為什麼要學習C++？

2009 年本書作者 Stan Lippman 先生來華參加上海祝成科技舉辦的C++技術大會，他表示人們現在還用C++的惟一理由是其效能。相比之下，Java/C#/Python等語言更加易學易用並且開發工具豐富，它們的開發效率都高於C++。但C++目前仍然是執行最快的語言[1]，如果你的應用領域確實在乎這個效能，那麼 C++ 是不二之選。

這裡略舉幾個例子[2]。對於手持裝置而言，提高執行效率意味著完成相同的任務需要更少的電能，從而延長裝置的操作時間，增強使用者體驗。對於嵌入式[3]裝置而言，提高執行效率意味著：實現相同的功能可以選用較低檔的處理器和較少的儲存器，降低單個裝置的成本；如果裝置銷量大到一定的規模，可以彌補C++開發的成本。對於分散式系統而言，提高10%的效能就意味著節約10%的機器和能源。如果系統大到一定的規模（數千臺伺服器），值得用程式設計師的時間去換取機器的時間和數量，可以降低總體成本。另外，對於某些延遲敏感的應用（遊戲[4]

C++之父Bjarne Stroustrup把C++定位於偏重系統程式設計(system programming) [6]的通用程式設計語言，開發資訊基礎架構(infrastructure)是C++的重要用途之一[7]。Herb Sutter總結道[8]，C++注重執行效率(efficiency)、靈活性(flexibility)[9]和抽象能力(abstraction)，併為此付出了生產力(productivity)方面的代價[10]

要想發揮C++的效能優勢，程式設計師需要對語言本身及各種操作的代價有深入的瞭解[12]，特別要避免不必要的物件建立[13]。例如下面這個函式如果漏寫了&，功能還是正確的，但效能將會大打折扣。編譯器和單元測試都無法幫我們查出此類錯誤，程式設計師自己在編碼時須得小心在意。

inline int find_longest(const std::vector<std::string>& words)
{
  // std::max_element(words.begin(), words.end(), LengthCompare());
}

在現代CPU體系結構下，C++ 的效能優勢很大程度上得益於對記憶體佈局(memory layout )的精確控制，從而優化記憶體訪問的區域性性[14](locality of reference)並充分利用記憶體階層(memory hierarchy)提速[15]，這一點優勢在近期內不會被基於GC的語言趕上[16]。

C++的協作性不如C、Java、Python，開源專案也比這幾個語言少得多，因此在TIOBE語言流行榜中節節下滑。但是據我所知，很多企業內部使用C++來構建自己的分散式系統基礎架構，並且有替換Java開源實現的趨勢。

學習C++只需要讀一本大部頭

C++不是特性(features)最豐富的語言，卻是最複雜的語言，諸多語言特性相互干擾，使其複雜度成倍增加。鑑於其學習難度和知識點之間的關聯性，恐怕不能用“粗粗看看語法，就擼起袖子開幹，邊查Google邊學習[17]”這種方式來學習C++，那樣很容易掉到陷阱裡或養成壞的程式設計習慣。如果想成為專業C++開發者，全面而深入地瞭解這門複雜語言及其標準庫，你需要一本系統而權威的書，這樣的書必定會是一本八九百頁的大部頭[18]。

兼具系統性和權威性[19]的C++教材有兩本，C++之父Bjarne Stroustrup的代表作《The C++ Programming Language》和Stan Lippman的這本《C++ Primer》。侯捷先生評價道：“泰山北斗已現，又何必案牘勞形於墨瀚書海之中！這兩本書都從C++盤古開天以來，一路改版，斬將擎旗，追奔逐北，成就一生榮光[20]。”

從實用的角度，這兩本書讀一本即可，因為它們覆蓋的C++知識點相差無幾。就我個人的閱讀體驗而言，Primer更易讀一些，我十年前深入學習C++正是用的《C++ Primer第三版》。這次借評註的機會仔細閱讀了《C++ Primer第四版》，感覺像在讀一本完全不同的新書。第四版內容組織及文字表達比第三版進步很多[21]，第三版可謂“事無鉅細、面面俱到”，第四版重點突出詳略得當，甚至篇幅也縮短了，這多半歸功於新加盟的作者Barbara Moo。

《C++ Primer 第四版》講什麼？適合誰讀？

這是一本C++語言的教程，不是程式設計教程。本書不講八皇后問題、Huffman編碼、漢諾塔、約瑟夫環、大整數運算等等經典程式設計例題，本書的例子和習題往往都跟C++本身直接相關。本書的主要內容是精解C++語法(syntax)與語意(semantics)，並介紹C++標準庫的大部分內容（含STL）。“這本書在全世界C++教學領域的突出和重要，已經無須我再贅言[22]。”

本書適合C++語言的初學者，但不適合程式設計初學者。換言之，這本書可以是你的第一本C++ 書，但恐怕不能作為第一本程式設計書。如果你不知道什麼是變數、賦值、分支、條件、迴圈、函式，你需要一本更加初級的書[23]，本書第1章可用作自測題。

如果你已經學過一門程式語言，並且打算成為專業C++開發者，從《C++ Primer 第四版》入手不會讓你走彎路。值得特別說明的是，學習本書不需要事先具備C語言知識。相反，這本書教你編寫真正的C++程式，而不是披著C++ 外衣的C程式。

《C++ Primer 第四版》的定位是語言教材，不是語言規格書，它並沒有面面俱到地談到C++的每一個角落，而是重點講解C++程式設計師日常工作中真正有用的、必須掌握的語言設施和標準庫[24]。本書的作者一點也不炫耀自己的知識和技巧，雖然他們有十足的資本[25]。這本書用語非常嚴謹（沒有那些似是而非的比喻），用詞平和，講解細緻，讀起來並不枯燥。特別是如果你已經有一定的程式設計經驗，在閱讀時不妨思考如何用C++來更好地完成以往的程式設計任務。

儘管本書篇幅近900頁，其內容還是十分緊湊，很多地方讀一個句子就值得寫一小段程式碼去驗證。為了節省篇幅，本書經常修改前文程式碼中的一兩行，來說明新的知識點，值得把每一行程式碼敲到機器中去驗證。習題當然也不能輕易放過。

《C++ Primer 第四版》體現了現代C++教學與程式設計理念：在現成的高質量類庫上構建自己的程式，而不是什麼都從頭自己寫。這本書在第三章介紹了string和vector這兩個常用的類，立刻就能寫出很多有用的程式。但作者不是一次性把string的上百個成員函式一一列舉，而是有選擇地講解了最常用的那幾個函式。

《C++ Primer 第四版》的程式碼示例質量很高，不是那種隨手寫的玩具程式碼。第10.4.2節實現了帶禁用詞的單詞計數，第10.6利用標準庫容器簡潔地實現了基於倒排索引思路的文字檢索，第15.9節又用面向物件方法擴充了文字檢索的功能，支援布林查詢。值得一提的是，這本書講解繼承和多型時舉的例子符合Liskov替換原則，是正宗的面向物件。相反，某些教材以複用基類程式碼為目的，常以“人、學生、老師、教授”或“僱員、經理、銷售、合同工”為例，這是誤用了面向物件的“複用”。

《C++ Primer 第四版》出版於2005年，遵循2003年的C++語言標準[26]。C++新標準已於2011年定案（稱為C++11），本書不涉及TR1[27]和C++11，這並不意味著這本書過時了[28]。相反，這本書裡沉澱的都是當前廣泛使用的C++程式設計實踐，學習它可謂正當時。評註版也不會越俎代庖地介紹這些新內容，但是會指出哪些語言設施已在新標準中廢棄，避免讀者浪費精力。

《C++ Primer 第四版》是平臺中立的，並不針對特定的編譯器或作業系統。目前最主流的C++編譯器有兩個， GNU G++和微軟Visual C++。實際上，這兩個編譯器陣營基本上“模塑[29]”了C++語言的行為。理論上講， C++語言的行為是由C++標準規定的。但是 C++不像其他很多語言有“官方參考實現[30]”，因此C++的行為實際上是由語言標準、幾大主流編譯器、現有不計其數的C++產品程式碼共同確定的，三者相互制約。C++編譯器不光要儘可能符合標準，同時也要遵循目標平臺的成文或不成文規範和約定，例如高效地利用硬體資源、相容作業系統提供的C語言介面等等。在C++標準沒有明文規定的地方，C++編譯器也不能隨心所欲自由發揮。學習C++的要點之一是明白哪些行為是由標準保證的，哪些是由實現（軟硬體平臺和編譯器）保證的[31]，哪些是編譯器自由實現，沒有保證的；換言之，明白哪些程式行為是可依賴的。從學習的角度，我建議如果有條件不妨兩個編譯器都用[32]，相互比照，避免把編譯器和平臺特定的行為誤解為C++語言規定的行為。儘管不是每個人都需要寫跨平臺的程式碼，但也大可不必自我限定在編譯器的某個特定版本，畢竟編譯器是會升級的。

本著“練從難處練，用從易處用”的精神，我建議在命令列下編譯執行本書的示例程式碼，並儘量少用偵錯程式。另外，值得了解C++的編譯連結模型[33]，這樣才能不被實際開發中遇到的編譯錯誤或連結錯誤絆住手腳。（C++不像現代語言那樣有完善的模組(module)和包(package)設施，它從C語言繼承了標頭檔案、原始檔、庫檔案等古老的模組化機制，這套機制相對較為脆弱，需要花一定時間學習規範的做法，避免誤用。）

就學習C++語言本身而言，我認為有幾個練習非常值得一做。這不是“重複發明輪子”，而是必要的程式設計練習，幫助你熟悉掌握這門語言。一是寫一個複數類或者大整數類[34]，實現基本的運算，熟悉封裝與資料抽象。二是寫一個字串類，熟悉記憶體管理與拷貝控制。三是寫一個簡化的vector<T>類模板，熟悉基本的模板程式設計，你的這個vector應該能放入int和string等元素型別。四是寫一個表示式計算器，實現一個節點類的繼承體系（右圖），體會面向物件程式設計。前三個練習是寫獨立的值語義的類，第四個練習是物件語義，同時要考慮類與類之間的關係。

表示式計算器能把四則運算式3+2*4解析為左圖的表示式樹[35]，對根節點呼叫calculate()虛擬函式就能算出表示式的值。做完之後還可以再擴充功能，比如支援三角函式和變數。

在寫完面向物件版的表示式樹之後，還可以略微嘗試泛型程式設計。比如把類的繼承體系簡化為下圖，然後用BinaryNode<std::plus<double> >和BinaryNode<std:: multiplies<double> >來具現化BinaryNode<T>類模板，通過控制模板引數的型別來實現不同的運算。

在表示式樹這個例子中，節點物件是動態建立的，值得思考：如何才能安全地、不重不漏地釋放記憶體。本書第15.8節的Handle可供參考。（C++的面向物件基礎設施相對於現代的語言而言顯得很簡陋，現在C++也不再以“支援面向物件”為賣點了。）

C++難學嗎？“能夠靠讀書看文章讀程式碼做練習學會的東西沒什麼門檻，智力正常的人只要願意花功夫，都不難達到（不錯）的程度。[36]” C++好書很多，不過優秀的C++開原始碼很少，而且風格迥異[37]。我這裡按個人口味和經驗列幾個供讀者參考閱讀：Google的protobuf、leveldb、PCRE的C++ 封裝，我自己寫的muduo網路庫。這些程式碼都不長，功能明確，閱讀難度不大。如果有時間，還可以讀一讀Chromium中的基礎庫原始碼。在讀Google開源的C++程式碼時要連註釋一起細讀。我不建議一開始就讀STL或Boost的原始碼，因為編寫通用C++模板庫和編寫C++應用程式的知識體系相差很大。 另外可以考慮讀一些優秀的C或Java開源專案，並思考是否可以用C++更好地實現或封裝之（特別是資源管理方面能否避免手動清理）。

繼續前進

我能夠隨手列出十幾本C++好書，但是從實用角度出發，這裡只舉兩三本必讀的書。讀過《C++ Primer》和這幾本書之後，想必讀者已能自行識別C++圖書的優劣，可以根據專案需要加以鑽研。

第一本是《Effective C++ 第三版》[38]。學習語法是一回事，高效地運用這門語言是另一回事。C++是一個遍佈陷阱的語言，吸取專家經驗尤為重要，既能快速提高眼界，又能避免重蹈覆轍。《C++ Primer》加上這本書包含的C++知識足以應付日常應用程式開發。

我假定讀者一定會閱讀這本書，因此在評註中不引用《Effective C++ 第三版》的任何章節。

《Effective C++ 第三版》的內容也反映了C++用法的進步。第二版建議“總是讓基類擁有虛解構函式”，第三版改為“為多型基類宣告虛解構函式”。因為在C++中，“繼承”不光只有面向物件這一種用途，即C++的繼承不一定是為了覆寫(override)基類的虛擬函式。第二版花了很多筆墨介紹淺拷貝與深拷貝，以及對指標成員變數的處理[39]。第三版則提議，對於多數class而言，要麼直接禁用拷貝建構函式和賦值操作符，要麼通過選用合適的成員變數型別[40]，使得編譯器預設生成的這兩個成員函式就能正常工作。

什麼是C++程式設計中最重要的程式設計技法（idiom）？我認為是“用物件來管理資源”，即RAII。資源包括動態分配的記憶體[41]，也包括開啟的檔案、TCP網路連線、資料庫連線、互斥鎖等等。藉助RAII，我們可以把資源管理和物件生命期管理等同起來，而物件生命期管理在現代C++里根本不是困難（見注5），只需要花幾天時間熟悉幾個智慧指標[42]的基本用法即可。學會了這三招兩式，現代的C++程式中可以完全不寫delete，也不必為指標或記憶體錯誤操心。現代C++程式裡出現資源和記憶體洩漏的惟一可能是迴圈引用，一旦發現，也很容易修正設計和程式碼。這方面的詳細內容請參考《Effective C++ 第三版》第3章資源管理。

C++是目前惟一能實現自動化資源管理的語言，C語言完全靠手工釋放資源，而其他基於垃圾收集的語言只能自動清理記憶體，而不能自動清理其他資源[43]（網路連線，資料庫連線等等）。

除了智慧指標，TR1中的bind/function也十分值得投入精力去學一學[44]。讓你從一個嶄新的視角，重新審視類與類之間的關係。Stephan T. Lavavej有一套PPT介紹TR1的這幾個主要部件[45]。

第二本書，如果讀者還是在校學生，已經學過資料結構課程[46]，可以考慮讀一讀《泛型程式設計與STL》[47]；如果已經工作，學完《C++ Primer》立刻就要參加C++專案開發，那麼我推薦閱讀《C++程式設計規範》[48]。

泛型程式設計有一套自己的術語，如concept、model、refinement等等，理解這套術語才能閱讀泛型程式庫的文件。即便不掌握泛型程式設計作為一種程式設計方法，也要掌握C++中以泛型思維設計出來的標準容器庫和演算法庫（STL）。坊間面向物件的書琳琅滿目，學習機會也很多，而泛型程式設計只有這麼一本，讀之可以開拓視野，並且加深對STL的理解（特別是迭代器[49]）和應用。

C++模板是一種強大的抽象手段，我不贊同每個人都把精力花在鑽研艱深的模板語法和技巧。從實用角度，能在應用程式中寫寫簡單的函式模板和類模板即可（以type traits為限），不是每個人都要去寫公用的模板庫。

由於C++語言過於龐大複雜，我見過的開發團隊都對其剪裁使用[50]。往往團隊越大，專案成立時間越早，剪裁得越厲害，也越接近C。制定一份好的程式設計規範相當不容易。規範定得太緊（比如定為團隊成員知識能力的交集），程式設計師束手束腳，限制了生產力，對程式設計師個人發展也不利[51]。規範定得太鬆（定為團隊成員知識能力的並集），專案內程式碼風格迥異，學習交流協作成本上升，恐怕對生產力也不利。由兩位頂級專家合寫的《C++程式設計規範》一書可謂是現代C++程式設計規範的範本。

《C++程式設計規範》同時也是專家經驗一類的書，這本書篇幅比《Effective C++ 第三版》短小，條款數目卻多了近一倍，可謂言簡意賅。有的條款看了就明白，照做即可：

·         第1條，以高警告級別編譯程式碼，確保編譯器無警告。

·         第31條，避免寫出依賴於函式實參求值順序的程式碼。C++操作符的優先順序、結合性與表示式的求值順序是無關的。裘宗燕老師寫的《C/C++ 語言中表達式的求值》[52]一文對此有明確的說明。

·         第35條，避免繼承“並非設計作為基類使用”的class。

·         第43條，明智地使用pimpl。這是編寫C++動態連結庫的必備手法，可以最大限度地提高二進位制相容性。

·         第56條，儘量提供不會失敗的swap()函式。有了swap()函式，我們在自定義賦值操作符時就不必檢查自賦值了。

·         第59條，不要在標頭檔案中或#include之前寫using。

·         第73條，以by value方式丟擲異常，以by reference方式捕捉異常。

·         第76條，優先考慮vector，其次再選擇適當的容器。

·         第79條，容器內只可存放value和smart pointer。

有的條款則需要相當的設計與編碼經驗才能解其中三昧：

·         第5條，為每個物體(entity)分配一個內聚任務。

·         第6條，正確性、簡單性、清晰性居首。

·         第8、9條，不要過早優化；不要過早劣化。

·         第22條，將依賴關係最小化。避免迴圈依賴。

·         第32條，搞清楚你寫的是哪一種class。明白value class、base class、trait class、policy class、exception class各有其作用，寫法也不盡相同。

·         第33條，儘可能寫小型class，避免寫出大怪獸。

·         第37條，public繼承意味著可替換性。繼承非為複用，乃為被複用。

·         第57條，將class型別及其非成員函式介面放入同一個namespace。

值得一提的是，《C++程式設計規範》是出發點，但不是一份終極規範。例如Google的C++程式設計規範[53]和LLVM程式設計規範[54]都明確禁用異常，這跟這本書的推薦做法正好相反。

評註版使用說明

評註版採用大開本印刷，在保留原書板式的前提下，對原書進行了重新分頁，評註的文字與正文左右分欄並列排版。本書已依據原書2010年第11次印刷的版本進行了全面修訂。為了節省篇幅，原書每章末尾的小結和術語表還有書末的索引都沒有印在評註版中，而是做成PDF供讀者下載，這也方便讀者檢索。評註的目的是幫助初次學習C++的讀者快速深入掌握這門語言的核心知識，澄清一些概念、比較與其他語言的不同、補充實踐中的注意事項等等。評註的內容約佔全書篇幅的15%，大致比例是三分評、七分注，並有一些補白的內容[55]。如果讀者拿不定主意是否購買，可以先翻一翻第5章。我在評註中不談C++11[56]，但會略微涉及TR1，因為TR1已經投入實用。

為了不打斷讀者閱讀的思路，評註中不會給URL連結，評註中偶爾會引用《C++程式設計規範》的條款，以[CCS]標明，這些條款的標題已在前文列出。另外評註中出現的soXXXXXX表示http://stackoverflow.com/questions/XXXXXX 網址。

網上資源

程式碼下載：http://www.informit.com/store/product.aspx?isbn=0201721481
豆瓣頁面：http://book.douban.com/subject/10944985/
術語表與索引PDF下載：http://chenshuo.com/cp4/
本文電子版釋出於https://github.com/chenshuo/documents/downloads/LearnCpp.pdf，方便讀者訪問腳註中的網站。

我的聯絡方式：giantchen_AT_gmail.com                    http://weibo.com/giantchen

陳碩

2012年3月

中國·香港

評註者簡介 ：

陳碩，北京師範大學碩士，擅長 C++ 多執行緒網路程式設計和實時分散式系統架構。現任職於香港某跨國金融公司 IT 部門，從事實時外匯交易系統開發。編寫了開源 C++ 網路庫 muduo； 參與翻譯了《程式碼大全（第二版）》和《C++ 程式設計規範（繁體版）》；2009 年在上海 C++ 技術大會做技術演講《當解構函式遇到多執行緒》，同時擔任 Stanley Lippman 先生的口譯員；2010 年在珠三角技術沙龍做技術演講《分散式系統的工程化開發方法》；2012年在“我們的開源專案”深圳站做《Muduo 網路庫：現代非阻塞C++網路程式設計》演講。