C++语言体系设计哲学的一些随想(未完待续)

对于静态类型语言，其本质目标在于恰当地操作数据，得到期望的值。具体而言，需要：

（1）定义数据类型

你定义的数据是什么，是整形还是浮点还是字符。该类型的数据可以包含的值的范围是什么。

（2）定义操作的含义

操作是严格数据类型相关的。操作表明了对了一个具有特定类型的数据，执行操作后产生什么样结果。

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C++就是一个典型的静态类型语言。在C++中，无论是"数据类型"还是"操作"，都分为内置的和自定义的。

C++的内置数据类型包括：

（1）基本内置类型

整形、浮点、布尔、字符....

（2）STL库定义的类型

例如常用的iostream、string、迭代器......

此外C++和定义了复合类型机制，包括所有类型的引用、指针、数组，他们可以作为一个完整数据类型的一部分。

顺便提一下，顶层/底层const、static、volatile...等修饰符，定义了数据的其他属性，这些属性也可以是一个完整数据类型的组成部分。

而自定义类型，最常用的就是class、struct、union定义，还有函数签名，当然也可以使用复合类型机制定义自己类的引用、指针、数组等。

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重点在于，无论是变量还是常量，必须属于某一特定的数据类型。因为操作只有基于精确的数据类型，其定义才有了确定的含义（在编译原理中叫做“语义”）。也就是说，在一个确定的操作集合中(例如C++语言内置的所有操作)，只要给一个变量赋于了数据类型，这个变量可以执行的操作也就确定了。定义变量nVal为int类型，那么nVal就可以参与加减乘除、关系运算、拷贝、转换为double、传递给函数形参、作为数组的下标.........

C++的“操作”，其含义非常广泛。其实C++语言已经通过成员函数、操作符重载、函数重载、构造函数定义的隐式类型转换...等机制，表明了 C++作为一个静态类型语言的本质：属于特定类型的数据，加上其上的操作。可以这样理解，任何一个操作，本质就是函数，操作符在C++语言内部也是被当作函数来看待的（这也能解释C++提供operator操作符重载机制的动机）；类的成员函数、友元函数，也是对类本身这个“数据类型”的操作。

更进一步，操作本身也是一种特殊的数据类型。可以定义函数的指针、函数的数组，成员访问（->*,.*），只是可以被当作数据类型来使用的机会不多，也被语言本身限制了。

C++的内置操作不太好理解，实际上我们常用的语言机制都是“操作”，具体包含了：

（1）各种各样的操作符

算术操作符、关系操作符、位运算、取地址、单目运算、解引用、数组元素访问.....

（2）拷贝操作

拷贝初始化、列表初始化（C++ 11）、赋值运算、函数传参、函数返回值、类型转换执行的临时变量拷贝......等其他非引用场景

（3）数据类型转换

类型转换也是一种操作。对于普通的操作，执行前需先匹配要操作的数据的类型。现实中，不可能总能保证在代码里提供类型严格匹配的数据，因此类型转换也是C++语言非常普遍的操作。

该如何理解这样的操作呢？举个例子，例如：

int nVal = 42;

double fVal = 3.14;

double fValTwo;

fValTwo = fVal + nVal ; // nVal类型提升为double

上述代码最后一行的相加操作将执行类型提升。从编译器的角度看，此时将生成一个匿名的变量，变量的类新和需要匹配的类型(double)相同，之后执行int至double的类型转换操作，操作结果保存在这个匿名变量中。之后才会执行“+”操作。也就是说，如果选定了操作，那么就会期待若干数据类型完全匹配的操作数，为了满足这个条件，系统会执行类型转换。

对于赋值操作，该操作会期待=右边操作数的数据类型和左边完全匹配，此时也会和上述相同，生成匿名变量，执行类型转换。准备工作完成后，再执行"="操作。

函数的调用也是基于相同的原理，即实参类型和形参类型的匹配。

... ...

C++语言内部定义了异常复杂的类型转换规则（操作），只不过大多数对使用者是透明的。例如：

整形提升 - char、short、bool会先转换为int；

类型提升 - 防止精度损失；

类型降低 -有精度损失，常见于拷贝操作。拷贝操作是将源对象严格匹配目标对象，因此不会有算术操作里的“整形提升”。拷贝包括了拷贝初始化、赋值运算、函数调用实参赋给形参

非bool值都可以转换为bool，相反则转换为0/1；

任意类新指针都可转换为void*；

数组在不用于decltype、sizeof、typeid、取地址&的情况下，会自动转换为指向第一个元素的指针。

非底层const向底层const的转换 - 指向常量的引用和指针可以绑定到非常量上，和内置类型的提升与降低不同，底层const向非底层const的转换是非法的；

子类向基类的转换 - 基类指针/引用可以指向子类，这是多态的基础。和底层const一样，相反的转换是非法的。

... ...

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PS:关于底层const和继承体系类型转换的单向性：

本质而言，一个数据的数据类型，可以执行的操作的集合越小，该数据可以引用/绑定的对象类型越广。例如：

数据类型A，可以执行operA - operZ 共26个操作。数据类新B，可以执行的操作是A的子集，比如operH-operN。那么，B的引用/指针可以绑定到A（B的引用/指针可以接受A/A的指针赋值），相反则是非法的。

const int *不能修改指向的int，而int *可以，也就是说，数据类型const int *的操作范围比int *要小，所以const int *可以绑定到int*指向的对象（本质上是指const int *可以接受int*赋值）。
在继承体系中，基类的操作范围肯定是小于子类的，所以 基类指针指向/基类引用 子类的合法的。

造成这一切的原因就在于，对静态类型语言，编译器始终“固执”地、“自以为是”地按照其静态声明类型，来决定一个操作是否合法，而不去管这个对象实际指向的类型。可以想象，编译器“自以为是”地认为通过int *可以改变这个int，而不管这个int*实际指向的是const int，如果允许底层const向非底层const转换，就会带来冲突。

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PS:基于该观点理解重载

函数重载、操作符重载的本质，是用同一个名字定义了多个操作。结果是在编译阶段引入了一个确定具体操作的过程 - 从候选操作中选出最匹配的操作。而上述“类型转换”操作则是在运行阶段进行的。

自定义操作，包括我们定义的普通函数、成员函数、重载的操作符、构造函数定义的隐式类型转换、拷贝构造函数定义的拷贝操作...

未完待续