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C++

大约 17 分钟编程经历编程语言

C++

——我从未懂过 C++

一些工具

常见名词

  • UB：Undefined behavior，未定义行为，典型的有 i = i++ + ++i，一个容易被忽视的 UB 是 a[i] = i++;。(ref)

安装

C++ 开发前的准备挺复杂的，做好心理准备。

linux 下用包管理器，配置环境应该是基础技能。这里写的主要是 windows 下的开发步骤。

我目前正在使用 xmake + clang 全套 进行开发。

编译器

clang

Clang 是 LLVM 的前端，具有速度快、内存占用小、诊断信息可读性强、兼容性好等优势。ref

scoop 一行：scoop install llvm。

安装 llvm 还会附带 clang 前端工具如 clangd, clang-tidy, clang-format。

注：llvm 本体貌似不带运行库，可以考虑 scoop install mingw-winlibs-llvm。

开发环境

我使用 VSCode 作为 C++ 代码编辑器。以下扩展都可以直接在 vscode 商店搜到；只需选择一个即可。

Clang-Tidy + Clang-Format

Clang-Tidy 比 clangd 要慢很多（功能也更多）。并且 clangd 尊重 clang-tidy 的设置，因此非解耦需求下还是用 clangd 比较好。

为什么选这个组合呢，因为解耦：我不喜欢让一个扩展完成所有任务，我希望 linter 和 formatter 分离[1]，这样是自由度最高的方案。

Clang-Tidy 在 vscode 扩展里的名字叫 CS 128 Clang-Tidy。

构建系统

最广泛使用的是用 Cmake 生成 makefile 然后再 make，然而我并不喜欢它。网上也有一些类似的想法：Why CMake sucks?。我也尝试过 xmake，然而用的人少，出了 bug 找不到解决方案。不过姑且我还是用着 xmake 的。

有兴趣的话也可以看看cmkr，基于 toml 生成 cmake 文件，三阶构建（cmkr -> cmakelists -> makefile）

xmake

xmake 是向下兼容 cmake 的构建工具，拥有极度简洁的语法。xmake 使用 lua 脚本作为构建系统语言。我真的不想再面对一团乱麻的 cmake 了！

  • 新手教程，由于我自己摸索而不是看教程，多走了许多弯路。因此推荐看看。
  • 开始使用：
    • use scoop, scoop install xmake 一行安装。输入 xmake -h 了解更多。
    • 示例：xmake create -l c++ -P ./cpp && cd cpp && xmake && xmake r
  • 一些预设
    set_encodings("utf-8")  -- 没加会导致 Qt 中文乱码
set_policy("build.warning", true) -- 开启编译警告
set_languages("cxxlatest")  -- 设置 C++ 版本，或 `cxx20`
set_optimize("fastest")     -- 优化等级，不过 release 有默认
add_requires("fmt")
target("test")              -- 添加 fmt 包
  ...
  add_packages("fmt")
  • 查找包（任选）：
    • 手动去 xmake-repo 找
    • 命令行：xrepo search <package_name>...，可用 * 作为通配符
  • 指定工具链
    • 在 target 中添加 set_toolchains("clang")

cmake

实际上我也就写 Qt 接触了一下 cmake，后面很快转到 xmake 了，关于 cmake 的了解不算多。

archived

scoop install cmake。

Qt 开发环境

Qt 是一个 C++ 框架，主要是做 GUI 用的。查看介绍。不用的话可以不装。

由于 Qt creater 没有 vscode 中的强大插件，因此我希望在 vscode 中开发 Qt 代码。

Qt 的构建（从 Qt6 开始）默认生成 cmake 配置，但也可以手写 xmake 配置。

windows

xmake

用 xmake 作为 Qt 的构建系统是一个不错的选择。之前曾经出现过一些问题，但 20230802 再次尝试已经可以正常使用。

  1. 使用 Qt Creator 创建模版项目。
  2. xmake.lua 参考官方文档，这里是一个示例：
    add_rules("mode.debug", "mode.release")
target("qt_widgetapp")
    add_rules("qt.widgetapp")
    add_files("src/*.cpp")
    add_files("src/mainwindow.ui")
    add_files("src/mainwindow.h")
  3. 可能需要指定 sdk：xmake f --qt=D:\software\QtSDK\6.6.0（你的 Qt 安装路径）
  4. 生成 compiler_commands.json，使 clangd 能够读取 includePath 等。一行：xmake project -k compile_commands
  5. xmake && xmake r 就能跑了。

刚做完 2. 的时候会出现经典问题，clangd 报 找不到 ui_mainwindow.h 文件… 因为它是编译期生成的。。用 cmake CLI 的时候可能需要麻烦手动生成，xmake 挺智能的，build 一次后就不会报错了，应该是 xmake 内置的 qt 规则起作用了。

需要注意，使用 xmake 构建的 Qt 程序无法在 stdout 输出字符，无论 release 还是 debug mode。（不知道是不是缺少了什么设置选项）

linux

在 (arch)linux 上开发 qt 应用。

  1. 通过 aqtinstall 安装 sdk；通过 pacman 安装 qt6-base.
  2. 在 xmake.lua 中，新建 toolchains:
    toolchain("myqt")
    set_kind("standalone")
    if is_os("linux") then
        set_sdkdir("~/program/qt/6.6.0/gcc_64/") -- 填写 sdk 目录
        set_toolset("cxx", "clang")  -- 指定编译器
        add_linkdirs("/usr/lib/qt6/")
    end
    然后在 target 中 set_toolchains("myqt") 即可。

语言相关

在大片的构建系统篇幅后我们终于走到了语言基础，太悲哀了。

数据结构

  • <queue>：
    • 优先队列：priority_queue<T, vector<T>, std::greater<T>>
      • 自定义比较函数；重载类的 < operator

值类型

>= C++11

C++11 引入了更多的值类型，这其实也是所有权的体现。在左值和右值中间添加了 xvalue（将亡值），也就是带有所有权的右值（右值引用）（名词真的好多！）至于其他的 glvalue, prvalue 都是集合的相加相减，没啥意思。总之只要知道 xvalue 是啥就行。

std::move() 可以将值转换为 xvalue，实际上相当于 static_cast<T &&>()。

类型转换

>= C++11

  • static_cast：不进行安全检查
  • const_cast：设置或移除指针/引用所指对象的 const
  • dynamic_cast：进行安全检查，用于指针/引用转换，可以用于运行时父类转子类
    • 有些情况下 dynamic_cast 的性能可以接近 static_cast。但大多数时候有额外开销。
  • reinterpret_cast：无视类型，进行最底层的比特位复制

智能指针

>= C++11, <memory>

  • shared_ptr 允许多个指针指向同一个对象，引用计数
    • (C++14) 使用 std::make_shared<Type>() 构建
    • reset() 不带参数则释放（== release()）
  • unique_ptr 独占所指向的对象
  • weak_ptr shared_ptr 的弱引用，不影响其计数器

多行字符串

Raw string: R""(some\text)""

面向对象

  • 构造函数：
    class MyClass {
public:
    int* data;
    // 默认构造函数
    MyClass() : data(new int[100]) {}
    // 拷贝构造函数
    MyClass(const MyClass& other) : data(new int[100]) {
        std::copy(other.data, other.data + 100, data);
    }
    // 移动构造函数
    MyClass(MyClass&& other) noexcept : data(other.data) {
        other.data = nullptr; // 将资源置为空，避免释放时出错
    }
};
  • protected：指能被子类访问，不能被外部访问的成员。
  • virtual：每个拥有虚对象的类本身都会有一个虚表，用来查询任何子类的某一特定重载。所以虚表对类是 static 的。
    • 虚函数查找表发生在运行时。
    • 调用虚函数所需的代价基本上和非虚函数效率一样，开销很小。
    • 其他的可以看这篇文章。
  • C++ 允许多继承，菱形继承需要将中间类声明为虚类。（正常情况下不要使用菱形继承！）
  • 非虚函数定义在类内自动内联。类外则需要显式 inline。
  • C++ 实现 interface：纯虚类，所有函数都是纯虚函数。
  • C++ 提倡继承代替组合。因为空类还会有 1byte 的空间，组合的话很亏。
  • 私有继承不允许多态转换。

option

(C++17) C++ 中有 std::optional<T> 起到类似 rust 中 Option 的作用。

  • 一些函数：has_value() -> bool, value() -> T, value_or(T) -> T

template

前往 external 1.，讲得非常不错。

内置模版比较函数

算法竞赛常用的，例如优先队列会用到。签名是 class Compare。主要有：std::greater, std::greater_equal, std::equal_to, std::not_equal_to，再加上两个 greater 改成 less 的。

variant

（C++17）本意是封装的 union，可以当成错误处理的一种实现[^5]，类似 rust Result. C++23 请使用 std::expected.

获取值一般用 std::get + try catch，也可用 std::visit:

std::variant<int,string> v;
try{
    return std::get<int>(v);
}catch (std::bad_variant_access&)
{
    return std::get<string>(v);
}
// std::visit([](auto&& arg) {
//     using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
//     if constexpr (std::is_same_v<T, int>)
//         std::cout << "int with value " << arg << '\n';
//     else if constexpr (std::is_same_v<T, string>)
//         std::cout << "errlog: " << arg << '\n';
// });
std::visit(overloaded{
    [](auto arg) { std::cout << arg << ' '; },
    [](const std::string& arg) { std::cout << std::quoted(arg) << ' '; }
}, v);

assert

static_assert(a < 0 && "error message"); // compile time
#include <cassert>
assert(a < 0 && "error message");  // runtime

至于 assert_eq 这种 std 就没有了，需要自己写宏或者引入 crpcut.hpp、GoogleTest 等框架。

explicit

explicit 可以防止隐式转换；修饰构造函数时，还可以防止复制初始化。rust 人非常喜欢这个东西。

if constexpr

编译期剪枝。可以用于类型判断。

#include <type_traits>
template <typename T>
void f(T)
{
  if constexpr (std::is_same_v<T, int>)
  {
    static_assert(false);
  }
}

ranges

>= C++20

ranges 是 C++ 在函数式方面的努力，C++20 的四大特性之一。简单的说就是把各类操作变换 chain 在一起，简化写法，不再需要 (c.begin(), c.end(), ...)。

example 可以看 cpp reference。

程序计时

程序计时可以用于分析代码效率。代码参考 大佬能直接看汇编分析，但是太复杂还得 benchmark

其他注意点

  • C++ 的错误处理并没有一个除 0 的标准错误，因此自己处理时需要 if 判断并 throw.
  • 被 C++20 的 std::ranges::remove_if() 坑过（可能当时编译器实现有 bug(?)）
  • 或许很难注意到的一些 UB：有符号整数的溢出是 UB，控制流到达返回值不为 void 的函数的末尾，还有一些操作裸指针的 source

Qt

提示

此处 Qt 部分版本代码为 Qt4-5，不保证能正常迁移至 Qt6;

以下内容并不是 Qt 基础的教程，缺乏目的性和针对性

基本介绍 --> 官网

Qt 是一个成熟的跨平台，跨语言的 GUI 框架（不建议再使用 MFC 等等了）。我用 C++ 做的最早的 GUI 应用就是用 Qt 写的。对于 C++ + GUI 需求，Qt 是比较简单快速的选择。

  • 它封装了很多窗口与控件类，可以轻松使用而并不需要深入了解其内部实现与原理 （实际上它几乎封装了一切）
  • 它支持可视化构建窗口界面 (Qt Designer)，极大幅度减小代码量
  • 它提供的软件打包方式比较人性化（有坑）

安装

推荐使用 CLI，快、用时短、空间占用小、无需登录

  • CLI: aqtinstall
    1. scoop install aqtinstall
    2. aqt install-qt --outputdir D:\software\QtSDK windows desktop 6.6.0 win64_msvc2019_64（我的示例，别抄，去读文档；安装大小是 1.46G，已经很不错了）
  • 官方 GUI: qt.io。
    • 需要在 msvc/mingw 中选择其一(?)。如果不想装重量级的 Visual Studio (提供 msvc)，你可以尝试安装 mingw 的 sdk，占用空间小点，不过配置会稍微麻烦一点。

第三方

一些可能会用到的第三方组件 / 框架。

dark mode

深色模式支持是很重要的。

你可以很简单地添加深色模式（高对比度）；若你想使用更为柔和一点的颜色，可以使用第三方的QDarkStyleSheet。

唤起最小化的窗口

show();showNormal();raise();activateWindow();

关于控件组

Qt 官方提供了 QButtonGroup 类。该类提供了对 QAbstractButton（即记忆化选择按钮）的分组。将按钮添加到 QButtonGroup 对象中，点击某一按钮时，组中其他按钮会被自动取消 toggle（已点击状态）。你也可以为组中每个按钮赋予数字 id，通过 id 对控件进行调用。

当然，QButtonGroup 类的使用范围是具有很大局限性的。若想对其他不同类型的控件新建分组该怎么做呢？

答：使用 QVector<QWidget*>。由于部分常用控件(QPushButton,QLable 等)继承自 QWidget，因此通过 QWidget 类型容器对组内控件进行统一操作，例如需要隐藏主窗口内的所有控件，只需 for (auto &i : elements) i->hide(); 即可。

对于 hide() 与 show() 操作来说，更简便的方法是将所有控件加入新的 widget，然后将该 widget 的父对象设为主窗口。之后的隐藏与显示只需对该 widget 操作即可。

关于资源文件

Qt 提供方便的资源文件引用。在项目中通过 Add New...新建 Qt Resource File[2] 并添加文件到 .qrc 内。Qt 在构建时会将添加的文件以二进制形式存放在生成的 exe 文件中。无需将资源文件放入打包目录，程序将会从 exe 中引用资源。

但是请注意，加入 .qrc 中的资源文件是只读的。有修改需求的文件请勿使用此方法。*（使用相对路径）*

添加图标与版本信息

使用 qmake，已过时

图标：在项目目录下放入 .ico 图标（在线转 ico），在项目 .pro 文件中加入 RC_ICONS = xxx.ico 即可。所有该项目下的子窗口都会自动使用该图标。注意仅允许 ico 格式图像。

版本信息：在项目 .pro 文件中加入 VERSION = x.x.x 即可。

  1. 新建 xxx.rc，内容为 IDI_ICON1 ICON DISCARDABLE "logo.ico" （定位到你的 ico 图标）
  2. （使用 xmake）将 xxx.rc 加入 xmake.lua：add_files(static/xxx.rc)

打包

Qt 拥有人性化的打包服务。复制 release 输出目录中的 exe 文件到任意目标目录，在目录下使用 windeployqt xxx.exe 命令即可完成打包（windeployqt 需要在环境变量内，否则使用绝对位置）。

但是到了 Qt6，情况就完全不一样了。。Qt6 的打包不管使用 windeployqt 或 windeployqt6 打包后，程序都无法运行。重装 SDK 后也是如此。首先，使用 windeployqt 会缺失 Qt6Core.dll, Qt6Gui.dll, Qt6Widgets.dll 这老三样。其次，手动复制这三样后，测试还会出现 bug：

bug
bug

解法是将 Qt SDK 目录下的 plugins 文件夹复制到打包的 exe 目录下[3]。。

优化

这样打包出来的程序体积还能进一步缩小。运行 exe 后，全选目录下文件并删除，跳过已被打开的所有文件，并递归地对每个文件夹进行同样的操作。这样能够移除不必要的运行库从而大幅降低发布包的大小。

测试

打包之后需要测试有没有丢运行库。换用另一个环境测试也太麻烦了点，而傻逼 windows GUI 也把环境变量藏得实在是太好，徒增了许多麻烦。其实只要在命令行中临时删除环境变量，再运行即可：

全局快捷键

参考此文章。如果要在 Qt6 中使用，需要把 virtual bool nativeEventFilter 的最后一个参数由 long* 改为 qintptr*.

怎么说，这几乎是我在几乎全网搜到的唯一可用的全局快捷键代码[4]。。而且由于调用了 windows api，因此只能在目标为 windows 上的 Qt 使用。linux 还需要看看 Github QHotKey。

按键事件

Qt6 提供了 QShortCut，大大简化了非全局按键事件的处理。只需要创建一个 QShortCut 对象，connect 即可。

JSON 处理

根据 benchmark，QJson 是 JSON 库中占用内存最小的。（某个测试项目）

读取

QFile file("a.json");
if(!file.open(QIODevice::ReadOnly)){
    qDebug() << "open file failed.";
    return;
}
QByteArray data(file.readAll());
file.close();
QJsonParseError jError;
QJsonDocument jDoc = QJsonDocument::fromJson(data, &jError);
if(jError.error != QJsonParseError::NoError){
    qDebug() << "read json error.";
    return;
}
QJsonObject rootjsonobj = jDoc.object();

此时rootjsonobj即为读入的 QJsonObject 对象（理解为 python 中的字典对象）。

通过 rootjsonobj[KEY] 访问得到一个 QJsonValue，可以调用 toObject() / toString() 等函数将之转换为对应类型。

写入

QJsonDocument jDoc(rootjsonobj);
QFile file("b.json");
if(!file.open(QIODevice::Truncate | QIODevice::WriteOnly)){
    qDebug() << "write json error.";
    return;
}
QByteArray data(jDoc.toJson());
file.write(data);
file.close();

潜伏知识

  1. C++ 开源 json 库性能好的有 simdjson 和 sonic；benchmark, but out of date

external

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  5. C++ 用户定义 Ranges 算子
  6. C++23 特性总结 上 | 下，可以学到很多
  7. C++ 移动语义
  8. [Brief Talk] auto, auto&, const auto& 以及其它形式的 auto 变种在 for-range loop 的选择
  9. 浅谈 C++ Undefined Behavior
  10. ELF 格式的 Symbol 及 C++ 的 inline 关键字
  11. Daily bit(e) of C++
  12. Writing GUI apps for Windows is painful

  1. 例如我在嵌入式课用 vscode 写码，我需要一个 formatter 减少我的精神负担，但是由于嵌入式开发 Keil 使用自己的构建系统，因此我希望关闭 linter，否则 linter 读不出项目的结构，会满屏红色报错。 ↩︎

  2. .qrc 文件内部是 xml 格式，理论可手搓，因此可以放心抛弃 QtCreator。 ↩︎

  3. 我找出这个问题真的不容易，还差点错怪 xmake。。主要是 Plugins 并不在我的环境变量中，但却能够跑起来，迷惑了我的判断。这个报错也基本上得不到信息，网上也找不到解法。 ↩︎

  4. 升级 Qt6 后我尝试寻找其他全局快捷键方法，全部失败。甚至生出了直接调 windows.h api 的心。 ↩︎

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