C++

C++
Paradigma	moniparadigmainen; proseduraalinen, olio-ohjelmointi, geneerinen, funktionaalinen
Tyypitys	vahva, staattinen
Yleinen suoritusmalli	käännettävä
Muistinhallinta	manuaalinen, RAII
Julkaistu	1983
Kehittäjä	Bjarne Stroustrup
Vakaa versio	ISO/IEC 14882:2020
Merkittävimmät toteutukset	GCC, Visual C++, LLVM/Clang, Intel C/C++, Borland C++, IBM XL C++
Vaikutteet	C, Ada, Simula, CLU
Vaikuttanut	Java, C99, D, C#, Rust
Käyttöjärjestelmä	alustariippumaton
Verkkosivu	https://isocpp.org/
Uutisryhmä	comp.lang.c++
Infobox OK

C++ on ohjelmointikieli, jonka Bjarne Stroustrup kehitti 1980-luvulla. Kieli on kehitetty C-kielestä lisäämällä siihen muun muassa olio-ohjelmointiin ja geneerisyyteen liittyviä ominaisuuksia.

C++-kielen standardi ISO/IEC 14882:1998 vahvistettiin vuonna 1998, C++11 (ent. C++0x) vuonna 2011, C++14 (ISO/IEC 14882:2014) vuonna 2014, ja C++17 (ISO/IEC 14882:2017) vuonna 2017. Uusin standardiversio C++20 (ISO/IEC 14882:2020) on julkaistu vuonna 2020.

C++ sisältää muun muassa luokat, virtuaalisen moniperintätuen, mallit (templates) ja poikkeukset. C++ perustuu C-kieleen siten, ettei kieltä ole suunniteltu uudelleen, vaan uusia ominaisuuksia on lisätty. Kieli on moniparadigmainen, mahdollistaen muun muassa proseduraalisen-, olio- ja geneerisen ohjelmoinnin. Kieli ei ole täysin funktionaalisen ohjelmoinnin kieli, mutta mahdollistaa monia vastaavia käyttötapoja.

Muistinhallinta perustuu RAII (engl. Resource acquisition is initialization) -konseptiin, joka soveltuu muun muassa käyttöön poikkeuksien kanssa.

C++:lla on kirjoitettu suuri osa maailman ohjelmistoista, mukaan lukien käyttöjärjestelmät, lääketieteelliset ohjelmistot, simulointiohjelmistot, finanssialan ohjelmistot, tietokoneavusteisen suunnittelun ohjelmistot, sulautetut järjestelmät, tietokoneverkot, ja videopeliohjelmistot (mm. pelimoottorit). TIOBE:n vuosittain päivittyvässä indeksissä C++ oli neljänneksi yleisin ohjelmointikieli huhtikuussa 2021.

Historia ja vaikutteet

C++:n kehitys alkaa vuodesta 1979, jolloin Bjarne Stroustrup työskenteli tohtorintutkinnon parissa. Tuolloin Stroustrup työskenteli muun muassa Simula-kielellä, jonka sanotaan olevan ensimmäinen olio-ohjelmoinnin paradigmaa tukeva kieli. Stroustrup koki paradigman hyvin käytännölliseksi, mutta kielen liian hitaaksi käytännölliseen soveltamiseen. Tämän jälkeen Stroustrup aloitti C with Classes -laajennuksen kehittämisen C-kieleen. Vuonna 1983 kielen nimi vaihtui C++:ksi.

C++:n luokat ja luokkahierarkia on peräisin Simulasta. Kieli lainasi myös suunnitteluajattelun, jossa luokat mallintavat käsitteitä ohjelmoijan ja sovelluksen maailmassa eivätkä ainoastaan notaationaalisessa merkityksessä.

Kielen suunnittelussa vältettiin ominaisuuksia, jotka aiheuttaisivat ajonaikaista tai muistikuormitusta.

Uudet versiot kielen standardista julkaistaan nykyään kolmen vuoden välein. Aikaisemmin uudet versiot julkaistiin kun ne olivat "valmiita", joka aiheutti pitkiä viivästyksiä ja epävarmuutta kielen käyttäjille ja soveltajille. Julkaisua muutettiin siten, että ennakolta valitaan tietty ajankohta jolloin valmiit ominaisuudet julkaistaan tuolloin ja keskeneräiset ominaisuudet jäävät myöhempään ajankohtaan, jolloin niiden parissa työskennellään muiden asioiden ohella. Kaksi vuotta on käytännön minimi ISO-standardointiprosessissa ja kolme vuotta on koettu sopivaksi balanssiksi.

Kehitysvaiheet

Luonnos standardista, josta tuli C++98.

Kielestä on julkaistu useita kehitysversioita:

• C++98 (ISO/IEC 14882:1998) oli kielen ensimmäinen ISO-standardoitu versio.

• C++03 sisälsi korjauksen std::vector määrittelyyn, jonka mukaan elementtien käyttämä muistialue on oltava jatkuva (joka takaa yhteensopivuuden perinteisempien taulukoiden kanssa).

• C++11 lisää tuen mm. säiekohtaiselle muistille (thread_local-avainsanalla) sekä säikeistykselle yleisesti. Standardikirjastoon lisättiin uudet älyosoittimet, kuten std::shared_ptr (toteuttaa viitelaskennan).

• C++14 lisää tuen mm. lambda-funktioille eli anonyymeille inline-funktioille.

• C++17 on laaja päivitys, jossa on mm. UTF-8-merkkijonoliteraalit, standardoitu tiedostojärjestelmätuki sekä standardikirjaston rinnakkaissuorituksen parantaminen.

• C++20 äänestettiin valmiiksi 15. helmikuuta 2020 ja julkaistiin joulukuussa 2020.

• C++23 on seuraava versio, jota kehitetään C++20:n seuraajaksi

• C++26 on suunnitteilla oleva tuleva versio

ISO-standardit

C++ ISO/IEC standardista on julkaistu seuraavat versiot:

• ISO/IEC 14882:1998 (1998)
• ISO/IEC 14882:2003 (2003)
• ISO/IEC 14882:2011 (2011)
• ISO/IEC 14882:2014 (2014)
• ISO/IEC 14882:2017 (2017)
• ISO/IEC 14882:2020 (2020)

Tekniset määrittelyt

Virallisten standardien lisäksi ISO-työryhmällä on eräitä teknisiä määrittelyjä, jotka eivät ole vielä varsinaisen standardin tasolla ja jotka ovat vielä muuttuvia.

Esimerkkinä N4514, joka määrittelee transaktiopohjaisen muistin käsittelyn tuen C++-kieleen. Osa ohjelmointikielen kääntäjistä tarjoaa kokeellisen tuen kuten esimerkiksi GCC.

ISO:n julkaisemia määrittelyjä:

• ISO/IEC TR 18015:2006
• ISO/IEC TR 19768:2007
• ISO/IEC TR 29124:2010
• ISO/IEC TR 24733:2011
• ISO/IEC TS 18822:2015
• ISO/IEC TS 19570:2015
• ISO/IEC TS 19841:2015
• ISO/IEC TS 19568:2015
• ISO/IEC TS 19217:2015

Standardidokumenttien saatavuus

Virallinen standardi on saatavissa ISO:lta korvausta vastaan, mutta viimeisin työskentelyluonnos on saatavilla julkisesti ilmaiseksi. Virallisessa standardissa on korjattu kirjoitusvirheitä ja lisätty selvennyksiä.

Standardidokumentit eivät ole tarkoitettu oppaaksi kielen oppimiseen, vaan ne ovat formaaleja sopimuksia kääntäjien ja standardikirjastojen kehittäjille.

Erot C:hen

Monet C-kielellä kirjoitetuista ohjelmista ovat myös kelvollista C++:aa., mutteivat kuitenkaan kaikki C:n kehittymisen aikana luotujen uusien varattujen sanojen ja tarkemman tyyppitarkistuksen vuoksi. C++ kuitenkin laajentaa C:tä huomattavasti, muun muassa nimiavaruustuella, isommalla standardikirjastolla, luokilla sekä malleilla.

Sekä C- että C++-kielissä käytetään samantyyppisiä käytäntöjä parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi. Käytännöt vaikuttavat miten monta käskyä toiminto vaatii. Esimerkiksi paikalliset muuttujat toimivat nopeammin kuin globaalit ja tietyt tietotyypit vaativat enemmän käskyjä suorituksen aikana.

Template-mallien käyttö metaohjelmointiin voi nopeuttaa suoritusta siirtämällä päätöksiä kääntäjälle. Template-mallit ovat C++:n monimutkaisempia ominaisuuksia, joiden yksi tarkoitus on vähentää toistuvaa koodia. Ne mahdollistavat käännösaikaisen laskennan, jolloin ajonaikaisesti ei tarvitse suorittaa ohjelmakoodia. Suorituskyky riippuu ohjelman toteutustavasta ja virheellinen toteutus voi olla hitaampi ja viedä enemmän muistia kun taas oikealla toteutuksella voi saada moninkertaisia parannuksia.

Standardikirjastot

C++ sisältää Standard Template Library (STL) -standardikirjaston. Se sisältää yleisiä ohjelmoijien tarvitsemia säiliöitä (containers), algoritmeja, funktioita ja iteraattoreita. STL-toteutus tulee yleensä kääntäjän mukana, mutta myös riippumattomia toteutuksia on olemassa.

C++:n standardikirjasto sisältää STL:n lisäksi myös suurimman osan C-kielen standardikirjastosta yhteensopivuuden vuoksi.

Polymorfismi

C++ tukee yksinkertaista perintää, abstrakteja pure virtual -luokkia, moniperintää sekä virtuaalista moniperintää.

Rajapinnan perimistä kutsutaan ajonaikaiseksi polymorfismiksi (tai dynaamiseksi polymorfismiksi) ja template-mallien tukemaa käännösaikaiseksi polymorfismiksi (tai staattiseksi polymorfismiksi).

C++:ssa funktiot voidaan määritellä:

• virtual, jolloin se voidaan syrjäyttää perityssä luokassa
• override, jolloin sen on pakko syrjäyttää kantaluokassa oleva
• final, jolloin sitä ei voida syrjäyttää perityssä luokassa

Hello, World! -esimerkkiohjelma

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, world!\n";
}

Tämä on yleisesti käytetty esimerkkiohjelma C++-oppaissa. Se tulostaa näytölle tekstin ”Hello, world!” Kuten C:ssä, ohjelma alkaa komennoilla esikääntäjälle, tässä otsikkotiedoston liittämisellä #include-käskyllä. Lohkot rajataan aaltosuluilla {} ja ohjelma suoritetaan kutsumalla main-funktiota. Ohjaamalla teksti cout-olioon <<-operaattorilla teksti tulostuu stdout-virtaan (näytölle). C++:n tulostuslauseen epätavallinen syntaksi johtuu kielen tukemasta operaattorien uudelleenmäärittelystä. C-kielen bittisiirto-operaattori << on C++:ssa määritelty virtaolioilla kirjoitusoperaattoriksi, ja tässä tapauksessa se kirjoittaa standarditulosteeseen.

C++:n kielioppi on samantapaista kuin C:n ja Javan. Lauseet päättyvät puolipisteeseen ;, eikä välilyöntejä tai muuta tyhjää tilaa oteta huomioon. Lohkot ympäröidään aaltosulkeilla { }, kommentit aloitetaan /* -merkinnällä ja päätetään */ -merkinnällä. Yhden rivin kommentti merkitään kahdella vinoviivalla //. Kaikki standardikirjaston luokat, funktiot ja enumeraatiot ovat std-nimiavaruudessa.

Nimiavaruudet

C++ tukee useaa nimiavaruutta. C++17 lisäsi tuen sisäkkäisille nimiavaruuksille, joka mahdollistaa namespace A::B::C {} käytön aiemman namespace A { namespace B { namespace C {}}} sijaan. Lisäksi kieli tukee nimiavaruuden aliasointia:

namespace foo {
    namespace bar {
         namespace baz {
             int qux = 42;
         }
    }
}
namespace fbz = foo::bar::baz;
int main()
{
    std::cout << fbz::qux << '\n';
}

C++ tukee myös anonyymejä nimiavaruuksia.

Aaltosuluilla merkittävät lohkot luovat oman nimiavaruuden kaltaisen näkyvyysalueen (engl. scope):

std::string foo = "foo";
{
    std::string foo = "foobar";

} // sisempi foo tuhotaan tässä

std::cout << foo << std::endl; // tulostaa ensimmäisen foo:n arvon

RTTI

Ajonaikainen tyyppitieto (engl. Run-time type information, RTTI) on ominaisuus, jolla välitetyn olion tyyppi voidaan tunnistaa ohjelman ajon aikana. Tämä mahdollistaa muun muassa perityn olion tyypin mukaisen käsittelyn.

class Asiakas
{
public:
    virtual ~Asiakas() {}
}

class KantaAsiakas : public Asiakas { ... };

void tyyppi(Asiakas *p)
{
    std::cout << typeid(*p).name() << std::endl;
    // tulostaa olion p tyypin nimen. tarkka muoto riippuu kääntäjästä.

    KantaAsiakas *k = dynamic_cast<KantaAsiakas*>(p);
    if (k != nullptr)
        k->bonus();
}

Poikkeusten käsittely

C++ tukee poikkeuksia ja pinon (stack) siivoamista (kuten näkyvyysalueelta eli scopesta poistuessa).

try
{
    throw "vikatilanne"; // const char *
}
catch (std::exception &e)
{
    std::cout << "poikkeus: " << e.what() << std::endl;
}
catch (...)
{
    std::cout << "tuntematon poikkeus" << std::endl;
}

Poikkeuskäsittelijä valitaan määrittelyjärjestyksessä ja tyypin mukaan. Poikkeuskäsittely try-lohkolla ja throw-operaattorilla on valinnaista, jolloin niiden aiheuttama lisäkuorma voidaan välttää.

Ellipsis (kolme pistettä) voi vastaanottaa tyypit, joille ei ole määritelty muuta käsittelijää.

RAII

Konseptia, jossa resurssit varataan konstruktorissa ja vapautetaan destruktorissa, kutsutaan nimellä engl. Resource acquisition is initialization, RAII. Konseptin ovat kehittäneet Bjarne Stroustrup ja Andrew Koenig vuosina 1984–1989 ja se on esitelty ensimmäisenä C++-kielessä.

RAII-muistihallintakonsepti voidaan esittää seuraavan triviaalin esimerkin avulla:

class Vector 
{
private:
    double *elem; 
    int sz;
public:
    Vector(int s) : elem{new double[s]}, sz{s} // constructor
    {
        for (int i = 0; i != s; ++i) elem[i] = 0;
    }
    ~Vector() { delete [] elem; } // destructor

    double& operator[] (int i) { return elem[i]; };
    int size() const { return sz; }
};

void fct(int n) 
{
    Vector v(n); // acquire and initialize
    // .. use v ..
    {
        Vector v2(n*2); // acquire and initialize
        // .. use v2 ..
    } // v2 destroyed
    // .. use v ..
} // v destroyed

Esimerkissä resurssit vapautetaan kutsumalla olion destruktoria:

1. poikkeustapauksessa
2. normaalisti poistuessa (näkyvyysalueen ulkopuolella)

Olion luominen tekee tarvittavan varauksen ja alustuksen, jotka olion destruktori vapauttaa. Menetelmä on poikkeusturvallinen eikä tarvitse roskienkeräystä tueksi.

Template-mallit

C++ tukee suoraan geneeristä ohjelmointia template-malleilla, joille voidaan antaa tyyppi parametrina. Mallit mahdollistavat geneerisen ohjelmoinnin, jossa samoja algoritmeja voidaan käyttää uusille tietotyypeille ilman erillisen toteutuksen kirjoittamista joka tyypille.

RAII-esimerkin ohjelmakoodi voidaan muokata geneerisemmäksi käyttämällä template-määrittelyä.

template<typename T> class Vector 
{
private:
    T *elem; 
    int sz;
public:
    Vector(int s) : elem{new T[s]}, sz{s} // constructor
    {
        for (int i = 0; i != s; ++i) elem[i] = 0;
    }
    ~Vector() { delete [] elem; } // destructor

    T& operator[] (int i) { return elem[i]; }
    int size() const { return sz; }
};

void fct(int n) 
{
    Vector<double> v(n); // acquire and initialize
    // .. use v ..
    Vector<int> v2(n)
    // .. use v2 ..

} // v2 and v destroyed

Lambda-lausekkeet

Lambda-lausekkeet ovat C++11:stä lähtien tuettu ominaisuus anonyymien funktioiden määrittelyyn niiden käyttökohdan yhteydessä. Lambda-lausekkeet ovat muutaman rivin pituisia toimintoja, jotka välitetään algoritmeille ja asynkronisille toiminnoille. Lambda-lausekkeiden kaappausta on muutettu yleistetyksi C++14:stä.

Esimerkki:

// esimerkki määrittelystä
auto glambda = [](auto a, auto&& b) { return a < b; };

bool b = glambda(3, 3.14); // kutsuminen

Katso myös

• SystemC – C++ -pohjainen laitteistokuvauskieli

Lähteet

• Stroustrup, Bjarne: The design and evolution of C++. Addison-Wesley, 1994. ISBN 0-201-54330-3
• Lippman, Stanley B.: C++ Primer, s. 1–464. Addison-Wesley, 1989. ISBN 0-201-16487-6
• Reisdorph, Kent: Teach Yourself C++ in 5 Days, s. 1–192. SAMS, 1999.
• Hietanen, Päivi: C++ ja olio-ohjelmointi, s. 16. Jyväskylä: Teknolit, 1997. ISBN 952-9823-45-2
• Peltonen, Hannu: Olio-ohjelmoinnin perusteet C++, s. 1–389. Jyväskylä: Suomen ATK-kustannus, 1997. ISBN 951-762-457-3
• Prata, Stephen: Suuri C++ -ohjelmointi, s. 1–866. Suomentanut Risto Torkkeli. Vantaa: Pagina, 1996. ISBN 951-644-064-9
• Horton, Ivor: C++ Ohjelmoijan käsikirja, s. 1–941. Suomentanut Jouni Laaksonen. Helsinki: IT Press, 1999. ISBN 951-826-032-X
• Lippman, Stanley B. & Lajoie, Josee: C++ Vol 1, s. 1–941. Suomentanut Erkki Huru. Helsinki: EDITA, 2000. ISBN 951-826-191-1
• Meyers, Skott: C++ Vol 2, s. 1–256. Suomentanut Arto Kuvaja. Helsinki: EDITA, 2000. ISBN 951-826-192-X
• Stroustrup, Bjarne: The C++ Programming Language, 4th ed.. Addison-Wesley, 2015. ISBN 0-321-56384-0

Kirjallisuutta

• Stroustrup, Bjarne: The C++ Programming Language, s. 1–328. Addison-Wesley, copyright Bell laboratories, 1986. ISBN 0-201-12078-X
• Stroustrup, Bjarne: The C++ Programming Language, s. 1–911. (Third Edition, Bjarne Stroustrup The Creator of C++) Addison-Wesley, copyright AT&T, 1997. ISBN 0-20-88954-4
• Stroustrup, Bjarne: C++ -ohjelmointi, s. 1–944. (Alkuteos The C++ Programming Language, Third Edition, Bjarne Stroustrup The Creator of C++) Suomentanut Veli-Pekka Ketola. Jyväskylä: Teknolit, copyright AT&T, copyright Teknolit, 2000. ISBN 951-846-026-4

Aiheesta muualla

• Programming:C plus plus Wikibook, C++-opas (englanniksi)
• Thinking in C++ (Arkistoitu – Internet Archive), kattava ilmainen e-kirja C++:sta (englanniksi)
• C++ opas, laaja Suomenkielinen C++ opas.
• C++ Standards Committee Papers (englanniksi)
• C++17 Working Draft (englanniksi)
• C++ Core Guidelines (englanniksi)