完美的C++：C++/CLI

 什么是C++/CLI呢？C++当然指的是Bjarne Stroustrup在BELL实验室发明的C++语言，它实现了运行时取得速度和尺寸最佳化的静态对象模型，然而它除了堆分配外不支持程序的动态修改，它准许无限地接近底层设备，但在程序运行过程中几乎无法操作活动类型，也无法操作与程序相关联的底层结构。Herb Sutter，C++/CLI的主要构造者之一，称C++是一门“混凝土”式的语言。

　　CLI指的是通用语言结构，一种支持动态组件编程模型的多重结构，在许多情况下，这代表了一个与C++对象模型完全颠倒了的模式。一个时实的软件层，有效地执行系统，在底层操作系统与程序之间运行。操作底层的设备受到一定的限制，操作执行程序中的活动类型及与程序相关联的下部结构得到了支持。反斜杠（/）代表C++和CLI的捆绑，这个捆绑带来的细节问题是本文主要讨论的问题。

　　所以，“什么是C++/CLI”问题的最初、最接近答案是：它是静态C++对象模型到CLI的动态组件对象编程模型的捆绑。简而言之，它就是你如何用C++在.NET中编程，而不是C#或Visual Basic.NET。象C#和CLI本身一样，C++/CLI正在ECMA（欧洲计算机制造商协会）主持下进行标准化，以最终符合ISO标准。

　　实时通用语言（CLR）是CLI的微软版本，它非常适用于微软的Windows操作系统，相似地，Visual C++2005是C++/CLI的实现。

　　作为第二个近似的答案，我认为C++/CLI是.NET编程模式与C++的结合，正如以前将模板与C++结合起来产生的泛型编程。所有这种结合中，企业所拥有的C++的投资以及开发人员使用C++的经验将得到保存，而这恰恰是使用C++/CLI进行开发的重要基础。

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　　学习C++/CLI的方法
　　在设计C++/CLI语言中涉及三个方面问题，这同样贯彻于所有的其他程序开发语言：一是语言级的语法向底层通用类型系统（简称CTS）的映射；二是向程序开发人员提供的CLI的底层细节结构的级别选择；三是超越CLI的直接支持，提供额外的功能性函数的选择。

　　从C++/CLI到CTS的映射？
　　使用C++/CLI编程时间了解底层的CTS非常重要。CTS包括以下三种常用类的类型：

　　1、多态引用类型，这正是对于所有继承类所要使用的。

　　2、非多态值类型，这用于实时高效的具体类型，例如数值类型。

　　3、抽象的接口类型，这用于定义一个操作集，也可以用于实现接口的引用或值类型集合。

　　CLI的细节
　　设计一个CLI语言时第二个必须要考虑的问题是将CLI的底层执行模式融入到语言的细节级别。这种语言用于解决什么问题？这种语言是否有必须的工具来解决这些问题？这种语言可能吸引什么样的程序开发人员？

　　存在的问题
　　在垃圾收集器扫描紧缩状态下，位于托管堆上的任何对象非常可能面对重新定位问题。指向对象的指针可以实时跟踪并修改。开发人员不能自己手动跟踪，所以，如果你获许取得一个可能位于托管堆上的值类型的地址时，除了本地指针外，还需要有一个跟踪形态的指针。

　　额外增加的功能
　　在垃圾收集器扫描紧缩状态下，位于托管堆上的任何对象非常可能面对重新定位问题。指向对象的指针可以实时跟踪并修改。开发人员不能自己手动跟踪，所以，如果你获许取得一个可能位于托管堆上的值类型的地址时，除了本地指针外，还需要有一个跟踪形态的指针。

　　小结

　　C++/CLI代表托管与本地编程的结合，这种综合已经通过元级相对独立但又相互平等地组件和二进制元素得到了完成，包括混合模式（本地和CTS类型的元级混合，还有一个本地及CLI对象文件的二进制混合），纯模式（本地和CTS类型的源代码级混合，所有的都被编译为CLI对象文件），本地分类（可以通过一个特定的打包类来保持CTS类型），和CTS分类（可以保持本地类型为指针）。

　　当然，C++/CLI开发人员也可以单独使用CLI类型来编程，并通过这种方式来提供伺服状态下的可校验代码，例如可以作为SQL Server2005的一个SQL存储过程。

　　现在，还是回到这个问题上来，什么是C++/CLI？它是进行.NET编程模式的最佳切入点。对于C++/CLI，有一个来自C++的迁移路径，它不仅包含C++的底层基础，而且也需要C++编程经验，对于这些，我感到非常满意。

　　学习C++/CLI的方法

　　在设计C++/CLI语言中涉及三个方面问题，这同样贯彻于所有的其他程序开发语言：一是语言级的语法向底层通用类型系统（简称CTS）的映射；二是向程序开发人员提供的CLI的底层细节结构的级别选择；三是超越CLI的直接支持，提供额外的功能性函数的选择。

　　第一条对于所有的CLI语言来说都大致相同，第二条和第三条对于不同的CLI语言来说是不同的，相互区别的。根据你需要解决什么样的问题，你将选择这种或那种语言，也有可能混合使用多种CLI语言。学习C++/CLI涉及到了解它在设计过程中的所有这些涉及方面。

　　从C++/CLI到CTS的映射？

　　使用C++/CLI编程时间了解底层的CTS非常重要。CTS包括以下三种常用类的类型：

　　1、多态引用类型，这正是对于所有继承类所要使用的。

　　2、非多态值类型，这用于实时高效的具体类型，例如数值类型。

　　3、抽象的接口类型，这用于定义一个操作集，也可以用于实现接口的引用或值类型集合。

　　这个设计方面的问题，即将CTS映射到语言内建的数据类型集合，通常同样贯穿于所有的CLI语言，虽然不同的CLI语言语法不同。所以，在C#中你可能这么写：

abstract class Shape { ... } // C#

　　来定义了一个Shape基类，从该类将导出几何对象，然而在C++/CLI你将这么写：

ref class Shape abstract { ... }; // C++/CLI

　　上述代码说明了底层的C++/CLI引用类型。这两种声明在内层代表的意思是一样的。相似地，在C#中你这么写：

struct Point2D { ... } // C#

　　来定义一个具体的Point2D 类，然而在C++/CLI中这么写：

value class Point2D { ... }; // C++/CLI

　　C++/CLI支持的类型集合代表了CTS与本地设备的综合，这决定了你的语法选择，例如：

class native {};
value class V {};
ref class R {};
interface class I {};

　　CTS也支持与本地列举类型稍微不同的列举类类型。当然，对于上述两者CTS是都支持的。例如：

enum native { fail, pass };
enum class CLIEnum : char { fail, pass};

　　相似地，CTS支持它本身的数组类型，并且它再一次将其与本地数组在行为上区分开来。同时，微软再次为这两种类型提供了支持。

int native[] = { 1,1,2,3,5,8 };
array^ managed = { 1,1,2,3,5,8 };

　　那种认为一种CLI语言比其他CLI语言在向底层的CTS映射中表现的更出色或更完美都是不确切的，相反，每种不同的CLI语言代表着对CTS底层对象模型的不同理解，在下一节你将更清楚地看到这一点。

　　CLI的细节

　　设计一个CLI语言时第二个必须要考虑的问题是将CLI的底层执行模式融入到语言的细节级别。这种语言用于解决什么问题？这种语言是否有必须的工具来解决这些问题？这种语言可能吸引什么样的程序开发人员？

　　例如，值类型存在于托管堆上，在很多情况下值类型可以看到它们自身的存在。

　　1、通过隐含的加箱操作，当一个值类型的实例被分配给一个对象或当一个虚拟的方法通过一个值类型来调用；

　　2、当这个值类型被当作应用引用类类型的成员时；

　　3、当这个值类型 被当作CLI数组成员时；

　　需要指出的是，这种情况下开发人员是否被允许操作值类型的地址是CLI语言设计时必须应该予以考虑的问题。

　　存在的问题

　　在垃圾收集器扫描紧缩状态下，位于托管堆上的任何对象非常可能面对重新定位问题。指向对象的指针可以实时跟踪并修改。开发人员不能自己手动跟踪，所以，如果你获许取得一个可能位于托管堆上的值类型的地址时，除了本地指针外，还需要有一个跟踪形态的指针。

　　销售商考虑的是什么？那就是需要简单和安全，在语言中直接提供跟踪一个对象或集合的指针使语言复杂化，没有这种支持，将减少复杂程度，可资利用的、潜在的程序开发人群可能会增加，此外，准许程序开发人员操作生命短暂的值类型，增加了错误产生的可能性，程序开发人员可能有意无意地对内存进行错误操作，不支持跟踪指针，一个潜在的更安全地实时环境产生了。

　　另一方面，效率和灵活性也是必须考虑的一个问题，每一次向同一个对象分配值类型时，一个全新的数值加箱操作发生了，准许存取加箱值类型允许在内存中进行更新，这可能在性能上产生了一个非常巨大的进步。没有跟踪形态的指针，你无法用指针算法重新声明一个CLI数组，这意味着CLI数组不能使用标准模板库进行重新声明，也不能使用一般的算法。准许操作加箱数值使设计具有更大地灵活性。

　　微软在C++/CLI中选择地址集合模式来处理托管堆上的值类型。

int ival = 1024;
int^ boxedi = ival;
array^ ia = gcnew array{1,1,2,3,5,8};
interior_ptr begin = &ia[0];

value struct smallInt { int m_ival; ... } si;
pin_ptr ppi = &si.m_ival;

　　典型地C++/CLI开发人员是一个复杂的系统程序员，承担着提供下层内部构造和有组织的应用程序的任务，而这些恰恰是未来商业发展的基础。C++/CLI开发人员必须兼顾可测量性和可执行性，所以必须在系统的高度级上来看待CLI下层结构。CLI细节水平反映了开发人员的脸色。

　　复杂性本身并不代表对质量的否定，人类比单细胞细菌复杂的多，这当然不是一件坏事，然而，当表达一个简单的概念变的复杂化后，这常常被认为是一件坏事。在C++/CLI中，CLI开发团队已经试着提供一种精巧的方法来表达方式一个复杂的事情。

　　额外增加的功能

　　第三个设计方面是特定功能性的语言层，它远远超过CLI所提供的直接支持，虽然这可能需要在语言层支持和CLI底层执行模式间建立一个映射。但在某些情况下，这恰恰是不可能的，因为语言无法调节CLI的行为。这种情况的例子就是在基类的构造及析构函数中定义虚函数。根据ISO-C++在这种情况下的语言学，需要用每一个基类的构造和虚构函数重新设置虚拟表，而这是不可能的，因为虚拟表句柄是实时管理的，而不是某一个语言来管理。

　　所以，这个设计方面是在完美性和可行性之间的妥协产物，C++/CLI提供的额外功能主要表现在三个方面：

　　1、获取资源的一种形式是对于引用类型的初始化，此外，提供一种自动化工具，用于占用较少资源、所谓的可确定性自动消亡的垃圾收集类型对象。

　　2、一种深度拷贝形式的语法与C++拷贝构造函数和拷贝分配操作符相一致，但其并不适用与值类型。

　　3、除了最初的一般性CLI机制外，还有对于CTS类型的C++模板直接支持。这些是我第一篇文章中讨论的主题。此外，还提供了针对CLI类型的可校验STL版本。

　　让我们来看一个简单的例子，一个确定性消亡问题。在垃圾搜集器重新声明一块与对象相关联的内存之前，一个相关的消亡方法，如果存在的话，将被调用。你可以认为这种方法是超级析构函数，因为它与对象的程序生命期无关。这就叫做终结。终结函数是否调用以及什么时间调用都没有明确规定，这就是垃圾收集器的非确定性终结。

　　在动态内存管理的情况下，非确定性终结工作非常好，当可用内存变的越来越少时，垃圾收集器介入并开始着手解决问题。然而，非决定性终结也有工作不好的时候，当一个对象维护一个重要资源，例如一个数据库连接、锁定某些类别、或者可能是本地的堆内存。在这种情况下，只要是不需要，应立即释放资源。目前CLI所支持的解决问题的方法是，对于一个类通过执行IDisposable接口提供的Dispose方法释放资源。这里的问题是执行Dispose方法需要一个清晰的声明，所以它也就不可能存在调用。

　　最基本的C++中的设计模式是上述的通过初始化来获取资源，这意味着类使用构造函数来获取资源，相反，类使用析构函数来释放资源。这些行为由类对象在生存期内自动管理。

　　下面是引用类释放资源时所做的顺序动作：

　　1、 首先使用析构函数来封装所有与释放类有关的资源时所必须的代码；

　　2、 析构函数自动调用后，结束类对象的生命期。

　　对于引用类型来说，CLI没有类析构函数的概念，所以析构函数不得不映射为在底层执行的其它代码。此时，在内部，编译器执行以下操作：

　　1、 类让其基类列表继承自IDisposable接口；

　　2、 析构函数转换成IDisposable的Dispose方法。

　　以上实现了目标的一半，一种实现析构造函数自动调用的方法仍然需要，对于引用类型，一种特殊的基于栈的符号得到支持，也就是说，一个对象的生命期与它的声明范围有关。在内部，编译器将符号转换为在托管堆上分配引用对象。随着作用域的终结，编译器插入一个Dispose方法-用户定义的析构函数。与对象有关的内存的收回在垃圾收集器的控制下得到执行。

　　C++/CLI并不是将C++拓展到一个托管的世界，更确切的说，它代表一个完全综合的范例，某种程度上就象当初将泛编程模式和多重继承综合进该语言一样。我认为C++/CLI开发小组做了一项非常卓有成效的工作。

　　小结

　　C++/CLI代表托管和本地编程的结合。在反复过程中，这种综合已经通过源级相对独立但又相互平等地组件和二进制元素得到了完成，包括混合模式（本地和CTS类型的源级混合，还有一个本地及CLI对象文件的二进制混合），纯模式（本地和CTS类型的源代码级混合，所有的都被编译为CLI对象文件），本地分类（可以通过一个特定的打包类来保持CTS类型），和CTS分类（可以保持本地类型为指针）。

　　当然，C++/CLI开发人员也可以单独使用CLI类型来编程，并通过这种方式来提供伺服状态下的可校验代码，例如可以作为SQL Server2005的一个SQL存储过程。

　　现在，还是回到这个问题上来，什么是C++/CLI？它是进行.NET编程模式的最佳切入点。对于C++/CLI，有一个来自C++的迁移路径，它不仅包含C++的底层基础，而且也需要C++编程经验，对于这些，我感到非常满意。