被误解的C++——C++的缺陷和D的缺陷

C++的缺陷和D的缺陷

D语言，从字面上讲应当是在C/C++的基础上进了一位，其特性当然也进了一位。真是这样？也是，也不是。这得看你的出发点和价值观了。

D的定位在于继承C/C++的优势，但却更加易学易用。这种定位招人喜爱。C/C++的致命伤就在难学难用上。（不少人认为C++难学易用，我也持这种观点。但是既然要拿来同D比较，那我也只能跳一回票。只此一次，下不为例）。

我大致了解了一下D的特性，初步混了个脸熟。D差不多通过以下方式达到其目的的（如有错误或遗漏，请轻轻扔砖J）：

<!--[if !supportLists]-->1. <!--[endif]-->新的语法，消除了一些缺陷，比如C++模板的>>问题（对此我持保留意见，一会儿再探讨）。同时，也优化了编译，提高了编译速度；

<!--[if !supportLists]-->2. <!--[endif]-->将字符串、数组等内置，使其得到编译器的充分支持；

<!--[if !supportLists]-->3. <!--[endif]-->用module代替头文件，抛弃了来自远古时代的遗物；

<!--[if !supportLists]-->4. <!--[endif]-->用内置特性实现C++的一些库功能，比如traits；

<!--[if !supportLists]-->5. <!--[endif]-->使用gc方便内存管理。但保留RAII功能；

<!--[if !supportLists]-->6. <!--[endif]-->增加编译时计算支持。将C++部分通过模板实现的编译时计算放到内置特性中实现；

<!--[if !supportLists]-->7. <!--[endif]-->增加mixin等mp支持。

限于我对D的了解，暂时只想到这些内容。总体上，可以认为，D的改进主要集中在将C++的很多由库实现转移到内置特性实现。内置特性的实现通常具有针对性，在语法上更简洁。此外，D也消减了一些不常用，但容易引起麻烦的特性。并且使一些特性自动化，以减少使用时的压力。

但在我看来，D所做的，是好心没办好事。因为D并没有真正抓住C++的核心问题，也没有很好地认清C++成功的关键。D继承了C++大部分的特性，这表明它认可C++的强大。（不然它留那么多特性干什么）。但是却没有能够从C++身上吸取真正的教训。

首先，C++的语法存在缺陷，Bjarne不止一次提到这个问题。根本原因可能是其语法是non-LR的。这个问题应该不难解决，我相信D已经解决了。但是，D大费周章地采用()和!()作为模板的操作符，似乎有欠妥当。首先，程序员的习惯，促使他们不容易接受这个新操作符；其次，()容易同函数参数产生混淆，不如<>来的直观；最后，过度放大<>存在的问题。<>的问题主要有两个，一个是同>>操作符冲突，这个问题在C++0x中已经解决。另一个是<3>4>问题，这种情况相对少见，而且可以利用<(3>4)>加以解决，并非关键性问题。为这些“鸡毛蒜皮”的问题而采用()，似乎不太值得。

其次，C++的最初动机也就是提供“更好的C”。此后，随着需求的不断扩展，逐步加入了各种高级特性。也就是说，Bjarne在最初的那段时间里，并不是那么高瞻远瞩。尽管他为C带来了OOP这种新的编程范型，但是从最后的结果来看，他的思维似乎也不够大胆。因此，C++的很多特性配合不好，有拼凑的感觉。D则站在了巨人的肩膀上，自然有更好的基础，更容易避免C++身上发生过的问题。

再来看D，目前所有的特性和能力，都没有超出原来C++的范畴，只是在其上做一些小修小补。从编程技术而言，相对C++没有显著的进步。不错，D在很大程度上简化了使用，但这是有代价的，它放弃了很多有用但难缠的特性。但这也会带来应用上的局限。

对于系统编程的定位，D似乎把易用性放在了过高的位置。实际上，后面我们将看到，D的面前同样存在另一条路可走。这条路，可以在C++的基础上提供更好、更强大的特性，但却可以消除很多C++的不足（但不是所有的，很多问题算不上缺陷，只是某种强大功能的副作用。强大的功能人人都想要，对吧？那就忍着点吧）。

再次，C++的很多问题来源于它逐步堆砌的特性。而且这些特性又是来源复杂，缺乏一致性。由此，很多first-class的概念被迫使用非first-class概念实现。

在这方面，D则做得更糟。比如，D强化了gp，但却没有引入concept，将来是否会引入，尚不得而知。这使得D无法根本上消除gp中遇到的诸多问题。相反D试图通过static if、static dispatch（C++常用的手段）之类的second-class特性完成concept这种first-class的需求。显然没有从C++中获得教训。

D象其他语言那样，把数组和字符串作为内置类型处理。在表面上，这是进步，用first-class的概念，用first-class的类型表示。但在我看来，这是一种倒退。说清这件事，就得看看什么是first-class的。传统上，类型分为内置类型和用户定义类型。而内置类型被界定为first-class的，得到编译器的优先照顾。然而，内置类型是否真的first-class呢？不，有比内置类型更first-class的，那就是类型。迷糊了？我慢慢说。

无论内置类型，还是用户定义类型，都是类型。我们传统上将他们区别对待。实际上，划分内置类型和用户定义类型的一个理想上的标准是原子性，即如果一个类型，（在语义上）不能分割了，便作为一个内置类型处理。为了保持移植性，象int之类的类型，被作为原子类型，而不考虑它内部字节的排列。同样string和array也是如此。但是，在很多系统中，比如SQL，为了处理方便，很多非原子性的类型也作为内置类型处理，比如datetime。这就表明，现实中内置类型和用户定义类型并没有严格的界限。

C++创建时有一个宗旨：让用户定义类型象内置类型一样处理。这句话是非常first-class的。也就是说，把所有类型一视同仁。如果能够做到，那么这门语言中，将只有类型这样一个first-class的概念，而不再分类。那这样得到的好处是什么呢？就是灵活性、扩展性、简洁性。

下一个问题，哪种类型是最first-class的？在C++中，内置类型是最first-class的，D也是一样。但事实上，最first-class并非内置类型，而是字节。汇编语言中，所有类型都可以看作字节或字节序列。也就是说，任何类型，无论内置类型还是用户定义类型，都是由字节组成。在此基础上，我们便可以用字节定义类型的静态结构，包括内置类型。也就是说，在静态结构定义上，内置类型完全可以同用户定义类型同等处理。

但是，内置类型和用户定义类型的行为是不同的，因为编译器并未把他们作为同一样东西处理。此时，我们便可以看到C++那句豪言壮语的作用了。当用户类型能够像内置类型一样的情况下，内置类型和用户定义类型将不做区分，完全可以一样处理。这便可以导致一个结果，就是所有类型，包括内置类型，都可以通过库而非编译器实现。于是，语言便可以扩展出丰富的“内置类型”。（呵呵，是不是有点metaprogramming的味道？DSL听了肯定高兴）。

C++朝这个方向努力做了，实现了绝大部分目标，但也未能100%地实现。比如，智能指针尚无法做到象内置指针一模一样的行为。（C++0x引入三个cast操作符重载后，情况就会好很多）。

这一点上D走出了一步，但却没能乘胜追击。D为所有类型，包括用户定义类型都定义了一组properties，用于获取类型的特性。在这一点上，所有的类型都一视同仁。但是，之后却依旧按传统将内置类型和用户定义类型隔离，并且将数组和字符串放回内置类型。再加上操作符重载上的一个明显退化，便坐失了统一类型处理的优势。

操作符重载，是使用户定义类型得以同内置类型一样处理的关键。C++除了少数的几个操作符外，其余都可以重载。这带来了极大的灵活性，（尽管如此，也未能使所有类型统一处理），但也带来了一些麻烦。（操作符重载带来的语义上的问题，不应该由语言负责，除非不想获得操作符重载的好处，否则必须承担此中的风险）。D缩小了重载的范围，避免一些混淆，以达到简化学习和使用的目的。（C#也是如此，但我并没有看到有多大的效果，我们重载操作符通常都集中在某些常用的操作符上，多数的操作符重载不会成为困扰我们的原因）。

D在操作符重载上的一个明显的变化，就是不使用操作符本身作为重载的定义，而是用等价的字符表示：

//C++

A operator+(A const&, int);

//D

class A

{

A opAdd(int v) {…}

int opPos(){…}

};

这种方式存在它的好处，但同时也带来了不足。好处是可以明确地区分统一操作符在不同情况下的语义，看起来非常明确。但是，这种方式使用起来却不如直接使用操作符本身来的直观，使用者必须识别这些操作符和对应的函数，这增加了记忆的负担。而operator+则侧重于记忆少数规则，理解规则，便可以举一反三，快速运用到其他操作符上。同时增加的这些内置函数记号，消耗了宝贵的关键字。两者的是非得失，全凭使用者的喜好，算不上什么天大的问题。只是我更喜欢记忆规则，而不是具体的记号。

D的操作符重载真正的问题在于取消了自由函数的重载形式。这样似乎简化了学习和使用，但实际上，只会把问题复杂化。成员型的操作符重载并非操作符最本质的形式。将操作符重载完全局限于成员函数，使得操作数无法交换。于是D通过允许定义opxxx_r()程序函数定义交换操作数的版本（复杂了吧）。对于另一个操作数类型，是否定义相应的操作符重载呢？这种方式迫使程序员不断地考虑这类问题。如果合作开发，那么必然增加了程序员间协调的负担。

无论如何，二元操作符的形式更接近自由函数。用自由函数加以表达，更加直观和明确，而且更便于集中处理。这篇文章，很好地阐述了过多的成员函数对封装性产生的影响。成员函数的一个好处是可以访问非public成员，但就像其他成员函数一样，成员型的操作符削弱了类型的封装性。如果不访问非public成员，那么作为成员，没有任何意义。

操作符重载是一个first-class的特性，但是D却使用了非first-class的形式表达。作为对C++操作符重载的简化，我认为合理的形式应当是：赋值操作符（=）、类型转换操作符，以及所有一元操作符，都采用成员的形式。二元以上的操作符都采用自由函数的形式。这样，规则并没有复杂多少，但却使得不同的操作符重载都能够以first-class的形式表示。

在first-class特性的问题上，另一个问题是D引以为豪的traits。Traits是非常有用的东西，使我们静态地获取类型的特征。traits在C++中起了非常重要的作用。所不同的是，C++通过类库的形式提供traits，而D则采用编译器内置特性提供。相比之下，受制于语言本身的特性，类库的实现难以提供完全的类型信息。而编译器内置特性，可以提供更完全的内容。

但是traits毕竟是非first-class的特性，C++0x通过引入first-class的concept，大大消除了对traits的依赖。具体的可以看这里，这里和这里。而traits背后真正的机制则是reflection。在这里reflection是真正的first-class机制，而traits是缺乏reflection（编译时）的一种替代或模拟。

D的问题在于，traits成为一种语言特性，当未来引入了concept和reflection之后，它将成为摆设，宝贵的语言特性资源被浪费。如果不引入concept和reflection，那么很多依赖于这些特性的问题无法得到解决，而traits也无法独立支撑这个局面。这会使D在这方面处于进退两难的境地。同样的问题也存在于mixin上。Mixin可以被看作一种Meta-Programming的机制，但并不完全，也非first-class特性。为真正解决现实中的问题，在GPL中引入Meta-Programming的需求越来越强烈。一旦引入真正的first-class的MP机制，那么mixin也会处于尴尬的地位。

这些问题表明，设计D的出发点存在问题。D仅仅试图在C++的基础上简化学习和使用，而不是采取更加本质，更加根本，更加first-class的手段来彻底解决C++面临的问题。就是说D并非一种面向未来设计的语言，仅仅关注眼前的蝇头小利。这种思维上的局限性，很容易使D在未来同更强大的语言，不仅仅是未来的C++，竞争的时候，处于不利的地位。因为限制已经造成，围栏已经建好，再想扩展便会受到很大的限制。

我还是那句话，如果D仅仅局限在修正C++的某些问题，那么说明它并没有从C++哪里吸取真正的教训。

最后，D似乎并没有充分意识到灵活性和程序员的选择对系统开发的重要性。C++的机巧性、危险性很大程度上是被过度放大了。在现实的开发过程中，我们绝大部分的时间，实际上都在老老实实地使用C++的普通功能，（但请记住，是在高级特性的支援下，使用普通功能）。这些动作都是常规的，成熟的。至于那些复杂、危险特性，则很少使用。即便使用，也是由专人（受过训练的，有免疫能力的）集中运用。在这样一个大环境下，语言的灵活性相比那些很cool的功能而言，更加重要。比如，使用多继承的权利。

多继承的主要问题在于钻石型继承带来的麻烦。但是，这种情况极少出现，通常也只在过度OO的设计中存在。在其他方面，多继承是非常容易处理和使用的。更重要的是，它是非常有用的，有时甚至是关键的（想想policy可以为我们消除多少类、继承和代码冗余，带来多大的灵活性）。为了一种很少出现的情况，把路整个地堵死，对于java这样的高层语言，或许可以忍受，但对于系统级的语言，是难以接受的。（至少对我如此）。更何况编译器可以准确地识别钻石型继承，并作出自动化处理（默认virtual继承），除非有特殊需要。

系统级语言不仅仅要求能够完成程序。鉴于系统开发的广泛性、灵活性，以及扩展性要求，语言的灵活性和程序员的选择是非常重要的。作为高附加值的开发任务，系统开发对于语言的复杂性的容忍能力是非常强的。

C++的问题是过于灵活，比如缺省情况下单参构造函数执行隐式类型转换，在应用中造成无数问题。一门新的语言完全可以通过合理地限制这种灵活性，消除问题。

我并不是说，C++那些缺陷和复杂是正当的。我只是想表明，通过消减语言特性，抑制语言的灵活性，限制使用者的选择，不是简化语言使用的正当手法。一种系统语言，应当以更加根本（本质）的方式解决C++的问题。在这一点上，D做的并不是很好。（就像跑步比赛，如果只把目标定在第一个人的身上，那么终究无法将其超越。只有把目标定在第一个人前面，才能得到冠军）。当D只专注于宣扬C++的缺陷，以及它所给出的解决方案时，便注定它无法成为超越C++的语言。在我看来，它应当把更多的精力花在如何提供更多first-class特性上，而不是用来标榜自己的那一点点进步。