C++

歴史

ストロヴストルップはプログラミング言語C with Classes（クラス付きのC言語）の開発を1979年に開始した。彼は大規模なソフトウェアの開発に有用な特徴をSimulaが備えていることに気がついたが、Simulaは実行速度が遅く実用的ではなかった。一方でBCPLは実行速度こそ速かったものの、大規模なソフトウェア開発を念頭に置いた場合にあまりにも低級だった。
これらの事情を鑑みて、ストロヴストルップは当時既に汎用的な言語だったC言語にSimulaの特徴を取り入れることを試みた。この取り組みにあたってはALGOL68 やAda、 CLU、 ML等の言語の影響も受けている。最初はクラスと派生クラス、型検査機構の強化、インライン関数、デフォルト引数の機能を、Cfrontを介してC言語に追加した。1985年10月に最初の商用リリースがなされた。
1983年にはC with ClassesからC++に名称を変更した。この際に、仮想関数と、関数と演算子の多重定義、参照型、const型、ユーザー制御可能な自由領域メモリ制御、型検査機構の改良、BCPL形式の（「//」による）行単位のコメントなどの機能が追加された。1985年には『The C++ Programming Language』の初版が出版された（邦訳『プログラミング言語C++』1988年)）。この時点では公式な標準が策定されていなかったために、この本が事実上のリファレンスとなった。1989年C++のバージョン2.0として、多重継承と抽象クラス、静的メンバ関数、constメンバ関数、protectedメンバ等の機能が追加されたものがリリースされた。1990年に『The Annotated C++ Reference Manual (ARM)』（邦訳『注解C++リファレンスマニュアル』）が出版され、将来の標準化の土台となるものを提供した。後に追加された機能にはテンプレートと例外処理、名前空間、新形式のキャスト、ブール型が含まれた。
ARMが事実上の標準として使われた時代が続いたが、標準化が進んだ。C++言語の最初の標準は1998年にISO/IEC 14882:1998として承認された。2003年の改訂版を経て、2011年にメジャーアップデートとして制定されたのがISO/IEC 14882:2011、通称「C++11」である。このバージョンは、元々、非公式に「C++0x」と呼ばれていた。2000年代中に制定され、正式に「C++09」と呼称されることを見越した仮称だったが、2000年代中には実現しなかった。2011年8月10日まで続いた最終国際投票で C++0x は全会一致で承認された。これにより C++0x と呼ばれてきた C++ の次期改正案はついに国際標準になり、C++11と呼べるようになった。また、2014年にはISO/IEC 14882:2014、通称「C++14」が策定された。2017年にはISO/IEC 14882:2017、通称「C++17」が策定された。2020年にはISO/IEC 14882:2020、通称「C++20」が策定される予定である。
C++言語の進化に伴い、標準ライブラリもまた進化していった。C++標準ライブラリに最初に追加されたのは、従来のC言語の printf() や scanf() といった関数を置き換えるストリームI/Oライブラリである。また、C++98における標準ライブラリへの追加で最も重要なものはStandard Template Library (STL) である。C++11では、正規表現による検索・置換や複数スレッドでの同時実行、ハッシュテーブル・ハッシュセットの追加などさらなる拡充が続いている。

将来

C++に対しては、今もなお要望が絶えない。特にBoost C++ライブラリを開発しているBoostコミュニティはC++の方向性の決定に大きく貢献し、さらにC++標準化委員会へ改良すべき点などを意見している。現在はマルチパラダイムプログラミングをより自然に行えるようにすることに力が注がれており、たとえばBoostでは、C++の関数型プログラミングやメタプログラミングの可能性を模索している。
C++11と呼ばれている新しいバージョンのC++標準ではこれらの一部が取り込まれ、今後のC++でもさらなる追加が行われると見られている。

C++という名称

この名称はRick Mascittiの功績で、最初に使用されたのは1983年の12月である。初期の研究期間では、開発中の言語は「C with Classes」と呼ばれていた。最終名は、変数の値を一つ加算する、C言語の++（インクリメント）演算子からの派生である。また一般的な命名規則での「+」の使用は、機能強化されたコンピュータプログラムを意味する。ストロヴストルップによれば「この名前は、C言語からの変更の革新的な本質を示している」ということである。C+は、より初期の無関係なプログラミング言語の名前である。
ストロヴストルップは著書『The C++ Programming Language』の前文で名前の起源を語り、ジョージ・オーウェルの小説『1984年』の付録から「C++」が連想されるかもしれないと付け加えている。ニュースピークという架空の言語の解説に宛てられた3つの章の中に、科学技術に関する専門用語とジャーゴンの解説に宛てられた「C vocabulary」という章がある。ニュースピークで「ダブルプラス」は最上級の修飾語である。ゆえにニュースピークで「C++」は「最も極端な専門用語またはジャーゴン」という意味になるだろう。
1992年、Rick Mascittiは名前について非公式に質問されると、彼はおふざけのつもりで命名したという旨の回答をした。彼はこの言語の正式な名称になるとは夢にも思っていなかった。

Hello, World!

C++はC言語およびそのプリプロセッサの構文をほぼ継承している。以下のサンプルはビャーネ・ストロヴストルップの書籍「The C++ Programming Language, 4th Edition」(ISBN 978-0321563842) の「2.2.1 Hello, World!」に記載されている標準C++ライブラリのストリーム機能を用いて標準出力に出力するHello worldプログラムである。
#include <iostream>int main(){
    std::cout << "Hello, World!\n";}
書籍でも明記されているが、main()関数で意図的に返り値を返さない手法が使用されている。

演算子と演算子のオーバーロード

C++には四則演算、ビット演算、参照、比較、論理演算などの30を超える演算子がある。メンバーアクセス演算子（.と.*）のような一部の例外はあるが、大半の演算子はユーザー定義によるオーバーロードが可能である。オーバーロード可能な演算子が豊富に揃えられているためC++を一種のドメイン固有言語として利用できる。またオーバーロード可能な演算子はスマートポインタのような先進的な実装テクニックに欠かせないものとなっている。演算子をオーバーロードしても演算の優先順位は変化せず、また演算子のオペランドの数も変化しない。ただし指定したオペランドが無視される可能性はある。

テンプレート

C++には、ジェネリックプログラミングを実現する機能としてテンプレートが存在する。テンプレートにできる対象は、関数とクラスである。C++14以降では変数もテンプレートの対象となった。テンプレートはコード中の型および定数をパラメータ化できる。テンプレートのパラメータ（テンプレート仮引数）に、型、コンパイル時定数またはその他のテンプレート（テンプレート実引数）を与えることで、テンプレートはコンパイル時にインスタンス化（実体化・具現化などとも）される。コンパイラは関数やクラスをインスタンス化するために、テンプレート仮引数をテンプレート実引数に置き換える。テンプレートはジェネリックプログラミング、テンプレートメタプログラミング、コード最適化などのために利用される強力なツールであるが、一定のコストを伴う。各テンプレートのインスタンスはテンプレート仮引数毎にテンプレートコードのコピーを生成するためコードサイズが肥大化する。これはコンパイル時に実型引数の情報を削除することで単一の型インスタンスを生成するランタイム型のジェネリクスを実装したJavaなどの言語とは対照的である。なお、C# (.NET Framework) は実行時コンパイラにより実型引数の情報を削除することなく複数の型インスタンスを生成する方式を採用しており、C++とJavaの中間的なアプローチとなっている。
テンプレートとプリプロセッサマクロはいずれもコンパイル時に処理される言語機能であり、静的な条件に基づいたコンパイルが行われるが、テンプレートは字句の置き換えに限定されない。テンプレートはC++の構文と型を解析し、厳密な型チェックに基づいた高度なプログラムの流れの制御ができる。マクロは条件コンパイルに利用できるが、新しい型の生成、再帰的定義、型の評価などは行えないため、コンパイル前のテキストの置き換えや追加・削除といった用途に限定される。つまりマクロは事前に定義されたシンボルに基づいてコンパイルの流れを制御できるものの、テンプレートとは異なり独立して新しいシンボルを生成することはできない。テンプレートは静的な多態（下記参照）とジェネリックプログラミングのためのツールである。
C++のテンプレートはコンパイル時におけるチューリング完全なメカニズムである。これはテンプレートメタプログラミングを用いて実行する前にコンピュータが計算可能なあらゆる処理を表現できることを意味している。
概略すれば、テンプレートはコードの記述に本来必要な型や定数を明確にすることなく抽象的な記述ができる、パラメータ化された関数またはクラスである。テンプレート仮引数に実引数を与えてインスタンス化した結果は、テンプレート仮引数に指定した型に特化した形で記述されたコードと全く等価になる。これによりテンプレートは、汎用的かつおおまかに記述された関数およびクラス（テンプレート）と、特定の型に特化した実装（インスタンス化されたテンプレート）の依存関係を解消し、パフォーマンスを犠牲にすることなく抽象化できる手段を提供する。

オブジェクト

C++はC言語にオブジェクト指向プログラミングをサポートするための改良を加えたものといえる。C++のクラスには、オブジェクト指向言語で一般的な抽象化、カプセル化、継承、多態の4つの機能がある。オブジェクトは実行時に生成されるクラスの実体である。クラスは実行時に生成される様々なオブジェクトのひな形と考えることができる。
なお、C++はSmalltalkなどに見られるメッセージ転送の概念によるオブジェクト指向を採用していない。

カプセル化

カプセル化とは、データ構造を保証し、演算子が意図したとおりに動作し、クラスの利用者が直感的に使い方を理解できるようにするためにデータを隠蔽することである。クラスや関数はC++の基礎的なカプセル化のメカニズムである。クラスのメンバはpublic、protected、privateのいずれかとして宣言され明示的にカプセル化できる。publicなメンバはどの関数からでもアクセスできる。privateなメンバはクラスのメンバ関数から、またはクラスが明示的にアクセス権を与えたフレンド関数からアクセスできる。protectedなメンバはクラスのメンバおよびフレンド関数に加えてその派生クラスのメンバからもアクセスできる。
オブジェクト指向では原則としてクラスのメンバ変数にアクセスする全ての関数はクラスの中にカプセル化されなければならない。C++ではメンバ関数およびフレンド関数によりこれをサポートするが、強制はされない。プログラマはメンバ変数の一部または全体をpublicとして定義でき、型とは無関係な変数をpublicな要素として定義できる。このことからC++はオブジェクト指向だけでなく、モジュール化のような機能分割のパラダイムもサポートしているといえる。
一般的には、全てのデータをprivateまたはprotectedにして、クラスのユーザに必要最小限の関数のみをpublicとして公開することがよい習慣であると考えられている。このようにしてデータの実装の詳細を隠蔽することにより、設計者はインターフェイスを変更することなく後日実装を根本から変更できる。

継承

継承を使うと他のクラスの資産を流用できる。基底クラスからの継承はpublic、protected、privateのいずれかとして宣言する。このアクセス指定子により、派生クラスや全く無関係なクラスが基底クラスのpublicおよびprotectedメンバにアクセスできるかどうかを決定できる。普通はpublic継承のみがいわゆる派生に対応する。残りの二つの継承方法はあまり利用されない。アクセス指定子を省略した場合、構造体はpublic継承になるのに対し、クラスではprivate継承になる。基底クラスをvirtualとして宣言することもできる。これは仮想継承と呼ばれる。仮想継承は基底クラスのオブジェクトが一つだけ存在することを保証するものであり、多重継承の曖昧さの問題を避けることができる。
多重継承はC++の中でもしばしば問題になる機能である。多重継承では複数の基底クラスから一つのクラスを派生できる。これにより継承関係が複雑になる。例えばFlyingCatクラスはCatクラスとFlyingMammalクラスから派生できる。JavaやC#では、基底クラスの数を一つに制限する一方で、複数のインターフェイスを実装でき、これにより制約はあるものの多重継承に近い機能を実現できる（実装の多重継承ではなく型の多重継承）。インターフェイスはクラスと異なり抽象メソッド（純粋仮想関数）を宣言できるのみであり、関数の実装やフィールド（メンバ変数）は定義できない。JavaとC#のインターフェイスは、C++の抽象基底クラスと呼ばれる純粋仮想関数宣言のみを持つクラスに相当する。JavaやC#の継承モデルを好むプログラマは、C++において実装の多重継承は使わず、実装の継承は単一継承に絞り、抽象基底クラスによる型の多重継承のみを使うポリシーを採用することもできる。

多態

多態 (ポリモーフィズム) は様々な場面で多用されている機能である。多態により、状況や文脈に応じてオブジェクトに異なる振る舞いをさせることができる。逆に言うと、オブジェクト自身が振る舞いを決定することができる。
C++は静的な多態と動的な多態の両方をサポートする。コンパイル時に解決される静的な多態は柔軟性に劣るもののパフォーマンス面で有利である。一方、実行時に解決される動的な多態は柔軟性に優れているもののパフォーマンス面で不利である。

静的な多態

関数のオーバーロードは名称が同じ複数の関数を宣言できる機能である。ただし引数は異なっていなければならない。個々の関数は引数の数や型の順序で区別される。同名の関数はコードの文脈によってどの関数が呼ばれるのかが決まる。関数の戻り値の型で区別することはできない。
関数を宣言する際にプログラマはデフォルト引数を指定できる。関数を呼び出すときに引数を省略した場合はデフォルト引数が適用される。関数を呼び出すときに宣言よりも引数の数が少ない場合は、左から右の順で引数の型が比較され、後半部分にデフォルト引数が適用される。たいていの場合は一つの関数にデフォルト引数を指定するよりも、引数の数が異なる関数をオーバーロードする方が望ましい。
C++のテンプレートでは、より洗練された汎用的な多態を実現できる。特にCuriously Recurring Template Patternにより仮想関数のオーバーライドをシミュレートした静的な多態を実装できる。C++のテンプレートは型安全かつチューリング完全であるため、テンプレートメタプログラミングによりコンパイラに条件文を再帰的に解決させて実行コードを生成させることにも利用できる。

派生

基底クラスへのポインタおよび参照は、正確に型が一致するオブジェクトだけでなく、その派生クラスのオブジェクトを指すことができる（リスコフの置換原則）。これにより、複数の異なる派生型を、同一の基底型で統一的に扱うことが可能となる。また、基底型へのポインタの配列やコンテナは、複数の異なる派生型へのポインタを保持できる。派生オブジェクトから基底オブジェクトへの変換（アップキャスト）では、リスコフの置換原則により、明示的なキャストは必要ない。
dynamic_castは基底オブジェクトから派生オブジェクトへの変換（ダウンキャスト）を実行時に安全に行うための演算子である。この機能は実行時型情報 (RTTI) に依存している。あるオブジェクトが特定の派生型のオブジェクトであることがあらかじめ分かっている場合はstatic_cast演算子でキャストすることもできる。static_castは純粋にコンパイル時に解決されるため動作が速く、またRTTIを必要としない。また、static_castは従来のC言語形式のキャスト構文と違い継承階層のナビゲーションをサポートするため、多重継承した場合もメモリレイアウトを考慮したダウンキャストを実行することができる。ただし、static_castでは多重継承において継承関係を持たない基底型同士のキャスト（クロスキャスト）を実行することはできず、dynamic_castが必要となる。とはいえ、ダウンキャストやクロスキャストが必要となるようなプログラムは、通例設計に問題があることを示しており、本来は仮想関数のオーバーライドによる多態を用いるべきである。

仮想関数

クラスのメンバー関数をvirtualキーワードで修飾することにより、派生クラスでオーバーライド（再定義）することが可能な仮想関数 (virtual function) となる。仮想関数は「メソッド」と呼ばれることもある。派生クラスにて、基底クラスの仮想関数と名前および引数の数や型の順序が同じ関数を定義することでオーバーライドする（C++11以降では、overrideキーワードにより修飾することでオーバーライドを明示することもできる）。基底クラスの仮想関数を派生クラスでオーバーライドした場合、実際に呼び出される関数はオブジェクトの型によって決定される。基底クラスのポインタのみが与えられた場合、コンパイラはオブジェクトの型をコンパイル時に特定できず正しい関数を呼び出せないため、実行時にこれを特定する。これをダイナミックディスパッチと呼ぶ。仮想関数により、オブジェクトに割り当てられた実際の型に従って、最上位の派生クラスで実装した関数が呼び出される。一般的なC++コンパイラは仮想関数テーブルを用いる。オブジェクトの型が判明している場合はスコープ解決演算子を利用して仮想関数テーブルを使わないようにバイパスすることもできるが、一般的には実行時に仮想関数の呼び出しを解決するのが普通である。
通常のメンバー関数に加え、オーバーロードした演算子やデストラクタも仮想関数にできる。原則的にはクラスが仮想関数を持つ場合はデストラクタも仮想関数にすべきである。コンストラクタやその延長線上にあるコピーコンストラクタはコンパイルされた時点でオブジェクトの型が確定しないため仮想関数にできない。しかし、派生オブジェクトへのポインタが基底オブジェクトへのポインタとして渡された場合に、そのオブジェクトのコピーを作らなければならない場合は問題が生じる。このような場合はclone()関数(またはそれに準じる物)を仮想関数として作成するのが一般的な解決方法である。clone()は派生クラスのコピーを生成して返す。
= 0をメンバー関数宣言の末尾セミコロンの直前に挿入することにより、メンバー関数を純粋仮想関数 (pure virtual function) にできる。純粋仮想関数を持つクラスは純粋仮想クラスと呼ばれ、このクラスからオブジェクトを生成することはできない。このような純粋仮想クラスは基底クラスとしてのみ利用できる。派生クラスは純粋仮称関数を継承するため、派生クラスのオブジェクトを生成したい場合は全ての純粋仮想関数をオーバーライドして実装しなければならない。純粋仮想関数を持つクラスのオブジェクトを生成しようと試みるようなプログラムは行儀が悪い。

テンプレート

型消去 (type erasure) と呼ばれる、テンプレートを活用して動的な多態性を実現する手法が存在する。この手法はC++の標準ライブラリでもstd::functionやstd::shared_ptrの削除子で採用されている。いずれも、コンストラクタや代入演算子で（一定の条件を満たす）任意のオブジェクトを実引数として渡せるようにすることから多態性を実現している。

単一行コメント

C99の制定前、C言語とC++との分かりやすい差異として、// で始まり改行で終わる、単一行コメントの有無があった。
単一行コメントはもともと、C言語の祖先にあたるBCPLに含まれていた仕様である。現在のC++のコンパイラの多くがC言語のコンパイラとしても使えるようになっているのと同様に、C言語が生まれて間もない頃は、C言語に加えB言語やBCPLのコンパイルができるコンパイラが用いられていた。それらコンパイラは、C言語のソースであってもBCPLと同様に単一行コメントが使用できるよう独自の拡張がなされていたため、BCPLの単一行コメントに慣れ親しんでいたプログラマ達は、C言語でも単一行コメントを使い続けた。その慣習がC++の誕生時まで生き残っていたため、C++では単一行コメントを「復活」させることになった。
そのためもあって、C言語での仕様外の単一行コメントの使用は半ば常習と化し、現在ではC99の制定によって正式に単一行コメントがサポートされるようになった。

C++ソースコードの処理とパーサ

LALR(1)のような旧式のパースアルゴリズムを用いてC++のパーサを記述することは比較的難しい。その理由の一つはC++の文法がLALRではないことである。このため、コード分析ツールや、高度な修正を行うツール（リファクタリングツールなど）は非常に少ない。この問題を取り扱う方法としてLALR(1)でパースできるように改良されたC++の亜種(SPECS)を利用する方法がある。GLRパーサのようにより強力でシンプルなパーサもあるが処理が遅い。
パースはC++を処理するツールを作成する際の最も難しい問題ではない。このようなツールはコンパイラと同じように識別子の意味を理解しなければならない。従ってC++を処理する実用的なシステムはソースコードをパースするだけでなく、各識別子の定義を正確に適用し（つまりC++の複雑なスコープのルールを正確に取り扱い）、型を正しく特定できなければならない。
いずれにせよC++ソースコード処理ツールが実用的であるためには、GNU GCCやVisual C++で使われているような、様々なC++の方言を取り扱えなければならず、適切な分析処理やソース変換やソース出力などが実装できなければならない。GLRのような先進的なパースアルゴリズムとシンボルテーブルを組み合わせてソースコードを変換する方法を利用すればあらゆるC++ツールを開発できる。

互換性

その言語文法の複雑さゆえ、C++規格に準拠したコンパイラを開発するのは一般的に難しい。20世紀末から何年にも渡りC++に部分的に準拠した様々なコンパイラが作られ、テンプレートの部分特殊化などの部分で実装にばらつきがあった。中でも、テンプレートの宣言と実装を分離できるようにするためのexportは問題のキーワードの一つだった。exportを定義したC++98規格がリリースされてから5年後の2003年前半にComeau C/C++が初めてexportを実装した。2004年にBorland C++ Builder Xがexportを実装した。これらのコンパイラはいずれもEDGのフロントエンドをベースにしていた。大半のコンパイラで実装されていないexportは多くのC++関連書籍（例えば"Beginning ANSI C++", Ivor Horton著）にサンプルが記されているが、exportが記載されていることによる問題は特に指摘されていない。GCCをはじめとするその他のコンパイラでは全くサポートしていない。Herb SutterはC++の標準規格からexportを削除することを推奨していたが、C++98では最終的にこれを残す決定がなされた。結局、C++11では実装の少なさ・困難さを理由に削除された。
コンパイラ開発者の裁量で決められる範囲を確保するため、C++標準化委員会は名前修飾や例外処理などの実装に依存する機能の実装方法を決定しないことに決めた。この決定の問題は、コンパイラが異なるとオブジェクトファイルの互換性が保証されない点である。特定の機種やOSでコンパイラの互換性を持たせ、バイナリレベルでのコード再利用性を高めようとするABIのような非標準の規格もあり、一部のコンパイラではこうした準規格を採用している。
2019年現在のメジャーなC++コンパイラ（gcc, Clang, Intel C++ Compiler, Microsoft Visual C++など）の最新版はC++11およびC++14規格にほぼ準拠しており、特にClangは2013年4月時点でC++11の全機能を実装完了した。ただしマイナーアップデートとなるC++17を含めると、処理系間でのばらつきは依然として存在する。

C言語との互換性

C++は基本的にC言語の上位互換であるが、厳密には異なる。C言語で記述された大半のプログラムはC++でコンパイルできるように簡単に修正できるが、C言語では正当でもC++では不正になる部分や、C++とは動作が異なる部分が若干存在する。
例えば、C言語では汎用ポインタvoid*は他の型へのポインタに暗黙的に変換できるが、C++ではキャスト演算子によって変換を明示する必要がある。またC++ではnewやclassといった数多くの新しいキーワードが追加されたが、移植の際に元のC言語のプログラムでそれらが識別子（例えば変数名）として使われていると、問題になる。
C言語の標準規格であるC99やその後継C11ではこうした非互換性の一部が解決されており、//形式のコメントや宣言とコードの混在といったC++の機能がC言語でサポートされている。その一方でC99では、可変長配列、複素数型の組み込み変数、指示初期化子、複合リテラルといった、C++でサポートしていない数多くの新機能が追加された。C99で追加された新機能の一部はC++11に反映され、次期C++1yに対してもC99やC11との互換性を向上される提案が行われている。また、可変長配列や複素数型などのC99に追加された機能の一部はC11でオプションとなった。
C++で書かれた関数をC言語で書かれたプログラムから呼び出す、あるいはその逆を行なう場合など、C言語のコードとC++のコードを混在させるためにはCリンケージを利用する必要があり、関数をextern "C"で個別に修飾するか、extern "C" { ... }のブロックの中で宣言しなければならない。また、関数引数や戻り値などのインターフェイスはC言語互換形式に合わせる必要がある。Cリンケージを利用した関数については、C++名前修飾がされず、名前修飾に依存している関数オーバーロード機能は利用できない。
C/C++の相互運用性が確保されていることで、慣れ親しんだC言語標準ライブラリ関数の大半をC++でもそのまま利用し続けることができるということはC++の大きなメリットのひとつである。