C++
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編程範型 | 多範式:物件導向程式設計,過程化程式設計,泛型程式設計 |
---|---|
設計者 | 比雅尼·史特勞斯特魯普 |
實作者 | ISO/IEC JTC 1 /SC 22 /WG 21 |
面市時間 | 1983年 |
目前版本 |
|
型態系統 | 靜態型別,強型別,不安全 |
實作語言 | C++、C 等 |
副檔名 | .C .cc .cpp .cxx .c++(原始檔) .h .hh .hpp .hxx .h++(標頭檔) |
網站 | isocpp |
主要實作產品 | |
Embarcadero C++Builder, GCC, Intel C++ Compiler, Microsoft Visual C++, LLVM Clang | |
衍生副語言 | |
ISO/IEC 14882:1998, ISO/IEC 14882:2003, ISO/IEC 14882:2011, ISO/IEC 14882:2014, ISO/IEC 14882:2017 | |
啟發語言 | |
Ada 83, ALGOL 68, C, CLU, ML, Simula | |
影響語言 | |
Ada 95, Aikido, C99, C#, Clojure, D, Dao, Falcon, Java, Lua, Perl, PHP, Rust |
C++是一種被廣泛使用的電腦程式設計語言。它是一種通用程式設計語言,支援多重程式設計範式,例如過程化程式設計、物件導向程式設計、泛型程式設計和函數式程式設計等。
比雅尼·斯特勞斯特魯普博士在貝爾實驗室工作期間在20世紀80年代發明並實現了C++。起初,這種語言被稱作「C with Classes」(「包含『類』的C語言」),作為C語言的增強版出現。隨後,C++不斷增加新特性。虛擬函式、運算子多載、多繼承、標準模板庫、例外處理、執行時型別資訊、命名空間等概念逐漸納入標準草案。1998年,國際標準組織頒布了C++程式設計語言的第一個國際標準ISO/IEC 14882:1998,目前最新標準為ISO/IEC 14882:2020。ISO/IEC 14882通稱ISO C++。ISO C++包含了主要包含了核心語言和標準庫的規則。儘管從核心語言到標準庫都有顯著不同,ISO C++直接正式(normative)參照了ISO/IEC 9899(通稱ISO C),且ISO C++標準庫的一部分和ISO C的標準庫的API完全相同,另有很小一部分和C標準庫略有差異(例如,strcat
等函式提供對const
型別的多載)。這使得C和C++的標準庫實現常常被一併提供,在核心語言規則很大一部分相容的情況下,進一步確保使用者通常較容易把符合ISO C的源程式不經修改或經極少修改直接作為C++源程式使用,也是C++語言繼C語言之後流行的一個重要原因。
作為廣泛被使用的工業語言,C++存在多個流行的成熟實現:GCC、基於LLVM的Clang以及Visual C++等。這些實現同時也是成熟的C語言實現,但對C語言的支援程度不一(例如,VC++對ANSI C89之後的標準支援較不完善)。大多數流行的實現包含了編譯器和C++部分標準庫的實現。編譯器直接提供核心語言規則的實現,而庫提供ISO C++標準庫的實現。這些實現中,庫可能同時包含和ISO C標準庫的共享實現(如VC++的msvcrt);而另一些實現的ISO C標準庫則是單獨於編譯器專案之外提供的,如glibc和musl。C++標準庫的實現也可能支援多種編譯器,如GCC的libstdc++庫支援GCC的g++和LLVM Clang的clang++。這些不同的豐富組合使市面上的C++環境具有許多細節上的實現差異,因而遵循ISO C++這樣的權威標準對維持可移植性顯得更加重要。現今討論的C++語言,除非另行指明,通常均指ISO C++規則定義的C++語言(雖然因為實現的差異,可能不一定是最新的正式版本)。
值得注意,和流行的誤解不同,ISO C和ISO C++都從未明確要求源程式被編譯(compile),而僅要求翻譯(translate),因此C和C++並不是所謂的編譯型語言[來源請求]。技術上,實現C和C++程式的單位是翻譯單元(translation unit)。作為對比,Java語言規範中就明確要求Java程式被編譯實現,明確存在編譯單元(compilation unit)。實際上C和C++也存在REPL形式的直譯器實現,如CINT和Cling。但因為傳統上C和C++多以編譯器實現,習慣上仍有一些混用,甚至至今仍出現在ISO C++某節標準庫條款的標題 (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)上。
傳統上,C++語言被視為和C語言實現效能相近的語言,強調執行時的高效。根據《C++編程思想》(Thinking in C++)一書,C++與C的代碼執行效率往往相差在±5%之間[2]。
發展歷史
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/da/BjarneStroustrup.jpg/220px-BjarneStroustrup.jpg)
C++語言發展大概可以分為三個階段:第一階段從80年代到1995年。這一階段C++語言基本上是傳統類型上的物件導向語言,並且憑藉著接近C語言的效率,在工業界使用的開發語言中佔據了相當大份額;第二階段從1995年到2000年,這一階段由於標準模板庫和後來的Boost等程式庫的出現,泛型程式設計在C++中佔據了越來越多的比重。當然,同時由於Java、C#等語言的出現和硬體價格的大規模下降,C++受到了一定的衝擊;第三階段從2000年至今,由於以Loki、MPL(Boost)等程式庫為代表的產生式程式設計和模板元程式設計的出現,C++出現了發展歷史上又一個新的高峰,這些新技術的出現以及和原有技術的融合,使C++已經成為當今主流程式設計語言中最複雜的一員。
比雅尼·史特勞斯特魯普工作起於1979年的C with Classes。這個構思起源於史特勞斯特魯普做博士論文時的一些程式撰寫經驗。他發現Simula具備很利於大型軟體開發的特點,但Simula的執行速度太慢,無法對現實需求發揮功效;BCPL雖快得多,但它過於低階的特性,使其不適於大型軟體的開發。當史特勞斯特魯普開始在貝爾實驗室工作時,他有分析UNIX核心關於分散式計算的問題。回想起他的博士論文經驗,史特勞斯特魯普開始為C語言增強一些類似Simula的特點[3]。之所以選擇C,是因為它適於各種用途、快速和可移植性。除了C語言和Simula之外,同時也從其它語言中取得靈感,如ALGOL 68、Ada、CLU以及ML。
剛開始時,類別、衍生類別、儲存類型檢查、內聯和預設參數特性,都是透過Cfront引入C語言之中[4]。
1983年,C with Classes改命名為C++(++
是C語言中的增值運算子)。加入了新的特性,其中包括虛擬函式、函式名和運算子多載、參考、常數、使用者可控制的自由空間儲存區控制、改良的型別檢查,並恢復了BCPL風格的雙斜線(//
)單行注釋(之後C99也支援了這種注釋)。
1985年,發佈第一版《C++程式設計語言》,提供一個重點的語言參考,至此還不是官方標準[5]。1985年10月出現了第一個商業化發佈。
1989年,發佈了Release 2.0。引入了多重繼承、抽象類別、靜態成員函式、常數成員函式,以及成員保護。1990年,出版了The Annotated C++ Reference Manual。這本書後來成為標準化的基礎。稍後還引入了模板、例外處理、命名空間、新的強制型別轉換,以及布林型別。
隨著C++語言的演變,也逐漸演化出相應的標準程式庫。最先加進C++標準函式庫的是串流I/O程式庫,其用以取代傳統的C函式,如printf和scanf。隨後所引入的程式庫中最重要的便是標準模板庫,簡稱STL。
多年後,一個聯合的ANSI-ISO委員會於1998年對C++標準化(ISO/IEC 14882:1998)。在官方釋出1998標準的若干年後,委員會處理缺陷報告,並於2003年發佈一個C++標準的修正版本。2005年,一份名為Library Technical Report 1(簡稱TR1)的技術報告釋出。雖然還不是官方標準的一部分,不過它所提供的幾個擴展可望成為下一版C++標準的一部分。幾乎所有目前仍在維護的C++編譯器皆已支援TR1。
目前最新的C++標準是2020年12月發布的ISO/IEC 14882:2020[6],又稱C++20。
雖然C++本身無專利,但標準檔案本身並不是免費的,儘管標準文件不是免費的,但是很容易從網路中取得,最簡單的就是C++標準文件之前的最後一次草稿版本,它與標準的差別幾乎只在於排版上。
C++名字的由來
[編輯]C++這個名字是Rick Mascitti於1983年中所建議的,並於1983年12月首次使用。更早以前,尚在研究階段的發展中語言曾被稱為「new C」,之後是「C with Classes」。在電腦科學中,C++仍被稱為C語言的上層結構。它最後得名於C語言中的「++」運算子(其對變數的值進行遞增)。而且在共同的命名約定中,使用「+」以表示增強的程式。史特勞斯特魯普說:「這個名字象徵著源自於C語言變化的自然演進」。C+是一個和C/C++無關的早期程式語言。
Rick Mascitti在1992年被非正式地問起名字的由來,他表示這是在半開玩笑中說出的。他從沒想過C++會成為這門語言的正式名字。
有一個關於C++名字的笑話是,當你使用後綴++時,附加只發生在運算之後(因此,它應該是++C,而不是C++,這個笑話是說時下某些程式設計師還在以使用C的方式使用C++,這通常被一些權威著作認為是不正確的)。
C++標準
[編輯]由ISO/IEC JTC1/SC22/WG21進行。已經出版的標準文件如下:
發布時間 | 文件 | 通稱 | 備註 |
---|---|---|---|
2023 | N4950(草稿,發布於2023-05-10)[7] | C++23 | |
2020 | ISO/IEC 14882:2020[6] | C++20 | |
2018 | ISO/IEC TS 21544:2018[8] | modules TS | 模組 |
2018 | ISO/IEC TS 19570:2018[9] | parallelism TS | 並列擴充 |
2018 | ISO/IEC TS 19216:2018[10] | networking TS | 網路庫 |
2017 | ISO/IEC 14882:2017[11] | C++17 | 第五個C++標準 |
2017 | ISO/IEC TS 22277:2017[12] | coroutines TS | 協程庫擴充 |
2017 | ISO/IEC TS 21425:2017[13] | ranges TS | 提供範圍機制 |
2017 | ISO/IEC TS 19568:2017[14] | library fundamentals TS | 標準庫擴充 |
2016 | ISO/IEC TS 19571:2016[15] | concurrency TS | 用於並行計算的擴充 |
2015 | ISO/IEC TS 19217:2015[16] | concepts TS | 概念庫,用於最佳化編譯期資訊 |
2015 | ISO/IEC TS 19841:2015[17] | TM TS | 事務性主記憶體操作 |
2015 | ISO/IEC TS 19570:2015[18] | parallelism TS | 用於平行計算的擴充 |
2015 | ISO/IEC TS 18822:2015[19] | filesystem TS | 檔案系統 |
2014 | ISO/IEC 14882:2014[20] | C++14 | 第四個C++標準 |
2011 | ISO/IEC TR 24733:2011[21] | - | 十進制浮點數擴充 |
2011 | ISO/IEC 14882:2011[22] | C++11 | 第三個C++標準 |
2010 | ISO/IEC TR 29124:2010[23] | - | 數學函式擴充 |
2007 | ISO/IEC TR 19768:2007[24] | C++TR1 | C++技術報告:庫擴充 |
2006 | ISO/IEC TR 18015:2006[25] | - | C++效能技術報告 |
2003 | ISO/IEC 14882:2003[26] | C++03 | 第二個C++標準 |
1998 | ISO/IEC 14882:1998[27] | C++98 | 第一個C++標準 |
設計原則
[編輯]在《C++語言的設計和演化》(1994)中,Bjarne Stroustrup描述了他在設計C++時,所使用的一些原則。知道這些原則有助於理解C++為何會是現在這個樣子。以下總結了一些原則,詳盡的內容可參閱《C++語言的設計和演化》:
- C++設計成直接的和廣泛的支援多種程式設計風格(過程化程式設計、資料抽象化、物件導向程式設計、泛型程式設計)。
- C++設計成給程式設計者更多的選擇,即使可能導致程式設計者選擇錯誤。
- C++設計成儘可能與C相容,藉此提供一個從C到C++的平滑過渡。
- C++避免平台限定或沒有普遍用途的特性。
- C++不使用會帶來額外開銷的特性。
- C++設計成無需複雜的程式設計環境。
標準程式庫
[編輯]1998的C++標準分為兩個部分:核心語言和C++標準程式庫;後者包含了大部分標準模板庫和C標準程式庫的稍加修改版本。存在許多不屬於標準部分的C++程式庫,且使用外部連結,程式庫甚至可以用C撰寫。
C++標準程式庫充分吸收了C標準程式庫,並佐以少許的修改,使其與C++良好的運作。另一個大型的程式庫部分,是以標準模板庫(STL)為基礎,STL於1994年2月正式成為ANSI/ISO C++。它提供了實用的工具,如容器類(如:Array和Vector),迭代器(廣義指標)提供容器以類似陣列的存取方式,以及泛型演算法進行搜尋和排序的運算。此外還提供了(multi)map和(multi)set,它們都共享相似的成員函式。因此,以下成為可能,使用模板撰寫泛型演算法,它可以和任何容器或在任何以迭代器定義的序列上運作。如同C,使用#include
指令包含標準表頭,即可存取程式庫裡的功能。C++提供69個標準表頭,其中19個不再贊成使用。
使用標準模板庫(例如:使用std::vector
或std::string
來取代C風格的陣列或字元陣列)有助於開發更安全和更靈活的軟體。
在STL在納入C++標準以前,是來自HP和後來的SGI的第三方程式庫,標準中並未稱之為「STL」,它只是標準庫中的一部分,但仍有許多人使用這個名稱,以別於其它的標準庫(輸入/輸出串流、國際化、診斷、C程式庫子集,等等)。
另外,如std::basic_string
此類標準委員會添加的介面,有時也被誤認為STL;實際上它們並不存在於原始的SGI STL中,在標準化後SGI STL才從標準庫吸收加入其中。
C++中的特色
[編輯]和C語言相比,C++引入了更多的特性,包括:複合型別(參照類型等)、const限定符和constexpr常數表達式、型別處理運算子(型別別名及auto和decltype等多種型別指示符)、C++標準庫(IO庫與多種容器類)與迭代器、動態主記憶體與智慧型指標、函式重載、物件導向程式設計(如資料抽象化、成員函式、類作用域、建構函式與解構函式、靜態成員、訪問控制與繼承、虛擬函式、抽象類與介面等)、拷貝控制、運算子多載、造型與函式風格的強制型別轉換、模板與泛型程式設計,以及異常處理、命名空間、多繼承與虛繼承、執行時型別辨識及巢狀類等。
C++在某些案例中(見下「與C不相容之處」),進行比C還要多的類型檢查。
以「//
」起始作為註解起源自C的前身BCPL,而後被重新引入到C++。
C++的一些特性,C不久之後也採用了,包括在for迴圈的括號中聲明,C++風格的註解(使用//
符號,和inline
,雖然C99定義的inline
關鍵字與C++的定義不相容。不過,C99也引入了不存在於C++的特性,如:可變參數巨集,和以陣列作為參數的較佳處理;某些C++編譯器可能實作若干特性,以作為擴展,但其餘部分並不符合現存的C++特性)
一個常見的混淆其實只是一個微妙的術語問題:由於它的演化來自C,在C++中的術語對象和C語言一樣是意味著記憶體區域,而不是類別的實體,在其它絕大多數的物件導向語言也是如此。舉例來說,在C和C++中,語句int i;
定義一個int
型別的物件,這就是變數的值i
將在指派時,所存入的記憶體區域。
C++語言中的const關鍵字
[編輯]const
是一個C和C++語言的關鍵字,意思是聲明一個不能改變值的變數,即唯讀。使用const
在一定程度上可以提高程式的安全性和可靠性,也便於實現對此進行最佳化(如把唯讀對象放入ROM中)。const
作為型別限定符,是型別的一部分。
C++不是第一個正式引入const
型別的語言。80年代早期,Bjarne Stroustrup和Dennis Retchie討論之後提供了在C語言中readonly
/writeonly
的實現機制,並在帶類的C中取得了一定經驗。關鍵字const
正式引入C語言是在ANSI C89。這早於第一個C++國際標準近十年,但此時const
已被C++實現普遍採用。
以下是和C語言相容的用法:
int m = 1, n = 2; // int 类型的对象
const int a = 3; // const int 类型的对象
int const b = 4; //同上
const int *p //指向 const int 类型对象的指针
int const *q; //同上
int *const x; //指向 int 类型对象的 const 指针;注意 const 的位置
const int *const r; //指向 const int 类型对象的 const 指针
int const *const t; //同上
但是,const
在C++中有更強大的特性。它允許在編譯時確定作為真正的常數表達式。例如,
const int max_len = 42;
int a[max_len];
此前C語言並不支援這樣的用法,直到C99允許用變數作為陣列長度(需要注意的是C99中的VLA支援執行期確定陣列長度,但C++從未支援)。此外,C++中,命名空間作用域的const對象的名稱隱含內部連結。這意味著直接在標頭檔里定義const對象被多個原始檔包含時,也不會重定義。
在C++11及之後的C++標準中,推薦使用擁有更嚴格語意的constexpr
限定符來表示一個可以出現在常數表達式中的變數。const可區分為頂層const(top-level const)和底層const(low-level const)。
實際上,在語意表達方面,const
更多表示為「唯讀」,constexpr
才表示一定能在翻譯時確定的常數,但實際求值仍可能在執行時進行(只有像作為聲明陣列大小這樣確定要求常數表達式的上下文中,才會因為需要確保翻譯時必須確定所需的值而進行翻譯時求值)。C++20引入了更嚴格的consteval
和constinit
的語法,直接限定特定的求值必須在翻譯時完成。不過,和const
不同,後三者修飾聲明但不是型別限定符,不參與型別聲明構成複合型別,不通過型別檢查實現所謂的const正確性(const correctness),也不影響利用這些特性的相關API的型別簽章。
一些參照C和C++設計的語言中,也存在類似的差異。例如,C#同時具有readonly
和const
關鍵字,前者接近原始的「唯讀」(即最先被討論的readonly機制和C語言中的const
),而後者更接近C++的const
。
與C不相容之處
[編輯]C++有時被認為是C的超集(superset),但這並不嚴謹。
各個版本的ISO/IEC 14882的附錄C中都指出了C++和ISO C的一些不相容之處。
大部分的C代碼可以很輕易的在C++中正確編譯,但仍有少數差異,導致某些有效的C代碼在C++中失效,或者在C++中有不同的行為。
最常見的差異之一是,C允許從void*
隱式轉換到其它的指標型別,但C++不允許。下列是有效的C代碼:
// 从void *隐式转换为int *
int *i = malloc(sizeof(int) * 5);
但要使其在C和C++兩者皆能運作,就需要使用顯式轉換:
int *i = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);
另一個常見的可移植問題是,C++定義了很多的新關鍵字,如new
和class
,它們在C程式中,是可以作為識別字(例:變數名)的。
C99去除了一些不相容之處,也新增了一些C++的特性,如//
注釋,以及在代碼中混合使用。不過C99也納入幾個和C++衝突的新特性(如:可變長陣列、原生複數型別和複合逐字常數),而C++11已經加入了相容C99預處理器的特性。
由於C++函式和C函式通常具有不同的名字修飾和呼叫約定,所有在C++中呼叫的C函式,須放在extern "C" { /* C函数声明 */ }
之內。
C++的Hello World程式
[編輯]下面這個程式顯示「Hello, world!」然後結束執行:
// #include <iostream> // C++20 前
// import <iostream>; // C++23 前
import std; // C++23 起
int main() {
// std::cout << "Hello, world!" << std::endl; // C++23 前
std::println("Hello, world!"); // C++23 起
return 0;
}
這裡也可以使用using指令以避免多次聲明std::——
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
cout << "Hello, world!" << endl;
return 0;
}
如果使用「\n」代替以上代碼裡的「endl」,輸出結果相等。
std::cout << "Hello, world!\n";
std::endl 不僅僅會在某個輸出流中插入換行字元,還將執行輸出流的 flush() 函式(即重新整理緩衝區),而'\n'則不會。
根據ISO C++的規定,全域main函式必須返回int。
以下兩種形式是合法的:
int main() {
// ...
}
int main(int argc, char *argv[]) {
// ...
}
不過,在一些編譯器(例如Visual C++)上,
void main() {
// ...
}
也是合法的。但是這樣的寫法相容性較差。
語言特性
[編輯]運算子
[編輯]分為
優先權 | 運算子 | 說明 | 結合性 |
---|---|---|---|
1 | () | 括號 | 由左至右 |
2 | !、-、++、-- | 邏輯運算子NOT、算術運算子負號、遞增、遞減 | 由右至左 |
3 | *、/、% | 算術運算子的乘法、除法、餘數 | 由左至右 |
4 | +、- | 算術運算子加法、減法 | 由左至右 |
5 | <<、>>、>>> | 位元運算子左移、右移、無符號右移 | 由左至右 |
6 | >、>=、<、<= | 關係運算子大於、大於等於、小於、小於等於 | 由左至右 |
7 | ==、!= | 關係運算子等於、不等於 | 由左至右 |
8 | & | 位元運算子AND | 由左至右 |
9 | ^ | 位元運算子XOR | 由左至右 |
10 | | | 位元運算子OR | 由左至右 |
11 | && | 邏輯運算子AND | 由左至右 |
12 | || | 邏輯運算子OR | 由左至右 |
13 | ?: | 條件控制運算子 | 由右至左 |
14 | =、op= | 指定運算子 | 由右至左 |
預處理器
[編輯]C++主要有三個編譯階段:預處理、轉譯成目的碼和連結(最後的兩個階段一般才視為真正的「編譯」)。在第一階段,預處理,會將預處理器指令替換成原始碼,然後送到下一個編譯階段。
預處理器指令和巨集
[編輯]預處理指令的運作方式是根據使用者定義的規則,簡單的把記號字元序列置換成其它的記號字元序列。它們進行巨集置換、含入其它的檔案(由底層至高階的特性,例如包含模組/包/單元/元件)、條件式編譯和條件式含入。例如:
#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751
原始代碼中出現的PI
,都將會替換為3.1415926535897932384626433832795028841971693993751
。另一個普遍的例子是
#include <iostream>
它將使用標準庫標頭檔iostream
中的所有內容來替換本條預處理指令。除了以上提到的常用指令以外,還有幾個額外的預處理器指令,可以用來控制編譯流程、條件式含入或排除代碼區塊等等。
模板
[編輯]模板(Template)指C++程式語言中的函式模板(function template)與類別模板(class template),這種觀念是取材自Simula的泛型程式設計。它採用typename和class兩個關鍵字,來標識模板類別的型別參數。C++11和C++14分別引入了型別別名模板和變數模板。
類別與對象
[編輯]在物件導向物件程式設計術語中,物件(object)是資料(data)和處理資料的指令(instructions)的聯合(association)。類比(simulate)實際世界(real-world),物件有三種特質(characteristics):狀態(State)、行為(Behavior)、同一性身分,並且使用訊息(message)來引發彼此的互動。類別(class)為物件的藍圖或工廠,定義了物件的抽象特質,包括物件的屬性特質和物件的行為特質,屬性的值即是物件的狀態,行為即是物件能夠做的事。
C++為類別構成式物件導向程式設計語言(class-based object-oriented programming language),類別概念具現化(reification)地作為二等公民(second-class citizen)出現在C++語言當中,在語法中明確地使用類別來做到資料抽象化、封裝、模組化、繼承、子型別多型、物件狀態的自動初始化。C++中,一個類別即為一個型別,加上封裝,一個類別即為一個抽象資料型別(Abstract Data Type,ADT),繼承、多型、模板都加強了類別的可抽象性。在C++可以使用class或struct這兩個關鍵字宣告類別(class),而使用new運算子實體化類別產生的實體(instance)即為物件,是一等公民。C/C++以資料成員(data member)表達屬性,以成員函式(member function)表達行為。
聲明一個Car class:
class Car {
private:
int isRunning;
public:
Run();
};
但是仍然需要注意,嚴格來說,C++中對象的概念和C的對應概念接近,表示的是具有特定型別的儲存,而非物件導向意義上的「對象」:一個對象不一定是類型別的。此外,C++意義上的「實例」僅指模板實例化的結果,而並不指對象。作為對比,Java的「對象」和「實例」的概念和這裡的使用一致。
封裝
[編輯]封裝(Encapsulation)是將資料和處理資料的程式(procedure)組合起來,僅對外公開介面(interface),達到資訊隱藏(information hiding)的功能。封裝的優點是能減少耦合(Coupling)。C++、Java、C# 等語言定義對象都是在語法中明確地使用類別(Class)來做到封裝。
C++的類別對其成員(包括資料成員、函式成員)分為三種封裝狀態:
- 公有(public):類別的使用者可以訪問、使用該類別的此種成員。
- 保護(protected):該類別的衍生類別可以訪問、使用該類別的此成員。外部程式碼不可以訪問、使用這種成員。
- 私有(private):只有類別自身的成員函式可以訪問、使用該類別的此成員。
一般可以將C++類的對外介面設定為公有成員;類內部使用的資料、函式設定為私有成員;供衍生自該類別的子類別使用的資料、函式設定為保護成員。
繼承
[編輯]繼承(Inheritance)是指衍生類別(subclass)繼承基礎類別(superclass),會自動取得超類別除私有特質外的全部特質,同一類別的所有實體都會自動有該類別的全部特質,做到程式碼再用(reuse)。C++只支援類別構成式繼承,雖然同一類別的所有實體都有該類別的全部特質,但是實體能夠共享的實體成員只限成員函式,類別的任何實體資料成員乃每個實體獨立一份,因此物件間並不能共享狀態,除非特質為參考型別的屬性,或使用指標來間接共享。C++支援的繼承關係為:
- 公有繼承(public inheritance):最常用繼承關係,含義是「is-a」關係,代表了在完全使用公有繼承的物件類別之間的層次關係(hierarchy)。
- 受保護繼承(protected inheritance):基礎類別的公有或保護內容可以被衍生類別,以及由此衍生的其他類別使用。但是基礎類別對外界使用者是不可見的。衍生類別的使用者不能訪問基礎類別的成員、不能把衍生類別轉換(造型)為基礎類別的指標或參照。
- 私有繼承(private inheritance):基礎類別的公有或保護內容僅可以被衍生類別訪問。但基礎類別對衍生類別的子類別或衍生類別的使用者都是不可見的。衍生類別的子類別或衍生類別的使用者都不能訪問基礎類別的內容、不能把衍生類別轉換為基礎類別的指標或參照。
C++支援多繼承(multiple inheritance,MI)。多繼承(multiple inheritance,MI)的優缺點一直廣為使用者所爭議,許多語言(如Java)並不支援多重繼承,而改以單一繼承和介面繼承(interface inheritance),而另一些語言則採用用單一繼承和混入(mixin)。C++通過虛繼承(Virtual Inheritance)來解決多繼承帶來的一系列問題。
多型
[編輯]Polymorphism
Ad Hoc Universal Overloading Coercion Inclusion Parametric |
除了封裝與繼承外,C++還提供了多型功能,物件導向的精神在於多型(Polymorphism),一般的多型,是指動態多型,係使用繼承和動態繫結(Dynamic Binding)實現,使用多型可建立起繼承體系(Inheritance hierarchy)。類(class)與繼承只是達成多型中的一種手段,所以稱物件導向而非類別導向。
多型又分成靜態多型(Static Polymorphism)與動態多型(Dynamic Polymorphism)。C++語言支援的動態多型必須結合繼承和動態繫結(Dynamic Binding)方式實現。靜態多型是指編譯時決定的多型,包括多載和以模板(template)實現多型的方法即參數化型態(Parameterized Types),是使用巨集(macro)的「程式碼膨脹法」達到多型效果。
型別轉換(type cast)也是一種非參數化(ad hoc)多型的概念,C++提供dynamic_cast, static_cast等運算子來實作強制型別轉換(Coercion)。
運算元重載(operator overloading)或函式重載(function overloading)也算是多型的概念。
分析和處理C++原始代碼
[編輯]C/Java/C#都可以用某種 LR剖析器(或其變形)分析文法[來源請求],但C++是個著名的例外:請看下面的代碼。
#include <vector>
#include <string>
std::vector< std::vector<std::string> >table1;
std::vector<std::vector<std::string>>table2;
上面的table1顯然是一個字串的二維陣列,而table2則未必能通過編譯:如果嚴格遵循LR分析過程,串 >> 會被解釋為右移運算子而非兩個代表模板參數列結束的右尖括號,因此出現編譯錯誤,必須以table1的方式用空格區分。(在C++11發布之後,特別規定了當處理模板時,>>被優先視為兩個>[28],所以table1和table2均可通過編譯.)
爭議
[編輯]「在這12年裡,C++使用者人數大約每七個月半增加一倍」是許多C++相關檔案必引的一段話;然而,時至今日新語言層出不窮,使用者人數已不太可能以如此速度增長。分析機構EvansData定期對開發人員展開調查,其資料顯示,以C++為工具的開發人員在整個開發界所佔的比例由1998年春天的76%下降至2004年秋的46%。
一部分Unix/C程式設計師對C++語言深惡痛絕,他們批評的理由如下:
- STL以非常醜陋的方式封裝了各種資料結構和演算法,寫出來的代碼難以理解、不美觀。
- C++編譯器複雜和不可靠,不適合構建人命關天類型的程式。
- Ian Joyner認為物件導向技術徒增學習成本,不如程序導向的C語言簡單容易使用,尤其是在系統軟體的構建上[29]。
概括說來UNIX程式設計師批評C++主要是由於UNIX社群與C++社群的文化差異[30]。
Linux之父林納斯·托瓦茲曾經多次炮轟C++。圖靈獎得主尼克勞斯·維爾特也曾經批評C++語言太複雜、語法語意模糊,是「拙劣工程學」的成果。
事實上,對於C++語言的批評並不只來源於Unix/Unix-Like系統下的程式設計師。就像C++語言本身是一個跨平台的語言一樣,對C++的批評並不局限於Unix/Unix-Like系統使用者。
參閱
[編輯]- 《C++程式語言》(The C++ Programming Language)
- 比較Java和C++
- C++代管擴展
- C++/CLI
- Boost C++ Libraries
- Objective-C ,另一個以C語言添加物件導向設計的程式語言
參考文獻
[編輯]- ^ ISO/IEC 14882:2020 Programming languages — C++. 2020年12月.
- ^ Stroustrup, Bjarne. Bjarne Stroustrup's FAQ: When was C++ invented?. stroustrup.com. 2010-03-07 [2010-09-16]. (原始內容存檔於2016-02-06).
- ^ Stroustrup, Bjarne. Evolving a language in and for the real world: C++ 1991-2006 (PDF). [2019-01-19]. (原始內容存檔 (PDF)於2007-11-20).
- ^ Stroustrup, Bjarne. A History of C ++ : 1979− 1991 (PDF). [2019-01-19]. (原始內容存檔 (PDF)於2019-02-02).
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- ^ Working Draft, Standard for Programming Language C++ (PDF). 2023-05-10 [2023-07-22]. (原始內容存檔 (PDF)於2023-10-10).
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- ^ ISO/IEC TS 22277:2017. [2017-12-09]. (原始內容存檔於2017-12-09).
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- ^ ISO/IEC TS 19568:2017. [2017-10-28]. (原始內容存檔於2017-10-29).
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- ^ ISO/IEC TS 19217:2015. [2017-10-28]. (原始內容存檔於2017-10-29).
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- ^ ISO/IEC TS 19570:2015. [2015-07-09]. (原始內容存檔於2015-07-10).
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- ^ ISO/IEC 14882:2011. [2012-01-03]. (原始內容存檔於2016-05-27).
- ^ ISO/IEC TR 29124:2010. [2015-07-09]. (原始內容存檔於2015-07-10).
- ^ ISO/IEC TR 19768:2007. [2012-05-13]. (原始內容存檔於2016-03-04).
- ^ ISO/IEC TR 18015:2006. [2014-09-25]. (原始內容存檔於2016-02-25).
- ^ ISO/IEC 14882:2003. [2012-05-13]. (原始內容存檔於2017-01-13).
- ^ ISO/IEC 14882:1998. [2012-05-13]. (原始內容存檔於2017-01-15).
- ^ Right Angle Brackets (Revision 2). [2024-03-19]. (原始內容存檔於2024-03-02).
- ^ Ian Joyner著的《C++?? A Critique of C++ and Programming and Language Trends of the 1990s》第3章51節
- ^ Eric Raymond著的《Unix編程藝術》一書第十四章第四節「語言評估」
延伸閱讀
[編輯]- Josuttis, Nicolai M. The C++ Standard Library, A Tutorial and Reference Second. Addison-Wesley. 2012. ISBN 0-321-62321-5.
- Lippman, Stanley B.; Lajoie, Josée; Moo, Barbara E. C++ Primer Fifth. Addison-Wesley. 2011. ISBN 0-321-71411-3.
- [美] Stanley B. Lippman; [美] Josée Lajoie; [美] Barbara E. Moo. C++ Primer(中文版)(第5版). 由王剛; 楊巨峰翻譯. 電子工業出版社. 2013-09-01. ISBN 9787121155352 (中文(中國大陸)).
- Meyers, Scott. Effective C++ Third. Addison-Wesley. 2005. ISBN 0-321-33487-6.
- Meyers, Scott. Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library. Addison-Wesley. 2001.
- Stroustrup, Bjarne. The C++ Programming Language Fourth ed. Addison-Wesley. 2013. ISBN 978-0-321-56384-2.
- Stroustrup, Bjarne. The Design and Evolution of C++. Addison-Wesley. 1994. ISBN 0-201-54330-3.
- Stroustrup, Bjarne. Programming Principles and Practice Using C++ Second ed. Addison-Wesley. 2014. ISBN 978-0-321-99278-9.
- Vandevoorde, David; Josuttis, Nicolai M. C++ Templates: The complete Guide. Addison-Wesley. 2003. ISBN 0-201-73484-2.
外部連結
[編輯]- JTC1/SC22/WG21(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) - The C++ Standards Committee (英文)
- C和C++資源的最終列表(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- C++教學 (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- C/C++參考手冊(中文) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
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