Общие принципы
В книге «Дизайн и эволюция C++» Бьёрн Страуструп описывает принципы, которых он придерживался при проектировании C++. Эти принципы объясняют, почему C++ именно такой, какой он есть. Некоторые из них:
Получить универсальный язык со статическими типами данных, эффективностью и переносимостью языка C.
Непосредственно и всесторонне поддерживать множество стилей программирования, в том числе процедурное программирование, абстракцию данных, объектно-ориентированное программирование и обобщённое программирование.
Дать программисту свободу выбора, даже если это даст ему возможность выбирать неправильно.
Максимально сохранить совместимость с C, тем самым делая возможным лёгкий переход от программирования на C.
Избежать разночтений между C и C++: любая конструкция, допустимая в обоих языках, должна в каждом из них обозначать одно и то же и приводить к одному и тому же поведению программы.
Избегать особенностей, которые зависят от платформы или не являются универсальными.
«Не платить за то, что не используется» — никакое языковое средство не должно приводить к снижению производительности программ, не использующих его.
Не требовать слишком усложнённой среды программирования.
История названия
Имя языка, получившееся в итоге, происходит от оператора унарного постфиксного инкремента C ++ (увеличение значения переменной на единицу). Имя C+ не было использовано потому, что является синтаксической ошибкой в C и, кроме того, это имя было занято другим языком. Язык также не был назван D, поскольку «является расширением C и не пытается устранять проблемы путём удаления элементов C».
Стандарт языка
В 2003 году был опубликован стандарт языка ISO/IEC 14882:2003, где были исправлены выявленные ошибки и недочёты предыдущей версии стандарта.
В 2005 году был выпущен отчёт Library Technical Report 1 (кратко называемый TR1). Не являясь официально частью стандарта, отчёт описывает расширения стандартной библиотеки, которые, как ожидалось авторами, должны быть включены в следующую версию языка C++. Степень поддержки TR1 улучшается почти во всех поддерживаемых компиляторах языка C++.
С 2009 года велась работа по обновлению предыдущего стандарта, предварительной версией нового стандарта сперва был C++09, а спустя год C++0x, сегодня — C++11, куда были включены дополнения в ядро языка и расширение стандартной библиотеки, в том числе большую часть TR1.
C++ продолжает развиваться, чтобы отвечать современным требованиям. Одна из групп, разрабатывающих язык C++ и направляющих комитету по стандартизации C++ предложения по его улучшению — это Boost, которая занимается, в том числе, совершенствованием возможностей языка путём добавления в него особенностей метапрограммирования.
Никто не обладает правами на язык C++, он является свободным. Однако сам документ стандарта языка (за исключением черновиков) не доступен бесплатно.
Развитие и стандартизация языка
В 1985 году вышло первое издание «Языка программирования C++», обеспечивающее первое описание этого языка, что было чрезвычайно важно из-за отсутствия официального стандарта. В 1989 году состоялся выход C++ версии 2.0. Его новые возможности включали множественное наследование, абстрактные классы, статические функции-члены, функции-константы и защищённые члены. В 1990 году вышло «Комментированное справочное руководство по C++», положенное впоследствии в основу стандарта. Последние обновления включали шаблоны, исключения, пространства имён, новые способы приведения типов и булевский тип.
Стандартная библиотека C++ также развивалась вместе с ним. Первым добавлением к стандартной библиотеке C++ стали потоки ввода-вывода, обеспечивающие средства для замены традиционных функций C printf и scanf. Позднее самым значительным развитием стандартной библиотеки стало включение в неё Стандартной библиотеки шаблонов.
В 1998 году был опубликован стандарт языка ISO/IEC 14882:1998 (известный как C++98), разработанный комитетом по стандартизации C++ (ISO/IEC JTC1/SC22/WG21 working group). Стандарт C++ не описывает способы именования объектов, некоторые детали обработки исключений и другие возможности, связанные с деталями реализации, что делает несовместимым объектный код, созданный различными компиляторами. Однако для этого третьими лицами создано множество стандартов для конкретных архитектур и операционных систем.
Создание
Язык возник в начале 1980-х годов, когда сотрудник фирмы Bell Labs Бьёрн Страуструп придумал ряд усовершенствований к языку C под собственные нужды. Когда в конце 1970-х годов Страуструп начал работать в Bell Labs над задачами теории очередей (в приложении к моделированию телефонных вызовов), он обнаружил, что попытки применения существующих в то время языков моделирования оказываются неэффективными, а применение высокоэффективных машинных языков слишком сложно из-за их ограниченной выразительности. Так, язык Симула имеет такие возможности, которые были бы очень полезны для разработки большого программного обеспечения, но работает слишком медленно, а язык BCPL достаточно быстр, но слишком близок к языкам низкого уровня и не подходит для разработки большого программного обеспечения.
Вспомнив опыт своей диссертации, Страуструп решил дополнить язык C (преемник BCPL) возможностями, имеющимися в языке Симула. Язык C, будучи базовым языком системы UNIX, на которой работали компьютеры Bell, является быстрым, многофункциональным и переносимым. Страуструп добавил к нему возможность работы с классами и объектами. В результате практические задачи моделирования оказались доступными для решения как с точки зрения времени разработки (благодаря использованию Симула-подобных классов), так и с точки зрения времени вычислений (благодаря быстродействию C). В первую очередь в C были добавлены классы (с инкапсуляцией), наследование классов, строгая проверка типов, inline-функции и аргументы по умолчанию. Ранние версии языка, первоначально именовавшегося «C with classes» («Си с классами»), стали доступны с 1980 года.
Разрабатывая C с классами, Страуструп написал программу cfront — транслятор, перерабатывающий исходный код C с классами в исходный код простого C. Это позволило работать над новым языком и использовать его на практике, применяя уже имеющуюся в UNIX инфраструктуру для разработки на C. Новый язык, неожиданно для автора, приобрёл большую популярность среди коллег и вскоре Страуструп уже не мог лично поддерживать его, отвечая на тысячи вопросов.
К 1983 году в язык были добавлены новые возможности, такие как виртуальные функции, перегрузка функций и операторов, ссылки, константы, пользовательский контроль над управлением свободной памятью, улучшенная проверка типов и новый стиль комментариев (//). Получившийся язык уже перестал быть просто дополненной версией классического C и был переименован из C с классами в «C++». Его первый коммерческий выпуск состоялся в октябре 1985 года.
До начала официальной стандартизации язык развивался в основном силами Страуструпа в ответ на запросы программистского сообщества. Функцию стандартных описаний языка выполняли написанные Страуструпом печатные работы по C++ (описание языка, справочное руководство и так далее). Лишь в 1998 году был ратифицирован международный стандарт языка C++: ISO/IEC 14882:1998 «Standard for the C++ Programming Language»; после принятия технических исправлений к стандарту в 2003 году — следующая версия этого стандарта — ISO/IEC 14882:2003.
C++
C++ — компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения.
Поддерживает такие парадигмы программирования как процедурное программирование, объектно-ориентированное программирование, обобщённое программирование, обеспечивает модульность, раздельную компиляцию, обработку исключений, абстракцию данных, объявление типов (классов) объектов, виртуальные функции. Стандартная библиотека включает, в том числе, общеупотребительные контейнеры и алгоритмы. C++ сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником — языком C, — наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования.
C++ широко используется для разработки программного обеспечения, являясь одним из самых популярных языков программирования. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (игр). Существует множество реализаций языка C++, как бесплатных, так и коммерческих и для различных платформ. Например, на платформе x86 это GCC, Visual C++, Intel C++ Compiler, Embarcadero (Borland) C++ Builder и другие. C++ оказал огромное влияние на другие языки программирования, в первую очередь на Java и C#.
Синтаксис C++ унаследован от языка C. Одним из принципов разработки было сохранение совместимости с C. Тем не менее, C++ не является в строгом смысле надмножеством C; множество программ, которые могут одинаково успешно транслироваться как компиляторами C, так и компиляторами C++, довольно велико, но не включает все возможные программы на C.
Компиляторы на динамические языки и платформы
Иногда, в целях переноса тех или иных библиотек, функций и инструментов, написанных на Си, в иную среду, требуется компиляция Си-кода на язык более высокого уровня или в код виртуальной машины, предназначенной для такого языка. Следующие проекты предназначены для этих целей:
Clue — компилятор из ANSI Си в Lua, JavaScript, Perl, Java, Common Lisp.
Flascc (старое название — Alchemy) — компилятор из Си/C++ в ActionScript Virtual Machine (AVM2). Позволяет использовать Си-библиотеки в Flash- и Adobe AIR-приложениях.
AMPC — компилятор из Си в виртуальную машину Java.
Emscripten — компилятор из LLVM-байтокода (например, полученный из C++) в JavaScript.
Си и C++
Язык программирования C++ произошёл от Си. Однако в дальнейшем Си и C++ развивались независимо, что привело к росту несовместимости между ними. Редакция C99 добавила в язык несколько конфликтующих с C++ особенностей. Эти различия затрудняют написание программ и библиотек, которые могли бы нормально компилироваться и работать одинаково и в Си и в C++, что, конечно, запутывает тех, кто программирует на обоих языках.
Бьёрн Страуструп, придумавший C++, неоднократно выступал за максимальное сокращение различий между Си и C++ для создания максимальной совместимости между этими языками. Противники же такой точки зрения считают, что так как Си и C++ являются двумя различными языками, то и совместимость между ними не так важна, хоть и полезна. Согласно этому лагерю, усилия по уменьшению несовместимости между ними не должны препятствовать попыткам улучшения каждого языка в отдельности.
Различия между этими языками, существующие на сегодня[когда?]:
inline — подставляемые функции существуют в глобальном пространстве C++, а в Си — в пространстве файла (статическом пространстве). Другими словами, это значит, что в C++ любое определение подставляемой функции (независимо от переопределения функций) должно соответствовать правилу одного определения, требующего того, чтобы любая подставляемая функция была определена только один раз. В Си же одна и та же подставляемая функция может быть определена по-разному в разных компилируемых файлах одной программы.
В отличие от C++, макрос bool в C99 требует включения соответствующего заголовочного файла stdbool.h. В стандарте C99 определён собственный тип логических данных _Bool. Предыдущий стандарт Си (C89) не определял булевый тип вообще, поэтому для этого часто использовались различные (а значит, несовместимые) методы.
Символьные константы (заключённые в одинарные кавычки) по умолчанию имеют: тип int в Си и тип char в C++. Поэтому в Си справедливо равенство sizeof(‘a’) == sizeof(int), а в C++ — равенство sizeof(‘a’) == sizeof(char).
Некоторые новые возможности C99, в первую очередь, restrict, не включены в C++.
Хранение данных
Одной из самых важных функций любого языка программирования является предоставление возможностей для управления памятью и объектами, хранящимися в ней.
В Си есть три разных способа выделения памяти (классы памяти) для объектов:
Статическое выделение памяти: пространство для объектов создаётся в сегменте данных программы в момент компиляции; время жизни таких объектов совпадает со временем жизни этого кода. Изменение таких объектов ведёт к так называемому в стандарте «неопределённому поведению» (англ. undefined behaviour). На практике эта операция приводит к ошибке во время выполнения.
Автоматическое выделение памяти: объекты можно хранить в стеке; эта память затем автоматически освобождается и может быть использована снова, после того, как программа выходит из блока, использующего его.
Динамическое выделение памяти: блоки памяти нужного размера могут запрашиваться во время выполнения программы с помощью библиотечных функций malloc, realloc, calloc из области памяти, называемой кучей. Эти блоки освобождаются и могут быть использованы снова после вызова для них функции free.
Все три этих способа хранения данных пригодны в различных ситуациях и имеют свои преимущества и недостатки. Например, статическое выделение памяти не имеет накладных расходов по выделению, автоматическое выделение — лишь малые расходы при выделении, а вот динамическое выделение потенциально требует больших расходов и на выделение, и на освобождение памяти. С другой стороны, память стека гораздо больше ограничена, чем статическая или память в куче. Только динамическая память может использоваться в случаях, когда размер используемых объектов заранее неизвестен. Большинство программ на Си интенсивно используют все три этих способа.
Там, где это возможно, предпочтительным является автоматическое или статическое выделение памяти: такой способ хранения объектов управляется компилятором, что освобождает программиста от трудностей ручного выделения и освобождения памяти, как правило, служащего источником трудно отыскиваемых ошибок утечек памяти и повторного освобождения в программе. К сожалению, многие структуры данных имеют переменный размер во время выполнения программы, поэтому из-за того, что автоматически и статически выделенные области должны иметь известный фиксированный размер во время компиляции, очень часто требуется использовать динамическое выделение. Массивы переменного размера — самый распространённый пример такого использования памяти.
Типы
Система типов в Си подобна типам в других потомках Алгола, таких, как Паскаль. В Си имеются типы целых чисел различных размеров (short int, long int), со знаком (signed) и без (unsigned), чисел с плавающей запятой (float, double), символов, перечисляемых типов (enum) и записей-структур (struct). Кроме того, язык Си предлагает тип объединение (union), с помощью которого можно осуществлять каламбуры типизации — либо хранить в одном месте памяти разнородные данные, не пересекающиеся по времени существования (это позволяет экономить память), либо обращаться к содержимому участка памяти, как к данным разных типов (что позволяет менять тип-интерпретацию данных, не меняя сами данные).
В языке возможно преобразование типов, но оно не всегда происходит автоматически. Только некоторые типы числовых данных полностью совместимы друг с другом. При таком преобразовании компилятор может выдать только предупреждение. Чтобы полностью обезопасить себя от ошибок такого рода, можно использовать программу lint.