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C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

时间:2022-07-19 14:42:03  来源:  作者:程序猿阿诺

引言

知乎上关于“C++难学”的话题,有个高赞回答,说用了十年C++,只敢说“我有一定的C++基础”。这内容虽然是戏谑C++难学,但其实也道出了不少程序员的心声。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

C++为什么会被认为是一门很难学好的语言?

对于初学者来说,总想把C++的特性都学会了,再去解决问题。那么就会发现,这门语言的特性不仅繁杂,而且标准还总在更新。

不仅如此,它支持的编程范型还多,包括过程式、面向对象式、函数式、泛型、模板元。一个问题能有N种解法,到底用哪种呢?

我在早期的一个C++项目中,出于强烈的探索心,既炫技式的使用一些特性,还混合了多种编程范型,导致后来工作交接时困难重重。我本来想为问题找到最好答案,结果解决办法本身却成了问题。

C++ 之父 Bjarne Stroustrup 当初在设计这门语言时,一个核心哲学就是将更多的自由交给程序员。所以这也就 C++ 中包含了诸多特性,又支持多种编程范型的原因。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

Bjarne Stroustrup

因此,用好 C++ 的前提是程序员对要解决的问题,有足够清楚的认识,从而将语言的威力发挥出来。

那么,C++要怎么学,怎么用?

在《C++沉思录》这本书中,可以找到答案。

看到重要之处

《C++ 沉思录》的两位作者 Andrew Koeing 与 Barbara Moo 可谓程序员界的神仙侠侣。Andrew 大神早在1977年就加入贝尔实验室,在那里他开始了对 C/C++ 语言的研究。Barbara 于1983年进入贝尔实验室,也致力于对 C++ 的研究与应用。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

Andrew Koeing

夫妻俩平常除了研究编程语言,还将自己的思考写下来,形成一系列的技术文章发表。这些文章在业界获得了广泛的好评,于是 Andrew 大神夫妻从中精挑细选,就有了这本经典的《C++ 沉思录》。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

Barbara Moo

我想对近几年成长起来的新生代 C++ 程序员们做出一些阅读提示。本书写作年代早于 C++ 11标准公布之前,而已经习惯了 Morden C++ 语法的程序员初看此书时可能会有疑问,为什么要看一本连 C++ 11 特性都完全不涉及的书?

答案有两个。

首先,就是 Andrew 大神所强调的,优秀的程序员并不是掌握了最多语言特性的,而是能够出色解决问题的。所以这本书将程序设计放在第一位,C++ 次之。

其次,Andrew 大神不仅是 Bjarne Stroustrup 的铁哥们,还是 ANSI C++ 标准委员会的项目编辑。因此他在 C++ 的发展上有着举足轻重的作用,我们现在使用到的诸多新特性,都能在这本书中找到思考的雏形。

所以,我们在看这本书时,不必拘泥于语言层面的时效性,而要将注意力放在大神解决问题的思维方式上。跟随 Andrew 大神从理解问题出发,走过程序设计的探索之路,最终找到解答。

C++可以做好,而C做不好的

在序幕中,Andrew 大神就遇到一位同事问:“你能说服我去学习C++,而不是 C 吗?”

由此,Andrew 大神进一步思考:有什么事情是 C++ 可以做好,而 C 却做不好的?

他选择从面向对象编程这个方向切入,于是设计了一个简单的跟踪消息输出类。它展示了类的公有方法、私有属性的封装特性,并且讨论了在变更功能时,C++ 的解决办法要更加简单优雅,而 C 则要关注太多的细节。

对面向对象编程的支持,是 C++ 最基本的核心功能点。Andrew 大神认为对于问题的思考,要建立在足够抽象的层面上,而不是眉毛胡子一把抓。而类就是 C++ 的核心概念。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

Andrew 大神用开车来打比方,如果司机要关注发动机、变速箱、传动装置是怎么工作的,那他上路就得出车祸。此例即说明,程序员要做的是抓住问题的本质,并且为本质定义一个类,最后是确保这个类能够独立的工作。

如果要解决的问题很复杂,那就对问题进行拆分,保证一个类只解决一个具体的问题。以继承的方式,将类之间的关系组织起来;再以动态绑定的方法,来实现具体的处理逻辑;对象间以通信的方式,实现数据交换。这就是面向对象设计的一般性原则。

而对于一个类应该怎么设计,Andrew 大神提出了一个类设计者的核查表。这无论是对于新手还是老鸟,都十分有借鉴意义,因此我将其整理引用如下:

1. 你的类需要一个构造函数吗?
2. 你的数据成员是私有的吗?
3. 你的类需要一个无参的构造函数吗?
4. 是不是每个构造函数初始化所有的数据成员?
5. 类需要析构函数吗?
6. 类需要一个虚析构函数吗?
7. 你的类需要复制构造函数吗?
8. 你的类需要一个赋值操作符吗?
9. 你的赋值操作符能正确地将对象赋给对象本身吗?
10. 你的类需要定义关系操作符吗?
11. 删除数组时你记住用 delete [] 了吗?
12. 记得在复制构造函数和赋值操作符的参数类型中加上 const 了吗?
13. 如果函数有引用参数,它们应该是 const 引用吗?
14. 记得适当地声明成员函数为 const 了吗?

模板、泛型编程与 STL

C++ 在 Bjarne Stroustrup 手中诞生时,这门语言就一直受到 Andrew 大神的重点关注。从早期的面向对象编程理念开始,Andrew 大神就在思考应该赋予 C++ 哪些新特性。

在《C++ 沉思录》中,关于模板与泛型编程的讨论相当经典。这其实就是Andrew 大神揭示了他对于模板及其应用的的思考脉络,在他的引领下,我们从容器类的设计讨论开始,逐渐领悟泛型编程的精妙之处。

模板的本质是受限的语法宏,但它比普通宏要更加安全,且编译后的运行速度几乎与宏一样快,这对于强调性能的 C++ 程序员来说,是非常重要的。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

1990年,模板(Template)被纳入 C++ 标准之中,这便是 Andrew 大神在持续研究之后,做出积极推动的结果。模板这一特性可谓打开了 C++ 新的局面,它所支持的泛型编程使得参数类型抽象化,程序员只需要编写与程序相关的细节就好。

泛型编程结出最丰硕的果实,就是 STL (Standard Template Library, 标准模板库)。STL 是 Alexander Stepanov 在惠普 Palo Alto 实验室时开发的算法库,1993年时被 Andrew 大神慧眼相中,并积极向 ANSI/ISO C++ 标准委员会推介。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

Alexander Stepanov

最终在1994年,STL 纳入 C++ 标准之中,成为之后程序员们的福音。因为大家不用像 C 语言那样,在基础数据结构上重复地造轮子。STL 提供的各种容器类与诸如检索、排序的高效算法,让程序员得以将精力放在业务逻辑的实现上,可以说是极大地解放了生产力。

同样在书中,Andrew 大神对 STL 的主要组件的实现原理,分别以浅显的示例作了讨论,包括container(容器),algorithm(算法),iterator(迭代器),adapter(适配器),function object(函数对象)。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

这使得我们对 STL 的实现有了直观的认识,相信我们再去钻研 STL 时,就能得其门而入。另一方面,无论是应用 STL,还是通过泛型编程扩充自己的功能库,都可以做到得心应手了。

库与语言特性

Andrew 大神对程序库的态度还是很鲜明的,就是没事不要去重复发明轮子。STL 就是他践行这一理念的最好证明。

在书中,他就以解析一段文本为例,通过使用库提供的变长字符串、链表、关联数组、正规表达式等功能,两小时搞定。如果所有基本功能都要从头开发,那将增加多少工作量。

所以,Andrew 大神的“实用主义”精神,是他解决问题的基本原则,即尽量复用已有的成果,凡是具备通用功能的代码,都可以考虑封装为独立的库。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

在 C++ 发展过程中,也曾有过争论,即是在语言内增加更多新特性来扩充功能,还是通过程序库来达到目标。最终 C++ 选择了后者,这和 Andrew 大神的积极影响也是分不开的。

C++ 内置的容器类型也就是数组和结构体,其它诸如vector, list, stack, set, map等都是通过 STL 库来扩展的。这个核心理念,就是语言特性可以通过库来扩充。

这无疑给了编程语言极大的灵活性,新特性可以放在库中进行试验,迭代成熟之后即可以被吸收为标准。而且也给广大开发者提供了参与语言发展的机会,这也是 C++ 以其无与伦比的开放性,而深受程序员们喜爱的原因。

C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 

Andrew 大神也对库设计给出了建议,他认为对待库设计要像语言设计一样。他以设计一个字符串类为例,提醒我们内存检测、数据复制、隐藏实现等各个方面存在的坑,以及要注意的地方。

也就是说,这并不是一件容易的事,程序员需要将判断力、技巧和品位结合起来使用,才有可能将库设计好。

结语

这本书的的英文名是《Ruminations on C++》,ruminations 这个词其实是很有分量的,其释义有沉思、反刍。意味着读这本书不是简单地过一遍就好,而是需要不断地重温,结合工作中的实践进行反思。

所以《C++ 沉思录》可能更适合有一定工作经验的程序员,也就是学会了不少语言特性,但是在工作中一施展就觉得特迷惘的时期。

这时候翻开这本书,一定会有很深的感触,会发现能解决问题就好,没必要搞得太晦涩;还有设计是不是过度了,那就“实用主义”简化一下吧。不说别人,起码我自己就是经历了这个过程。

最后,对问题:“如何成为更好的 C++ 程序员?”,Andrew 大神夫妇给出了三条他们认为最重要的建议:

  1. 避免使用指针;
  2. 提倡使用程序库;
  3. 使用类来表示概念。
C++真的很难学好?大师告诉你程序设计要怎么做

 



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