C++的設計和演化（The Design and Evolution of C++）
　　C++程序設計語言是由來自AT&T Bell Laboratories的Bjarne Stroustrup（即本文作者）設計和實現的，它兼具Simula語言在組織與設計方面的特性以及適用于系統程序設計的C語言設施。C++最初的版本被稱作“帶類的C（C with classes）”[Stroustrup,1980]，在1980年被第一次投入使用；當時它只支持系統程序設計（§3）和數據抽象技術（§4.1）。支持面向對象程序設計的語言設施在1983年被加入C++；之后，面向對象設計方法和面向對象程序設計技術就逐漸進入了C++領域。在1985年，C++第一次投入商業市場[Stroustrup,1986][ Stroustrup,1986b]。在1987至1989年間，支持范型程序設計的語言設施也被加進了C++[Ellis,1990][Stroustrup,1991]。

　　隨著若干獨立開發的C++實現產品的出現和廣泛應用，正式的C++標準化工作在1990年啟動。標準化工作由ANSI（American National Standard Institute）以及后來加入的ISO（International Standards Organization）負責。1998年正式發布了C++語言的國際標準[C++,1998]。在標準化工作進展期間，標準委員會充當了一個重要的角色，其發布的C++標準之草案在正式標準發布之前，一直被作為過渡標準而存在。而作為標準委員會中的積極分子，我是C++進一步發展工作中的主要參與者。與以前的C++語言版本相比，標準C++更接近我理想中的那個C++語言了。關于C++的設計和演化，在[Stroustrup,1994]、[Stroustrup,1996]和[Stroustrup,1997b]中有詳細的敘述。至于標準化工作末期產生的C++語言定義，在[Stroustrup,1997]有詳細敘述。

 

2．1  C++的設計目標（C++ Design Aims）

　　C++的設計目標，就是要讓C++既具有適合于系統程序設計的C語言所具有的可適應性和高效性，又能在其程序組織結構方面具有像Simula那樣的語言設施（Simula所支持的這種程序組織結構通常被稱為面向對象程序設計風格）。在設計的時候，還做了很大的努力，使得引借自Simula的高層次的程序設計技術能夠應用于系統程序設計之中。這即是說，C++所提供的抽象機制能夠被應用于那些對效率和可適應性具有極高要求的程序設計任務之中。

上述的C++之設計目標可以小結如下：

[設計目標]

l         l　對于要解決實際問題的程序員而言，C++使程序設計變得更有樂趣；

l         l　C++是一門通用目的的程序設計語言，它：

　　——是一個更好的C；

　　——支持數據抽象；

　　——支持面向對象程序設計；

　　——支持范型程序設計。

對范型程序設計的支持在C++設計的后期才被作為一個明確、獨立的目標來實現。而在C++演化過程的大部分時間里，我一直把范型程序設計以及支持它的語言特性劃歸在“數據抽象”的大標題之下。

 

2．2  C++的設計原則（Design Principles）

在[Stroustrup,1994]中，C++的設計規則被分為基本規則、基于設計的規則、語言的技術性規則以及基于低層次程序設計的規則四個方面，分列在下文中。

[基本規則（General rules）]

l         l　C++的每一步演化和發展必須是由于實際問題所引起的；

l         l　C++是一門語言，而不是一個完整的系統；

l         l　不能無休止的一味追求完美；

l         l　C++在其存在的“當時”那個時期必須是有用處的；

l         l　每一種語言特性必須有一個有根據的、明確的實現方案；

l         l　總能提供一種變通的方法；

l         l　能為意欲支持的每一種程序設計風格提供易于理解的支持方法；

l         l　不強制于人。



　　可以注意到，基本規則的最后三條暗示了兩點：對適用于真實世界中各種應用的便捷工具的強調；對程序員的技術和取向（偏好）的充分考慮。從一開始，C++面向的就是那些要做實際項目的程序員。所謂的“完美”被認為是不可能達到的，這是由于C++用戶在需求、背景和待解決問題上存在著太大的不同。況且，在一門通用目的的程序設計語言的整個生存期之內，連對“完美”一詞的詮釋都可能會有極大的改變。由此可知，在語言的演化過程中，來自用戶的反饋和語言實現者們積累的經驗才是最為重要的。



[基于設計的規則（Design-support rules）]

l         l　支持良好的設計方案；

l         l　提供用于程序組織的語言設施；

l         l　心口如一（Say what you mean）；

l         l　所有的語言特性必須具有切實有效的承受能力；

l         l　開啟一個有用的特性比避免所有的誤用更為重要；

l         l　能將獨立開發的部件組合成完整的軟件。

C++的一個目標就是提供更易用并具有一定承受能力的設計思想和程序設計技術，進一步提高程序的質量。這些技術中的絕大部分都源自Simula [Dahl,1970][Dahl,1972][Birtwistle,1979]，并通常被作為面向對象程序設計和面向對象設計思想來討論。然而，C++的設計目標總還是在于要支持一定范圍內的各種程序設計風格和設計思想。這與一般在語言設計方面的觀點形成一定對比。一般在語言設計上總是試圖將所有系統內建于單獨一個被重點支持的、帶有強制性的程序設計風格之中（或稱典范paradigm）。



[語言的技術性規則（Language-technical rules）]

l         l　與靜態型別系統（Static type system）沒有內在的沖突；

l         l　像對內建（built-in）型別一樣對用戶自定義型別提供很好的支持；

l         l　個異化（locality）行為是可取的；

l         l　避免產生順序上的依賴關系；

l         l　在對語言產生疑惑時，可以選取其特性中最易掌握的部分；

l         l　可以因為不正當的語法使用而產生問題（Syntax matters (often in perverse ways)）

l         l　削弱對預處理器的使用。



　　當然，這些規則要具體結合更多關于基本目標的上下文環境來考慮。應該注意到的是，在“與C有較高的兼容性”、“不損失效率”以及“具有便捷的可用性來解決實際問題”這三個方面的要求，與在“完整的型別安全性”、“完全的通用性”以及“完善的抽象之美”這三個方面的要求形成對立。

　　C++從Simula中借鑒了用戶自定義型別（class,§4.1）和類層次機制。然而，在Simula及許多類似的語言中，其對用戶自定義型別的支持與其對內建型別的支持存在著根本上的不同。例如，Simula中不允許在棧中為用戶自定義型別的對象分配空間，并且只允許通過指針（這在Simula中稱為引用——reference）來對這些對象進行訪問。而相反的，內建型別的對象只在棧中被分配空間，不能在動態存儲區中分配，而且不能使用指針指向它。這種在對待內建型別與對待用戶自定義型別上的差異，暗示著對效率問題的嚴格考慮。比如，當作為一個在動態存儲區中被分配的對象之引用時，如果該對象屬于自定義型別（比如complex,§4.1），那么就會為運行期及空間帶來負荷；而這些負荷在有些應用中被認為是不可接受的。這些正是C++意欲涉足解決的問題。同時，在用法上的不同也決定了：不可能在范型程序設計中統一對待那些語義上近似的型別。

　　在維護一個較龐大的程序時，一個程序員不可避免的會基于某些不完整的知識來對程序作一些修改，只關注全部程序代碼中的一小部分。基于此，C++提供了class（§4）、namespace（§5.2）和訪問控制（§4.1），使設計決策的各異化（locality）成為可能。

　　在基于一趟編譯（one-pass compilation）的語言中，某些順序上的依賴性是不可避免的。例如在C++中，一個變量或者函數在其被聲明之前是無法使用的。然而，C++中類成員的名字規則和重載解析（overload resolution）的規則還是在獨立于聲明順序的原則下被制定出來，以便將發生混亂和錯誤的可能性降至最低。

[基于低層次程序設計的規則（Low-level programming support rules）]

l         l　使用傳統的（笨拙的）連接器（linker）；

l         l　與C語言不存在無故的不兼容性；

l         l　不給C++之下層級的更低層語言留出余地（匯編語言除外）；

l         l　你不會為你所不使用的部分付出代價（零負荷規則）；

l         l　在產生疑惑時，能提供完全自主控制的途徑。

　　在C++的設計中只要在不嚴重影響其對強型別檢查（strong type checking）的支持的地方，都盡量做到與C的“source-link”方式相兼容。除了某些微小的細節差別之外，C++將C[Kernighan,1978][Kernighan,1988]作為一個子集包含了進來。C++與C的兼容性使得C++程序員立刻就能有一個完整的語言和工具集可用。還有兩點也很重要，一是有大量關于C的高質量的教學素材已經存在，二是C++程序員可以利用C++與C的兼容性而直接并有效的使用大量現成的程序庫。在決定將C作為C++的基礎的時候，C還沒有像后來那樣出類拔萃、炙手可熱，所以在考慮這個問題的時候，與C語言所提供的可適應性和高效性相比，C語言的流行程度只是個次要的考慮因素。

然而，與C的兼容性也使得C++在某些語法和語義上保留了C的一些瑕疵之處。比如，C語言的聲明語法就實在遠不及優美；而其內建型別的隱式轉換規則也是混亂無章法的。還有另一個大問題，就是許多從C轉向C++的程序員并沒有認識到，代碼質量上的顯著提高只能通過在程序設計風格上的顯著改變來達到。