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C++

编程范型	多范型：面向对象编程，程序編程，泛型编程
設計者	比雅尼·斯特劳斯特鲁普
发行时间	1983年，​35年前​（1983）
穩定版本	ISO/IEC 14882:2017标准文档(需要购买) （2017年12月 ）
預覽版本	C++20(N4727) （ 2018年2月12日 ）
型態系統	静态类型，强类型，不安全
實作語言	C++ or C
文件扩展名	.C .cc .cpp .cxx .c++ .h .hh .hpp .hxx .h++
網站	isocpp.org
主要實作產品
Borland C++ Builder、GCC、Intel C++ Compiler、Microsoft Visual C++、Sun Studio、Clang、Qt
衍生副語言
ISO/IEC 14882:1998、ISO/IEC 14882:2003、ISO/IEC 14882:2011、ISO/IEC 14882:2014
啟發語言
Ada 83、ALGOL 68、C、CLU、ML、Simula
影響語言
Ada 95、Aikido、C99、C#、Clojure、D、Dao、Falcon、Java、Lua、Perl、PHP

C++是一种使用广泛的计算机程序设计语言。它是一种通用程序設計語言，支援多重编程模式，例如程序化程序設計、数据抽象、面向对象程序設計、泛型程序設計和设计模式等。

比雅尼·斯特勞斯特魯普博士在贝尔实验室工作期间在20世紀80年代發明並實現了C++。起初，這種語言被稱作“C with Classes”（“包含‘類’的C語言”），作為C語言的增強版出現。随后，C++不斷增加新特性。虚函数（virtual function）、运算符重载（operator overloading）、多繼承（multiple inheritance）、标准模板库（standard template library, STL）、异常处理（exception）、运行时类型信息（Runtime type information）、命名空間（namespace）等概念逐漸納入標準。1998年，國際標準組織（ISO）頒布了C++程序設計語言的第一個國際標準ISO/IEC 14882:1998，目前最新标准为ISO/IEC 14882:2017。根據《C++編程思想》（Thinking in C++）一書，C++與C的代码执行效率往往相差在±5%之間。

C++語言發展大概可以分為三個階段：第一階段從80年代到1995年。這一階段C++語言基本上是傳統類型上的面向对象語言，並且憑藉着接近C語言的效率，在工業界使用的開發語言中佔據了相當大份額；第二階段從1995年到2000年，這一階段由於標準模板庫（STL）和後來的Boost等程式庫的出現，泛型程序設計在C++中佔據了越來越多的比重。當然，同時由於Java、C#等語言的出現和硬體價格的大規模下降，C++受到了一定的衝擊；第三階段從2000年至今，由於以Loki、MPL(Boost)等程式庫為代表的產生式編程和模板元編程的出現，C++出現了發展歷史上又一個新的高峰，這些新技術的出現以及和原有技術的融合，使C++已經成為當今主流程序設計語言中最複雜的一員。

发展历史

比雅尼·史特勞斯特魯普，C++之父

比雅尼·史特勞斯特魯普（Stroustrup）工作起於1979年的C with Classes。這個構思起源於斯特劳斯特鲁普做博士論文時的一些程式撰寫經驗。他發現Simula具備很利於大型軟體開發的特點，但Simula的執行速度太慢，無法對現實需求發揮功效；BCPL雖快得多，但它過於低階的特性，使其不適於大型軟體的開發。當斯特劳斯特鲁普開始在貝爾實驗室工作時，他有分析UNIX核心關於分散式計算的問題。回想起他的博士論文經驗，斯特劳斯特鲁普開始為C語言增強一些類似Simula的特點。之所以選擇C，是因為它適於各種用途、快速和可移植性。除了C和Simula之外，同時也從其它語言中取得靈感，如ALGOL 68、Ada、CLU以及ML。

剛開始時，類別、衍生類別、儲存類型檢查、內聯和預設參數特性，都是透過Cfront引入C語言之中。1985年10月出現了第一個商業化發佈。

1983年，C with Classes改命名為C++（++是C语言中的增值操作符）。加入了新的特性，其中包括虛擬函式、函式名和運算子多載、參考、常數、使用者可控制的自由空間儲存區控制、改良的型別檢查，以及新的雙斜線（//）單行註解風格。

1985年，發佈第一版《C++程式設計語言》，提供一個重點的語言參考，至此還不是官方標準。

1989年，發佈了Release 2.0。引入了多重繼承、抽象類別、靜態成員函式、常數成員函式，以及成員保護。1990年，出版了The Annotated C++ Reference Manual。這本書後來成為標準化的基礎。稍後還引入了模板、例外處理、命名空間、新的強制类型转换，以及布林类型。

隨著C++語言的演變，也逐漸演化出相應的標準程式庫。最先加進C++標準函式庫的是串流I/O程式庫，其用以取代傳統的C函式，如printf和scanf。隨後所引入的程式庫中最重要的便是標準模板庫，簡稱STL。

多年後，一個聯合的ANSI-ISO委員會於1998年對C++標準化（ISO/IEC 14882：1998）。在官方釋出1998標準的若干年後，委員會處理缺陷報告，並於2003年發佈一個C++標準的修正版本。2005年，一份名為Library Technical Report 1（簡稱TR1）的技術報告釋出。雖然還不是官方標準的一部分，不過它所提供的幾個擴展可望成為下一版C++標準的一部分。幾乎所有目前仍在維護的C++編譯器皆已支援TR1。

目前最新的C++标准是2017年12月发布的ISO/IEC 14882:2017^[1]，又称C++17或C++1z。

雖然C++免專利，但標準文件本身並不是免費的，尽管标准文档不是免费的，但是很容易从网络中取得，最简单的就是C++标准文档之前的最后一次草稿版本，它与标准的差别几乎只在于排版上。

C++名字的由來

C++這個名字是Rick Mascitti於1983年中所建議的，並於1983年12月首次使用。更早以前，尚在研究階段的發展中語言曾被稱為「new C」，之後是「C with Classes」。在電腦科學中，C++仍被稱為C語言的上層結構。它最後得名於C語言中的「++」運算子（其對變數的值進行遞增）。而且在共同的命名約定中，使用「+」以表示增強的程式。斯特劳斯特鲁普說：「這個名字象徵著源自於C語言變化的自然演進」。C+是一個和C/C++無關的早期程式語言。

Rick Mascitti在1992年被非正式地問起名字的由來，他表示這是在半開玩笑中說出的。他從沒想過C++會成為這門語言的正式名字。

有一個關於C++名字的笑話是，當你使用後綴++時，附加只發生在運算之後（因此，它應該是++C，而不是C++，这个笑话是说时下某些程序员还在以使用C的方式使用C++，这通常被一些权威著作认为是不正确的）。

C++标准

由ISO/IEC JTC1/SC22/WG21进行。已经出版的标准文档如下：

設計原則

在《C++語言的設計和演化》（1994）中，Bjarne Stroustrup描述了他在設計C++時，所使用的一些原則。知道這些原則有助於理解C++為何會是現在這個樣子。以下總結了一些原則，詳盡的內容可參閱《C++語言的設計和演化》：

• C++設計成直接的和廣泛的支援多種程式設計風格（程序化程式設計、数据抽象、物件導向程式設計、泛型程式設計）。


• C++設計成給程式設計者更多的選擇，即使可能導致程式設計者選擇錯誤。


• C++設計成儘可能與C相容，藉此提供一個從C到C++的平滑過渡。


• C++避免平台限定或沒有普遍用途的特性。


• C++不使用會帶來額外開銷的特性。


• C++設計成無需複雜的程式設計環境。

標準程序庫

1998的C++標準分為兩個部分：核心語言和C++標準程式庫；後者包含了大部分標準模板庫和C標準程式庫的稍加修改版本。存在許多不屬於標準部分的C++程式庫，且使用外部連結，程式庫甚至可以用C撰寫。

C++標準程式庫充分吸收了C標準程式庫，並佐以少許的修改，使其與C++良好的運作。另一個大型的程式庫部分，是以標準模板庫（STL）為基礎，STL於1994年2月正式成為ANSI/ISO C++。它提供了實用的工具，如容器类（如：Array和Vector），迭代器（廣義指针）提供容器以類似陣列的存取方式，以及泛型算法進行搜尋和排序的運算。此外還提供了(multi)map和(multi)set，它們都共享相似的成员函数。因此，以下成為可能，使用模板撰寫泛型算法，它可以和任何容器或在任何以迭代器定義的序列上運作。如同C，使用#include指令包含標準表頭，即可存取程式庫裡的功能。C++提供69個標準表頭，其中19個不再贊成使用。

使用標準模板庫（例如：使用std::vector或std::string來取代C風格的数组或字符数组）有助於導向更安全和更靈活的软件。

在STL在納入C++標準以前，是來自HP和後來的SGI的第三方程式庫，標準中並未稱之為「STL」，它只是標準庫中的一部分，但仍有許多人使用這個名稱，以別於其它的標準庫（輸入／輸出串流、國際化、診斷、C程式庫子集，等等）。
另外，如std::basic_string此类标准委员会添加的接口，有时也被误认为STL；实际上它们并不存在于原始的SGI STL中，在标准化后SGI STL才从标准库吸收加入其中。

C++中的特色

和C語言相比，C++引入了更多的特性，包括：复合类型（引用類型等）、const限定符和constexpr常量表达式、类型处理运算符（类型别名及auto和decltype等多种类型指示符）、C++标准库（IO库与多种容器类）与迭代器、动态内存与智能指针、函数重載、面向对象程序设计（如数据抽象、成員函数、类作用域、构造函数与析构函数、静态成员、访问控制与繼承、虚函数、抽象类与接口等）、拷贝控制、运算符重载、造型与函数风格的強制类型转换、模板与泛型编程，以及異常處理、命名空間、多继承与虚继承、运行时类型识别及嵌套类等。

和普遍認為的相反，C++不是第一個正式引入const關鍵字的语言。80年代早期，Bjarne Stroustrup和Dennis Retchie讨论之后提供了在C语言中readonly/writeonly的实现机制，并在带類別的C中取得了一定经验。关键字const正式引入C語言是在ANSI C89。这早于第一个C++国际标准近十年，但此时const已被C++实现普遍採用。

C++在某些案例中（見下「與C不相容之處」），進行比C還要多的類型檢查。

以「//」起始作為註解起源自C的前身BCPL，而後被重新引入到C++。

C++的一些特性，C不久之後也採用了，包括在for循环的括号中声明，C++風格的註解（使用//符號，和inline，雖然C99定義的inline關鍵字與C++的定義不相容。不過，C99也引入了不存在於C++的特性，如：可变参数巨集，和以陣列作為參數的較佳處理；某些C++編譯器可能實作若干特性，以作為擴展，但其餘部分並不符合現存的C++特性）

一個常見的混淆其實只是一個微妙的術語問題：由於它的演化來自C，在C++中的術語物件和C語言一樣是意味著記憶體區域，而不是類別的實體，在其它絕大多數的物件導向語言也是如此。舉例來說，在C和C++中，語句int i;定義一個int型別的物件，這就是變數的值i將在指派時，所存入的記憶體區域。

C++语言中的const关键字

const是一个C和C++语言的关键字，意思是宣告一個常數(不能改變的變數)，即唯讀。使用const在一定程度上可以提高程序的安全性和可靠性，也便于实现对此进行优化（如把只读对象放入ROM中）。const作为型別限定符，是型別的一部分。

以下是和C语言相容的用法：

1 int m = 1, n = 2;   // int 类型的对象

2 const int a = 3;    // const int 类型的对象

3 int const b = 4;    //同上

4 const int *p        //指向 const int 类型对象的指针

5 int const *q;       //同上

6 int *const x;       //指向 int 类型对象的 const 指针；注意 const 的位置

7 const int *const r; //指向 const int 类型对象的 const 指针

8 int const *const t; //同上

但是，const在C++中有更强大的特性。它允许在编译时确定作为真正的常量表达式。例如，

1 const int max_len = 42;

2 int a[max_len];

此前C语言并不支持这样的用法，直到C99允许用变量作为数组长度（需要注意的是C99中的VLA支持运行期确定数组长度，但C++从未支持）。此外，C++中，命名空间作用域的const对象的名称隐含内部链接。这意味着直接在头文件里定义const对象被多个源文件包含时，也不会重定义。

在C++11及之后的C++标准中，推荐使用拥有更严格语义的constexpr限定符来表示一个可以出现在常量表达式中的变量。

实际上，在语义表达方面，const更多表示为“只读”，constexpr才表示编译期常量。

与C不兼容之处

C++有时被认为是C的超集（superset），但这並不严谨。

各个版本的ISO/IEC 14882的附录C中都指出了C++和ISO C的一些不兼容之处。

大部分的C代码可以很轻易的在C++中正确编译，但仍有少数差异，导致某些有效的C代码在C++中失效，或者在C++中有不同的行为。

最常见的差异之一是，C允许从void*隐式转换到其它的指标类型，但C++不允许。下列是有效的C代码：

1 // 从void *隐式转换为int *

2 int *i = malloc(sizeof(int) * 5);

但要使其在C和C++两者皆能运作，就需要使用显式转换：

1 int *i = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);

另一个常见的可移植問題是，C++定义了很多的新关键字，如new和class，它们在C程式中，是可以作为识別字（例：变量名）的。

C99去除了一些不兼容之处，也新增了一些C++的特性，如//注释，以及在代码中混合使用。不过C99也纳入几个和C++冲突的新特性（如：可变长数组、原生复数类型和复合逐字常数），而C++11已经加入了兼容C99预处理器的特性。

由于C++函数和C函数通常具有不同的名字修饰和调用约定，所有在C++中呼叫的C函数，须放在extern "C" { /* C函数声明 */ }之內。

C++的Hello World程序

下面这个程序显示“Hello, world!”然后结束运行：

1 #include <iostream>

2 int main() {

3     std::cout << "Hello, world!" << std::endl;

4     return 0;

5 }

这里也可以使用using指令以避免再次声明std::——

1 #include <iostream>

2 using namespace std;

3 int main() {

4     cout << "Hello, world!" << endl;

5     return 0;

6 }

你可以用“n”代替以上代碼裡的“endl”，不過必須用在句子的後端。請不要把斜杠（/）和反斜杠（）混淆。

1 std::cout << "Hello, world!n";

但需要知道的是， std::endl 不仅仅会在某个输出流中插入换行字符，还将执行输出流的 flush() 函数（即刷新缓冲区），而'n'则不会。

根据ISO C++的规定，全局main函数必须返回int。
以下两种形式是合法的：

1 int main() {

2     // ...

3 }

1 int main(int argc, char *argv) {

2     // ...

3 }

不过，在一些编译器（例如Visual C++）上，

1 void main() {

2     // ...

3 }

也是合法的。永远不要这样写，因为这样的写法没有兼容性。

語言特性

运算符

分為

預處理器

C++主要有三個編譯階段：預處理、轉譯成目的碼和連結（最後的兩個階段一般才視為真正的「編譯」）。在第一階段，預處理，會將預處理器指令替換成原始碼，然後送到下一個編譯階段。

預處理器指令和巨集

預處理指令的運作方式是根據使用者定義的規則，簡單的把記號字元序列置換成其它的記號字元序列。它們進行巨集置換、含入其它的檔案（由底層至高階的特性，例如包含模組／包／單元／元件）、條件式編譯和條件式含入。例如：

#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751

原始代码中出現的PI，都將會替換為3.1415926535897932384626433832795028841971693993751。另一個普遍的例子是

#include <iostream>

它将標準庫头文件iostream中所有的声明语句都纳入调用者所在的程序块。除了以上提到的常用指令以外，還有幾個額外的預處理器指令，可以用來控制編譯流程、條件式含入或排除代碼區塊等等。

參閱預處理器和C預處理器

模板

模板（Template）指C++程式語言中的函式模板（function template）與類別模板（class template），這種觀念是取材自Simula的泛型程式設計。它采用typename和class两个关键字，来标识模板類別的型別参数。C++11和C++14分别引入了类型别名模板和变量模板。

類別与对象

在物件導向物件程式設計術語中，物件（object）是資料（data）和處理資料的指令（instructions）的聯合（association）。模擬（simulate）實際世界（real-world），物件有三種特質（characteristics）：狀態（State）、行為（Behavior）、同一性身分（英语：Identity (object-oriented programming)），並且使用訊息（message）來引發彼此的互動。類別（class）為物件的藍圖或工廠，定義了物件的抽象特質，包括物件的屬性特質和物件的行為特質，屬性的值即是物件的狀態，行為即是物件能夠做的事。

C++為類別構成式物件導向程式設計語言（class-based object-oriented programming language），類別概念具現化（reification）地作為二等公民（second-class citizen）出現在C++語言當中，在語法中明確地使用類別來做到資料抽象化、封裝、模組化、繼承、子型別多型、物件狀態的自動初始化。C++中，一個類別即為一個型別，加上封裝，一個類別即為一個抽象資料型別（Abstract Data Type，ADT），繼承、多型、模板都加強了類別的可抽象性。在C++可以使用class或struct這兩個關鍵字宣告類別（class），而使用new運算子實體化類別產生的實體（instance）即為物件，是一等公民。C/C++以資料成員（data member）表達屬性，以成員函式（member function）表達行為。

声明一个Car class：

1 class Car {

2 private:

3     int isRunning;

4 public:

5     Run();

6 };

但是仍然需要注意，严格来说，C++中对象的概念和C的对应概念接近，表示的是具有特定类型的存储，而非面向对象意义上的“对象”：一个对象不一定是类类型的。此外，C++意义上的“实例”仅指模板实例化的结果，而并不指对象。作为对比，Java的“对象”和“实例”的概念和这里的使用一致。

封裝

封裝（Encapsulation）是將資料和處理資料的程序（procedure）組合起來，僅對外公開接口（interface），达到信息隐藏（information hiding）的功能。封裝的優點是能減少耦合（Coupling）。C++、Java、C# 等語言定義对象都是在語法中明確地使用類別（Class）來做到封裝。

C++的類別对其成员（包括数据成员、函数成员）分为三种封装状态：

• 公有（public）：類別的用户可以访问、使用该類別的此种成员。


• 保护（protected）：该類別的衍生類別可以访问、使用该類別的此成员。外部程序代码不可以访问、使用这种成员。


• 私有（private）：只有類別自身的成员函数可以访问、使用该類別的此成员。

一般可以将C++類的对外接口设定为公有成员；類内部使用的数据、函数设定为私有成员；供派生自该類別的子類別使用的数据、函数设定为保护成员。

繼承

繼承（Inheritance）是指派生类（subclass）繼承基类（superclass），會自動取得超類別除私有特質外的全部特質，同一類別的所有實體都會自動有該類別的全部特質，做到程式碼再用（reuse）。C++只支援類別構成式繼承，雖然同一類別的所有實體都有該類別的全部特質，但是實體能夠共享的實體成員只限成員函式，類別的任何實體資料成員乃每個實體獨立一份，因此物件間並不能共享狀態，除非特質為參考型別的屬性，或使用指標來間接共享。C++支持的继承关系为：

• 公有繼承（public inheritance）：最常用繼承关系，含义是「is-a」關係，代表了在完全使用公有繼承的物件類別之間的层次关系（hierarchy）。


• 受保護繼承（protected inheritance）：基礎類別的公有或保护内容可以被衍生類別，以及由此衍生的其他類別使用。但是基礎類別对外界用户是不可见的。衍生類別的用户不能访问基礎類別的成员、不能把派生類別转换（造型）为基礎類別的指针或引用。


• 私有繼承（private inheritance）：基礎類別的公有或保护内容仅可以被衍生類別访问。但基礎類別对衍生類別的子類別或衍生類別的用户都是不可见的。衍生類別的子類別或衍生類別的用户都不能访问基礎類別的内容、不能把衍生類別转换为基礎類別的指针或引用。

C++支持多繼承（multiple inheritance，MI）。多繼承（multiple inheritance，MI）的優缺點一直廣為使用者所爭議，許多語言（如Java）並不支援多重繼承，而改以單一繼承和介面繼承（interface inheritance），而另一些語言则采用用單一繼承和混入（mixin）。C++通过虛繼承（Virtual Inheritance）来解決多繼承带来的一系列问题。

多态

除了封裝與繼承外，C++還提供了多型功能，物件導向的精神在於多态（Polymorphism），一般的多态，是指動態多态，係使用繼承和動態绑定（Dynamic Binding）實現，使用多型可建立起繼承體系（Inheritance hierarchy）。類（class）與繼承只是達成多态中的一種手段，所以稱物件導向而非類別導向。

多态又分成靜態多态（Static Polymorphism）與動態多态（Dynamic Polymorphism）。C++语言支持的動態多态必須結合繼承和动态绑定（Dynamic Binding）方式實現。靜態多态是指编译时决定的多态，包括重载和以模板（template）實現多型的方法即參數化型態（Parameterized Types），是使用巨集（macro）的“程序代码膨脹法”達到多型效果。

类型轉換（type cast）也是一種非参数化（ad hoc）多态的概念，C++提供dynamic_cast, static_cast等运算符來實作强制类型轉換（Coercion）。

運算元重載（operator overloading）或函式重載（function overloading）也算是多型的概念。

分析和處理C++原始代碼

C/Java/C#都可以用某種 LR 剖析器（或其變形）分析文法^{[來源請求]}，但C++是個著名的例外：请看下面的代码。

1 #include <vector>

2 #include <string>

3 std::vector< std::vector<std::string> >table1;

4 std::vector<std::vector<std::string>>table2;

上面的table1显然是一个字符串的二维数组，而table2则未必能通过编译：如果严格遵循LR分析过程，串 >> 会被解释为右移运算符而非两个代表模板参数表结束的右尖括号，因此出现编译错误，必须以table1的方式用空格区分。(在C++11发布之后，特别规定了当处理模板时，>>被优先视为两个>，所以table1和table2均可通过编译.)

争议

「在這12年裡，C++使用者人數大約每七個月半增加一倍」是許多C++相關文件必引的一段話；然而，時至今日新語言層出不窮，使用者人數已不太可能以如此速度增長。分析機構EvansData定期對開發人員展開調查，其資料顯示，以C++為工具的開發人員在整個開發界所佔的比例由1998年春天的76%下降至2004年秋的46%。

一部分Unix/C程序员对C++语言深恶痛绝，他们批评的理由如下：

1. STL以非常丑陋的方式封装了各种数据结构和算法，写出来的代码难以理解、不美观。


2. C++编译器复杂和不可靠，不适合构建人命关天类型的程序。


3. Ian Joyner认为面向对象技术徒增学习成本，不如面向过程的C语言简单容易使用，尤其是在系统软件的构建上。^[19]
   

概括說來UNIX程式設計師批評C++主要是由於UNIX社群與C++社群的文化差異。^[20]

一个值得注意的事情是Linux之父Linus Torvalds曾经炮轰C++；图灵奖得主尼克劳斯·维尔特也曾经批评C++语言太复杂、语法语义模糊，是“拙劣工程学”的成果。

事实上，对于C++语言的批评并不只来源于Unix/Unix-Like系统下的程序员。就像C++语言本身是一个跨平台的语言一样，对C++的批评并不局限于Unix/Unix-Like系统用户。

一个确定的观点是：C++是一门复杂的语言、这门语言拥有过多的特性从而难以彻底掌握；C++的某些库难以学习、掌握并应用于实际当中；很多程序员都认为C++是一个过度设计的程序语言。

參閱

• 《C++程式語言》（The C++ Programming Language）


• 比较Java和C++


• C++託管擴展


• C++/CLI


• Boost C++ Libraries

参考文献

延伸阅读

• The C++ Programming Language: Special Edition


• 
  Stroustrup, Bjarne. The Design and Evolution of C++. Addison-Wesley. 1994. ISBN 0-201-54330-3. 
  


• 
  Stroustrup, Bjarne. Programming Principles and Practice Using C++ Second. Addison-Wesley. 2014. ISBN 978-0-321-99278-9. 
  


• 
  Stanley B. Lippman，Josée Lajoie，Barbara E. Moo. C++ Primer. （有中文译本：人民邮电出版社出版，ISBN 978-7-115-14554-3）


• Luca Cardelli and Peter Wegner, "On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism", Computing Surveys, Volume 17, Number 4, pp. 471–522, December 1985


• Scott Meyers，Effective C++: 50 Specific Ways to Improve Your Programs and Design (2nd Edition) (Addison-Wesley Professional Computing Series)


• Scott Meyers，Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library (Addison-Wesley Professional Computing Series)


• The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference


• C++ Templates: The Complete Guide

外部連結

• 
  JTC1/SC22/WG21 - The C++ Standards Committee （英文）
  


• 
  the GNU Compiler Collection （英文）
  


• C和C ++资源的最终列表