現代C++學習指南-方向篇

C++是一門有著四十年曆史的語言，先後經歷過四次版本大升級（誕生、98、11、17（20），14算小升級）。每次升級都是很多問題和解決方案的取捨。瞭解這些歷史，能更好地幫助我們理清語言的發展脈絡。所以接下來我將借它的發展歷程，談一談我對它的理解，最後給出我認為比較合理的學習路線指南。

C++0——誕生

C++誕生的目的是為瞭解決兩個主要問題——性能和抽象。性能指的是擁有像C一樣的底層訪問能力和執行效率，抽象則意在語言層面提供對問題的描述能力和思考方法。這是C++的立命之本，也是C++經久不衰的原因。對於這兩個目標，Bjarne Stroustrup想到的解決方法是充分利用現有的C的技術和工具，然後提供類來解決抽象問題。基於這個前提，我們就可以看出類是C++學習路上的第一個關卡。

C++認為類是一種抽象思維，類的相關特性都是為抽象提供服務的。所以C++中的類比其他面向對象的類提供了更多的能力，所以也具有更多的複雜性。為了描述這種複雜性，就不得不提到C++的兩個特點，靜態類型安全，資源管理。

靜態類型安全可以幫助開發者定義出更合理合法的自定義類，如通過操作符重載，自定義類可以寫出和基本類型一樣的簡潔代碼。可以通過構造函數避免隱式類型轉換而造成的運行時錯誤，也可以通過明確阻止某些操作阻止自己的類被濫用。所有的自主權都由開發者決定。所以假如我們是庫的使用者，完全可以不用關心這些細節，我們只需要按照一般的語言一樣寫代碼，遇到不合理的，編譯器會直接告訴我們，不用擔心這些問題會隱匿在程式運行時的某個時刻。

資源管理則可以幫助開發者提供資源管理的指導和支撐。資源有很多種，而在電腦中的資源大部分都是有限的，必須有借有還，而且借和還必須一一對應，不然就是記憶體泄漏。在C時代，資源管理靠的是開發者對資源的全局掌控力，語言層面沒有提供更好的支持。為了更好地支持資源管理，C++提出了構造函數和析構函數，兩者分別可以對應資源的獲取和回收。但是很多時候資源不僅僅供自己使用，還需要提供給外部使用。為了配合這種資源的轉移，C++又提供了移動和複製兩種操作來支持。

綜上，總結一下，C++的類提供了很多特性，但是不是所有的特性都是開發者需要的。開發者在定義類的時候需要考慮的主要問題是，對這個類提供哪些支持，然後再在這些提供的功能中選擇合適的語法特性來實現。 構造函數和析構函數可以提供很好的一一對應的操作，移動和複製則提供了資源在對象中怎麼共用，操作符重載則可以讓類使用更加簡潔和優雅。

C++98——標準化

C++98最大的升級是模板和異常，並且搭配了好用的標準庫。

模板在C++中的地位怎麼強調都不為過。它屬於另一種抽象機制。所以它解決的也是抽象問題。C++中的類解決的是相似概念的抽象，更註重概念間的相似性。而模板解決的是通用問題的抽象，更註重概念的通用性。兩者共同構成了C++的兩大抽象基石。前面已經談過了類，這裡我們著重說一下模板。

得益於C++強大的靜態類型安全，模板編寫起來也很簡單，普通的函數怎麼寫，它就可以怎麼寫，無非就是把特定類型換成泛型。但是，另一方面，模板還可以做得更多。模板可以支持多種參數，多個參數，限定參數，並且是類型安全的。更厲害的是，它還可以指定值。合理地配合使用類型和值，基本上就能解決大部分問題了。

說起異常。對於普通開發者沒有多大吸引力。因為異常主要解決的問題是怎樣告訴調用者發生錯誤了，是什麼錯誤，並將執行能力轉移到調用者一方。而我們大部分時間開發的都是業務代碼，我們知道發生了什麼，該怎樣解決，大部分情況下是不太需要異常的。當然，並非說異常一無是處，異常對庫開發者來說異常重要。對於庫開發者來說，他需要在異常發生後，告訴調用者發生了錯誤，操作沒有辦法順利執行。但是很多時候，庫開發者並不知道調用者該怎樣處理這個錯誤，是忽略呢，還是清理現場。異常機制提供了拋異常和異常捕獲兩種方式來支持庫開發者和使用者。

對於新手來說，可能不太喜歡標準庫，而傾向於自己寫。這不是個好主意。標準庫是經過工業級測試的代碼，可以在絕大部分情況下正常工作，而自己手寫雖然成就感更好，但是更可能攜帶BUG。早期的標準庫提供的功能有限，只有string，輸入輸出流，位運算，三大容器，和一些小演算法。不過，這些都足夠我們日常使用了，尤其是現在標準庫功能越來越完善了，大部分編程場景都能找到合適的工具來完成，完全可以放棄手寫特定代碼了。

C++98更多著眼於標準化，模板是一種標準，標準庫也是一種標準。自此，C++的三座大山算是構築完成了，類，模板，標準庫。每一項都為C++帶來了無限可能和旺盛生命力。

C++11——全新語言

C++11的改動是革命性的，但是還保留著難以置信的相容性，是非常不容易的。這裡我們不細談具體的特性和細節，只從大方向上來個籠統的概述。

首先直觀的變化是在類型系統上，C++11將類型系統做了儘可能的規範化和統一化。

• 通過同意初始化規範了對象的初始化形式；
• 通過auto簡化了類型聲明的形式；
• 通過nullptr規範化了空指針的形式；
• 通過enum class提供了靜態類型安全的枚舉；
• 通過別名簡化了類型書寫的方式；
• 還有其他更多更多

類型系統的改進意味著開發者可以寫出更簡潔，更規範，也更安全的代碼，但是對編譯器的挑戰卻是巨大的，所以，很長時間內，C++11都沒有得到很好的支持，同時也妨礙了C++的發展。

除了類型系統，另一項大改進就是提供了對線程的支持。C++11的標準庫中提供了線程，條件對象，鎖等線程相關的工具，這對庫開發者來說是革命性的。在幾乎不損失性能的情況下，提供了跨平臺的線程支持，這極大地提高了庫的穩定性和性能，也節省了很多平臺測試時間，不得不說是頂呱呱。

另一個重要升級就是資源管理了。標準庫提供了unique_ptr，shared_ptr來協助資源管理。同時為了更出色的性能，引入了右值引用和移動語義。右值引用和移動語義聽起來很高端，實際上就是解決一個問題，避免大對象的反覆銷創建和銷毀，轉而使用代價更低的移動。根本思路就是兩條，對於直接量提供了右值引用，以增加它的生存時間，使之可以像普通變數一樣通過參數傳遞。而對於變數來說，提供了移動語義，將不再需要使用的對象管理的資源轉移到另一個對想象中。同時增加了移動構造，複製構造方式來優化函數的返回值。可謂是榨幹了電腦的每一寸記憶體。

C++11無疑是C++里程碑式的更新，在對歷史遺留問題清理的同時，引領了接下來C++的發展方向，它的作用是承上啟下的。對類型系統的改進無疑彌補了最開始從C繼承來的一些缺陷。同時也充分考慮了現代電腦的發展，引入了線程支持。在記憶體管理上也是更上一層樓，引入了智能指針，移動語義，右值引用。它基本上拋開了歷史束縛，但依舊是不忘使命，依舊是奔著更好的靜態類型支持，更多的自主性，更高效的資源管理，更剋制的特性支持來展開的。

C++17，20——新生

C++17和C++20應該是相輔相成的，絕大部分特性都已經得到支持和完善了。但是由於編譯器的限制，我用的特性比較少。C++17比較期待的是跨平臺的文件系統支持，這對於大部分應用開發者來說無疑是激動和喜悅的。另一個我喜歡的特性是結構化綁定，這個特性我在Python裡面用得很順手，當然現在基本上所有現代語言都支持它了。

而對於C++20就用得更少了，更多的是示例性質的。我比較在意的是模塊和協程，但是由於瞭解得不深入，就不詳談了。

什麼是C++的基本面

從前幾個章節不難看出，我著重誇了C++的類，模板，標準庫，類型系統。這些都是我覺得學習C++比較重要的方面。但對於初學者來說，我覺得類型系統和標準庫就足夠了。

類型系統是一門語言最小的單元了，在C++中它包括類型聲明，對象初始化，函數傳參，函數返回值。在學習初期學多少特性都是騙人的，實際上手還是需要從這個最小的單元入手。比如聲明一個變數，這個變數該是什麼類型的，可以是指針嗎，可以是引用嗎。定義函數的時候，參數列表該怎樣確定，返回值是什麼，怎樣才能讓函數傳參高效，怎樣阻止和避免無用的參數檢查，返回值該是什麼類型，等等，這些都是在實際項目中需要直接面對的問題。所以對類型系統的學習，是寫出高效可用代碼的第一步，也是最重要的一步。考慮的問題越深入、全面，得到的回報就越大。

標準庫則是提供了很好的演算法支持和容器支持，可以幫助我們寫更健壯的代碼。對標準庫介面的學習，一方面可以促進對類型系統的認識，另一方面也是積累好習慣的地方。

有了這兩項技能的支持，我覺得已經能夠寫出很棒的應用程式了。但是對於庫設計者來說，寫出很好的庫還需要對類和模板有著更深刻的理解。

一個定義良好的類需要對對象的生命周期進行嚴格的控制，構造，轉移，銷毀都是需要控制的。對於需要支持的操作，類設計者應該提供儘可能便捷和高效的支持，對於類禁止的操作，類設計者應該明確禁止，防止發生誤用或者隱藏BUG。所以對於類，著重需要關註的是資源的構造，以及在多個對象間的傳遞和共用。容易發生問題的地方在於函數傳參和返回值上，特別是層層調用的函數上，高效和安全就是必須要考慮的了，所以這就回到了前面提到的類型系統，只有對它有了比較深入的瞭解，才能設計出比較好的類。

模板則是類的另一方面，它和類的概念雖然是不同的，但是思路上卻是相通的。模板和Java裡面的泛型相似，卻更加靈活和重要，是和類一樣的高度。模板需要考慮的問題是，提供什麼演算法，什麼對象可以使用這個演算法，怎樣避免和阻止錯誤對象的濫用，在使用過程中怎樣儘可能利用編譯錯誤來避免運行時錯誤。所以它是比類更進一步的抽象概念，對開發者有著比類更高的要求。

C++學習路線圖

從上一章節，可以看出我推薦的學習路線是類型系統，到標準庫，到類，最後才到模板。其他的語言細節不是說不重要，而是在學習這四大板塊的同時會融入到學習過程中，沒必要單獨去學習和理解，畢竟細節是繁雜而且散亂的，不會增加對語言的掌握，卻會打亂學習節奏，分散註意力。

類型系統的學習又可以按以下步驟進行

• 變數聲明（常量和編譯時常量）
• 初始化（統一初始化，賦值）
• 函數定義，函數參數定義，返回值（引用，指針的使用）
• 簡單類定義，不涉及到記憶體管理，資源管理

標準庫可以按以下步驟進行

• 智能指針（shared_ptr,unique_ptr等）
• 字元串
• 容器類對象（list,map等）。
• 標準輸入輸出使用
• 線程庫使用
• 通用演算法（sort，find等）

類可以按以下步驟進行

• 類的構造函數，移動構造，複製構造
• 類的運算符重載
• 繼承
• 虛函數
• 多繼承

模板可以按以下步驟進行

• 模板函數
• 模板類
• 模板遞歸
• 模板特化

總結

C++細節繁多，初學者容易一頭扎進語法細節而不自知，最終白白浪費了大把時間不算，還嚴重打擊了學習積極性。本篇的主旨是在幫初學者理清這門語言的主要脈絡，並提供我認為比較科學的學習路線，希望對初學者有所幫助。

C++語言是一門通用型語言，有著很長的發展歷史。這導致了它有著不小的歷史包袱，所以在引入語言特性和怎樣引入的事情上一直保持著剋制。但是為了更好地服務於現代硬體和簡化開發者工作，又不得不引入新特性，遺棄一些老特性。基於這種原因，語言表現出了一定的複雜性和雜亂性。但是它的核心方向是明確的，就是為了更好地解決效率和抽象問題。抓住這兩個核心，再結合這份指南，先難後易，抓大放小，再加上一點歸納和總結就能很好地掌握這門語言的大部分內容。對於指南外的特性，在實際項目中需要了再學習完全是來得及的，畢竟大部分時間我們用到的特性也是很少的一部分，應該把精力花在性價比最高的部分。