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C++之旅（第3版）

作译者：pansz

出版时间：2023-10 千字数：448 版次：01-01 页数：320

开本：16开装帧： I S B N ：9787121461248

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第 1 章 基础............................................................................................................................1
1.1 引言 ...............................................................................................................................1
1.2 程序 ...............................................................................................................................2
1.2.1 Hello, World!................................................................................................................. 2
1.3 函数 ...............................................................................................................................4
1.4 类型、变量与运算........................................................................................................6
1.4.1 算术运算 ....................................................................................................................... 7
1.4.2 初始化........................................................................................................................... 9
1.5 作用域和生命周期...................................................................................................... 10
1.6 常量 ............................................................................................................................. 11
1.7 指针、数组和引用...................................................................................................... 13
1.7.1 空指针..........................................................................................................................15
1.8 检验 ............................................................................................................................. 16
1.9 映射到硬件 ................................................................................................................. 19
1.9.1 赋值..............................................................................................................................19
1.9.2 初始化..........................................................................................................................20
1.10 建议 ........................................................................................................................... 21
第 2 章 用户自定义类型........................................................................................................23
2.1 引言 ............................................................................................................................. 23
2.2 结构 ............................................................................................................................. 24
2.3 类 ................................................................................................................................. 25
2.4 枚举 ............................................................................................................................. 27
2.5 联合 ............................................................................................................................. 29
2.6 建议 ............................................................................................................................. 31
第 3 章 模块化 ......................................................................................................................32
3.1 引言 ............................................................................................................................. 32
3.2 分离编译 ..................................................................................................................... 33
3.2.1 头文件..........................................................................................................................34
3.2.2 模块..............................................................................................................................36
3.3 命名空间 ..................................................................................................................... 39
3.4 函数参数与返回值...................................................................................................... 41
3.4.1 参数传递 ......................................................................................................................42
3.4.2 返回值..........................................................................................................................43
3.4.3 返回类型推导 ..............................................................................................................45
3.4.4 返回类型后置 ..............................................................................................................45
3.4.5 结构化绑定 ..................................................................................................................46
3.5 建议 ............................................................................................................................. 47
第 4 章 错误处理...................................................................................................................48
4.1 引言 ............................................................................................................................. 48
4.2 异常 ............................................................................................................................. 49
4.3 约束条件 ..................................................................................................................... 50
4.4 错误处理的其他替代方式.......................................................................................... 52
4.5 断言 ............................................................................................................................. 54
4.5.1 assert() ..........................................................................................................................55
4.5.2 static_assert...................................................................................................................56
4.5.3 noexcept........................................................................................................................56
4.6 建议 ............................................................................................................................. 57
第 5 章 类..............................................................................................................................58
5.1 引言 ............................................................................................................................. 58
5.1.1 类的概述 ......................................................................................................................59
5.2 具体类型 ..................................................................................................................... 59
5.2.1 一种算术类型 ..............................................................................................................60
5.2.2 容器..............................................................................................................................62
5.2.3 容器的初始化 ..............................................................................................................64
5.3 抽象类型 ..................................................................................................................... 66
5.4 虚函数 ......................................................................................................................... 69
5.5 类层次结构 ................................................................................................................. 70
5.5.1 类层次结构的益处 ......................................................................................................72
5.5.2 类层次结构导航 ..........................................................................................................74
5.5.3 避免资源泄漏 ..............................................................................................................75
5.6 建议 ............................................................................................................................. 76
第 6 章 基本操作...................................................................................................................78
6.1 引言 ............................................................................................................................. 78
6.1.1 基本操作 ......................................................................................................................79
6.1.2 转换..............................................................................................................................81
6.1.3 成员初始值设定项 ......................................................................................................81
6.2 拷贝和移动 ................................................................................................................. 82
6.2.1 拷贝容器 ......................................................................................................................82
6.2.2 移动容器 ......................................................................................................................84
6.3 资源管理 ..................................................................................................................... 87
6.4 操作符重载 ................................................................................................................. 88
6.5 常规操作 ..................................................................................................................... 89
6.5.1 比较（关系操作符） ..................................................................................................90
6.5.2 容器操作 ......................................................................................................................92
6.5.3 迭代器及智能指针 ......................................................................................................92
6.5.4 输入与输出操作 ..........................................................................................................93
6.5.5 swap() ...........................................................................................................................93
6.5.6 hash＜＞ ..........................................................................................................................93
6.6 用户自定义字面量...................................................................................................... 93
6.7 建议 ............................................................................................................................. 94
第 7 章 模板..........................................................................................................................96
7.1 引言 ............................................................................................................................. 96
7.2 参数化类型 ................................................................................................................. 97
7.2.1 受限模板参数 ..............................................................................................................99
7.2.2 模板值参数 ................................................................................................................100
7.2.3 模板参数推导 ............................................................................................................100
7.3 参数化操作 ............................................................................................................... 102
7.3.1 模板函数 ....................................................................................................................103
7.3.2 函数对象 ....................................................................................................................103
7.3.3 匿名函数表达式 ........................................................................................................105
7.4 模板机制 ................................................................................................................... 109
7.4.1 模板变量 ....................................................................................................................109
7.4.2 别名............................................................................................................................110
7.4.3 编译时 if.....................................................................................................................111
7.5 建议 ........................................................................................................................... 113
第 8 章 概念和泛型编程......................................................................................................114
8.1 引言 ........................................................................................................................... 114
8.2 概念 ........................................................................................................................... 115
8.2.1 概念的运用 ................................................................................................................116
8.2.2 基于概念的重载 ........................................................................................................117
8.2.3 有效代码 ....................................................................................................................118
8.2.4 定义概念 ....................................................................................................................119
8.2.5 概念与 auto ................................................................................................................122
8.2.6 类型与概念 ................................................................................................................124
8.3 泛型编程 ................................................................................................................... 124
8.3.1 概念的使用 ................................................................................................................124
8.3.2 使用模板实现抽象 ....................................................................................................125
8.4 可变参数模板 ........................................................................................................... 127
8.4.1 折叠表达式 ................................................................................................................128
8.4.2 完美转发参数 ............................................................................................................129
8.5 模板编译模型 ........................................................................................................... 130
8.6 建议 ........................................................................................................................... 131
第 9 章 标准库 ....................................................................................................................132
9.1 引言 ........................................................................................................................... 132
9.2 标准库组件 ............................................................................................................... 133
9.3 标准库的组织 ........................................................................................................... 134
9.3.1 命名空间 ....................................................................................................................134
9.3.2 ranges 命名空间.........................................................................................................135
9.3.3 模块............................................................................................................................136
9.3.4 头文件........................................................................................................................136
9.4 建议 ........................................................................................................................... 138
第 10 章 字符串和正则表达式.............................................................................................139
10.1 引言 ......................................................................................................................... 139
10.2 字符串 ..................................................................................................................... 139
10.2.1 string 的实现 ............................................................................................................142
10.3 字符串视图 ............................................................................................................. 142
10.4 正则表达式 ............................................................................................................. 144
10.4.1 搜索..........................................................................................................................145
10.4.2 正则表达式的符号表示...........................................................................................146
10.4.3 迭代器......................................................................................................................151
10.5 建议 ......................................................................................................................... 151
第 11 章 输入和输出 ...........................................................................................................153
11.1 引言 ......................................................................................................................... 153
11.2 输出 ......................................................................................................................... 154
11.3 输入 ......................................................................................................................... 156
11.4 I/O 状态 ................................................................................................................... 157
11.5 用户自定义类型的 I/O ........................................................................................... 158
11.6 输出格式化 ............................................................................................................. 159
11.6.1 流式格式化 ..............................................................................................................160
11.6.2 printf()风格的格式化...............................................................................................161
11.7 流 ............................................................................................................................. 164
11.7.1 标准流......................................................................................................................164
11.7.2 文件流......................................................................................................................165
11.7.3 字符串流 ..................................................................................................................165
11.7.4 内存流......................................................................................................................166
11.7.5 同步流......................................................................................................................167
11.8 C 风格的 I/O............................................................................................................ 168
11.9 文件系统 ................................................................................................................. 168
11.9.1 路径..........................................................................................................................168
11.9.2 文件和目录 ..............................................................................................................171
11.10 建议 ....................................................................................................................... 172
第 12 章 容器......................................................................................................................174
12.1 引言 ......................................................................................................................... 174
12.2 vector ....................................................................................................................... 175
12.2.1 元素..........................................................................................................................178
12.2.2 范围检查 ..................................................................................................................178
12.3 list ............................................................................................................................ 180
12.4 forward_list.............................................................................................................. 181
12.5 map .......................................................................................................................... 182
12.6 unordered_map ........................................................................................................ 183
12.7 分配器 ..................................................................................................................... 184
12.8 容器概述 ................................................................................................................. 186
12.9 建议 ......................................................................................................................... 188
第 13 章 算法......................................................................................................................190
13.1 引言 ......................................................................................................................... 190
13.2 使用迭代器 ............................................................................................................. 192
13.3 迭代器类型 ............................................................................................................. 195
13.3.1 流迭代器 ..................................................................................................................196
13.4 使用谓词 ................................................................................................................. 199
13.5 标准库算法概览 ..................................................................................................... 199
13.6 并行算法 ................................................................................................................. 201
13.7 建议 ......................................................................................................................... 202
第 14 章 范围......................................................................................................................203
14.1 引言 ......................................................................................................................... 203
14.2 视图 ......................................................................................................................... 204
14.3 生成器 ..................................................................................................................... 206
14.4 管道 ......................................................................................................................... 207
14.5 概念概述 ................................................................................................................. 208
14.5.1 类型概念 ..................................................................................................................209
14.5.2 迭代器概念 ..............................................................................................................211
14.5.3 范围概念 ..................................................................................................................212
14.6 建议 ......................................................................................................................... 213
第 15 章 指针和容器 ...........................................................................................................214
15.1 引言 ......................................................................................................................... 214
15.2 指针类型 ................................................................................................................. 215
15.2.1 unique_ptr 及 shared_ptr...........................................................................................216
15.2.2 span...........................................................................................................................219
15.3 容器 ......................................................................................................................... 221
15.3.1 array..........................................................................................................................222
15.3.2 bitset .........................................................................................................................224
15.3.3 pair............................................................................................................................225
15.3.4 tuple ..........................................................................................................................227
15.4 可变类型容器 ......................................................................................................... 229
15.4.1 variant.......................................................................................................................229
15.4.2 optional.....................................................................................................................231
15.4.3 any ............................................................................................................................232
15.5 建议 ......................................................................................................................... 233
第 16 章 实用工具...............................................................................................................234
16.1 引言 ......................................................................................................................... 234
16.2 时间 ......................................................................................................................... 235
16.2.1 时钟..........................................................................................................................235
16.2.2 日历..........................................................................................................................236
16.2.3 时区..........................................................................................................................237
16.3 函数适配 ................................................................................................................. 237
16.3.1 匿名函数作为适配器 ..............................................................................................238
16.3.2 mem_fn() ..................................................................................................................238
16.3.3 function.....................................................................................................................238
16.4 类型函数 ................................................................................................................. 239
16.4.1 类型谓词 ..................................................................................................................240
16.4.2 条件属性 ..................................................................................................................242
16.4.3 类型生成器 ..............................................................................................................242
16.4.4 关联类型 ..................................................................................................................243
16.5 source_location ........................................................................................................ 244
16.6 move()和 forward().................................................................................................. 244
16.7 位操作 ..................................................................................................................... 246
16.8 退出程序 ................................................................................................................. 247
16.9 建议 ......................................................................................................................... 248
第 17 章 数值计算...............................................................................................................249
17.1 引言 ......................................................................................................................... 249
17.2 数学函数 ................................................................................................................. 250
17.3 数值计算算法 ......................................................................................................... 251
17.3.1 并行数值算法 ..........................................................................................................251
17.4 复数 ......................................................................................................................... 252
17.5 随机数 ..................................................................................................................... 253
17.6 向量算术 ................................................................................................................. 255
17.7 数值界限 ................................................................................................................. 256
17.8 类型别名 ................................................................................................................. 256
17.9 数学常数 ................................................................................................................. 256
17.10 建议 ....................................................................................................................... 257
第 18 章 并发......................................................................................................................259
18.1 引言 ......................................................................................................................... 259
18.2 任务和 thread .......................................................................................................... 260
18.2.1 传递参数 ..................................................................................................................262
18.2.2 返回结果 ..................................................................................................................262
18.3 共享数据 ................................................................................................................. 263
18.3.1 mutex 和锁 ...............................................................................................................263
18.3.2 原子量......................................................................................................................265
18.4 等待事件 ................................................................................................................. 266
18.5 任务间通信 ............................................................................................................. 268
18.5.1 future 和 promise ......................................................................................................268
18.5.2 packaged_task...........................................................................................................269
18.5.3 async() ......................................................................................................................270
18.5.4 停止 thread ...............................................................................................................271
18.6 协程 ......................................................................................................................... 273
18.6.1 协作式多任务 ..........................................................................................................274
18.7 建议 ......................................................................................................................... 277
第 19 章 历史和兼容性........................................................................................................279
19.1 历史 ......................................................................................................................... 279
19.1.1 大事年表 ..................................................................................................................280
19.1.2 早期的 C++ ..............................................................................................................281
19.1.3 ISO C++标准............................................................................................................284
19.1.4 标准与编程风格 ......................................................................................................286
19.1.5 C++的使用...............................................................................................................287
19.1.6 C++模型...................................................................................................................287
19.2 C++特性演化 .......................................................................................................... 288
19.2.1 C++11 语言特性 ......................................................................................................288
19.2.2 C++14 语言特性 ......................................................................................................289
19.2.3 C++17 语言特性 ......................................................................................................290
19.2.4 C++20 语言特性 ......................................................................................................290
19.2.5 C++11 标准库组件 ..................................................................................................291
19.2.6 C++14 标准库组件 ..................................................................................................292
19.2.7 C++17 标准库组件 ..................................................................................................292
19.2.8 C++20 标准库组件 ..................................................................................................292
19.2.9 移除或弃用的特性 ..................................................................................................293
19.3 C/C++兼容性 .......................................................................................................... 294
19.3.1 C 与 C++是兄弟.......................................................................................................294
19.3.2 兼容性问题 ..............................................................................................................295
19.4 参考文献 ................................................................................................................. 298
19.5 建议 ......................................................................................................................... 301
附录 A std 模块...................................................................................................................303

译者序
很荣幸能够为大家带来 A Tour of C++的中文翻译版。我选择翻译这本书，是因为项目组恰好开展了能使用最新版本编译器的 C++项目，我希望能够更好地了解最新版本的现代 C++，以寻求编程时可以使用的最佳实践。
在翻译过程中，我对本书的主要观点和内容有了更深入的认识。作者认为，使用 C++的程序员是要进行系统级开发的，会对性能与效率比较关注，因此在介绍各种语言特性时，本书往往会比其他编程类图书更加关注性能。这让我对 C++的设计哲学有了更深刻的理解，同时也让我更加注重代码的性能与效率。
翻译技术类图书的难点在于，一些词汇没有约定俗成的翻译，另一些词汇则存在多种不同的翻译版本。因此，在选择具体用词与统一翻译用词方面需要额外斟酌。我始终坚持要保证翻译的准确性和可读性，以确保读者能够更好地理解和掌握书中的内容。
本书中有大量代码，英文原书中的代码使用特定的颜色进行了标注，而翻译版则使用了加粗的等宽字体来表示原书中的代码，希望读者能够察觉。为了保证代码的可读性和格式的一致性，我花费了很多时间进行排版和校对。
我相信，读者一定能从本书中获益。对于有 C++98 开发经验的读者，可以从本书中获得对现代 C++ 的了解，使自己对 C++ 的理解上升到现代 C++ 的层面。而对于有其他语言编程经验的读者，可以通过本书对 C++ 语言获得基础的了解，从而进一步学习和使用 C++。
最后，我想说的是，翻译图书也同样是学习的过程，其间我自己对翻译的理解也向前迈进了一大步。果然，学而时习之，不亦说乎！
愿大家在阅读本书后能收获满满，感谢你的耐心阅读。
——译者 Pansz 2023 年 4 月 12 日

前言
在你进行指示时，简短些！——西赛罗 
现代 C++给人感觉像一门新的语言。我是说，相比 C++98 或 C++11 的时代，现在我能够更清晰、更简单、更直接地表达我的想法。不但如此，现代 C++生成的程序也更容易被编译器检查，而且运行得更快。
本书展示了 C++20 定义的 C++的概况，它是当前 ISO C++的标准，并且已被主流 C++提供商实现。另外，本书还提到了一些目前已经被使用的组件，但它们还没有被纳入 C++23 标准的计划。就像其他的现代编程语言一样，C++也很“大”，因为它需要大量的库来提高自身的效率。
这本薄薄的书旨在让有经验的程序员了解现代 C++是由什么构成的，它涵盖了主要的语言特性和主要的标准库组件。本书可以在一两天内读完，但要写出好的 C++代码，显然需要比读本书多得多的学习时间。然而本书的目标不是让你精通语言，而是提供概述与关键示例来帮助你着手学习。
你最好已经有一些编程经验。如果不是这样，请考虑先阅读相关的资料再继续阅读本书，推荐的资料有《C++程序设计原理与实践》（第 2 版）。即使你以前编写过程序，使用的语言及写过的程序与这里介绍的 C++风格也可能存在非常大的区别。
想象一下，在哥本哈根或者纽约等城市观光旅游。在短短几小时内，你快速地浏览了当地主要景点，聆听了一些背景故事，并获得了一些下一步该做什么的建议。但你并不能在这样简短的旅程中完全理解这座城市，也不能完全理解所见所闻，有些故事听起来可能很奇特甚至不可思议。你也不知道如何驾驭管理城市生活的规则，不管是正式的还是非正式的。要想真正理解一座城市，你必须在这个城市住上几年。然而，如果足够幸运的话，你可能会了解一些概况，对这个城市的特殊之处形成概念，并且对其中的一部分产生兴趣。在这次旅行结束之时，真正的探索才刚刚开始。
《C++之旅》介绍了 C++语言的主要特性，它们都支持面向对象和泛型编程之类的编程风格。不要指望本书会像参考手册那样，逐个特性地详细介绍语言的全貌。在最经典的教科书中，是应该在使用一个特性之前对它做出解释的，但其实很难完全做到这样，因为并不是每个人都严格按顺序阅读。我认为本书的读者在技术上已经非常成熟。因此，读者不妨对交叉引用善加利用。
同样，《C++之旅》对标准库的介绍以示例的形式点到为止，不会穷尽所有细节。读者有必要根据需要搜索额外的资料来获取技术支持。C++生态系统涵盖的范围远超 ISO 标准提供的配套工具（例如，库、构建系统、分析工具和开发环境），读者可在网上获得海量（但良莠不齐）的资料。大多数读者可以从 CppCon 和 Meeting C++等会议中发现有用的教程和简要介绍的视频。如果读者想要了解有关语言的技术细节和 ISO C++标准提供的库，我推荐Cppreference 网站。例如，当遇到一个标准库函数或类时，很容易就能在该网站查到它的定义，而且通过查阅它的文档，可以找到许多相关联的工具。
《C++之旅》呈现出来的 C++是一个集成的整体，而不是整齐地堆叠在一起的层状蛋糕。因此，具体的语言特性究竟是来自 C、C++98，还是来自更高版本的 ISO 标准，我极少做出标注。此类信息可在第 19 章中找到。我专注于基础知识并尽量保证内容简明扼要，但我并没有完全抵制住过度呈现新特性的诱惑，模块（3.2.2 节）、概念（8.2 节）和协程（18.6 节）这三节就是“例证”。我对最新进展的稍许偏爱，似乎也正好满足了许多已经了解某些旧版本 C++知识的读者的好奇心。
编程语言参考手册或标准只是简单地说明了可以做什么，但程序员通常更感兴趣的是学习如何更好地使用该语言。鉴于此，本书所涵盖的主题是精心挑选的，在文字内容上也有所体现，尤其是在建议性章节中。关于现代 C++如此优秀的原因，可以在 C++ Core Guidelines中找到更多观点。如果想进一步探索本书提出的理念，可以将 C++ Core Guidelines 视为一个很好的参考来源。你可能会注意到，C++ Core Guidelines 和本书在建议的提法及建议的编号上有着惊人的相似之处，其原因之一是，《C++之旅》的第 1 版正是 C++Core Guidelines 初版内容的主要来源。
鸣谢 
感谢所有帮助完成和更正《C++之旅》早期版本的人，特别是在哥伦比亚大学参加我的“Design Using C++”课程的学生。感谢摩根士丹利给我时间编写本书。感谢 Chuck Allison、Guy Davidson、Stephen Dewhurst、Kate Gregory、Danny Kalev、Gor Nishanov 和 J.C. van Winkel 审阅本书，并提出了许多改进建议。我使用 troff 完成本书的排版，并使用了 Brain Kernighan 原创的宏。
                                 
——Bjarne Stroustrup 于纽约曼哈顿

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