前言
# 前言
通过《C++23快速入门》学习C++23的最新特性，对于想要拓展知识和技能的经验丰富的开发者而言，这本书堪称完美。本书采用实践导向的方法，通过解决C++中复杂编程挑战的实际示例和场景，助力读者快速学习。本书开篇展示了可变参数模板（variadic templates）的强大功能，以及如何使用它们实现动态函数签名。在熟悉用于处理参数的折叠表达式（fold expressions）之后，你将探索如何使用std::tuple和std::variant来处理异构数据（heterogeneous data）。随后，本书涵盖了使用参数包进行高级函数变形、变形lambda表达式，以及动态编程技术。它还会教授复杂的函数重载，以及使用未来对象（futures）、承诺对象（promises）和可调用对象（callables）进行高级线程编排。
接下来，我们将探讨一些低级IO操作，例如控制IO流、高效处理文件描述符（file descriptors）以及直接操作文件。然后，你将学习如何使用共享指针（shared pointers）、独特指针（unique pointers）和弱指针（weak pointers）优化内存管理，以及如何通过自定义分配器（custom allocators）和缓存感知编程（cache-aware programming）提升内存性能。你将学习高级同步机制，包括原子操作（atomic operations）、互斥锁（mutexes）、锁（locks）和线程池（thread pools），以及实现极致性能的无锁数据结构（lock-free data structures）。此外，本书还涵盖了优化的整数和浮点运算、任意精度算术（arbitrary precision arithmetic）、使用定点算术（fixed-point arithmetic）进行精确舍入，以及通过整合数学常量实现高性能计算。
在本书中，你将学习如何：
- 利用C++23的可变参数模板实现动态函数签名。
- 使用折叠表达式简化复杂的函数操作和参数处理。
- 在高性能应用程序中，使用
std::tuple和std::variant管理异构数据。 - 使用参数包和完美转发（perfect forwarding）创建灵活的函数签名。
- 使用变形lambda表达式实现灵活的参数模式。
- 掌握文件操作和流管理，创建高效的低级IO系统。
- 使用独特指针、共享指针和弱指针定制内存管理，以控制资源。
- 通过互斥锁、锁和线程池提升并行处理能力。
- 创建无锁数据结构，减少并发系统中的锁定开销。
- 使用数学常量和精确舍入改进数值计算。
# 需要的前置知识
这本实用的书籍非常适合希望充分利用C++23优势的高级C++用户。熟悉C++11及更高版本，将有助于你从本书中获得最大收益。
# 引言
几年前，当我初次接触C++时，它能够精准构建复杂系统的能力令我惊叹不已。在探索过程中我发现，C++显然不是一门普通的编程语言，它是用于开发强大的高性能应用程序的工具。随着语言的发展，我通过运用新特性，进一步提升了对程序的控制能力和灵活性。现代编程需要强大的功能和高效的性能，而C++23正是开启这个时代的标志。本书正是顺应了这一需求。《现代C++23快速上手专业版》是一本必备书籍，能助你将C++技能提升到新的高度。本书并非只讲概念，而是专注于创建和剖析实际示例。你将学到可以立即应用到实际工作中的技术。我决心全身心投入学习这门语言的最新特性，暂时避开理论性的旁枝末节。
我们将从C++最引人入胜的特性之一——可变参数模板开始学习。如果你曾在函数中处理动态的、数量未知的参数时遇到困难，可变参数模板就是解决方案。接下来，我们会学习折叠表达式，它是一种简化可变参数操作的优雅方式。这种方法无需编写样板代码，让你能够专注于逻辑实现。在开头几章，我会展示如何将这些理念融入高度灵活且可复用的函数中。
在C++23中，类型的使用将开启全新的局面。在管理和操作不同数据类型方面，std::tuple和std::variant会成为你的得力助手。无论你是在处理数据库、数据流，还是管理复杂系统，这些特性都能在确保类型安全的同时，让你的代码兼具可读性和高性能。最后，我们将介绍复杂的数值运算，比如任意精度算术和精度可控的定点算术。在科学计算、实时系统和金融等领域，即使是微小的舍入误差也可能引发严重问题，掌握这些知识是取得成功的关键。
本书绝非浅尝辄止，而是深入探讨。我将教你突破C++23的应用边界。我们将从理解基本概念起步，逐步精通这门语言的最先进特性。你还将探索引人入胜的低级I/O世界。直接文件操作和IO流将拓展C++在硬件控制方面为开发者带来的可能性。这些内容将改变人们开发性能关键型应用程序的方式，因为在这类应用中，高效的IO操作往往决定成败。
本书还涵盖内存管理内容。我见过无数项目因内存泄漏、使用效率低下或资源管理不善而失败。但这些问题是可以避免的。我会介绍共享指针、弱指针和独特指针的用法，还会讲解自定义分配器和缓存感知编程。在学习构建超越传统方法的内存系统时，你将对资源分配和管理有更深入的理解。最后，我们必须谈及多线程；否则，对现代C++的学习就是不完整的。我会展示如何轻松创建和同步线程，使用互斥锁和锁避免死锁，以及通过线程池优化并行执行。我尤其期待向你展示如何在高度并发的环境中使用无锁数据结构，避免锁定带来的开销。最后，我们将学习高级数值运算，包括任意精度算术和定点算术，这些能实现更精确的控制。在科学计算、实时系统和金融领域，即使是极小的舍入错误也可能产生重大影响，这些知识至关重要。
本书的目标不是浅尝辄止，而是帮助你熟练掌握C++23，探索这门语言的极限。
# 目录
# 第1章：C++23中可变参数功能的潜力
- 概述
- 可变参数模板的强大之处
- 背景
- 可变参数模板为何强大？递归模板实例化
- 利用参数包
- 适用性和用例
- 用折叠表达式构建动态函数
- 带有可变参数模板的初始程序
- 用折叠表达式简化
- 合并参数列表以进行聚合
- 消除样板代码
- 熟练掌握
std::tuple和std::variant- 用
std::tuple管理异构数据 - 操作和解包元组（tuple）
- 用
std::variant实现类型安全的联合（union） - 转换和访问
std::variant的值 - 结合使用
std::tuple和std::variant
- 用
- 掌握参数包以实现灵活的函数签名
- 将参数包付诸实践
- 完美转发（Perfect Forwarding）和万能引用（Universal References）
- 完美转发
- 万能引用
- 用参数包实现完美转发
- 用参数包组合多种类型
- 总结
# 第2章：函数和Lambda表达式变形
- 概述
- 用参数包变形函数
- 用参数包动态变形函数
- 创建可复用且灵活的API
- 用参数包实现完美转发
- 用模板元编程实现灵活的API
- 使用变形Lambda表达式处理可变参数
- Lambda表达式简介
- 利用变形Lambda表达式
- Lambda表达式作为灵活且动态的可调用对象
- 变形Lambda表达式与其他可调用对象
- 用函数重载技巧编写代码
- 基本函数重载
- 结合可变参数模板和函数重载
- 处理复杂的重载情况
- 用模板元编程进行重载解析
- 用完美转发构建类型安全的解决方案
- 用
std::function和可调用对象实现动态函数std::function简介- 存储和传递动态函数
- 带有
std::function的仿函数（Functors） - 传递函数作为参数
- 将函数存储在容器中
std::function与成员函数
- 总结
# 第3章：驾驭低级IO操作
- 概述
- 精确掌控文件描述符（File Descriptors）
- 打开和管理文件描述符
- 控制文件访问和非阻塞操作
- 使用文件描述符进行读写
- 精确处理文件系统资源
- 通过直接文件操作突破限制
- 在原始级别读写字节
- 管理直接文件操作的缓冲区
- 查找和操作文件偏移量
- 与存储设备直接交互
- 简化低级IO流
- 低级IO流概述
- 示例程序：将文件描述符包装在流缓冲区中
- 使用
underflow()进行读取 - 使用
overflow()进行写入 - 使用
sync()进行刷新 - 高级流缓冲区和IO流定制
- 为提高性能进行流缓冲区管理
- 为复杂I/O定制
std::streambuf
- 总结
# 第4章：精通缓冲和异步IO
- 概述
- 深入研究缓冲机制
- 缓冲技术
- 全缓冲（Full Buffering）
- 行缓冲（Line Buffering）
- 无缓冲（No Buffering）
- 示例程序：调整缓冲区大小以优化I/O
- 精通异步I/O
- 异步I/O概述
- 示例程序：使用
select()进行非阻塞I/O - 示例程序：使用网络套接字进行非阻塞I/O
- 通过直接IO突破数据传输限制
- 什么是直接I/O？
- 示例程序：在文件操作中使用直接I/O
- 使用内存映射I/O
- 零拷贝机制
- 异步流的I/O性能
- 协程（Coroutines）概述
- 示例程序：使用协程进行异步I/O
- 总结
# 第5章：卓越的内存管理
- 概述
- 优化内存布局
- 内存对齐（Memory Alignment）
- 消除填充（Padding Elimination）
- 缓存行优化（Cache-Line Optimization）
- 示例程序：优化内存布局
- 检查大小和对齐情况
- 优化内存布局
- 缓存行优化
- 对齐和编译器特定的优化
- 深入探究
std::string和std::string_viewstd::string与std::string_view的对比- 示例程序：集成
std::string和std::string_view - 示例程序：使用
std::string_view进行高效字符串解析 - 何时使用？
- 利用独特指针（Unique Pointers）、共享指针（Shared Pointers）和弱指针（Weak Pointers）
- 用智能指针定义粒子（Particle）和粒子系统（ParticleSystem）
- 模拟复杂交互
- 模拟和资源管理
- 总结
# 第6章：优化内存性能
- 概述
- 设计自定义分配器（Custom Allocators）
- 自定义分配器的过程
- 何时使用自定义分配器？
- 示例程序：一个简单的自定义分配器
- 通过缓存感知编程释放性能潜力
- CPU缓存的工作原理
- 示例程序：应用缓存感知编程
- 为提高缓存效率构建数据结构
- 优化缓存效率
- 缓存感知的数据遍历
- 用定位新表达式（Placement New）和对齐分配优化内存
- 定位新表达式简介
- 对齐分配简介
- 示例程序：定位新表达式和对齐分配
- 定义具有对齐要求的粒子结构
- 分配对齐内存
- 验证对齐情况
- 总结
# 第7章：面向专家的高级多线程编程
- 概述
- 轻松创建和控制线程
- 基本线程创建和管理
- 高级线程管理和同步
- 示例程序：创建多个线程
- 线程安全和数据竞争
- 为高性能应用创建线程
- 线程池（Thread Pooling）
- 基于任务的并行性（Task-based Parallelism）
- 负载均衡（Load Balancing）
- 示例程序：使用
std::async动态创建线程
- 用互斥锁（Mutexes）和锁（Locks）解锁并行性
- 什么是互斥锁和锁？
- 示例程序：使用互斥锁保护共享数据
- 示例程序：使用多个互斥锁避免死锁
- 使用
std::lock()避免死锁 - 示例程序：使用
std::unique_lock避免竞态条件（Race Condition）
- 用条件变量（Condition Variables）控制线程通信
- 条件变量的工作原理
- 示例程序：使用条件变量
- 示例程序：使用条件变量实现多个生产者和消费者
- 用线程池平衡负载
- 背景
- 线程池的工作原理
- 示例程序：设计一个线程池
- 示例程序：为线程池实现一个任务
- 总结
# 第8章：线程同步和原子操作精通
- 概述
- 线程同步以避免死锁
- 死锁的根本原因
- 死锁的用例
- 数据库死锁
- 操作系统中的死锁
- 多线程应用程序中的死锁
- 死锁避免技术
- 资源排序
- 锁层次结构和分层锁定
- 使用定时锁进行死锁检测
- 线程优先级反转（Thread Priority Inversion）和优先级继承（Priority Inheritance）
- 精确执行原子操作
- 原子操作概述
- 示例程序：在计数器中使用原子操作
- 使用比较并交换（Compare-and-Swap）进行高级原子操作
- 用未来对象（Futures）、承诺对象（Promises）和任务（Tasks）协调线程
- 未来对象、承诺对象和任务
- 示例程序：使用未来对象和承诺对象进行异步计算
- 使用
std::async进行高级线程编排 - 结合未来对象、承诺对象和任务
- 构建无锁数据结构以实现极致性能
- 数据结构实现无锁的原理
- 示例程序：构建一个无锁栈（Lock-Free Stack）
- 总结
# 第9章：提升浮点数和整数运算性能
- 概述
- 任意精度算术（Arbitrary Precision Arithmetic）
- 概念及其用途
- 任意精度算术的优势
- 示例程序：行星轨道模拟
- 示例程序：金融计算中的任意精度算术
- 加速算术运算
- 高效的数学运算算法
- 优化矩阵乘法
- 优化矩阵乘法算法
- 优化三角函数运算
- 掌握定点算术（Fixed-Point Arithmetic）
- 定点算术基础
- 定点算术的性能优势
- 实现定点算术
- 示例程序：用于温度控制的定点算术
- 精通数学常量和舍入
- 数学常量
- 在温度控制系统中应用数学常量
- 改进的舍入技术
- 应用改进的舍入技术
- 总结