本文摘錄自Boolan首席咨詢師、著名C++專家吳詠煒老師主講分享的《現(xiàn)代C++大局觀》直播講座。

C++的遠(yuǎn)景

成功語(yǔ)言的煩惱

C++是一門很成功的語(yǔ)言但也有很多問題。我們會(huì)說(shuō)C++太復(fù)雜了，要簡(jiǎn)化；但同時(shí)需要新功能，希望C++能夠演進(jìn)；還有不管怎么變，不能把語(yǔ)言搞砸了。

這三點(diǎn)實(shí)際上是不可兼得。

Bjarne洋蔥原則可以部分解決這個(gè)問題即簡(jiǎn)單的事情簡(jiǎn)單做。抽象層次是分層的，如果并不需要最極致的性能，可以采用比較簡(jiǎn)單的做法。但是如果你是個(gè)專家，可以層層深入，但是越往里難度越大，切的越深，哭的越多。

現(xiàn)代C++的功能和慣用法

01?RAII——自動(dòng)、安全的資源管理

C++最重要的特性是 } 。原因在于到了 } 的時(shí)候所有本地變量都會(huì)被析構(gòu)。析構(gòu)函數(shù)和RAII是C++最基本慣用法。

假想一下string的實(shí)現(xiàn)。在默認(rèn)構(gòu)造時(shí)可能會(huì)對(duì)于指針、長(zhǎng)度、容量清零；然后傳進(jìn)去一個(gè)string，我們就要把這個(gè)string復(fù)制一份，把長(zhǎng)度、容量存起來(lái)。重要的是在析構(gòu)的時(shí)候用free把內(nèi)存空間釋放掉。

用RAII慣用法可以管理的不僅僅是內(nèi)存，也可以用來(lái)管理“鎖”。

對(duì)于這樣一個(gè)鎖，用lock_guard鎖住之后，可以做很多同步的工作。然后到了 } 直接停止，自動(dòng)把鎖釋放掉。而不使用RAII的情況下，需要手工lock、unlock，中間有異?；蛘咛崆胺祷鼐蜁?huì)出問題。

RAII是個(gè)遞歸的操作。如果定義了一個(gè)數(shù)的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)上有string，有string的value，有string的name，還有子節(jié)點(diǎn)的智能指針。節(jié)點(diǎn)銷毀的時(shí)候，會(huì)釋放所有子節(jié)點(diǎn)的引用；如果是唯一的對(duì)子節(jié)點(diǎn)的引用或者是最后的對(duì)子節(jié)點(diǎn)的引用，所有的子節(jié)點(diǎn)也都會(huì)被釋放。所以從管理的角度來(lái)講非常非常的方便。

RAII帶給我們的就是自動(dòng)、安全的資源管理。

02?移動(dòng)語(yǔ)義——高效的大對(duì)象傳遞

引用語(yǔ)義和值語(yǔ)義

首先講一下值語(yǔ)義的優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 行為簡(jiǎn)單，符合直接

• 不容易發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)

• 數(shù)據(jù)嵌套時(shí)內(nèi)存相鄰，性能高

• 對(duì)象本身可以分配在棧上（棧上內(nèi)存分分配釋放開銷極低）

• 缺點(diǎn)：

• 容易不小心發(fā)生內(nèi)存復(fù)制

臨時(shí)對(duì)象的情況下，函數(shù)如果返回一個(gè)對(duì)象，它是臨時(shí)對(duì)象，在執(zhí)行完當(dāng)前語(yǔ)句就會(huì)被銷毀。如果要獲得這個(gè)臨時(shí)對(duì)象的資源，可以通過移動(dòng)的方式。我們需要一個(gè)能夠區(qū)別臨時(shí)對(duì)象和其他類型對(duì)象的機(jī)制。這就是C++里右值引用和移動(dòng)語(yǔ)義引用的原因了。

右值引用的基本規(guī)則

我們產(chǎn)生了右值引用本身時(shí)沒有發(fā)生移動(dòng)，實(shí)際移動(dòng)操作需要有一個(gè)匹配的函數(shù)來(lái)完成，比如說(shuō)下面這個(gè)string對(duì)象。

核心要點(diǎn)在于有一個(gè)匹配右值引用的移動(dòng)構(gòu)造。在這個(gè)移動(dòng)構(gòu)造里面，會(huì)把右邊右值里面的數(shù)據(jù)全部拿過來(lái)，然后把原始數(shù)據(jù)清空，確保析構(gòu)的時(shí)候不會(huì)把已經(jīng)移動(dòng)的內(nèi)存釋放掉。

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)全面支持了移動(dòng)語(yǔ)義，帶來(lái)一個(gè)小小的副作用就是像這樣簡(jiǎn)單的臨時(shí)字符串拼接操作。

如果從C++98的年代來(lái)看，老程序員會(huì)說(shuō)這樣是錯(cuò)誤的，低效的，不可以接受的。但是到C++11這個(gè)代碼就是正常的，沒有額外開銷的。

移動(dòng)語(yǔ)義帶給我們的是高效的大對(duì)象傳遞。

03?對(duì)象返回和異?！?jiǎn)潔可讀的代碼和完備的錯(cuò)誤處理

這樣的一個(gè)矩陣乘法：R=A x B+C，然后把這個(gè)結(jié)果賦給一個(gè)變量。

傳統(tǒng)C風(fēng)格的代碼會(huì)用錯(cuò)誤碼，永遠(yuǎn)會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤，代碼非常的啰嗦，有很多檢查，不檢查或者漏檢查就會(huì)出問題。

Armadillo庫(kù)是現(xiàn)代C++的風(fēng)格，有很多現(xiàn)代C++的技巧，也可以把乘法矩陣實(shí)現(xiàn)。

返回對(duì)象的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

?· 代碼直觀，容易理解

?· 乘法和加法可以組合在一行里寫出來(lái)，無(wú)需中間變量

?· 性能高，沒有不需要的復(fù)制發(fā)生（依賴移動(dòng)語(yǔ)義和返回值優(yōu)化）

當(dāng)然這里面也有很多的細(xì)節(jié)需要注意。

· 內(nèi)存分配失敗將導(dǎo)致matrix構(gòu)造失敗

· 矩陣大小不匹配將導(dǎo)致矩陣運(yùn)算失敗

· 任何本地matrix變量分配的內(nèi)存，將在變量離開作用域時(shí)被釋放

· 異常安全可以不需要任何顯式的try...catch

異常當(dāng)然也是有一些問題的。

· 只要啟用異常，代碼就會(huì)有膨脹（約5-15%）

· 異常路徑上的性能損失較大，比錯(cuò)誤碼大很多

· 異?？赡軐?dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生點(diǎn)和錯(cuò)誤處理變得不明顯（泛型的要求，模板代碼通常無(wú)法預(yù)知什么情況下會(huì)有異常）

很多地方是不使用異常的，有很多原因有可能是歷史的原因，有可能是對(duì)未知的恐懼等等，如果你所在的項(xiàng)目不使用異常的情況下，你需要問一下到底是為什么。

不使用異常有哪些的后果

對(duì)象返回和異常帶給我們的就是簡(jiǎn)潔可讀的代碼和完備的錯(cuò)誤處理。

04?C++的易用性改進(jìn)——更簡(jiǎn)單的代碼，即使語(yǔ)言在變復(fù)雜

統(tǒng)一初始化

在C++98和C僅用 { } 來(lái)初始化數(shù)組和結(jié)構(gòu)體。到了C++11開始就可以統(tǒng)一使用 { } 來(lái)對(duì)變量進(jìn)行初始化。

用這種語(yǔ)法可以解決一個(gè)問題，叫最令人惱火的語(yǔ)法分析。是說(shuō)一些情況下，寫出的語(yǔ)法有可能讓編譯器認(rèn)為這是一個(gè)函數(shù)聲明，例如下圖：

解決這個(gè)問題可以用 { } 統(tǒng)一初始化規(guī)避：

ifstream ifs{utf8_to_wstring{filename}};

這樣編譯器就會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)變量聲明而不是一個(gè)函數(shù)聲明。

總的來(lái)講，我們是推薦使用統(tǒng)一初始化，但如果一個(gè)類使用初始化列表的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，則只應(yīng)在利用初始化列表構(gòu)造時(shí)使用。

類數(shù)據(jù)成員的默認(rèn)初始化

這里的語(yǔ)法在聲明成員變量的時(shí)候在結(jié)尾加上 { } 初始化代表對(duì)這些變量清零，配對(duì)使用的語(yǔ)法就是一個(gè)默認(rèn)聲明的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，聲明point的時(shí)候默認(rèn)里面清零。

對(duì)于string可以寫成這樣的語(yǔ)法

同時(shí)也可以進(jìn)一步寫成這樣

利用用戶定義字面量可以寫出非常直觀的代碼。

這些都是非常方便使用的，同時(shí)這個(gè)語(yǔ)法我們自己也可以用來(lái)定義字面量，唯一的限制是非標(biāo)準(zhǔn)的用戶定義字面量必須以下劃線打頭，如下圖：

這些易用性改進(jìn)帶給我們更簡(jiǎn)單的代碼，即使語(yǔ)言在變復(fù)雜。

05?模板——安全，高性能的代碼復(fù)用

模板我們討論最常用的示例sort。sort一般來(lái)講最后一個(gè)參數(shù)可以是函數(shù)對(duì)象、可以是lamda表達(dá)式，也可以是一個(gè)函數(shù)指針。不管怎么樣，代表的意思都是怎么進(jìn)行比較。

這兩種寫法是等價(jià)的，都是比較兩個(gè)整數(shù)是否滿足小于關(guān)系。

在C++里面用sort打開O2優(yōu)化情況下，sort比qsort快了好幾倍。

模板有好處也有壞處，好處是零開銷抽象，高性能；類型安全的代碼復(fù)用。但是出錯(cuò)信息不友好，動(dòng)輒可達(dá)數(shù)百行。

怎么對(duì)模板參數(shù)進(jìn)行約束

傳統(tǒng)上我們可以用SFINAE檢測(cè)編譯器成員，C++17里面有些不錯(cuò)的改進(jìn)，C++20也進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

可以定義一個(gè)概念叫reservable；然后定義兩個(gè)存在，reservable C和typename C，C++的編譯器會(huì)自動(dòng)幫你選擇你該用哪一個(gè)。

模板帶給我們的就是安全，高性能的代碼復(fù)用。

06?編譯期編程——靈活性和新的可能，無(wú)額外運(yùn)行期開銷

接下來(lái)我們來(lái)討論一個(gè)燒腦的話題，編譯期編程。這是用編譯期編程來(lái)寫階乘，產(chǎn)生的匯編代碼是這樣的。

然后我們可以寫出編譯期的條件語(yǔ)句，用一個(gè)布爾值用作模板參數(shù)來(lái)代表?xiàng)l件，然后用類型作為when 和else的分支。可以產(chǎn)生這樣的結(jié)果。

C++從C++11開始就有constexpr，也在不斷演化。目的就是明確標(biāo)明編譯期的常量和編譯期計(jì)算函數(shù)。用傳統(tǒng)的C++式的語(yǔ)法來(lái)寫編譯期計(jì)算代碼，同樣的階乘，可以寫成這樣一個(gè)函數(shù)。

這個(gè)函數(shù)factorial可以執(zhí)行計(jì)算，采用了遞歸式的調(diào)用但是用循環(huán)寫也是完全可以的?？梢灾苯勇暶魉愠龅慕Y(jié)果是編譯期的常量，然后就可以輸出和前面一樣的編譯結(jié)果。

然后還有if constexpr可以簡(jiǎn)化前面的寫法，可以把代碼并成一個(gè)分支。如果你的C容器滿足reserve條件的，編譯的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生對(duì)reserve的調(diào)用。

編譯期編程帶給我們的就是靈活性和新的可能，無(wú)額外運(yùn)行期開銷。

展望C++20

C++是一種成熟的古老的語(yǔ)言,這個(gè)語(yǔ)言本身雖然不完美，但是在變得越來(lái)越好。C++會(huì)越來(lái)越靠近完全的類型和資源安全。既能對(duì)新手更友好，還能對(duì)專家保留強(qiáng)大的定制能力，達(dá)到極致的性能。

12月9日晚20:00

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