12月5日，美国国家工程院、ACM、IEEE院士、C++之父BjarneStroustrup在「」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。然而，这位编程语言大师并不是在炫耀C++的强大，而是要指出一个关键问题：“正因为它如此强大，我们更要谨慎选择正确的使用方式。就像goto语句——它无所不能，所以我们几乎从来不用它。同样的，虽然用20世纪80年代的方式写C++也能完成任务，但这显然不是最佳选择。我们需要明确自己的真正需求，避免重蹈覆辙。”
Stroustrup指出了一个常见的认知误区：人们往往把“熟悉”等同于“简单”。对很多开发者来说，见过千百遍的代码写法看起来简单，而新的特性和方法则显得复杂。
“我们必须努力避免这种思维定式，否则就会永远停留在20世纪。”他强调道，“今天，我想谈谈我所认为的当代C++、现代C++的基础是什么。我认为，当代的编程方式能让代码变得更简单、更安全、更高效，远胜于任何旧版本的C++。（在这一语境下，“当代”往往指的是C++20/23/26等当前的版本）”
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当代C++的简洁之美为了说明当代C++的优势，Stroustrup首先以他收到的一个来自《龙书》（DragonBook，编译器设计领域的经典教材）作者、AWK语言的创造者之一AlfredV.Aho的难题为例。这个例子展示了如何用C++简洁地处理文本中的不重复行：
importstd;usingnamespacestd;intmain()//输出输入流中的不重复行{unordered_mapm;//哈希表for(stringline;getline(cin,line);)if(m[line]++==0)cout< “这段代码展示了几个重要特点，”Stroustrup解释道，“首先，完全没有使用预处理器；其次，代码高效且容易理解；第三，如果需要进一步优化，也完全可以做到——但关键是，在开始优化之前，这段代码本身就已经相当高效了。” “让我们试试另一种处理不重复行的方式。”他进一步提出，“为什么要一直输出行呢？也许我想要的是一个仅仅收集输入中不重复行的程序。” 这样一个简单函数就能轻松实现： vectorcollect_lines(istream&is)//从输入中获取不重复行{unordered_setm;//哈希表for(stringline;getline(is,line);)m.insert(line);returnvector(m.begin(),m.end());}autolines=collect_lines(cin); “C++的类型系统会自动推导出我们需要的是string的vector，”Stroustrup解释说，“而且返回时不需要复制，直接移动就行了。这样的实现既简洁又高效。” “但这里的vector构造有点啰嗦。我希望vector能直接接受这个集合本身，”Stroustrup说，“所以我写了一个函数，它可以接受任何范围并从中创建vector。”于是他展示了一个更简洁的版本： vectorcollect_lines(istream&is)//从输入中获取不重复行{unordered_setm;//哈希表for(stringline;getline(is,line);)m.insert(line);returnmake_vector(m);}autolines=collect_lines(cin); “标准库不需要提供所有功能。有时候自己写个简单函数就能解决问题，比如这个make_vector。”他最终总结道，“也许在C++的未来版本中，vector会直接支持这种构造方式，那时这个函数就不需要了。” “从这些例子可以看出我最重视的一点：思想的直接表达。”Stroustrup紧接着列出了他重视的每一项事物： 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。” 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； 他用一段简单但富有启发性的代码来说明这些原则： templateclassVector{//T类型元素的vectorpublic:Vector(initializer_list);//构造函数：分配内存并初始化元素~Vector();//析构函数：销毁元素并释放内存//...private:T*elem;//指向元素的指针intsz;//元素数量};voidfct(){Vectorconstants{1,1.618,3.14,2.99e8};Vectordesigners{"Strachey","Richards","Ritchie"};//...Vectorstring,jthread>>vp{{"producer",prod},{"consumer",cons}};} “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。” 他特别指出了资源管理机制的递归性：“string拥有一些字符，这里的pair拥有一个string和一个jthread。jthread拥有对操作系统线程的引用。这些都是递归进行的。神奇之处在于最后的闭合花括号——那里是所有东西都被隐式而可靠地清理的地方。” 为了做好资源管理，Stroustrup强调了对生存期的控制： “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（errorhandling）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（errorcode）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Matrixx=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（exceptionhandling）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。” 他用一个具体的例子说明了这个观点： voidfct(jthread&prod,stringname){ifstreamin{name};if(!in){/*...*/}//预期可能发生错误vectorconstants{1,1.618,3.14,2.99e8};//内存可能耗尽vectordesigners{"Strachey","Richards","Ritchie"};//嵌套构造jthreadcons{receiver};pairpipeline[]{{"producer",prod},{"consumer",cons}};//...} “想象一下，如果只使用单一的错误处理方式，这段代码会变得多么复杂，”Stroustrup说，“每个操作都可能失败：文件打开可能失败，内存分配可能失败，构造过程可能失败。使用异常处理，我们可以集中处理这些错误，而不是在每个可能的失败点都编写检查代码。” 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。KhalilEstell最近在CppCon2024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： importa;importb; “这与顺序无关，”Stroustrup解释道，“写成下面这样，效果完全一样。” importb;importa; “import不具有传递性，模块化的代码更加干净，而且能显著提升编译速度——这不是百分比级的提升，而是数量级的提升。” 紧接着，他兴奋地宣布：“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！这是我长期计划的一部分——逐步淘汰C预处理器。预处理器会给工具带来麻烦，因为工具看到的和程序员看到的是不一样的。” “当然，你不能期待在所有情况下都能获得25倍的提升，”Stroustrup说，“但根据经验，使用具名模块通常能让编译速度提高7-10倍。这就是促使人们将代码从旧风格改造为新风格的动力。虽然这个过程并不容易——毕竟我们有数十亿行现存的代码——但这种改进确实显著。” 在标准库方面，C++23已经提供了模块化支持。最重要的是模块std，它包含了完整的std命名空间： importstd;//包含整个标准库 他特别推荐观看DanielleEckert在2022年CppCon上题为《ContemporaryC++inAction》的演讲，“这个演讲展示了现代C++特性在实际项目中的应用，非常精彩。如果可能，你一定要去看一下这个视频。” “模块化的概念早在1994年的《C++语言的设计和演化》中就已提出，”Stroustrup补充道，“现在我们终于实现了！这个特性不仅让代码更清晰，也大大提升了开发效率。” 泛型编程与概念 “泛型编程（genericprogramming）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AlexStepanov。” 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。 Stroustrup用一个简单的例子说明了基于概念的泛型编程： voidsort(Sortable_rangeauto&r);vectorvs;//...填充vs...sort(vs);arrayai;//...填充ai...sort(ai);listlsti;//...填充lsti...sort(lsti);//编译错误：list不支持随机访问 “这段代码展示了几个隐含的要求，”他解释道，“容器的类型、元素的类型、元素的数量、比较准则等。概念（concept）的作用就是明确指定对类型r的要求。当编译器看到vector时，它会问：‘这个vector有支持随机访问的元素序列吗？’是的，有。‘这些元素是可以比较的吗？’是的。所以代码可以工作。但对于list，因为它不支持随机访问，编译器会立即发现这个错误。” Stroustrup特别指出，“概念不等同于‘类型的类型’。概念是可以作用于多个类型的谓词。有些概念还可以接受值参数，可以混合类型和值。但概念本质上是函数，而不是像其他语言中那样仅仅是函数签名的集合。” 随后，他进一步解释了为什么list不支持随机访问是一个特意的设计：“如果在一个包含50万个元素的list中使用下标访问，会非常非常慢。所以这种限制实际上是在保护开发者避免写出性能糟糕的代码。” 更复杂的情况是，许多算法都需要多个模板参数类型，而且这些类型之间往往需要建立某种关系。Stroustrup展示了一个来自标准库的例子： templateindirect_unary_predicatePred>Iterator_tranges::find_if(R&&r,Predp);vectornumbers;//存储数字的string，如"13"和"123.45"//...填充numbers...autoq=find_if(numbers,[](conststring&s){returnstoi(s)<42;});//lambda表达式 “这里的概念实际上是编译期谓词（compile-timepredicate），它们在编译期执行并返回布尔值。通常一个概念会基于其他概念构建，形成一个完整的类型约束体系。” Stroustrup表示，概念并不是什么新鲜事物：“每个成功的泛型库都包含某种形式的概念。它们存在于设计者的构思中，记录于技术文档中，体现在代码注释中。比如C/C++的内置类型概念（算术类型和浮点类型）、STL中的迭代器、序列和容器概念、数学概念（单子、群、环、域）、图论概念（边、顶点、图、有向无环图等）……” 讲到此处，Stroustrup致敬了C语言之父丹尼斯·里奇（DennisRitchie,1941-2011）： “使用概念还带来了许多实际好处：支持更好的程序设计，提升代码可读性和可维护性，避免过度使用无约束的auto和typename，大幅改进错误信息。”他打了个比方：“还记得那个只有内置类型没有类（class）的年代吗？C++从未有过这种时期，但现在的C语言仍是这样。好在C现在也有了函数原型。” “概念的引入还极大地简化了条件约束的表达。”Stroustrup展示了一个例子： templateclassPtr{//...T*operator->()requiresis_class;//仅当T是类时才提供->运算符};templateclassPair{//...templateTT,convertibleUU>Pair(constTT&,constUU&);//只为可转换为成员的类型提供构造函数}; “传统的enable_if方案原始、丑陋、非通用，且容易出错，”他最终评价道，“而使用概念，我们可以用更简洁、更直观的方式表达这些约束。” 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。” 协程的特点是能在多次调用之间保持其状态。Stroustrup用一个生成斐波那契数列的例子来说明： generatorfibonacci()//生成0,1,1,2,3,5,8,13...{inta=0;//初始值intb=1;while(true){intnext=a+b;co_yielda;//返回当前斐波那契数a=b;//更新状态b=next;}}for(autov:fibonacci())cout< “这里的妙处在于状态的保持，”他解释道，“我们有计算的状态——a、b和next——它就这样不断地计算下一个斐波那契数。协程已经被嵌入到迭代器系统中，所以我们可以用简单的for循环来获取数列中的值。” 但这个例子还有一个小问题：“这是个无限序列，显然会带来问题，我们会遇到溢出。那么如何限制它只生成特定数量的值呢？”Stroustrup展示了改进的版本： templategeneratorfibonacci()//生成前N个斐波那契数{inta=0;intb=1;intcount=0;while(count “虽然标准库对协程的支持还不如我想要的那么完善，”Stroustrup说，“但这个例子中使用的generator已经在C++23中可用了。如果你使用的是较早的编译器，还可以使用Facebook的coro库或其他任务库。这个例子很好地展示了模板和协程是如何和谐地协同工作的。” “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。” 此外，关于并发（concurrency），Stroustrup指出这是一个需要单独讨论的重要话题。“你需要它来提高效率。在标准库中有广泛的、相当低层的并发支持：线程和锁、共享机制、并行算法、协作取消、Future机制、协程等等。这些都是为了性能，但同时也带来了复杂性。” 指南和规格配置：走向未来 “不要停留在20世纪，”演讲走进尾声时，Stroustrup直截了当地说，“但这说起来容易做起来难。大多数代码都包含一些旧的部分，升级这些代码既困难又耗时。虽然升级能带来巨大好处——比如引入模块能显著提升编译速度——但要摒弃次优技术确实很难，因为我们不仅要面对海量的历史代码，还要克服根深蒂固的编程习惯。” “我们面临一个根本性的问题，我们不能改变语言本身——稳定性和兼容性是C++的核心优势。但我们可以改变使用语言的方式。” “正是基于这种现实，”他继续说，“我们采取了一种务实的策略：通过一套灵活的指南规则体系来简化语言的使用，而不是改变语言本身。这些指南可以根据项目需求选择性采纳。比如C++CoreGuidelines就是一个很好的例子，而且已经有了实践工具的支持，如VisualStudio、GCC和Clang-Tidy都能帮助执行这些指南——这不是科幻小说，这些工具现在就可以使用。” 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ISOC++标准的。” Stroustrup还总结了C++的编程模型： 在演讲的最后，Stroustrup展示了一张C++用户数量增长的图表。 “C++在设计之初就考虑到语言会不断演进，”他说，“从1979年的CwithClasses，到1998年引入异常、模板和命名空间，再到2011年增加并发、lambda表达式和智能指针，直到2020年带来概念、协程、模块等特性，C++一直在成长。” 扫描文末二维码，即可预约参与直播并领取白皮书。让我们一起探索现代C++的技术深度，把握编程语言演进的前沿方向。