问题

什么时候用C而不用C++?

回答
好的,咱们来好好聊聊,什么时候 C 比 C++ 更显身手,而不是一味地追求 C++ 的全能。这可不是简单的语法选择题,而是在项目生命周期的不同阶段,对效率、资源、兼容性乃至团队熟悉的考量。

一、 内核与底层系统开发:与硬件的零距离对话

这绝对是 C 的主场,甚至可以说 C 之所以伟大,很大程度上就是因为它成为了操作系统的“母语”。

硬件抽象层(HAL): 想象一下你要写一个操作系统的内核,或者一个嵌入式设备上的驱动程序。你需要直接控制 CPU 的寄存器、内存地址、中断向量等等。C 语言提供了极其强大的指针操作和位运算能力,让你能够像直接操作机器码一样去操作硬件。C++ 的类、对象、模板等抽象层,虽然提供了方便,但往往会引入一些运行时开销(比如虚函数表、对象构造/析构),这些开销在对时间片寸土必争的底层是不能接受的。
资源极度受限的环境: 嵌入式系统、单片机,它们的内存可能只有几 KB 甚至更少,CPU 速度也可能只有几十兆赫兹。在这样的环境下,任何一点额外的内存占用或计算开销都会成为致命伤。C 语言的简洁和对内存的直接控制,使得它能够生成体积小巧、运行高效的代码。而 C++ 的标准库、异常处理等特性,都会增加代码的体积和运行时负担,不适合这种极端环境。
直接内存管理: 在底层开发中,你必须精确控制内存的分配和释放。`malloc` 和 `free` (或者更底层的 `sbrk` 等)是你的得力助手。你可以精确地在堆、栈之间分配内存,甚至在某些情况下直接操作内核管理的内存区域。C++ 虽然也有 `new` 和 `delete`,但它们本质上是封装了 `malloc` 和 `free`,并且引入了构造和析构的机制,这在需要精细控制内存生命周期时反而可能带来不便。

举个例子: Linux 内核。如果你看过 Linux 内核的代码,你会发现它绝大部分是用 C 语言写的。这是因为内核需要直接管理硬件资源,与 CPU 交互,处理中断,调度进程等等,这些都需要非常底层的控制。如果内核用 C++ 来写,那么它引入的面向对象特性和抽象层,不仅会增加内核的复杂性,还会引入不必要的性能开销,这在追求极致效率的操作系统内核中是难以容忍的。

二、 跨平台兼容性与移植性:写一次,到处运行

虽然 C++ 的标准也在不断演进,力求跨平台,但 C 在这方面依然有着天然的优势。

广泛的编译器支持和成熟的生态系统: C 语言存在的时间比 C++ 更长,几乎所有的硬件平台和操作系统都提供了成熟的 C 编译器。这意味着你可以用 C 写一段代码,然后在无数个平台上轻松编译和运行,而无需担心编译器对 C++ 特性的支持程度是否一致。
减少依赖和简化构建过程: 当你的项目需要部署到各种各样、甚至是比较古老的系统上时,使用纯 C 可以最大程度地减少对特定库和编译器的依赖。这极大地简化了构建过程,也降低了移植过程中出现兼容性问题的风险。C++ 的依赖,尤其是第三方库,在跨平台时可能会带来不少麻烦。
C API 的广泛应用: 很多底层库、操作系统提供的 API 都是基于 C 的。例如,你想要调用操作系统的某些功能,或者使用一个非常基础的图形库,它们很可能提供的是 C 风格的函数接口。如果你用 C++ 来开发,调用这些 C API 会相对直接和自然。如果你的主要目的是封装或调用大量的 C 库,那么用 C 来写项目本身会更省事。

举个例子: 许多科学计算库(如 BLAS, LAPACK)或图像处理库(如 libjpeg, libpng)的核心功能都是用 C 语言实现的,并且对外提供了 C 风格的 API。如果你要做一个基于这些库的跨平台应用,用 C 来写会更容易集成。

三、 对性能要求极致到毫秒级的应用:速度至上

在某些对执行速度要求苛刻到以毫秒甚至微秒为单位的场景下,C 语言的简洁和直接会带来额外的性能优势。

避免不必要的抽象开销: C++ 的许多高级特性,如虚函数、RAII(Resource Acquisition Is Initialization)、异常处理、智能指针等,虽然提高了代码的可维护性和安全性,但它们在编译或运行时可能会引入一些额外的开销。比如虚函数会引入虚函数表(vtable)的查找,异常处理需要栈展开机制。在性能敏感的场景下,这些开销就可能成为瓶颈。C 语言直接使用函数调用,没有这些额外的机制,执行效率更高。
手动精确控制内存布局和生命周期: C 语言让你能够非常细致地控制数据的存储方式和生命周期。你可以精确地控制结构体成员的排列顺序(通过 `packed` 属性等),从而优化缓存利用率。你也可以手动管理内存分配和释放,避免不必要的对象创建和销毁。
代码大小优化: C 语言的代码通常比 C++ 更小巧,因为 C++ 的标准库和一些特性会增加最终可执行文件的大小。在存储空间有限的嵌入式设备上,或者在需要极快加载速度的应用中,代码大小是一个重要的考量因素。

举个例子: 高频交易系统的前端、实时音视频处理、网络协议栈的某些关键部分。这些领域对延迟和吞吐量有着极高的要求,每一个时钟周期的节省都可能意味着巨大的商业价值。在这些场景下,开发者往往会选择用 C 来编写对性能要求最苛刻的部分,甚至用汇编语言来优化关键的计算核心。

四、 遗留系统维护与集成:向前看,也要顾后顾

很多大型、成熟的软件系统,无论是在工业界还是学术界,都是用 C 语言编写的。

与现有 C 代码库集成: 如果你的项目需要与一个庞大的、用 C 语言编写的遗留代码库进行交互或维护,那么使用 C 来开发会更加自然和高效。直接在 C++ 中调用 C 函数是没问题的,但反过来,在 C 代码中调用 C++ 的类和方法会复杂得多,需要使用 `extern "C"` 等机制来处理名称修饰问题,并且会引入 C++ 的运行时依赖。
项目团队熟悉度: 并非所有的开发团队都精通 C++ 的所有高级特性。如果一个团队对 C 非常熟悉,而对 C++ 的某些复杂概念(如模板元编程、多重继承等)了解不多,那么使用 C 可能是一个更稳妥的选择,可以降低项目风险,提高开发效率。
简化项目管理和维护: 对于一些相对简单的工具或脚本类程序,使用 C 语言可以避免引入 C++ 的复杂性,使项目结构更清晰,更容易管理和维护。

举个例子: 很多科学计算软件、数据库的底层、早期的游戏引擎等,都拥有大量的 C 语言代码库。如果你需要为这样的系统开发插件或者进行二次开发,直接使用 C 语言会更方便。

总结一下,什么时候用 C 而不是 C++?

当你需要与硬件进行最直接、最底层的交互时(操作系统内核、嵌入式驱动、固件)。
当你的运行环境资源极其受限时(内存小、CPU 弱的嵌入式设备)。
当你追求极致的跨平台兼容性和移植性时,特别是需要与大量的 C API 集成时。
当你的应用对性能要求极高,需要剥离任何潜在的运行时开销时(高频交易、实时音视频核心模块)。
当你的项目需要与庞大的 C 语言遗留代码库进行深度集成或维护时。
当项目团队对 C 语言的熟悉度远高于 C++,且项目本身并不需要 C++ 的高级特性时。

当然,这并不是说 C++ 就一无是处。C++ 在提供面向对象、泛型编程、异常安全等强大特性的同时,也能通过其设计模式和标准库极大地提高开发效率和代码质量。很多时候,是在权衡利弊之后,选择最适合特定场景的工具。在许多大型系统中,也会看到 C 和 C++ 并存,用 C 处理底层和性能敏感部分,用 C++ 处理上层逻辑和用户界面。

关键在于理解 C 和 C++ 各自的优势和设计哲学,然后根据项目的具体需求和约束条件做出明智的选择。这是一种工程上的艺术,也是一种经验的体现。

网友意见

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你开始欣赏到纯 C代码所带来的 “美感” 了,即简单性和可拆分性。代码是自底向上构造,一个模块只做好一个模块的事情,任意拆分组合。对于有参考的 OOP系统建模,自顶向下的构造代码抽象方法是有效率的,是方便的,对于新领域,没有任何参考时,刻意抽象会带来额外负担,并进一步增加系统耦合性,设计调整,往往需要大面积修改代码。

有兴趣你可以读读《Unix编程艺术》,OOP的思维模式,是大一统的;C的思维模式,是分离的。前者方便但容易造成高耦合,后者灵活但开发开发太累。用 C开发,应该刻意强调 “简单” 和 “可拆分”。一个个象搭积木一样的把基础系统搭建出来,哪个模块出问题,局部替换即可。

自底向上的开发模式,并不是从不站在大局考虑问题,而是从某个子系统具体实现开始,从局部迭代,逐步反思全局设计,刻意保持低偶合,一个模块一个模块的来,再逐步尝试组合。

自底向上强调先有实践,再总结理论,理论反过来指导实践,又从实践中迭代修正理论。这和人类认识世界的顺序是一样的,先捕猎筑巢,反思自然是怎么回事,又发现可以生火,又思考自然到底怎么回事情。

它的反面,是指大一统设计,你一开始用 UML画出整套系统的类结构,然后再开工设计。这种思维习惯,如果是参考已有系统做一个类似的设计,问题不大,全新设计的话,他总有一个前提,就是 “你能完整认识整个大自然”,就像人类一开始就要认识捕猎和筑巢还有取火一样。否则每次对世界有了新认识,OOP的自顶向下设计方法都能给你带来巨大的负担。

所以有些人才会说:OOP设计习惯会依赖一系列设计灵巧的 BaseObject,然而过段时间后再来看你的项目,当其中某个基础抽象类出现问题是,往往面临大范围的代码调整。这其实就是他们使用自顶向下思维方法,在逐步进入新世界时候,所带来的困惑。

当然也有人批判这种强调简单性和可拆分性的 Unix思维。认为世界不是总能保持简单和可拆分的,他们之间是有各种千丝万缕联系的,你一味的保持简单性和可拆分性,你会让别人很累。这里给你个药方,底层系统,基础组建,尽量用 C的方法,很好的设计成模块,随着你编程的积累,这些模块象积木一样越来越多,而彼此都无太大关系,甚至不少 .c文件都能独立运行,并没有一个一统天下的 common.h让大家去 include,接口其他语言也方便。

然后在你做到具体应用时根据不同的需求,用C++或者其他语言,将他们象胶水一样粘合起来。这时候,再把你的 common.h,写到你的 C++或者其他语言里面去。当然,作为胶水的语言不一定非要是 C++了,也可以是其他语言。

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PS: 这里主要在探讨 OOP存在的问题,并没有讨论嵌入式这种资源限制的情况,以及操作系统和底层等需要精确控制硬件和内存的情况,更没有讨论 C++在语言设计层面的事情。

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