第265期 | 重新认识C++：生命周期和编程范式
池建强
讲述：池建强大小：13.27M时长：14:29
你好，这里是卖桃者说。本周我们上线了一门 C++ 的课程：《罗剑锋的 C++ 实战笔记》。都说 C++ 难学，罗老师却不这么认为，他这次要把 C++ 拉下神坛，带你重新认识 C++。今天是周五，我为你精选了其中一篇文章，重新认识 C++：生命周期和编程范式。
以下是全文。
你好，我是 Chrono。
今天是专栏的第一节正式课。我想，既然你选择了这个专栏，你就应该已经对 C++ 有所了解了，而且有过一些开发经验，甚至还掌握了一两种其他的语言。
苏轼有诗云：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”学习 C++ 很容易被纷繁复杂的语法细节所吸引、迷惑，所以，我决定从“生命周期”和“编程范式”这两个不太常见的角度来“剖析”一下 C++，站在一个更高的层次上审视这门“历久弥新”的编程语言，帮你认清楚 C++ 最本质的东西。
这样，今后在写程序的时候，你也会有全局观或者说是大局观，更能从整体上把握程序架构，而不会迷失在那些琐碎的细枝末节里。
现在，我们先来了解下 C++ 的生命周期。
C++ 程序的生命周期
如果你学过一点软件工程的知识，就一定知道“瀑布模型”，它定义了软件或者是项目的生命周期——从需求分析开始，经过设计、开发、测试等阶段，直到最终交付给用户。
“瀑布模型”把软件的生命周期分成了多个阶段，每个阶段之间分工明确，相互独立，而且有严格的先后次序，是一个经典的开发模型。虽然它已经不再适合瞬息万变的互联网产业了，但仍然有许多值得借鉴和参考的地方。
那么，说了半天，“瀑布模型”跟 C++ 程序有什么关系呢？
其实，从软件工程的视角来看，一个 C++ 程序的生命周期也是“瀑布”形态的，也可以划分出几个明确的阶段，阶段之间顺序衔接，使用类似的方法，就可以更好地理解 C++ 程序的运行机制，帮助我们写出更好的代码。
不过，因为 C++ 程序本身就已经处在“开发”阶段了，所以不会有“需求分析”“设计”这样的写文档过程。所以，一个 C++ 程序从“诞生”到“消亡”，要经历这么几个阶段：编码（Coding）、预处理（Pre-processing）、编译（Compiling）和运行（Running）。
C++程序的四个阶段
C++ 程序的四个阶段
编码应该是你很熟悉的一个阶段了，这也是我们“明面”上的开发任务最集中的地方。
在这个阶段，我们的主要工作就是在编辑器里“敲代码”：定义变量，写语句，实现各种数据结构、函数和类。
编码阶段是 C++ 程序生命周期的起点，也是最重要的阶段，是后续阶段的基础，直接决定了 C++ 程序的“生存质量”。
显然，在编码阶段，我们必须要依据一些规范，不能“胡写一气”，最基本的要求是遵循语言规范和设计文档，再高级一点的话，还有代码规范、注释规范、设计模式、编程惯用法，等等。现在市面上绝大部分的资料都是在教授这个阶段的知识，在专栏后面，我也会重点讲一讲我在这方面的一些经验积累。
那么，编码阶段之后是什么呢？
可能对你来说稍微有点陌生，这个阶段叫预处理。
所谓的预处理，其实是相对于下一个阶段“编译”而言的，在编译之前，预先处理一下源代码，既有点像是编码，又有点像是编译，是一个中间阶段。
预处理是 C/C++ 程序独有的阶段，其他编程语言都没有，这也算是 C/C++ 语言的一个特色了。
在这个阶段，发挥作用的是预处理器（Pre-processor）。它的输入是编码阶段产生的源码文件，输出是经过“预处理”的源码文件。“预处理”的目的是文字替换，用到的就是我们熟悉的各种预处理指令，比如 #include、#define、#if 等，实现“预处理编程”。这部分内容，我后面还会展开讲。
不过，你要注意的是，它们都以符号“#”开头，虽然是 C++ 程序的一部分，但严格来说不属于 C++ 语言的范畴，因为它走的是预处理器。
在预处理之后，C++ 程序就进入了编译阶段，更准确地说，应该是“编译”和“链接（Linking）”。简单起见，我统一称之为“编译”。
在编译阶段，C++ 程序——也就是经过预处理的源码——要经过编译器和链接器的“锤炼”，生成可以在计算机上运行的二进制机器码。这里面的讲究是最多的，也是最复杂的，C++ 编译器要分词、语法解析、生成目标码，并尽可能地去优化。
在编译的过程中，编译器还会根据 C++ 语言规则检查程序的语法、语义是否正确，发现错误就会产生“编译失败”。这就是最基本的 C++“静态检查”。
在处理源码时，由于编译器是依据 C++ 语法检查各种类型、函数的定义，所以，在这个阶段，我们就能够以编译器为目标进行编程，有意识地控制编译器的行为。这里有个新名词，叫“模板元编程”。不过，“模板元编程”比较复杂，不太好理解，属于比较高级的用法，稍后我会再简单讲一下。
编译阶段之后，有了可执行文件，C++ 程序就可以跑起来了，进入运行阶段。这个时候，“静态的程序”被载入内存，由 CPU 逐条语句执行，就形成了“动态的进程”。
运行阶段也是我们最熟悉的了。在这个阶段，我们常做的是 GDB 调试、日志追踪、性能分析等，然后收集动态的数据、调整设计思路，再返回编码阶段，重走这个“瀑布模型”，实现“螺旋上升式”的开发。
好了，梳理清楚了 C++ 程序生命周期的四个阶段，你可以看到，这和软件工程里的“瀑布模型”很相似，这些阶段也是职责明确的，前一个阶段的输出作为后一个阶段的输入，而且每个阶段都有自己的工作特点，我们可以有针对性地去做编程开发。
还有，别忘了软件工程里的“蝴蝶效应”“混沌理论”，大概意思是：一个 Bug 在越早的阶段发现并解决，它的价值就越高；一个 Bug 在越晚的阶段发现并解决，它的成本就越高。
所以，依据这个生命周期模型，我们应该在“编码”“预处理”“编译”这前面三个阶段多下功夫，消灭 Bug，优化代码，尽量不要让 Bug 在“运行”阶段才暴露出来，也就是所谓的“把问题扼杀在萌芽期”。
C++ 语言的编程范式
说完了 C++ 程序的生命周期，再来看看 C++ 的编程范式（Paradigm）。
什么是编程范式呢？
关于这个概念，没有特别权威的定义，我给一个比较通俗的解释：“编程范式”是一种“方法论”，就是指导你编写代码的一些思路、规则、习惯、定式和常用语。
编程范式和编程语言不同，有的范式只能用于少数特定的语言，有的范式却适用于大多数语言；有的语言可能只支持一种范式，有的语言却可能支持多种范式。
那么，你一定知道或者听说过，C++ 是一种多范式的编程语言。具体来说，现代 C++（11/14 以后）支持“面向过程”“面向对象”“泛型”“模板元”“函数式”这五种主要的编程范式。
其中，“面向过程”“面向对象”是基础，支撑着后三种范式。我画了一个“五环图”，圆环重叠表示有的语言特性会同时应用于多种范式，可以帮你理解它们的关系。
C++编程范式的“五环图”
接下来，我就和你详细说说这五种编程范式。
C++ 语言的五种范式
面向过程是 C++ 里最基本的一种编程范式。它的核心思想是“命令”，通常就是顺序执行的语句、子程序（函数），把任务分解成若干个步骤去执行，最终达成目标。
面向过程体现在 C++ 中，就是源自它的前身——C 语言的那部分，比如变量声明、表达式、分支 / 循环 / 跳转语句，等等。
面向对象是 C++ 里另一个基本的编程范式。它的核心思想是“抽象”和“封装”，倡导的是把任务分解成一些高内聚低耦合的对象，这些对象互相通信协作来完成任务。它强调对象之间的关系和接口，而不是完成任务的具体步骤。
在 C++ 里，面向对象范式包括 class、public、private、virtual、this 等类相关的关键字，还有构造函数、析构函数、友元函数等概念。
泛型编程是自 STL（标准模板库）纳入到 C++ 标准以后才逐渐流行起来的新范式，核心思想是“一切皆为类型”，或者说是“参数化类型”“类型擦除”，使用模板而不是继承的方式来复用代码，所以运行效率更高，代码也更简洁。
在 C++ 里，泛型的基础就是 template 关键字，然后是庞大而复杂的标准库，里面有各种泛型容器和算法，比如 vector、map、sort，等等。
与“泛型编程”很类似的是模板元编程，这个词听起来好像很新，其实也有十多年的历史了，不过相对于前三个范式来说，确实“资历浅”。它的核心思想是“类型运算”，操作的数据是编译时可见的“类型”，所以也比较特殊，代码只能由编译器执行，而不能被运行时的 CPU 执行。
在讲编译阶段的时候我也说了，模板元编程是一种高级、复杂的技术，C++ 语言对它的支持也比较少，更多的是以库的方式来使用，比如 type_traits、enable_if 等。
最后一个函数式，它几乎和“面向过程”一样古老，但却直到近些年才走入主流编程界的视野。所谓的“函数式”并不是 C++ 里写成函数的子程序，而是数学意义上、无副作用的函数，核心思想是“一切皆可调用”，通过一系列连续或者嵌套的函数调用实现对数据的处理。
函数式早在 C++98 时就有少量的尝试（bind1st/bind2nd 等函数对象），但直到 C++11 引入了 Lambda 表达式，它才真正获得了可与其他范式并驾齐驱的地位。
好了，介绍完了这五种编程范式，你可以看到，它们基本覆盖了 C++ 语言和标准库的各个成分，彼此之间虽然有重叠，但在理念、关键字、实现机制、运行阶段等方面的差异还是非常大的。
这就好像是五种秉性不同的“真气”，在 C++ 语言里必须要有相当“浑厚”的内力才能把它们压制、收服、炼化，否则的话，一旦运用不当，就很容易“精神分裂”“走火入魔”。
说得具体一点，就是要认识、理解这些范式的优势和劣势，在程序里适当混用，取长补短才是“王道”。
说到这儿，你肯定很关心，该选择哪种编程范式呢？
拿我自己来说，我的出发点是“尽量让周围的人都能看懂代码”，所以常用的范式是“过程 + 对象 + 泛型”，再加上少量的“函数式”，慎用“模板元”。
对于你来说，我建议根据自己的实际工作需求来决定。
我个人觉得，面向过程和面向对象是最基本的范式，是 C++ 的基础，无论如何都是必须要掌握的，而后三种范式的学习难度就大一些。
如果是开发直接面对用户的普通应用（Application），那么你可以再研究一下“泛型”和“函数式”，就基本可以解决 90% 的开发问题了；如果是开发面向程序员的库（Library），那么你就有必要深入了解“泛型”和“模板元”，优化库的接口和运行效率。
当然，还有一种情况：如果你愿意挑战“最强大脑”，那么，“模板元编程”就绝对是你的不二选择（笑）。
小结
今天是开篇第一课，我带你从“生命周期”和“编程范式”这两个特别的角度深度“透视”了一下 C++，做个简单小结：
C++ 程序的生命周期包括编码、预处理、编译、运行四个阶段，它们都有各自的特点；
虽然我们只写了一个 C++ 程序，但里面的代码可能会运行在不同的阶段，分别由预处理器、编译器和 CPU 执行；
C++ 支持面向过程、面向对象、泛型、模板元、函数式共五种主要的编程范式；
在 C++ 里可以“无缝”混用多范式编程，但因为范式的差异比较大，必须小心谨慎，避免导致混乱。
课下作业
最后是课下作业时间，给你留两个思考题：
你是怎么理解 C++ 程序的生命周期和编程范式的？
试着从程序的生命周期和编程范式的角度，把 C++ 和其他语言（例如 Java、Python）做个比较，说说 C++ 的优点和缺点分别是什么。
内容听完了，不知道你对 C++ 的理解是不是加深了一层。这门生命力强劲的编程语言，常年在编程排行榜前五名，稳定持久，构建了无数优质和高性能的服务，如果你也在生产环境使用 C++ 编程，那么这门课程就是为你定制的。同样，我为卖桃者说的读者申请了优惠口令，使用方式参见文稿。
卖桃者说，下周见。
（编辑：夏天）
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