C++编程之禅 从理论到实践

本书是一部全面系统介绍C++编程语言的高级教程，旨在帮助读者深入理解C++的设计哲学和编程技巧。本书从C++的基础设计原则出发，详细地探讨了封装、继承、模板等核心概念，并介绍了C++20和C++23引入的一些现代特性。书中不仅讲解了C++的基本语法和结构，还探讨了类型系统、内存模型、并发编程、设计模式、架构策略以及性能分析等高级主题，并展示了诸多最佳实践供开发者参考。本书为读者提供了全面而细致的技术景观，能够帮助读者掌握C++这门强大的编程语言，并利用其功能来优化和创新编程实践。"

刘志宇，资深软件工程师，专精于C/C++及Linux开发领域。凭借超过7年的嵌入式Linux C++开发经历，他积累了深厚的C++编程实战经验。此外，他还撰写了1000多篇软件开发教程博客，分享其丰富的编程知识和技术见解。

第1章C++的艺术与科学：设计哲学概览1

1.1导语：探索C++的设计哲学1

1.2C++的设计目标与原则1

1.2.1高性能与效率1

1.2.2资源管理2

1.2.3多范式支持2

1.2.4零开销原则3

1.2.5应用设计原则于编程实践4

1.3C++的演进对编程技巧与原则的影响5

1.3.1初始阶段和标准化之路6

1.3.2主要版本和特性6

1.3.3设计技巧的演化12

1.3.4对未来的展望13

1.4C++标准与实践：跨环境的支持与协作14

1.4.1语言核心与库的融合：跨编译器视角15

1.4.2编译器的多样性与选择：适应多操作系统16

1.4.3开发环境的选择与策略：优化开发体验19

1.5小结21

第2章构筑C++的基石：核心设计技巧与原则22

2.1导语：多范式编程的艺术与哲学22

2.2C++的结构哲学：封装与类的精细设计22

2.2.1封装的艺术：C++设计哲学的体现22

2.2.2封装的三重境界：访问控制、抽象和信息隐藏23

2.2.3实践中的封装：C++的实现策略27

2.2.4友元函数与友元类：特殊访问权的考量47

2.2.5封装在设计模式中的角色：加强类的设计55

2.3函数的艺术：效率、灵活性与表达力55

2.3.1基础概念：函数的组成部分56

2.3.2参数传递深度解析：从基础到高阶56

2.3.3函数的行为调整：修饰符与作用域66

2.3.4属性规范序列：现代C++的编译指示84

2.3.5递归的魅力：自我调用的艺术86

2.3.6内建函数：语言的功臣90

2.3.7增强代码表达力：操纵符与函数技巧92

2.3.8函数的可重入性：并发编程的基石96

2.3.9现代C++风格：Lambda表达式与函数对象100

2.4动态行为的哲学：继承与多态107

2.4.1继承：多样性的建构基础108

2.4.2多态：灵活性与接口的艺术117

2.4.3综合案例：贯彻C++多态思维134

2.4.4小结：多态的艺术与实践139

2.5泛型的力量：模板编程哲学139

2.5.1模板基础：泛化编程的入门139

2.5.2模板的高级应用与技巧：掌握泛型编程的精髓155

2.5.3模板与设计：构筑高效且可复用的代码结构165

2.6管理资源的艺术：智能指针的解析175

2.6.1智能指针的设计与实现：自动化资源管理176

2.6.2智能指针的使用技巧：优化资源管理的策略184

2.7探索底层：C++的编译与内存排列191

2.7.1深入理解C++编译过程：从源代码到可执行文件的转换阶段191

2.7.2编译器的符号解析与绑定：C++代码中的名称和地址关联机制201

2.7.3C++内存排列详解：理解和操作内存区域207

2.7.4虚拟内存分段机制：管理和优化C++应用的内存空间214

2.8小结221

第3章精进C++技艺：提升设计与编码技巧223

3.1导语：深化C++设计与编码的艺术223

3.2理解C++的初始化机制223

3.2.1C语言中的初始化方式223

3.2.2C++中的初始化226

3.2.3特殊场景的初始化230

3.2.4代码设计中的初始化策略237

3.3生命周期的管理与销毁技巧240

3.3.1生命周期的基本概念240

3.3.2生命周期的控制技巧241

3.3.3生命周期与资源管理243

3.3.4高级生命周期管理技术245

3.4异常处理：深入C++的安全机制247

3.4.1异常处理的重要性247

3.4.2异常处理基础248

3.4.3异常的类型与层次249

3.4.4异常的捕获规则253

3.4.5设计安全的异常处理代码255

3.4.6抛出异常与返回错误码260

3.4.7异常处理的高级技巧261

3.4.8深入底层：探索C++异常原理263

3.4.9探索C++23错误机制的新纪元265

3.5灵活处理可变参数267

3.5.1可变参数函数的基础267

3.5.2使用可变参数模板增强灵活性271

3.5.3可变参数模板的进阶技巧275

3.5.4可变参数模板类的实际应用287

3.5.5使用std::optional处理可选参数289

3.5.6使用std::variant实现类型安全的联合体290

3.5.7使用std::any存储任意类型的数据292

3.5.8如何选择合适的技术来实现可变参数294

3.6C++中的可调用对象296

3.6.1函数指针与成员函数指针296

3.6.2函数对象与Lambda表达式298

3.6.3std::function和std::bind299

3.6.4综合对比C++中的可调用对象310

3.7高级文件和数据流操作：掌握C++的I/O技术311

3.7.1现代文件处理：C++17文件系统库311

3.7.2数据交换技术：缓冲与映射313

3.7.3文件定位与访问：随机访问与流控制316

3.7.4处理文件编码问题：确保C++应用的国际化与本地化317

3.7.5处理和存储不同进制的数据：C++中的数制转换技术319

3.7.6数据序列化与网络传输321

3.7.7字节序在数据交换和网络传输中的应用323

3.8自定义工具的实现329

3.8.1自定义迭代器329

3.8.2自定义哈希函数334

3.8.3自定义智能指针删除器337

3.8.4表达式模板338

第4章类型精粹：深化C++类型系统的理解344

4.1导语：探索C++类型系统的奥秘344

4.2类型系统基础344

4.2.1C++中的类型系统344

4.2.2类型的属性346

4.2.3类型安全概述349

4.3类型别名与类型转换351

4.3.1使用typedef和using351

4.3.2C/C++类型转换354

4.4类型特征探究：编译时类型判断的艺术366

4.4.1类型系统的深入探索367

4.4.2C++中的类型修饰符和类型转换工具369

4.4.3C++类型特征中的核心概念与实用技巧373

4.4.4实战案例：利用类型特征操作强枚举类型381

4.5类型推导深度解析384

4.5.1使用auto关键字384

4.5.2使用decltype关键字386

4.5.3尾返回类型的应用387

4.6探索运行时类型信息388

4.6.1基础RTTI工具388

4.6.2RTTI的应用与局限390

4.6.3类型消除的实现方式391

4.6.4自定义RTTI系统394

4.7高级类型技巧与模式395

4.7.1使用SFINAE原则395

4.7.2类型转换与萃取技巧397

4.7.3编译时断言和检查技术398

第5章并发的细语：掌握C++内存模型与并发编程401

5.1导语：探索并发编程的核心概念401

5.2并发编程基础401

5.2.1C++并发技术401

5.2.2理解并发概念402

5.2.3C++内存模型概述406

5.2.4线程管理407

5.3原子操作与同步机制415

5.3.1原子操作基础415

5.3.2内存顺序与原子操作417

5.3.3同步原语426

5.4锁的策略与优化技巧438

5.4.1锁的类型与选择438

5.4.2锁的粒度与性能优化443

5.5并发设计模式445

5.5.1无锁编程445

5.5.2并发设计模式448

5.6协程：C++中的现代并发编程454

5.6.1协程的基础454

5.6.2协程与线程的对比455

5.6.3C++20中的协程455

5.6.4协程的生命周期管理456

5.6.5实例：使用协程处理异步任务457

5.6.6C++23中的协程增强459

5.7事件驱动模型460

5.7.1事件驱动模型的定义与特点461

5.7.2事件驱动模型的组成461

5.7.3事件驱动模型的实现探索463

5.7.4异步事件处理库的探索：Boost.Asio和libevent467

5.8并发工具与技术472

5.8.1使用std::call_once实现线程安全的延迟初始化472

5.8.2线程局部存储473

5.8.3并发工具与算法474

5.8.4并发框架的应用476

5.9线程池的设计477

5.9.1线程池的基本概念及其解决的问题477

5.9.2线程池的设计模式477

5.9.3线程池的基本设计思路479

5.9.4线程池的基本技能及其实现手段480

5.9.5线程池的扩展功能设计思路485

第6章设计哲学实践：编程范式、原则与实际应用494

6.1导语：探索设计哲学与跨平台策略494

6.2C++编程范式及其应用494

6.2.1范式概览494

6.2.2选择合适的编程范式496

6.2.3C++编程范式应用案例497

6.2.4探索CRTP：C++中的模板奇技501

6.3设计原则与解耦策略503

6.3.1单一职责原则505

6.3.2开闭原则507

6.3.3里氏替换原则510

6.3.4接口隔离原则513

6.3.5依赖倒置原则516

6.3.6DRY、KISS、YAGNI原则：提高代码质量的金科玉律519

6.3.7PIMPL模式：封装实现细节以减少编译依赖521

6.3.8依赖注入：提高模块解耦性的策略524

6.3.9设计原则与解耦策略小结528

6.4跨平台复用设计529

6.4.1设计跨平台接口529

6.4.2使用预处理器支持多平台530

6.4.3抽象化硬件依赖535

6.4.4依赖管理和模块化544

6.4.5泛型编程与代码复用545

6.5编程规范与代码维护546

6.5.1制定编程规范546

6.5.2代码审查的实施551

6.5.3自动化测试的角色552

6.5.4版本控制最佳实践553

6.5.5持续集成与持续部署554

第7章架构之道：C++设计模式与架构策略556

7.1导语：铺垫设计的哲学之路556

7.2创建型设计模式：塑造对象的艺术557

7.2.1单例模式：独一无二的存在557

7.2.2工厂方法模式：定制的工厂线562

7.2.3抽象工厂模式：构建对象的生态系统564

7.2.4建造者模式：精细构造的艺术570

7.2.5原型模式：复制的力量572

7.2.6小结：创造性模式的合奏574

7.3结构型设计模式：编织代码的架构网576

7.3.1结构型设计模式：优化组合与系统灵活性576

7.3.2界面与实现分离：桥接和适配器的协同舞蹈576

7.3.3对象组合：装配艺术中的组合与装饰585

7.3.4简化接口和共享对象：外观与享元的双重奏592

7.3.5代理模式：智能控制与资源管理的守门人601

7.3.6小结：结构型设计模式的协同与实效607

7.4行为型设计模式：激活对象的行为剧本608

7.4.1响应变化：观察者模式在事件驱动系统中的应用609

7.4.2解耦请求与处理：责任链模式在复杂业务流程中的运用625

7.4.3封装与交换：掌握命令和策略模式的独特运用630

7.4.4跟踪与回滚：备忘录模式在状态管理中的应用639

7.4.5行为的动态变化：模板方法与状态模式的精确应用643

7.4.6结构访问与操作：访问者模式的策略与实践651

7.4.7语言的规则与解释：解释器模式的核心原理656

7.4.8协调复杂交互：中介者模式在系统设计中的应用661

7.4.9遍历与控制：迭代器模式在集合操作中的精妙运用665

7.4.10小结：行为型模式的编织669

7.5架构设计的原则与实践：构建稳健可靠的软件之道670

7.5.1组件化架构：模块化的C++实践671

7.5.2事件驱动架构：响应式C++程序设计682

7.5.3微服务架构：分布式C++服务的优化策略686

7.5.4层次架构：C++中的分层逻辑设计692

7.5.5管道与过滤器架构：流式处理在C++中的应用701

7.5.6综合探索与实践指南：C++中的架构策略704

第8章性能的追求：优化C++应用的艺术与技术720

8.1导语：探索性能优化的哲学之旅720

8.2掌握性能分析工具720

8.2.1编译器优化参数720

8.2.2性能分析方法727

8.2.3热点代码分析731

8.2.4性能分析工具综合应用总结732

8.3代码优化：提升性能的核心技术733

8.3.1算法与数据结构的选择733

8.3.2循环与逻辑的优化736

8.3.3数据访问的性能考量：值拷贝、引用和移动语义741

8.3.4特殊类型的数据访问优化743

8.3.5就地构造与内存管理747

8.3.6CPU缓存效率优化750

8.3.7智能指针的合理使用754

8.3.8返回值优化：RVO与NRVO755

8.3.9并发与并行的优化756

8.4编译器优化：深入编译器的性能调节758

8.4.1编译器优化概述758

8.4.2优化的影响因素759

8.4.3编译器优化技术详解759

8.4.4辅助编译器优化761

8.5系统与环境优化：操作系统和硬件的性能调整762

8.5.1操作系统调优762

8.5.2硬件亲和性763

8.5.3I/O性能优化763

8.5.4虚拟化与容器优化764

8.5.5环境监控与自动调整765

8.5.6Windows环境下的性能优化策略766

8.6总结：C++性能优化的策略与实践767