C++編程之禪：從理論到實踐

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  多范式支持 2
1.2.4  零開銷原則 3
1.2.5  應用設計原則于編程實踐 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(huán)境的支持與協(xié)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(tǒng) 16
1.4.3  開發(fā)環(huán)境的選擇與策略：優(yōu)化開發(fā)體驗 19
1.5  小結(jié) 21
第 2 章  構(gòu)筑C 的基石：核心設計技巧與原則 22
2.1  導語：多范式編程的藝術與哲學 22
2.2  C 的結(jié)構(gòu)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(xiàn) 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(xiàn)策略 27
2.2.4  友元函數(shù)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(shù)的藝術：效率、靈活性與表達力 55
2.3.1  基礎概念：函數(shù)的組成部分 56
2.3.2  參數(shù)傳遞深度解析：從基礎到高階 56
2.3.3  函數(shù)的行為調(diào)整：修飾符與作用域 66
2.3.4  屬性規(guī)范序列：現(xiàn)代C 的編譯指示 84
2.3.5  遞歸的魅力：自我調(diào)用的藝術 86
2.3.6  內(nèi)建函數(shù)：語言的功臣 90
2.3.7  增強代碼表達力：操縱符與函數(shù)技巧 92
2.3.8  函數(shù)的可重入性：并發(fā)編程的基石 96
2.3.9  現(xiàn)代C 風格：Lambda表達式與函數(shù)對象 100
2.4  動態(tài)行為的哲學：繼承與多態(tài) 107
2.4.1  繼承：多樣性的建構(gòu)基礎 108
2.4.2  多態(tài)：靈活性與接口的藝術 117
2.4.3  綜合案例：貫徹C 多態(tài)思維 134
2.4.4  小結(jié)：多態(tài)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(gòu)筑高效且可復用的代碼結(jié)構(gòu) 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(xiàn)：自動化資源管理 176
2.6.2  智能指針的使用技巧：優(yōu)化資源管理的策略 184
2.7  探索底層：C 的編譯與內(nèi)存排列 191
2.7.1  深入理解C 編譯過程：從源代碼到可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)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(lián)機制 201
2.7.3  C 內(nèi)存排列詳解：理解和操作內(nèi)存區(qū)域 207
2.7.4  虛擬內(nèi)存分段機制：管理和優(yōu)化C 應用的內(nèi)存空間 214
2.8  小結(jié) 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(guī)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(shù) 267
3.5.1  可變參數(shù)函數(shù)的基礎 267
3.5.2  使用可變參數(shù)模板增強靈活性 271
3.5.3  可變參數(shù)模板的進階技巧 275
3.5.4  可變參數(shù)模板類的實際應用 287
3.5.5  使用std::optional處理可選參數(shù) 289
3.5.6  使用std::variant實現(xiàn)類型安全的聯(lián)合體 290
3.5.7  使用std::any存儲任意類型的數(shù)據(jù) 292
3.5.8  如何選擇合適的技術來實現(xiàn)可變參數(shù) 294
3.6  C 中的可調(diào)用對象 296
3.6.1  函數(shù)指針與成員函數(shù)指針 296
3.6.2  函數(shù)對象與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(diào)用對象 310
3.7  高級文件和數(shù)據(jù)流操作：掌握C 的I/O技術 311
3.7.1  現(xiàn)代文件處理：C 17文件系統(tǒng)庫 311
3.7.2  數(shù)據(jù)交換技術：緩沖與映射 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(shù)據(jù)：C 中的數(shù)制轉(zhuǎn)換技術 319
3.7.6  數(shù)據(jù)序列化與網(wǎng)絡傳輸 321
3.7.7  字節(jié)序在數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡傳輸中的應用 323
3.8  自定義工具的實現(xiàn) 329
3.8.1  自定義迭代器 329
3.8.2  自定義哈希函數(shù) 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(tǒng)的理解 344
4.1  導語：探索C 類型系統(tǒng)的奧秘 344
4.2  類型系統(tǒng)基礎 344
4.2.1  C 中的類型系統(tǒng) 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(zhuǎn)換 351
4.3.1  使用typedef和using 351
4.3.2  C/C 類型轉(zhuǎn)換 354
4.4  類型特征探究：編譯時類型判斷的藝術 366
4.4.1  類型系統(tǒng)的深入探索 367
4.4.2  C 中的類型修飾符和類型轉(zhuǎn)換工具 369
4.4.3  C 類型特征中的核心概念與實用技巧 373
4.4.4  實戰(zhàn)案例：利用類型特征操作強枚舉類型 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(xiàn)方式 391
4.6.4  自定義RTTI系統(tǒng) 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(zhuǎn)換與萃取技巧 397
4.7.3  編譯時斷言和檢查技術 398
第 5 章  并發(fā)的細語：掌握C 內(nèi)存模型與并發(fā)編程 401
5.1  導語：探索并發(fā)編程的核心概念 401
5.2  并發(fā)編程基礎 401
5.2.1  C 并發(fā)技術 401
5.2.2  理解并發(fā)概念 402
5.2.3  C 內(nèi)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(nèi)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(yōu)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(yōu)化 443
5.5  并發(fā)設計模式 445
5.5.1  無鎖編程 445
5.5.2  并發(fā)設計模式 448
5.6  協(xié)程：C 中的現(xiàn)代并發(fā)編程 454
5.6.1  協(xié)程的基礎 454
5.6.2  協(xié)程與線程的對比 455
5.6.3  C 20中的協(xié)程 455
5.6.4  協(xié)程的生命周期管理 456
5.6.5  實例：使用協(xié)程處理異步任務 457
5.6.6  C 23中的協(xié)程增強 459
5.7  事件驅(qū)動模型 460
5.7.1  事件驅(qū)動模型的定義與特點 461
5.7.2  事件驅(qū)動模型的組成 461
5.7.3  事件驅(qū)動模型的實現(xiàn)探索 463
5.7.4  異步事件處理庫的探索：Boost.Asio和libevent 467
5.8  并發(fā)工具與技術 472
5.8.1  使用std::call_once實現(xiàn)線程安全的延遲初始化 472
5.8.2  線程局部存儲 473
5.8.3  并發(fā)工具與算法 474
5.8.4  并發(fā)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(xiàn)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：編程范式、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 編程范式及其應用 494
6.2.1  范式概覽 494
6.2.2  選擇合適的編程范式 496
6.2.3  C 編程范式應用案例 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  里氏替換原則 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(zhì)量的金科玉律 519
6.3.7  PIMPL模式：封裝實現(xiàn)細節(jié)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(jié) 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(guī)范與代碼維護 546
6.5.1  制定編程規(guī)范 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(xù)集成與持續(xù)部署 554
第 7 章  架構(gòu)之道：C 設計模式與架構(gòu)策略 556
7.1  導語：鋪墊設計的哲學之路 556
7.2  創(chuàng)建型設計模式：塑造對象的藝術 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(gòu)建對象的生態(tài)系統(tǒng) 564
7.2.4  建造者模式：精細構(gòu)造的藝術 570
7.2.5  原型模式：復制的力量 572
7.2.6  小結(jié)：創(chuàng)造性模式的合奏 574
7.3  結(jié)構(gòu)型設計模式：編織代碼的架構(gòu)網(wǎng) 576
7.3.1  結(jié)構(gòu)型設計模式：優(yōu)化組合與系統(tǒng)靈活性 576
7.3.2  界面與實現(xiàn)分離：橋接和適配器的協(xié)同舞蹈 576
7.3.3  對象組合：裝配藝術中的組合與裝飾 585
7.3.4  簡化接口和共享對象：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(jié)：結(jié)構(gòu)型設計模式的協(xié)同與實效 607
7.4  行為型設計模式：激活對象的行為劇本 608
7.4.1  響應變化：觀察者模式在事件驅(qū)動系統(tǒng)中的應用 609
7.4.2  解耦請求與處理：責任鏈模式在復雜業(yè)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(tài)管理中的應用 639
7.4.5  行為的動態(tài)變化：模板方法與狀態(tài)模式的精確應用 643
7.4.6  結(jié)構(gòu)訪問與操作：訪問者模式的策略與實踐 651
7.4.7  語言的規(guī)則與解釋：解釋器模式的核心原理 656
7.4.8  協(xié)調(diào)復雜交互：中介者模式在系統(tǒng)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(jié)：行為型模式的編織 669
7.5  架構(gòu)設計的原則與實踐：構(gòu)建穩(wěn)健可靠的軟件之道 670
7.5.1  組件化架構(gòu)：模塊化的C 實踐 671
7.5.2  事件驅(qū)動架構(gòu)：響應式C 程序設計 682
7.5.3  微服務架構(gòu)：分布式C 服務的優(yōu)化策略 686
7.5.4  層次架構(gòu)：C 中的分層邏輯設計 692
7.5.5  管道與過濾器架構(gòu)：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(gòu)策略 704
第 8 章  性能的追求：優(yōu)化C 應用的藝術與技術 720
8.1  導語：探索性能優(yōu)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(yōu)化參數(shù) 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(jié) 732
8.3  代碼優(yōu)化：提升性能的核心技術 733
8.3.1  算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇 733
8.3.2  循環(huán)與邏輯的優(yōu)化 736
8.3.3  數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)訪問優(yōu)化 743
8.3.5  就地構(gòu)造與內(nèi)存管理 747
8.3.6  CPU緩存效率優(yōu)化 750
8.3.7  智能指針的合理使用 754
8.3.8  返回值優(yōu)化：RVO與NRVO 755
8.3.9  并發(fā)與并行的優(yōu)化 756
8.4  編譯器優(yōu)化：深入編譯器的性能調(diào)節(jié) 758
8.4.1  編譯器優(yōu)化概述 758
8.4.2  優(yōu)化的影響因素 759
8.4.3  編譯器優(yōu)化技術詳解 759
8.4.4  輔助編譯器優(yōu)化 761
8.5  系統(tǒng)與環(huán)境優(yōu)化：操作系統(tǒng)和硬件的性能調(diào)整 762
8.5.1  操作系統(tǒng)調(diào)優(yōu) 762
8.5.2  硬件親和性 763
8.5.3  I/O性能優(yōu)化 763
8.5.4  虛擬化與容器優(yōu)化 764
8.5.5  環(huán)境監(jiān)控與自動調(diào)整 765
8.5.6  Windows環(huán)境下的性能優(yōu)化策略 766
8.6  總結(jié)：C 性能優(yōu)化的策略與實踐 767