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C++ 专业能力

用途

提供专业的 C++20 编程能力，专注于现代 C++ 特性（概念、模块、Ranges、协程）、性能优化和系统级编程。擅长构建高性能应用、嵌入式系统、游戏引擎和底层系统软件，同时确保内存安全和资源利用最优。

适用场景

• 构建需要 C++ 速度的高性能应用（游戏引擎、模拟程序）
• 实现系统级软件（设备驱动程序、操作系统、嵌入式系统）
• 优化对性能要求高的代码（SIMD、缓存优化、无锁编程）
• 将遗留 C++ 代码库迁移到现代 C++20 标准
• 构建跨平台 C++ 库和 SDK
• 实现模板元编程和编译期优化
• 使用现代 C++20 特性（概念、模块、Ranges、协程）

快速入门

在以下场景调用此技能：

• 构建高性能 C++ 应用（游戏、模拟程序、交易系统）
• 系统级编程（设备驱动程序、嵌入式系统、操作系统）
• 性能优化（SIMD、缓存、无锁编程）
• 使用现代 C++20 特性（概念、模块、Ranges、协程）
• 模板元编程和编译期计算
• 跨平台库开发

以下场景请勿调用：

• Web 开发 → 使用 frontend-developer 或 backend-developer
• 脚本任务 → 使用 python-pro 或 javascript-pro
• 无性能需求的简单实用工具 → 使用合适的语言
• 移动开发 → 使用 swift-expert 或 kotlin-specialist

核心能力

C++20 现代特性

• 概念：类型约束和模板要求
• 模块：用可导入模块替代头文件
• Ranges：惰性求值算法和视图
• 协程：使用 co_await 进行异步编程
• 三路比较运算符：三路比较 <=>
• 指定初始化器：按名称初始化结构体成员
• std::format：类型安全的字符串格式化
• std::span：不转移所有权的安全数组视图
• std::jthread：支持自动 join 的线程

性能优化

• 模板元编程：编译期计算
• SIMD 编程：用于并行处理的向量指令
• 内存管理：智能指针、分配器、内存池
• 缓存感知算法：面向数据的设计模式
• 无锁编程：原子操作和内存顺序
• 编译器优化：基于性能分析的优化、链接时优化

系统编程

• 底层 I/O：文件描述符、套接字、epoll/kqueue
• 内存映射：共享内存、内存映射文件
• 进程管理：fork、exec、信号处理
• 系统调用：POSIX/Linux 系统接口
• 嵌入式系统：裸机编程、实时约束

决策框架

C++ 特性选择

C++20 Feature Decision
├─ Type constraints needed
│   └─ Use concepts instead of SFINAE
│       • Clearer error messages
│       • More readable templates
│
├─ Header file management
│   └─ Use modules for new projects
│       • Faster compilation
│       • Better encapsulation
│
├─ Data transformations
│   └─ Use ranges for lazy evaluation
│       • Composable algorithms
│       • Memory efficient
│
├─ Async operations
│   └─ Use coroutines for I/O-bound work
│       • Efficient state machines
│       • Readable async code
│
└─ Error handling
    ├─ Recoverable errors → std::expected
    ├─ Exceptional cases → exceptions
    └─ Low-level code → return codes

性能优化矩阵

瓶颈	解决方案	复杂度
CPU 密集型计算	SIMD、并行处理	高
内存分配	内存池、分配器	中
缓存未命中	面向数据的设计	高
锁竞争	无锁数据结构	非常高
编译时间	模块、预编译头文件	低

最佳实践

现代 C++ 开发

• 优先组合而非继承：使用值语义和组合
• const 正确性：尽可能将成员函数标记为 const
• 适当使用 noexcept：将不会抛出异常的函数标记为 noexcept
• 显式优于隐式：使用 explicit 构造函数和转换运算符
• 始终使用 RAII：将所有资源封装在 RAII 对象中

性能优化

• 先分析性能再优化：使用 perf、VTune 或 Tracy
• 零规则：仅在必要时定义析构函数、复制和移动操作
• 移动语义：按值返回，并依赖移动语义
• 谨慎使用内联：交由编译器决定；关注缓存友好的数据
• 衡量缓存效率：缓存未命中往往代价更高

模板元编程

• 优先使用 Concepts，而非 SFINAE：使用 Concepts，让模板约束更清晰
• 尽可能使用 constexpr：将计算移至编译期
• 类型特征：使用 std::type_traits 进行编译期内省
• 可变参数模板：使用参数包实现灵活的函数

并发与并行

• 避免过早加锁：高争用场景可考虑无锁方案
• 理解内存顺序：显式使用 std::memory_order
• Future/Promise 模式：使用 std::future 获取异步结果
• 使用协程处理 I/O：使用 C++20 协程实现异步 I/O
• 线程池：优先使用线程池，而非创建线程

系统级编程

• 零开销抽象：编写能够高效编译的高级代码
• 显式处理错误：使用 std::expected，避免异常
• 资源管理：始终贯彻 RAII
• 平台抽象：隔离特定于平台的代码
• 测试策略：使用单元测试、模糊测试和基于属性的测试

反模式

内存管理

• 直接使用 new/delete：改用智能指针
• 手动管理资源：应用 RAII
• 悬空指针：使用所有权语义

性能

• 过早优化：先分析性能
• 虚函数调用开销：性能至关重要时使用 CRTP
• 不必要的复制：使用移动语义和引用

代码组织

• 所有内容都只放在头文件中：使用模块或适当的编译单元
• 滥用宏：使用 constexpr、模板和内联函数
• 全局状态：使用依赖注入

其他资源

• 详细技术参考：参见 REFERENCE.md
• 代码示例与模式：参见 EXAMPLES.md