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哪些程序适宜使用C++?

C++并非万能丹,我按经验举出一些C++的适用时机。

  • C++适合构造程序中需求较稳定的部分,需求变化较大的部分可使用脚本语言;
  • 程序须尽量发挥硬件的最高性能,且性能瓶颈在于CPU和内存;
  • 程序须频繁地与操作系统或硬件沟通;
  • 程序必须使用C++框架/库,如大部分游戏引擎(如Unreal/Source)及中间件(如Havok/FMOD),虽然有些C++库提供其他语言的绑定,但通常原生的API性能最好、最新;
  • 项目中某个目标平台只提供C++编译器的支持。

按应用领域来说,C++适用于开发服务器软件、桌面应用、游戏、实时系统、高性能计算、嵌入式系统等。

使用C++还是C?

C++和C的设计哲学并不一样,两者取舍不同,所以不同的程序员和软件项目会有不同选择,难以一概而论。与C++相比,C具备编译速度快、容易学习、显式描述程序细节、较少更新标准(后两者也可同时视为缺点)等优点。在语言层面上,C++包含绝大部分C语言的功能(例外之一,C++没有C99的变长数组VLA),且提供OOP和GP的特性。但其实用C也可实现OOP思想,亦可利用宏去实现某程度的GP,只不过C++的语法能较简洁、自动地实现OOP/GP。C++的RAII(resource acquisition is initialization,资源获取就是初始化)特性比较独特,C/C#/Java没有相应功能。回顾历史,Stroustrup开发的早期C++编译器Cpre/Cfront是把C++源代码翻译为C,再用C编译器编译的。由此可知,C++编写的程序,都能用等效的C程序代替,但C++在语言层面上提供了OOP/GP语法、更严格的类型检查系统、大量额外的语言特性(如异常、RTTI等),并且C++标准库也较丰富。有时候C++的语法可使程序更简洁,如运算符重载、隐式转换。但另一方面,c语言的API通常比C++简洁,能较容易供其他语言程序调用。因此,一些C++库会提供C的API封装,同时也可供C程序调用。相反,有时候也会把C的API封装成C++形式,以支持RAII和其他C++库整合等。

为何C++性能可优于其他语言?

相对运行于虚拟机语言(如C#/Java),C/C++直接以静态形式把源程序编译为目标平台的机器码。一般而言,C/C++程序在编译及链接时可进行的优化最丰富,启动时的速度最快,运行时的额外内存开销最少。而C/C++相对动态语言(如Python/Lua)也减少了运行时的动态类型检测。此外,C/C++的运行行为是确定的,且不会有额外行为(例如C#/Java必然会初始化变量),也不会有如垃圾收集(GC)而造成的不确定性延迟,而且C/C++的数据结构在内存中的布局也是确定的。有时C++的一些功能会使程序性能优于C,当中以内联和模版最为突出,这两项功能使C++标准库的sort()通常比C标准库的qsort()快多倍(C可用宏或人手编码去解决此问题)。另一方面,C/C++能直接映射机器码,之间没有另一层中间语言,因此可以做底层优化,例如使用内部(intrinsic)函数和嵌入汇编语言。然而,许多C++的性能优点并非免费午餐,代价包括较长的编译链接时间和较易出错,因而增加开发时间和成本,这点稍后补充。

我进行了一个简单全局渲染性能测试(512×512像素,每像素10000个采样),C++ 1小时36分、Java 3小时18分、python约18天、Ruby约351天。评测方式和其他语言的结果详见博文。

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