C++20高级编程(第5版)

主要内容

● 演示如何用C++思考，以最大限度地发挥语言的深远能力，并开发有效的解决方案

● 解释难以理解的原理，进行陷阱警告，分享提高效率和性能的提示、技巧和变通方法

● 呈现各种具有挑战性的、真实世界的程序，其用途广泛，足以融入任何项目

● 重点介绍C++20的新特性，包括模块、概念、三向比较、立即执行函数等

● 深入讨论新的C++20标准库功能，例如文本格式化、范围、原子智能指针、同步原语、日期、时区等

Marc Gregoire是一名软件工程师，毕业于比利时鲁汶大学，拥有计算机科学工程硕士学位。之后，他在鲁汶大学又获得人工智能专业的优等硕士学位。完成学业后，他开始为软件咨询公司Ordina Belgium工作。他曾在Siemens 和Nokia Siemens Networks为大型电信运营商提供有关在Solaris上运行关键2G和3G软件的咨询服务。这份工作要求与来自南美、美国、欧洲、中东、非洲和亚洲的国际团队合作。Marc目前担任Nikon Metrology(www.nikonmetrology.com)的软件架构师；Nikon Metrology是Nikon的一个部门，是精密光学仪器、X光机等设备和X光、CT和3D扫描解决方案的领先供应商。

Marc的主要技术专长是C/C++，特别是Microsoft VC++和MFC框架。他还擅长在Windows和Linux平台上开发24×7运行的C++程序，例如KNX/EIB家庭自动化监控软件。除了C/C++之外，Marc还喜欢C#。

2007年4月，他凭借Visual C++方面的专业技能，获得了微软年度MVP称号。

Marc还是比利时C++用户组(www.becpp.org)的创始人，是C++ Standard Library Quick Reference 第1版和第2版(Apress)的共同作者，以及多家出版社出版的多种书籍的技术编辑，是C++大会CppCon的活跃演讲者。

拥抱C++的深度和复杂性，挖掘更多可能

　　众所周知，C++难以掌握，但其广泛的功能使其成为游戏和商业软件应用程序中最常用的语言。即使是有经验的用户通常也不熟悉许多高级特性，但C++20的发布提供了探索该语言全部功能的机会。《C++20高级编程(第5版)》为C++的必要内容提供了一个代码密集型、面向解决方案的指南，包括版本中的工具和功能。本书包含面向现实世界编程的实用指导，是程序员深入研究C++的理想机会。第5版涵盖了C++20的内容。

作为带有类的C的继承者，丹麦计算机科学家Bjarne Stroustrup于1982年发明了C++。1985年，发布了第一版的“C++程序设计语言”。第一个标准化版本的C++在1998年发布，称为C++98。在2003年，C++03发布并包含了一些小的更新。在那之后，C++沉默了一段时间，但吸引力开始慢慢增强，导致该语言在2011年进行了重大更新，称为C++11。从那以后，C++标准委员会以3年的周期发布更新的版本，出现了C++14、C++17以及现在的C++20。总之，2020年发布了C++20之后，C++已经将近40年了，并且仍然很强大。在2020年的大多数编程语言排名中，C++都排在前四位。它被广泛用于各种硬件，从带有嵌入式微处理器的小型设备一直到超级计算机。除了广泛的硬件支持，C++还可以用来解决几乎任何编程工作，如移动平台上的游戏、对性能要求严格的人工智能(AI)和机器学习(ML)软件、实时三维图形引擎、底层硬件驱动程序、整个操作系统等。C++程序很难与任何其他编程语言相匹配，因此，多年来，C++都是编写性能卓越、功能强大的企业级面向对象程序的事实标准语言。尽管C++语言已经风靡全球，但这种语言却难以完全掌握。专业C++程序员使用一些简单但高效的技术，这些技术并未出现在传统教材中；即使是经验丰富的C++程序员，也未必完全了解C++中某些很有用的特性。

编程书籍往往重点描述语言的语法，而不是语言在真实世界中的应用。典型的C++教材在每一章中介绍语言中的大部分知识，讲解语法并列举示例。《C++20高级编程(第5版) 》不遵循这种模式。《C++20高级编程(第5版) 》并不讲解语言的大量细节并给出少量真实世界的场景，而是教你如何在真实世界中使用C++。《C++20高级编程(第5版) 》还会讲解一些鲜为人知的让编程更简单的特性，以及区分编程新手和专业程序员的编程技术。

读者对象

就算使用C++已经多年，你也仍可能不熟悉C++的一些高级特性，或仍不具有使用这门语言的完整能力。也许你编写过实用的C++代码，但还想学习更多有关C++中设计和良好编程风格的内容。也许你是C++新手，想在入门时就掌握“正确”的编程方式。《C++20高级编程(第5版) 》能满足上述需求，将你的C++技能提升到专业水准。

因为《C++20高级编程(第5版) 》专注于将你从对C++具有基本或中等了解水平蜕变为一名专业C++程序员，所以《C++20高级编程(第5版) 》假设你对该语言具有一定程度的认识。第1章涵盖C++的一些基础知识，可以当成复习材料，但是不能替代实际的语言培训和语言使用手册。如果你刚开始接触C++，但有很丰富的C、Java或C#语言经验，那么应该能从第1章获得所需的大部分知识。

不管属于哪种情况，都应该具有很好的编程基础。应该知道循环、函数和变量。应该知道如何组织一个程序，而且应该熟悉基本技术，例如递归。应该了解一些常见的数据结构(例如队列)以及有用的算法(例如排序和搜索)。不需要预先了解有关面向对象编程的知识—— 这是第5章讲解的内容。

你还应该熟悉开发代码时使用的编译器。稍后将简要介绍Microsoft Visual C++和GCC这两种编译器。要了解其他编译器，请参阅编译器自带的指南。

《C++20高级编程(第5版) 》主要内容

阅读《C++20高级编程(第5版) 》是学习C++语言的一种方法，通过阅读《C++20高级编程(第5版) 》既能提升编码质量，又能提升编程效率。《C++20高级编程(第5版) 》贯穿对C++20新特性的讨论。这些新的C++特性并不是独立在某几章中，而是穿插于全书，在有必要的情况下，所有例子都已更新为使用这些新特性。

《C++20高级编程(第5版) 》不仅讲解C++语法和语言特性，还强调编程方法论、可重用的设计模式以及良好的编程风格。《C++20高级编程(第5版) 》讲解的方法论覆盖整个软件开发过程——从设计和编码，到调试以及团队协作。这种方法可让你掌握C++语言及其独有特性，还能在大型软件开发中充分利用C++语言的强大功能。

想象一下有人学习了C++的所有语法但没有见过一个C++例子的情形。他所了解的知识会让他处于非常危险的境地。如果没有示例的引导，他可能会认为所有源代码都要放在程序的main()函数中，还有可能认为所有变量都应该为全局变量—— 这些都不是良好的编程实践。

专业的C++程序员除了理解语法外，还要正确理解语言的使用方式。他们知道良好设计的重要性、面向对象编程的理论以及使用现有库的最佳方式。他们还开发了大量有用的代码并了解可重用的思想。

通过阅读和理解《C++20高级编程(第5版) 》的内容，你也能成为一名专业的C++程序员。你在C++方面的知识会得到扩充，将接触到鲜为人知和常被误解的语言特性。你还将领略面向对象设计，掌握卓越的调试技能。最重要的或许是，通过阅读《C++20高级编程(第5版) 》，你的头脑中有了大量“可重用”思想，可将这些思想贯彻到日常工作中。

有很多好的理由让你努力成为一名专业的C++程序员，而非只是泛泛了解C++。了解语言的真正工作原理有助于提升代码质量。了解不同的编程方法论和过程可让你更好地和团队协作。探索可重用的库和常用的设计模式可提升日常工作效率，并帮助你避免白费力气的重复工作。所有这些学习课程都在帮助你成为更优秀的程序员，同时成为更有价值的雇员。

《C++20高级编程(第5版) 》结构

《C++20高级编程(第5版) 》包括5部分。

第I部分“专业的C++简介”是C++基础速成教程，能确保读者掌握C++的基础知识。在速成教程后，这部分深入讨论字符串和字符串视图的使用，因为字符串在示例中应用广泛。这部分的最后一章介绍如何编写清晰易读的C++代码。

第II部分“专业的C++软件设计”介绍C++设计方法论。你会了解设计的重要性、面向对象方法论和代码重用的重要性。

第III部分“C++编码方法”从专业角度概述C++技术。你将学习在C++中管理内存的最佳方式，如何创建可重用的类，以及如何利用重要的语言特性，例如继承。你还会学习输入输出技术、错误处理、字符串本地化和正则表达式的使用，学习如何利用模块组织可重用的代码。这部分还会讨论如何实现运算符重载，如何编写模板，如何使用概念限制模板参数，以及如何解锁lambda表达式和函数对象的功能。这部分还解释了C++标准库，包括容器、迭代器、范围和算法。在这部分你还将了解标准中提供的一些附加库，例如用于处理时间、日期、时区、随机数和文件系统的库。

第IV部分“掌握C++的高级特性”讲解如何最大限度地使用C++。这部分揭示C++中神秘的部分，并描述如何使用这些更高级的特性。在这部分你将学习如何定制和扩充标准库以满足自己的需求、高级模板编程的细节(包括模板元编程)，以及如何通过多线程编程来充分利用多处理器和多核系统。

第V部分“C++软件工程”重点介绍如何编写企业级质量的软件。在这部分你将学习当今编程组织使用的工程实践，如何编写高效的C++代码，软件测试概念(如单元测试和回归测试)，C++程序的调试技术，如何在自己的代码中融入设计技术、框架和概念性的面向对象设计模式，跨语言和跨平台代码的解决方案等。

《C++20高级编程(第5版) 》最后是四个附录。附录A列出在C++技术面试中取得成功的指南，附录B总结C++标准中的头文件，附录C简要介绍UML(Unified Modeling Language，统一建模语言)，附录D是带注解的参考文献列表(附录B~D通过扫描封底二维码获取)。

《C++20高级编程(第5版) 》没有列出C++中每个类、方法和函数的参考。Peter Van Weert和Marc Gregoire撰写的C++17 Standard Library Quick Reference是C++17标准库提供的所有重要数据结构、算法和函数的浓缩版。附录D列出了更多参考资料。下面是两个很好的在线参考资料。

cppreference.com

可使用这个在线参考资料，也可下载其离线版本，在没有连接到互联网时使用。

cplusplus.com/reference/

《C++20高级编程(第5版) 》正文中提到“标准库参考资料”时，就是指上述C++参考资料。

下面是其他的优质在线资源：

github.com/isocpp/CppCoreGuidelines

C++核心指南是由C++语言发明人Bjarne Stroustrup亲自领导的协作工作。它们是许多组织多年讨论和设计的结果。指南的目的是帮助人们有效地使用现代C++。这些指导方针侧重于相对较高级别的问题，如接口、资源管理、内存管理和并发。

github.com/Microsoft/GSL

这是微软的指南支持库(GSL)的一个实现，它包含了C++核心指南使用的函数和类型。这是一个只有头文件的库。

isocpp.org/faq

这是一个频繁被提问的C++问题的庞大集合。

stackoverflow.com

搜索常见编程问题的回答，或者提出你自己的问题。

使用《C++20高级编程(第5版) 》的条件

要使用《C++20高级编程(第5版) 》，只需要一台带有C++编译器的计算机。《C++20高级编程(第5版) 》只关注C++中的标准部分，而没有任何编译器厂商相关的扩展。

任何C++编译器

可使用任意C++编译器。如果还没有C++编译器，可下载一个免费的。这有许多选择。例如，对于Windows，可下载Microsoft Visual Studio Community Edition，这个版本免费且包含Visual C++；对于Linux，可使用GCC或Clang，它们也是免费的。

下面将简要介绍如何使用Visual C++和GCC。可参阅相关的编译器文档了解更多信息。

编译器与C++20特性支持

《C++20高级编程(第5版) 》包含C++20标准引入的新特性。在撰写《C++20高级编程(第5版) 》时，还没有编译器可以完全支持C++20的所有新特性。某些新特性仅由某些编译器支持，而其他编译器不支持，而有些功能尚不受任何编译器支持。编译器厂商正在努力支持所有新特性，我相信不久就会有完全符合C++20标准的编译器可用。可以在en.cppreference.com/w/cpp/compiler_support上查看哪些编译器支持哪些功能。

编译器与C++20模块支持

在撰写《C++20高级编程(第5版) 》时，还没有编译器可以完全支持C++20的模块。有些编译器提供了实验性支持，但仍然不完整。《C++20高级编程(第5版) 》到处都使用模块。我们尽了最大努力确保编译器完全支持模块后，所有示例代码都可以编译，但由于我们无法编译和测试所有示例，因此可能会出现一些错误。当使用支持模块的编译器时，如果遇到任何代码示例的问题，请在www.wiley.com/go/proc++5e上仔细检查《C++20高级编程(第5版) 》的勘误表，以查看是否存在已知问题。如果你的编译器还不支持模块，可以将模块化代码转换为非模块化代码，第11章中有简要说明。

示例：Microsoft Visual C++ 2019

首先需要创建一个项目。启动Visual C++ 2019，在欢迎界面上，单击Create A New Project按钮。如果没有出现欢迎界面，单击File | New | Project。在Create A New Project对话框中，使用C++、Windows和Console标签，找到Console App项目模板，然后单击Next按钮。指定项目的名称、保存位置，单击Create按钮。

加载新项目后，就会在Solution Explorer中看到项目文件列表。如果这个停靠窗口不可见，可选择View | Solution Explorer。一个新创建的项目会包括一个名为.cpp的文件，可以在该文件中开始编写C++代码。如果想要编译源代码文件(从封底二维码获取《C++20高级编程(第5版) 》源代码压缩文件)，则必须在Solution Explorer中选择.cpp文件并将其删除。在Solution Explorer中右击项目名，再选择Add | New Item 或Add | Existing Item，就可以给项目添加新文件或已有文件。

在撰写《C++20高级编程(第5版) 》期间，Visual C++ 2019尚未自动启用C++20特性。要启用C++20特性，可在Solution Explorer窗口中右击项目，然后单击Properties。在Properties窗口中，选择Configuration Properties | C/C++ | Language，根据使用的Visual C++版本，将C++ Language Standard选项设置为ISO C++20 Standard或Preview | Features from the Latest C++ Working Draft。仅当项目至少包含一个.cpp文件时，才能访问这些选项。

最后，使用Build | Build Solution编译代码。没有编译错误后，就可以使用Debug | Start Debugging运行了。

模块支持

在撰写《C++20高级编程(第5版) 》期间，Visual C++ 2019尚未完全支持模块。编写或使用自己的模块通常没有问题，但是，导入标准库头文件(如以下内容)还不能立即生效：

import ;

要使此类导入声明生效，目前需要向项目中添加一个单独的头文件，例如HeaderUnits.h，其中包含要导入的每个标准库头文件的导入声明。例如：

// HeaderUnits.h

#pragma once

import ;

import ;

import ;

import ;

// ...

接下来，在Solution Explorer窗口中右击HeaderUnits.h文件，然后单击Properties。选择Configuration Properties | General，设置Item Type为C/C++ Compiler，然后单击Apply按钮。下一步，选择Configuration Properties | C/C++ | Advanced，将Compile As设置为Compile as C++ Header Unit(/exportHeader)，然后单击OK按钮。

现在重新编译你的项目，在HeaderUnits.h文件中具有相应导入声明的所有导入声明都应该可以正常编译。

如果你正在使用模块实现分区(见第11章)，也称为内部分区，那么右键单击包含此类实现分区的所有文件，单击Properties，转到Configuration Properties | C/C++ | Advanced，将Compile As设置为Compile as C++ Module Internal Partition(/internalPartition)，然后单击OK按钮。

示例：GCC

用自己喜欢的任意文本编辑器创建源代码，保存到一个目录下。要编译代码，可打开一个终端，运行如下命令，指定要编译的所有.cpp文件：

gcc -std=c++2a -o [source2.cpp ...]

-std=c++2a用于告诉GCC启用C++20支持。当GCC完全兼容C++20后，这个选项将会改为-std=C++20。

模块支持

在撰写《C++20高级编程(第5版) 》期间，GCC对模块仅有实验性的支持，通过一个特殊的版本(分支devel/c++-modules)。当你在使用这个版本的GCC时，可以通过-fmodules-ts开启module支持，这个选项未来可能会改成-fmodules。

但是，像下面这样对标准库头文件的导入声明还未被很好地支持：

import ;

如果遇到这种情况，将导入声明简单替换为相应的#include指令即可：

#include ;

例如，第1章中的AirlineTicket示例使用了模块。将标准库头文件的导入替换为#include指令后，可以通过更改包含代码的目录并运行以下命令来编译AirlineTicket示例：

g++ -std=c++2a -fmodules-ts -o AirlineTicket AirlineTicket.cppm AirlineTicket.cpp

AirlineTicketTest.cpp

当其通过编译后，你可以这样运行它：

./AirlineTicket

std::format支持

《C++20高级编程(第5版) 》中的许多代码示例都使用了第1章介绍的std::format()。在撰写《C++20高级编程(第5版) 》时，还没有支持std::format()的编译器。但是，只要编译器还不支持std::format()，就可以使用免费提供的{fmt}库作为替换：

(1) 从https://fmt.dev/下载{fmt}库的最新版本并解压代码到你的计算机上。

(2) 将include/fmt和src目录复制到你的项目目录中的fmt和src子目录，然后将fmt/core.h、fmt/format.h、fmt/format inl.h和src/format.cc添加到项目中。

(3) 将名为format(无扩展名)的文件添加到项目的根目录，并向其中添加以下代码：

#pragma once

#define FMT_HEADER_ONLY

#include "fmt/format.h"

namespace std

{

using fmt::format;

using fmt::format_error;

using fmt::formatter;

}

(4) 最后，添加项目根目录(包含format文件的目录)作为项目的附加include目录。例如，在Visual C++中，在Solution Explorer窗口中右击你的项目，然后单击Properties，选择Configuration Properties | C/C++ | Genaral，将$(ProjectDir);添加到Additional Include Directories选项的前面。

注意：

当编译器支持了标准的std::format()之后，不要忘记取消这些操作。

配套下载文件

读者在学习《C++20高级编程(第5版) 》中的示例时，可以手动输入所有代码，也可使用《C++20高级编程(第5版) 》附带的源代码文件。然而，我建议手动输入所有代码，这对于学习过程和你的记忆都是有益的。《C++20高级编程(第5版) 》使用的所有源代码都可以扫描封底二维码下载。

提示：

由于许多图书的书名都十分类似，因此按ISBN搜索是最简单的，《C++20高级编程(第5版) 》英文版的ISBN是978-1-119-69540-0。

下载代码后，只需要用自己喜欢的解压缩软件进行解压缩即可。

附录B~D和《C++20高级编程(第5版) 》习题答案可扫描封底二维码下载。

第I部分 专业的C++简介

第1章 C++和标准库速成 3

1.1 C++速成 3

1.1.1 小程序“Hello World” 4

1.1.2 名称空间 7

1.1.3 字面量 9

1.1.4 变量 9

1.1.5 运算符 12

1.1.6 枚举类型 14

1.1.7 结构体 16

1.1.8 条件语句 17

1.1.9 条件运算符 19

1.1.10 逻辑比较运算符 20

1.1.11 三向比较运算符 21

1.1.12 函数 22

1.1.13 属性 23

1.1.14 C风格的数组 26

1.1.15 std::array 27

1.1.16 std::vector 28

1.1.17 std::pair 28

1.1.18 std::optional 29

1.1.19 结构化绑定 30

1.1.20 循环 30

1.1.21 初始化列表 31

1.1.22 C++中的字符串 32

1.1.23 作为面向对象语言的C++ 32

1.1.24 作用域解析 35

1.1.25 统一初始化 36

1.1.26 指针和动态内存 39

1.1.27 const的用法 43

1.1.28 constexpr关键字 45

1.1.29 consteval关键字 46

1.1.30 引用 47

1.1.31 const_cast() 55

1.1.32 异常 56

1.1.33 类型别名 56

1.1.34 类型定义 57

1.1.35 类型推断 58

1.1.36 标准库 60

1.2 第一个大型的C++程序 61

1.2.1 雇员记录系统 61

1.2.2 Employee类 61

1.2.3 Database类 64

1.2.4 用户界面 67

1.2.5 评估程序 69

1.3 本章小结 69

1.4 练习 69

第2章 使用string和string_view 71

2.1 动态字符串 71

2.1.1 C风格字符串 71

2.1.2 字符串字面量 73

2.1.3 C++ std::string类 75

2.1.4 数值转换 78

2.1.5 std::string_view类 81

2.1.6 非标准字符串 84

2.2 字符串格式化 84

2.2.1 格式说明符 85

2.2.2 格式说明符错误 87

2.2.3 支持自定义类型 87

2.3 本章小结 90

2.4 练习 90

第3章 编码风格 91

3.1 良好外观的重要性 91

3.1.1 事先考虑 91

3.1.2 良好风格的元素 92

3.2 为代码编写文档 92

3.2.1 使用注释的原因 92

3.2.2 注释的风格 96

3.3 分解 99

3.3.1 通过重构分解 100

3.3.2 通过设计分解 101

3.3.3 本书中的分解 101

3.4 命名 101

3.4.1 选择恰当的名称 101

3.4.2 命名约定 102

3.5 使用具有风格的语言特性 103

3.5.1 使用常量 104

3.5.2 使用引用代替指针 104

3.5.3 使用自定义异常 104

3.6 格式 105

3.6.1 关于大括号对齐的争论 105

3.6.2 关于空格和圆括号的争论 106

3.6.3 空格、制表符、换行符 106

3.7 风格的挑战 107

3.8 本章小结 107

3.9 练习 107

第II部分 专业的C++软件设计

第4章 设计专业的C++程序 113

4.1 程序设计概述 113

4.2 程序设计的重要性 114

4.3 C++设计 116

4.4 C++设计的两个原则 116

4.4.1 抽象 116

4.4.2 重用 118

4.5 重用现有代码 119

4.5.1 关于术语的说明 119

4.5.2 决定是否重用代码 120

4.5.3 重用代码的指导原则 121

4.6 设计一个国际象棋程序 127

4.6.1 需求 127

4.6.2 设计步骤 127

4.7 本章小结 132

4.8 练习 133

第34章 开发跨平台和跨语言的应用程序 935

34.1 跨平台开发 935

34.1.1 架构问题 935

34.1.2 实现问题 938

34.1.3 平台专用功能 940

34.2 跨语言开发 940

34.2.1 混用C和C++ 941

34.2.2 改变范型 941

34.2.3 链接C代码 944

34.2.4 从C#调用C++代码 946

34.2.5 C++/CLI在C++中使用C#代码和在C#中使用C++代码 947

34.2.6 在Java中使用JNI调用C++代码 948

34.2.7 从C++代码调用脚本 950

34.2.8 从脚本调用C++代码 950

34.2.9 从C++调用汇编代码 952

34.3 本章小结 953

34.4 练习 953

第VI部分 附录

附录A C++面试 957

在线资源(扫描封底二维码下载)

附录B 标准库头文件 977

附录C UML简介 983

附录D 带注解的参考文献 989