C++ 入门导引 - 技术栈

C++ 应用场景

C++ 是一种广泛应用的编程语言，拥有多种使用场景。以下是 C++ 的一些主要应用场景：

游戏开发：C++ 常用于游戏开发，尤其是大型 3D 游戏。它可以轻松地与图形 API（如 OpenGL 和 DirectX）集成，并优化性能。
系统编程：由于 C++ 提供了对内存和底层系统资源的直接访问，它被广泛用于操作系统、设备驱动程序和嵌入式系统等领域。
高性能计算：C++ 在科学计算、金融、工程等领域中被广泛使用，其中对运行速度和内存使用要求较高。C++ 可以对自身代码进行优化，以提高执行速度。
跨平台应用：C++ 被用于跨平台应用的开发，因为它有着广泛的编译器支持，可以在不同操作系统和硬件配置上运行。
桌面应用：使用诸如 Qt 等库，C++ 可以用于开发跨平台的图形界面应用程序。
网络编程：C++ 适用于服务器端应用程序、网络管理和网络通信等领域，可提供更高的运行速度和性能。
数据库引擎：许多数据库引擎（如 MySQL 和 MongoDB）都是用 C++ 编写的，这得益于其对低级系统的访问能力和性能优化。
编译器和解释器：C++ 可用于开发编程语言的编译器和解释器，例如 Clang（C/ObjC/C++ 编译器）。
机器学习与人工智能：尽管现今Python在这一领域的应用更为广泛，但 C++ 也有诸多高性能的机器学习库（如 Caffe 和 Dlib），适用于需要实时性能和资源优化的场景。

这些只是 C++ 应用的一部分。它在许多其他领域也被大量应用，比如 CAD/CAM 设计软件和物联网（IoT）等。

C++ 语言概述

产生背景

C++ 由 Bjarne Stroustrup 在 1980 年代初创立，最初被称为 "C with Classes"。C++ 设计的目的是为了弥补 C 语言在支持抽象结构、代码复用和组织方面的不足。随着时间的推移，C++ 得到了持续的发展，添加了更多高级特性，并形成了目前功能强大的编程语言。

设计理念

C++ 旨在支持多范式编程，包括过程式编程、面向对象编程和泛型编程。设计理念强调：

对 C 语言的兼容性，使得 C++ 可以直接使用 C 语言的库和代码。
支持底层操作和高级抽象，实现软件资源的强大管理。
高性能和可扩展性，适应各种复杂的应用场景。

语言特性

C++ 的主要语言特性包括：

面向对象编程支持，如类、对象、封装、继承和多态等。
泛型编程支持，包括模板类和模板函数。
手动内存管理以及 RAII 技术。
运算符重载和自定义类型转换。
异常处理机制。
命名空间支持，有助于避免命名冲突。

标准库

C++ 标准库（Standard Template Library，STL）提供了一组通用的模板类和函数，包括容器、迭代器、算法等，用于支持各种常见任务，例如：

容器：向量（vector）、列表（list）、队列（queue）、栈（stack）、哈希表（unordered_map）等。
算法：查找、排序、复制、替换等通用操作。
输入/输出流：ifstream, ofstream, stringstream等，用于文件和字符串的读写操作。
多线程支持，以及 threading 全局对象供同步和互斥等目的使用。
智能指针（如 shared_ptr 和 unique_ptr）实现自动资源管理。
正则表达式库、文件系统、时间和日期处理等。

工程实践

C++ 在实际工程实践中有广泛应用，如：

使用面向对象设计，将问题分解为对象和相互作用的组件，提高代码组织和可维护性。
利用泛型编程解决通用问题，提高代码复用性。
遵循 RAII 技术进行资源管理，降低内存泄漏风险。
高性能场景下，优化数据结构和算法。
使用合适的编译器和工具链，确保多平台兼容性。
使用智能指针和异常处理来确保资源在异常情况下得到正确释放。

C++ 是一种强大的编程语言，在众多领域具有广泛的应用场景。通过理解 C++ 的设计理念、特性、标准库以及工程实践，开发者可以充分利用此语言构建高性能、可扩展的应用程序。

C++ 标准发展

C++ 作为一门编程语言，自 1980 年代初推出以来，已经经历了多个版本的发展。下面是 C++ 标准发展历史的简要介绍：

C++ 前身（1983-1989）：C++ 最早称为 "C with Classes"，由 Bjarne Stroustrup 于 1983 年首次发布。这个版本的 C++ 主要是在 C 语言的基础上增加了对面向对象编程的支持。
C++98（1989-1998）：在这个时期，C++ 经历了多个非正式版本（如 C++ 2.0、C++ 2.1 等）。1998 年，C++ 标准委员会发布了第一个正式标准 ------ ISO/IEC 14882:1998，即 C98。这个版本包括了大量新特性，如异常处理、命名空间、模板等，并引入了 C 标准库（如 STL 这种通用的数据结构和算法库）。
C++03（1998-2003）：C03 是 C98 的一个小修订版本，主要修复了 C98 中的一些缺陷和不明确的规定。C03 标准在 2003 年发布，全名为 ISO/IEC 14882:2003。
C++11（2003-2011）：C11 是 C 的一个重大升级版本，也被称为 "C0x"。它在 C03 的基础上引入了许多新特性和改进，如智能指针、范围 for 循环、基于范围的初始化器列表、新的类型推断（auto）、lambda 表达式等。这个版本的标准在 2011 年发布，全名为 ISO/IEC 14882:2011。
C++14（2011-2014）：C14 是 C11 的一个增量升级，添加了更多新特性，如泛型 Lambda 表达式、编译时整数序列、二进制字面量、返回类型推断等。C++14 标准于 2014 年发布，全名为 ISO/IEC 14882:2014。
C++17（2014-2017）：C17 再次扩展了 C 语言和库的功能，引入了结构化绑定、并行算法、文件系统库、标准变体（std::variant）等许多实用特性。C++17 标准于 2017 年发布，全名为 ISO/IEC 14882:2017。
C++20（2017-2020）：C20 是 C 发展历史上的又一次大型升级。这个版本引入了许多先进特性，如概念、范围、模块、协程等。C++20 标准于 2020 年发布，全名为 ISO/IEC 14882:2020。

这些版本代表了 C++ 的发展历程。每一个新版本都为 C++ 带来更多功能和改进，使得语言变得越来越强大。目前，C++ 仍在持续发展中，下一个版本（C++23）已经在筹备中。

C++ 新特性

C++11 新特性

自动类型推断（auto） ：使用 auto 关键字让编译器自动推导变量类型。
范围 for 循环：简化容器或数组元素的逐个访问。
智能指针 ：std::shared_ptr 和 std::unique_ptr 等智能指针类型，用于实现自动内存管理。
Lambda 表达式：定义匿名函数对象，简化了一些特定任务的编写。
基于范围的初始化器列表：用大括号 {} 初始化聚合类型对象，例如数组、向量等。
decltype：用于自动推导表达式的类型。
最终修饰符（final）：用于防止类的进一步派生或虚函数的覆盖。
override 修饰符：强制检查派生类中的虚函数重载。
静态断言（static_assert）：编译时断言检查。
基于范围的 switch 语句：针对不同类型实例执行不同的操作时更加简洁。
线程支持 ：新增 <thread> 和 <mutex> 等库，支持多线程编程。
无序容器 ：新增无序容器（如 std::unordered_map 和 std::unordered_set），这些容器基于哈希表实现。
**nullptr**：空指针常量，取代 C 风格的 NULL 键。
委托构造函数：允许一个构造函数调用同类中的其他构造函数。
移动语义（Move semantics） ：通过 && 引用和 std::move 实现对象的移动，避免不必要的拷贝。

C++17 新特性

结构化绑定（Structured bindings）：方便地解包和访问元组、数组、结构体等聚合类型中的元素。
if constexpr：编译时条件选择，提高编译效率。
内联变量（inline variables）：在头文件中声明和定义内联变量，避免多重定义。
文件系统库 ：新增 <filesystem> 库，提供对文件和目录的操作支持。
std::optional：用于具有可选值的对象，代替指针或特殊值。
std::variant：用于表示一个值，该值可以属于多种数据类型之一。
std::any：任意类型的对象容器。
并行算法 ：在 <algorithm> 或 <numeric> 头文件中新增并行算法。
constexpr if语句：在编译时执行条件语句，用于简化模板元编程。
折叠表达式（Fold expressions）：用于简化可变参数模板中的操作，例如加法、乘法、逻辑操作等。
std::string_view：非修改的字符串引用，提高字符串操作的性能。
std::invoke 函数：统一的可调用对象调用方式。

C++20 新特性

概念（Concepts）：约束模板参数的类型，提高模板编程的可读性和编译时错误提示。
范围（Ranges）：一组实用工具，用于快速、简洁地创建和操作序列。
模块（Modules）：改进模块化编程，加快构建速度。
协程（Coroutines）：轻量级用户级线程，用于实现异步编程和更高效的任务切换。
constexpr 动态分配：允许在 constexpr 函数和 constinit 变量初始化中使用动态分配。
<chrono>库的时钟和日期扩展：提供了对时区和日期的操作支持。
<bit>库：加入计算机硬件位处理的实用工具。
三种新的运算符 ：<=> (三路比较运算符)、&&= (逻辑与赋值)、||= (逻辑或赋值)。
编译时 eval 函数：实现运行时表达式美化的编译期计算。
constinit关键字：确保变量在程序启动时进行初始化。
类似 lambda 的模板：允许在泛型 lambda 表达式中使用无类型模板参数。
**带有初始化语句的 switch 语句 ：在 switch 语句中进行条件判断前执行初始化语句。
<format>库：提供了类型安全的字符串格式化功能，类似于 C 语言中的 printf。

以上仅列举C++ 11、C++ 17、C++ 20 部分新特性。

C++ 优劣分析

优势

性能：C++ 具有出色的性能，支持底层操作和内存管理，适用于对性能要求较高的场景，如游戏开发、操作系统和高性能计算等。
多范式编程：C++ 支持多范式编程，包括过程式编程、面向对象编程和泛型编程，使得开发者可以根据问题特性灵活选取合适的解决方案。
低级访问能力：C++ 允许开发者直接访问内存、硬件资源和系统调用，有利于优化性能和使用底层系统功能。
跨平台支持：C++ 具有广泛的编译器支持，使得编写的代码可以在不同操作系统和硬件平台上运行。
丰富的标准库：C++ 提供了许多标准库，如 STL，它包含了常见数据结构和算法，可以提高开发效率。
与 C 语言兼容性：C++ 保持了对 C 语言的兼容性，使得 C 语言的大量库可以轻松地在 C++ 中使用。

劣势

陡峭的学习曲线：C++ 的语法复杂，拥有众多特性，初学者需要投入较长时间来学习和熟练掌握。
手动内存管理：C++ 需要开发者手动管理内存分配和回收，这可能导致内存泄漏、内存访问错误等问题。虽然现代 C++ 通过智能指针提供了自动资源管理，但对初学者而言，仍可能存在挑战。
编译时间较长：C++ 的编译时间相对较长，尤其是在包含大量模板和头文件的项目中，这可能降低开发效率。
缺少安全机制：C++ 允许直接内存访问和指针操作，容易导致潜在的安全隐患，如缓冲区溢出。
不足的诊断信息：当使用模板编程时，C++ 的编译器错误信息可能很难理解，这给定位问题、解决错误带来挑战。

C++ 编程范式

C++ 是一种支持多种编程范式的编程语言。在 C++ 中，你可以根据需要，组合并采用不同的编程范式。以下是一些主要的 C++ 编程范式：

过程式编程 (Procedural Programming)

过程式编程是一种基于过程（或函数）的编程范式。在这种方式中，程序是一系列一步步执行的过程。这种编程风格突出重点是如何完成任务，而不是关注数据的结构。示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int sum = add(5, 3);
    std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
    return 0;
}

面向对象编程 (Object-oriented Programming, OOP)

面向对象编程是一种基于对象的编程范式。对象是程序中的实体，它包含数据（属性）和相关功能（方法）。这种编程风格旨在提高代码的复用性和可维护性。示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Car {
public:
    void start() {
        std::cout << "Car started" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Car myCar;
    myCar.start();
    return 0;
}

泛型编程 (Generic Programming)

泛型编程是一种基于参数化类型的编程范式。在这种方式中，编写通用的函数和类，以便它们可以工作于不同的数据类型，从而提高代码的可重用性和效率。示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>

template<typename T>
T my_max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

int main() {
    std::cout << "Max: " << my_max(5, 3) << std::endl;
    std::cout << "Max: " << my_max(4.5, 3.9) << std::endl;
    return 0;
}

函数式编程 (Functional Programming)

函数式编程是一种基于函数概念的编程范式，强调避免更改状态和尽可能无副作用的操作。C++ 支持一定程度的函数式编程，例如 lambda 表达式等。示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<int> doubled_numbers;

    // 使用 Lambda 表达式进行元素的翻倍操作
    std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), std::back_inserter(doubled_numbers),
                   [](int n) { return n * 2; });

    std::cout << "Doubled numbers: ";
    for (int num : doubled_numbers)
        std::cout << num << ' ';
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

利用这些编程范式，你可以根据项目需求和使用环境来选择最佳的代码组织和结构。

C++ 学习姿势分享

学习 C++ 的过程可以分为几个阶段。在这里，我将分享一些建议和资源，帮助你更有效地学习 C++：

基础知识

学习 C++ 的基本语法，例如变量、数据类型、操作符、条件结构、循环等。
学会编写和调试简单的 C++ 程序。
常见资源：C++ Primer（Stanley B. Lippman, Josée LaJoie, Barbara E. Moo 著），C++ 教程（cplusplus.com）。

面向对象编程

学习类、对象、继承、封装和多态等面向对象的概念。
学会设计和实现自定义类。
常见资源：C++ Object Oriented（tutorialspoint.com），Object-Oriented Programming in C++（Robert Lafore 著）。

标准库 (STL)

学习 C++ 标准库的基本组件：容器、算法和迭代器。
学会使用常用的容器，如 vector、list、map 等。
学会使用泛型算法，如 sort、find、transform 等。
常见资源：Effective STL（Scott Meyers 著），C++ Reference（cppreference.com）。

泛型编程

学习模板和泛型编程的核心概念。
学会编写模板函数和模板类。
常见资源：C++ Templates（David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis 著），C++ Templates - The Complete Guide（David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis, Douglas Gregor 著）。

C++11/14/17/20 新特性

学习 C++ 随着时间的推移所新增的重要特性，例如 Lambda 表达式、智能指针、线程支持等。
常见资源：Effective Modern C++（Scott Meyers 著），C++11/14/17/20 新特性教程（cplusplus.com）。

项目实践

尝试使用 C++ 参与开源项目或者创建自己的项目以实践所学知识。
初学者可以从简单的命令行程序开始，然后逐渐过渡到更复杂的项目。

代码阅读和评审

阅读其他 C++ 开发者的代码，学习其编码风格和设计模式。
和其他开发者讨论代码，以提高自己的技能。

学习 C++ 是一个漫长的过程，需要投入时间和精力。此外，在学习过程中遇到的问题，可以在 Stack Overflow 等网站上寻求帮助。祝你学习顺利！