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Effective C++ 汇总

2022-09-25
7 min read
c/cpp , techs

Effective C++ / More Effective C++ / Effective STL / Effective Modern C++ / Exceptional C++ / More Exceptional C++ /

下面文章中使用 EC 表示 Effective C++，使用 MEC 表示 More Effective，同理 ES 和 EMC；使用 EPC 表示 Exceptional C++

基础

C++ 是一门复合型语言（EC1），并不是所有技巧都需要去掌握，有些工具是专门提供给库作者的。因为历史原因，#define 过去被使用的非常频繁，我们应该减少对 #define 的使用（EC2），其他技巧性建议如下所示

  1. 尽可能使用 const 关键字（EC3）
  2. 了解 Rule of 5（EC5/EC6，EMC17），细节可以参考 这里
  3. 给多态基类的析构函数加上 virtual，注意这里的两个关键词：多态&基类 （EC7）
  4. 析构函数默认是不抛异常的（noexcept，抛出异常会造成程序退出），所以不能让异常从析构函数中逃离（EC8）
  5. 不要在构造与析构函数中调用 virtual 函数（EC9），因为你不能确定调用的是哪个函数
  6. 类声明（头文件）中定义的函数默认 inline（EC30），尽量不要把构造和析构设计成 inline。模板函数内联需要明确标识
  7. 尽量使用 C++ 风格的编码，例如尽量使用 C++ 风格的类型转换（MEC2），当然要尽量少做类型转换（EC27）
  8. new/delete 的形式应该保持一致（EC16），否则系统行为不定
  9. 尽量使用 pass-by-ref 传递拷贝开销大的对象（EC20、EMC41）
  10. 不要忽略编译器的警告（EC53）
  11. 其他

Modern CPP

这里 Modern CPP 表示 C++11 之后 C++ 引入的新特性

  1. 理解模板类型推导的过程（EMC1）；理解 auto 类型推导过程（EMC2/5/6）；理解 decltype（EMC3/4）

  2. 构造对象时理解 {} 和 () 的区别（EMC7）

  3. 使用 alias 替换 typedefs（EMC9）；在合适的地方优先使用 nullptr 替换 0 和 NULL（EMC8）；使用新的范围枚举（EMC10）

    template<typename T>
using MyAllocList = std::list<T, MyAlloc<T>>;

  4. 熟悉并使用新的 C++ 关键字：override（EMC12）、delete/default（EMC11）、noexcept（EMC14）、constexpr（EMC15）

  5. 理解智能指针的功能和用途，熟悉智能指针在 Pimpl 技法中的使用细节（EMC18~EMC22）

  6. 理解右值引用、移动语义、通用引用和完美转发（EMC23~EMC30）。此类问题更多细节可以参考《C++ Move Semantics》

  7. 优先使用 emplace_back 方法，而不是插入（inseration）方法（EMC42）

  8. 熟练掌握 lambda 表达式的使用（EMC31~EMC34），优先使用 lambda 而不是 bind 方法（EMC34）

设计

  1. 令 operator = 返回 reference to *this，a = b = c （EC10）。拷贝对象的时候不能遗漏任何成员（EC12）

  2. 使用证同测试处理自我赋值；更好的办法是使用异常安全代码：swap。未处理自我赋值可能造成资源意外释放等问题（EC11）

  3. RAII 是 C++ 中的典型技法：使用对象管理资源（EC13）；资源管理类应该向外提供原始资源的访问方式（EC15）；为了安全，非资源管理类应该避免返回内部成分（EC28）；因为 C++ 仅仅能删除被完全构造的对象，所以要保证构造函数不泄露资源（MEC10），子成员需要有自己的 RAII，例如使用智能指针管理资源

  4. 使用独立的语句将资源置入智能指针中，避免调用异常时造成资源泄漏（EC17）

    //A的创建、fun的执行、智能指针的创建，随编译器实现而不同，一旦出现异常很可能出现资源泄漏
process(std::shared_ptr<A>(new A()), fun()); // 错误用法
// 下面的写法比较合适
auto sptr = std::shared_ptr<A>(new A());
process(sptr, fun());

  5. 适当的引入新类型可以减少不必要的错误，比如引入 Day/Month/Year 类，可以减少参数填写的错误（EC18）

  6. 封装意味着减少信息的泄漏，尽量减少成员函数的个数（EC23）优先使用 free funcs 减少 frend funcs；也应该尽量将成员变量设置为 pirvate（EC22）

  7. 尽量少做转型（EC27），默认转型会造成编译器额外的工作

  8. 保证异常安全（EC29）：不泄漏资源 & 不破坏数据（all or nothing）

  9. 减少编译依赖（EC31），最好实现头文件中“只有声明式”，比较常见的技法是 Pimpl。LevelDB 中大量使用了 Pimpl 技法

    1. 使用 unique_ptr 实现 Pimpl 手法时需要自行实现类的析构函数，否则编译无法通过，细节可以参考这里

面向对象

  1. 面向行为继承（EC32）。public 继承意味着 is-a，这里的 is 是面向行为（函数）的。企鹅是鸟但不能飞，所以企鹅不应该继承自鸟
  2. 避免遮掩继承而来的名字（EC33）；绝不重写继承而来的非虚函数（EC36）；不修改继承而来的虚函数默认参数（EC37）；少用多重继承（EC40）
  3. 区分接口继承与实现继承（EC34）
  4. 非虚函数也可以实现多态（EC35），例如 NVI（non-virtual interface）、 functor/bind

异常与异常安全

C++ 中异常机制的简介可以参考这篇文章。根据 MEC10，C++ 仅仅能删除被完全构造的对象，所以类内子对象需要有自己的 RAII 机制，例如使用智能指针

异常对象也是对象且有自己的析构机制，所以捕获异常时最好使用引用和指针，避免异常对象的拷贝（MEC13）。C++11 以前，使用异常对比不使用异常的二进制文件大小与执行时间有 5%~10% 的损耗；一旦抛出异常，整个异常流可能比正常流慢三个数量级。C++ 11 后，随着技术的发展，异常对系统性能的影响逐渐降低，但不使用异常处理业务依旧时一条铁律——异常机制只能用于处理异常事件

审慎使用异常规格（exception specifications) （MEC14）。C++ 异常可以捕获 double、int 等非类异常对象，使用这类方法会加重编译器的负担。好的原则是只抛出继承标准异常类的那些异常对象

泛型与STL

用好 C++ 中的泛型和 STL 有一定的难度，不过一些高阶内容平时使用的不多，也没必要过度关注，例如模板元编程（EC48）、Type Trait（EC47）等，细节可以参考 EC41~EC48。一些典型的原则：尽量调用标准库中的函数（ES43）、尽量使用成员方法替换同名算法（ES44）。为了提升程序的性能与可维护性，可以考虑如下原则：

提升性能

  1. 合理选择容器（ES1）、判断容器为空时优先使用 empty 方法（ES4）
  2. 尽量使用区间类成员方法（ES5），例如尽量使用 vector::assign(beg, end) 取代频繁的 push_back 或者 std::copy
  3. 使用 vector 尽量使用 reserve 预分配内存（ES14）；为减少内存使用可以考虑使用 container::swap 方法修整过剩容量（ES17）
  4. 考虑用有序 vector 代替关联容器（ES23），vector 占用更少的内存与内存页，内存效率更高
  5. 当给 map 添加新元素时，insert 比 operator[] 效率高；当更新已经在 map 里的元素值时 operator[] 更好（ES24）
  6. 需要一个一个字符输入时考虑使用 istreambuf_iterator （ES29）
  7. 合理的选择排序算法（ES31）：partition / nth_element / partial_sort / stable_partition / sort / stable_sort
  8. 合理选择 count、find、binary_search、lower_bound、upper_bound、equal_range（ES45）
  9. 遵循按值传递的原则来设计 functor（ES38）；考虑使用函数对象而不是函数作为 STL 算法的参数（ES46），functor 会做 inline 优化，效率提升比较明显。C++11 后使用 lambda 表达式更优

其他

  1. 合理的选择容器的删除方法（ES9），序列容器可使用 erase-remove、关联容器使用 erase
  2. 避免使用 vector<bool>（ES18），因为它不是传统意义上的容器
  3. 避免原地修改 set 和 multiset 的键（ES22）
  4. 通过 mismatch 或 lexicographical 比较实现简单的忽略大小写字符串比较（ES36）
  5. 用 accumulate 或 for_each 来统计区间（ES37）
  6. 仿函数相关内容请参考 ES38~ES42

关联容器

相等≠等价

find 算法和 set 的 insert 成员函数是很多必须判断两个值是否相同的函数的代表。但它们以不同的方式完成（ES19）：

  1. find 对“相同”的定义是相等，基于operator==
  2. set::insert 对“相同”的定义是等价，通常基于 operator<

等价是基于在一个有序区间中对象值的相对位置。等价一般在每种标准关联容器（比如 set、multiset、map 和multimap）的排序顺序方面有意义。两个对象 x 和 y 如果在关联容器 c 的排序顺序中没有哪个排在另一个之前，那么它们关于 c 使用的排序顺序有等价的值。因为关联容器对等价有着严格的要求，所以永远让比较函数对相等的值返回 false（ES21）。这个特性也被称为严格弱序（反对称性、传递性、反自反性和等号的传递性），例如下面 pair 的比较方法：

p1.first<p2.first || (p1.first==p2.first && p1.second<p2.second);

其他

new&delete

new 和 delete 是 C++ 中比较复杂的模块，平常用的也不多，需要时请参考 EC49~EC52。new delete 有不同的类型，例如操作符、函数、placement 等，细节可以参考 MEC8

多线程

EMC 对 C++ 多线程的介绍不多，主要集中在 EMC35~EMC40，细节可以参考 《C++ Concurrency in Action》

  1. 优先使用基于任务的编程模式（EMC35），例如 std::async；std::launch::async 标记在需要的时候主动标记，否则系统不一定会并发执行（EMC36）
  2. 了解 atomic & volatile（EMC10）

标准库&Boost

尽量了解标准库和 Boost 中的细节

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