C++編程之禪：從理論到實踐（簡體書）

劉志宇，資深軟件工程師，專精於C/C 及Linux開發領域。憑借超過7年的嵌入式Linux C 開發經歷，他積累了深厚的C 編程實戰經驗。此外，他還撰寫了1000多篇軟件開發教程博客，分享其豐富的編程知識和技術見解。

《C 編程之禪：從理論到實踐》是一本深入探索C 語言設計哲學、核心技巧與高級應用的高級教程。《C 編程之禪：從理論到實踐》不僅系統地介紹了C 的設計目標和原則，還深入討論了其演進對編程技巧的影響，為讀者提供了跨環境支持與協作的實踐指南。
書中詳細闡述了構築C 基石的核心設計技巧，包括多範式編程的藝術與哲學、結構哲學、函數藝術、動態行為哲學、泛型力量以及資源管理藝術等，幫助讀者深化C 設計與編碼的藝術。
此外，《C 編程之禪：從理論到實踐》還深入探討了C 類型系統的奧秘，包括類型系統基礎、類型別名與轉換、類型特徵探究、類型推導深度解析以及高級類型技巧與模式等，使讀者能夠更好地理解和運用C 的類型系統。
在並發編程方面，《C 編程之禪：從理論到實踐》詳細介紹了C 內存模型與並發編程的核心概念，包括並發編程基礎、原子操作與同步機制、鎖的策略與優化技巧、並發設計模式、協程、事件驅動模型以及並發工具與技術等為讀者提供了全面的並發編程指導。
最後，《C 編程之禪：從理論到實踐》還探討了C 設計模式與架構策略，包括創建型設計模式、結構型設計模式、行為型設計模式以及架構設計的原則與實踐等，為構建穩健可靠的軟件提供了實用的建議。
總之，《C 編程之禪：從理論到實踐》是一本全面深入的C 編程指南，為讀者提供了全面而細致的技術景觀，能夠幫助讀者掌握C 這門強大的編程語言，並利用其功能來優化和創新編程實踐。相信，無論是初學者還是有經驗的開發者都能從中受益匪淺。

C 作為一門歷史悠久且功能強大的編程語言，長期以來一直處於軟件開發的前沿，廣泛應用於系統編程、遊戲開發以及實時性能計算等領域。然而，盡管C 具有廣闊的應用前景，許多人在學習這門語言的過程中因其複雜性而感到畏懼，或者盡管經過反復學習但仍難以編寫出優質的代碼。有些人雖然掌握了C 的基礎知識，但不知道如何進一步提升技能。本書的編寫初衷正是為了幫助這些讀者全面掌握C 這門語言，並為他們的進一步學習提供清晰的方向。
心理學家卡羅爾·德韋克在其研究中提出了成長心態的概念——擁有成長心態的人相信自己的能力可以通過努力和學習得到提升。這種心態對於學習C 這樣的複雜技術尤為重要，因為它使人們在面對編程中的挑戰和失敗時，將其視為成長和學習的機會，而非障礙。正如禪宗哲學中強調的“初心”，即始終保持學習初期的好奇和熱情。
在筆者的開發旅程中，發現初學者最害怕的不是編程本身，而是在面對浩瀚的知識海洋時感到自己的認知不足，難以全面解決問題。每當筆者發現一個新技術或解決方案時，總會欣喜若狂。這種發現的喜悅和隨之而來的成就感，是筆者渴望與讀者分享的源泉。技術是一片深不可測的海洋，每一次的深入學習都是對未知領域的探索和對自我能力的挑戰。在這個廣闊的知識領域中，我們都是探險者，渴望揭開更多的奧秘，追求技術的極致。
本書旨在填補市場上關於C 深度解析與設計哲學的空缺。我們將通過詳細討論C 的設計目標和原則，培養讀者的系統思維和架構設計能力，使他們能夠構建更加穩定、安全和高效的C 應用程序。特別是從C 20開始，引入了很多現代化的特性，對於那些在各自領域已有成就但可能不熟悉這些新特性的讀者來說，這既是挑戰也是機會。本書將包含這些特性的應用示例，幫助讀者從新視角解決問題，並保持對技術前沿的敏感性。希望通過這種方式，為C 開發者的成長之路提供指引和啟發，無論是初學者還是有經驗的專業人士。
在快速變化的技術世界中，理解一門編程語言的深層設計哲學是一種寶貴的能力。這種理解不僅能夠幫助開發者預測和適應未來的技術趨勢，也能在現有項目中做出更加明智的技術選擇。C 作為一門支持多範式的編程語言，它的複雜性和靈活性為我們提供了無限的可能性，但同時也帶來了不少挑戰。本書將為讀者提供全面而細致的技術景觀，幫助讀者掌握這門強大的語言，並利用其功能來優化和創新編程實踐。
為了確保本書的內容能夠被廣泛理解並被有效吸收，建議讀者在深入閱讀之前，具備一定的編程基礎知識。理想的基礎知識包括但不限於以下幾個方面：
（1）C語言基礎：具備C語言的基本知識是理解C 的重要前提。
?基本的編程結構：熟悉變量和數據類型、操作符（或運算符）、控制結構（如條件判斷和循環）、函數的使用以及數組和指針的基本操作。
?代碼組織：了解如何使用源代碼文件和頭文件組織程序，包括對頭文件的作用和重要性的理解。
（2）理解編程概念：理解編程的基本概念，知道如何通過編程語言解決問題、執行任務，以及如何將複雜的問題分解為可管理的部分。
（3）理解進程和線程的基本概念：
?進程：了解進程作為操作系統分配資源和調度的基本單位，每個進程都有自己獨立的內存空間。
?線程：理解線程作為進程中的一個執行流程，是CPU調度和執行的基本單位，以及一個進程可以包含多個線程，共享進程的資源。
（4）理解庫的基本概念：
?靜態庫：了解靜態庫在程序編譯時被鏈接到程序中，成為程序的一部分，通常具有“.lib”或“.a”的文件擴展名，以及它們的自包含特性。
?動態庫：了解動態庫在程序運行時被加載，通常具有“.dll”（在Windows系統中）或“.so”（在Unix-like系統中）的文件擴展名，以及它們允許多個程序共享同一份庫代碼的特性。
這些基礎知識將幫助讀者更好地理解C 的高級特性，並在實際開發中應用書中討論的設計哲學和高級編程技巧。
閱讀建議
本書旨在為不同背景的C 開發者提供寶貴的知識和見解。為了確保讀者能從本書中獲得最大的學習效益，特別制定了以下閱讀指南：
?第1章：強烈推薦所有讀者從第1章開始閱讀。這一章不僅揭示了C 的設計哲學和語言的演變，也為後續深入理解高級主題提供了堅實的基礎。它是啟動讀者的C 深度探索之旅的完美起點。
?第2、3章：這兩章系統地介紹了C 的基礎知識和核心技術。如果讀者是C 初學者，這些內容將為其學習打下堅實的基礎；如果讀者已有一定的C 經驗，這裡的復習和知識鞏固將幫助查漏補缺，確保技能無縫對接到更高級的主題。
?第4～8章：對於經驗豐富的開發者，本書涵蓋了一系列高級主題，如深入的設計模式、性能優化、並發編程等。這些內容將挑戰並擴展讀者的C 能力，助力讀者在技術領域達到新的高度。
期待本書成為讀者值得信賴的伙伴，無論是初識C 的新手還是求知若渴的資深開發者，都能在這裡找到啟發和得到成長。
源碼下載
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劉志宇
2024年6月

第 1 章 C 的藝術與科學：設計哲學概覽 1
1.1 導語：探索C 的設計哲學 1
1.2 C 的設計目標與原則 1
1.2.1 高性能與效率 1
1.2.2 資源管理 2
1.2.3 多範式支持 2
1.2.4 零開銷原則 3
1.2.5 應用設計原則於編程實踐 4
1.3 C 的演進對編程技巧與原則的影響 5
1.3.1 初始階段和標準化之路 6
1.3.2 主要版本和特性 6
1.3.3 設計技巧的演化 12
1.3.4 對未來的展望 13
1.4 C 標準與實踐：跨環境的支持與協作 14
1.4.1 語言核心與庫的融合：跨編譯器視角 15
1.4.2 編譯器的多樣性與選擇：適應多操作系統 16
1.4.3 開發環境的選擇與策略：優化開發體驗 19
1.5 小結 21
第 2 章 構築C 的基石：核心設計技巧與原則 22
2.1 導語：多範式編程的藝術與哲學 22
2.2 C 的結構哲學：封裝與類的精細設計 22
2.2.1 封裝的藝術：C 設計哲學的體現 22
2.2.2 封裝的三重境界：訪問控制、抽象和信息隱藏 23
2.2.3 實踐中的封裝：C 的實現策略 27
2.2.4 友元函數與友元類：特殊訪問權的考量 47
2.2.5 封裝在設計模式中的角色：加強類的設計 55
2.3 函數的藝術：效率、靈活性與表達力 55
2.3.1 基礎概念：函數的組成部分 56
2.3.2 參數傳遞深度解析：從基礎到高階 56
2.3.3 函數的行為調整：修飾符與作用域 66
2.3.4 屬性規範序列：現代C 的編譯指示 84
2.3.5 遞歸的魅力：自我調用的藝術 86
2.3.6 內建函數：語言的功臣 90
2.3.7 增強代碼表達力：操縱符與函數技巧 92
2.3.8 函數的可重入性：並發編程的基石 96
2.3.9 現代C 風格：Lambda表達式與函數物件 100
2.4 動態行為的哲學：繼承與多態 107
2.4.1 繼承：多樣性的建構基礎 108
2.4.2 多態：靈活性與接口的藝術 117
2.4.3 綜合案例：貫徹C 多態思維 134
2.4.4 小結：多態的藝術與實踐 139
2.5 泛型的力量：模板編程哲學 139
2.5.1 模板基礎：泛化編程的入門 139
2.5.2 模板的高級應用與技巧：掌握泛型編程的精髓 155
2.5.3 模板與設計：構築高效且可復用的代碼結構 165
2.6 管理資源的藝術：智能指針的解析 175
2.6.1 智能指針的設計與實現：自動化資源管理 176
2.6.2 智能指針的使用技巧：優化資源管理的策略 184
2.7 探索底層：C 的編譯與內存排列 191
2.7.1 深入理解C 編譯過程：從源代碼到可執行文件的轉換階段 191
2.7.2 編譯器的符號解析與綁定：C 代碼中的名稱和地址關聯機制 201
2.7.3 C 內存排列詳解：理解和操作內存區域 207
2.7.4 虛擬內存分段機制：管理和優化C 應用的內存空間 214
2.8 小結 221
第 3 章 精進C 技藝：提升設計與編碼技巧 223
3.1 導語：深化C 設計與編碼的藝術 223
3.2 理解C 的初始化機制 223
3.2.1 C語言中的初始化方式 223
3.2.2 C 中的初始化 226
3.2.3 特殊場景的初始化 230
3.2.4 代碼設計中的初始化策略 237
3.3 生命周期的管理與銷毀技巧 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 生命周期與資源管理 243
3.3.4 高級生命周期管理技術 245
3.4 異常處理：深入C 的安全機制 247
3.4.1 異常處理的重要性 247
3.4.2 異常處理基礎 248
3.4.3 異常的類型與層次 249
3.4.4 異常的捕獲規則 253
3.4.5 設計安全的異常處理代碼 255
3.4.6 拋出異常與返回錯誤碼 260
3.4.7 異常處理的高級技巧 261
3.4.8 深入底層：探索C 異常原理 263
3.4.9 探索C 23錯誤機制的新紀元 265
3.5 靈活處理可變參數 267
3.5.1 可變參數函數的基礎 267
3.5.2 使用可變參數模板增強靈活性 271
3.5.3 可變參數模板的進階技巧 275
3.5.4 可變參數模板類的實際應用 287
3.5.5 使用std::optional處理可選參數 289
3.5.6 使用std::variant實現類型安全的聯合體 290
3.5.7 使用std::any存儲任意類型的數據 292
3.5.8 如何選擇合適的技術來實現可變參數 294
3.6 C 中的可調用物件 296
3.6.1 函數指針與成員函數指針 296
3.6.2 函數物件與Lambda表達式 298
3.6.3 std::function和std::bind 299
3.6.4 綜合對比C 中的可調用物件 310
3.7 高級文件和數據流操作：掌握C 的I/O技術 311
3.7.1 現代文件處理：C 17文件系統庫 311
3.7.2 數據交換技術：緩衝與映射 313
3.7.3 文件定位與訪問：隨機訪問與流控制 316
3.7.4 處理文件編碼問題：確保C 應用的國際化與本地化 317
3.7.5 處理和存儲不同進制的數據：C 中的數制轉換技術 319
3.7.6 數據序列化與網絡傳輸 321
3.7.7 字節序在數據交換和網絡傳輸中的應用 323
3.8 自定義工具的實現 329
3.8.1 自定義迭代器 329
3.8.2 自定義哈希函數 334
3.8.3 自定義智能指針刪除器 337
3.8.4 表達式模板 338
第 4 章 類型精粹：深化C 類型系統的理解 344
4.1 導語：探索C 類型系統的奧秘 344
4.2 類型系統基礎 344
4.2.1 C 中的類型系統 344
4.2.2 類型的屬性 346
4.2.3 類型安全概述 349
4.3 類型別名與類型轉換 351
4.3.1 使用typedef和using 351
4.3.2 C/C 類型轉換 354
4.4 類型特徵探究：編譯時類型判斷的藝術 366
4.4.1 類型系統的深入探索 367
4.4.2 C 中的類型修飾符和類型轉換工具 369
4.4.3 C 類型特徵中的核心概念與實用技巧 373
4.4.4 實戰案例：利用類型特徵操作強枚舉類型 381
4.5 類型推導深度解析 384
4.5.1 使用auto關鍵字 384
4.5.2 使用decltype關鍵字 386
4.5.3 尾返回類型的應用 387
4.6 探索運行時類型信息 388
4.6.1 基礎RTTI工具 388
4.6.2 RTTI的應用與局限 390
4.6.3 類型消除的實現方式 391
4.6.4 自定義RTTI系統 394
4.7 高級類型技巧與模式 395
4.7.1 使用SFINAE原則 395
4.7.2 類型轉換與萃取技巧 397
4.7.3 編譯時斷言和檢查技術 398
第 5 章 並發的細語：掌握C 內存模型與並發編程 401
5.1 導語：探索並發編程的核心概念 401
5.2 並發編程基礎 401
5.2.1 C 並發技術 401
5.2.2 理解並發概念 402
5.2.3 C 內存模型概述 406
5.2.4 線程管理 407
5.3 原子操作與同步機制 415
5.3.1 原子操作基礎 415
5.3.2 內存順序與原子操作 417
5.3.3 同步原語 426
5.4 鎖的策略與優化技巧 438
5.4.1 鎖的類型與選擇 438
5.4.2 鎖的粒度與性能優化 443
5.5 並發設計模式 445
5.5.1 無鎖編程 445
5.5.2 並發設計模式 448
5.6 協程：C 中的現代並發編程 454
5.6.1 協程的基礎 454
5.6.2 協程與線程的對比 455
5.6.3 C 20中的協程 455
5.6.4 協程的生命周期管理 456
5.6.5 實例：使用協程處理異步任務 457
5.6.6 C 23中的協程增強 459
5.7 事件驅動模型 460
5.7.1 事件驅動模型的定義與特點 461
5.7.2 事件驅動模型的組成 461
5.7.3 事件驅動模型的實現探索 463
5.7.4 異步事件處理庫的探索：Boost.Asio和libevent 467
5.8 並發工具與技術 472
5.8.1 使用std::call_once實現線程安全的延遲初始化 472
5.8.2 線程局部存儲 473
5.8.3 並發工具與算法 474
5.8.4 並發框架的應用 476
5.9 線程池的設計 477
5.9.1 線程池的基本概念及其解決的問題 477
5.9.2 線程池的設計模式 477
5.9.3 線程池的基本設計思路 479
5.9.4 線程池的基本技能及其實現手段 480
5.9.5 線程池的擴展功能設計思路 485
第 6 章 設計哲學實踐：編程範式、原則與實際應用 494
6.1 導語：探索設計哲學與跨平臺策略 494
6.2 C 編程範式及其應用 494
6.2.1 範式概覽 494
6.2.2 選擇合適的編程範式 496
6.2.3 C 編程範式應用案例 497
6.2.4 探索CRTP：C 中的模板奇技 501
6.3 設計原則與解耦策略 503
6.3.1 單一職責原則 505
6.3.2 開閉原則 507
6.3.3 裡氏替換原則 510
6.3.4 接口隔離原則 513
6.3.5 依賴倒置原則 516
6.3.6 DRY、KISS、YAGNI原則：提高代碼質量的金科玉律 519
6.3.7 PIMPL模式：封裝實現細節以減少編譯依賴 521
6.3.8 依賴注入：提高模塊解耦性的策略 524
6.3.9 設計原則與解耦策略小結 528
6.4 跨平臺復用設計 529
6.4.1 設計跨平臺接口 529
6.4.2 使用預處理器支持多平臺 530
6.4.3 抽象化硬件依賴 535
6.4.4 依賴管理和模塊化 544
6.4.5 泛型編程與代碼復用 545
6.5 編程規範與代碼維護 546
6.5.1 制定編程規範 546
6.5.2 代碼審查的實施 551
6.5.3 自動化測試的角色 552
6.5.4 版本控制最佳實踐 553
6.5.5 持續集成與持續部署 554
第 7 章 架構之道：C 設計模式與架構策略 556
7.1 導語：鋪墊設計的哲學之路 556
7.2 創建型設計模式：塑造物件的藝術 557
7.2.1 單例模式：獨一無二的存在 557
7.2.2 工廠方法模式：定制的工廠線 562
7.2.3 抽象工廠模式：構建物件的生態系統 564
7.2.4 建造者模式：精細構造的藝術 570
7.2.5 原型模式：復制的力量 572
7.2.6 小結：創造性模式的合奏 574
7.3 結構型設計模式：編織代碼的架構網 576
7.3.1 結構型設計模式：優化組合與系統靈活性 576
7.3.2 界面與實現分離：橋接和適配器的協同舞蹈 576
7.3.3 物件組合：裝配藝術中的組合與裝飾 585
7.3.4 簡化接口和共享物件：外觀與享元的雙重奏 592
7.3.5 代理模式：智能控制與資源管理的守門人 601
7.3.6 小結：結構型設計模式的協同與實效 607
7.4 行為型設計模式：激活物件的行為劇本 608
7.4.1 響應變化：觀察者模式在事件驅動系統中的應用 609
7.4.2 解耦請求與處理：責任鏈模式在複雜業務流程中的運用 625
7.4.3 封裝與交換：掌握命令和策略模式的獨特運用 630
7.4.4 跟蹤與回滾：備忘錄模式在狀態管理中的應用 639
7.4.5 行為的動態變化：模板方法與狀態模式的精確應用 643
7.4.6 結構訪問與操作：訪問者模式的策略與實踐 651
7.4.7 語言的規則與解釋：解釋器模式的核心原理 656
7.4.8 協調複雜交互：中介者模式在系統設計中的應用 661
7.4.9 遍歷與控制：迭代器模式在集合操作中的精妙運用 665
7.4.10 小結：行為型模式的編織 669
7.5 架構設計的原則與實踐：構建穩健可靠的軟件之道 670
7.5.1 組件化架構：模塊化的C 實踐 671
7.5.2 事件驅動架構：響應式C 程序設計 682
7.5.3 微服務架構：分布式C 服務的優化策略 686
7.5.4 層次架構：C 中的分層邏輯設計 692
7.5.5 管道與過濾器架構：流式處理在C 中的應用 701
7.5.6 綜合探索與實踐指南：C 中的架構策略 704
第 8 章 性能的追求：優化C 應用的藝術與技術 720
8.1 導語：探索性能優化的哲學之旅 720
8.2 掌握性能分析工具 720
8.2.1 編譯器優化參數 720
8.2.2 性能分析方法 727
8.2.3 熱點代碼分析 731
8.2.4 性能分析工具綜合應用總結 732
8.3 代碼優化：提升性能的核心技術 733
8.3.1 算法與數據結構的選擇 733
8.3.2 循環與邏輯的優化 736
8.3.3 數據訪問的性能考量：值拷貝、引用和移動語義 741
8.3.4 特殊類型的數據訪問優化 743
8.3.5 就地構造與內存管理 747
8.3.6 CPU緩存效率優化 750
8.3.7 智能指針的合理使用 754
8.3.8 返回值優化：RVO與NRVO 755
8.3.9 並發與並行的優化 756
8.4 編譯器優化：深入編譯器的性能調節 758
8.4.1 編譯器優化概述 758
8.4.2 優化的影響因素 759
8.4.3 編譯器優化技術詳解 759
8.4.4 輔助編譯器優化 761
8.5 系統與環境優化：操作系統和硬件的性能調整 762
8.5.1 操作系統調優 762
8.5.2 硬件親和性 763
8.5.3 I/O性能優化 763
8.5.4 虛擬化與容器優化 764
8.5.5 環境監控與自動調整 765
8.5.6 Windows環境下的性能優化策略 766
8.6 總結：C 性能優化的策略與實踐 767