如何寫好C/C++程序

1. 基本認識

1.1. 計算機科學是"人為"的科學

計算機科學是一門新興的科學，它不同於物理、化學、天文等自然科學，它是人為創造的，它的研究對象也是人為創造的，是一門人為科學。自然科學的研究對象是客觀世界，是對未知的探索；發現自然規律，研究並利用自然規律是其根本目的。作為工程師，要在給定條件下"做得更好"，就是說要根據實際情況利用現有條件充分發揮"人為"的優越性。

1.2. 軟體經常是理論落後於實踐

眾所周知，任何一門科學，都有它的理論，都應做到理論與實踐相結合，軟體理所當然應該這樣，然而，實際情況並非如此。軟體是工程，軟體理論落後於實踐的情況比比皆是。比如說，幾乎沒有人將圖靈機理論應用於實際軟體開發，計算機更多的是工程，工程是靠實踐的，工程師要始終堅持"身體力行"，不要忽視寫程序，要從實際應用中去領悟軟體的真諦。

1.3. 程式語言不是目的

首先，語言是工具，程式語言同樣是工具；其次，語言不是目的，學習語言的目的就是為了更好地表達人的意思，而不是為了學習而學習。因此，對於工程師來說，不應把學習幾門程式語言作為最終目的，而是要多快好省的"使用工具"實現自己的目的，開發出優秀的軟體。

1.4. 馮·諾伊曼模型至今顛撲不破

存儲程序理論至今已有五十年歷史，馮·諾伊曼模型今後仍是計算機的基本模型，非馮模型不是不可能，但卻越來越遙遠。因此，工程師要恪守"規矩成方圓"的準則，好的工程師要會用工具，要會用"尺"來衡量，這裡的"尺"就是馮·諾伊曼機的內存，做工程時一定要用"尺"量，儘量減小誤差，編寫程序不能違背計算機的基本模型，掌握語言，要做到知其然更知其所以然，利用語言操作計算機硬體，使其有效工作，才是最終目的。


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2. C/C++編程中應該特別注意的一些問題

下面通過變量、棧、堆在設計中如何使用，來討論如何寫好C/C++程序（所有例題答案附在全文後）

2.1. 全程、局部、動態變量

例1：請回答下面程序中注釋行中提出的問題
int a; // 內存中佔多少字節？分配在哪一區？
int b = 1; // b 與 a 是否相連？什麼是數據區？

void main()
{
int *p; // 分配在哪一區？
p = (int *)malloc(100); // 100 字節在哪？
…
}

2.2. 內存空間

不清楚內存就寫不了好程序，因此對內存的理解，對工程師來說至關重要。（對於本公司的工程師，搞不清楚內存，程序不可以check in）

下圖是內存空間的簡單邏輯結構示意圖，低（零）地址在下面，高地址在上面。

· 用戶禁區：是從零地址開始的一段空間，嚴禁用戶使用，保護系統空間；
· 程序代碼區：用來存儲當前運行程序的原始碼；
· 全程數據區：存儲全程變量，大小不受限制；
· 堆：堆是內存中可以動態分配的一片空間，用於存放程序運行過程中動態產生的變量，它是從低地址向高地址生長的，可以是鏈式結構，原則上講只要內存中有剩餘空間，堆就可以動態增長下去；
· 棧：是從高地址向低地址方向生長的存儲區，它的實現有特殊性，是後進先出的，並且它的大小是受限的，使用中具有靈活，速度快，不需要人工釋放，不存在競爭冒險問題等優點；
· 動態連接庫代碼；動態連接庫數據；每個動態連接庫又有它的堆、棧。

例2：一個關於指針入棧的問題。
void foo(char * p) {p = "世界";}
void main() {
char *p = "你好";
foo(p);
printf("%s/n", p); // 輸出什麼？
}
此題要求察看反彙編代碼，建議使用Microsoft的compiler。並且要求了解編譯後產生的所有文件，至少知道它們都是做什麼的，有什麼用途。

例3：請回答下面程序中注釋行中提出的問題。

int a[10000000]; // 是否出錯？
void main() {
int a[10000000]; // 是否出錯？
int *a = (int *) malloc(10000000); // 是否出錯？
*a = 1;
printf("%d/n", *a);
}

例4：關於堆使用的問題。

void main() {
char *p = (char *) malloc(10000000);
char *q = new char[10000000];
……
free(p); // 釋放多少內存？
delete q; // 釋放多少內存？
}
2.3. C/C++ Calling Conventions（調用習慣）
調用習慣決定編譯程序編譯源文件時，如何處理函數調用時傳遞參數的壓棧次序，由誰（調用者還是被調用者）負責彈棧等。（參見MSDN）
· __cdecl Caller pops stack （C）
· __stdcall Callee pops stack （C++）
· __fastcall ECX passes this pointer (優化C)
__cdecl 是C/C++函數調用的默認形式，由調用函數清除棧，生成的可執行代碼包含清除棧的部分，因此，對於同樣的函數，它比__stdcall形式調用的可執行代碼長。
__stdcall通常用於Win32 API函數調用，由被調用函數清除棧，採用這種方式調用，要有函數原型。
__fastcall用於優化的C，只要可能，就使用寄存器，速度快。


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3. 程序運行基本概念

3.1. 主程序/子程序（EXE）

二進位文件，可以在機器上直接運行。

3.2. 程序庫/模版庫（LIB）

對於一些常用的函數，如printf、strcpy等，把他們編成庫函數，由使用者調用，減少重複勞動和出錯的可能，但編譯後代碼長度並沒有變小。

3.3. 動態連結庫（DLL）

當多個進程都需要調用某個函數時，為了節省內存空間把這些函數編成動態連接庫，由多個進程動態共享。
在選擇使用LIB還是DLL時，要考慮應用中具體情況，比如說多少進程共享一個DLL合適，效率如何等等，更具實際做出權衡。另外，DLL也有其缺點，例如不同版本DLL的兼容性不可能做到完美。


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4. 面向對象程序設計

在面向對象的程序設計中，我們常涉及到的是封裝、繼承、多態、類、映射等特性。

4.1. 向誰最重要

面向對象，面向誰最為重要。這個問題可以從三個方面來考慮。首先，也是最重要的，要面向使用者，因為軟體的最終目的是滿足實際應用；其次，要面向開發者，開發者可能會使用這個對象去構造更大的對象，實現更多的功能；最後，要面向機器，對象最終必須能在馮·諾伊曼機器上運行，設計中必須考慮運行效率、軟體模型、實際誤差等問題。

4.2. 封裝 (Encapsulation)

C++中有public、protected、private關鍵字，這樣就可以叫封裝了。C++中封裝是對程式設計師的限制，沒有實現真正意義上的封裝。
下面的例子是兩種類的聲明。
class A { class B { public:
public: virtual foo();
foo(); virtual bar();
protected: virtual foobar();
bar(); }
private:
foobar();
int a;
}
class B的虛表（vtable）的物理存儲結構如下圖:

如果將上例class A中protected改為public，比較前後兩種情況下編譯之後的結果，就會發現它們是一樣的，也就是說在源文件中的不同之處編譯後在內存中是沒有反映的，既然沒有反映，就談不上真正的區別，所以，這裡的所謂封裝只是對程式設計師自身的一種約束，沒有真正的意義。

4.3. 繼承（Inheritance）

繼承是指能夠直接獲得已有的性質和特徵，而不必重複定義。是子類自動的共享基類中定義的數據和方法的機制。
C++ Base Class的程序復用（編譯時的靜態復用）

_繼承的實質就是少寫代碼，節省打字時間，減少出錯可能，它只是程序復用，是一種靜態機制。因為，代碼是自己寫的還是從別的類中繼承的，反映在內存中是一樣的，沒有區別，所以，繼承只是在工程上有意義，更多是面向開發者，工程師可以利用這個方法提高開發效率，對使用者而言，則毫無意義。

COM Aggregation（聚合）

組件復用（運行時的動態復用）、相對靈活構造。（參見COM編程技術）

4.4. 多態（Polymorphism）

多態一詞來源於希臘語，簡單說就是有許多形態，它增加了面向對象軟體系統的靈活性，C++中使用虛函數實現，是C++中最重要的概念。例5中class B的函數前加上virtual關鍵字之後，在這個數據結構中前4個字節保留下來，形成運算表（虛函數表vtbl），運算表中存放函數的入口地址，通過指針訪問，形成間址結構，如下圖所示。只要通過指針訪問這個表（通過這層間址），調用不同的函數，從前的很多程序問題都可迎刃而解。

UNIX 的驅動程序模型就是用的這種結構，取得了巨大的成功。如：
_open(); close(); read(); write(); ioctl();

4.5. 類(Class) 類廠(ClassFactory)

類是對具有相同屬性和行為的一個或多個對象的描述，它是建立對象時使用的"樣板"。C++中類的概念是假的，它的類在編譯之後，到內存中沒有實體與其對應，因此C++不存在真正的類的概念。而smalltalk中類是一種特殊的對象，對象是一種特殊的類，對象這種數據結構是佔內存的，所以類也是佔內存的，這樣才是真正的類。

類的概念有多重要性是：

_第一，對象要有生死的概念（lifetime），對象從哪裡來，由類來控制，Microsoft則叫它類廠，強調產生類、產生對象這個概念。

第二，類引出映射的概念。例如整數集合上的加、減、乘、除這四個運算，它們是跟整數類相對應的，按照馮·諾伊曼的存儲程序理論，程序就是數據，所以它們既是運算也是數據，作為數據應該放在整數類中，放在類中有什麼用呢？這裡引出映射的概念，來解答這個問題。

4.6. 映射（Reflection）

下面 通過對加法運算的兩種不同情況闡述映射的概念。

· 普通的32位加法，如果溢出了，怎麼辦？可不可以做64位加呢？既然是數，就能改，可以在運行過程中（動態）把一個32位數用一個PUSH語句入棧，再把另一個也壓入棧中，這樣32位加法運算轉變為64位加法運算，問題解決了。同樣的加、減、乘、除這四個運算，可以映射出不同的運算實現來，32位運算，64位運算是兩種不同的實現，這種不同的實現就是對同一個描述的不同映射。

· 網絡上的運算如何實現？同樣還是加、減、乘、除運算，在網上，計算可以在本地進行，也可以在遠程進行。比如說會做加法的進程在遠程，這時本地進程將運算數據打包發給遠程進程，遠程進程計算後將結果打包送回。本地和遠程，這是兩種不同的實現方式，對於設計者來說，本地計算方式是用一段代碼進行計算，遠程計算方式是用一段代碼與遠程進行通信，但對於用戶來說都是加法，除了時間上可能有差別外，其它完全一樣，這是完全透明的網絡運算。這就是映射。
C++中不存在真正的類，更不存在映射的概念。然而，類和映射的概念至關重要，要提到一個新的高度來認識。C++源程序編譯後的目標代碼是 .obj，而JAVA源程序編譯後目標代碼是 .class，JAVA想說明運算可以在運行中改，只有有了這個前提才能真正做到完全透明的網絡運算。認識到這一點，舉一反三，JAVA還能把32位加法動態提升為64位加法等等。如果把這種思想應用於軟體設計，那麼是不是能做到他人無法做到的事情呢？

映射（Reflection）這個概念怎麼強調也不過分，它是程序設計的一個裡程碑，從結構化設計到面向對象，有了多態這個概念，程序設計靈活了，現在又有了映射，程序設計更加靈活，人們走入了一個新境界。


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5. C++、COM、COM+程序設計的比較

5.1. C++

程序模型
C++是面向對象編程的，它的模塊是靜態的，連結後不可分割，這是C++的最主要的缺點，它不能動態升級。

模塊實現
C++將運算與數據結合起來，放在類中，通過繼承實現程序重用，採用二進位標準，將不同模塊聯繫起來實現不同功能。
C++最關鍵的技術要點就是它加了一個vtbl（如下圖），它帶來很多好處，這在前面已經介紹過了，與原來的程序設計語言相比已經是一個跨越式的發展。

這裡區分兩個概念，語言和思想。C++是一種語言，是一種非常好的語言。它表達設計者的思想最容易、最直觀，但它或多或少的帶有設計者的歷史局限性，語言雖然還是好語言，但如今思想的局限性卻越來越明顯。

5.2. COM

1993年6月，Microsoft發布了COM標準，主要是認識到了C++的不足。另外，並不是只有Microsoft這樣認為，包括IBM發明Smalltalk、Digital發明CORBA、SUN發明JAVA，也都是認識到了這一點。在美國，所有大軟體公司的大的工程項目很少直接採用C++的編程思想，而是採用它們自己的編程思想，實現軟體設計。

COM解決了C++做不到的不同來源的組件之間的互操作，使某個組件升級時不影響其他組件，並且獨立於程式語言，實現了組件在進程內、跨進程甚至於跨網絡運行時對用戶的透明性。

程序模型

COM解決了C++做不到的不同來源的組件之間的互操作，使某個組件升級時不影響其他組件，並且獨立於程式語言，實現了組件在進程內、跨進程甚至於跨網絡運行時對用戶的透明性。

模塊實現

在C++模型基礎上增加了Interface ptr，目的就是要實現動態升級。舉例說明這個問題，例如下圖中已經有了兩個域，如果需要增加域怎麼辦？前面講過，棧有很多好處，要充分利用它，但是，如果一個數據結構放在棧上，這塊空間一旦分配，它是不可以更改的，這個模塊也就不可升級了，所以任何語言（JAVA、COM、C#等），它的組件、構件不可以生成在棧上，這是一個基本原則；然而，"指針，放之四海而皆準"，可以在棧上放一指針（Interface ptr）來解決這個問題，（這個指針在JAVA中不是一個物理指針，是一個虛的，叫handle，相當於一個標識符，能訪問到就可以了），理論上講，這是增加一層間址，解決了組件動態可替換問題。

註冊資料庫

C++語言中使用new在堆上動態分配內存。例如，用new操作動態生成一個class，new是知道它所要分配的內存的大小的，既然知道大小，就沒有辦法升級。這個信息new是不該知道，這也正是C++當初違背封裝原則的一個體現；即使new不知道分配空間的大小，也要有一套協議，來查詢誰來支持這個class，誰來完成new操作。要想使模塊可以升級，就不能再用new。
在COM中，使用CoCreateInstance()，本公司的ezCOM使用NEW_COMPONENT，實際上是重載了new。為了在"new"的時候，知道class現在的大小、在什麼位置、由誰支持，需要在運行過程中創建一個資料庫，通過間址的方式查詢這個資料庫，獲得關於class的信息，之後才能創建一個class，只有這樣才能實現動態升級。創建class時要用一層間址，調用時同樣用一層間址，這兩方面構成了COM的基本內涵。

元資料庫（TypeLib）

COM，93年出現的時候，它已經提出了元數據的概念，但當時沒有給予強調，隨著Internet時代的到來，94、95年出現了browsor，SUN發明了JAVA，這兩件事大大加速了人們對軟體的理解。元數據已經應用在COM、JAVA和腳本語言中，但COM並沒有將元數據提高到一個無所不能的高度來理解，JAVA的設計者則不同，他把元數據提高到一個高層次，通過 .class便可一目了然。如何寫程序進入了嶄新的階段。

元數據(Metadata)是定義存儲在資料庫中數據的形式的數據，可認為是關於數據的數據。元數據是對運算的描述，比如對整數集上的加、減、乘、除這四個運算的描述就稱為整數集合(CLASS)上的Class Information，既為Metadata。CDL文件對ezCOM來說就是元數據，TLB是CDL的二進位表現，二者表達的信息是一樣的。

構件（Component） ＝ 對象（Object） ＋ 元數據（Metadata），構件是由兩部分組成的，一部分是對象，一部分是元數據，兩者打包在一起構成一個dll文件的構件。構件在物理上與對象是不同的，強調一點，如果在物理上不同（內存中反映不同），在現實中就會有不同的體現。正是因為這個原因，本公司的ezCOM與C++截然不同，如果認為ezCOM與C++完全一樣，或者就是用C++來編寫的，那就完全錯了。

程序應該用零件來構造，強調元數據的重要性，這是新的程序設計理念。

5.3. 關於自動化/自行化的概述

腳本語言

腳本語言（script），英文願意是手跡、手稿、副本的意思。腳本語言是解釋執行的，就相當於舞臺上話劇演員按著劇本的內容演出一樣，要一句一句的來。

模型/顯示/控制 （MVC）編程方式

本公司的圖形系統就是通過自動化來實現的，Model View Controller這個概念是smalltalk提出的，Windows、X-Windows都沒有按照面向對象、按照這套思路來做，JAVA、.NET都是按照這一套思路來做的，本公司也這樣做。

代理組件自動生成

自動遠程通訊主要通過自動化，通過元數據實現。（參見…）

自描述數據結構

雖然本公司的產品開發使用C++，但是在所有的接口函數上，參數都必須使用自描述數據結構，這也是對C++的限制，目的就是要動態生成中間件，通過映射動態生成不同的程序實現。能不能實現動態替換，很大程度上是通過元數據和自描述數據結構來完成的。

本公司的自描述數據結構如下（參見基礎數據類型文檔）：
INT，LONG，CHAR，etc.
EzStr，EzByteBuf，etc.
EzIntArray，EzStrArray，etc.
EzVariant，EzDelegate，etc.

5.4. COM+

a. COM+ 程序模型

代理（虛擬）組件

COM+比COM更加重視元數據，有了元數據之後，達到的新境界，就是作業系統可以動態生成代理組件（由系統生成的組件就是中間件）。

在用戶程序與組件模塊之間插入代理組件帶來很多好處。Windows2000的COM+就是在強調這一點。代理組件，"薄"的時候可以什麼都沒有，就是一層間址，速度不會受損。它的靈活性是指可以動態替換零件，完成不同的功能，比如可以把一個圖形軟體放入內核或放到其它機器上等等，對用戶沒有影響；再如使用ORACLE時，假如有100個用戶，可是只買了10個版權，這時可以通過代理組件來給每個用戶分組件，實現動態共享；還比如說，在用戶通訊的過程中，可以通過代理組件中零件的替換實現呼叫轉移，接入Internet時，可以通過不同的零件加密、監控等等，這些都是加上代理組件的優越性。

COM+ 模塊實現

在COM的基礎上，再增加一層間址，定義運行環境 (Context)，變為多層間址。工程師只要理解內存，學會用"尺"後，就會發現這種多重間址的妙處，程序設計就會變得非常靈活。

b. 組件運行環境對用戶透明

（詳細請參見其他相關文檔）


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6. COM技術要點及編程（詳細請參見COM編程相關書籍）

1、 面向接口，可改變程序實現

2、 二進位標準 （無虛擬機）

3、 計數器控制生命周期

4、 動態模塊構造

5、 元數據支持解釋程序

6、 自描述數據結構

7、 自動遠程通訊


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7. 例題解答

例1：
int a; // 佔4個字節，在全程數據區；在_BSS段，可參考cod文件
int b=1; // 佔4個字節，在全程數據區；與 a 不相連，在_DATA段

void main() {
int * p; // 分配在棧上
p = (int *) malloc (100); // 100 字節在堆上
……
}

例2：你好

例3：
int a[10000000]; // 不出錯

void main() {
int a[10000000];
// 出錯，棧的大小有限制，但可通過編譯器開關修改棧的大小
int *a = (int *) malloc(10000000);
// 在堆上只要硬體上有足夠的內存，是不出錯的，（堆可動態增長）
*a = 1;
printf("%d/n", *a);
}

例4：（堆）
void main() {
char *p = (char *) malloc(10000000);
char *q = new char[10000000];
……
free(p);
// 釋放10000000位元組的內存，malloc在堆上分配10000000位元組的內
// 存，不會自動釋放，需要用free來釋放
//delete q;
// 釋放10000000位元組的內存，new 在堆上分配10000000位元組的內存