情有獨鐘C++：Visual C++ .NET編譯器的新特性

廣州市天河村迎福七巷9號 王凌峰

本文假定您已熟悉 C++ 。

摘要

老資格的 C++ 程序員們都想知道：他們賴以生存的 C++ 語言在 C# 和微軟的 .NET 的沖擊下何去何從？本文將對 .NET 世界中的 C++ 進行簡要描述。在 .NET 中，C++ 分裂為兩大陣營：受管代碼 (Managed Code) 和非受管代碼 (Unmanaged Code)。非受管代碼不使用通用語言運行時環境 (CLR) ，而受管代碼則用到了 Managed Extensions for C++ 。本文將對兩者分別討論。

C++ 社區給人的感覺就象一個大家庭：初生的小寶寶總是倍受呵護，而年長的孩子卻是無人關心。如此被忽視，又怎能教人不心痛？事實上，技術領域的情況比這更糟：技術的革新實在太快，人們疲于奔命卻無可奈何，否則連飯碗都保不住了。

如今，微軟公司的新產品 .NET 框架被炒得沸沸揚揚——的確很不錯；眾人還對所謂的 C# 語言連聲喝彩。作為 C++ 的程序員，心里卻很不是滋味：我是不是也要改行學 C# 了？因為人們只有在比較 C# 與 C++ 才會偶爾提及 C++ 了。

C++ 程序員要過時了嗎？絕不！本文先簡要描述 Visual Studio .NET 為 C++ 引入的新特性，然后再介紹微軟公司對新版 C++ 的計劃。首先從兩個方面來談談 Visual Studio .NET 里的 C++ ：標準的 C++ 和 Managed Extensions for C++ 。

對標準 C++ 的擴充主要是為了保持兼容性；也就是說，為了保持國際標準化組織 (ISO) 所規定的 C++ 語言特性。而 Managed Extensions for C++ 則是為了把 C++ 納入 .NET 框架之中。

Visual Studio .NET 下的標準 C++

為了保持對 ISO 標準的兼容性，標準 C++ 作了如下改進：

(1) 虛擬函數的返回值現在支持共變 (covariant) 類型了，這是類層次體系上的一個重大改進；

(2) 支持對靜態整數類型常量( static const integer )成員的顯式初始化；

(3) 主函數的返回值默認為 0 。

現在我來逐一介紹它們。

第一項是增加 covariant 返回類型，它已經由標準委員會核準。也就是說，如果基類的某個虛擬函數返回值是該類本身的實例，那么它在派生類中被重載后也能返回此派生類本身的實例。在類層次體系中，這是一種很重要的設計模式；在 Visual Studio .NET 中，它也大受歡迎。

例如，對于抽象基類 Query ：

class Query {

public:

virtual Query *clone() = 0;

// ...

};

如果想要其派生類實例 NotQuery 的 clone 函數返回一個 NotQuery 對象，即：

class NotQuery {

public:

virtual Query *clone()

{ return new NotQuery( this ); }

// ...

public:

Query *operand;

};

當沒有 covariant 返回類型支持時，clone 的返回類型必然是 Query* ：

// without covariant return type support

virtual Query* clone()

{ return new NotQuery(

this ); }

此時如果把 clone 的返回值分配給 Query* 類型的指針，那么一切工作正常：

NotQuery::NotQuery( const NotQuery &rhs )

{ operand = rhs.operand->clone(); }

但是如果要分配給 NotQuery* 類型的指針呢？

NotQuery nq( new NameQuery( "Shakespeare" );

這樣就不行了：

// oops: illegal assignment ...

NotQuery *pnq0 = nq->clone();

只能這樣：

// ok: required explicit cast ...

NotQuery *pnq1 =

static_cast<NotQuery*>(nq->clone());

現在有了 covariant 返回類型，你就可以顯式返回 NotQuery* 類型了：

// with covariant return type support

virtual NotQuery* clone()

{ return new NotQuery( this ); }

于是，clone 的返回類型變得更直觀，不再需要強制類型轉換了：

這樣是對的：

// ok: implicit conversion ... ;

Query *pq = nq->clone();

這樣也沒問題：

// ok: no conversion necessary ... ;

NotQuery *pnq = nq->clone();

第二項是靜態整數常量類型成員的顯式初始化，它對 C++ 的影響就沒有 covariant 返回類型那么大了。它僅僅給使用常量表達式(如：定長數組)的類的設計帶來了方便。例如：

class Buffer {

static const int ms_buf_size = 1024;

char m_buffer[ ms_buf_size ];

};

static const int 類型成員被初始化以后，就可以為本類的其它成員所用，例如設置 m_buffer 的大小，而不用象以前那樣，使用枚舉變量了。

第三項是主函數的默認返回值為 0 。主函數的返回值代表程序的退出狀態。習慣上，返回 0 代表程序正常結束。在標準 C++ 里，如果沒有顯性指定返回值，編譯器就會自動地在主函數末尾插入一行：

return 0;

進入 Visual Studio .NET 時代，Visual C++ 終于支持它了！

Visual Studio .NET 下的受管 C++

Visual Studio .NET 的 Managed Extensions for C++ 提供了三種基本的應用策略：

(1) 為原有的 API 提供 .NET“包裝”，把 C++ 類統統移植到 .NET 平臺中。

(2) 混用 C++ 類與微軟 .NET 的三種框架類：

核心語言支持，例如：收集類和系統輸入／輸出；

基礎程序類, 例如：線程支持，網絡套接字和正規表達式；

應用領域支持，例如：XML、ASP.NET、Web 服務、Windows 窗體、ADO.NET，等等。

(3) 象 C# 和 Visual Basic 那樣直接操作 .NET 環境。然而，目前尚無相應的快速開發工具(RAD)用于 Windows 窗體和 Web 表單的可視化編程。

先來看看第一種方案：用 .NET 包裝原有的代碼。在我的 C++ Primer 一書 (Addison-Wesley,1998) 中，我示范了一個相當大的文本查詢系統，其中大量使用了 STL 容器類用于解析文本文件和建立數據結構。它的引用文件內容如下：

#include <algorithm>

#include <string>

#include <vector>

#include <utility>

#include <map>

#include <set>

#include <iostream>

#include <fstream>

#include <stddef.h>

#include <ctype.h>

using namespace std;

創建的數據結構如下：

typedef pair<short,short> location;

typedef vector<location> loc;

typedef vector<string> text;

typedef pair<text*,loc*> text_loc;

class TextQuery {

public:

// ...

private:

vector<string> *lines_of_text;

text_loc *text_locations;

map<string,loc*> *word_map;

Query *query;

static string filt_elems;

vector<int> line_cnt;

};

Query 類是用于解釋查詢語言的抽象基類，下面演示了它的功能：

Enter a query-please separate each item by a space.

Terminate query (or session) with a dot( . ).

==> fiery && ( bird || shyly )

fiery ( 1 ) lines match

bird ( 1 ) lines match

shyly ( 1 ) lines match

( bird || shyly ) ( 2 ) lines match

fiery && ( bird || shyly ) ( 1 ) lines match

Requested query: fiery && ( bird || shyly )

(3) like a fiery bird in flight. A beautiful fiery bird, he tells her,

主程序代碼如下：

int main()

{

TextQuery tq;

tq.build_up_text();

tq.query_text();

}

現在我把 TextQuery 接口提交給 .NET 平臺，沒有修改代碼，更沒有重寫函數。最終，一切順利。假如移植到 .NET 平臺必須完全重寫代碼的話，我可能就不會那么做了。幸好受管 C++ 提供了包裝移植的方式。下面是包裝的一種方式：

#include "TextQuery.h"

__gc class TextQueryNet

{

private:

TextQuery *pquery;

public:

TextQueryNet() : pquery( new TextQuery()){}

~TextQueryNet(){ delete pquery; }

void query_text() { pquery->query_text(); }

void build_up_text() { pquery->build_up_text();}

// ...

};

關鍵字 __gc 用于指定受管類，它們接受垃圾回收器管理，占用通用語言運行時 (CLR) 受管堆。與原先的代碼一樣，我把原生類 (native class) 宣告為指針類型成員，使用關鍵字 new 在非受管堆分配空間，由于它不支持垃圾回收管理，故在析構函數中使用 delete 回收空間。build_up_text 和 query_text 都是殘余 (stub) 函數，用于呼叫真正的 TextQuery 對象。

作為對照，我們來看看由 Managed C++ Project Wizard 自動生成的主函數：

#include "stdafx.h"

#using <mscorlib.dll>

#include <tchar.h>

using namespace System;

#include "gc_TextQuery.h"

int _tmain(void)

{

Console::WriteLine(

S"Beginning managed wrapper test ..." );

TextQueryNet *tqn = new TextQueryNet();

tqn->build_up_text();

tqn->query_text();

Console::WriteLine(

S"Ending managed wrapper test ..." );

return 0;

}

現在，我們來討論 .NET 框架的利用。如果有人問我，ISO 標準 C++ 最大的缺點是什么？我的答案是：它沒有提供支持諸如線程、網絡編程、正規表達式以及XML 等應用領域的標準庫。標準委員會已將其列入下一輪工作計劃，但那是一年以后的事了。目前我們怎么辦？其實，.NET 框架已經提供了引人入勝的解決方案。下面演示一個簡單的 Socket 服務器類，它利用了 .NET 框架：

// include the necessary assemblies

#using <mscorlib.dll>

#using <System.dll>

#using <System.Data.dll>

#using <System.Xml.dll>

// open up the associated namespaces

using namespace System;

using namespace System::Threading;

using namespace System::Data;

using namespace System::Data::SqlClient;

using namespace System::Collections;

using namespace System::Net::Sockets;

// ok: here is our class

__gc class SocketDemo_Server

{

private:

static const int port = 4554;

static const int maxPacket = 128;

TcpListener *tcpl;

DataSet *ds;

DataRowCollection *rows;

public:

SocketDemo_Server();

void Start();

void handleConnection();

// grab the data from the SQL database

void retrieveData();

};

它的功能是查詢 Northwind 公司職員的電話號碼；其中的 SQL 數據庫可以在 Visual Studio .NET 發行版本中找到。

再來看看它在運行過程中對三位客戶的處理記錄：

Server[4554]: OK: started TcpListener ...

Server[4554]: OK: listening for connections ...

Server[4554]: OK: retrieved SQL database info ...

Server[4554]: OK: a client connected ...

Server[4554]: OK: client requested phone # for Fuller

Server[4554]: OK: first request for Fuller

Server[4554]: Phone number for Fuller: (206) 555-9482

Server[4554]: OK: a client connected ...

Server[4554]: OK: client requested phone # for King

Server[4554]: OK: first request for King

Server[4554]: Phone number for King: (71) 555-5598

Server[4554]: OK: a client connected ...

Server[4554]: OK: client requested phone # for Fuller

Server[4554]: OK: cached request for Fuller

Server[4554]: Phone number for Fuller: (206) 555-9482

Server[4554]: OK: a client connected ...

Server[4554]: OK: client requested phone # for Musil

Server[4554]: OK: first request for Musil

Server[4554]: Phone number for Musil: Sorry. Cannot be found.

下面是 Start 函數的實現代碼：

void SocketDemo_Server::

Start()

{

try

{

tcpl = new TcpListener( port );

tcpl->Start();

Console::WriteLine(

S"Server[{0}]: OK: started TcpListener ... ",

__box( port ));

// retrieve the data from the data base ...

Thread *tdata =

new Thread( new ThreadStart( this,

&SocketDemo_Server::retrieveData ));

tdata->Start(); // ok: kick off the thread ...

// thread to handle a socket connection ...

Thread *tconnect =

new Thread( new ThreadStart( this,

&SocketDemo_Server::handleConnection ));

tconnect->Start();

}

catch( Exception *ex )

{

Console::WriteLine(

S"Oops: Unable to Set Up SocketDemo_Server" );

Console::WriteLine( ex->ToString() );

}

}

我們看到，Start 函數利用 Thread 類生成許多線程，分別響應每位客戶的請求。此外，由于 WriteLine 函數需要引用參數，故我們使用了 __box( port ) 。

再有，Exception 類是一切 .NET 的異常處理類的基類；ToString 方法用于顯示整個堆棧 (酷極了)； ThreadStart 是 代表 (delegate) 類型 —— 既能指向靜態成員函數，也能指向動態成員函數的通用指針類型。

當然，它的實現代碼還可以進一步完善，但是我想您現在已經體會到 .NET 框架的強大和易用性了。更重要的是，您已經看到，在 C++ 里面使用它是多么的簡單！

C++ 的未來

本文是對 Visual Studio .NET 下的 C++ 的簡單介紹，希望在讀過之后，您會對 Visual C++ 充滿信心，因為它不僅僅是 Visual Studio .NET 中的一份子，而且是其重要的一員。為了體現其重要性，微軟公司 Visual C++ 工作組正在努力工作以爭取盡早完成新一代 Visual C++ 的過渡版本，它將具有本文所述的全部新特性。在 ISO 標準 C++ 的兼容性方面，工作組已經邁出了一大步。對于優秀的程序員來說，它意味著模板，模板，還是模板！諸如 Loki 和 Boost 等大量使用模板的第三方程序庫，正在緊張工作中。正如人們在電影中說的那樣：“瞧著吧，好戲還在后頭呢！”

原文轉自：http://www.anti-gravitydesign.com