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C++ VS Python

我的主要语言是Python，C，C++，本文对它们进行对比。

对它们的对比，需要从多个角度来进行展开，主要以《Compilers Principles Techniques and Tools 2nd.pdf》为蓝本，然后加上一些我之前在computer science中所总结的内容；

Compiler and interpreter

首先需要准确地理解compiler和interpreter，《Compilers Principles Techniques and Tools 2nd.pdf》chapter 1.1 Language Processors：

Simply stated, a compiler is a program that can read a program in one language , the source language and translate it into an equivalent program in another language , the target language;

source program
      |
     \|/
  {Compiler}
      |
     \|/
target program

c和c++中，compiler的target language是executable machine-language program；

python中，compiler的target language是bytecode.（参见Is Python interpreted or compiled? Yes.）

显然，c和c++经过编译生成的program是可以直接执行的，而python经过编译生成的program则需要python interpreter的解释执行；

这就注定了**Python**的很多事情是由**interpreter**完成的，而C++的很多事情是由**compiler**完成的。前者是静态的，后者是动态的:

Python的指令是非常抽象的，Python中由**interpreter**来选择**magic function**; C++中由compiler来选择**magic function**;

Static VS dynamic

C++的核心特性是: static; Python的核心特性是: dynamic; 这是它们的主要差别之一。

Python很多runtime(interpreter / dynamic)执行的事情，C++都可以在compile time(compiler / static )完成:

1) C++ static stype VS Python dynamic type;

参见下面的Type system章节

2) C++ member detection idiom VS Python hasattr

3) C++ static polymorphism VS Python不支持static polymorphism

C++ 的“静” VS python的“动”

C++的compile保证进行了严格的检查

Python则是完全动态的，它有EAFP、LBYL

参见：Idiomatic Python: EAFP versus LBYL

Programming paradigm

Generic programming

参见Theory\Programming-paradigm\Generic-programming\Implementation章节；

Metaprogramming

C++ metaprogram是compile-time(static)执行 VS Python metaprogram是run-time(dynamic)执行

参见: Theory\Programming-paradigm\Metaprogramming章节。

Programming Language Basics

declaration，definition，statement，expression

declaration和definition是两个非常接近且容易混淆的概念，在此之前先必须把这两个搞清楚；

在c和c++中，有头文件（header file .h）和源代码文件（source code file .c和.cpp）文件，在这两门语言中同时包含declaration和definition，并且区分它们；而python则只有.py文件，并且python lacks declaration，即python中只有definition；

在compiler/declaration，definition，statement，expression中对这个问题进行了专门的分析；

Resource management

此处的resource为：network connection、file、...。

c++中使用RAII，python中使用with，而c中，则没有特别的机制，所有的一切都需要programmer显示地调用与执行，c中经常使用goto。

对资源的管理设计到一对相反的操作：

  • new and delete
  • lock and unlock

不同的语言有不同的支持方式：

  • C++ RAII
  • python with

在工程Linux-OS的Linux-OS's-multitasking中的process-resource章节对此进行了描述。

思考：可以看到，无论python还是c++，resource management方案都是涉及一对相反的操作，c++的resource management方案使用的基于scope的，而python的scope非常简单，所以它使用的是magic function的方式。

python、java的resource management所采用的是Dispose pattern。

Magic function的使用

c中压根就没有magic function，c compiler在编译source code的时候，无需为其生成或者选择指定的函数；

c++中使用了magic function，比如它支持各种constructor，其实constructor就是最最典型的magic function；c++ compiler会在翻译代码的过程中，根据需求为在编译生成的代码加入constructor，比如MyClass a，编译器在编译过程中，就会加入constructor；显然，c++中，这些magic function的选择是static的，是在compile time的；并且c++区分copy语义和move语义，编译器能够根据source code选择正确的constructor；
DefaultConstructible specifies that an object of the type can be default constructed (named requirement)
MoveConstructible(C++11) specifies that an object of the type can be constructed from rvalue (named requirement)
CopyConstructible specifies that an object of the type can be constructed from lvalue (named requirement)
MoveAssignable(C++11) specifies that an object of the type can be assigned from rvalue (named requirement)
CopyAssignable specifies that an object of the type can be assigned from lvalue (named requirement)
Destructible specifies that an object of the type can be destroyed (named requirement)

python中则存在着大量的magic function，比如为了支持iteration，支持index等；python使用的是name lookup，对magic function的选择也是使用的name lookup，并且python的name lookup是发生在runtime，所以python的magic function是发生在runtime的；

c++比较复杂，并且它的类型限制非常严格，并且它的类型限制都是通过compiler来进行的；它的standard library对于操作的**类型**会提出named requirement，如果对应的类型不满足standard library所要求的named requirement的话，则compiler会报错；如下是一些典型的named requirement，其实如果programmer在进行program的时候，如果要想让自己定义的type满足对应的requirement的话，就需要提供对应的function；

SUMMARY : 关于c++的named requirement，通过这篇文章就可以进行理解：C++ vector emplace_back calls copy constructor

python和c++不同，它也是强类型的，但是python是duck type，python的类型限制不是通过它的compiler来进行的，它的**类型限制**是通过runtime的name lookup，主要对象定义了它所期望的magic function，则它就认为这个对象满足了自己的**类型限制**；

和python与c++相比，c则没有如此都的限制，c语言中，压根就没有magic method；

Type system

constant

c++和c中使用const (computer programming) 来作为Type qualifier

python中采取的是完全不同的方式，python中没有Type qualifier，python中，type就决定了数据的const，并且在python中，压根就不叫const，python中叫做*mutable*，在python的Data model中对这个问题进行了描述；An object’s mutability is determined by its type;numbers, strings and tuples are immutable, while dictionaries and lists are mutable.

THINKING :

  • 在c中，何时必须要使用const？如通过const char *来引用一个c string

Explicit or implicit declaration and inference

关于这一点，c，c++和python采用了完全相反的方式；

C and C++, require type declarations: the programmer must explicitly associate each variable with a specific type.

而python则无需type declaration；

Type safety

c语言即非type safe也非memory safe；

Type checking

c和c++所采用的是static check，而python所采用的是dynamic type；

type operation

programming language需要提供interface来供用户对type进行operate，下面总结一下常见的type operation。

Type introspection

其实简单来说， 就是instance of，即object确定它的type，这也叫做introspection。

type conversion and type cast

Scope

这三种programming language采用的都是static scope，都是基于block scope

Python display vs c, c++ Initialization

c Initialization , c++ Initialization 实现对variable的initialize；

python lack declaration，但是python中也提供了类似的语法，python这种叫做display

Exception

c++和python都提供了exception机制；由于python是由python interpreter解释执行，而c++程序是由OS直接运行，因此两者的exception和OS之间的关联是不同的；python中的exception会导致python interpreter的执行路径改变，基本上不会涉及到OS；而c++中的exception，则会转换为OS的signal，最终可能导致程序终止运行；

c语言没有；

Python and c++

pMeanRate = tanhx(pMeanRate, 2);
这段代码在c++中是非常好理解的：pMeanRate是一个左值，所以它既能够被read，也能够被write；但是在python中，=所表示的是name bind；

C++17 Structured binding 和 python Assignment

初次接触c++ 17引入的structured binding特性，我第一想法就是它非常类似于python的tuple assignment。

C++ iteration vs python iteration

python通过magic function __next__、__iter__来支持iterator，c++显式定义了iterator类。

Implicit iterator/foreach

关于implicit iterator/foreach，参见工程discrete的Relation-structure-computation\Computation\Repetition\Iteration章节。这两种语言都支持这种模式的iteration。

Python的iteration默认是implicit iterator/foreach。

C++11 range-for 实现implicit iterator/foreach。

Reverse iteration

c++通过reverse_iterator，python通过builtin reverse来实现。

Function and ->

python的Function definitions和c++的Function declaration中，都引入了->符合，两种语言中->的一个共性是：->对函数的返回类型进行说明，c++中将此称为“ Trailing return type”，python中将此称为 ““return” annotation”。

与此类似的是，JavaScript中有=>符合，参见维基百科JavaScript。

Specifier

python中基本上没有什么specifier，但是在c++和c中存在着大量的specifier，为什么呢？

因为c++和c是system language，它们需要对process运行的底层细节进行描述、进行控制，这些specifier就是出于此目的的。

如下是对specifier的分类：

使用specifier来对某一方面进行描述。

Name

在cppreference Declarations中关于“name”的描述

Declarations introduce (or re-introduce) names into the C++ program.