解锁 C++ 新姿势：走进 21 世纪的 C++ 编程世界

jinchanchan

C++，作为编程领域的老牌语言，自诞生至今已有 45 年之久。在漫长的岁月里，它不断进化，以应对各种新挑战。然而，不少开发者仍用旧眼光看待它，仿佛还停留在上个世纪。但其实，当代 C++ 在表达思想、性能、可靠性和可维护性等方面，都有了质的飞跃。今天，咱们就一起深入了解一下 21 世纪的 C++，看看它到底藏着哪些厉害的机制和特性。

一、现代 C++ 的魅力初体验
先来看一个简单的 C++ 程序，它能从输入中读取每一行内容，并只输出其中的唯一行：
import std;using namespace std;int main(){unordered_map<string, int> m;for (string line; getline(cin, line); )if (m[line]++ == 0)cout << line << '\n';}
是不是发现，和以前的 C++ 风格相比，这个程序没有了繁琐的内存分配 / 释放操作、尺寸定义、错误处理、类型转换、指针使用、不安全的下标操作，甚至连预处理指令#include都不见了。但它却高效地实现了功能，比很多程序员花时间手写的代码还要快。要是还想提升性能，也能进一步优化。这就是现代 C++ 的魅力，用简洁的代码实现强大的功能。
再看一个变体程序，它收集唯一行供后续使用：
import std;vector<string> collect_lines(istream& is){unordered_set s{from_range, istream_iterator<string>{is}};return vector{from_range, s};}auto lines = collect_lines(cin);
这里用了unordered_set来收集唯一行，最后返回一个vector。而且，编译器能自动推导vector的元素类型，是不是很方便？不过，这里的string还是存在复制操作，后面我们会讲讲怎么优化。这些小例子就是想让大家感受下现代 C++ 的风格，打破对它的固有认知。
二、C++ 的理想追求
C++ 一直以来都有着明确的目标，这些目标贯穿其发展历程：

• 直接表达思想：用代码清晰准确地表达开发者的意图。
• 静态类型安全：通过静态类型检查，在编译阶段发现类型相关的错误，提高代码的稳定性。
• 资源安全（无泄漏）：确保程序中使用的资源（如内存、文件句柄等）都能正确释放，避免资源泄漏。
• 直接访问硬件：让开发者能够直接操作硬件资源，满足对性能要求极高的场景。
• 高性能（高效）：生成的代码运行效率高，能充分利用系统资源。
• 可扩展（零开销抽象）：在不增加额外运行时开销的前提下，方便地进行代码扩展和复用。
• 可维护（易理解代码）：代码结构清晰，易于阅读和维护。
• 平台独立（可移植）：编写的代码能在不同的操作系统和硬件平台上运行。
• 稳定（兼容）：保证与早期版本的 C++ 兼容，让旧代码能在新环境中继续运行。
  

为了实现这些目标，C++ 不断发展，既有像类的构造函数和析构函数、异常处理、模板、std::vector这样的经典特性，也有模块、概念、Lambda 表达式、范围、constexpr和consteval、并发支持和并行算法、协程、std::shared_ptr等新特性。关键在于，要根据实际问题，合理组合使用这些特性和库功能。
三、资源管理：C++ 的关键能力
在 C++ 里，资源管理至关重要。资源可以是内存、锁、文件句柄等，为了避免资源泄漏，不能依赖手动释放资源。C++ 的基本做法是把资源绑定到一个句柄上，当句柄的作用域结束时，自动释放资源，这就是 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制。
比如自定义的Vector类：
template<typename T>class Vector {public:    Vector(initializer_list<T>);    ~Vector();private:    T* elem;int sz;};
这里的Vector就是一个资源句柄，它的构造函数负责分配内存和初始化元素，析构函数负责释放内存和销毁元素。使用时就像这样：
void fct(){    Vector<double> constants {1, 1.618, 3.14, 2.99e8};    Vector<string> designers {"Strachey", "Richards", "Ritchie"};    Vector<pair<string, jthread>> vp { {"producer",prod}, {"consumer",cons}};}
constants、designers和vp在创建时由构造函数初始化，作用域结束时由析构函数自动释放，而且这种初始化和释放是递归的，即使内部包含复杂的对象，也能妥善处理。
（一）控制对象生命周期
管理资源对象的生命周期对资源管理很关键。C++ 通过构造函数、析构函数、复制构造函数、移动构造函数等操作来控制对象生命周期：

• 构造函数：在对象首次使用前调用，用于建立类的不变量。
• 析构函数：在对象最后一次使用后调用，用于释放资源。
• 复制构造函数和赋值运算符：用于创建和赋值具有相同值的新对象。
• 移动构造函数和移动赋值运算符：用于在对象间移动资源，通常在不同作用域之间。
  

（二）消除冗余复制
回到collect_lines函数的例子，之前的版本存在string的复制操作，会影响性能。优化后可以这样写：
vector<string> collect_lines(istream& is){unordered_set s{from_range, istream_iterator<string>{is}};return vector{from_range, std::move(s)};}
这里通过std::move将set中的元素移动到vector中，避免了不必要的复制。在很多情况下，编译器还会进行 “复制省略” 优化，进一步提高效率。
（三）资源与错误处理
C++ 追求资源安全，在错误情况下也不能泄漏资源。基本规则是：不泄漏资源，不使资源处于无效状态。当检测到无法在本地处理的错误时，要将访问的对象置于有效状态，释放函数负责的资源，让调用链上的其他函数处理资源相关问题。所以，“裸指针” 不能可靠地用作资源句柄。
在处理错误时，C++ 有两种方式：对于常见且能在本地处理的错误，使用错误代码和测试；对于罕见且无法在本地处理的错误，使用异常。基于异常的错误处理不能和用作资源句柄的指针一起使用，要结合异常、RAII 和错误代码来实现可靠的错误处理。
四、模块化：告别旧方式，迎接新变革
C++ 从 C 继承来的预处理器虽然被广泛使用，但它给工具开发和编译器性能带来了不少问题。比如用头文件来实现模块化就存在不少弊端，#include指令会导致包含顺序不同可能有不同含义，而且具有传递性，会造成重复编译和微妙的依赖错误。
而 C++ 现在提供的模块功能就解决了这些问题。模块的导入是顺序无关的，相互独立，能有效避免依赖错误。模块只需要编译一次，大大提高了编译速度。比如一个包含大量代码的库，使用#include编译需要 1.5 秒，而使用模块导入只需要 0.062 秒，速度提升明显。就连标准库也都被做成了模块，像经典的 “hello world” 程序，使用import std;替换#include <iostream>后，编译时间从 0.87 秒骤降至 0.08 秒。
五、泛型编程：C++ 的强大武器
泛型编程是现代 C++ 的核心基础之一，它让代码能适用于多种类型，实现代码的简洁、高效和类型安全。C++ 通过模板来支持泛型编程，标准库中到处都有模板的身影，比如容器、算法、并发支持、内存管理、I/O、字符串和正则表达式等。
例如，我们可以写一个排序函数，能对所有符合标准的可排序范围进行排序：
void sort(Sortable_range auto& r);vector<string> vs;// … fill vs …sort(vs);array<int, 128> ai;// … fill ai …sort(ai);
编译器会检查参数类型是否符合Sortable_range的要求，如果不符合，在使用时就会报错。比如对list<int>进行排序就会出错，因为list不支持随机访问。
（一）概念：让泛型编程更强大
概念是 C++20 引入的编译时谓词，用于表达模板参数的要求。比如Sortable_range概念：
template<typename R>concept Sortable_range =    random_access_range<R>    && sortable<iterator_t<R>>;
它表示一个类型R要是Sortable_range，需要既是random_access_range，迭代器类型又要是sortable。概念还可以用 “使用模式” 直接指定类型的属性，而且我们可以用static_assert显式检查类型是否符合概念。
（二）编译时求值
在现代 C++ 中，很多简单函数都能在编译时求值，像constexpr、consteval和concept。例如：
constexpr auto jul = weekday(December/24/2024);
为了能在编译时求值，这些函数不能有副作用、访问非局部数据或存在未定义行为，但它们可以使用标准库的很多功能。编译时求值不仅提高了性能，还为代码带来了更多的可能性。
六、遵循准则，保障代码质量
虽然现代 C++ 有诸多优势，但升级代码并不容易，旧习惯也很难改，网上和教材中还有很多过时的信息。为了帮助开发者更好地使用现代 C++，避免陷入语言的 “死角”，人们制定了各种准则，其中 C++ 核心准则是比较有代表性的。
（一）准则的策略
C++ 核心准则采用 “子集 - 超集” 策略：先通过一些库抽象扩展语言，方便高效地使用准则；然后禁止使用低级、低效和易错的特性。这样得到的是更强大、安全、灵活和快速的 C++，同时还是 100% 符合 ISO 标准的 C++，在需要时依然可以使用那些底层特性。
（二）准则示例：不使用指针下标
指针没有关联的范围信息，使用指针下标容易引发内存安全和类型安全问题。比如：
void f(int* p, int n){for (int i = 0; i < n; i++)        do_something_with(p[n]);}int a[100];// …f(a, 100);f(a, 1000);
这里如果n的值不合理，就会访问越界。而使用span可以解决这个问题：
void f(span<int> a){for (int& x: s)         do_something_with(x);}int a[100];// …f(a); f({a, 1000});
span持有指针和元素个数，能进行范围检查，使用起来更安全、简洁。
（三）准则示例：不使用无效指针
有些容器（如vector）在操作时可能会重新分配元素位置，如果外部获取的指向容器元素的指针在重新分配后还被使用，就会出问题。通过遵循 C++ 的使用规则，利用本地静态分析可以防止指针无效化。
（四）强制执行：配置文件
准则虽然有用，但在大型代码库中很难完全遵循，所以强制执行很重要。我们把强制执行的一组连贯的准则规则称为 “配置文件”。目前计划的初始配置文件包括类型、生命周期、边界、算术等方面的检查，未来还会有针对特定应用领域的配置文件。配置文件主要在编译时进行检查，部分重要检查在运行时进行，而且可以根据需要在代码中显式请求或抑制某个配置文件的检查。
七、C++ 的未来展望
C++ 的发展由 ISO 标准委员会控制，目前有很多正在进行的工作，如异步计算模型、静态反射、SIMD、契约系统、函数式编程风格的模式匹配、通用单位系统等，虽然将这些不同的想法整合到一起是个挑战，但也为 C++ 的未来发展带来了无限可能。
八、总结C++
在不断发展进化，当代 C++ 在很多方面都比早期版本更接近理想状态，为开发者提供了更好的代码质量、类型安全、表达能力和性能，应用领域也更加广泛。但发展过程中也存在一些问题，比如人们对 C++ 的误解，以及工具支持的滞后。不过，C++ 的模型依然强大，包括静态类型系统、对内置类型和用户定义类型的平等支持、值和引用语义、系统且通用的资源管理、高效的面向对象编程、灵活高效的泛型编程、编译时编程、直接使用机器和操作系统资源、通过库支持并发等。希望大家能深入了解现代 C++，充分利用它的优势，编写出更优秀的代码。你对 C++ 的这些新特性有什么看法呢？欢迎在评论区留言分享！

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