C++语言

C++是一种功能强大的通用编程语言，由比雅尼·斯特劳斯特鲁普(Bjarne Stroustrup)于1979年开始设计和开发，最初称为"带类的C"(C with Classes)，后于1983年更名为C++。

概述

C++是一种静态类型的、编译型、通用的、大小写敏感的、不规则的编程语言，支持过程化编程、面向对象编程、泛型编程和函数式编程等多种编程范式。C++的设计目标是在C语言的基础上提供对象、类、继承等面向对象特性，同时保持C语言的高效性和硬件控制能力。

语言特点

高效性: C++程序可以编译成高效的机器码，运行速度接近汇编语言编写的程序
可移植性: 在不同平台上编译的C++程序只需要很小的修改或不需修改
面向对象: 支持类、对象、继承、多态、封装等面向对象特性
泛型编程: 通过模板机制支持参数化类型，实现代码复用
STL库: 提供丰富的标准模板库，包括各种容器、算法和迭代器
低级内存操作: 允许直接访问硬件和内存，提供指针等低级操作
兼容C: 大部分C代码可以在C++中直接使用

历史发展

主要版本

C with Classes (1979): 最初版本，增加了类、继承等面向对象特性
C++ 1.0 (1983): 正式更名为C++，增加了虚函数、运算符重载、引用等特性
C++ 2.0 (1989): 增加了多重继承、抽象类等特性
C++98 (1998): 第一个ISO标准版本，引入STL，异常处理等
C++03 (2003): 对C++98的修订版本，修复了一些缺陷
C++11 (2011): 重大更新，引入auto关键字、lambda表达式、智能指针、线程库等
C++14 (2014): 对C++11的扩展，改进了lambda表达式，增加了二进制字面量等
C++17 (2017): 增加了结构化绑定、if constexpr、std::optional等特性
C++20 (2020): 引入了概念(concepts)、协程(coroutines)、模块(modules)等特性
C++23 (2023): 正在开发中的最新标准

编程范式

C++支持多种编程范式，使其成为一种非常灵活的语言：

面向对象编程

C++提供了完整的面向对象编程支持：

类与对象: 通过class和struct关键字定义类，实例化为对象
继承: 支持单继承、多重继承和虚继承
多态: 通过虚函数实现动态多态
封装: 通过访问修饰符(public, private, protected)实现信息隐藏

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() const = 0;  // 纯虚函数
};

class Cat : public Animal {
public:
    void makeSound() const override {
        std::cout << "喵喵喵" << std::endl;
    }
};

泛型编程

C++通过模板机制实现泛型编程：

函数模板: 创建可以处理不同类型参数的函数
类模板: 创建可以使用不同类型的类
STL: 标准模板库提供了泛型容器、算法和迭代器

template<typename T>
T max(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

过程式编程

C++完全支持C语言的过程式编程特性：

函数: 代码组织的基本单元
顺序、选择、循环: 基本控制结构
指针和引用: 直接内存操作

函数式编程

C++11及以后版本增加了函数式编程的支持：

Lambda表达式: 创建匿名函数
std::function: 函数对象包装器
高阶函数: 函数可以作为参数和返回值

auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
std::cout << add(5, 3) << std::endl;  // 输出：8

语言核心特性

内存管理

C++提供了多种内存管理机制：

栈内存: 自动分配和释放的局部变量
堆内存: 使用new和delete手动分配和释放
智能指针: std::unique_ptr、std::shared_ptr等自动管理内存
RAII原则: "资源获取即初始化"，通过对象生命周期管理资源

异常处理

C++提供了完整的异常处理机制：

try-catch块: 捕获和处理异常
throw语句: 抛出异常
异常规范: 声明函数可能抛出的异常类型
标准异常层次: std::exception及其派生类

运算符重载

C++允许为自定义类型定义操作符的行为：

一元运算符: +, -, !, ~等
二元运算符: +, -, *, /, %, &, |, ^等
关系运算符: ==, !=, <, >, <=, >=等
赋值运算符: =, +=, -=, *=等
函数调用运算符: operator()
下标运算符: operator[]
智能指针运算符: operator->, operator*

名称空间

C++使用namespace机制组织代码并避免名称冲突：

namespace Math {
    double PI = 3.14159265358979;
    double square(double x) {
        return x * x;
    }
}

// 使用
double area = Math::PI * Math::square(radius);

标准库

C++标准库提供了丰富的功能：

标准模板库(STL)

容器: vector, list, map, set, queue, stack等
算法: sort, find, transform, accumulate等
迭代器: 统一访问容器元素的接口
函数对象: 可作为算法参数的函数封装

输入输出库

iostream: cin, cout, cerr, clog等
fstream: 文件输入输出
stringstream: 字符串流处理

其他标准库

字符串处理: std::string, std::string_view
数值计算: <numeric>, <cmath>
时间处理: <chrono>
线程支持: <thread>, <mutex>, <future>
正则表达式: <regex>
随机数: <random>
智能指针: <memory>
文件系统: <filesystem> (C++17)

应用领域

C++广泛应用于各种领域：

系统软件: 操作系统、编译器、数据库
游戏开发: 游戏引擎、3D图形处理
嵌入式系统: 实时控制、低级硬件交互
高性能计算: 科学计算、物理模拟
金融应用: 高频交易、风险分析
图形用户界面: 使用Qt、wxWidgets等框架
网络编程: 服务器应用、网络协议实现
人工智能: 机器学习库、深度学习框架

编译环境

主要编译器

GCC/G++: 开源编译器，支持多平台
MSVC: Microsoft Visual C++编译器
Clang: LLVM项目的C/C++前端
Intel C++ Compiler: 优化用于Intel处理器

构建工具

Make: 传统的构建自动化工具
CMake: 跨平台构建系统生成器
Ninja: 注重速度的构建系统
Visual Studio: 集成开发环境和构建系统
Bazel: Google的构建工具

学习资源

经典书籍

《C++程序设计语言》 - Bjarne Stroustrup(作者)
《C++ Primer》 - Stanley B. Lippman, Josée Lajoie, Barbara E. Moo
《Effective C++》 - Scott Meyers
《STL源码剖析》 - 侯捷
《深度探索C++对象模型》 - Stanley B. Lippman

在线资源

cppreference.com: 全面的C++参考
cplusplus.com: 教程和参考
ISO C++官方网站: isocpp.org
C++标准草案: 最新标准的工作版本

参见

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