為什么我希望用C而不是C++來實現(xiàn)ZeroMQ
開始前我要先做個澄清：這篇文章同Linus Torvalds這種死忠C程序員吐槽C++的觀點是不同的。在我的整個職業(yè)生涯里我都在使用C++，而且現(xiàn)在C++依然是我做大多數(shù)項目時的首選編程語言。自然的，當我從2007年開始做ZeroMQ(ZeroMQ項目主頁)時，我選擇用C++來實現(xiàn)。主要的原因有以下幾點：
1. 包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的庫（STL）已經(jīng)成為這個語言的一部分了。如果用C，我將要么依賴第三方庫要么不得不自己手動寫一些自1970年來就早已存在的基礎(chǔ)算法。
2. C++語言本身在編碼風格的一致性上起到了一些強制作用。比如，有了隱式的this指針參數(shù)，這就不允許通過各種不同的方式將指向?qū)ο蟮闹羔樧鲛D(zhuǎn)換，而那種做法在C項目中常常見到（通過各種類型轉(zhuǎn)換）。同樣的還有可以顯式的將成員變量定義為私有的，以及許多其他的語言特性。
3. 這個觀點基本上是前一個的子集，但值得我在這里顯式的指出：用C語言實現(xiàn)虛函數(shù)機制比較復(fù)雜，而且對于每個類來說會有些許的不同，這使得對代碼的理解和維護都會成為痛苦之源。
4. 最后一點是：人人都喜歡析構(gòu)函數(shù)，它能在變量離開其作用域時自動得到調(diào)用。
如今，5年過去了，我想公開承認：用C++作為ZeroMQ的開發(fā)語言是一個糟糕的選擇，后面我將一一解釋為什么我會這么認為。
首先，很重要的一點是ZeroMQ是需要長期連續(xù)不停運行的一個網(wǎng)絡(luò)庫。它應(yīng)該永遠不會出錯，而且永遠不能出現(xiàn)未定義的行為。因此，錯誤處理對于ZeroMQ來說至關(guān)重要，錯誤處理必須是非常明確的而且對錯誤應(yīng)該是零容忍的。
C++的異常處理機制卻無法滿足這個要求。C++的異常機制對于確保程序不會失敗是非常有效的——只要將主函數(shù)包裝在try/catch塊中，然后你就可以在一個單獨的位置處理所有的錯誤。然而，當你的目標是確保沒有未定義行為發(fā)生時，噩夢就產(chǎn)生了。C++中引發(fā)異常和處理異常是松耦合的，這使得在 C++中避免錯誤是十分容易的，但卻使得保證程序永遠不會出現(xiàn)未定義行為變得基本不可能。
在C語言中，引發(fā)錯誤和處理錯誤的部分是緊耦合的，它們在源代碼中處于同一個位置。這使得我們在錯誤發(fā)生時能很容易理解到底發(fā)生了什么：
- int rc = fx ();
- if (rc != 0)
- handle_error();
在C++中，你只是拋出一個異常，到底發(fā)生了什么并不能馬上得知。
- int rc = fx();
- if (rc != 0)
- throw std::exception();
這里的問題就在于你對于誰處理這個異常，以及在哪里處理這個異常是不得而知的。如果你把異常處理代碼也放在同一個函數(shù)中，這么做或多或少還有些明智，盡管這么做會犧牲一點可讀性。
- try {
- …
- int rc = fx();
- if (rc != 0)
- throw std::exception(“Error!”);
- …
- catch (std::exception &e) {
- handle_exception();
- }
但是，考慮一下，如果同一個函數(shù)中拋出了兩個異常時會發(fā)生什么？
- class exception1 {};
- class exception2 {};
- try {
- …
- if (condition1)
- throw my_exception1();
- …
- if (condition2)
- throw my_exception2();
- …
- }
- catch (my_exception1 &e) {
- handle_exception1();
- }
- catch (my_exception2 &e) {
- handle_exception2();
- }
對比一下相同的C代碼：
- …
- if (condition1)
- handle_exception1();
- …
- if (condition2)
- handle_exception2();
- …
C代碼的可讀性明顯高的多，而且還有一個附加的優(yōu)勢——編譯器會為此產(chǎn)生更高效的代碼。這還沒完呢。再考慮一下這種情況：異常并不是由所拋出異常的函數(shù)來處理。在這種情況下，異常處理可能發(fā)生在任何地方，這取決于這個函數(shù)是在哪調(diào)用的。雖然乍一看我們可以在不同的上下文中處理不同的異常，這似乎很有用，但很快就會變成一場噩夢。
當你在解決bug的時候，你會發(fā)現(xiàn)幾乎同樣的錯誤處理代碼在許多地方都出現(xiàn)過。在代碼中增加一個新的函數(shù)調(diào)用可能會引入新的麻煩，不同類型的異常都會涌到調(diào)用函數(shù)這里，而調(diào)用函數(shù)本身并沒有適當進行的處理，這意味著什么？新的bug。
如果你依然堅持要杜絕“未定義的行為”，你不得不引入新的異常類型來區(qū)分不同的錯誤模式。然而，增加一個新的異常類型意味著它會涌現(xiàn)在各個不同的地方，那么就需要在所有這些地方都增加一些處理代碼，否則你又會出現(xiàn)“未定義的行為”。到這里你可能會尖叫：這特么算什么異常規(guī)范哪！
好吧，問題就在于異常規(guī)范只是以一種更加系統(tǒng)化的方式，以按照指數(shù)規(guī)模增長的異常處理代碼來處理問題的工具，它并沒有解決問題本身。甚至可以說現(xiàn)在情況更加糟糕了，因為你不得不去寫新的異常類型，新的異常處理代碼，以及新的異常規(guī)范。
通過上面我描述的問題，我決定使用去掉異常處理機制的C++。這正是ZeroMQ以及Crossroads I/O今天的樣子。但是，很不幸，問題到這并沒有結(jié)束…
考慮一下當一個對象初始化失敗的情況。構(gòu)造函數(shù)沒有返回值，因此出錯時只能通過拋出異常來通知出現(xiàn)了錯誤。可是我已經(jīng)決定不使用異常了，那么我不得不這樣做：
- class foo
- {
- public:
- foo();
- int init();
- …
- };
當你創(chuàng)建這個類的實例時，構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用（不允許失?。?，然后你顯式的去調(diào)用init來初始化（init可能會失敗）對象。相比于C語言中的做法，這就顯得過于復(fù)雜了。
- struct foo
- {
- …
- };
- int foo_init(struct foo *self);
但是以上的例子中，C++版本真正邪惡的地方在于：如果有程序員往構(gòu)造函數(shù)中加入了一些真正的代碼，而不是將構(gòu)造函數(shù)留空時會發(fā)生什么？如果有人真的這么做了，那么就會出現(xiàn)一個新的特殊的對象狀態(tài)——“半初始化狀態(tài)”。這種狀態(tài)是指對象已經(jīng)完成了構(gòu)造（構(gòu)造函數(shù)調(diào)用完成，且沒有失?。玦nit函數(shù)還沒有被調(diào)用。我們的對象需要修改（特別是析構(gòu)函數(shù)），這里應(yīng)該以一種方式妥善的處理這種新的狀態(tài)，這就意味著又要為每一個方法增加新的條件。
看到這里你可能會說：這就是你人為的限制使用異常處理所帶來的后果??！如果在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常，C++運行時庫會負責清理適當?shù)膶ο?，那這里根本就沒有什么“半初始化狀態(tài)”了！很好，你說的很對，但這根本無關(guān)緊要。如果你使用異常，你就不得不處理所有那些與異常相關(guān)的復(fù)雜情況（我前面已經(jīng)描述過了）。而這對于一個面對錯誤時需要非常健壯的基礎(chǔ)組件來說并不是一個合理的選擇。
此外，就算初始化不是問題，那析構(gòu)的時候絕對會有問題。你不能在析構(gòu)函數(shù)中拋出異常，這可不是什么人為的限制，而是如果析構(gòu)函數(shù)在堆棧輾轉(zhuǎn)開解（stack unwinding）的過程中剛好拋出一個異常的話，那整個進程都會因此而崩潰。因此，如果析構(gòu)過程可能失敗的話，你需要兩個單獨的函數(shù)來搞定它：
- class foo
- {
- public:
- …
- int term();
- ~foo();
- };
現(xiàn)在，我們又回到了前面初始化的問題上來了：這里出現(xiàn)了一個新的“半終止狀態(tài)”需要我們?nèi)ヌ幚?，又需要為成員函數(shù)增加新的條件了…
- class foo
- {
- public:
- foo () : state (semi_initialised)
- {
- ...
- }
- int init ()
- {
- if (state != semi_initialised)
- handle_state_error ();
- ...
- state = intitialised;
- }
- int term ()
- {
- if (state != initialised)
- handle_state_error ();
- ...
- state = semi_terminated;
- }
- ~foo ()
- {
- if (state != semi_terminated)
- handle_state_error ();
- ...
- }
- int bar ()
- {
- if (state != initialised)
- handle_state_error ();
- ...
- }
- };
將上面的例子與同樣的C語言實現(xiàn)做下對比。C語言版本中只有兩個狀態(tài)。未初始化狀態(tài)：整個結(jié)構(gòu)體可以包含隨機的數(shù)據(jù)；以及初始化狀態(tài)：此時對象完全正常，可以投入使用。因此，根本沒必要在對象中加入一個狀態(tài)機。
- struct foo
- {
- ...
- };
- int foo_init ()
- {
- ...
- }
- int foo_term ()
- {
- ...
- }
- int foo_bar ()
- {
- ...
- }
現(xiàn)在，考慮一下當你把繼承機制再加到這趟渾水中時會發(fā)生什么。C++允許把對基類的初始化作為派生類構(gòu)造函數(shù)的一部分。拋出異常時將析構(gòu)掉對象已經(jīng)成功初始化的那部分。
- class foo: public bar
- {
- public:
- foo ():bar () {}
- …
- };
但是，一旦你引入單獨的init函數(shù)，那么對象的狀態(tài)數(shù)量就會增加。除了“未初始化”、“半初始化”、“初始化”、“半終止”狀態(tài)外，你還會遇到這些狀態(tài)的各種組合?。〈騻€比方，你可以想象一下一個完全初始化的基類和一個半初始化狀態(tài)的派生類。
這種對象根本不可能保證有確定的行為，因為有太多狀態(tài)的組合了。鑒于導(dǎo)致這類失敗的原因往往非常罕見，于是大部分相關(guān)的代碼很可能未經(jīng)過測試就進入了產(chǎn)品。
總結(jié)以上，我相信這種“定義完全的行為”（fully-defined behaviour）打破了面向?qū)ο缶幊痰哪Ｐ?。這不是專門針對C++的，而是適用于任何一種帶有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)機制的面向?qū)ο缶幊陶Z言。
因此，似乎面向?qū)ο缶幊陶Z言更適合于當快速開發(fā)的需求比杜絕一切未定義行為要更為重要的場景中。這里并沒有銀彈，系統(tǒng)級編程將不得不依賴于C語言。
最后順帶提一下，我已經(jīng)開始將Crossroads I/O（ZeroMQ的fork，我目前正在做的）由C++改寫為C版本。代碼看起來棒極了！
譯注：這篇新出爐的文章引發(fā)了大量的回復(fù)，有覺得作者說的很對的，也有人認為這根本不是C++的問題，而是作者錯誤的使用了異常，以及設(shè)計上的失誤，也有讀者提到了Go語言可能是種更好的選擇。好在作者也都能積極的響應(yīng)回復(fù)，于是產(chǎn)生了不少精彩的技術(shù)討論。建議中國的程序員們也可以看看國外的開發(fā)者們對于這種“吐槽”類文章的態(tài)度以及他們討論問題的方式。
英文原文：martin_sustrik
原文鏈接：http://blog.jobbole.com/19647/
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