C++后端编程 构建高性能后端的数据库、API 与 Web 服务器 2 C++复习与要点
C++在后端编程中的潜力
随着我们进入这段探索之旅的第二部分，我们将重点关注 C++在后端编程方面的强大能力，以及它在创建可靠、值得信赖的后端软件应用方面的优势。 虽然 C++通常不被视为网页开发的首选语言，但由于其速度、可扩展性和灵活性，它实际上是一个极其强大的工具，能够为网络应用程序奠定坚实的基础。
C++长期以来一直以高效实用的编程语言著称。 它提供了对系统资源的精细控制，使软件开发人员能够从内存和处理速度两方面提升应用程序性能。 这一特性在后端开发过程中尤为有用，因为后端开发需要能够每秒处理数千个请求同时保持低延迟的高性能服务器。 此外，C++既支持过程式编程也支持面向对象编程，近年来甚至开始支持元编程和函数式编程技术。 这种多功能性使您能够根据具体任务选择合适的工具，从而编写出更简洁、更易理解且更易于维护的代码。
另一个重要考量是 C++在大型系统中的扩展能力。 您需要一种具备扩展性的语言，以满足服务器日益增长的需求。 通过使用多线程和 C++，您可以创建高效运行的应用程序，从而充分利用当今的多核处理器。 正是由于这一特性，加上其提供的底层操作能力——使您能够精细调整应用程序以在任何给定硬件上实现最高效运行——C++成为高负载系统的绝佳选择。
C++庞大的库与框架生态系统是该编程语言的另一关键组成部分。 这包括网络编程、并发处理、数据库访问等各类功能库，都能显著加速开发进程。 它还配备了强大的调试与分析工具，可帮助定位并解决性能瓶颈，从而确保后端系统达到最佳运行状态。
C++的兼容性与互操作性是这门编程语言最突出的优势之一，尤其在后端开发领域表现显著。C++几乎能与所有其他编程语言进行交互，并可在包括 Windows、Linux 和 macOS 在内的几乎所有操作系统上运行。 因此，用 C++编写的后端能够为网页前端、移动应用、桌面程序乃至其他服务器提供服务。 此外，C++的互操作性使其能够集成非 C++语言编写的组件。 这在利用现有代码库或与各类其他软件集成时尤为实用。
较新版本的 C++，特别是 C++20 以及正在考虑加入 C++23 的特性，为该编程语言增添了新功能，使其更易于使用。 例如协程让编写非阻塞代码变得简单许多，而这正是高性能服务器的关键组件。 异步编程也因协程的加入而大幅简化。 得益于概念（concepts）和范围库（ranges library）的引入，模板的功能性也得到了提升，从而让代码更具表现力且更安全。
最后同样重要的是，C++的实际应用充分彰显了其潜力。C++被广泛应用于高流量和高性能系统，如谷歌的搜索后端、Facebook 的实时服务，以及亚马逊和微软的大量核心服务。 这些行业巨头选择信任 C++，正是因为它以速度、可靠性和高效的资源管理著称。
C++ 语法
让我们回顾一些基本的 C++ 语法及其在后端环境中的应用：
变量与数据类型
在后端开发中，各种数据类型的变量通常用于存储和操作从数据库检索或要写入数据库的数据。 例如，可以用 int 类型存储用户数量，用 std::string 存储用户名，用 bool 类型检查用户是否在线。
int num_users = 500;
std::string user_name = "Alice";
bool is_user_online = false;
控制结构
控制结构在后端开发中至关重要，它们允许代码根据不同条件进行决策。 例如，可以使用 if-else 语句在允许用户注册服务前验证其年龄。
if (user_age >= 18) {
std::cout << "Registration successful!";
} else {
std::cout << "Sorry, you must be at least 18 years old to register.";
}
函数
函数通常表示可对数据执行的操作。 它们能处理各种任务，如数据验证、计算和数据库操作。 函数还有助于保持代码整洁有序。
void update_user_age(std::string user, int new_age) {
// Code to update a user's age in the database
}
int calculate_average_age() {
// Code to calculate the average age of all users
}
类与对象
类可用于表示后端应用程序中的实体，例如用户、产品或订单。 每个类都包含属性和方法，用于定义实体持有的数据及可对数据执行的操作。
class User {
public:
std::string name;
int age;
User(std::string user_name, int user_age) {
name = user_name;
age = user_age;
}
void update_age(int new_age) {
age = new_age;
}
};
STL 容器
C++ 标准模板库(STL)提供了一组用于处理数据的通用类。 其中包括像 std::vector、std::list、std::map 这样的容器，在处理数据集合时对后端编程非常有帮助。
std::vector users; // 用户列表
std::map user_id_to_user; // 从用户 ID 到用户对象的映射
错误处理
在后端环境中，存在许多潜在的错误来源，如网络问题、数据库错误或无效数据。C++中的异常处理提供了一种应对这些异常情况并采取适当措施的方法，可防止应用程序崩溃并提供有意义的错误信息。
try {
User user = get_user_from_database(user_id);
} catch (const std::exception& e) {
std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
// 处理错误（例如：向客户端返回错误响应）
}
这些只是 C++语法的基础知识及其在后端编程中的潜在应用。 它们是编写后端应用程序 C++代码的基本构建模块。 随着学习的深入，我们将探索更高级的主题，包括多线程、网络编程和数据库操作，届时 C++的强大功能将真正得以展现。
C++语义
C++语义，即决定 C++编程结构行为的一套规则，在后端编程中起着至关重要的作用。 让我们深入探讨 C++的一些关键语义特性及其在后端编程中的应用。
值语义
C++以其强大的值语义而闻名。 本质上，当对象被赋值给新变量或传递给函数时，默认会创建该对象的副本。 这在后端环境中特别有益，因为它允许在不影响原始数据源的情况下轻松安全地操作数据。 例如，如果有一个整数'a'，并将其赋值给新整数'b'，那么'b'将成为'a'的副本。 对'b'所做的任何更改都不会影响'a'，从而确保数据完整性。
int a = 5;
int b = a; // b 是 a 的副本，而非引用
b += 5; // 修改 b 不会影响 a
引用语义
尽管 C++具有值语义，但它也支持通过引用(&)和指针(*)类型实现的引用语义。 在后端编程中，当需要操作大型数据结构而避免复制开销，或需要让变量修改在应用程序的多个部分生效时，这非常有用。 例如，如果创建了一个名为'ref_to_a'的'a'的引用，那么对'ref_to_a'所做的任何修改也会改变'a'。
int a = 5;
int& ref_to_a = a; // ref_to_a is a reference to a
ref_to_a += 5; // changing ref_to_a also changes a
面向对象编程(OOP)
C++提供了基于类的 OOP 特性，如继承、封装和多态。 在后端编程中，OOP 允许您以直观的方式对复杂系统建模，将数据和功能一起封装在类中。 例如，您可以创建一个'User'类来封装与用户相关的数据和功能，比如发送消息。
class User {
public:
std::string name;
// ...
void sendMessage(const std::string& message);
};
资源获取即初始化(RAII)
在构造函数中获取资源（如内存、文件句柄或网络连接）并在析构函数中释放它们是一种惯用做法。 这在后端开发中至关重要，因为资源管理是保持性能和防止泄漏或争用的关键。 例如，可以创建一个'DatabaseConnection'类，在其构造函数中获取连接并在析构函数中释放它。
class DatabaseConnection {
public:
DatabaseConnection(const std::string& dsn) {
// acquire the connection
}
~DatabaseConnection() {
// release the connection
}
};
模板与泛型编程
C++通过模板提供了强大的泛型编程机制。 在后端开发中可以利用这一特性编写灵活、可复用的代码。 例如，可以编写一个适用于所有支持比较操作类型的'max'函数模板。
template
T max(T a, T b) {
return (a > b) ? a : b;
}
并发
现代 C++提供了对多线程和并发的广泛支持，这对高性能后端系统至关重要。 例如，你可以创建一个新线程来执行某些工作，然后使用'join'方法等待它完成。
std::thread worker(do_some_work);
// ...
worker.join();
异常处理
C++中的异常处理为后端系统提供了一种健壮的错误处理机制，尤其适用于处理不可预测的网络状况或外部服务等常见错误场景。 例如，您可以使用'try-catch'代码块来处理高风险操作中可能出现的错误。
try {
// risky operation
} catch (const std::exception& e) {
// handle error
}
内存管理
通过显式控制内存分配和释放，C++能够高效处理资源，这在性能和资源利用率至关重要的后端环境中尤为关键。 例如，您可以使用'new'关键字创建动态数组，完成后使用'delete'关键字将其删除。
int* dynamic_array = new int[100];
// ...
delete[] dynamic_array;
本质上，C++丰富的语义提供了对系统资源的强大控制，并提供了一个强大的工具箱来创建高效且性能关键的后端系统。
移动语义
C++11 引入的移动语义允许将临时对象的资源转移到另一个对象中，而无需进行代价高昂的深拷贝操作。 这在后端开发中特别有用，因为我们经常需要处理大量数据，而效率至关重要。
std::vector vec1 = {1, 2, 3};
std::vector vec2 = std::move(vec1); // 将数据从 vec1 移动至 vec2
Lambda 表达式
C++支持匿名函数或 lambda 表达式。 它们对于编写回调函数和可作为参数传递的函数非常有用。 这在后端开发的异步编程中尤其有用。
auto add = [](int a, int b) -> int { return a + b; };
int sum = add(5, 7);
智能指针
智能指针是 C++的一项特性，提供自动内存管理功能，确保不会发生内存泄漏。 在后端编程中尤其有用，因为经常需要进行动态资源分配，而手动释放资源容易出错。
std::shared_ptr ptr(new int(10)); // 当 ptr 离开作用域时，内存将被自动释放
类型推断
C++中的 auto 关键字允许自动类型推断。 在后端编程中处理复杂数据类型时，它可以减少冗余代码，使代码更加简洁。
auto num = 5; // num 的类型为 int
auto str = "Hello, World!"; // str 是 const char* 类型
标准模板库（STL）
STL 是 C++中的一个库，提供了多个通用类和函数，包括但不限于一套强大的算法、如向量和映射等容器，以及迭代器。 在后端编程中，STL 可用于高效且简便地解决复杂的数据处理问题。
std::vector nums = {4, 2, 5, 1, 3};
std::sort(nums.begin(), nums.end()); // 对向量进行排序
本质上，C++丰富的语义提供了对系统资源的强大控制，并提供了一个强大的工具箱来创建高效且性能关键的后端系统。 无论是管理内存、处理异常还是利用面向对象编程的力量，理解 C++语义都是有效进行后端开发的关键。
C++数据结构
数据结构是开发者工具库中的核心工具，构成了众多编程任务的基础。 本节将介绍 C++中几种基础数据结构——数组、字符串、列表和向量——及其在后端开发中的应用。
数组
数组是存储在连续内存空间中相同类型元素的序列。 可用于存储固定大小的顺序元素集合。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
数组在编译时已知大小，这种特性使其效率极高，对于性能关键且数据大小预先可知的后端任务尤为有利。 但数组的大小固定，无法动态扩展或收缩。
字符串
C++中的字符串是以字符数组形式实现的，末尾以特殊字符 结尾。C++标准库提供了 string 类类型(std::string)，支持丰富的字符串操作功能。
std::string greeting = "Hello, World!";
在后端编程中，字符串无处不在——它们用于表示文本数据、操作和存储数据库信息、处理用户输入、生成 HTML 响应等。
列表(std::list)
std::list 是标准库提供的容器，由双向链表组成。 列表允许在任意位置高效地进行插入和删除操作。
std::list mylist = {7, 5, 16, 8};
在后端开发中，当需要频繁执行列表元素的插入和删除操作且元素顺序很重要时，链表会非常有用。 但由于无法通过索引直接访问元素，链表的元素访问速度不如数组或向量快。
向量（std::vector）
std::vector 是一种动态数组，是 C++中最常用的数据结构之一。 它允许通过位置索引轻松访问单个元素，并能在末尾相对高效地添加和移除元素。
std::vector myvector = {1, 2, 3, 4, 5};
向量在后端开发中具有极高的通用性和实用性。 它们可用于存储和操作数据集合，得益于动态调整大小的特性，非常适合在编译时无法确定数据量的场景。 在各种后端任务中都大有用武之地，比如存储处理用户数据、保存数据库查询结果，或缓冲来自网络流的数据。
C++中的面向对象编程
面向对象编程(OOP)是一种以"对象"概念为核心的编程范式。 这些对象是类的实例，可视为用户自定义的数据类型。OOP 的三大支柱是封装、继承和多态，这些特性在后端编程中都有广泛应用。
类与对象
类为创建对象(特定数据结构)提供了蓝图，将变量和函数整合到单一单元中。 在后端编程中，类可用于表示实体或概念。
例如，在博客应用的后端中，BlogPost 类可以表示一篇博客文章：
class BlogPost {
public:
BlogPost(const std::string& title, const std::string& author)
: title(title), author(author) {}
std::string getTitle() const { return title; }
std::string getAuthor() const { return author; }
private:
std::string title;
std::string author;
// More properties...
};
对象是类的实例。 创建对象就像声明特定类型的变量：
BlogPost post("我的第一篇博文", "John Doe");
继承
继承允许类从其他类继承常用的状态和行为。 在 C++中，一个类可以继承自一个父类，从而形成类的层次结构。
假设我们的后端有一个 User 类，现在要创建一个 AdminUser 类，它拥有 User 的所有属性，外加一些额外功能。 我们可以通过继承来实现这一点：
class User {
public:
User(const std::string& username) : username(username) {}
std::string getUsername() const { return username; }
// Other User methods...
private:
std::string username;
};
class AdminUser : public User {
public:
AdminUser(const std::string& username)
: User(username) {}
void performAdminTask() { /*...*/ }
};
多态性
多态性允许我们以不同方式执行单一操作。 它提供了一种灵活且可复用的代码组织和划分方式。 在 C++中，可以通过函数重载、运算符重载和接口（抽象类）实现多态。
例如，我们可以在后端定义一个 Database 类，并为不同类型的数据库（如 MongoDB、PostgreSQL 等）创建子类。 每个子类都可以实现相同的方法集（如 connect、query 等），但具体实现会有所不同。 这样，我们就可以编写与 Database 对象交互的后端代码，而实际使用的可以是任意子类的实例：
class Database {
public:
virtual void connect() = 0;
virtual void query(const std::string& sql) = 0;
// Other Database methods...
};
class MongoDB : public Database {
public:
void connect() override { /* MongoDB-specific connection code */ }
void query(const std::string& sql) override { /* MongoDB-specific query code */ }
};
class PostgreSQL : public Database {
public:
void connect() override { /* PostgreSQL-specific connection code */ }
void query(const std::string& sql) override { /* PostgreSQL-specific query code */ }
};
面向对象编程（OOP）原则对于设计和组织优质后端代码至关重要。 它们让我们能够以现实世界实体及其交互的方式来思考代码，使代码更易于理解和维护。 通过围绕对象构建代码并运用封装、继承和多态性原则，我们可以创建健壮且可维护的后端系统。
标准模板库
标准模板库（STL）是 C++的强大特性，提供了一系列用于常见数据结构和算法的模板。 它提供了丰富的组件，可以极大加速后端开发。 本节我们将重点介绍其中几个关键组件，特别是容器、算法和函数对象，这些组件在数据结构化和操作中起着关键作用。
容器
容器是用于存储其他对象集合的持有者对象。 它们以类模板的形式实现。 后端开发中最常用的容器包括 std::vector、std::map、std::set 和 std::unordered_map。
Std::vector
正如我们之前讨论过的，它是一个动态数组。 当你需要一个可调整大小的类似数组的容器时非常有用。
std::vector vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::map 和 std::unordered_map
这些是用于存储键值对元素的关联容器。std::map 以排序方式存储键，而 std::unordered_map 使用哈希表存储键，这通常能实现更快的查找速度。 它们适用于通过键来存储和访问数据，类似于数据库的使用方式。
std::map map = {{"apple", 5}, {"orange", 10}};
std::unordered_map unordered_map = {{"apple", 5}, {"orange", 10}};
std::set 和 std::unordered_set
这些容器用于存储唯一元素。std::set 保持元素有序排列，而 std::unordered_set 使用哈希表存储。 当需要快速检查某个元素是否存在于集合中时，它们非常有用。
std::set set = {1, 2, 3, 4, 5};
std::unordered_set unordered_set = {1, 2, 3, 4, 5};
算法
STL 提供了一组可用于 STL 容器的算法。 这些算法涵盖了包括搜索、排序、修改等多种功能。 举几个例子：
std::sort()
该算法对范围内的元素进行排序。 在后端开发中经常用于在将数据发送给客户端或进一步处理前进行排序。
std::vector vec = {5, 3, 4, 1, 2};
std::sort(vec.begin(), vec.end());
std::find()
该算法用于在容器中查找元素。 当你需要检查某个值是否存在于容器中时，它非常有用。
std::vector vec = {5, 3, 4, 1, 2};
auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);
函数对象（仿函数）
函数对象，或称仿函数，是一种可以像函数一样被调用的对象。 通过在类中定义 operator()运算符，可以创建仿函数。 仿函数可以作为 STL 算法的参数使用，为算法提供自定义行为的方式。
例如，可以创建一个用于比较两个 BlogPost 对象的仿函数，并用它对包含 BlogPost 对象的 std::vector 进行排序：
class BlogPost {
public:
BlogPost(const std::string& title) : title(title) {}
std::string getTitle() const { return title; }
private:
std::string title;
};
class CompareBlogPosts {
public:
bool operator()(const BlogPost& a, const BlogPost& b) const {
return a.getTitle() < b.getTitle();
}
};
std::vector posts = {BlogPost("Post 2"), BlogPost("Post 1")};
std::sort(posts.begin(), posts.end(), CompareBlogPosts());
这种设计模式能让您编写出易于复用且适应各种场景的代码，这正是后端开发中经常需要的。STL 是 C++不可或缺的组成部分，每位后端开发人员都应熟悉它。
错误处理
在 C++中，错误处理通常通过异常机制来实现。 异常是程序执行过程中发生的、会中断程序正常指令流的事件。 当检测到错误条件时，可以抛出异常，随后该异常需要以某种方式被捕获并处理。
抛出异常
您可以使用 throw 关键字后接异常对象来抛出异常。 该对象可以是任意类型，但通常使用 C++标准库提供的异常类型（std::exception 及其子类），或自定义异常类型。
以下是一个后端编程场景的示例。 假设您有一个通过 ID 从数据库获取 BlogPost 对象的函数：
BlogPost getBlogPost(int id) {
// Fetch the BlogPost from the database...
if (/* failed to fetch the BlogPost */) {
throw std::runtime_error("Failed to fetch the blog post from the database");
}
// Return the fetched BlogPost...
}
捕获异常
当抛出异常时，程序的控制流会跳转到能够处理该类型异常的最接近的 catch 块。 如果找不到这样的 catch 块，程序将终止。
要捕获异常，需使用 try/catch 块。 将可能抛出异常的代码放在 try 块中，异常处理代码则放在 catch 块中。
以下是一个示例：
try {
BlogPost post = getBlogPost(1);
// Process the fetched BlogPost...
} catch (const std::exception& e) {
// Log the error message and handle the error condition...
std::cerr << "An error occurred: " << e.what() << std::endl;
}
在 catch 块中，我们通过引用来捕获异常以避免切片问题（即丢失派生类异常的数据）。 我们捕获 std::exception，这是标准库中所有异常的基类，因此这将捕获所有标准异常。
std::exception 的 what()成员函数返回描述错误的字符串，我们将其记录到标准错误流(std::cerr)中。
自定义异常类型
在某些情况下，您可能需要定义自己的异常类型。 这可以通过定义一个继承自 std::exception（或其子类）的类来实现，并重写 what()成员函数以提供自定义错误消息。
例如：
class DatabaseException : public std::runtime_error {
public:
DatabaseException(const std::string& message)
: std::runtime_error(message) {}
};
BlogPost getBlogPost(int id) {
// Fetch the BlogPost from the database...
if (/* failed to fetch the BlogPost */) {
throw DatabaseException("Failed to fetch the blog post from the database");
}
// Return the fetched BlogPost...
}
多线程
多线程是后端开发中提升应用性能和响应能力的常用技术，它允许多个任务并发执行。C++通过其线程库为多线程提供了强大的支持。
创建新线程
C++中执行的基本单位是线程。 每个线程独立运行，拥有自己的执行路径和栈内存。 创建新线程非常简单。 只需实例化 std::thread 对象并为其提供要执行的函数即可。
下面是一个简单的示例：
#include
void doWork() {
// Code for the new thread to execute...
}
int main() {
std::thread worker(doWork);
// ... other code ...
// Wait for the worker thread to finish before exiting the main thread.
worker.join();
}
在上述示例程序中，启动了一个新线程，该线程与 main 函数中的其余代码并发运行 doWork 函数。 使用 join 函数确保主线程在退出前等待工作线程完成。
数据共享与同步
在多线程程序中，多个线程可能需要共享数据。 但由于线程独立运行，存在数据竞争的风险，即两个线程试图并发访问和修改同一数据，从而导致未定义行为。
为避免这种情况，C++提供了多种同步原语，如 std::mutex 和 std::lock_guard。 下面给出它们的使用示例：
#include
#include
std::mutex mtx;
int sharedData = 0;
void incrementData() {
std::lock_guard lock(mtx);
++sharedData;
}
int main() {
std::thread t1(incrementData);
std::thread t2(incrementData);
t1.join();
t2.join();
// At this point, sharedData is guaranteed to be 2.
}
在上述示例程序中，incrementData 函数由两个线程并发执行。 但由于它在增加 sharedData 前先锁定了 mtx 互斥量，因此每次只有一个线程能对 sharedData 进行递增操作，从而避免了数据竞争。
后端开发中的应用
后端开发中的多线程技术通过并发处理多个请求来提升性能。 每个传入请求都可以分配给一个新线程，确保处理过程不受干扰。 这种并行执行方式优化了资源利用率，缩短了响应时间，并提高了系统的整体吞吐量。
以下是一个简化示例：
#include
#include
void handleRequest(Request req) {
// Process the request...
}
int main() {
std::vector workers;
while (true) {
Request req = getIncomingRequest();
workers.push_back(std::thread(handleRequest, req));
}
// In a real application, you'd need to join the threads at some point.
}
在上述示例程序中，每个传入请求都会启动一个新线程来运行 handleRequest 函数。 这使得服务器能够并发处理多个请求。
总结
本章我们深入探讨了如何高效利用 C++编程语言进行后端开发。 章节伊始，我们讨论了使用 C++进行后端编程的可能性。 我们还分析了 C++成为软件应用后端开发优选方案的若干原因，包括其高效性、强健性以及灵活性等特性。
我们的探索之旅带领我们深入领略了 C++语法与语义的奥妙，揭示了如何将这些语言特性应用于后端开发框架中。 我们系统梳理了数组、字符串、列表和向量等数据结构，并深入探讨了面向对象编程中类、对象、继承与多态等核心概念。 数组、字符串、列表和向量都是数据结构的典型实例。 随后我们领略了标准模板库(STL)的强大威力，重点关注其中对后端开发至关重要的各类模板与组件。
在章节末尾，我们将注意力转向了 C++中可用的错误处理和多线程功能。 通过研究和理解异常及其在错误处理中的应用，我们学会了如何编写更健壮且无错误的代码。 对多线程的探索让我们发现了一种方法，应用该方法可实现任务的并发执行，从而提升后端应用的效率和响应能力。 总体而言，本章非常有帮助，它让我们全面理解了如何有效地使用 C++进行后端编程。 这为进一步研究和实际应用这些知识奠定了坚实基础。
