Brief Notes of 《Effective C++》

本文为学习《Effective C++》各个条款之后的一点概要式的总结。
github博客地址

条款2 尽量以const, enum, inline替代#define

• 宁可用编译器替代预处理器。以#define定义的记号是不会记录到符号表中的；
• #define没有封装性可言。
• enum hack。enum {tmp=5};对应的tmp一定在编译期就可以得到并且不会导致非必要的内存分配。

条款3 尽可能使用const

• 调用const成员函数以实现孪生non-const成员函数。通过使用const_cast和static_cast来达到目的，优点是避免了代码重复。
• 调用non-const成员函数实现const成员函数是错误的。因为这破坏了const的语义约束。

条款5 了解C++默认编写并调用哪些函数

• 如果自定义了需要实参的构造函数，则编译器不会自动生成default ctor
• 如果class内部包含有带有&引用类型或者const常量类型，则编译器不会自动生成copy assignment；因为编译器不知道该怎么处理

条款7 为多态基类声明virtual析构函数

• 每一个带有virtual函数的class都拥有一个指向virtual table的指针，virtual table中包含了所有对应virtual函数的函数指针
• 不要尝试继承任何标准库容器（比如std::string），因为它们都没有virtual dtor。这会导致未定义行为
• 没有多态性质的base class也不要声明virtual dtor，比如说boost::noncopyable，virtual并无必要，且浪费空间的
• 如果明确了一个类具有多态性质，且作为base class使用，则应该声明virtual dtor

条款8 别让异常逃离析构函数

• 绝对不能让dtor吐出异常，因为很可能会造成资源泄露。对于有可能在dtor中发生的异常，应该将其吞下或者提前终止程序
• 更合适的做法是为客户代码提供一个接口，使得客户有机会去处理可能发生的异常

条款11 在operator=中处理“自我赋值”

核心其实就是不能让指针指向一个未获取的资源；存在3类方法，各有各的优势

• 赋值之前先比较lhs和rhs的地址是否相同，如果相同，则直接返回；
• 先记住之前本身的资源（可以设一个pOrigin指针指向旧资源），随后拷贝一份rhs的资源，并令lhs指向新资源，最后再释放掉lhs的旧资源（即delete pOrigin）（这其实就是copy and swap的步骤...）；
• copy and swap。先拷贝rhs指向的资源，再令lhs指向的资源和这份拷贝之后的资源进行交换；

条款12 复制对象是勿忘其每一个成分

• 自行编写copy ctor或者operator=是一项重大的责任，因为要考虑到各种细节。而也正是因为这样的原因，当自行编写时，编译器会认定你是一个足够强大的程序员，因此不会对自定义copy ctor和operator=的不好的地方做出任何警告；
• 确保每一个成员变量都被正确拷贝；
• 当目标是derived class时，其base class的成员变量也要被正确拷贝。这需要通过调用base class的copy ctor和operator=来实现；
• 切记，copy ctor和operator=不能相互调用。这从语义上就行不通

条款14 在资源管理类中小心copying行为

对RAII对象执行复制，是需要万分小心的行为，因为它涉及到的资源的最佳处理方式不甚相同；常见的方式包括：

• 禁止复制。很多情况下这是比较科学的做法，因为行为表现的像指针这样的数据类型是不应该重复进行delete的；如果不禁止复制，则必须做到对指涉到的资源也进行复制；
• 引用计数。不多说了，就是智能指针那一套；

条款15 在资源管理类中提供对原始资源的访问

• 诸如std::shared_ptr和std::unique_ptr都会提供get()成员函数来访问其指涉的底层资源；这不是破坏封装性，而仅仅是一种接口风格；
• 访问底层资源的接口，一般而言就两种：①get()这样的成员函数，②隐式转换。一般来说还是①更好一点，因为更安全；

条款16 以独立语句将newed对象置入智能指针

• 本条款在《Effective Modern C++》中也有讲述；
• 核心的一点就是在单条语句内，编译器是有着重新编排执行顺序的自由的；
• 因此，诸如std::shared_ptr<XXX> sp(new XXX);这样的语句应该单独成句，而不应该嵌入到其他语句中；
• 其实现代C++的话，更好的做法是使用std::make_shared或者std::make_unique；它们使用完美转发，且很安全；

条款19 设计class犹如设计type

不多说了，在编写类代码的时候多看看本条款，思考条款中列出的问题；

条款23 宁以non-member、non-friend替换member 函数

• 要理解这个条款，就得明确namespace的作用：①可以跨越多个源码文件；②在实现类似于utility所提供的功能时，更具有优势（因为语义更清晰）；③在提供了所需功能基础上达到编译依赖最低，封装性最好
• 书中所举的例子：任务是调用class中的三个成员函数。那么方法大致为两种：①再写一个成员函数，内容就是调用那三个函数；②将新的函数放在class的外部（非成员函数），但位于同一个namespace中；
• 基于上面所陈述的原因，使用第二个方法是更好的方式

条款24 若所有参数皆需要类型转换，请为此采用non-member函数

• member函数的反面是non-member，而不是friend；friend在OOP中能避免则避免，因为太破坏封装性了
• 只有当参数被置于参数列时，这个参数才是隐式类型转换的合格参与者；也就是说，当调用成员函数时，lhs实际上没有被置于参数列中，而是this

条款26 尽可能延后变量定义式的出现时间

• 应该尽可能在要用到某个变量的时候才去定义它（这很显然嘛）
• 关于循环体中的变量的下述两种定义方式，一般情况下，除非明确知道赋值操作的消耗小于构造加析构的时候才使用第一种；因为第一种方式扩大了变量的生命期；

// 第一种
{
  ...
  Weight tmp;
  for(int i = 0; i < N; ++i){
    tmp = Weight(i);
  }
}
// 第二种
{
  for(int i = 0; i < N; ++i){
    Weight tmp= Weight(i);
    ...
  }
}

条款29 为“异常安全”而努力是值得的

• 所谓的异常安全函数，其实就是发生异常也不会导致资源泄露和数据败坏；包括三类：
  • 基本保证：如果函数发生异常，则对应的对象不一定还能还原为调用前的状态，但至少保证还是正常可用的；
  • 强烈保证：即使函数发生异常，对象还是能够还原为原来的状态，即只有两种状态：成功调用和不调用；这通常通过copy-and-swap来实现，即先将原来的对象复制一个副本，随后对副本执行相应的改变，如果执行成功，则原对象和副本执行swap；如果发生异常，原对象也未发生任何改变
  • 不抛掷(nothrow)保证：即保证函数不发生异常；这通常办不到。。。只要涉及到了动态内存的分配，都是有可能发生异常的
• 可以看出，级别越高，其实实现是越困难的，并且带来的开销也会越高；因此，应该挑选的是现实可实施下的最高等级
• 异常安全性是遵循木桶原理的，只要函数调用了等级较低的函数，那么它的异常安全性也会降低

条款30 透彻了解inlining的里里外外

• inline在大多数C++程序中都是编译期行为；
• inline仅仅是一个申请，并不保证一定会内联；
• 是否真正内联还取决于函数的调用方式；（如果以函数指针进行调用，那么就不可能被内联了）；
• inline的优势是避免调用开销，但也存在以下问题：
  • 代码膨胀：毕竟，如果在多处都调用了该函数，那么就会有多份该函数体的副本；
  • 编译依赖：如果inline函数发生了改变，那么所有客户代码都必须重新编译；反之，如果不是内联的，那么仅仅重新链接一下就行

条款31 将文件间的编译依存关系降至最低

C++中降低文件间的编译依赖，主要就是两种手段：handle class以及interface class

• 如果客户代码所使用的的头文件中，直接包含的是要使用的class的具体实现（包括各个函数定义），那么就形成了依赖关系；
• 所谓依赖关系，就是指，只要一个class改变了一点点实现，那么所有使用它的客户代码都需要重新编译；
• handle class：
  • 所谓的handle class，实际上意味着一个负责声明的class和一个负责具体实现的class（假设为class Widget和class WidgetImpl）；两者的接口全部一致，而客户代码使用的是class Widget
  • class Widget中不对任何方法进行具体实现，只声明类接口；且涉及到非基本类型的自定义类型成员变量（比如此处的class WidgetImpl），都使用前置声明和（智能）指针来进行指涉；
  • 标准库组件无需也不应该被前置声明；直接#include就行；
  • 这样一来，class Widget的头文件中不会#include任何其他的头文件（除了标准库）；而这，也就杜绝了客户代码对除了class Widget头文件之外的文件产生任何依赖；
  • 至于class Widget的接口实现，则在其.cpp文件中去#include "WidgetImpl"，然后调用class WidgetImpl的接口即可；
• interface class
  • 即类似于Java中的interface，不过实现方式是定义成虚基类；面向派生谱系的多态技术；

条款33 避免遮掩继承而来的名称

• C++应对派生谱系中的函数调用，归根结底就是以名称为准进行匹配；
• 无论是变量还是函数，是重载还是重写，是否是虚函数，甚至也无论函数的参数列表是什么形式，都没有任何关系；编译器只要在当前的域中找到了对应的名称，就直接结束匹配；
• 这意味着：如果base class中定义了一组重载函数，而后又在derived class中定义了一个同名的函数，那么当用derived class类型（或引用、指针）来调用这个名称的函数时，基类的重载函数统统被覆盖；
• 克服这个问题的方法：在派生类中加入using声明：

class Base{
public:
    // 重载函数
    void f(int);
    void f();

};

class Derived : public Base {
public:
    using Base::f; // OK，基类的重载函数不会被覆盖了
    void f(int, int);
};

• 如何实现仅继承部分基类接口？很简单，使用private继承+转接函数；
  • 所谓的转接函数就是派生类中的公共接口，但这些公共接口只是去调用基类的函数；
  • 基类因为被private继承了，所以其所有接口也就被隐藏了；

条款34 区分接口继承和实现继承

• 在继承谱系中，虚函数，纯虚函数，普通函数之间的根本区别就是对待接口继承和实现继承的方式不同；
• 纯虚函数：只继承接口；
• 虚函数：继承接口和一份缺省实现
• 普通函数：继承接口和一份强制实现======》
  • 这意味着任何derived class都不应该重新定义base class中的普通函数；
  • 条款36就是在陈述这一点；本质上就是因为普通函数实施的是静态绑定，相同的对象会因为其指针或引用的类型的不同而执行不同的函数体（有可能是基类的函数体，也可能是派生类的函数体）；这造成了不确定性（另一方面，单个基类指针，即使指向不同类型的派生类，其调用普通函数时，也只会执行基类函数体，造成了程序错误）；
• 注：C++的虚函数模型在二进制兼容性（ABI）方面的负面影响是极大的。如果一个程序会设计为一个动态库，客户代码对其进行加载调用，如果后续动态库进行了升级，在某个类中加入了新的虚函数，那么如果客户代码不重新编译的话，会直接调用不同的函数，造成错误，因为客户代码在编译结束以后，就直接以虚表指针加偏移的形式去调用函数，而动态库的各个函数的偏移可能在升级之后就完全改变了。

条款37 绝不重新定义继承而来的缺省参数值

• 虽然虚函数实行的是动态绑定，但虚函数（实际上是任何函数）中的参数缺省值却是静态绑定的；
• 这意味着函数的参数缺省值不应该被重新定义；理由还是一样的，这会因为指针或引用的类型不同而造成不确定性；
• 如果需要为虚函数定义参数缺省值，则更好的做法是：
  • 定义一个普通函数，有缺省值；
  • 实际的虚函数变为private，且无缺省值；
  • 使用普通函数去调用虚函数；
  • 这样就避免了代码在派生谱系中的依赖性；

条款38 通过复合塑膜出has-a或“根据某物实现”

• 关键就是理解复合（Composition）二字；复合包含应用域和实现域两种关系；
• 应用域：即把一个class作为组件；比如说class People的一个组件是class PhoneNumber；这就是所谓的has-a关系；
• 实现域：即某个class需要通过另一个class进行实现，但两者并不存在完美的继承关系；比如说通过一个std::vector<int>来实现一个class Stack<int>；这就是所谓的Is-implemented-int-terms-of关系

条款39 明智而审慎地使用private继承

• private继承并不具备“软件设计”层面的意义，其仅仅是一种“软件实现”的技术；
• 条款38中已经阐述过"Is-implemented-in-terms-of"关系，事实上，private继承也是这种意义；
• “private继承”和“复合”的区别就在于：
  • 一般情况下，能使用复合就使用复合；
  • 只有当明确是Is-implemented-in-terms-of关系的同时，需要重写基类的虚函数或者访问protect变量时，才使用private继承；因为这是复合无法做到的；
  • EBO（empty-base-optimization）：C++中一个空类的size不等于0，而是1；而继承一个空类不会加大size；这就是private的另一个优势；

条款40 明智而审慎地使用多重继承

• 总的来说，多重继承还是有用的，但却是也存在很多的限制；
• 条款中所涉及的“虚继承”概念是比较重要的：
  • 多重继承很可能会发生所谓的菱形继承：即某一个基类和某一个派生类之间存在多条继承路径；
  • 如果使用非虚继承的话，派生类将会保存同一个基类的多个副本；但实际上一份副本就足够了；这造成了空间浪费；更糟糕的则是因为多份副本导致的命名冲突；
  • 虚继承是解决这个问题的唯一方法；它使得派生类可以只保留基类的一份副本；
  • 但虚继承也有自己的缺点：最突出的就是加大了运行时消耗；因为采取虚继承的话，class的size和内存模型就只能在运行期才能知晓了；（C++中虚函数、虚继承内存模型 - 知乎 (zhihu.com)）

条款41 了解隐式接口和编译器多态

• 基于模板的泛型编程其实也隐含着“接口”的概念，但是是隐式的。这和派生谱系中的接口机制有很大不同；
• 隐式接口是基于：必须满足模板代码中隐含的一组约束。比如书中给出的例子：if(w.size() > 10 && w != someNastyWidget){...}，w的类型为typename T，那么就必须满足：if中给出的表达式能够转换为bool类型。
• 所谓的编译器多态就是：编译器根据隐式接口去决定需要（生成）调用哪一个重载函数以及具现化模板。

条款42 了解typename的双重意义

• 当用于模板参数的时候，typaname和class没有区别；
• 如果某个名称是嵌套从属名称（nested-dependent-names），即它的性质（是变量名还是类型名）需要由模板参数来决定，那么如果它确实是一个类型名的话，就需要加上typename；（因为编译器不知道它到底是什么东西）；
• 萃取器：即traits，通过模板以及模板偏特化技术，将传递进去的类型的一些相关特征给萃取出来。比如说typename std::iterator_traits<iteT>::value_type表示的就是iteT类型的迭代器所指涉的元素类型；萃取器的优势在于任何类型的迭代器（甚至是原生指针）都能萃取出想要的特征；

条款43 学习处理模板化基类的名称

• 模板化基类（templatized-base-class）：也就是说继承来的基类是一个模板，其具体是哪一个类暂时无法确定；
• 当模板化类继承自一个模板化基类时，编译器就默认基类中的所有名称是无法得知的；除非显式指出；
• 编译器之所以这样做，是因为由于模板偏特化以及全特化的存在，使得模板化基类不一定会拥有模板中所写的所用名称；
• 显示指出的方法有3类：使用this->name；使用using BaseClass<T>::name;；显式调用BaseClass<T>::name；其中，第3种方法会丧失动态绑定特性，因此不是很推荐；

条款44 将与参数无关的代码抽离templates

• 如果模板类中的某些函数与模板参数没有关系，那么多个具现化的实体类则会拥有相同的函数体，这无疑使得目标码变得冗余；
• 更好的做法是将这些与模板参数无关的代码抽离出来，变成基类代码或者其他，然后不同的模板的具现化class去共同调用这些相同的代码（此时这些代码就只有一份实体了）；
• 当然，这样也会存在一定问题。简而言之，谁好谁坏，还是得由具体的运行环境去决定；

条款45 运用成员函数模板接受所有兼容类型

比如对于如下的一个模板类，很多时候，我们可能需要使用TmpDemo<int>去初始化一个tmpDemo<double>对象。这完全是合理的，但问题是，在模板编程的世界里，TmpDemo<int>和TmpDemo<double>是完全没有任何关系的。或者可以直接在模板类中定义这样一个构造函数，但如果遭遇了其他的需求呢？比如说int变为了char，又或者，现在的typename是一个继承谱系中的各种类型。显然，单一的成员函数是解决不了问题的。

template <typename T>
class TmpDemo{
  // ...
};

• 成员模板函数是解决这个问题的唯一方法；在成员函数中再声明typename，来让编译器来处理各种需求；
• 泛化构造函数是成员模板函数的一种，它解决的是通过TmpDemo<U>来初始化TmpDemo<T>的问题；
• 即使声明了泛化构造函数，也还是要去自定义拷贝构造函数，这一点需要注意；

条款46 需要类型转换时请为模板定义非成员函数

• 该条款和条款24的思想是一致的，也就是当函数的所有参数都涉及隐式转换时，它最好是一个非成员函数（因为this是无法转换的）；
• 和条款24的不同之处在于，本条款涉及到的是模板类；即，某个函数的各个参数是模板类型；
• 很显然，这种函数也需要定义为非成员函数；
• 不同之处在于：因为涉及到了模板，那么在进行函数模板的模板参数推导时，绝对无法进行隐式转换，比如说对于如下的代码，直接调用int ans = addFunc(tmp, 3);是无法通过编译的，因为这涉及到了从3到TmpDemo<T>(3)的隐式转换；而这在函数模板参数推导中是绝对禁止的；

template <typename T>
class TmpDemo{
public:
  TmpDemo(const T& num){value = num;}
private:
  T num;
};

template <typename T>
const T addFunc(const TmpDemo<T> &t1, const TmpDemo<T> &t2){
  return t1.num * t2.num;
}

TmpDemo<int> tmp(2);

• 解决方法就是把非成员函数定义在模板类的内部，并声明为friend。因为模板类会将typename信息进行硬编码，就可以直接进行转换了。

条款49 了解new-handler的行为

• new-handler：一个函数指针类型typedef void (*new_handler) ( );，并对应一个global的函数指针，由用户通过new_handler std::set_new_handler(new_handler p)填充其值（可能会有系统默认值）；当new无法分配出足够的空间时，系统就会在抛出异常之前先调用这个函数；
• 通常情况下，拥有以下几种行为的new-handler是更好的：
  • ①可以使得下一次调用new时有更大概率成功；这可以通过预先分配一块大内存，随后每次调用new-handler时归还部分内存；
  • ②安装其他new-handler和卸载本地的new-handler：各个class有可能会定义自己的new-handler，因此最好的做法是new不同的class的时候，调用各自不同的new-handler，并在调用完毕后将new-handler进行恢复；
  • ③抛出std::bad_alloc或者直接退出exit()或std::abort()
• 如何实现方式②？答：自定义operator new以及使用基于CRTP（curiously recursive template pattern）的模板技术
  • 为一个需要设置new-handler的class自定义一个operator new和set_new_handler，而在operator new内部的流程就是：先调用std::set_new_handler设置自己的new-handler，随后调用系统的new，再之后就是恢复new-handler到系统原本的值了；
  • 由于设置和恢复完全适配于一个RAII，因此更优秀的做法便是再设置一个资源管理类，在构造函数内保存之前的new-handler，并在析构函数内恢复之前的new-handler；
  • 接下来就是考虑这样一个问题了，如果不同的class都需要自定义new-handler的话，而又由于自定义new-handler其实是一套完全一致的流程，除了各自的new-handler不一样；因此CRTP就派上用场了，以下代码就是完整的实例。

class HandleHolder{
public:
    HandleHolder(const HandleHoldr &) = delete; // 禁止拷贝
    HandleHolder &operator=(const HandleHolder &) = delete;

    HandleHolder(std::new_handler p): oldHandler(p) {}
    ~HandleHolder(){std::set_new_handler(oldHandler);}
private:
    std::new_handler oldHandler;
};

template <typename T>
class NewHandlerHelper{ // 此处没有定义自己的set_new_handler了，感觉没有必要
public:
    NewhandlerHelper(std::new_handler p): myHandler(p) {}
    static void *operator new(size_t size) throw(std::bad_alloc){ // 每个class对应一个operator new
        HandleHolder tmp(std::set_new_handler(myHandler)); // std::set_new_handler会返回之前的new-handler
        return ::operator new(size);
        // tmp被析构，new-handler也就得以恢复
    }

private:
    static std::new_handler myHandler; // 每个class对应一个new_handler
};

template <typename T>
std::new_handler NewHandlerHelper<T>::myHandler = nullptr; // static变量要记得初始化

class Widget : public NewHandlerHelper<Widget> { // 自己继承自己，虽然看起来很奇怪，但实际上是行得通的；本质上只是让不同的class拥有不同的myHandler
    /**
     * ...
     * Widge只要在构造函数处给NewHandlerHelper提供自己的new-handler即可
     * ...
     */
};

条款52 写了placement new也要写placement delete

• 当代码中使用new表达式之后，发生了两件事情：
  • ①调用void *operator new(size_t size)来获取一块原始内存(raw memory)；
  • ②调用class的ctor以构造对应的对象
• 因为有两个步骤的存在，因此，如果在第2个阶段发生了异常，就有可能产生内存泄漏；
• 为了避免可能的内存泄漏，当发生上述情况时，由系统来负责回收对应的内存；
• 这就引出了一个问题，系统如何知道应该调用哪一个版本的delete呢？系统的原则是，使用和operator new的参数列表一致的operator delete
• 因此就有了本条条款的原则：定义了一个placement new，就需要定义对应的placement delete；所谓的placement就是参数列表除了size_t以外还包括其他的参数；