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01 | 重新认识C++：生命周期和编程范式
2020-05-06 罗剑锋
罗剑锋的C++实战笔记
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讲述：Chrono
时长13:20大小12.22M
你好，我是 Chrono。
今天是专栏的第一节正式课。我想，既然你选择了这个专栏，你就应该已经对 C++ 有所了解了，而且有过一些开发经验，甚至还掌握了一两种其他的语言。
苏轼有诗云：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”学习 C++ 很容易被纷繁复杂的语法细节所吸引、迷惑，所以，我决定从“生命周期”和“编程范式”这两个不太常见的角度来“剖析”一下 C++，站在一个更高的层次上审视这门“历久弥新”的编程语言，帮你认清楚 C++ 最本质的东西。
这样，今后在写程序的时候，你也会有全局观或者说是大局观，更能从整体上把握程序架构，而不会迷失在那些琐碎的细枝末节里。
现在，我们先来了解下 C++ 的生命周期。
C++ 程序的生命周期
如果你学过一点软件工程的知识，就一定知道“瀑布模型”，它定义了软件或者是项目的生命周期——从需求分析开始，经过设计、开发、测试等阶段，直到最终交付给用户。
“瀑布模型”把软件的生命周期分成了多个阶段，每个阶段之间分工明确，相互独立，而且有严格的先后次序，是一个经典的开发模型。虽然它已经不再适合瞬息万变的互联网产业了，但仍然有许多值得借鉴和参考的地方。
那么，说了半天，“瀑布模型”跟 C++ 程序有什么关系呢？
其实，从软件工程的视角来看，一个 C++ 程序的生命周期也是“瀑布”形态的，也可以划分出几个明确的阶段，阶段之间顺序衔接，使用类似的方法，就可以更好地理解 C++ 程序的运行机制，帮助我们写出更好的代码。
不过，因为 C++ 程序本身就已经处在“开发”阶段了，所以不会有“需求分析”“设计”这样的写文档过程。所以，一个 C++ 程序从“诞生”到“消亡”，要经历这么几个阶段：编码（Coding）、预处理（Pre-processing）、编译（Compiling）和运行（Running）。
C++程序的四个阶段
C++ 程序的四个阶段
编码应该是你很熟悉的一个阶段了，这也是我们“明面”上的开发任务最集中的地方。
在这个阶段，我们的主要工作就是在编辑器里“敲代码”：定义变量，写语句，实现各种数据结构、函数和类。
编码阶段是 C++ 程序生命周期的起点，也是最重要的阶段，是后续阶段的基础，直接决定了 C++ 程序的“生存质量”。
显然，在编码阶段，我们必须要依据一些规范，不能“胡写一气”，最基本的要求是遵循语言规范和设计文档，再高级一点的话，还有代码规范、注释规范、设计模式、编程惯用法，等等。现在市面上绝大部分的资料都是在教授这个阶段的知识，在专栏后面，我也会重点讲一讲我在这方面的一些经验积累。
那么，编码阶段之后是什么呢？
可能对你来说稍微有点陌生，这个阶段叫预处理。
所谓的预处理，其实是相对于下一个阶段“编译”而言的，在编译之前，预先处理一下源代码，既有点像是编码，又有点像是编译，是一个中间阶段。
预处理是 C/C++ 程序独有的阶段，其他编程语言都没有，这也算是 C/C++ 语言的一个特色了。
在这个阶段，发挥作用的是预处理器（Pre-processor）。它的输入是编码阶段产生的源码文件，输出是经过“预处理”的源码文件。“预处理”的目的是文字替换，用到的就是我们熟悉的各种预处理指令，比如 #include、#define、#if 等，实现“预处理编程”。这部分内容，我后面还会展开讲。
不过，你要注意的是，它们都以符号“#”开头，虽然是 C++ 程序的一部分，但严格来说不属于 C++ 语言的范畴，因为它走的是预处理器。
在预处理之后，C++ 程序就进入了编译阶段，更准确地说，应该是“编译”和“链接（Linking）”。简单起见，我统一称之为“编译”。
在编译阶段，C++ 程序——也就是经过预处理的源码——要经过编译器和链接器的“锤炼”，生成可以在计算机上运行的二进制机器码。这里面的讲究是最多的，也是最复杂的，C++ 编译器要分词、语法解析、生成目标码，并尽可能地去优化。
在编译的过程中，编译器还会根据 C++ 语言规则检查程序的语法、语义是否正确，发现错误就会产生“编译失败”。这就是最基本的 C++“静态检查”。
在处理源码时，由于编译器是依据 C++ 语法检查各种类型、函数的定义，所以，在这个阶段，我们就能够以编译器为目标进行编程，有意识地控制编译器的行为。这里有个新名词，叫“模板元编程”。不过，“模板元编程”比较复杂，不太好理解，属于比较高级的用法，稍后我会再简单讲一下。
编译阶段之后，有了可执行文件，C++ 程序就可以跑起来了，进入运行阶段。这个时候，“静态的程序”被载入内存，由 CPU 逐条语句执行，就形成了“动态的进程”。
运行阶段也是我们最熟悉的了。在这个阶段，我们常做的是 GDB 调试、日志追踪、性能分析等，然后收集动态的数据、调整设计思路，再返回编码阶段，重走这个“瀑布模型”，实现“螺旋上升式”的开发。
好了，梳理清楚了 C++ 程序生命周期的四个阶段，你可以看到，这和软件工程里的“瀑布模型”很相似，这些阶段也是职责明确的，前一个阶段的输出作为后一个阶段的输入，而且每个阶段都有自己的工作特点，我们可以有针对性地去做编程开发。
还有，别忘了软件工程里的“蝴蝶效应”“混沌理论”，大概意思是：一个 Bug 在越早的阶段发现并解决，它的价值就越高；一个 Bug 在越晚的阶段发现并解决，它的成本就越高。
所以，依据这个生命周期模型，我们应该在“编码”“预处理”“编译”这前面三个阶段多下功夫，消灭 Bug，优化代码，尽量不要让 Bug 在“运行”阶段才暴露出来，也就是所谓的“把问题扼杀在萌芽期”。
C++ 语言的编程范式
说完了 C++ 程序的生命周期，再来看看 C++ 的编程范式（Paradigm）。
什么是编程范式呢？
关于这个概念，没有特别权威的定义，我给一个比较通俗的解释：“编程范式”是一种“方法论”，就是指导你编写代码的一些思路、规则、习惯、定式和常用语。
编程范式和编程语言不同，有的范式只能用于少数特定的语言，有的范式却适用于大多数语言；有的语言可能只支持一种范式，有的语言却可能支持多种范式。
那么，你一定知道或者听说过，C++ 是一种多范式的编程语言。具体来说，现代 C++（11/14 以后）支持“面向过程”“面向对象”“泛型”“模板元”“函数式”这五种主要的编程范式。
其中，“面向过程”“面向对象”是基础，支撑着后三种范式。我画了一个“五环图”，圆环重叠表示有的语言特性会同时应用于多种范式，可以帮你理解它们的关系。
C++编程范式的“五环图”
接下来，我就和你详细说说这五种编程范式。
C++ 语言的五种范式
面向过程是 C++ 里最基本的一种编程范式。它的核心思想是“命令”，通常就是顺序执行的语句、子程序（函数），把任务分解成若干个步骤去执行，最终达成目标。
面向过程体现在 C++ 中，就是源自它的前身——C 语言的那部分，比如变量声明、表达式、分支 / 循环 / 跳转语句，等等。
面向对象是 C++ 里另一个基本的编程范式。它的核心思想是“抽象”和“封装”，倡导的是把任务分解成一些高内聚低耦合的对象，这些对象互相通信协作来完成任务。它强调对象之间的关系和接口，而不是完成任务的具体步骤。
在 C++ 里，面向对象范式包括 class、public、private、virtual、this 等类相关的关键字，还有构造函数、析构函数、友元函数等概念。
泛型编程是自 STL（标准模板库）纳入到 C++ 标准以后才逐渐流行起来的新范式，核心思想是“一切皆为类型”，或者说是“参数化类型”“类型擦除”，使用模板而不是继承的方式来复用代码，所以运行效率更高，代码也更简洁。
在 C++ 里，泛型的基础就是 template 关键字，然后是庞大而复杂的标准库，里面有各种泛型容器和算法，比如 vector、map、sort，等等。
与“泛型编程”很类似的是模板元编程，这个词听起来好像很新，其实也有十多年的历史了，不过相对于前三个范式来说，确实“资历浅”。它的核心思想是“类型运算”，操作的数据是编译时可见的“类型”，所以也比较特殊，代码只能由编译器执行，而不能被运行时的 CPU 执行。
在讲编译阶段的时候我也说了，模板元编程是一种高级、复杂的技术，C++ 语言对它的支持也比较少，更多的是以库的方式来使用，比如 type_traits、enable_if 等。
最后一个函数式，它几乎和“面向过程”一样古老，但却直到近些年才走入主流编程界的视野。所谓的“函数式”并不是 C++ 里写成函数的子程序，而是数学意义上、无副作用的函数，核心思想是“一切皆可调用”，通过一系列连续或者嵌套的函数调用实现对数据的处理。
函数式早在 C++98 时就有少量的尝试（bind1st/bind2nd 等函数对象），但直到 C++11 引入了 Lambda 表达式，它才真正获得了可与其他范式并驾齐驱的地位。
好了，介绍完了这五种编程范式，你可以看到，它们基本覆盖了 C++ 语言和标准库的各个成分，彼此之间虽然有重叠，但在理念、关键字、实现机制、运行阶段等方面的差异还是非常大的。
这就好像是五种秉性不同的“真气”，在 C++ 语言里必须要有相当“浑厚”的内力才能把它们压制、收服、炼化，否则的话，一旦运用不当，就很容易“精神分裂”“走火入魔”。
说得具体一点，就是要认识、理解这些范式的优势和劣势，在程序里适当混用，取长补短才是“王道”。
说到这儿，你肯定很关心，该选择哪种编程范式呢？
拿我自己来说，我的出发点是“尽量让周围的人都能看懂代码”，所以常用的范式是“过程 + 对象 + 泛型”，再加上少量的“函数式”，慎用“模板元”。
对于你来说，我建议根据自己的实际工作需求来决定。
我个人觉得，面向过程和面向对象是最基本的范式，是 C++ 的基础，无论如何都是必须要掌握的，而后三种范式的学习难度就大一些。
如果是开发直接面对用户的普通应用（Application），那么你可以再研究一下“泛型”和“函数式”，就基本可以解决 90% 的开发问题了；如果是开发面向程序员的库（Library），那么你就有必要深入了解“泛型”和“模板元”，优化库的接口和运行效率。
当然，还有一种情况：如果你愿意挑战“最强大脑”，那么，“模板元编程”就绝对是你的不二选择（笑）。
小结
今天是开篇第一课，我带你从“生命周期”和“编程范式”这两个特别的角度深度“透视”了一下 C++，做个简单小结：
C++ 程序的生命周期包括编码、预处理、编译、运行四个阶段，它们都有各自的特点；
虽然我们只写了一个 C++ 程序，但里面的代码可能会运行在不同的阶段，分别由预处理器、编译器和 CPU 执行；
C++ 支持面向过程、面向对象、泛型、模板元、函数式共五种主要的编程范式；
在 C++ 里可以“无缝”混用多范式编程，但因为范式的差异比较大，必须小心谨慎，避免导致混乱。
课下作业
最后是课下作业时间，给你留两个思考题：
你是怎么理解 C++ 程序的生命周期和编程范式的？
试着从程序的生命周期和编程范式的角度，把 C++ 和其他语言（例如 Java、Python）做个比较，说说 C++ 的优点和缺点分别是什么。
欢迎你在留言区写下你的思考和答案，如果觉得对你有所帮助，也欢迎把今天的内容分享给你的朋友，我们下节课见。
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2020-05-06以前看过罗老师的《BOOST程序库完全开发指南》有不少收获，极客上看见罗老师Cpp课程毫不犹豫就买了，希望跟罗老师学习更多。展开作者回复: 感谢老读者捧场，有Boost的问题也可以在这里随时问。
6
2020-05-061、编程范式其实用的最多的就是面向过程、面向对象、类模板和泛型编程。
2、C++的优点是运行效率高，毕竟比较靠近底层硬件了。C++的缺点就是面向对象的不彻底，多重继承确实比较混乱难理解。展开作者回复: 说的很好。
对于第二点，C++不是不彻底，而是不存粹，毕竟它是面向对象的探路先锋，走了一些弯路，给后来的java等语言蹚了道。
其实如果你愿意，完全可以在C++里按照Java的风格来写面向对象，这就是C++给予我们的自由。 5
2020-05-06回答老师的问题并提出我自己的问题:
1. 生命周期我比较熟悉, 这个过程可以用之前对编程范式了解不多, 今天头一次听说, 我觉得这个好像更是一种 "解决问题的习惯". 请问老师网上的 google c++ style guide 算不算是一直种范式?
2. 比较 c++ 与 python:
python: 语法简单, 而且 "互动感" 很强, 对 object 进行操作的时候可以一句一句运行.
C++: 执行速度快, 优化空间大, 感觉写代码的时候在和内存说话, 自己知道自己在写什么.
向老师提一个不情之请: 我的 C++ 是直接用英文学的, 希望老师多给出一些对应的英文帮助理解.
再小小八卦一下, 老师您的英文名和这个有关系吗: auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();?展开作者回复: 回答的很认真，表扬。
1.编程范式是一种方法论，指导如何编程，偏重语法规则。Google style guide是编码风格指南，还不算是范式。可以结合课程正文再理解一下。
2.比较的挺好，一个是解释型语言，一个是编译型语言。
3.C++的语法要素中英文翻译都比较规范了，如果纯英文有时候会有点别扭，有不清楚的就问吧，我给解答。
4.这个名字来自于超任的《chrono trigger》，25年前的老游戏。 1 3
2020-05-091. 生命周期是值得整个C++程序的开发运行过程，除编码外都是由编译器完成。像预编译、编译、链接的过程实际知道原理即可，达到出现问题的时候能够解决。
编程范式就是编程思想（方法路），c++复杂的根源，包含了五种。功能是足够强大，但如果不合理使用，一味的去“炫技”，会不利于开发。核心思路是以可读性和可维护性为第一原则。
2. C++静态编程语言，存在代码编译过程即把字符代码转化为机器码（二级制文件）。python是动态（脚本）语言，执行代码可以不经过编译，执行过程为解释执行，相比c++程序最终的二进制直接执行来说解释执行效率会低得多。但从编程范式的角度，python支持的主要的编程方式（过程、函数、‘面向对象’（鸭子对象））该有的都有，比c++更简单易用，官方库强大的特点（通用性强）。解析器可以理解一个中间层，它的存在可以提高python等动态语言的可移植性，而c++的可移植性相比之下是要弱一些，需要考虑abi和平台相关。另外c++的代码安全性高，反汇编难度很大。java我的理解是介于动态语言和静态语言之间，就不做过多比较。展开作者回复: 总结的很好。
在C++里，所谓的鸭子对象，其实就是泛型。 1
2020-05-09罗老师，面向对象和基于对象有什么区别？展开作者回复: 这两个广义上都属于面向对象，严格来说也算是有区别。
前者强调统一用对象建模，多应用设计模式，对象关系复杂。
而后者则相当于C with class，只把class当成struct来封装数据，继承、多态等高级特性用的比较少。 1
2020-05-071、C++生命周期中的预处理和编译是其特有的环节，编译执行是其高效的基础，相比而言java、python等解释执行的语言更有优势。但正是出于效率的考虑，C++的编译执行给程序员提供了足够的灵活性，但也提供了无限出错的可能，这也是其难学的原因。另外，关于C++的预处理和编译，希望老师在后续课程中多花些时间讲解一下，之前每次遇到Link Error，都不知道怎么处理。
2、编程范式方面，个人觉得开发应用程序，面向过程和面向对象是基础，外加使用泛型即可满足大部分要求。函数式编程目前还没有深入了解过，如果团队中没有80%的人掌握，不建议使用。展开作者回复:
1.编译链接出错确实是很多C++程序员最头痛的问题，报错信息一大堆，很不友好。我的方法是去搜索引擎里搜一下错误文字，通常都能够找到答案或者提示。
2.理解的很对，C++的应用水平取决于团体的整体水平，但如果总停留在低水平既不利于项目也不利于自己，可以通过培训、讨论来提高，这样C++就会越用越爽。 1
2020-05-11罗老师，您好，主要目前的工作全都是c++11新特性写的代码，我之前工作两年都是98标准，刚入职两天。对新特性的代码读的不太懂，想通过您的课程，快速去理解代码，但是想知道 如何快速的去理解新特性的代码，现在就是边搜索。边去理解。但是感觉很困难，搜到的例子很简单易懂。但是结合项目。就觉得别人写的很深奥。展开- 2020-05-101、C++程序的生命周期，分为： 编辑代码 -》预处理器进行相关宏定义，typedef等替换 -》编译器编译成汇编代码，汇编器生成目标obj -》ld连接器进行相应库的链接 -》 生成的可执行文件其实就是这些obj的打包文件，如果是静态链接的话则还包含静态库的内容，如果是动态库则包含执行动态库的路径 -》执行起来成为一个进程 -》进程结束意味着该C++程序的生命周期结束了；
我理解的C++的范式，就是C++支持编码的多种方式，支持面向过程，支持面向对象，支持泛型编程，支持函数式方式编程，支持模板元编程，经常使用的就是面向对象+面向过程+泛型模板
2、C++对比Java，从编译的角度看C++需要预处理，并且最终会编译成二进制的机器码，Java编译成字节码，被Java虚拟机进行解释，而不是真正的机器码；
我理解的C++的优点缺点如下：
C++的优点：
1）能够直接编译成机器码，是真正的跨平台代码；
2）C++直接编译成机器码，则可以直接被CPU执行，而Java需要中间的java虚拟机解释执行，从开销看，C++的效率会高些；另外Java是动态类型安全语言，意味着需要由虚拟机来确保程序不会违反语言语义或访问非结构化内存，在实现层面上，虚拟机必须要频繁的进行动态检查，如是否为空指针，数组是否越界，类型转换关系等，这些都需要耗费不少运行时间，但是C++不需要，空指针，越界，果断coredump掉；
缺点：
1、从编译的角度看，要编译成二进制文件，预处理等其他繁琐的编译步骤，要比java直接编译成字节码要慢；
2、C++在C++11之前没有内管里边做的很不好，对于新手不友好，在经验不足的时候容易出现cordump或内存泄漏的情况，C++11使用智能指针让内存管理方便不少；
2、罗老师说C++中包含了五种“真气”，我的理解更简单，C++其实就是5种语言组成的集合，相比其他Java学习成本更加陡峭；展开作者回复: 总结的很好，有几个小错误要说一下。
1.typedef是在编译阶段，而不是预处理阶段，这个后面讲预处理、编译的时候你就清楚了。
2.直接编译成机器码，但这并不是跨平台的代码，而是源码可以跨平台，由不同的编译器编译成对应平台的二进制代码。
Java等语言的字节码由于运行在虚拟机上，它才是跨平台的代码。
3.C++编译慢还有一个原因，就是语法复杂，还有编译优化等等。 
2020-05-10由于项目代码比较老，现在很多开源库都是11的。请问老师可否将c++11的代码，能否逆向转化成c++03的？对于老工程，语言生态已经停滞更新，如何应对？展开作者回复:
1.可行，但难度会比较大，C++11里的很多新特性在98/03里只能模拟实现，甚至无法模拟。
2.这种情况就要重构了，不破不立，不要总是背着历史的包袱。像gcc，以前一直用C，后来终于下狠心，转成了C++，转完以后就爽了。
2020-05-08生命周期就像想法到实现的过程。从编码到运行是单个cpp程序的生命周期，同时也是一个大的cpp工程的生命周期。
编程范式是实现想法的设计方法，有道是条条大路通罗马，编程范式更像是通往罗马（实现设计）的一条道路。展开作者回复: 说的很好，理解了这两个概念，我们才能把握C++的本质，把C++的特性分类分治来学习。
- 2020-05-08老师，请教个问题，我目前坐容器相关得工作，但是开发很少。一直认为程序员开发得基本功必须扎实，所以又过来看看久违的c++。老师觉得我应该换个工作提高开发水平，还是其他
作者回复: 不知道你说的容器是不是docker，它用的是go。
如果是这样的话，我觉得现在微服务、service mesh、云还是很热门的，可以继续努力。
但学习C++可以让你打好基础，理解底层计算机的运行机制，反过来让你在上层更好地工作。
而且C++也很容易编写各种底层模块给上层调用，做混合编程里最核心最要求性能的那部分。 2 
2020-05-07感兴趣的两个方向图形学和音视频都是C++逃不掉，C++性能和效率还是高啊作者回复: 这两个方向都是C++擅长的领域，可惜我没往这方面发展。
2020-05-07学过一点点cpp。
生命周期：了解到cpp的从写到运行的机制，不再是黑盒子；
编程范式：面向过程，面向对象，泛化编程，函数式编程，模版元这些范式让我明白，范式有自己的特点和优势，清楚的掌握他们，将他们作为工具充分利用，应该可以避免混淆；
cpp与python比较：
python：简单、易用，可以快速实现算法，不过很慢；
cpp：难学难用，编程过程中要考虑很多关于内存的问题，不过运行超快；
同样的算法，cpp写出来比python快好几个量级
最后的问题：多线程、重载、多态、智能指针、动态内存，这些平时用的多不多，学习的时候应该注意什么？展开作者回复: 总结的很好。
你提的这些特性，多线程复杂但有用，重载、多态学起来容易但有很多陷阱，智能指针是好东西，后面我会专门讲，它和容器都可以用来管理动态内存。
我的建议是先学简单的特性，复杂易错的特性少用，有经验了再扩大使用范围。
2020-05-07我的C++一直没学懂没学好。希望能跟上罗老师的步伐，填补我知识结构的空缺。
罗老师把C++的生命周期与瀑布模型进行类比，形象地把C++的编程过程进行剖析，通过在生命周期四个过程的来回改进，实现程序的螺旋式上升，巧妙地说清了软件开发是个不断迭代的过程。
关于C++的优点，都说是因为贴紧硬件底层，与java相比，少了把源码先翻译成字节码，而是直接翻译成机器码。与脚本语言相比，脚本语言读一条指令执行一条，和用户的交互性好，比较容易一步步优化代码；而C++是一次编译，就全翻译成机器码，要求思维比较严谨，牵一发动全身。
请老师指正。展开作者回复: 说得很好。
生命周期这个其实是为了方便大家理解C++程序，把它分解成几个阶段，有的C++特性只在某个阶段起作用，这样就会认识的比较清楚。
2020-05-07能把问题通俗易懂的讲出来,才见功夫,老师厉害!不知道后续课程里面有Boost相关的知识点没有,想多了解Boost相关?展开作者回复: Boost太大，不太好讲，下次如果有机会再说吧，这次的主题是C++本身。
2020-05-07罗老师考虑出视频教程么？展开作者回复: 暂时还没有想法，我个人觉得能用文字和音频解决最好，视频教程花的精力比较多，抱歉啊。
1
2020-05-07模版元简直变态，各种黑魔法展开作者回复: 在C++98时代模板元编程特别复杂，到了C++11/14就好一些了，因为有了using别名，可以在编译阶段写类型的赋值语句。
不过模板元编程还是属于高级技巧，应用的场合比较少，所以这次的专栏就暂时不讲。- 2020-05-06准备上车了展开
作者回复: 共同努力。
2020-05-06老师好，在编译和链接是不是还有一个汇编阶段，汇编器将汇编代码转换成目标代码作者回复: 精确地说是的，但我这里把由源码转换到二进制的过程统一称为编译阶段，省事了。
2020-05-06老师的思路确实给徘徊在入门与放弃C++的人提供了一条新路，听完很有感触。生命周期的阶段划分，预处理单独成段？为啥不叫编译预处理？展开作者回复: 预处理是C语言的传统，就是文本替换，不涉及语法，英文术语就叫pre-process，用原文来理解吧。
