2024年12月5日，美国国家工程院、ACM、IEEE 院士、C++ 之父 Bjarne Stroustrup 在「2024 全球 C++ 及系统软件技术大会」上发表了题为《重新认识 C++：跨世纪的现代演进》的演讲。屏幕上，演示文稿的第一页就令人印象深刻：“C++ 几乎可以实现我们所期望的一切！”

从构建操作系统到开发高性能游戏引擎，从支持人工智能框架到驱动航天器控制系统，C++ 一直是系统级软件开发的首选语言。

当代 C++ 的简洁之美

谈到 C++ 的发展历程，Stroustrup 指出：“一些关键特性和技术已有多年历史，比如带构造函数和析构函数的类、异常处理机制、模板、std::vector……等等。另一些则是较新的发展，如 constexpr 函数和 consteval 函数、lambda 表达式、模块、概念、std::shared_ptr……等等。关键在于将这些特性作为一个整体来运用。”

“不要盲目使用所有新特性，也不要局限于仅使用新特性，”他强调道，“如果想了解最新特性和未来发展方向的更多细节，可以参考相关的技术讨论视频。我更关注的是如何将语言作为一个整体来开发好的软件。因为最终编程语言的价值体现在其应用程序的质量之中。”

资源管理：C++ 的基石

“我们知道，相比归还东西，人们更倾向于获取东西，”Stroustrup 首先打了个生动的比方，“问任何一个图书管理员就知道了，人们借书后常常忘记还书。在大型软件中，如果我们必须显式地返还借用的资源，我们肯定会遗漏一些。”

Stroustrup 将资源定义为“任何必须获取并在之后释放（归还）的对象”。“这包括内存、string（字符串）、互斥锁、文件句柄、套接字、线程句柄、着色器等等很多东西，”他解释道。“从这个词的含义来看，在编程中我们要处理的很多东西都是资源。”

在 C++ 中，每个资源（resource）都应该有对应的句柄（handle）来管理它的生存期。句柄负责资源的访问和释放，这种机制是通过对生存期的严格控制来实现的。

为了解决这个问题，Stroustrup 提出了几个关键原则：

  1. 避免手动释放资源——不要在应用程序代码中出现 free()、delete 等资源释放操作；

  2. 使用资源句柄——每个对象都由负责访问和释放的句柄管理；

  3. 基于作用域管理——所有资源句柄都属于特定作用域，可以在作用域间转移；

“这就是 C++ 的基石：构造函数（constructor）和析构函数（destructor），”Stroustrup 说道，“如果需要获取任何资源，那是构造函数的工作；如果需要归还资源，那是析构函数的工作。这里我们将抽象层次从机器级的指针和大小提升到了更高的层次。我们把它包装成一个类型，这个类型行为正确，有赋值操作，有访问函数，并且能正确清理。”

为了做好资源管理，Stroustrup 强调了对生存期的控制：
构造：首次使用前建立对象的不变量（如果有的话）；
析构：最后使用后释放所有资源（如果有的话）；
拷贝：a = b 意味着 a == b，且它们是独立的对象；
移动：在作用域间转移资源所有权；

“这些机制让我们能够开发出更安全、更可靠的代码，”他总结道，“因为资源管理不再依赖于程序员的记忆力，而是由语言机制自动保证。”

错误处理的策略

“在确保资源安全的基础上，我们还需要有明确的错误处理（error handling）策略，”Stroustrup 随即转入了另一个重要话题。他指出，C++ 中有两种主要的错误处理方式，它们各有适用场景：

“对于那些常见且可在局部处理的失败情况，使用错误码（error code）是合适的，这种方式避免了使用效率低下且丑陋的 try-catch 结构。”他解释了第一种情况，“但问题是，我们经常忘记检查错误码，这可能导致错误的结果继续传播。而且，这种方式不适用于构造函数和运算符。比如说，当你写 Matrix x = y + z 这样的表达式时，就没有地方放置错误返回语句和测试。”

“另一方面，对于那些罕见且无法在局部处理的错误，异常处理（exception handling）是更好的选择。”Stroustrup 继续说道，“错误可以沿调用链向上传播，避免陷入 ‘错误码地狱’。未捕获的异常会导致程序终止，而不是产生错误结果。重要的是，这种机制必须与 RAII（资源获取即初始化）配合使用，依赖作用域资源句柄。”

Stroustrup 还提到了一个最新的研究发现：“即便对小型系统，异常处理也可能比错误码更高效。我们最近看到一个很好的演示，展示了在小型固件中使用 C++ 异常可以产生更小、更快的代码。”

“关键是要记住，”他强调，“错误处理不是要选择唯一正确的方式，而是要根据具体情况选择最合适的方式。有时是错误码，有时是异常，重要的是要有一个明确的策略。即便对小型系统，异常处理机制也可能比错误码更高效。Khalil Estell 最近在 CppCon 2024 上的演示*展示了在小型固件中使用 C++ 异常可以产生更小、更快的代码。”

模块：打破“包含”的魔咒

谈到代码组织，Stroustrup 首先指出了一个困扰 C++ 开发者多年的问题：“头文件包含的顺序依赖问题一直是个麻烦。#include “a.h” 后跟 #include “b.h”，可能与顺序颠倒后的结果完全不同。这种基于文本的包含机制会导致：包含具有传递性、相同的代码被重复编译多次、容易引发宏定义冲突等问题。”

相比之下，C++20 引入的模块（modules）机制则完全不同,经过几十年，我们终于在 C++ 中实现了模块。我们不必再使用 include 了

泛型编程与概念

“泛型编程（generic programming）是当代 C++ 的关键基础，”Stroustrup 如此介绍道，“这个想法最早可以追溯到 80 年代初。那时我就描述过这个概念，只是当时我以为可以用宏来实现——关于这点我错了，但对需要泛型编程这一点我是对的。现代 C++ 中的大量泛型编程思想都来自 Alex Stepanov。”

泛型编程为 C++ 带来了多方面的优势：代码更加简洁、思想表达更直观、实现零开销抽象、保证类型安全。它在标准库中无处不在：容器和算法、并发、内存管理、I/O、string 和正则表达式等。

协程：状态保持！

“说到协程（coroutine），这其实是个有趣的故事，”Stroustrup 回忆道，“在 C++ 发展的最初十年，协程是我们的一个重要优势。但后来一些公司因为它不适合他们的机器架构而反对，结果我们失去了这个特性。现在，我们终于把它找回来了。”
“协程为我们提供了一种漂亮的方式来处理需要保持状态的计算，”他总结道。“它让代码更容易理解，也更容易维护。这正是我们一直追求的目标：简单的事情简单做。”

调优：“洋葱原则”

“对某些代码来说，调优是必要的，”Stroustrup 转入了性能优化的话题。“但我们都听过 ‘避免过早优化’ 这个建议。重要的是要在优化前后都进行性能测量，同时在设计接口时就要考虑优化空间。”

他提出了几个关键原则：

  1. 接口设计需明确定义

  2. 保持类型信息的完整性

  3. 提供足够信息支持检查和优化

  4. 管理复杂度：”简单的事情简单做！”

“我把这个叫做 ‘洋葱原则’，”Stroustrup 打了个生动的比方，“你可以把代码想象成洋葱的层。每当我们需要优化或处理特殊情况，我们就可能需要剥掉一层抽象。但要记住，每剥掉一层，你就会哭得更厉害。”

“为什么会这样？”他继续解释道，“因为每深入一层，你就有可能遇到更多的错误，必须写更多的代码，代码也更难理解。所以在真正需要之前，不要轻易剥掉一层抽象。这就是我对 ‘不要过早优化’ 的理解。”

指南和规格配置：走向未来

在标准委员会中，Stroustrup 和同事们正在推进一个更进一步的方案：规格配置（profile）。“每个规格配置是一套强制性的指南规则，”他解释道，“虽然现在还在制定中，但其目标很明确：让开发者能够根据需要选择不同类型的安全性级别和执行强度。这将帮助我们在保持语言强大的同时，使其更容易正确使用。”

Stroustrup 建议的初始规格配置包括：

  1. 算法：全面的范围检查，禁止解引用 end() 迭代器；
  2. 算术：检测上溢和下溢；
  3. 类型转换：全部禁用；
  4. 并发：消除死锁和数据竞争（这是个难点）；
  5. 初始化：所有对象必须初始化；
  6. 失效：禁止通过已失效的指针访问（包括悬空指针）；
  7. 指针：禁止对内置指针使用下标操作（应使用 span、vector、string 等）；
  8. 范围：捕获范围错误；
  9. RAII：所有资源必须由句柄管理；
  10. 类型：涵盖初始化、范围、转换、失效和指针规则；
  11. 联合体：禁止使用 union（应使用 variant 等）；

他说：“我们需要那些底层的、复杂的、接近硬件的、容易出错的、专家级的特性，因为它们是高效实现高层功能的基础。很多底层特性在正确使用时都很有价值。但一旦我们有了这些基础，就可以在此之上建立更安全、更简单的编程模型。”

“我们想要的是「增强版 C++」——简单、安全、灵活、高效，而不是功能受限的子集。我们不能失去 C++ 最重要的特性：高性能和对硬件的直接控制。而且这些改进不会改变语言的本质，最终的代码仍然是符合 ISO C++ 标准的。”

Stroustrup 还总结了 C++ 的编程模型：

静态类型系统，同时支持内置类型和用户定义类型
支持值语义和引用语义
统一的资源管理机制（RAII）
高效的面向对象编程
灵活且高效的泛型编程
编译期编程
直接访问硬件和操作系统
通过库实现的并发支持（借助内部指令）
最终淘汰 C 预处理器

C++的发展规模与优质软件

C语言是结构化和模块化的语言，适合处理较小规模的程序。对于复杂的问题，规模较大的程序，需要高度的抽象和建模时，C语言则不合适。为了解决软件危机，20世纪80年代，计算机界提出了OOP(objectoriented programming：面向对象)思想，支持面向对象的程序设计语言应运而生。
1982年，Bjarne Stroustrup博士在C语言的基础上引入并扩充了面向对象的概念，发明了一种新的程序语言。为了表达该语言与C语言的渊源关系，命名为C++。因此：C++是基于C语言而产生的，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行面向对象的程序设计。

C++的发展史
1979年，贝尔实验室的本贾尼等人试图分析unix内核的时候，试图将内核模块化，于是在C语言的基础上进行扩展，增加了类的机制，完成了一个可以运行的预处理程序，称之为C with classes。
C++的发展就像是练功打怪升级一样，也是逐步递进，由浅入深的过程。我们先来看下C++的历史版本。

  • C++98：这是第一个 ANSI/ISO 标准化的 C++ 版本，发布于 1998 年。它基于 Bjarne Stroustrup 于 1985 年创建的原始 C++ 设计，并加入了一些重要特性，如 STL（标准模板库）、异常处理、I/O Streams、命名空间和 RTTI（运行时类型识别）
  • C++03：这个版本主要是对 C++98 的一些修正和改进，发布于 2003 年，并未引入新的语言特性，所以一般不把它当做重要版本，存在感也不强。
  • C++11：这是 C++ 历史上最重大的更新之一，有时被称为 C++0x（因为它原计划在 200x 年发布，一直跳票）。它引入了大量新特性，如自动类型推断（auto 关键字）、基于范围的 for 循环、Lambda 表达式、智能指针、并发支持、移动语义、nullptr 和更强大的模板功能等。
  • C++14：作为 C++11 的小幅度更新，C++14 引入了一些改进和新特性，包括泛型 Lambda 表达式、返回类型推导、二进制字面量、数字分隔符、弃用属性等。
  • C++17：这个版本进一步提升了 C++ 的功能和易用性，新功能不是很多，引入了结构化绑定、if constexpr、std::optional、std::variant、std::string_view、并行算法等特性。
  • C++20 是继 C++11 之后又一个重大更新，引入了概念（concepts）、范围库（ranges）、协程（coroutines）、模块（modules）、三元运算符的改进、constexpr 的增强、std::span 等新特性。
  • C++23 是 2023 年 7 月份刚确定下的新标准，目前能完整支持 C++23 的编译器基本没有。变化包括引入标准库的模块化支持、扩展 constexpr 、增加并行算法、ranges 扩展、this 推导、引入更多的属性和注解、增加 std::mdspan、std::generator 等新特性。

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