高了几倍。 ### 什么时候该用 C++？ 如此说来，C++ 既然性能又好，又支持抽象，为什么没有更流行呢？ 因为代价更高。C++ 是一种复杂的语言，难以上手和熟练掌握，因此也是一种比较容易出错、被误用的语言。C++ 一直与 C 基本保持了向后兼容性，这种兼容性，也一直是 C++的安全性和易用性方面的负担。C++ 比起 C 来，要更安全，更不容易出现缓冲区溢出这类漏洞，但跟没有指针概念的语言比起来，它仍然是一种“不安全”的语言。我的个人经验，完成同样的功能，C++ 需要的代码行数一般是 Python 的三倍左右，而性能则可以达到Python 的十倍以上。 #### 问题来了：你在开发上额外付出的时间，能从性能上省回来吗？ 显然，这取决于你开发软件的用途和开发时间。举个例子，如果你用 Python 开发需要一天，运行需要十秒，并且不需要反复运行；那么，转用 C++ 开发就意味着开发费用也许要增加两倍，开发加运行的总时间增加两天，大亏。 反之，如果用 Python 开发还是需要一天，单次运行需要十秒，但是软件会作为服务长时间运行、每天被调用十万次。在这种情况下，明显你就需要多台服务器来支撑其使用了。这时，如果用 C++ 开发会需要额外的两天，但跟 Python 相比，部署上有望节约十分之九的硬件和电费——那就很值了。 简言之，当你的软件属于运算密集或者内存密集型，你需要性能、且愿意为性能付出额外代价的时候，应该考虑用 C++，特别在你的代码需要部署在多台服务器或者移动设备的场合。反之，如果性能不会成为你开发的软件的瓶颈，那 C++ 可能就不是一个最合适的工具。 此外，在嵌入式应用的场景，那就根本不是值不值、而是行不行的问题。如果程序完成一个功能不能在指定的若干毫秒、甚至微秒内完成，那产品根本是失败、不可用的。在这种场合，能和 C++ 竞争的只有 C，但 C 是一种开发效率更低、更需要堆人力的语言了。在嵌入式开发使用 C++ 的最大障碍可能不是技术，而是人力资源——搞嵌入式开发的程序员可能大多都习惯使用纯 C 了。 由于 C++ 是解决性能问题的利器，短时间里在市场上没有真正的竞争对手，对 C++ 的需求会在相当长的时间里一直存在，尤其在大公司和像金融机构一样对性能渴求的地方。顺便提一句，C++ 之父 Bjarne Stroustrup 目前就职的地方便是摩根斯坦利。 ### 如何学习 C++？ 作为很多聪明人使用过的语言，C++ 在某些场合也可能被用来炫技，写出除了本人之外谁都看不懂的高抽象代码。这恰恰是 Bjarne 想努力抵制的方向。他想让 C++ 对初学者变得更为友好，也明确提出过，他不希望 C++ 是一种让人们耍机灵的语言，而是一种让人们更易于使用的语言 [4]。 这同样也是本专栏的一个目标：我希望你能把 C++ 当作一种实用的语言，能用它写出抽象但自然的代码，而非佶屈聱牙、难以卒读的那种。希望我 30 年的 C++ 经验能够给你一点帮助。 学习 C++ 语言就像学一门活跃使用中的外语，你不要期望能够掌握所有的单词和语法规则——那对于世界上99.999999% 的人来说是不可能的。但语言是服务于人的，语法规则也是服务于人的，是为了让人们能够更好地沟通和表达。虽然 C++ 的每一个新标准都是让语言从定义和规则的角度变得更复杂，但从用法上来说，新标准允许人们能够更简单地表达自己的计算意图。跟学外语一样，我们需要的是多看多写，掌握合适的“语感”，而不是记住 所有的规则。 **Bjarne 有一个洋葱理论**：抽象层次就像一个洋葱，是层层嵌套的。如果想用较低的抽象层次表达较高的概念，就好比一次切过了很多层洋葱，你会把自己的眼泪熏出来的。与这个思路相反，教 C++ 往往有一种不好的倾向，从那些琐碎易错的底层教起，自底向上，使得学生常常在尚未领悟到抽象的真谛之前就已经被 C++ 的复杂性吓翻，从入门到放弃；或者，在学了基本的 C 语法和 class 之后就满足了，错过了高级抽象带来的全新境界。他主张学习应当自顶向下，先学习高层的抽象，再层层剥茧、丝丝入扣地一步步进入下层。如果一次走太深的话，挫折可能就难免了。 作为专栏而非具体的工具参考书，我会重点讲是什么和为什么，而不是语法细节。同样，我也不讲或少讲技巧，但在需要的地方，我会给出合适的参考资料。希望你在学习了本专栏之后，能够知道某个 C++ 的功能为什么存在和应该在什么情况下使用。那样的话，本专栏的目的就达到了。 具体内容上，本专栏共分为四个部分，详情如下： * 第一部分——基础篇，讲解现代 C++ 中的最重要特性，帮助你理解基础概念。 * 第二部分——提高篇，讲述几个独立的专题，帮助你掌握 C++ 中的一些高级技巧。 * 第三部分——实战篇，讨论实际的工具和第三方库，帮助你打磨手头的兵器库。 * 第四部分——未来篇，讨论 C++20 中即将引入的一些新特性，帮助你培养前瞻性。  希望你在完整地学完这四个部分之后，能对现代 C++，这一熟悉而又陌生的语言，有着新的理解，并用它去更好地解决项目中的实际问题。 最后，感谢你的关注。关于 C++ 呢，不知道你有什么样的看法？你学习它的主要原因是什么？你平时使用 C++ 的场景有哪些？欢迎你在留言区和我交流。 **参考资料** [1] 游戏葡萄，“《王者荣耀》技术总监复盘回炉历程：没跨过这三座大山，就是另一款MOBA 霸占市场了”。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/