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C++之旅（第3版）（英文版）

作译者：本贾尼?斯特劳斯特鲁普

出版时间：2024-02 千字数：343 版次：01-01 页数：296

开本：16开装帧： I S B N ：9787121472503

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纸质书定价：￥109.0

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1 基础 ................................................................................................... 17 
1.1 引言 .................................................................................................................................. 17 
1.2 程序 .................................................................................................................................. 18 
1.2.1 Hello, World! ....................................................................................................... 18
1.3 函数 .................................................................................................................................. 20 
1.4 类型、变量与运算 .......................................................................................................... 21 
1.4.1 算术运算 ............................................................................................................. 23 
1.4.2 初始化 ................................................................................................................. 24 
1.5 作用域和生命周期 .......................................................................................................... 25 
1.6 常量 .................................................................................................................................. 26 
1.7 指针、数组和引用 .......................................................................................................... 27 
1.7.1 空指针 ................................................................................................................. 29 
1.8 检验 .................................................................................................................................. 30 
1.9 映射到硬件 ...................................................................................................................... 32 
1.9.1 赋值 ..................................................................................................................... 33 
1.9.2 初始化 ................................................................................................................. 34 
1.10 建议 ................................................................................................................................ 35 
2 用户自定义类型 ..................................................................................... 37 
2.1 引言 .................................................................................................................................. 37 
2.2 结构 .................................................................................................................................. 38 
2.3 类 ...................................................................................................................................... 39 
2.4 枚举 .................................................................................................................................. 41 
2.5 联合 .................................................................................................................................. 43 
2.6 建议 .................................................................................................................................. 44
3 模块化 ............................................................................................... 45 
3.1 引言 .................................................................................................................................. 45 
3.2 分离编译 .......................................................................................................................... 46 
3.2.1 头文件 ................................................................................................................. 47 
3.2.2 模块 ..................................................................................................................... 49 
3.3 命名空间 .......................................................................................................................... 51 
3.4 函数参数与返回值 .......................................................................................................... 53 
3.4.1 参数传递 ............................................................................................................. 54 
3.4.2 返回值 ................................................................................................................. 55 
3.4.3 返回类型推导 ..................................................................................................... 56 
3.4.4 返回类型后置 ..................................................................................................... 56 
3.4.5 结构化绑定 ......................................................................................................... 57 
3.5 建议 .................................................................................................................................. 58 
4 错误处理 ............................................................................................ 59 
4.1 引言 .................................................................................................................................. 59 
4.2 异常 .................................................................................................................................. 60 
4.3 约束条件 .......................................................................................................................... 61 
4.4 错误处理的其他替代方式 .............................................................................................. 63 
4.5 断言 .................................................................................................................................. 64 
4.5.1 assert() ................................................................................................................. 65 
4.5.2 static_assert .......................................................................................................... 66 
4.5.3 noexcept ............................................................................................................... 66 
4.6 建议 .................................................................................................................................. 67 
5 类 ..................................................................................................... 69 
5.1 引言 .................................................................................................................................. 69 
5.1.1 类的概述 ............................................................................................................. 70
5.2 具体类型 .......................................................................................................................... 70 
5.2.1 一种算术类型 ..................................................................................................... 71 
5.2.2 容器 ..................................................................................................................... 73 
5.2.3 容器的初始化 ..................................................................................................... 74 
5.3 抽象类型 .......................................................................................................................... 76 
5.4 虚函数 .............................................................................................................................. 78 
5.5 类层次结构 ...................................................................................................................... 79 
5.5.1 类层次结构的益处 ............................................................................................. 81 
5.5.2 类层次结构导航 ................................................................................................. 83 
5.5.3 避免资源泄漏 ..................................................................................................... 83 
5.6 建议 .................................................................................................................................. 85 
6 基本操作 ............................................................................................ 87 
6.1 引言 .................................................................................................................................. 87 
6.1.1 基本操作 ............................................................................................................. 87 
6.1.2 转换 ..................................................................................................................... 89 
6.1.3 成员初始值设定项 ............................................................................................. 90 
6.2 拷贝和移动 ...................................................................................................................... 90 
6.2.1 拷贝容器 ............................................................................................................. 91 
6.2.2 移动容器 ............................................................................................................. 92 
6.3 资源管理 .......................................................................................................................... 94 
6.4 操作符重载 ...................................................................................................................... 96 
6.5 常规操作 .......................................................................................................................... 97 
6.5.1 比较（关系操作符） ......................................................................................... 97 
6.5.2 容器操作 ............................................................................................................. 99 
6.5.3 迭代器及智能指针 ........................................................................................... 100 
6.5.4 输入与输出操作 ............................................................................................... 100 
6.5.5 swap() ................................................................................................................ 100 
6.5.6 hash＜＞ ............................................................................................................... 100
6.6 用户自定义字面量 ........................................................................................................ 100 
6.7 建议 ................................................................................................................................ 101 
7 模板 ................................................................................................. 103 
7.1 引言 ................................................................................................................................ 103 
7.2 参数化类型 .................................................................................................................... 104 
7.2.1 受限模板参数 ................................................................................................... 105 
7.2.2 模板值参数 ....................................................................................................... 106 
7.2.3 模板参数推导 ................................................................................................... 107 
7.3 参数化操作 .................................................................................................................... 109 
7.3.1 模板函数 ........................................................................................................... 109 
7.3.2 函数对象 ........................................................................................................... 110 
7.3.3 匿名函数表达式 ............................................................................................... 111 
7.4 模板机制 ........................................................................................................................ 115 
7.4.1 模板变量 ........................................................................................................... 115 
7.4.2 别名 ................................................................................................................... 116 
7.4.3 编译时 if ............................................................................................................ 117 
7.5 建议 ................................................................................................................................ 118 
8 概念和泛型编程 ................................................................................... 119 
8.1 引言 ................................................................................................................................ 119 
8.2 概念 ................................................................................................................................ 120 
8.2.1 概念的运用 ....................................................................................................... 120 
8.2.2 基于概念的重载 ............................................................................................... 122 
8.2.3 有效代码 ........................................................................................................... 122 
8.2.4 定义概念 ........................................................................................................... 123 
8.2.5 概念与 auto ....................................................................................................... 126 
8.2.6 类型与概念 ....................................................................................................... 127 
8.3 泛型编程 ........................................................................................................................ 128
8.3.1 概念的使用 ....................................................................................................... 128 
8.3.2 使用模板实现抽象 ........................................................................................... 128 
8.4 可变参数模板 ................................................................................................................ 130 
8.4.1 折叠表达式 ....................................................................................................... 131 
8.4.2 完美转发参数 ................................................................................................... 132 
8.5 模板编译模型 ................................................................................................................ 133 
8.6 建议 ................................................................................................................................ 133 
9 标准库 .............................................................................................. 135 
9.1 引言 ................................................................................................................................ 135 
9.2 标准库组件 .................................................................................................................... 136 
9.3 标准库的组织 ................................................................................................................ 137 
9.3.1 命名空间 ........................................................................................................... 137 
9.3.2 ranges 命名空间 ................................................................................................ 138 
9.3.3 模块 ................................................................................................................... 139 
9.3.4 头文件 ............................................................................................................... 139 
9.4 建议 ................................................................................................................................ 140 
10 字符串和正则表达式 ........................................................................... 141 
10.1 引言 .............................................................................................................................. 141 
10.2 字符串 .......................................................................................................................... 141
10.2.1 string 的实现 ................................................................................................... 143 
10.3 字符串视图 .................................................................................................................. 144 
10.4 正则表达式 .................................................................................................................. 146 
10.4.1 搜索 ................................................................................................................. 146 
10.4.2 正则表达式的符号表示.................................................................................. 147 
10.4.3 迭代器 ............................................................................................................. 151 
10.5 建议 .............................................................................................................................. 152
11 输入和输出 ....................................................................................... 153 
11.1 引言 .............................................................................................................................. 153 
11.2 输出 .............................................................................................................................. 154 
11.3 输入 .............................................................................................................................. 155 
11.4 I/O 状态 ........................................................................................................................ 157 
11.5 用户自定义类型的 I/O ................................................................................................ 157 
11.6 输出格式化 .................................................................................................................. 159 
11.6.1 流式格式化 ..................................................................................................... 159 
11.6.2 printf()风格的格式化 ...................................................................................... 160 
11.7 流 .................................................................................................................................. 162 
11.7.1 标准流 ............................................................................................................. 163 
11.7.2 文件流 ............................................................................................................. 163 
11.7.3 字符串流 ......................................................................................................... 163 
11.7.4 内存流 ............................................................................................................. 164 
11.7.5 同步流 ............................................................................................................. 165 
11.8 C 风格的 I/O ................................................................................................................ 165 
11.9 文件系统 ...................................................................................................................... 166 
11.9.1 路径 ................................................................................................................. 166 
11.9.2 文件和目录 ..................................................................................................... 169 
11.10 建议 ............................................................................................................................ 170 
12 章 容器 ............................................................................................ 173 
12.1 引言 .............................................................................................................................. 173 
12.2 vector ............................................................................................................................ 174 
12.2.1 元素 ................................................................................................................. 176 
12.2.2 范围检查 ......................................................................................................... 177 
12.3 list ................................................................................................................................. 178 
12.4 forward_list .................................................................................................................. 180
12.5 map ............................................................................................................................... 180 
12.6 unordered_map ............................................................................................................. 181 
12.7 分配器 .......................................................................................................................... 182
12.8 容器概述 ...................................................................................................................... 184 
12.9 建议 .............................................................................................................................. 186 
13 算法 ............................................................................................... 189 
13.1 引言 .............................................................................................................................. 189 
13.2 使用迭代器 .................................................................................................................. 191 
13.3 迭代器类型 .................................................................................................................. 194 
13.3.1 流迭代器 ......................................................................................................... 195 
13.4 使用谓词 ...................................................................................................................... 197 
13.5 标准库算法概览 .......................................................................................................... 197 
13.6 并行算法 ...................................................................................................................... 199 
13.7 建议 .............................................................................................................................. 199 
14 范围 ............................................................................................... 201 
14.1 引言 .............................................................................................................................. 201 
14.2 视图 .............................................................................................................................. 202 
14.3 生成器 .......................................................................................................................... 204
14.4 管道 .............................................................................................................................. 204 
14.5 概念概述 ...................................................................................................................... 206 
14.5.1 类型概念 ......................................................................................................... 206 
14.5.2 迭代器概念 ..................................................................................................... 208 
14.5.3 范围概念 ......................................................................................................... 209 
14.6 建议 .............................................................................................................................. 210
15 指针和容器 ....................................................................................... 211 
15.1 引言 .............................................................................................................................. 211 
15.2 指针类型 ...................................................................................................................... 212 
15.2.1 unique_ptr 及 shared_ptr ................................................................................. 213 
15.2.2 span .................................................................................................................. 216 
15.3 容器 .............................................................................................................................. 217 
15.3.1 array ................................................................................................................. 218 
15.3.2 bitset ................................................................................................................ 220 
15.3.3 pair ................................................................................................................... 221 
15.3.4 tuple ................................................................................................................. 223 
15.4 可变类型容器 .............................................................................................................. 224 
15.4.1 variant .............................................................................................................. 225 
15.4.2 optional ............................................................................................................ 226 
15.4.3 any ................................................................................................................... 227 
15.5 建议 .............................................................................................................................. 228 
16 实用工具 .......................................................................................... 229 
16.1 引言 .............................................................................................................................. 229 
16.2 时间 .............................................................................................................................. 230 
16.2.1 时钟 ................................................................................................................. 230 
16.2.2 日历 ................................................................................................................. 230 
16.2.3 时区 ................................................................................................................. 231 
16.3 函数适配 ...................................................................................................................... 232 
16.3.1 匿名函数作为适配器 ..................................................................................... 232 
16.3.2 mem_fn() ......................................................................................................... 233 
16.3.3 function ............................................................................................................ 233 
16.4 类型函数 ...................................................................................................................... 233 
16.4.1 类型谓词 ......................................................................................................... 234
16.4.2 条件属性 ......................................................................................................... 236 
16.4.3 类型生成器 ..................................................................................................... 237 
16.4.4 关联类型 ......................................................................................................... 238 
16.5 source_location ............................................................................................................. 238 
16.6 move()和 forward() ...................................................................................................... 239 
16.7 位操作 .......................................................................................................................... 240
16.8 退出程序 ...................................................................................................................... 241 
16.9 建议 .............................................................................................................................. 241 
17 数值计算 .......................................................................................... 243 
17.1 引言 .............................................................................................................................. 243 
17.2 数学函数 ...................................................................................................................... 244 
17.3 数值计算算法 .............................................................................................................. 245 
17.3.1 并行数值算法 ................................................................................................. 245 
17.4 复数 .............................................................................................................................. 246 
17.5 随机数 .......................................................................................................................... 247
17.6 向量算术 ...................................................................................................................... 249 
17.7 数值界限 ...................................................................................................................... 250 
17.8 类型别名 ...................................................................................................................... 250 
17.9 数学常数 ...................................................................................................................... 250 
17.10 建议 ............................................................................................................................ 251 
18 并发 ............................................................................................... 253 
18.1 引言 .............................................................................................................................. 253 
18.2 任务和 thread ............................................................................................................... 254 
18.2.1 传递参数 ......................................................................................................... 255 
18.2.2 返回结果 ......................................................................................................... 256 
18.3 共享数据 ...................................................................................................................... 257 
18.3.1 mutex 和锁 ...................................................................................................... 257
18.3.2 原子量 ............................................................................................................. 259 
18.4 等待事件 ...................................................................................................................... 259 
18.5 任务间通信 .................................................................................................................. 261 
18.5.1 future 和 promise ............................................................................................. 261 
18.5.2 packaged_task .................................................................................................. 263 
18.5.3 async() ............................................................................................................. 263 
18.5.4 停止 thread ...................................................................................................... 264 
18.6 协程 .............................................................................................................................. 266 
18.6.1 协作式多任务 ................................................................................................. 267 
18.7 建议 .............................................................................................................................. 269 
19 历史和兼容性 .................................................................................... 271 
19.1 历史 .............................................................................................................................. 271 
19.1.1 大事年表 ......................................................................................................... 272 
19.1.2 早期的 C++ ..................................................................................................... 273 
19.1.3 ISO C++标准................................................................................................... 276 
19.1.4 标准与编程风格 ............................................................................................. 277 
19.1.5 C++的使用 ...................................................................................................... 278 
19.1.6 C++模型 .......................................................................................................... 278 
19.2 C++特性演化 ............................................................................................................... 279 
19.2.1 C++11 语言特性 ............................................................................................. 279 
19.2.2 C++14 语言特性 ............................................................................................. 280 
19.2.3 C++17 语言特性 ............................................................................................. 280 
19.2.4 C++20 语言特性 ............................................................................................. 281 
19.2.5 C++11 标准库组件 ......................................................................................... 281 
19.2.6 C++14 标准库组件 ......................................................................................... 282 
19.2.7 C++17 标准库组件 ......................................................................................... 282 
19.2.8 C++20 标准库组件 ......................................................................................... 282 
19.2.9 移除或弃用的特性 ......................................................................................... 283
19.3 C/C++兼容性 ............................................................................................................... 284 
19.3.1 C 与 C++是兄弟 .............................................................................................. 284 
19.3.2 兼容性问题 ..................................................................................................... 285 
19.4 参考文献 ...................................................................................................................... 287 
19.5 建议 .............................................................................................................................. 290 
附录 A std 模块 ..................................................................................... 293

前言 
在你进行指示时，简短些！
——西赛罗①
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）[Stroustrup, 2014]。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。关于现代 C++如此优秀的原因，可以在 C++ Core Guidelines 
[Stroustrup, 2015]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++ CoreGuidelines 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。
本贾尼.斯特劳斯特鲁普 于纽约曼哈顿

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