C++之父：C++ 的五个普遍误解（3）
程序员文章站
2022-05-16 08:48:35
...
为了增加您冬天阅读的乐趣，我们很荣幸地奉上Bjarne Stroustrup大神的这个包含3个部分的系列文章。第一部分在这里；第二部分在这里。
5. 误解4：“为了效率，你必须编写底层代码”
许多人相信高效率的代码必须是底层代码。一些人甚至认为底层代码天生就是高效的（“如果代码很丑陋，那它一定很高效！一定有人花费了大量时间和精力来优化它！”）。当然，你仅仅使用底层代码是可以写出高效代码的，并且有时在直接处理机器资源时必须使用底层代码。然而，你一定要衡量一下你的工作是否有价值：现代C++编译器非常高效，而现代机器架构非常复杂。如果必须使用底层代码，一定要通过接口封装起来，以便于使用。通常，通过高层接口封装底层代码，会带来更好的优化（如，避免“滥用”底层代码）。在关注效率的场合，首先尝试用高层抽象来呈现需要的解决方案，而不要不加考虑地使用比特位和指针。
5.1 C语言的qsort()
考虑一个简单的例子。如果你需要对一组浮点数执行降序排序，你可以写一段代码来实现。然而，除非你有极端特殊的需求（如，有内存容纳不下的大量数据），这样做就太天真了。数十年来，我们一直有性能可接受的排序算法库。我最不喜欢的就是ISO标准C的qsort()算法：
如果你不是一个C程序员，或者你没有使用过qsort，那么需要解释一下；qsort接收4个参数：
如果你阅读了qsort()函数的一个工业强度实现（请阅读一下），你会发现它努力地去弥补缺少的信息。例如，用交换一定数量字节的方式，来取代更有效率的浮点数交换。间接地调用比较函数也很耗时，除非编译器使用常量方式传递指针。
5.2 C++’s sort()
比较一下qsort()的C++等价实现，sort()：
这里不需要太多解释。vector知道它的长度，因此我们不需要再显式地传递元素个数了。我们不会“丢失”元素类型信息，因此也不需要处理元素的字节数。默认地，sort()以升序排序，因此我需要指定比较条件，就像在qsort()中做的一样。这里，我传递了一个使用>符号比较浮点数的lambda表达式。通常，这个lambda表达式会被我所知道的所有C++编译器内链编译，因此实际上比较操作变成了一个greater-than的机器指令；这里没有（低效的）间接函数调用。
我使用了sort()的容器版本，以避免显式地使用迭代器。即，避免像下面这样写：
我也可以更进一步，使用C++14的比较对象：
哪个版本更快呢？你可以不使用任何性能优化指令，编译C版本的qsort()和C++版本，因此这是一个真正的编程风格的比较，而不是语言的比较。标准库实现似乎一直使用与sort和qsort相同的算法，因此这是一个编程风格的比较，而不是算法的比较。当然，不同的编译器和库实现会给出不同的结果，但是对于每种实现，我们对不同层次抽象的结果有一个合理的认识。
最近我运行了这个例子，并且发现sort()版本比qsort()版本快2.5倍。你会因为编译器和机器的差别，得到不同的结果，但是我从来没看到qsort打败过sort。我甚至看到过sort比qsort快10倍。为什么呢？很明显C++标准库sort相比qsort，是一个更高层次的抽象，更通用和灵活。它类型安全，并使存储类型，元素类型和排序算法参数化。它里面看不到指针，类型转换，长度，或者字节。C++标准库STL，包括sort，努力地尝试不丢失任何信息，从而得到了良好的内链和优化效果。
普适性和高层代码能够击败低层代码。当然不是一直这样，但是sort/qsort的比较不是一个孤立案例。总是从高层，精准和类型安全的版本开始解决方案。（仅当）如果需要时则优化。
6. 误解5：“C++只适用于大型、复杂的程序”
C++是一个巨型的语言。它定义的大小和C#与Java差不多。但是这并不意味着你必须知道每一个细节，或者在每一个程序中都用到所有特性。考虑一个只使用标准库基本组件的例子：
我假设你知道正则表达式。如果不知道，现在或许是一个阅读它的好时机。注意，我使用move语法来对返回潜在地大量字符串进行简化和提升效率（译者注：move语法在本系列第二篇讲解）。所有的标准库容器都支持move构造方法，因此这里不需要使用new。
为了能正常工作，我需要引用适当的标准库组件：
测试一下：
这仅仅是一个例子。可以很容易地修改get_addresses()，把regex模式作为参数，从而它能够找到URL或者其他任何东西。也可以很容易地修改get_addresses()，使在每行文字识别超过一个模式。虽然C++是为灵活性和通用性而设计的，但不是每个程序都是一个完整的库，或者应用程序框架。然而，这里的关键点是，从流数据中提取邮件地址任务能够被简单地实现，并很容易测试。
6.1 库
对任何语言，只使用语言内置特性（如if，for和+）编写程序是相当乏味的。通常，会给出适当的库（如图形，路线规划和数据库），可以让几乎所有的任务都能够在合理的工作量内完成。
ISO C++标准库相对小一些（相对于商业库），但是“就在那里”，有大量的开源和商业库。例如，利用（开源或有版权的）库，如Boost[3]，POCO[2]，AMP[4]，TBB[5]，Cinder[6]，vxWidgets[7]，和CGAL[8]，很多通用和专业的任务变得简单。作为例子，让我们修改上面的程序，从网页内读取URL。首先，我们改变get_addresses()来查找符合模式的任意字符串：
这很简单。接下来，我们需要考虑如何登录到网页并读取文件。Boost有一个库，asio，可以与网页通讯：
需要连接到web服务器：
查看www.stroustrup.com网站上的C++.html文件，内容如下：
我使用了set类型，因此URL会以字母顺序打印出来。
我在一个函数（connect_to_file()）中偷偷地“隐藏”了检测和HTTP连接管理，这并非不切实际：
由于这是最常见的，我没有从头开始。HTTP连接管理大部分是从Christopher Kohlhoff的asio文档[9]中复制来的。
6.2 Hello，World！
C++是一种编译型语言，设计它的首要目标是在关注性能和可靠性的场合，提供良好、可维护的代码（如，基础设施[10]）。它不是有意在小型程序中，直接和解释型或小型编译“脚本”语言竞争。的确，这类语言（如JavaScript，或Java）通常是用C++实现的。但是有很多只有数十行或几百行的很有用的C++程序。
这里提供一个能简单尝试的“Hello，World”例子，而不是（只）关注一个库聪明和先进的部分。简单安装一个最小化的库，写一个最多一页的“Hello，World”例子，展示一个库能够做什么。在某些时候我们都是菜鸟。这里，我C++版本的“Hello，World”是：
在展示ISO C++和标准库的时候，我发现了更长、更复杂、更无趣的版本。
7. 误解的多种“用途”
在现实中误解有时是有基础的。对每一个误解，某些人都会有多次经验或情形导致他们有理由相信。今天，我认为它们是完全错误的、被误解的，实话实说。一个问题是，误解通常是为了支撑一个目的——或者它们已经消失了。这5个误解扮演着多个角色：
坚持曾经正确的看法，并不是没有代价。相比现代的代码，它的维护代码更高。老的编译器和工具集相比依赖现代结构化代码的现代工具，更加低效和难以分析。
现代C++（C++11，C++14）以及它支持的编程技术，与“常见的误解”所代表的不同，并且比它要好的多。
如果你深信这些误解之一，不要马上就相信我的话，认为它是错误的。尝试。测试。通过你关心的一些问题，衡量“老方法”和新的替换思路。尝试真正地把握学习新工具和技术的时机，使用新方法写代码的时机，应用现代代码的时机。不要忘记与坚持“老方法”比较可能的维护代价。澄清误解的最佳方法是拿出证据。我在这里只呈现例子和做出讨论。
不，这不是一场“C++很完美”的讨论。C++并不完美；它不是对每个人、每件事都最好的语言。其他语言也不是。接受C++现在的样子，而不是20年前它的样子，也不是某些人声明它是什么样子。为了做出理性的选择，拿出一些真正的信息——只要时间允许——亲自尝试目前的C++如何处理你遇到的问题。
8. 总结
不要在没有证据的情况下，相信C++的这些“常识”或使用它。这篇文章呈现了最频繁表达的5个观点，并逐一澄清，说明它们“仅仅是误解”：
它们是有害的。
9. 反馈
还有疑问？告诉我原因。你遇到过其他什么误解了吗？为什么他们相信误解而不是实际经验？你有哪些证据可能揭露一个误解呢？
10. 参考文献
5. 误解4：“为了效率，你必须编写底层代码”
许多人相信高效率的代码必须是底层代码。一些人甚至认为底层代码天生就是高效的（“如果代码很丑陋，那它一定很高效！一定有人花费了大量时间和精力来优化它！”）。当然，你仅仅使用底层代码是可以写出高效代码的，并且有时在直接处理机器资源时必须使用底层代码。然而，你一定要衡量一下你的工作是否有价值：现代C++编译器非常高效，而现代机器架构非常复杂。如果必须使用底层代码，一定要通过接口封装起来，以便于使用。通常，通过高层接口封装底层代码，会带来更好的优化（如，避免“滥用”底层代码）。在关注效率的场合，首先尝试用高层抽象来呈现需要的解决方案，而不要不加考虑地使用比特位和指针。
5.1 C语言的qsort()
考虑一个简单的例子。如果你需要对一组浮点数执行降序排序，你可以写一段代码来实现。然而，除非你有极端特殊的需求（如，有内存容纳不下的大量数据），这样做就太天真了。数十年来，我们一直有性能可接受的排序算法库。我最不喜欢的就是ISO标准C的qsort()算法：
int greater(const void* p, const void* q) // three-way compare
{
double x = *(double*)p; // get the double value stored at the address p
double y = *(double*)q;
if (x>y) return 1;
if (x<y) return -1;
return 0;
}
void do_my_sort(double* p, unsigned int n)
{
qsort(p,n,sizeof(*p),greater);
}
int main()
{
double a[500000];
// ... fill a ...
do_my_sort(a,sizeof(a)/sizeof(*a)); // pass pointer and number of elements
// ...
}
如果你不是一个C程序员，或者你没有使用过qsort，那么需要解释一下；qsort接收4个参数：
- 指向顺序存储字节的指针
- 数据元素个数
- 每个数据元素的字节数
- 一个比较函数，参数是指向数据元素首个字节的指针
如果你阅读了qsort()函数的一个工业强度实现（请阅读一下），你会发现它努力地去弥补缺少的信息。例如，用交换一定数量字节的方式，来取代更有效率的浮点数交换。间接地调用比较函数也很耗时，除非编译器使用常量方式传递指针。
5.2 C++’s sort()
比较一下qsort()的C++等价实现，sort()：
void do_my_sort(vector<double>& v)
{
sort(v,[](double x, double y) { return x>y; }); // sort v in decreasing order
}
int main()
{
vector<double> vd;
// ... fill vd ...
do_my_sort(v);
// ...
}
这里不需要太多解释。vector知道它的长度，因此我们不需要再显式地传递元素个数了。我们不会“丢失”元素类型信息，因此也不需要处理元素的字节数。默认地，sort()以升序排序，因此我需要指定比较条件，就像在qsort()中做的一样。这里，我传递了一个使用>符号比较浮点数的lambda表达式。通常，这个lambda表达式会被我所知道的所有C++编译器内链编译，因此实际上比较操作变成了一个greater-than的机器指令；这里没有（低效的）间接函数调用。
我使用了sort()的容器版本，以避免显式地使用迭代器。即，避免像下面这样写：
std::sort(v.begin(),v.end(),[](double x, double y) { return x>y; });
我也可以更进一步，使用C++14的比较对象：
sort(v,greater<>()); // sort v in decreasing order
哪个版本更快呢？你可以不使用任何性能优化指令，编译C版本的qsort()和C++版本，因此这是一个真正的编程风格的比较，而不是语言的比较。标准库实现似乎一直使用与sort和qsort相同的算法，因此这是一个编程风格的比较，而不是算法的比较。当然，不同的编译器和库实现会给出不同的结果，但是对于每种实现，我们对不同层次抽象的结果有一个合理的认识。
最近我运行了这个例子，并且发现sort()版本比qsort()版本快2.5倍。你会因为编译器和机器的差别，得到不同的结果，但是我从来没看到qsort打败过sort。我甚至看到过sort比qsort快10倍。为什么呢？很明显C++标准库sort相比qsort，是一个更高层次的抽象，更通用和灵活。它类型安全，并使存储类型，元素类型和排序算法参数化。它里面看不到指针，类型转换，长度，或者字节。C++标准库STL，包括sort，努力地尝试不丢失任何信息，从而得到了良好的内链和优化效果。
普适性和高层代码能够击败低层代码。当然不是一直这样，但是sort/qsort的比较不是一个孤立案例。总是从高层，精准和类型安全的版本开始解决方案。（仅当）如果需要时则优化。
6. 误解5：“C++只适用于大型、复杂的程序”
C++是一个巨型的语言。它定义的大小和C#与Java差不多。但是这并不意味着你必须知道每一个细节，或者在每一个程序中都用到所有特性。考虑一个只使用标准库基本组件的例子：
set<string> get_addresses(istream& is)
{
set<string> addr;
regex pat { R"((\w+([.-]\w+)*)@(\w+([.-]\w+)*))"}; // email address pattern
smatch m;
for (string s; getline(is,s); ) // read a line
if (regex_search(s, m, pat)) // look for the pattern
addr.insert(m[0]); // save address in set
return addr;
}
我假设你知道正则表达式。如果不知道，现在或许是一个阅读它的好时机。注意，我使用move语法来对返回潜在地大量字符串进行简化和提升效率（译者注：move语法在本系列第二篇讲解）。所有的标准库容器都支持move构造方法，因此这里不需要使用new。
为了能正常工作，我需要引用适当的标准库组件：
#include<string> #include<set> #include<iostream> #include<sstream> #include<regex> using namespace std;
测试一下：
istringstream test { // a stream initialized to a sting containing some addresses
"asasasa\n"
"bs@foo.com\n"
"ms@foo.bar.com$aaa\n"
"ms@foo.bar.com aaa\n"
"asdf bs.ms@x\n"
"<span class="MathJax_Preview">\(bs.ms@x\)</span><script type="math/tex">bs.ms@x</script>goo\n"
"cft foo-bar.ff@ss-tt.vv@yy asas"
"qwert\n"
};
int main()
{
auto addr = get_addresses(test); // get the email addresses
for (auto& s : addr) // write out the addresses
cout << s << '\n';
}
这仅仅是一个例子。可以很容易地修改get_addresses()，把regex模式作为参数，从而它能够找到URL或者其他任何东西。也可以很容易地修改get_addresses()，使在每行文字识别超过一个模式。虽然C++是为灵活性和通用性而设计的，但不是每个程序都是一个完整的库，或者应用程序框架。然而，这里的关键点是，从流数据中提取邮件地址任务能够被简单地实现，并很容易测试。
6.1 库
对任何语言，只使用语言内置特性（如if，for和+）编写程序是相当乏味的。通常，会给出适当的库（如图形，路线规划和数据库），可以让几乎所有的任务都能够在合理的工作量内完成。
ISO C++标准库相对小一些（相对于商业库），但是“就在那里”，有大量的开源和商业库。例如，利用（开源或有版权的）库，如Boost[3]，POCO[2]，AMP[4]，TBB[5]，Cinder[6]，vxWidgets[7]，和CGAL[8]，很多通用和专业的任务变得简单。作为例子，让我们修改上面的程序，从网页内读取URL。首先，我们改变get_addresses()来查找符合模式的任意字符串：
set<string> get_strings(istream& is, regex pat)
{
set<string> res;
smatch m;
for (string s; getline(is,s); ) // read a line
if (regex_search(s, m, pat))
res.insert(m[0]); // save match in set
return res;
}
这很简单。接下来，我们需要考虑如何登录到网页并读取文件。Boost有一个库，asio，可以与网页通讯：
#include “boost/asio.hpp” // get boost.asio
需要连接到web服务器：
int main()
try {
string server = "www.stroustrup.com";
boost::asio::ip::tcp::iostream s {server,"http"}; // make a connection
connect_to_file(s,server,"C++.html"); // check and open file
regex pat {R"((http://)?www([./#\+-]\w*)+)"}; // URL
for (auto x : get_strings(s,pat)) // look for URLs
cout << x << '\n';
}
catch (std::exception& e) {
std::cout << "Exception: " << e.what() << "\n";
return 1;
}
查看www.stroustrup.com网站上的C++.html文件，内容如下：
http://www-h.eng.cam.ac.uk/help/tpl/languages/C++.html http://www.accu.org http://www.artima.co/cppsource http://www.boost.org ...
我使用了set类型，因此URL会以字母顺序打印出来。
我在一个函数（connect_to_file()）中偷偷地“隐藏”了检测和HTTP连接管理，这并非不切实际：
void connect_to_file(iostream& s, const string& server, const string& file)
// open a connection to server and open an attach file to s
// skip headers
{
if (!s)
throw runtime_error{"can't connect\n"};
// Request to read the file from the server:
s << "GET " << "http://"+server+"/"+file << " HTTP/1.0\r\n";
s << "Host: " << server << "\r\n";
s << "Accept: */*\r\n";
s << "Connection: close\r\n\r\n";
// Check that the response is OK:
string http_version;
unsigned int status_code;
s >> http_version >> status_code;
string status_message;
getline(s,status_message);
if (!s || http_version.substr(0, 5) != "HTTP/")
throw runtime_error{ "Invalid response\n" };
if (status_code!=200)
throw runtime_error{ "Response returned with status code" };
// Discard the response headers, which are terminated by a blank line:
string header;
while (getline(s,header) && header!="\r")
;
}
由于这是最常见的，我没有从头开始。HTTP连接管理大部分是从Christopher Kohlhoff的asio文档[9]中复制来的。
6.2 Hello，World！
C++是一种编译型语言，设计它的首要目标是在关注性能和可靠性的场合，提供良好、可维护的代码（如，基础设施[10]）。它不是有意在小型程序中，直接和解释型或小型编译“脚本”语言竞争。的确，这类语言（如JavaScript，或Java）通常是用C++实现的。但是有很多只有数十行或几百行的很有用的C++程序。
这里提供一个能简单尝试的“Hello，World”例子，而不是（只）关注一个库聪明和先进的部分。简单安装一个最小化的库，写一个最多一页的“Hello，World”例子，展示一个库能够做什么。在某些时候我们都是菜鸟。这里，我C++版本的“Hello，World”是：
#include<iostream>
int main()
{
std::cout << "Hello, World\n";
}
在展示ISO C++和标准库的时候，我发现了更长、更复杂、更无趣的版本。
7. 误解的多种“用途”
在现实中误解有时是有基础的。对每一个误解，某些人都会有多次经验或情形导致他们有理由相信。今天，我认为它们是完全错误的、被误解的，实话实说。一个问题是，误解通常是为了支撑一个目的——或者它们已经消失了。这5个误解扮演着多个角色：
- 提供安慰：不需要改变；不需要尝试变革。这样感到很舒适。变化可能失败，因此相信新事物不可行会更好。
- 在开始一个新项目时，这样可以节省时间：如果你（你自己）知道C++是什么，你不需要再花费时间学习新知识。你不需要尝试新技术。你不需要衡量潜在的性能障碍。你不需要培训新的开发者。
- 你可以不必学习C++：如果这些误解是真的，你究竟为什么要学习C++？
- 促进替换语言和技术：如果这些误解是真的，那么明显需要替换。
坚持曾经正确的看法，并不是没有代价。相比现代的代码，它的维护代码更高。老的编译器和工具集相比依赖现代结构化代码的现代工具，更加低效和难以分析。
现代C++（C++11，C++14）以及它支持的编程技术，与“常见的误解”所代表的不同，并且比它要好的多。
如果你深信这些误解之一，不要马上就相信我的话，认为它是错误的。尝试。测试。通过你关心的一些问题，衡量“老方法”和新的替换思路。尝试真正地把握学习新工具和技术的时机，使用新方法写代码的时机，应用现代代码的时机。不要忘记与坚持“老方法”比较可能的维护代价。澄清误解的最佳方法是拿出证据。我在这里只呈现例子和做出讨论。
不，这不是一场“C++很完美”的讨论。C++并不完美；它不是对每个人、每件事都最好的语言。其他语言也不是。接受C++现在的样子，而不是20年前它的样子，也不是某些人声明它是什么样子。为了做出理性的选择，拿出一些真正的信息——只要时间允许——亲自尝试目前的C++如何处理你遇到的问题。
8. 总结
不要在没有证据的情况下，相信C++的这些“常识”或使用它。这篇文章呈现了最频繁表达的5个观点，并逐一澄清，说明它们“仅仅是误解”：
- “要理解C++，你必须先学习C”
- “C++是一门面向对象的语言”
- “为了软件可靠性，你需要垃圾回收”
- “为了效率，你必须编写底层代码”
- “C++只适用于大型、复杂的程序”
它们是有害的。
9. 反馈
还有疑问？告诉我原因。你遇到过其他什么误解了吗？为什么他们相信误解而不是实际经验？你有哪些证据可能揭露一个误解呢？
10. 参考文献
- ISO/IEC 14882:2011 Programming Language C++
- POCO libraries: http://pocoproject.org/
- Boost libraries: http://www.boost.org/
- AMP: C++ Accelerated Massive Parallelism. http://msdn.microsoft.com/en-us/library/hh265137.aspx
- TBB: Intel Threading Building Blocks. www.threadingbuildingblocks.org/
- Cinder: A library for professional-quality creative coding. http://libcinder.org/
- vxWidgets: A Cross-Platform GUI Library. www.wxwidgets.org
- Cgal – Computational Geometry Algorithms Library. www.cgal.org
- Christopher Kohlhoff : Boost.Asio documentation. http://www.boost.org/doc/libs/1_55_0/doc/html/boost_asio.html
- B. Stroustrup: Software Development for Infrastructure. Computer, vol. 45, no. 1, pp. 47-58, Jan. 2012, doi:10.1109/MC.2011.353.
- Bjarne Stroustrup: The C++ Programming Language (4th Edition). Addison-Wesley. ISBN 978-0321563842. May 2013.
- Bjarne Stroustrup: A Tour of C++. Addison Wesley. ISBN 978-0321958310. September 2013.
- B. Stroustrup: Programming: Principles and Practice using C++ (2nd edition). Addison-Wesley. ISBN 978-0321992789. May 2014.