C++ 介绍

第 0 章笔记

• 一门比较流行的编程语言
  • – https://www.tiobe.com/tiobe-index//
• C 语言的扩展

• Big Endian vs Little Endian：多字节存储，大数存储高位为 Big Endian，反之是 Little Endian
• C++ 没有规定使用哪一种方式来存储数据（但 Java 规定了）
• 相当于把选择权给了硬件

• C++ 没有垃圾回收机制，需要处理资源
• 垃圾回收需要额外的系统资源运行

C++ 中的异常处理 只有 try-catch, C# 中有 try-catch-finally. 因为垃圾回收必须要使用 finally。

• 不需要为没有使用的语言特性付出成本
  • 虚函数：没有虚函数，就不是抽象类（对应 C#，即便没有派生，也需要付出派生类的成本，因为所有的类都继承于 Object）
  • https://godbolt.org/z/fq66hM
    • 不用 new 就不用堆 （C# 会）
  • 使用了一些语言特性不等于付出运行期成本
  • https://godbolt.org/z/Pv9bWj
    • 编译期已经处理了函数逻辑
    • constrval C++ 20 关键字，在编译器内部执行，运行期不执行函数，直接返回结果。

• 一系列不断衍进的标准集合
  • C++98/03 ， C++11 ， C++14 ， C++17 ， C++20 ， C++23 ？
• 三种编程范式：面向过程、面向对象、泛型
• 函数重载、异常处理、引用
• 语言本身的改进
  • Memory Model（多线程角度 C++ 11）
  • Lambda Expression（C++11）
• 标准库的改进
  • type_traits / ranges（容器扩展）
  • auto_ptr（C++11 中被智能指针替代）

• MSVC / GCC / Clang
  • 每个编译器可能并不完全遵照标准
    • https://godbolt.org/z/cKMjK3
  • 不同的实现存在差异
    • https://godbolt.org/z/6hnPhY

• 我使用什么样的标准
• 我使用什么样的工具

• 性能
• 标准：尽量使用跨平台的库（符合标准的库），避免移植问题

• 编译器：Visual C++ / GCC (G++) / Clang (Clang++)

• time: 使用 linux 自带的 time 测试程序运行时间

/usr/bin/time

• valgrind：查内存泄漏
• Cpp reference
• Compiler explorer
  • 可以查看程序对应的汇编代码
  • 代码的分颜色：对应汇编和C++源码
  • 可选不同编译器，方便做比较
• C++ Insights：解释代码（比如 for range 是怎么实现的）
• youtube
  • cppcon

通常情况下，处理程序的方式有两种：

1. 简单加工
2. 编译+链接

将所有的内容都堆在一块，直接进行编译：

• 加工时间长
• 少量修改也会导致全部重新加工

每个文件单独编译，再进行链接

• 编译耗费资源，但一次输入少
• 链接输入多，但速度快
• 便于升级（只需要修改需要的文件即可）

C++ 基于分块处理的概念来定义自己的编译链接模型。由此概念引申出了几个重要的概念：

• 变量的问题
  • 如果是简单加工，那么只需要定义一个变量即可
  • 如果是分块处理，那么多个文件中很可能都会使用到这个变量
    • 处理的办法是：分离变量的定义与声明，定义只有一处；在需要使用的地方进行声明
    • 该定义会在链接期进行查找
• 头文件与源文件
  • 按需声明的做法，在文件较多的情况下也比较费时费力
  • 解决的方法：将所有的声明装进头文件，在需要使用的地方包含该头文件即可
    • 编译器会将头文件自动展开
• 翻译单元（编译器处理）
  • 用于处理源文件和头文件的关系
  • 将某个源文件，以及相关的头文件，除开应该忽略的预处理语句，构造出来的东西。
• 一处定义原则
  • 要求所有的翻译单元里只能有一个定义（因为编译器必须要看到定义才能编译）
  • 程序级：函数
  • 翻译单元级：内联函数，类，模板

• 预处理（preprocessor）
  • 将源文件变为翻译单元（ .i 文件）
  • 防止头文件被循环展开：嵌套的头文件会在预处理过程中反复展开
    • 使用宏 #ifndef 解决：重复定义的 Header 会被当做可丢弃的预处理语句。
      • 缺点：宏重名可能导致引入失败
    • 使用 #pragma once：对展开进行计数

g++  -E ./main.cpp o ./main.i

• 编译（Compiler）：将翻译单元转换为相应的汇编语言，并进行相应的优化（-O3）
  • 优化的缺点：可能使 debug 的信息丢失， 因此会将程序编译分为 realease 编译（速度）和 debug 编译（调试）
  • 增量编译：单独修改某个文件后进行编译，也就是根据源文件的最新时间来判断
    • 如果修改了头文件，那么应该重新编译所有的源文件（某些老编译器不支持，此时需要全部编译）
  • 全部编译（rebuild）：改完头文件后没有 自动 rebuild，那么就需要手动 rebuild

g++ main.i -S - o main.s

• 汇编（assembler)：汇编代码生成为可链接文件

g++  main.s - c- o main.o

• 链接（Linker）：
  • 整合所有的目标文件
  • 关联声明和定义
  • 生成可执行文件
  • 链接的种类：
    • 内部链接：如果变量只能存在翻译单元里面，那么是内部链接
    • 外部链接：如果可以存在于翻译单元之间，那么是外部链接（extern）
    • 无连接：都不可见，则无连接
  • 常见链接错误：定义不可见（比如有声明没定义的情况）
  • 查看当前程序的外部链接：nm target.o - o