Effective C++ 55个条款

让自己习惯C++

• 视C++为一个语言联邦

  C++高效编程守则视状况而变化，取决于你使用C++的哪一部分。

• 尽量以const，enums，inline替换#define

  对于单纯常量，最好以const对象或enums替换#defines；

  对于形似函数的宏（macros），最好改用inline函数替换#defines。

• 尽可能使用const

  将某些东西声明为const可帮助编译器侦测出错误用法。const可被施加于任何作用域内的对象、函数参数、函数返回类型、成员函数本体；

  编译器强制实施bitwise constness，当你编写程序时应该使用“概念上的常量性”（conceptual constness）

  当const和non-const成员函数有着实质等价的实现时，令non-const版本调用const版本可避免代码重复。

• 确定对象被使用前已先被初始化

  为内置性对象进行手工初始化，因为C++不保证初始化它们；

  构造函数最好使用成员初值列（member initialization list），而不要在构造函数本体内使用赋值操作（assignment）。初值列列出的成员变量，其排列次序应该和它们在class中的声明次序相同；

  为免除“跨编译单元值初始化次序”问题，轻易local static对象替换non-local static对象。

构造/析构/赋值运算

• 了解C++默默编写并调用哪些函数

  编译器可以暗自为class创建default构造函数、copy构造函数、copy assignment操作符，以及析构函数。

• 若不想使用编译器自动生成的函数，就该明确拒绝

  为驳回编译器自动（暗自）提供的机能，可将相应的成员函数声明为private并且不予以实现。

• 为多态基类声明virtual析构函数

  polymorphic（带多态性质的）base classes应该声明一个virtual析构函数。如果class带有任何virtual函数，它就应该拥有一个virtual析构函数；

  Classes的设计目的如果不是作为base classes使用，或不是为了具备多态性（polymorphically），就不该声明virtual析构函数。

• 别让异常逃离析构函数

  析构函数绝对不要吐出异常。如果一个被析构函数调用的函数可能抛出异常，析构函数应该捕获任何异常，然后吐下它们（不传播）或结束程序；

  如果客户需要对某个操作函数运行期间抛出的异常做出反应，那么class应该提供一个普通函数（而非在析构函数中）执行该操作。

• 绝不在构造和析构过程中调用virtual函数

  在构造和析构期间不要调用virtual函数，因为这类调用从不下降至derived class（比起当前执行构造函数和析构函数的那层）。

• 令operator=返回一个reference to *this

  令赋值（assignment）操作符返回一个reference to *this。

• 在operator=中处理“自我赋值”

  确保当对象自我赋值时operator=有良好行为。其中技术包括比较“来源图像”和“目标对象”的地址、精心周到的语句顺序、以及copy-and-swap；

  确定任何函数如果操作一个以上的对象，而其中多个对象时同一个对象时，其行为仍然正确。

• 复制对象时勿忘其每一个成分

  Copying函数应该确保复制“对象内的所有成员变量”及“所有base class成分”；

  不要尝试以某个copying函数实现另一个copying函数。应该讲共同机能放进第三个函数中，并由两个copying函数共同调用。

资源管理

• 以对象管理资源

  为防止资源泄露，请使用RAII对象，它们在构造函数中获得资源并在析构函数中释放资源；

  两个常常被使用的RAII classes分别是tr1::shared_ptr和auto_ptr。前者通常是较佳选择，因为其copy行为比较直观。若选择auto_ptr，复制动作会使它（被复制物）指向null。

• 在资源管理类中小心copying行为

  复制RAII对象必须一并复制它所管理的资源，所以资源的copying行为决定RAII对象的copying行为；

  普遍而常见的RAII class copying行为是：抑制copying、施行引入计数法（reference counting）。不过其他行为也都可能被实现。

• 在资源管理类中提供对原始资源的访问

  APIs往往要求访问原始资源（raw resources），所以每一个RAII class应该提供一个“取得其所管理之资源”的办法；

  对原始资源的访问可能经由显示转换或隐式转换。一般而言显示转换比较安全，但隐式转换对客户比较方便。

• 成对使用new和delete时要采取相同的形式

  如果你在new表达式中使用[]，必须在相应的delete表达式中也是用[]。如果你在new表达式中不使用[]，一定不要在相应的delete表达式中使用[]。

• 以独立语句将newed对象置入智能指针

  以独立语句将newed对象存储于（置入）智能指针内。如果不这样做，一旦异常被抛出，有可能导致难以察觉的资源泄露。

设计与声明

• 让接口容易被正确使用，不容易被误用

  好的接口很容易被正确使用，不容易被误用。你应该在你的所有接口中努力达成这些性质；

  “阻止误用”的办法是建立新类型、限制类型上的操作，束缚对象值，以及消除客户的资源管理任务；

  tr1::shared_ptr支持定制型删除器（custom deleter）。这可防范DLL问题，可被用来自动解除互斥锁（mutexes）等等。

• 设计class犹如设计type

  Class的设计就是type的设计。在定义一个新type之前，请确定考虑新type对象的创建和销毁、对象的初始化和赋值、合法值、继承关系等。

• 宁以pass-by-reference-to-const替换pass-by-value

  尽量以pass-by-reference-to-const替换pass-by-value。前者通常比较高效，并可避免切割问题；

  以上规则并不适用于内置类型，以及STL的迭代器和函数对象。对它们而言，pass-by-value往往比较适当。

• 必须返回对象时，别妄想返回其reference

  绝不要返回pointer或reference指向一个local stack对象，或返回reference指向一个heap-allocated对象，或返回pointer或reference指向一个local static对象而有可能同时需要多个这样的对象。

• 将成员变量声明为private

  切记将成员变量声明为private。这可赋予客户访问数据的一致性、可细微划分访问控制、允许约束条件获得保证，并提供class作者以充分的实现弹性；

  protected并不比public更具封装性。

• 宁以non-member、non-friend替换member函数

  宁可拿non-member non-friend函数替换member函数。这样做可以增加封装性、包裹弹性（packaging flexibility）和机能扩充性。

• 若所有参数皆需类型转换，请以此采用non-member函数

  如果你需要为某个函数的所有参数（包括被this指针所指的那个隐喻参数）进行类型转换，那么这个函数必须是个non-member。

• 考虑写出一个不抛出异常的swap函数

  当std::swap对你的类型效率不高时，提供一个swap成员函数，并确定这个函数不抛出异常；

  如果你提供一个member swap，也该提供一个non-member swap用来调用前者。对于classes（而非templates），也请特化std::swap；

  调用swap时应针对std::swap使用using声明式，然后调用swap并且不带任何“命名空间资格修饰”；

  为“用户定义类型”进行std templates全特化是好的，但千万不要尝试在std内加入某些对std而言全新的东西。

实现

• 尽可能延后变量定义式的出现时间

  尽可能延后变量定义式的出现。这样做可增加程序的清晰度并改善程序效率。

• 尽量少做转型动作

  如果可以，尽量避免转型，特别是在注重效率的代码中避免dynamic_casts。如果有个设计需要转型动作，试着发展无需转型的替代设计；

  如果转型是必要的，试着将它隐藏于某个函数背后。客户随后可以调用该函数，而不需要将转型放进他们自己的代码内；

  宁可使用C++ style（新式）转型，不要使用旧式转型。前者很容易辨识出来，而且也比较有着分门别类的职掌。

• 避免返回handles指向对象内部成分

  避免返回handles（包括references、指针、迭代器）指向对象内部。遵守这个条款可增加封装性，帮助const成员函数的行为像个const，并将发生“虚吊号码牌”的可能性降至最低。

• 为“异常安全”而努力是值得的

  异常安全函数（Exception-safe functions）即使发生异常也不会泄露资源或允许任何数据结构败坏。这样的函数区分为三种可能的保证：基本型、强烈型、不抛异常型；

  “强烈保证”往往能够以copy-and-swap实现出来，但“强烈保证”并非对所有函数都可实现或具备现实意义；

  函数提供的“异常安全保证”通常最高只等于其所调用之各个函数的“异常安全保证”中的最弱者。

• 透彻了解inlining的里里外外

  将大多数inlining限制在小型、被频繁调用的函数身上。这可使日后的调试过程和二进制升级（binary upgradability）更容易，也可使潜在的代码膨胀问题最小化，使程序的速度提升机会最大化；

  不要只因为function templates出现在头文件，就将它们声明为inline。

• 将文件间的编译依存关系降至最低

  支持“编译依存性最小化”的一般构想是：相依于声明式，不要相依于定义式。基于此构想的两个手段是Handle classes和Interface classes；

  程序库头文件应该以“完全且仅有声明式”（full and declaration-only forms）的形式存在。这种做法不论是否涉及templates都适用。

继承与面向对象设计

• 确定你的public继承塑模出is-a关系

  “public继承”意味is-a。适用于base classes身上的每一件事情一定也适用于derived classes身上，因为每一个derived class对象也都是一个base class对象。

• 避免遮蔽继承而来的名称

  derived classes内的名称会遮掩base classes内的名称。在public继承下从来没有人希望如此；

  为了让被遮掩的名称再见天日，可使用using声明式或转交函数（forwarding functions)。

• 区分接口继承和实现继承

  接口继承和实现继承不同。在public继承之下，derived classes总是继承base class的接口；

  pure virtual函数只具体指定接口继承；

  简朴的（非纯）impure virtual函数具体指定接口继承及缺省实现继承；

  non-virtual函数具体指定接口继承以及强制性实现继承。

• 考虑virtual函数以外的其他选择

  virtual函数的替代方案包括NVI手法及Strategy设计模式的多种形式。NVI手法自身是一个特殊形式的Template Method设计模式；

  将机能从成员函数移到class外部函数，带来的一个缺点是，非成员函数无法访问class的non-public成员；

  tr1::function对象的行为就像一般函数指针。这样的对象可接纳“与给定之目标签名式（target signature）兼容”的所有可调用物（callable entities）。

• 绝不重定义继承而来的non-virtual函数

  绝不要重新定义继承而来的non-virtual函数。

• 绝不重新定义继承而来的缺省参数值

  绝对不要重新定义一个继承而来的缺省参数值，因为缺省参数值都是静态绑定，而virtual函数——你唯一应该覆写的东西——却是动态绑定。

• 通过复合塑模出has-a或“根据某物出现”

  复合（composition）的意义和public继承完全不同；

  在应用域（application domain），复合意味has-a（有一个）。在实现域（implementation domain），复合意味着is-implemented-in-terms-of（根据某物实现出）。

• 明智而审慎地使用private继承

  Private继承意味着is-implement-in-terms-of（根据某物实现出）。它通常比复合（composition）的级别低。但是当derived class需要访问protected base class的成员，或需要重新定义继承而来的virtual函数时，这么设计是合理的；

  和复合（composition）不同，private继承可以造成empty base最优化。这对致力于“对象尺寸最小化”的程序开发者而言，可能很重要。

• 明智而审慎地使用多重继承

  多重继承比单一继承复杂。它可能导致新的歧义性，以及对virtual继承的需要；

  virtual继承会增加大小、速度、初始化（及赋值）复杂度等等成本。如果virtual base classes不带任何数据，将是最具实用价值的情况；

  多重继承的确有正当用途。其中一个情节涉及“public继承某个Interface class”和“private继承某个协助实现的class”的两相结合。

模板与泛型编程

• 了解隐式接口和编译器多态

  classes和template都支持接口（interfaces）和多态（polymorphism）；

  对classes而言接口是显示的（explicit），以函数签名为中心。多态则是通过virtual函数发生于运行期；

  对templates参数而言，接口是隐式的（implicit），奠基与有效表达式。对态则是通过template具现化和函数重载解析（function overloading resolution）发生于编译期。

• 了解typename的双重意义

  声明template参数时，前缀关键字class和typename可互换；

  请使用关键字typename标识嵌套从属类型名称；但不得在base class lists（基类列）或member initialization list（成员初值列）内以它作为base class修饰符。

• 学习处理模板化基类内的名称

  可在derived class templates内通过“this->”指涉base class templates内的成员名称，或籍由一个明白写出的“base class资格修饰符”完成。

• 将与参数无关的代码抽离

  Templates生成多个classes和多个函数，所以任何template代码都不该与某个造成膨胀的template参数产生相依关系；

  因非类型模板参数（non-type template parameters）而造成的代码膨胀，往往可消除，做法是以函数参数或class成员变量替换template参数；

  因类型参数（type parameters）而造成的代码膨胀，往往可以降低，做法是让带有完全相同二进制表示（binary representations）的具现类型（instantiation types）共享实现码。

• 运用成员函数模板接受所有兼容类型

  请使用member function templates（成员函数模板）生成“可接受所有兼容类型”的函数；

  如果你声明member templates用于“泛化copy构造”或“泛化assignment操作”，你还是需要声明正常的copy构造函数和copy assignment操作符。

• 需要类型转换时请为模板定义非成员函数

  当我们编写一个class template，而它所提供之“与此template相关的”函数支持“所有参数之隐式类型转换”时，请将那些函数定义为“class template内部的friend函数”。

• 请使用traits classes表现类型信息

  Traits classes使得“类型相关信息”在编译期可用。它们以templates和“templates特化”完成实现；

  整个重载技术（overloading）后，traits classes有可能在编译期对类型执行if…else测试。

• 认识template元编程

  Template metaprogramming（TMP，模板元编程）可将工作由运行期移往编译期，因而得以实现早期错误侦测和更高的执行效率；

  TMP可被用来生成“基于政策选择组合”（based on combinations of pilicy choices）的客户定制代码，也可用来避免生成对某些特殊类型并不适合的代码。

定制new和delete

• 了解new-handler的行为

  set_new_handler允许客户指定一个函数，在内存分配无法获得满足时被调用；

  Nothrow new是一个颇为局限的工具，因为它只适用于内存分配；后继的构造函数调用还是可能抛出异常。

• 了解new和delete的合理替换时机

  有许多理由需要写个自定的new和delete，包括改善效能、对heap运用错误进行调试、收集heap使用信息。

• 编写new和delete时需固守常规

  operator new应该内含一个无穷循环，并在其中尝试分配内存，如果它无法满足内存需求，就该调用new-handler。它也应该有能力处理0 bytes申请。Class专属版本则还应该处理“比正确大小更大的（错误）申请；

  operator delete应该在收到null指针时不做任何事。Class专属版本则还应该处理“比正确大小更大的（错误）申请。

• 写了placement new也要写placement delete

  当你写一个placement operator new，请确定它也写出了对应的placement operator delete。如果没有这样做，你的程序可能会发生隐微而时断时续的内存泄露；

  当声明placement new和placement delete，请确定不要无意识（非故意）地遮盖了它们的正常版本。

杂项讨论

• 不要请勿编译器的警告

  严肃对待编译器发生的警告信息。努力在你的编译器的最高（最苛刻）警告级别下争取“无任何警告”的荣誉；

  不要过度依赖编译器的报警功能，因为不同的编译器对待事情的态度并不相同。一旦移植到另一个编译器上，你原本依赖的警告信息有可能消失。

• 让自己熟悉包括TR1在内的标准程序库

  C++标准程序库的主要机能由STL、iostreams、locales组成。并包含C99标准程序库；

  TR1添加了只能指针（如tr1::shared_ptr）、一般化函数指针（tr1::function）、hash-based容器、正则表达式（regular expression）以及另外10个组件的支持；

  TR1自身只是一份规范。为获得TR1提供的好处，需要一份实物。一个好的实物来源是Boost。

• 让自己熟悉Boost

  Boost是一个社群，也是一个网站。致力于免费、源码开放、同僚复审的C++程序库开发。Boost在C++标准化过程中扮演具有影响力的角色；

  Boost提供许多TR1组件实现品，以及其他许多程序库。

参考文献：Effective C++ 55个条款