سي++11

تفضيل التغيرات التي يمكنها تطوير طريقة البرمجة

علاوةً على ذلك، زيادة سلامة النوع بتوفير بدائل آمنة عن الطرق الغير آمنة السابقة

زيادة الأداء والقدرة على العمل مباشرة مع العتاد الصلب

وفي هذا السياق، تحسين سي++ لتسهيل تصميم المكتبات والأنظمة بدلا من إدخال ميزات جديدة مفيدة فقط لنوع معين من التطبيقات

الإضافات لنواة لغة السي++

علاوةً على ذلك، أحد وظائف لجنة السي++ هي تطوير نواة اللغة. أجزاء نواة اللغة التي تم تحسينها بدرجة كبيرة تتضمن دعم الخيوط المتعددة ودعم البرمجة العمومية والتهيئة الموحدة والأداء.

في هذا الإطار، من أجل أهداف هذا المقال، فقد تم تجميع ميزات وتعديلات نواة اللغة إلى أربعة أقسام عاملة: تحسينات الأداء في وقت التنفيذ، تحسينات الأداء في وقت البناء، التحسينات المتعلقة بسهولة الاستخدام، القدرات الوظيفية الجديدة. بعض الميزات يمكن أن تتبع أكثر من قسم، لكنها ذكرت فقط في القسم الذي يمثل هذه الميزة بشكل رئيسي.

التعبيرات الثابتة المعممة - constexpr

في هذا الإطار، قدمت سي++11 الكلمة المفتاحية constexpr والتي تسمح للمستعمل في وقت الترجمة أن يضمن أن الدالة أو مشيد الكائن ثابتاً. المثال السابق يمكن إعادة كتابته كالتالي:

من جانب آخر، ومع ذلك فإن التعبيرات الثابتة لم تسمح أبداً باستدعاء دالة أو مشيد لكائن. لذلك فإن مجموعة الأوامر البسيطة التالية غير مقبولة:int get_five {return 5;}

إضافةً إلى ذلك، int some_value[get_five + 7]; // إنشاء مصفوفة من 12 عنصر، غير مقبول في السي بلس بلس

وعلى صعيد آخر، دائما ما كان لدى السي++ مفهوم التعبيرات الثابتة constant expression. هذه التعبيرات مثل 3+4 تعطي نفس النتيجة دائماً، في وقت الترجمة compile time وفي وقت التنفيذ run time. تعد التعبيرات الثابتة من فرص التحسين للمترجمات، حيث تقوم المترجمات غلباً بتنفيذها في وقت الترجمة وتضع النتيجة بدلاً من التعبير نفسه في البرنامج. كذلك في كثير من الأماكن تتطلب مواصفات سي++ استخدام التعبيرات الثابتة. فتعريف مصفوفة يتطلب تعبير ثابت وقيم القائمة العددية enumerator يجب أن تكون تعبيرات ثابتة.

ومن جهة أخرى، ذلك لم يكن مقبول في سي++03 لأن get_five + 7 ليست تعبير ثابت. مترجم سي++03 لم يكن قادراً على معرفة ما إذا كان get_five ثابت فعلا في وقت التنفيذ. نظرياً هذه الدالة يمكن أن تؤثر على متغير كوني global variable أو استدعاء دوال أخرى غير ثابتة في وقت التنفيذ، إلخ.

توفير حلول مناسبة لمشاكل الواقع

وعلى صعيد آخر، تنفيذ مبدأ بدون-نفقات (الدعم الإضافة اللازم لبعض الخدمات يجب استخدامه فقط إذا استعملت تلك الخدمات)

وفي السياق ذاته، اعتُبِر الاهتمام بالمبتدئين أمرا هاما، لأن أغلب مبرمجين الحاسوب مبتدئين، ولأن الكثير منهم لا يوسعون معرفتهم أبدا مقيدين أنفسهم بالعمل باللغة المتخصصين بها فقط.

وفي هذا السياق، جعل السي++ سهلة التعليم والتعلم بدون حذف أي خدمات يحتاجها المبرمجين ذوي الخبرة

تحسين التوافق مع اللغة سي

• للتوافق مع اللغة سي (من سي99) تم إضافة التالي:
• Preprocessor:
• Headers:
• انظر كذلك
• سي++
• سي++03
• المراجع
• وصلات خارجية
• The C++ Standards Committee
• C++0X: The New Face of Standard C++
• Herb Sutter's blog coverage of C++11

أهداف التصميم

• حاولت لجنة التصميم الالتزام بعدد من الأهداف عند تصميم سي++11:
• الحفاظ على الاستقرار والتوافق مع سي++98 وقدر الإمكان مع سي
• تفضيل إدخال الميزات الجديدة عن طريق المكتبة القياسية بدلا من تطوير نواة اللغة

القيمة اليمنى المرجعية ومشيدات النقل

من جانب آخر، في سي++03 وما قبلها وكما هو الحال في السي، فإن المؤقتات temporaries (تسمى القيم اليمنى rvalues حيث أنها تكون عادة على الجانب الأيمن من معامل التخصيص) لا تكون قابلة للتعديل أبدا ولا يمكن تمييزها من الانواع &const T، ومع ذلك ففي بعض الحالات يمكن تعديل المؤقتات، وهو سلوك كان يعتبر مخرجا مفيدا. في سي++11 تم إضافة نوع مرجعي جديد غير ثابت يسمى قيمة يمينية مرجعية وتعرف بـ&&T. وهذا يشير إلى المؤقتات التي يسمح بتعديلها بعد تهيئتها، بغرض السماح «بدلالات النقل».

وفي هذا السياق، لأسباب متعلقة بالسلامة فقد تم فرض بعض القيود. فالمتغيرات المسماة لا يتم اعتبارها أبداً قيمة يمينية، حتى لو تم تعريفها كذلك. وللحصول على قيمة يمينية فيجب استخدام قالب الدالة std::move. ولا يمكن تعديل القيم اليمنى المرجعية إلا في ظروف معينة، حيث أنها معدة بشكل رئيسي للاستخدام مع مشيدات النقل.

إضافةً إلى ذلك، مشيد النقل move constractor في سي++11 للصنف <std::vector<T والذي يأخذ قيمة يمنى مرجعية من <std::vector<T يمكنه نسخ مؤشر المصفوفة الداخلية من القيمة اليمنى إلى الكائن <std::vector<T الجديد، ثم تغيير المؤشر داخل القيمة اليمنى إلى القيمة لا شيء (Null). وبما أن الكائن المؤقت لن يُستخدَم مرة أخرى أبدا فليس هناك أي أوامر ستحاول الوصول إلى ذلك المؤشر الداخلي، ولأن المؤشر يشير على لا قيمة فإن الذاكرة لن تُحذَف عند الخروج من مجال الدالة. وبالتالي فإن هذه العملية لا تستغني عن نفقات النسخ العميق فقط لكنها كذلك آمنة ومخفية.

ومن جهة أخرى، يمكن للقيم اليمنى المرجعية أن توفر فوائد الأداء للأوامر البرمجية الموجودة دون الحاجة لعمل أي تعديلات خارج المكتبة القياسية. نوع القيمة المرجعة من الدالة التي تعيد <std::vector<T مؤقت لا تحتاج التغيير الصريح إلى && <std::vector<T لاستدعاء مشيد النقل، حيث تعتبر المؤقتات قيم يمينية تلقائياً (ومع ذلك إذا كان <std::vector<T في الإصدار سي++03 بدون مشيد النقل فسيتم استدعاء مشيد النسخ بـ& <const std::vector<T مسبباً استهلاك مساحة كبيرة من الذاكرة).

إضافةً إلى ذلك، المشكلة المزمنة في الأداء في سي++03 هي النسخ العميق deep copy المكلف والغير ضروري والذي يحدث ضمنيا عند تمرير الكائنات بالقيمة. لتوضيح ذلك اعتبر أن <std::vector<T غلافاً حول مصفوفة داخلية ذات حجما ما. إذا تم إنشاء كائن <std::vector<T مؤقت وإرجاعه من دالة، فسيمكن تخزينه فقط بإنشاء كائن <std::vector<T جديد ونسخ بيانات كل القيم اليمنى إليه. ثم يتم تدمير الكائن المؤقت وكل الذاكرة المخصصة له (لتبسيط هذا النقاش تم إهمال عملية تحسين القيمة المرجعة).

وفي هذا الصدد، بسبب طبيعة صياغة القيم اليمنى المرجعية وبسبب بعض التعديلات في صياغة القيم اليسرى المرجعية (المراجع العادية) فإن القيم اليمنى المرجعية تسمح للمطورين بتوفير إعادة توجيه أفضل للدوال function forwarding. وعند الجمع مع القوالب متغيرة المعطيات variadic templates فإن هذه القدرة تسمح للدوال ذات القوالب بإعادة توجيه المعطيات لدالة أخرى يمكنها أخذ تلك المعطيات. تعد الاستفادة الأكبر لإعادة توجيه معطيات المشيد هي إنشاء دوال مُصنّعة factory functions والتي ستستدعي تلقائياً المشيد الصحيح لتلك المعطيات. وقد تم رؤية ذلك في مجموعة emplace_back من دوال مكتبة سي++ القياسية.

constexpr int get_five {return 5;}

من جهة ثانية، استخدام constexpr مع الدالة يفرض بعض القيود على ما يمكن للدلة أن تفعله. أولا يجب أن يكون نوع البيانات المرجع من الدالة غير فارغ void. ثانيا داخل جسم الدالة لا يمكن الإعلان عن متغيرات أو تعريف أنواع بيانات جديدة. ثالثا جسم الدالة يمكن فقط أن يحتوي على إعلانات أو جمل فارغة null وجملة إرجاع واحدة. يجب أن يتواجد قيم معطيات بحيث أنه بعد ابدال المعطيات فإن التعبير في جملة الإرجاع ينتج تعبير ثابت.

وعلى صعيد آخر، لإنشاء قيم بيانات تعبير ثابت من أنواع بيانات معرفة من قبل المستعمل فإن المشيدات يمكن كذلك الإعلان عنها بـconstexpr. جسم دالة مشيد المعلن عنه كتعبير ثابت يمكن أن يحتوى على إعلانات وجمل فارغة فقط، ولا يمكن الإعلان عن متغيرات أو تعرف أنواع بيانات كما هو الحال مع الدوال المعلن عنها بـconstexpr. يجب أن تتواجد قيم معطيات بحيث أنه بعد ابدال المعطيات فإن تهيئة عناصر الصنف سينتج تعبيرات ثابتة. المهدمات لهذه الأنواع يجب أن تكون بسيطة.

وعلى صعيد آخر، قبل سي++11 كان يمكن استخدام قيم المتغيرات في التعبيرات الثابتة فقط إذا كانت المتغيرات معلن عن أنها ثابتة بـconst وتم تهيئتها بتعبير ثابت ونوعها أرقم صحيحة أو قائمة عددية. في سي++11 تم حذف القيد المتعلق بأن يكون نوع المتغيرات أرقام صحيحة أو قائمة عددية إذا تم تعريفها باستخدام الكلمة المفتاحية constexpr:constexpr double earth_gravitational_acceleration = 9.8;

وعلى صعيد آخر، إذا تم استدعاء دالة أو مشيد تعبير ثابت بمعطيات غير ثابتة التعبير، فإن الاستدعاء يتصرف كما لو أن الدالة ليست تعبير ثابت، وقيمة النتيجة لا تكون تعبير ثابت كذلك. بالمثل إذا كان تقييم التعبير في جملة الإرجاع لدالة تعبير ثابت لا ينتج تعبيراً ثابتاً فإن النتيجة لن تكون تعبير ثابت.

من جهة ثانية، عادة يجب تعريف مشيد النسخ لصنف لديه مشيدات تعبيرات ثابتة بأن يكون هو كذلك تعبير ثابت، وذلك للسماح للكائنات من هذا صنف أن يتم إرجاعها بالقيمة من دالة تعبير ثابت. يمكن الإعلان عن أي دالة عضو في الصنف مثل مشيدات النسخ والتحميلات الزائدة للمعاملات وغيرهم كتعبير ثابت طالما أنها مستوفية لشروط الدوال ثابتة التعبير. وهذا يسمح للمترجم أن ينسخ الكائنات في وقت الترجمة ويؤدي العمليات عليهم، إلخ.

من جانب آخر، هذا يسمح للمترجم من الفهم والتأكد من أن get_five ثابتة وقت الترجمة.

ومن جهة أخرى، constexpr double moon_gravitational_acceleration = earth_gravitational_acceleration / 6.0;هذه المتغيرات ثابتة ضمنياً const ويجب أن تهيأ بتعبير ثابت.

ومن ناحية أخرى، int some_value[get_five + 7]; // إنشاء مصفوفة من 12 عنصر، مقبول في السي++11

Anthony Williams' blog coverage of C++11

Online C++11 compiler

وفي هذا الصدد، Wiki page to help keep track of C++ 0x core language features and their availability in compilers

وفي هذا السياق، The State of the Language: An Interview with Bjarne Stroustrup (15 August 2008)

من جهة ثانية، A talk on C++0x given by Bjarne Stroustrup at the University of Waterloo

Online C++11 standard library reference

تعديلات مكتبة سي++ القياسية

وعلى صعيد آخر، تم إدخال عددا من الميزات الجديدة في المكتبة القياسية لسي++11. العديد منها يمكن تنفيذها تحت المعيار القديم، لكن البعض يعتمد على الميزات الجديدة للنواة في سي++11.

ومن جهة أخرى، اللجنة تعتزم الآن عمل تقرير فني ثاني (سيسمى التقرير الفني 2 أو اختصارا TR2) حيث اكتملت معايير سي++11. اقتراحات المكتبة التي لم تكن جاهزة في وقتها لسي++11 ستوضع في التقرير الفني 2 أو أي تقارير فنية إضافية.

ومن ناحية أخرى، جزء كبير من المكتبات الجديدة تم تعريفه في ملف التقرير الفني لمكتبة لجنة معايير السي++ (يسمى التقرير الفني 1 أو اختصارا TR1)، والذي نُشِر في عام 2005. الكثير من التنفيذات الكاملة والجزئية للتقرير متاحة في الوقت الحالي باستخدام النطاق الاسمي std::tr1. وقد تم نقلهم في سي++11 إلى النطاق الاسمي std. ومع ذلك فلاضافة ميزات التقرير الفني 1 إلى المكتبة القياسية لسي++11 فقد تم تحديثها بحيث تلائم ميزات لغة سي++11 والتي لم تكن متاحة عند الإصدارة المبدئية للتقرير الفني. وأيضا يمكن أن تكون محسنة مع الميزات الممكنة تحت سي++03 ولكن لم تكن جزء من المواصفات الأصلية للتقرير الفني.

تحسينات أداء نواة اللغة لوقت التنفيذ

ومن ناحية أخرى، ميزات اللغة هذه تتواجد بشكل رئيسي لتوفير بعض فوائد الأداء، سواء للذاكرة أو للسرعة الحاسوبية.