C++設(shè)計目標(biāo)及原則
以下就對C++設(shè)計目標(biāo)及原則進(jìn)行詳細(xì)描述。
一. C++的設(shè)計目標(biāo)(C++ Design Aims)
C++的設(shè)計目標(biāo)，就是要讓C++既具有適合于系統(tǒng)程序設(shè)計的C語言所具有的可適應(yīng)性和高效性，又能在其程序組織結(jié)構(gòu)方面具有像Simula那樣的語言設(shè)施(Simula所支持的這種程序組織結(jié)構(gòu)通常被稱為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計風(fēng)格)。在設(shè)計的時候，還做了很大的努力，使得引借自Simula的高層次的程序設(shè)計技術(shù)能夠應(yīng)用于系統(tǒng)程序設(shè)計之中。這即是說，C++所提供的抽象機(jī)制能夠被應(yīng)用于那些對效率和可適應(yīng)性具有極高要求的程序設(shè)計任務(wù)之中。
上述的C++之設(shè)計目標(biāo)可以小結(jié)如下：
對于要解決實(shí)際問題的程序員而言，C++使程序設(shè)計變得更有樂趣;C++是一門通用目的的程序設(shè)計語言，它：
是一個更好的C;
支持?jǐn)?shù)據(jù)抽象;
支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計;
支持范型程序設(shè)計。
對范型程序設(shè)計的支持在C++設(shè)計的后期才被作為一個明確、獨(dú)立的目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。而在C++演化過程的大部分時間里，我一直把范型程序設(shè)計以及支持它的語言特性劃歸在“數(shù)據(jù)抽象”的大標(biāo)題之下。
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二. C++的設(shè)計原則(Design Principles)
在[Stroustrup,1994]中，C++的設(shè)計規(guī)則被分為基本規(guī)則、基于設(shè)計的規(guī)則、語言的技術(shù)性規(guī)則以及基于低層次程序設(shè)計的規(guī)則四個方面，分列在下文中。
1. 基本規(guī)則(General rules)
A: C++的每一步演化和發(fā)展必須是由于實(shí)際問題所引起的;
B: C++是一門語言，而不是一個完整的系統(tǒng);
C: 不能無休止的一味追求***;
D: C++在其存在的“當(dāng)時”那個時期必須是有用處的;
E: 每一種語言特性必須有一個有根據(jù)的、明確的實(shí)現(xiàn)方案;
F: 總能提供一種變通的方法;
G: 能為意欲支持的每一種程序設(shè)計風(fēng)格提供易于理解的支持方法;
H: 不強(qiáng)制于人。
可以注意到，基本規(guī)則的***三條暗示了兩點(diǎn)：對適用于真實(shí)世界中各種應(yīng)用的便捷工具的強(qiáng)調(diào);對程序員的技術(shù)和取向(偏好)的充分考慮。從一開始，C++面向的就是那些要做實(shí)際項目的程序員。所謂的“***”被認(rèn)為是不可能達(dá)到的，這是由于C++用戶在需求、背景和待解決問題上存在著太大的不同。況且，在一門通用目的的程序設(shè)計語言的整個生存期之內(nèi)，連對“***”一詞的詮釋都可能會有極大的改變。由此可知，在語言的演化過程中，來自用戶的反饋和語言實(shí)現(xiàn)者們積累的經(jīng)驗才是最為重要的。
2. 基于設(shè)計的規(guī)則(Design-support rules)
A: 支持良好的設(shè)計方案;
B: 提供用于程序組織的語言設(shè)施;
C: 心口如一(Say what you mean);
D: 所有的語言特性必須具有切實(shí)有效的承受能力;
E: 開啟一個有用的特性比避免所有的誤用更為重要;
F: 能將獨(dú)立開發(fā)的部件組合成完整的軟件。
C++的一個目標(biāo)就是提供更易用并具有一定承受能力的設(shè)計思想和程序設(shè)計技術(shù)，進(jìn)一步提高程序的質(zhì)量。這些技術(shù)中的絕大部分都源自Simula ，并通常被作為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計和面向?qū)ο笤O(shè)計思想來討論。然而，C++的設(shè)計目標(biāo)總還是在于要支持一定范圍內(nèi)的各種程序設(shè)計風(fēng)格和設(shè)計思想。這與一般在語言設(shè)計方面的觀點(diǎn)形成一定對比。一般在語言設(shè)計上總是試圖將所有系統(tǒng)內(nèi)建于單獨(dú)一個被重點(diǎn)支持的、帶有強(qiáng)制性的程序設(shè)計風(fēng)格之中(或稱典范paradigm)。
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3. 語言的技術(shù)性規(guī)則(Language-technical rules)
A: 與靜態(tài)型別系統(tǒng)(Static type system)沒有內(nèi)在的沖突;
B: 像對內(nèi)建(built-in)型別一樣對用戶自定義型別提供很好的支持;
C: 個異化(locality)行為是可取的;
D: 避免產(chǎn)生順序上的依賴關(guān)系;
E: 在對語言產(chǎn)生疑惑時，可以選取其特性中最易掌握的部分;
F: 可以因為不正當(dāng)?shù)恼Z法使用而產(chǎn)生問題(Syntax matters (often in perverse ways))
G: 削弱對預(yù)處理器的使用。
當(dāng)然，這些規(guī)則要具體結(jié)合更多關(guān)于基本目標(biāo)的上下文環(huán)境來考慮。應(yīng)該注意到的是，在“與C有較高的兼容性”、“不損失效率”以及“具有便捷的可用性來解決實(shí)際問題”這三個方面的要求，與在“完整的型別安全性”、“完全的通用性”以及“完善的抽象之美”這三個方面的要求形成對立。
C++從Simula中借鑒了用戶自定義型別和類層次機(jī)制。然而，在Simula及許多類似的語言中，其對用戶自定義型別的支持與其對內(nèi)建型別的支持存在著根本上的不同。例如，Simula中不允許在棧中為用戶自定義型別的對象分配空間，并且只允許通過指針(這在Simula中稱為引用——reference)來對這些對象進(jìn)行訪問。而相反的，內(nèi)建型別的對象只在棧中被分配空間，不能在動態(tài)存儲區(qū)中分配，而且不能使用指針指向它。這種在對待內(nèi)建型別與對待用戶自定義型別上的差異，暗示著對效率問題的嚴(yán)格考慮。比如，當(dāng)作為一個在動態(tài)存儲區(qū)中被分配的對象之引用時，如果該對象屬于自定義型別(比如complex)，那么就會為運(yùn)行期及空間帶來負(fù)荷;而這些負(fù)荷在有些應(yīng)用中被認(rèn)為是不可接受的。這些正是C++意欲涉足解決的問題。同時，在用法上的不同也決定了：不可能在范型程序設(shè)計中統(tǒng)一對待那些語義上近似的型別。
在維護(hù)一個較龐大的程序時，一個程序員不可避免的會基于某些不完整的知識來對程序作一些修改，只關(guān)注全部程序代碼中的一小部分?；诖耍珻++提供了class、namespace和訪問控制，使設(shè)計決策的各異化(locality)成為可能。
在基于一趟編譯(one-pass compilation)的語言中，某些順序上的依賴性是不可避免的。例如在C++中，一個變量或者函數(shù)在其被聲明之前是無法使用的。然而，C++中類成員的名字規(guī)則和重載解析(overload resolution)的規(guī)則還是在獨(dú)立于聲明順序的原則下被制定出來，以便將發(fā)生混亂和錯誤的可能性降至***。
4. 基于低層次程序設(shè)計的規(guī)則(Low-level programming support rules)
A: 使用傳統(tǒng)的(笨拙的)連接器(linker);
B: 與C語言不存在無故的不兼容性;
C: 不給C++之下層級的更低層語言留出余地(匯編語言除外);
D: 你不會為你所不使用的部分付出代價(零負(fù)荷規(guī)則);
E: 在產(chǎn)生疑惑時，能提供完全自主控制的途徑。
在C++的設(shè)計中只要在不嚴(yán)重影響其對強(qiáng)型別檢查(strong type checking)的支持的地方，都盡量做到與C的“source-link”方式相兼容。C++與C的兼容性使得C++程序員立刻就能有一個完整的語言和工具集可用。還有兩點(diǎn)也很重要，一是有大量關(guān)于C的高質(zhì)量的教學(xué)素材已經(jīng)存在，二是C++程序員可以利用C++與C的兼容性而直接并有效的使用大量現(xiàn)成的程序庫。在決定將C作為C++的基礎(chǔ)的時候，C還沒有像后來那樣出類拔萃、炙手可熱，所以在考慮這個問題的時候，與C語言所提供的可適應(yīng)性和高效性相比，C語言的流行程度只是個次要的考慮因素。
然而，與C的兼容性也使得C++在某些語法和語義上保留了C的一些瑕疵之處。比如，C語言的聲明語法就實(shí)在遠(yuǎn)不及優(yōu)美;而其內(nèi)建型別的隱式轉(zhuǎn)換規(guī)則也是混亂無章法的。還有另一個大問題，就是許多從C轉(zhuǎn)向C++的程序員并沒有認(rèn)識到，代碼質(zhì)量上的顯著提高只能通過在程序設(shè)計風(fēng)格上的顯著改變來達(dá)到。
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