C++与C语言细节差异分析

C和C++是很流行的语言，目前大学程序设计基础课大部分用的是C或者C++，但是由于种种原因，使用者对这两种语言的了解不够，本文指出，C++虽然是从C发展过来的，但是除了一些明显的不同，他们存在着细节上的差异。本文通过简要分析这些差异来说明这个观点。 C++是从“带类的C”发展过来的。在此基础上发展成为面向对象的语言，这个可以说是C++与C最大的差别。面向对象的讨论是一个很大的话题，涉及面向对象的讨论将使问题复杂化，也超出了本文的范围，在后面的介绍中，涉及面向对象的东西将尽量避开。 C++的“点心” 一、注释                 C++的注释允许采取两种形式。第一种是传统C采用的/*和*/，另一种新采用的则是//。同时允许这两种注释风格，程序员可以选用他们所喜欢的形式。大部分的程序员，包括C++的设计者更喜欢//的注释风格。在小段代码的注释，//显然比/* */方便很多。然而，在注释掉很大段代码的时候，/* */就要比//方便了。                 设计者认为，这种注释只是C++增加的一个次要的功能。                 增加//的注释风格，会导致一些C与C++的不兼容，例如：                 x = a //* divide */ b                在C中表示x = a / b，在C++中表示x = a。这个例子被大部分程序员认为没有什么实际价值。但它的确表现了由//引起的一些不兼容。 二、布尔类型与逻辑运算 在C中没有布尔类型，一般布尔值就用整型代替，C++增加了布尔类型bool，同时也增加常量true和false。实际上，逻辑类型的变量在程序设计中是一个无法避免的东西，而C的程序员也经常通过整型用各种方法“造出”“布尔”类型。于是，C++索性就增加了bool数据类型。 而在一些人用的键盘上，没有如&,|,^等键，于是，C++增加了一些关键字，见表1： 关键字 含义 and     &&（逻辑与） or    ||（逻辑或） not !（逻辑非） not_eq !=（逻辑不等于） bitand &（按位与） and_eq &=（按位与赋值） bitor |（按位或） or_eq |=（按位或赋值） xor ^（按位异或） xor_eq ^=（按位异或赋值） compl ~（按位非） 表1 三、引用（Reference）的出现与函数调用                 引用的出现主要是为了支持运算符的重载。不过他在函数调用方面也有不小的好处。通常，在C中，想要改变参数的值可以通过传递指针来实现，现在，有了引用，这样的做法显得很方便。比如：                 int f(int &x)                 {              return ++x;                 }                 f(y);                 上面，当f(y);执行完，y的值增加了1，在C中，我们会这么做：                 int f(int *x)                 {              return ++(*x);                 }                 这只是一个很小的例子，但是，用引用的函数“干净”很多。在不涉及面向对象编程的时候，我更喜欢把引用当作C++给我们的“点心”。 四、C++定义块的消除                 C规定，变量的声明块必须在语句执行块的前面。但是C++的作者认为，这样会降低程序的可读性，于是，C++的声明和执行语句可以混合起来。比较典型的例子是：                 for (int i = 0; …;…)…[2]                      这样，变量i在这层for循环结束后就结束后就被释放，不会与前面或者后面用到的某个变量i混淆起来。 五、强制转换                 C提供了一种类型的强制转换，形如(type)的方法，C++中保留了C的强制转换的方法，对于相同功能的强制转换，C++还增加了一种很像函数调用的强制转换的方法，例如可以这样写：                 int x;                 long y;                 x = (int)y;                 在C++中，也可以写成： x = int(y); 或许，强制转换可以体现C的灵活性，但是，它也是一种很不安全的做法。C++增加了与强制转换有关的四个关键字，如表2： static_cast “行为良好的”和“行为合理的”强制转换，包括可能不需要的强制转换（比如自动类型转换的） const_cast 转换掉const和/或volatile reinterpret_cast 转换成完全不同的含义，关键是你需要转换回去并且安全地使用。转换成的类型一般是你想要耍点小把戏或者其他神秘的目的。这是最危险的强制转换 dynamic_cast 安全类型向下转换（与类有关） 表2                 C++的转换在类上有很多应用，比如，dynamic_cast是主要应用于类的转换（本文不讨论）。而其他三种转换，不涉及类时，与C对应转换含义上没有多少区别，但是，由于用了这样的关键字，所以，C++程序员很容易在程序里找到相应的转换，并且清楚是怎么转换的。 六、struct含义的变化 对struct来说，struct在C++中已经变成了class，只不过，struct默认成员是公用的（public），而class默认成员是私用的（private）。于是，struct在C和C++中的含义也不同了。比如： struct {              int x, y;              int fun(int); };                 这个定义在C中是不合法的，而在C++中是合法的。                 之所以把它称之为“点心”，是因为即使在面向过程的编程中，也可以利用一点点类的方法来使编程方便一些。有兴趣的读者可以用类写一些递归（如线段树的构造）程序。                 在用struct定义变量的时候，C与C++也有一点区别，在C中，定义变量时struct是不能省略的，但是C++中是可以省略struct的（包括class也能省略）。比如：                 struct str_test                 {              //definition                 };                 str_test b;                 在C++中，是允许的，但是在ANSI C中不允许这样做。 C++对C的不向下兼容 C++：尽可能地与C靠近，但又不过分地近——《C++语言的设计和演化》 一、C++字符常量的出现 在字符的处理上，C和C++也是有不同的。在C中没有字符常量，而在C++中有字符常量，可以用这样的代码来验证： printf(“%d/n”, sizeof(‘x’)); 用C编译，输出的结果是sizeof(int)的值，而用C++编译，输出的是1。 二、C++对enum严格的类型检查 C++的类型检查要比C严格很多，这点在下文还会有体现。我们先以数据类型enum为例，在C中，enum类型会直接转化成为int，实际上，在C++中也是，但是，为了保证运算时类型的对应，C++禁止了一些操作，比如： enum {a, b, c, d, e, f, g, h, i} x; x = a;                 x++; 在C中是允许的，但是在C++中是不允许的。因为增加运算需要两次类型转换，在C++中，一次是合法的，另外一次是不合法的。 把enum类型与int区分开来，这在实现函数重载上也会有很大的好处（下文会讲到重载）。 三、C++对指针运算的一些限制 在指针方面，可以体现C++对类型的严格要求，C++中void*不能直接被赋值给某个指针，而需要强制转换。如： int *p; void *a; p = a; 在C中是可以编译通过的，在C++编译器处理的时候会出现编译错误。另外，C++中void *类型是不能进行指针算术运算的。比如上例中，表达式： a + 1; 在C++中是不合法的，而在C中是合法的，与 (void *)((int)a + 1); 等价。 C++种禁止的另外一项是指针的减法，而在C中，指针的减法是被允许的。例如： int a, b; 在C中，&b - &a的值为((int)&b – (int)&a) / sizeof(int)，在C++中，这是不允许的。 四、函数使用的一些不兼容                 在函数的一些规则细节方面，C++与C是有些不同的。通常，我们这样定义函数：                 type function_name (parameter list) { declarations statements}                      这种方法不管在C或者C++中都适用。但是C语言有一些是可以省略的，比如，type，默认为int，但是C++中不可以省略。另外，parameter list可以不指定变量的数据类型，而在parameter list与declarations之间定义参数的数据类型，例如：                 f(x) int x;{…}                 这在C中是允许的，但是，C++里会出现这样的编译错误： `x' was not declared in this scope ISO C++ forbids declaration of `f1' with no type syntax error before `int'                 另外一个数据类型规则上的不同是，对于没有parameter list的为空的解释，C认为，这样的parameter list表示，这个函数可以有任意多个任意类型的参数。但是C++则认为，这样的parameter list表示，这个函数没有任何参数。当然，C++的这种解释，C可以把parameter list定为void。                 还有一点不同的是，虽然函数定义了返回类型（即type），但是在C中，函数可以不返回任何类型。比如：                 int f(int x)                 {              return ;                 }                 在C中是允许的，但是，C++编译的时候会说：                 return-statement with no value, in function declared with a non-void return type                 简单地说，在数据类型这方面，C++要比C严格很多，而这种严格（特别是参数的一些方面），保证了函数重载可以出现在C++中（下文将提到）。                 除了数据类型，函数方面，C++还有一些比C严格的地方。在C中函数可以没有声明而直接调用，但是C++保证，调用函数之前必须声明函数。即C很相信程序员，但是C++却不。                 比如这样：                 int main()                 {              f();              return 0;                 }                 这样的程序在C中是不会出现编译错误的，只不过，如果这个函数在连接的库中没有定义，连接的时候会说：                 undefined symbol _f in module ……[3]                 但是，在C++中，编译器会说：                 'f' undeclared (first use this function)                 关于函数，C++提供了两个功能，重载与默认参数，下文会提到。 C功能的C++新方法 一、#define与const #define是C和C++的预处理指令，在C中，用#define可以用来定义常量，由此增加程序的可读性，降低维护的成本。 但是const的出现，使得#define定义常量变得不受欢迎。因为#define只是做简单的文本替换，从定义的那刻起，一直到程序的末尾或者有指令#undef停止#define继续文本替换。但是const具有清晰的作用域的概念，因此使用const定义常量被认为是更好的方法。 例如： #define b 10 int f() {                 int b; } 会出现这样的编译错误： parse error before numeric constant 对于初学者来说，可能对这个编译错误莫名奇妙。因此，尤其是在C++编程中，用const被认为一种好的编程习惯。 不过，对于关键字const的处理方法，C与C++也是不同的，C中const的作用域默认是全局的，而C++中const的作用域默认是内部的。如果要在C++中使const的作用域是全局，那么可以用extern来声明。另外，在C中，const是有存储空间的，但是C++中，一个const有没有存储空间取决于这个const怎么用，如果没有必要，就不会给这个const开辟空间，比如仅仅需要用某个值来代替这个变量名（和C的#define很像）。                 但是，一个变量被声明为const，并不是说这个变量的值不能被改变，而只是，编译器尽可能不让程序员改变变量的值。但是，由于C的类型检查非常宽松[4]，所以，改变一个const的值是很容易的。如下的程序： const int a = 10; int *p = &a; (*p)++; 在C中，这样就把a的值改变了，虽然这样做是危险的。但是用C++编译这个程序的时候，会出现这样的编译错误： invalid conversion from `const int*' to `int*'                 另外的一些不同是，C中，const可以不赋初值，但是C++中const一定要被初始化。如                 const int a;                 在C中是被允许的，但是在C++中是不允许的。而且，C中的const可以不指定类型，默认为int，而C++在定义或者声明const的时候，必须制定变量的类型。 二、#define与inline[5]                 在C中，利用#define增加程序可读性的另外一个应用是用#define来“定义函数”，例如：                 #define f(x) (x) * (x)                 在以后的程序中，如果可以这样“调用”：                 y = f(3);                 它的好处是，碰到比较复杂的表达式，写程序的时候方便，读的时候也方便；另外一方面，由于这里只是作文本替换，而不是另外一个函数来实现，所以，速度比用函数快。                 但是，有几点是需要小心的，首先，由于#define只是作文本替换，所以写这样的“函数”的时候要格外小心，如上例，如果写成：                 #define f(x) x * x                 那么如果这样“调用”：                      y = f(2 + 1);                      那么就变成了 y = 2 + 1 * 2 + 1; 并不是想要的 y = (2 + 1) * (2 + 1); 另外一个更加限制#define定义函数的使用的是，这样的文本替换，如果“参数”本身是一个表达式，那么，这个表达式所产生的作用很可能是无法预料的，比如，对上例 #define f(x) (x) * (x) 如果程序员这样调用： y = f(++x); 就变成了： y = (++x) * (++x); 一般程序员都只想让x加1，但是调用完f(x)之后，x的值增加了2。 在C中，这两个问题是很严重的，因为这样的错误很难查出来。在C++中，inline函数的出现很好得解决了这些问题。 inline在C++中出现的必要性并不是因为以上所说的原因，而是因为类的使用的需要。然而，由于涉及面向对象，本文并不讨论inline在类上的应用。本文讨论的是，inline函数的出现将很好得解决。 inline函数和普通的函数差不多。区别是，普通的函数通过调用来实现函数的功能，而inline函数直接把函数的代码编译，嵌入使用的地方。inline函数的定义与#define一样简单，只要在定义在使用之前。例如： inline int f(int x) {                 return ++x; } 值得注意的是，inline函数的声明对inline与否并没有作用。另外，代码是否被嵌入使用的地方（即inline与否），也并不是完全取决于inline关键字，由于某些函数是不可能做到inline的（比如，递归调用的函数），因此，inline关键字只是告诉编译器，如果可能的话，inline吧。 inline函数的优点在于，执行速度比普通的函数快，没有#define“定义函数”带来的烦恼。它的缺点是会加大编译后的目标文件，所以inline函数也是不能不加节制地使用的。 二、函数重载，运算符重载和默认参数                 重载是否要加入到C++中，设计者犹豫了一下。实现（语言设计）困难、教学困难、代码阅读困难和执行效率会低是主要原因，后来，在证明了没有这些不利因素之后，他把重载加入了C++中。                 函数重载可以让程序员使用名字相同的函数，然后实现类似的功能，比如，要计算一个数（整型和实型）的平方，C++中可以这样写：                 int sqr(int x)                 {              return x * x;                 }                 double sqr(double x)                 {              return x * x;                 }                 在C中，如果要实现这样的功能，则需要两个不同的函数名字，调用的时候写需要注意，是以什么数据类型作为参数，从而调用不同的函数。[6]                 重载的另一方面是运算符的重载，但实际上，运算符的重载是用函数来实现的，运算符的重载使得程序阅读起来很方便。因此有人把运算符的重载称为“语法点心”。但是，为了避免不必要的麻烦，C++对运算符的重载加了很大的限制，比如，只能对已经存在的运算符进行重载，另外，重载运算符不能违反该运算符原来的含义。                 函数重载的功能有时候可以用另外的一种方法来实现，即默认参数。[7]比如这样的例子：                 int f(int x)                 {              return x;                 }                 int f(int x, int y)                 {              return x * y;                 }                 那么，有了默认参数，我们可以这样做：                 int f(int x, int y = 1)                 {              return x * y;                 }                 这样可以只写一个函数，效果是相同的。调用的时候，可以有一个参数，也可以有两个。                 默认参数也有严格的规定，有默认值的参数只能放在参数表的最后。                 支持重载是好事吗？Java并没有引入重载。有这样的一种观点：重载是危险的。因为这样会使程序员不知道自己调用的是什么函数，特别是C++中含有的自动类型转换，这样使编程变得需要很小心翼翼。 三、C++的iostream与C的stdio                 iostream和stdio的差异实际上并不小，也涉及到C和C++的库，但是由于它们太常用了，因此这里提一下。                 C的stdio通过让程序员对文件指针的操作（stdin和stdout可以认为是特殊的指针），一个个函数来实现对文件的操作和数据的输入输出。                 stdio似乎已经足够了，因为它很高效。而且，也是比较方便的。但是C++设计者认为，它不够类型安全。因此设计了类型安全且高效的iostream，一部分原因是因为它是用类做的，至少有constructors和destructors保证一些操作（比如，不必担心忘了把文件关掉，constructor和destructors是面向对象的内容，本文不讨论）。                 不过，我们可以这样认为，大部分时候，iostream不只是类型安全，而且，很方便，比如，我们要输入变量x的值。在c中我们需要知道他的数据类型，至少要知道，以什么样的数据类型输出，比如，我们要输出整数x，用stdio，这样写：                 printf(“%d”, x);                      但是，用iostream，连x的类型都不需要管，这样写就可以了：                      cout << x;                      这是个简单的例子，但是已经看出来iostream这种情况下的方便了。                 另外一个问题是，iostream真的高效吗、足够高效吗？答案是，它很高效，但是与stdio比起来，它是低效的，在大规模的数据输入输出的时候，这种差距就显示出来了。 C语言，还是C++语言？ using namespace std开始说起                 现在的程序设计基础的教学，用什么语言呢？刚开始的时候，教员会告诉学生，在写程序之前，写上这样的两句：                 #include                 using namespace std;                 在刚开始的时候，似乎不需要去理解这是为什么，但这也就是C++增加的内容——名字空间（namespace），这是C语言没有的。                 名字空间的由来是因为大型程序设计中，名字（变量、函数等）会很多，一不小心就会引起混乱、冲突。于是要寻求一种解决方案，如果让程序员来刻意注意这个问题，就增加了编程成本，也不方便。于是由C++语言本身来解决这个问题，于是出现了名字空间。让程序员可以把名字放在不同的名字空间里，方便引用，也避免冲突。using namespace std;就是指能在当前的程序中可以直接用名字空间std里面的名字；否则，可以通过std::name的方法使用std里面的名字，std是很多C++系统的库的提供的一个名字空间，包含了一些常用的名字。                 程序设计基础课程一般不会在乎所用的语言，于是索性将C与C++混淆，实际上，一般程序设计基础课程用的是C++的编译器，但是教的都是面向过程的内容，换句话说没，用的大部分是C++的C真子集。 小结                 通过上面的比较，我们可以看出，C++不仅仅是由C发展而来的面向对象程序设计语言，C并不是C++的真子集。另外，C++对C所做的改动也都是有原因的。从事物发展的角度看，C++并不完美（比如强制转换），但是可以从这个角度看出程序设计语言发展的一些规律：在进步，但难以做到完美。 参考文献 Al Kelley & Ira Pohl. A book on C: Programming in C (Forth Edition). 机械工业出版社 2004 Bruce Eckel. Thinking in C++ (Second Edition) 机械工业出版社2002 Scott Meyers. Effective C++ HTML版 Bjarne Stroustrup 著， 裘宗燕 译《C++程序设计语言》 机械工业出版社 2002 Bjarne Stroustrup 著， 裘宗燕 译《C++语言的设计和演化》机械工业出版社 2002