问题

如果让你来重新设计(或者改造)C++,你打算怎么设计或者修改?

回答
如果让我来重新设计(或改造)C++,这无疑是一项巨大且充满挑战的任务,因为C++的强大之处在于其历史的积累、广泛的应用以及对底层硬件的精细控制。改造并非颠覆,而是在保留其核心优势的同时,解决其遗留问题,提升开发效率和安全性,并使其更适应现代软件开发的趋势。

以下是我的一些核心设计理念和具体的修改方向:

核心设计理念:

1. 保持性能和底层控制的基石: 这是C++不可动摇的优势,任何改动都不能牺牲这一点。
2. 提升安全性: 内存安全、线程安全是现代编程的重中之重。
3. 简化复杂性: 减少不必要的复杂性,让学习和使用更加容易。
4. 增强开发效率: 提供更现代的工具和语法,减少样板代码。
5. 拥抱现代语言特性: 借鉴其他优秀语言的优点,但要以C++的方式融合。
6. 保持向后兼容性(尽可能): 这是C++社区的强大之处,但也需要权衡。一些旧的、有问题的特性可能需要被标记为废弃或提供更安全的替代品。

具体的修改方向和新特性设想:

一、 内存安全与资源管理 (Memory Safety & Resource Management)

强制性的 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 的推广和增强:
更明确的生命周期语义: 引入新的关键字或类型系统来更清晰地定义对象的生命周期,例如 `owned` (表示独占所有权),`shared` (表示共享所有权)。
"安全指针" 的标准化:
`unique_ptr` 的强化: 作为默认的智能指针,并可能引入更严格的借用规则,使其行为更像Rust的`Box`。
`shared_ptr` 的改进: 考虑引入更轻量级的共享所有权机制,或者在某些情况下强制使用更安全的引用计数方式。
“借用” 概念的引入 (类似Rust的`&` 和 `&mut`): 引入一种显式的“借用”概念,允许短暂地访问资源而不获取所有权。例如:`borrow obj.member` 或 `borrow_mut obj.member`。编译器会严格检查借用生命周期,确保在借用期满前资源不会被释放或修改。
避免裸指针作为主要接口: 鼓励使用智能指针或“安全指针”作为API接口,只有在极端性能需求下才暴露裸指针,并需要显式标记。
自动资源清理的改进: 考虑引入“作用域绑定对象”(ScopeBound Objects)的更自动化的机制,类似于Go的`defer`,但与RAII结合,用于执行清理操作。例如:`scope_guard` 可以在退出作用域时自动执行一个lambda表达式。

可选的内存安全模式 (Optional Memory Safety Modes):
“安全区” (Safe Zones): 允许开发者在特定代码块或模块中开启内存安全检查(类似Valgrind或AddressSanitizer的编译器集成),捕获缓冲区溢出、useafterfree等问题。这不会成为默认行为,但可以方便地用于调试和安全敏感的代码。
内存安全子集 (MemorySafe Subset): 考虑定义一个C++的“安全子集”,在这个子集中,不允许使用裸指针算术、类型双关等容易出错的操作。对需要极致性能和底层控制的代码,可以继续使用完整的C++。

二、 并发与并行 (Concurrency & Parallelism)

更现代的线程抽象:
`std::thread` 的改进: 考虑提供更高级别的线程池管理和任务调度接口,减少手动管理线程的复杂性。
“协程” 的原生支持 (Coroutines): C++20已经引入了协程,但可以进一步优化其API和集成度,使其更容易使用,并与内存管理和资源管理无缝集成。
结构化并发 (Structured Concurrency): 引入类似Kotlin的`coroutineScope` 或 Swift的`TaskGroup` 的概念,确保并发任务的生命周期被正确管理,避免孤立的线程或任务。
轻量级并发原语: 提供更易于使用的锁、原子操作、条件变量等,并可能引入更高级的并发数据结构(如并发哈希表、并发队列)。

内存模型和数据竞争的改进:
更清晰的原子类型语义: 进一步明确原子类型的内存序(memory ordering)语义,并可能提供更易于理解的抽象。
数据竞争检测的强化: 编译器和运行时能够更主动地检测潜在的数据竞争,并在调试模式下发出警告。
不变性 (Immutability) 的支持: 引入更方便的`const`推导和不可变数据结构的库支持,鼓励使用不可变数据来简化并发编程。

三、 模块化与编译时 (Modularity & Compiletime)

模块化系统的优化 (Module System):
更精细的导出控制: 允许更细粒度地控制哪些符号(函数、类、变量)被导出到模块中,以及它们的可见性(public, private, protected)。
模块化依赖管理: 探索更现代的包管理器集成,或者在C++模块规范中融入更易于理解的依赖声明。
编译时信息传递: 模块可以作为一种机制,在编译时传递类型信息、配置信息等,而不是仅仅是代码单元。

增强的 `constexpr` 和编译时计算 (Compiletime Computation):
更完整的 `constexpr` 语义: 允许更多的标准库函数和用户定义函数在编译时执行,包括(受限的)内存分配、循环、异常等。
编译时反射 (Compiletime Reflection): 引入一种安全且高效的编译时反射机制,允许在编译时检查类型信息、成员信息等,生成代码或进行类型校验。这将极大地减少样板代码(例如,序列化、ORM)。
编译时元编程的简化: 模板元编程是C++的强大之处,但学习曲线陡峭。考虑引入一些更简洁的语法糖或DSL来简化常见元编程任务。

四、 语法与易用性 (Syntax & Usability)

更一致的初始化语法: 统一所有聚合类型(类、结构体、数组)的初始化语法,例如,使用统一的花括号初始化,并允许在其中使用命名参数。
更强大的模式匹配 (Pattern Matching): 引入类似于Rust或Haskell的模式匹配语法,用于处理枚举、结构体等,可以极大地简化复杂的条件逻辑。
```c++
// 示例:
match value {
Some(x) if x > 10 => print("Large value:", x),
Some(x) => print("Value:", x),
None => print("No value")
}
```
更简洁的 Lambda 表达式:
自动捕获 (Auto Capture): 默认情况下捕获所有引用的变量(或者允许显式指定),减少`[&]` 或 `[=]` 的手写。
返回类型推导的增强: 允许lambda表达式自动推导返回类型,除非显式指定。
统一的类型转换语法: 考虑一种更简洁、更易于理解的类型转换语法,可能结合模式匹配或更清晰的铸造操作。
错误处理的现代化:
`std::expected` (C++23) 的进一步推广和集成: 鼓励使用 `expected` 来处理可能失败的操作,而不是依赖异常或返回错误码。
更清晰的异常处理: 考虑引入一些机制来约束异常的传播,或者在某些情况下强制使用“无抛出”的函数签名。
可选的显式生命周期管理: 对于不需要智能指针的简单情况,允许开发者选择不使用智能指针,但需要明确标记其生命周期规则,以供编译器检查。

五、 标准库 (Standard Library)

更丰富的容器和算法: 引入更多现代化的数据结构,如Patricia trie、Skip list、ZooKeeper的concurrent skip list的变种等,并提供更易于使用的泛化算法。
文件系统和网络API的现代化: 提供更高级别、更易用的文件系统和网络编程API,抽象底层细节。
日期和时间库的增强: 提供更完善的时区支持、跨平台一致性的日期时间操作。
格式化输出的改进: 引入更灵活、类型安全的格式化输出方式,类似Python的fstring或Java的`String.format`。

六、 工具链和生态系统 (Toolchain & Ecosystem)

更强大的静态分析工具集成: 编译器应内置更强大的静态分析能力,主动发现潜在问题。
现代化构建系统集成: 探索与包管理器(如vcpkg、Conan)更紧密的集成,简化依赖管理和构建过程。
更好的调试和性能分析工具: 结合上述语言特性,开发更智能的调试器和性能分析工具,能够理解和可视化新的语言概念。
在线IDE和协作工具的改进: 针对C++的特性,提供更友好的在线开发环境和协作工具。

如何落地?

逐步演进: C++的改造不可能一蹴而就。新的特性应该遵循C++的标准化流程,并尽可能向后兼容,或者提供向后兼容的迁移路径。
提供选择: 很多新特性不应该成为强制性的,而是作为一种选择,让开发者可以根据项目需求和性能考量来决定是否使用。
教育和推广: 引入新特性后,需要大力进行教育和推广,帮助开发者理解和使用这些新特性。

面临的挑战:

兼容性: 如何在引入新特性的同时,保持与现有庞大C++代码库的兼容性是最大的挑战。
复杂性: 即使目标是简化,过多的新特性也可能导致语言本身的复杂性进一步增加。
性能权衡: 安全性、易用性往往需要以性能为代价,需要在两者之间找到合适的平衡点。
社区接受度: 任何改变都需要获得C++社区的广泛支持和接受。

总结:

我的C++改造设想,核心是 “安全、效率、现代”。目标是让C++在保持其核心优势(性能、底层控制)的同时,能够更轻松、更安全地应对现代软件开发中面临的挑战,如并发、内存安全、复杂性管理等。这需要在保留其强大功能的基础上,引入更友好的语法、更安全的抽象和更智能的工具。这是一个漫长而艰巨的过程,但对于C++的未来至关重要。

网友意见

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如果不考虑 100%兼容 C 语言的话

加入 signal slot 关键字,其用法等同于Qt的 signal/slot

string 作为内置类型,默认用utf8编码

去掉 struct,增加 interface关键字,用来声明接口

interface里的方法不需要再声明成纯虚函数,抽象类也允许被实例化,纯虚函数调用会抛异常

增加 object class 作为所有对象的默认基类,但可以显示声明不用

加入package,import,函数和类不再需要头文件,头文件用来放宏定义和模板类。

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