前言

为什么写作本书

笔者自学生时代便开始接触 C++，工作以后先后负责过 C++客户端和服务端的开发工作。时至今日，C++仍然是笔者最喜欢的编程语言。在笔者看来，C++一旦学成，奇妙无穷，还可以快速学习其他编程语言和技术。

本书讲解了笔者近十年来使用 C++的一些经验和技巧，着重讲解基于C++的操作系统原理和服务器开发技术，希望读者通过学习本书，可以了解如何学习 C++，以及如何成为一名合格的C++开发者。

C/C++的当前应用领域

需要注意的是，本书不细分 C 语言与 C++的区别。在通常情况下，我们可以将 C++看作C语言的一个超集。C++虽然从功能层面来看，离C语言越来越“远”，但从语法层面来看，其大多数语法与 C 语言基本一致。对于 C++面向对象的特性，如果仔细探究的话，我们会发现 C++类方法的具体语法还是 C 语言的过程式语法，虽然这种现状正在不断改变。

C语言目前主要用于操作系统类偏底层的应用开发，比如Windows、Linux这样的大型商业操作系统，以及嵌入式操作系统、嵌入式设备。有些开源软件也会选择 C 语言进行开发，主要是考虑程序执行效率和生成的可执行文件的体积（C代码生成的可执行文件体积相对较小），当然，其中不乏一些历史技术选型的原因，比如Redis、libevent、Nginx等。

在将高级语言翻译成机器二进制码时，C++编译器生成了大量的额外机器码，而这种机器码相对于 C 语言来说不是必需的。例如，对于一个 C++类的实例方法，编译器在生成这个方法的机器码时，会将函数的第1个参数设置为对象的this指针地址，以此来实现对象与函数的绑定。正因如此，许多开发者都会优化和调整编译器生成的汇编代码。

C++当前的常见应用领域有：①我们目前见到的各种桌面应用软件，尤其是Windows桌面软件，例如QQ、安全类杀毒类软件、浏览器等；②一些基础软件和高级语言的运行时环境，例如大型数据库软件、Java虚拟机、C＃的CLR、Python编译器和运行时环境等；③业务型应用软件的后台，例如大型网络游戏的服务端和一些企业内部的应用系统等。

C++与操作系统

虽然Java、Python等的SDK或运行时环境最终也会调用操作系统API，但其自带的SDK 或者运行时环境都提供了常见的操作系统功能。而 C++的运行时环境一般是操作系统自身，因此C++是离操作系统更近的一种编程语言，执行效率更高。

但是，C++的整套语法不具备“功能完备性”，在大多数情况下，单纯地使用其本身提供的功能无法创建出任何有意义的程序，还必须借助操作系统API来实现。例如，C++本身不直接提供网络通信功能的 SDK，必须借助操作系统提供的套接字 API 才能实现网络通信；而对于Java来说，JDK自带的java.net、java.io等包则提供了完整的网络通信功能。所以，熟悉操作系统相关原理和 API 是用好 C++的前提，这也是 C++难学、对新手不友好的主要原因之一。

不过，随着 C++标准和版本的不断迭代，这种现状正在改变：在 C++标准库中引入了越来越多的功能，避免直接调用操作系统API。

不管怎样，应用直接使用操作系统API，程序执行效率高，控制力度大，开发能力仅仅限制于操作系统本身，这是 C++的优势之一。比如对于Java，假设操作系统提供了某个功能，但Java虚拟机不提供该功能，则开发人员也无法使用该功能。

编程大师Charles Petzold曾说过，操作系统是一个非常复杂的系统，在API之上加一层编程语言并不能消除其复杂性，最多将复杂性隐藏起来而已，而懂得系统 API 能让我们更快地挣脱困境。

如何看待C++11/14/17/20标准

C++既支持面向对象设计（OOP），也支持以模板语法为代表的泛型编程（GP）。从最初业界和开发者翘首以盼的C++11标准开始，历经C++14、C++17，到今天的C++20，版本差别越来越大，原来需要使用的第三库的功能也被陆续添加到 C++标准库中。C++标准不断发展，遵循C++最新标准的编译器层出不穷，C++变化越来越大、越来越快。

对于C++11、C++14、C++17乃至C++20的学习，笔者建议以实用为主，不必太纠结新标准中的一些高级特性和复杂模板，更应该学习其中实用的语法和工具库。

如何学好C++和后端开发

首先，我们应该打好基础。我们要熟练使用C++，还要结合具体的操作系统学习C++，熟悉某操作系统的 API 函数，以及与系统 API 关联的各类技术，比如各种进程与线程函数、多线程资源同步函数、文件操作函数、系统时间函数、内存分配与管理函数、网络编程、PE或ELF文件的编译、链接原理等。

如果已打好基础，就可以找一些高质量的开源项目去实战。最好找一些没有复杂业务的开源项目，或者是自己熟悉其业务的开源项目（如 IM 系统）。如果不熟悉其业务，那么不但要学习其业务（软件功能），还要学习其源码，最终两者难以兼顾。

因此，在学习这些项目之前，应该先确定自己的学习目的。如果学习目的是学习和借鉴这款软件的架构设计，那么建议先进行整体把握，不要一开始就迷失在细枝末节中，这叫作“粗读”。如果学习目的是学习开源软件在一些细节上的处理方法，那么可以有针对性地阅读自己感兴趣的模块，深入每一行代码。当然，学习适合自己当前阶段的项目源码才是最好的。

学习的过程一般是接触、熟悉、模仿、创造。不管对什么开源项目，在没有任何思路或者解决方案时，我们都应该先接触、熟悉、不断模仿，做到至少心中有一套对某场景的解决方案，再来谈创新、批判及改造。

笔者在学习陌生的开源项目时，喜欢先将程序用调试器正常“跑”起来；然后中断，统计当前的线程数，通过main函数从主线程追踪其他工作线程是如何创建的；接着分析和研究各线程的用途和线程之间的交互，这样可以做到整体性把握；最后找感兴趣的细节去学习。

总之，C++是一门讲究深度的编程语言，其“深度”不体现在掌握多少C++语法，而在于是否熟悉所写的C++代码背后的系统原理，这是需要长期积累的，当然，一旦学成，就可以快速学习其他编程语言和框架。

本书概要

本书总计 9 章，主要基于 C++，详细讲解服务器开发中基础且重要的技术栈，以期读者掌握“造轮子”的方法。

第1章讲解C++新标准中新增的常用语言特性和类库。

第2章讲解C++开发者应该掌握的各类开发工具和工作环境，详细、深入地讲解Linux gdb调试方面的内容。毫不夸张地说，掌握了gdb调试，就等于拿到了学习各种C++开源项目的“钥匙”。

第 3 章详细讲解多线程的原理，涵盖 Windows和 Linux 的各类线程同步原语，以及基于线程同步技术、生产者/消费者模型衍生的队列系统。

第4章进行操作系统层面的网络编程重难点解析，讲解Linux上的常用网络通信模型，通过大量详尽的代码实例和测试，深入浅出地探究和验证网络通信编程的重难点技术。

第5章讲解排查和定位网络通信问题的常用开发工具。

第6章详细讲解网络通信协议的设计思想，并从“造轮子”的角度讲解常用网络通信协议的格式、使用方法和注意事项，讲解设计网络通信协议时需要考虑的各类问题，最后对几种常用的通信协议逐一剖析并给出具体的实现逻辑。

第7章详细讲解如何设计一个高性能的带网络通信组件的服务，并结合一些经典案例进行分析，还详细讲解经典服务框架的设计思路和各个模块的具体实现方法。

第8章以redis-server源码为例，论证第7章讲解的服务设计原理。

第9章是对第7章内容的补充，详细讲解一个服务的常用模块设计思路。

相关资源

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若想获取关于高性能服务器开发的更多知识，可以关注笔者的两个微信公众号：“高性能服务器开发”和“程序员小方”。

致谢

感谢笔者的妻子承担家务及照顾笔者的生活，让笔者可以集中精力写作本书。

感谢各位同事帮助笔者成长与提高。

感谢王旭东等同学为本书的校对和勘误做出贡献，感谢“高性能服务器开发”群内小伙伴们的支持。

感谢电子工业出版社工作严谨、高效的张国霞编辑，她在成书过程中对笔者的指导、协助和鞭策，是本书得以完成的重要助力。