introduction

Q1: 硬件便宜了，为什么还需要软件更快？答案是为了降低功耗（尤其是在大规模集群或移动设备中）。

Q2: 能否发明一种像 C 语言一样快，但没有 C 语言那么多“坑”（内存安全问题等）的语言？

Rust

  • 起源与支持: 最初由 Mozilla 研究院开发 (2010)，后成立 Rust 基金会 (2021)。受到微软、谷歌、亚马逊、华为等大厂支持。
  • 核心口号: Safe (安全), Concurrent (并发), Practical (实用)。
  • 主要特性:
    • 内存安全: 无垃圾回收 (No GC)，通过编译机制杜绝空指针和数据竞争。
    • 并发安全: 在编译器级别防止数据竞争。
    • 现代特性: 支持模式匹配、类型推导、闭包和 Trait。
  • 面临的挑战 (缺点): 借用检查器（Borrow Checker）导致开发迭代变慢（学习曲线陡峭），Unsafe 模块增加了复杂性，遗留系统的维护成本高等。

Go

  • 起源与大佬: Google 出品 (2007-2009)。由计算机界的泰斗级人物创造，包括 Rob Pike (Unix, UTF-8 发明者)、Ken Thompson (B语言, C语言, Unix 之父) 等。
  • 核心哲学: Less is more (少即是多)。
  • 解决的问题: 旨在解决大规模分布式系统中的开发效率问题（如编译慢、依赖复杂）。
  • 主要特性:
    • 内存管理: 有垃圾回收 (GC)。
    • 并发模型: Goroutine + Channel (基于 CSP 模型)，非常轻量级。
    • 语法: 简单，无继承（组合优于继承），无运算符重载。编译速度极快。
    • 应用领域: Web 后端、云原生（Cloud Native）。

运行效率 vs. 开发效率:

  • Rust 更侧重于 运行效率 和 安全性（硬件级控制），但牺牲了一定的易用性和开发速度。
  • Go 更侧重于 开发效率 和 易用性，但在极致性能和控制力上略逊于 Rust。

关键词: 安全性 VS 易用性，历史代码复用，硬件级控制。

C++为什么仍然重要

占据独特的“生态位” (Ecological Niche)

C++ 在编程生态系统中占据了一个不可替代的位置。

  • 定位： 它专门用于那些既需要直接操作硬件（高效），又需要管理极高复杂度的应用程序。
  • 解释： 简单的脚本（如 Python）管理不了太复杂的底层逻辑；纯底层语言（如 C）在面对超大规模软件架构时又太累人。C++ 刚好卡在中间：既能像 C 一样控制底层，又能像 Java 一样用面向对象等高级特性管理复杂的架构。

核心哲学：零开销抽象 (Zero-overhead abstraction)

关于“零开销”的两条铁律：

  1. What you don’t use, you don’t pay for (你不用就不需要付费):
    • 如果你不使用某个高级特性（比如虚函数、异常处理），编译器绝对不会在你的代码里塞进任何额外的垃圾代码或性能损耗。
  2. What you do use, you couldn’t hand-code any better (你用的东西，你自己手写也不会更好):
    • 如果你使用了某个高级抽象（比如 std::sort 排序算法），它的性能已经优化到了极致。哪怕你用汇编语言手写一个，大概率也只能达到一样的速度，而不会更快。

C 与 C++ 的关系 (C vs C++)

C++ 是 C 的 超集 (Superset)：

  • 兼容性： C++ 支持 C 语言所有的编程技巧。
  • 性能对等： 任何 C 语言程序都可以用 C++ 写出来，并且在时间（运行速度）和空间（内存占用）上的开销是完全一样的。
  • 潜台词： 这意味着从 C 迁移到 C++ 没有性能损失，你获得了更高级的工具，却不需要付出性能代价。

C++ 的三个主要发展阶段：

  1. 诞生与初期 (1979–1991)
  • 论文年份: 1993 (HOPL-II)
  • 标题: A history of C++: 1979–1991
  • 阶段特征: 这是 C++ 从 “C with Classes”（带类的 C）发展为独立语言的时期。它确立了面向对象的核心机制。
  1. 标准化与工业化 (1991–2006)
  • 论文年份: 2007 (HOPL-III)
  • 标题: Evolving a language in and for the real world (在现实世界中演进语言)
  • 阶段特征: 这一时期 C++ 被广泛应用于工业界（”Real World”）。这也是 C++98 标准确立及后续修补的时期，语言变得成熟但也变得复杂。
  1. 现代化与竞争 (2006–2020)
  • 论文年份: 2021 (HOPL-IV)
  • 标题: Thriving in a crowded and changing world (在拥挤和变化的世界中繁荣)
  • 阶段特征:
    • “Crowded” (拥挤): 暗指出现了像 Rust、Go等强有力的竞争者。
    • “Thriving” (繁荣): 尽管有竞争，C++ 通过 C++11、C++14、C++17、C++20 等现代标准的快速迭代，依然保持着旺盛的生命力。

编程是科学和艺术的结合。

程序设计范式一般有两类：

  • 面向步骤：基于步骤和调用的概念。偏向图灵机的思想。
  • 面向对象：引入概念和模型来刻画现实中人与世界交互的现象。特点是封装和继承。
  • 函数式：由微小且有用的函数聚集起来，合成最终的结果。
  • 逻辑式：根据公理和推导规则进行推理，回应用户的询问。
  • 并发编程：使程序可以分发到独立的个体上运行。如多线程和并发计算等。
  • 泛型编程：将常用的数据结构和算法进行抽象，设计出效率高、可重用的库。

面向对象程序设计的历史

  • Simula I：最初是作为 ALGOL 60 的扩展或预处理器，专门用于离散事件仿真。它引入了“进程”（Process）的概念来模拟活动实体，但尚未具备完整的类继承体系，主要关注于特定领域的仿真任务

  • Simula 67：面向对象的开山之作，引入了”类“和”对象“的概念，但性能太差，不适合实际使用。
  • Smalltalk：将”万物皆对象“的理念推向极致，将数据和功能均封装在对象内，所有操作都是对象间的消息传递。
  • C++：继承了 Simula 的类、继承、多态等特性，同时保持了 C 语言的效率和灵活性。
  • Java：通过 Java 虚拟机（JVM）实现了跨平台的应用开发，并推动了规范化的面向对象程序设计。

函数式编程

声明式编程的一种

函数式编程不像命令式编程那样一步步告诉电脑“怎么做”（修改状态），而是通过将大量小的、纯粹的辅助函数（Helper Functions） 组合起来，像搭积木一样合成（Synthesizing） 出最终的大结果

四大核心特性

  • 数据不可变 (Immutable Data): 变量一旦赋值就不能改。不像 C/Python 里 x = 1; x = 2，这里必须创建新变量。
  • 无副作用 (No Side Effects): 函数就像数学公式，只计算并返回结果，绝不偷偷修改外部变量（比如全局变量）或修改文件/数据库状态。
  • 函数是一等公民 (First-class Functions): 函数可以像整数、字符串一样，被赋值给变量，或者作为参数传递给另一个函数（比如 Python 里的 map(func, list)）。
  • 引用透明 (Referential Transparency): 只要输入相同，输出永远相同。这让代码非常容易预测和测试。

优势与局限

  • 优势 (Pros):
    • 天然线程安全: 因为数据不可变，多个线程同时读写不会冲突，不需要复杂的锁机制（这解决了并发编程最大的头疼问题）。
    • 数学可证明性: 代码逻辑严密，可以通过数学推导证明它是对的。
  • 局限 (Cons):
    • 学习曲线陡峭: 思维方式与传统编程完全不同，很难上手。
    • 不适用于状态密集型场景: 如果一个系统需要频繁修改状态（比如游戏里的一滴血、一步路），用“不可变数据”来模拟会非常麻烦且低效。

不适用的场景

强依赖状态变化的领域：

  • 实时游戏开发:
    • 原因: 游戏全是状态（位置、血量、装备）。每一帧都在变，如果每次变化都创建新对象，内存和性能扛不住。PPT 提到了物理引擎、AI、渲染都依赖状态变更。
  • 高频金融交易:
    • 原因: 订单簿每秒更新数万次，要求纳秒级响应。函数式编程的层层抽象和对象创建开销在这里是不可接受的。
  • GUI 应用程序: 用户的每一次点击、输入都是在改变界面的“状态”，这与函数式编程的理念天然冲突。

逻辑编程范式

编程范式 (Programming Paradigm)

  • 逻辑式 (Logical)
    • 人工智能领域内的自动证明 (Automatic proofs within artificial intelligence)
    • 基于公理 (axioms)、推理规则 (inference rules) 和查询 (queries)
    • Prolog (一种经典的逻辑编程语言)

这两张 PPT 详细阐述了 C++ 诞生的历史背景（1979年）、设计初衷以及其背后的哲学思想。它是为了解决特定工程难题，在现有语言（Simula、BCPL、C）的权衡中产生的。

以下是整理好的学习笔记：

C++ 的诞生：从史前探索到设计哲学

  1. 历史背景：1979年的困境 (Prehistory 1979)
  • 人物与环境：Bjarne Stroustrup 在剑桥大学攻读博士学位期间，研究分布式系统的系统软件组织。
  • 目标：设计由“隔离良好的模块”组合而成的软件，并在 IBM/360 上运行细节繁杂的模拟器。
  • 面临的挑战：当时没有合适的工具来解决这个问题。Stroustrup 的原则是：“没有合适工具，绝不冲击一个问题”。
  1. 工具的尝试与失败 (Trials and Failures)

在开发过程中，Stroustrup 经历了两个主要阶段的尝试，深刻体会了当时语言的优缺点：

  • 第一阶段：Simula (Simula-67)
    • 优点：具有良好的可读性，支持协程（伪并行 pseudo-parallel），拥有类的层次结构，非常适合组织程序。
    • 缺点（灾难性的）：
      • 性能差：运行时类型检查和垃圾收集（Garbage Collection）消耗了 80% 的系统资源。
      • 链接器问题：不适合编写大程序。
  • 尝试 Pascal：虽然类型表达能力强，编译器捕捉错误能力强，但存在低级编程错误和设计缺陷，最终放弃。
  • 第二阶段：BCPL
    • 优点：效率高，连接规则简单。
    • 缺点：Debug（调试）太难。
  1. C++ 的设计蓝图 (Design Thinking)

基于上述教训，C++ 的诞生愿景被确立为：“以 C 为基础实现带有 Simula 类的 Algol68”。

科学观（技术实现维度）：

  • 程序组织 (Organization)：借鉴 Simula，引入“类”的概念。
  • 效率 (Efficiency)：借鉴 BCPL，保持连接规则简单、灵活（支持异构语言）。
  • 移植性 (Portability)：设计目标是不能依赖复杂的运行系统（拒绝臃肿的 Runtime/GC）。
  • 系统级特性：借鉴 操作系统 (OS) 的概念，引入了 protected（保护）、const（常量）、区分初始化和赋值、异常处理等机制。
  1. 独特的哲学观与价值观 (Philosophy & Values)

C++ 不仅仅是技术的堆砌，深受存在主义哲学家索伦·克尔凯郭尔（Søren Aabye Kierkegaard）的影响。

  • 存在主义 (Existentialism)：
    • 认为实验（实践）比理论更重要。
    • C++ 不是为了证明某种学术观点，而是为了解决一个具体问题。
    • 它不是“科学家的玩物”。
  • 多样性：风格多样，不强求一种所谓的“真理之路”。
  • 文学观：设计中包含某种幽默感。

C++语言特性

  • 静态、强类型
  • OOP
  • 泛型编程
  • 异常处理