大话C++：第1篇 C++语言概述

1 C++简介

C++是由C语言扩展升级而来，最早于1979年由本贾尼·斯特劳斯特卢普在AT&T贝尔工作室研发。C++在继承了C语言过程化程序设计特性的基础上，进一步扩充和完善了C语言，引入了面向对象的程序设计概念，如抽象数据类型、继承和多态等。这使得C++在面向对象程序设计方面具有强大的能力，同时它也可以进行基于过程的程序设计。

C++的发展历史是一个长期且充满变革的过程，它的主要发展历程：

起源（1979年）：C++的历史可以追溯到1979年，当时Bjarne Stroustrup在准备他的博士毕业论文时，使用了Simula语言，并受到其面向对象特性的启发。
"C with Classes"（1980年代初）：Stroustrup开始着手将面向对象的概念引入C语言，最初称之为"C with Classes"。
C++命名（1983年）：该语言在1983年被正式命名为C++，名称来源于C语言的"++"运算符，象征语言的递增和改进。
《The C++ Programming Language》出版（1985年）：Stroustrup的C++参考手册《C++ Programming Language》出版，同年，C++的商业版本问世。
标准化过程（1989年）：C++的标准化工作开始，成立了ANSI和ISO的联合标准化委员会。
C++98（1998年）：发布了C++语言的第一个国际标准—ISO/IEC 14882:1998，即C++98。
C++03（2003年）：针对C++98存在的问题进行了修订，发布了C++03标准。
C++11（2011年）：引入了大量现代编程特性，如自动类型推断、基于lambda的表达式、标准线程库等。
C++14（2014年）：作为C++11的增量更新，支持普通函数的返回类型推演，泛型lambda等。
C++17（2017年）：新增了UTF-8 字符文字、折叠表达式、结构化绑定等特性。
C++20（2020年）：引入了模块、协程、范围、概念与约束等新特性，是自C++11以来最大的发行版。

C++的发展受到了多种编程语言的影响，包括Simula、Algol68、BCPL、Ada等，它不仅继承了C语言的高效性和灵活性，还加入了面向对象、泛型编程和异常处理等特性。C++的设计哲学是提供给程序员强大的功能，同时保持与C语言的兼容性。

C++语言的发展历程显示了它如何逐渐演化成为一个功能强大、应用广泛的编程语言，它在系统软件、游戏开发、嵌入式系统等领域都有广泛的应用。随着新标准的发布，C++不断引入创新特性，以适应现代软件开发的需求。

2 C++面向对象程序设计

C++面向对象程序设计的特性主要包括以下四个方面：

抽象（Abstraction）：抽象是面向对象方法的核心特性，它涉及到对具体问题或对象进行概括，抽出一类对象的公共性质并加以描述的过程。在C++中，抽象可以通过定义类来实现，类中包含数据成员（属性）和成员函数（行为）。数据成员描述了对象的静态特征，而成员函数则定义了对象可以执行的操作。
封装（Encapsulation）：封装是将抽象得到的数据和行为相结合，形成一个有机整体的过程。在C++中，这通常通过类来实现，类将数据和操作数据的函数代码进行有机的整合，形成一个独立的实体。封装有助于隐藏对象的内部细节，只通过明确的接口与外部交互，从而提高了代码的安全性和可维护性。
继承（Inheritance）：继承是面向对象编程中的一个重要概念，它允许创建一个新类（派生类）继承自一个现有类（基类）。派生类继承了基类的所有属性和方法，并可以添加新的属性和方法或重写现有方法。通过继承，可以实现代码的重用和扩展，提高了软件开发的效率。
多态（Polymorphism）：多态是对人类思维方式的一种直接模拟，它允许同一个操作作用于不同的对象时，产生不同的结果。在C++中，多态可以通过虚函数和动态绑定来实现。当派生类重写了基类的虚函数时，根据对象的实际类型来调用相应的函数实现，这就是多态的体现。多态提高了代码的灵活性和可扩展性。

3 C++标准库

C++标准库（C++ Standard Library）是C++编程语言的一个组成部分，它包含了一组预定义的函数、对象和类，这些都可以被C++程序直接使用。标准库提供了广泛的功能，从基本的数据结构（如数组、向量和列表）到复杂的算法（如排序和搜索），再到输入/输出操作、文件操作、数学函数、时间日期处理等等。

C++标准库可以分为以下几类：

C库：这部分由C标准库扩展而来，它强调结构、函数和过程，并不支持面向对象技术。
标准的C++库：这包括C++ I/O库、String库、时间库（chrono）、异常库（exception）、数值库等，为C++提供基本的输入/输出、字符串处理和数值计算功能。
标准模板库（STL）：STL是C++标准库中最重要的一部分，它包含了诸多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构和基本算法。STL库主要包括六大组件，分别是容器（Containers）、算法（Algorithms）、迭代器（Iterators）、配接器（Adapters）、函数对象（Function Objects）和分配器（Allocators）。其中，容器用于管理某一类对象的集合，如向量（vector）、链表（list）、队列（queue）、栈（stack）、集合（set）和映射（map）等；算法提供了各种常用算法的实现，如排序、查找、合并、计数等；迭代器定义了一种通用的遍历容器元素的接口，使得可以使用相同的代码处理不同类型的容器。

C++标准库中的一些主要组件包括：

容器（Containers）：如向量（vector）、列表（list）、集合（set）、映射（map）等，这些数据结构用于存储和管理数据。
算法（Algorithms）：如排序（sort）、搜索（search）、查找（find）等，这些算法可以在容器上操作数据。
迭代器（Iterators）：用于遍历容器中的元素。
输入/输出流（I/O Streams）：如cin和cout，用于从控制台读取数据和向控制台写入数据。
字符串处理（String Processing）：如std::string类，用于处理字符串。
数学函数（Mathematical Functions）：如平方根（std::sqrt）、正弦（std::sin）等。
时间和日期（Time and Date）：如std::chrono库，用于处理时间和日期。

4 C++高效性

C++语言因其高效性而广受赞誉，这主要归功于以下几个方面：

贴近硬件：C++提供了直接访问内存和位操作的能力，允许程序员进行底层编程，从而实现对硬件资源的精细控制。
性能优化：C++编译器采用了多种优化技术，如内联函数、循环展开、常量传播等，以提高程序的执行效率。
无垃圾收集：C++不包含自动垃圾收集机制，而是依赖于程序员或智能指针等自动存储管理技术来管理内存，这有助于避免垃圾收集可能带来的性能开销。
丰富的标准库：C++标准库提供了高效的数据结构和算法实现，如排序、搜索等，这些实现已经过优化，可以直接用于提高程序效率。
模板编程：C++的模板允许在编译时进行多态，这意味着模板代码可以根据不同的数据类型进行优化，从而提高运行时效率。
零成本抽象：C++的设计哲学之一是使得抽象化对性能的影响尽量减小，即所谓的“零成本抽象”。这使得开发者可以使用面向对象等高级特性而不会显著牺牲性能。
多线程支持：C++11及后续标准提供了多线程库，允许开发者利用多核处理器的计算能力，进一步提高程序的执行效率。
现代C++特性：C++11及以后的标准引入了许多现代编程语言特性，如基于自动类型推断的auto关键字、基于范围的for循环、右值引用等，这些特性在保持代码清晰和简洁的同时，也有助于提高程序的运行效率。
内存管理：C++提供了多种工具和技术用于高效的内存管理，包括构造函数、析构函数、智能指针等，这些机制帮助避免内存泄漏和野指针，同时减少不必要的内存分配和释放操作。
避免不必要的复制：C++提供了对象的移动语义，允许在不牺牲性能的情况下，通过移动而不是复制来传递大型对象或资源。
编译时多态：通过模板和内联函数，C++能够实现编译时多态，这通常比运行时多态（如虚函数）更高效。
低级别系统编程：C++常用于编写操作系统、驱动程序、嵌入式系统等对性能要求极高的应用。
跨平台特性：C++程序可以在多种硬件和操作系统平台上编译运行，而不需要或仅需很少的修改，这使得C++程序能够充分利用不同平台的硬件特性。
工具链和社区：C++拥有一个成熟的工具链，包括调试器、性能分析工具等，以及一个活跃的社区，这些都有助于开发者编写和优化高效的C++程序。