【C++】《Effective C++》第五章

阅读原文时间：2023年07月09日阅读：1

第五章实现

只要定义了一个变量而其类型带有一个构造函数或析构函数，那么

当程序的控制流到达这个变量定义式时，你得承受这个构造成本。
当这个变量离开这个作用域时，你得承受这个析构成本。

即使这个变量最终并未被使用，仍然需要耗费这些成本，所以应该尽可能避免这种情形，即延后变量的定义，直到非得使用该变量的前一刻为止，甚至应该尝试延后这份定义直到能够给它初值实参为止。

如果变量只在循环内使用，那么把它定义于循环外并在每次循环迭代是赋值给它比较好，还是该把它定义在循环内？

// 方法A：定义于循环外
Widget w;
for(inti i = 0; i < n; ++i) {
    w = 取决于i的某个值;
    // ...
}

// 方法B：定义于循环内
for(int i = 0; i < n; ++i) {
    Widget w(取决于i的某个值);
    // ...
}

以上的两种做法的成本如下：

做法A：1个构造函数 + 1个析构函数 + n个赋值操作
做法B：n个构造函数 + n个析构函数

从效率上看，如果类的一个赋值成本低于一组构造和析构成本，做法A大体而言比较高效，尤其是当n的数值很大时。否则做法B更好。

从可理解性和维护性上看，做法A造成w的作用域比做法B更大，可维护性和可理解性相对较差。

请记住

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该改善程序效率。

显然，转型(casts)会破坏类型系统(type system)，但是有时也不得不这样做。

转型分类包括：

旧式转型(old-style casts)：
- C风格：(T) expression
- 函数风格：T(expression)
新式转型(C++-style casts)：
- const_cast<T>(expression);
  - 通常被用来将对象的常量性转除(cast away the constness)。
- dynamic_cast<T>(expression);
  - 主要用来执行"安全向下转型"，也就是用来决定某对象是否归属继承体系中的某个类型、即主要用于将基类指针转换成派生类指针(或引用)，通常需要知道转换源和转换目标的类型。可能会耗费重大的运行成本。
- reinterpret_cast<T>(expression);
  - 通常为算术对象的位模式提供较低层次上的重新解释。例如将int*转换为char*，比较危险的转换！
- static_cast<T>(expression);
  - 用来强制隐式转换，只要不包含底层const，都可以使用。适合将较大算术类型转换为较小算术类型。例如将non-const对象转换为const对象，int转为double等等。唯一例外是无法将const转为non-const，这个只要const_cast才能做到。

应该尽可能使用新式转型，主要有两点原因：

它们很容易在代码中被辨别出来(无论是人工还是使用工具如grep等)，因而得以简化"找出类型系统在哪个地方呗破坏"的过程。
各转型动作的目标越窄化，编译器越可能诊断出错误的运用。

尽管如此，还是应该尽量少做转型，原因如下：

转型不只是告诉编译器把某种类型视为另一种类型这么简单，任何一个转型动作往往令编译器编译出运行期间执行的代码。
- int转型为double几乎肯定会产生一些代码，因为在大部分体系结构中，int的底层表述不同于double的底层表述。
  
  int x, y;
  // …
  double d = static_cast(x)/y;
- 会有个偏移量在运行期被实施于Derived*指针上，用以取得正确的Base*地址。
  
  class Base {};
  class Derived : public Base {};
  Derived d;
  Base* pb = &d;
很容易写出似是而非的代码。

class Window {
public:
virtual void onResize();
// …
};

// 错误的用法，因为转型并非在当前对象身上调用Window::onResize()，而是当前对象的base class成分的副本上调用Window::onResize()。
class SpecialWindow: public Window {
public:
virtual void onResize() {
static_cast(this)->onResize();
// 进行SpecialWindow的专属行为
}
};

// 正确的用法
class SpecialWindow: public Window {
public:
virtual void onResize() {
Window::onResize();
// 进行SpecialWindow的专属行为
}
};
继承中的类型转换效率低：
- C++通过dynamic_cast实现继承中的类型转换，通常是因为想在一个认定为derived class对象身上执行derived class操作没，但是拥有的是一个指向base的指针或引用。这样做其效率都是相当低的！这种情况下有两种办法可以避免转型：
  - 使用容器并在其中存储直接指向derived class对象的指针
  - 将derived class中的操作上升到base class内，成为virtual函数，base class提供一份缺省实现

请记住

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，而不需将转型放进它们自己的代码内。
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责。

references、指针和迭代器统统都是所谓的handles，即号码牌，用来取得某个对象。

增加封装性：如果成员函数返回handles，那么相当于成员变量的封装性从private上升到public，这显然与条款22：将成员变量声明为private冲突。
使得"通过const修改对象的数据"成为可能：对象只包含指针成员，实际数据通过这个指针指向，const成员函数返回一个这个指针所指对象的引用，并不会造成指针被修改，也就符合bitwise constness，但是通过这个引用却可以改变对象实际的数据。
防止"虚吊"发生：若返回的handles指向一个临时对象，那么返回后临时对象被销毁，handles就会成为"虚吊的"，只要handles被传出去，就会面临"handles比其所指对象更长寿"的风险。

请记住

避免返回handles(包括references、指针和迭代器)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"(dangling handles)的可能性降至最低。

考虑一个例子，有一个菜单类，changeBg函数可以改变它的背景，切换背景计数，同时提供线程安全。

class Menu {
public:
    // ...
    void changeBg(std::istream& src);

private:
    Mutex mutex;    // 互斥器，提供多种线程互斥访问
    Image* bg;  // 背景图片
    int changeCount;    // 切换背景次数
};

void Menu::changeBg(std::istream& src) {
    lock(&mutex);
    delete bg;
    ++changeCount;
    bg = new Image(src);
    unlock(&mutex);
}

异常安全的两个条件：
- 不泄漏任何资源：即发生异常时，异常发生之前获得的资源都应该释放，不会因为异常而泄漏。在上面的例子中，如果new Image(src)发生异常，那么unlock就永远不会被调用，因此锁资源会泄漏。
- 不允许数据破坏：如果new Image(src)发生异常，背景图片会被删除，计数也会改变，但是新背景并未设置成功。

对于资源泄漏，条款13：以对象管理资源可以解决；使用智能指针指定删除器也可以解决；

void Menu::changeBg(std::istream& src) {
    Lock m1(&mutex);
    delete bg;
    ++changeCount;
    bg = new Image(src);
}

对于数据破坏，需要注意异常安全函数的三个保证：

基本承诺：抛出异常后，对象仍然处于合法(valid)的状态，但是不确定处于哪个状态。
强烈保证：如果抛出了异常，状态并不会发生任何改变。就像没调用这个函数一样。
不抛掷保证：这是最强的保证，承诺绝不抛出异常，函数总是能完成它所承诺的事情。

对于前面的例子，可以使用智能指针，以及重排changeBg的语句顺序来满足"强烈保证"。

class Menu {
public:
    // ...
    void changeBg(std::istream& src);

private:
    Mutex mutex;    // 互斥器，提供多种线程互斥访问
    std::shared_ptr<Image> bg;  // 背景图片
    int changeCount;    // 切换背景次数
};

void Menu::changeBg(std::istream& src) {
    Lock m1(&mutex);
    bd.reset(new Image(src));   // 以new的执行结果设定bg内部指针
    ++changeCount;
}

可以使用 copy-and-swap策略，它通常能够为对象提供异常安全的"强烈保证"。当我们要改变一个对象时，先把它复制一份，然后去修改它的副本，改好了再与原对象交换。

struct MentImpl {
    std::shared_ptr<Image> bg;  // 背景图片
    int changeCount;    // 切换背景次数
};

class Menu {
public:
    // ...
    void changeBg(std::istream& src);

private:
    Mutex mutex;    // 互斥器，提供多种线程互斥访问
    std::shared_ptr<MentImpl> pImpl;
};

void Menu::changeBg(std::istream& src) {
    using std::swap;
    Lock m1(&mutex);    // 获得mutex的副本数据
    std::shared_ptr<MenuImpl> pNew(new MenuImpl(*pImpl));
    pNew->bg.reset(new Image(src));   // 修改副本
    ++pNew->changeCount;
    swap(pImpl, pNew);  // 置换数据，释放mutex
}

请记住

异常安全函数(Exception-safe functions)即使发生异常也不会泄漏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、不抛出异常型。
"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"通常最高只等于所调用之各个函数的"异常安全保证"中的最弱者。

使用inline的优劣：

优势：较少函数调用的开销；编译器对inline的优化；
劣势：目标代码的增加，程序体积增大，导致额外的换页行为，降低指令高速缓存装置的命中率。

提出inline的两种方式：

显式提出
隐式提出(类内实现成员函数)

大部分编译器拒绝将太过复杂的(例如带有循环或递归)函数inlining，而所有对virtual函数的调用也会拒绝inlining，因为virtual意味着"等待，直到运行期才能确定调用哪个函数"，而inline意味准备"执行前，先将调用动作替换为被调用函数的本体"。

总的来说，一个表面上看似inline的函数是否真是inline，取决于你的环境，主要取决于编译器。幸运的是大多数编译器提供了一个诊断级别：如果它们无法将你要求的函数inline化，会给你一个警告信息。inline函数无法随着程序库的升级而升级。

构造函数和析构函数往往是inlining的糟糕候选人。对于以下代码：

class Base {
public:
    // ...
private:
    std::string bm1, bm2;
};

class Derived: public Base {
public:
    Derived() {}
    // ...
private:
    std::string bm1, bm2, bm3;
};

虽然看上去Derived构造函数为空，符合一个函数成为inline的特性。但是为了确保C++对于"对象被创建和被销毁时发生什么事"做出的各式各样的保证，编译器会在其中安插代码。因此实际的Derived构造函数可能是这样的：

Derived::Derived() {

    Base::Base();
    try {dm1.std::string::string();}
    catch() {
        Base::~Base();
        throw;
    }

    try {dm2.std::string::string();}
    catch() {
        dm1.std::string::~string();
        Base::~Base();
        throw;
    }

    try {dm3.std::string::string();}
    catch() {
        dm2.std::string::~string();
        dm1.std::string::~string();
        Base::~Base();
        throw;
    }
}

对于上述代码。显而易见，真正的编译器会以更精细复杂的做法来处理异常。相同理由也使用与析构函数。

80-20经验法则：平均而言一个程序往往将80%的执行时间花费在20%的代码上。这个法则提醒我们，作为一个软件开发者，你的目标是找出这可以有效增进程序整体效率的20%代码，然后将它inline或竭尽所能地将它瘦身。但除非你选对目标，否则一切都是徒劳。

请记住

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更容易，也可使潜在的代码膨胀问题最小化，是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。

C++并没有把"将接口从实现中分离"这件事做的很好，例如：

#include <string>
#include "date.h"
#include "address.h"

class Person {
public:
    // ...
private:
    std::string theName;
    Date theBirthDate;
    Address theAddress;
};

如果没有引入头文件，那么编译将无法通过。但是这样会在Person定义文件和其含入文件之间形成了一种编译依赖关系。如果这些头文件中任何一个被改变，或这些文件多依赖的其他头文件有任何改变，那么每个含有Person class的文件都得重新编译，任何使用Person class的文件也必须重新编译，这样的连串编译依存关系会对许多项目造成难以形容的灾难。

可能会想着将实现细目分开：

namespace std {
    class string;   // 前置声明，但不正确
}
class Data; // 前置声明
class Address;  // 前置声明

class Person {
public:
    // ...
};

如果这样做，Person的客户就只需要在Person接口被修改过时才重新编译，但是这种想法存在两个问题：

string并不是class，它是个typedef，上述前置声明不正确，正确的前置声明较为复杂。
最重要的是，编译器必须在编译期间知道对象的大小：

解决这个问题的方法主要有两种：

第一种方法：handle classes，把Person分割成两个类：一个只提供接口(Person)，一个负责实现接口(PersonImpl)。即使用条款25：接口class中只包含一个负责实现接口的class的指针，因此任何改变都只是在负责实现接口的class中进行。这正是接口和实现分离，这种情况下，想Person这样使用pImpl的class往往被称为handle classes。

#include
#include

class PersonImpl;

class Person {
public:
Person(string& name);
string name() const;
private:
std::shared_ptr pImpl; // 指针，指向实现物
};

Person::Person(string& name): pImpl(new PersonImpl(name)){}
string Person::name() {
return pImpl->name();
}
第二种方法：Interface classes，令Person成为一种特殊的abstract class：

class Person {
public:
virtual ~Person();
virtual std::string name() const = 0;
```
static std::shared_ptr<Person> create(string& name);    // 由于客户不能实例化这个类，只能使用它的引用和指针，所以需要提供一种方法来获得一个实例
```
};

std::shared_ptr Person::create(string& name) {
return std::shared_ptr(new RealPerson(name));
}

class RealPerson: public Person {
public:
RealPerson(const std::string& name): theName(name) {}
virtual ~RealPerson(){}
std::string name() const;
private:
std::string theName;
};

// 使用
std::shared_ptr p(Person::create("parzulpan"));
std::cout << p->name() << std::endl;

请记住

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。

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