代码改变世界

C++强大背后

2010-09-17 00:56 by Milo Yip, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

在31年前(1979年),一名刚获得博士学位的研究员,为了开发一个软件项目发明了一门新编程语言,该研究员名为Bjarne Stroustrup,该门语言则命名为——C with classes,四年后改称为C++。C++是一门通用编程语言,支持多种编程范式,包括过程式、面向对象(object-oriented programming, OP)、泛型(generic programming, GP),后来为泛型而设计的模版,被发现证明是图灵完备的,因此使C++亦可支持模版元编程范式(template metaprogramming, TMP)。C++继承了C的特色,既为高级语言,又含低级语言功能,可同时作为系统和应用编程语言。

C++广泛应用在不同领域,使用者以数百万计。根据近十年的调查,C++的流行程度约稳定排行第3位(于C/Java之后)。 C++经历长期的实践和演化,才成为今日的样貌。1998年,C++标准委员会排除万难,使C++成为ISO标准(俗称C++98),当中含非常强大的标准模版库(standard template library, STL)。之后委员会在2005年提交了有关标准库的第一个技术报告(简称TR1),并为下一个标准C++0x而努力。可惜C++0x并不能在200x年完成,各界希望新标准能于2011年内出台。

流行的C++编译器中,微软Visual C++ 2010已实现部分C++0x语法并加入TR1扩充库,而gcc对C++0x语法和库的支持比VC2010更多。

应否选择C++

哪些程序适宜使用C++?

C++并非万能丹,我按经验举出一些C++的适用时机。

  • C++适合构造程序中需求较稳定的部分,需求变化较大的部分可使用脚本语言;
  • 程序须尽量发挥硬件的最高性能,且性能瓶颈在于CPU和内存;
  • 程序须频繁地与操作系统或硬件沟通;
  • 程序必须使用C++框架/库,如大部分游戏引擎(如Unreal/Source)及中间件(如Havok/FMOD),虽然有些C++库提供其他语言的绑定,但通常原生的API性能最好、最新;
  • 项目中某个目标平台只提供C++编译器的支持。

按应用领域来说,C++适用于开发服务器软件、桌面应用、游戏、实时系统、高性能计算、嵌入式系统等。

使用C++还是C?

C++和C的设计哲学并不一样,两者取舍不同,所以不同的程序员和软件项目会有不同选择,难以一概而论。与C++相比,C具备编译速度快、容易学习、显式描述程序细节、较少更新标准(后两者也可同时视为缺点)等优点。在语言层面上,C++包含绝大部分C语言的功能(例外之一,C++没有C99的变长数组VLA),且提供OOP和GP的特性。但其实用C也可实现OOP思想,亦可利用宏去实现某程度的GP,只不过C++的语法能较简洁、自动地实现OOP/GP。C++的RAII(resource acquisition is initialization,资源获取就是初始化)特性比较独特,C/C#/Java没有相应功能。回顾历史,Stroustrup开发的早期C++编译器Cpre/Cfront是把C++源代码翻译为C,再用C编译器编译的。由此可知,C++编写的程序,都能用等效的C程序代替,但C++在语言层面上提供了OOP/GP语法、更严格的类型检查系统、大量额外的语言特性(如异常、RTTI等),并且C++标准库也较丰富。有时候C++的语法可使程序更简洁,如运算符重载、隐式转换。但另一方面,C语言的API通常比C++简洁,能较容易供其他语言程序调用。因此,一些C++库会提供C的API封装,同时也可供C程序调用。相反,有时候也会把C的API封装成C++形式,以支持RAII和其他C++库整合等。

为何C++性能可优于其他语言?

相对运行于虚拟机语言(如C#/Java),C/C++直接以静态形式把源程序编译为目标平台的机器码。一般而言,C/C++程序在编译及链接时可进行的优化最丰富,启动时的速度最快,运行时的额外内存开销最少。而C/C++相对动态语言(如Python/Lua)也减少了运行时的动态类型检测。此外,C/C++的运行行为是确定的,且不会有额外行为(例如C#/Java必然会初始化变量),也不会有如垃圾收集(GC)而造成的不确定性延迟,而且C/C++的数据结构在内存中的布局也是确定的。有时C++的一些功能会使程序性能优于C,当中以内联和模版最为突出,这两项功能使C++标准库的sort()通常比C标准库的qsort()快多倍(C可用宏或人手编码去解决此问题)。另一方面,C/C++能直接映射机器码,之间没有另一层中间语言,因此可以做底层优化,例如使用内部(intrinsic)函数和嵌入汇编语言。然而,许多C++的性能优点并非免费午餐,代价包括较长的编译链接时间和较易出错,因而增加开发时间和成本,这点稍后补充。

我进行了一个简单全局渲染性能测试(512x512像素,每像素10000个采样),C++ 1小时36分、Java 3小时18分、Python约18天、Ruby约351天。评测方式和其他语言的结果详见博文

C++常见问题

C++源代码跨平台吗?

C++有不错的跨平台能力,但由于直接映射硬件,因性能优化的关系,跨平台能力不及Java及多数脚本语言。然而,实践跨平台的C++软件还是可行的,但须注意以下问题:

  • C++标准没有规定原始数据类型(如int)的大小,需要特定大小的类型时,可自订类型(如int32_t),同时对任何类型使用sizeof()而不假设其大小;
  • 字节序(byte order)按CPU有所不同,特别要注意二进制输入输出、reinterpret_cast法;
  • 原始数据和结构类型的地址对齐有差异;
  • 编译器提供的一些编译器或平台专用扩充指令;
  • 避免作应用二进制接口(application binary interface, ABI)的假设,例如调用函数时参数的取值顺序在C/C++中没定义,在C++中也不可随便假设RTTI/虚表等实现方式。

总括而言,跨平台C++软件可在头文件中用宏检测编译器和平台,再用宏、typedef、自定平台相关实现等方法去实践跨平台,C++标准不会提供这类帮助。

C++程序容易崩溃?

和许多语言相比,C/C++提供不安全的功能以最优化性能,有可能造成崩溃。但要注意,很多运行时错误,如向空指针/引用解引用、数组越界、堆栈溢出等,其他语言也会报错或抛出异常,这些都是程序问题,而不是语言本身的问题。有些意见认为,出现这类运行时错误,应该尽量写入日志并立即崩溃,不该让程序继续运行,以免造成更大的影响(例如程序继续把内存中错误的数据覆写文件)。若要容错,可按业务把程序分割为多进程,像Chrome或使用fork()的形式。然而,C++有许多机制可以减少错误,例如以string代替C字符串;以vectorarray(TR1)代替原始数组(有些实现可在调试模式检测越界);使用智能指针也能减少一些原始指针的问题。另外,我最常遇到的Bug,就是没有初始化成员变量,有时会导致崩溃,而且调试版和发行版的行为可能不同。

C++要手动做内存管理?

C++同时提供在堆栈上的自动局部变量,以及从自由存储(free store)分配的对象。对于后者,程序员需手动释放,或使用不同的容器和智能指针。 C++程序员经常进一步优化内存,自定义内存分配策略以提升效能,例如使用对象池、自定义的单向/双向堆栈区等。虽然C++0x还没加入GC功能,但也可以自行编写或使用现成库。此外,C/C++也可以直接使用操作系统提供的内存相关功能,例如内存映射文件、共享内存等。

使用C++常要重造轮子?

我曾参与的C++项目,都会重造不少标准库已提供的功能,此情况在其他语言中较少出现。我试图分析个中原因。首先,C++标准库相对很多语言来说是贫乏的,各开发者便会重复地制造自订库。从另一个角度看,C++标准库是用C++编写的(很多其他语言不用自身而是用C/C++去编写库),在能力和性能上,自订库和标准库并无本质差别;另外,标准库为通用而设,对不同平台及多种使用需求作取舍,性能上有所影响,例如EA公司就曾发表自制的EASTL规格,描述游戏开发方面对STL的性能及功能需求的特点;此外,多个C++库一起使用,经常会因规范不同而引起冲突,又或功能重叠,所以项目可能须自行开发,或引入其他库的概念或实现(如Boost/TR1/Loki),改写以符合项目规范。

C++编译速度很慢?

错,是非常慢。我认为C++可能是实用程序语言中编译速度最慢的。此问题涉及C++沿用C的编译链接方式,又加入了复杂的类/泛型声明和内联机制,使编译时间倍增。在C++对编译方法改革之前(如module提案),可使用以下技巧改善:第一,使用pimpl手法,因性能损耗应用于调用次数不多的类;第二,仅包含必要头文件,并尽量使用及提供前置声明版本的头文件(如iosfwd);第三采用基于接口的设计,但须注意虚函数调用成本;第四,采用unity build,即把多个cpp文件结合在一个编译单元进行编译;第五,采用分布式生成系统如IncrediBuild

C++缺乏什么功能?

虽然C++已经非常复杂,但仍缺少很多常见功能。 C++0x作出了不少改善,例如语言方面加入Lambda函数、闭包、类型推导声明等,而库方面则加入正则表达式、采用哈希表的unordered_set/unordered_map、引用计数智能指针shared_ptr/weak_ptr等。但最值得留意的是C++0x引入多线程的语法和库功能,这是C++演进的一大步。然而,模组、GC、反射机制等功能虽有提案,却未加进C++0x。

C++使用建议

为应用挑选特性集

我同意Stroustrup关于使用C++各种技术的回应:“你可以做,不意味着你必须这么做。(Just because you can do it, doesn't mean that you have to.)” C++充满丰富的特性,但同时带来不同问题,例如过分复杂、编译及运行性能的损耗。一般可考虑是否使用多重继承、异常、RTTI,并调节使用模版及模版元编程的程度。使用过分复杂的设计和功能,可能会令部分团队成员更难理解和维护。

为团队建立编程规范

C++的编码自由度很高,容易编写风格迥异的代码,C++本身也没有定义一些标准规范。而且,C++的源文件物理构成,较许多语言复杂。因此,除了决定特性集,每个团队应建立一套编程规范,包括源文件格式(可使用文件模版)、花括号风格。

尽量使用C++风格而非C风格

由于C++有对C兼容的包袱,一些功能可以使用C风格实现,但最好使用C++提供的新功能。最基本的是尽量以具名常量、内联函数和泛型取代宏,只把宏用在条件式编译及特殊情况。旧式的C要求局部变量声明在作用域开端,C++则无此限制,应把变量声明尽量置于邻近其使用的地方,for()的循环变量声明可置于for的括号内。 C++中能加强类型安全的功能应尽量使用,例如避免“万能”指针void *,而使用个别或泛型类型;用bool而非int表示布尔值;选用4种C++ cast关键字代替简单的强制转换。

结合其他语言

如前文所述,C++并非适合所有应用情境,有时可以混合其他语言使用,包括用C++扩展其他语言,或在C++程序中嵌入脚本语言引擎。对于后者,除了使用各种脚本语言的专门API,还可使用BoostSWIG作整合。

C++学习建议

C++缺点之一,是相对许多语言复杂,而且难学难精。许多人说学习C语言只需一本K&R《C程序设计语言》即可,但C++书籍却是多不胜数。我是从C进入C++,皆是靠阅读自学。在此分享一点学习心得。个人认为,学习C++可分为4个层次:

由于我主要是应用C++,大约只停留于第二、三个层次。然而,C++只是软件开发的一环而已,单凭语言并不能应付业务和工程上的问题。建议读者不要强求几年内“彻底学会C++的知识”,到达第二层左右便从工作实战中汲取经验,有兴趣才慢慢继续学习更高层次的知识。虽然学习C++有难度,但也是相当有趣且有满足感的。

数十年来,C++虽有起伏,但她依靠其使用者而不断得到顽强的生命力,相信在我退休之前都不会与她分离,也希望更进一步了解她,与她走进未来。


本文原于《程序员》2010年8月刊揭载。