你的C++最佳實踐該刷新了

“C makes it easy to shoot yourself in the foot; C++ makes it harder, but when you do it blows your whole leg off”
-- Bjarne Stroustrup's FAQ

使用C++的過程中要小心防備各種陷阱缆娃，這些陷阱不只是因為C++語言自身的復(fù)雜性议泵，也是因為C++要解決的問題領(lǐng)域的復(fù)雜性痴施。這導(dǎo)致C++是一門既要精通語法特征搏色，還要能熟練使用各種最佳實踐的語言。這些最佳實踐能保證你在優(yōu)雅的使用C++频轿，并幫助你規(guī)避各種意料之外的陷阱垂涯。

自從C++11推出以后烁焙，C++的版本升級就進入了快車道。如今C++14耕赘，C++17標(biāo)準(zhǔn)都已發(fā)布骄蝇，C++20也基本敲定，C++已然是一門嶄新的語言（modern C++）操骡。新的C++標(biāo)準(zhǔn)不僅提供了更多強大的能力九火，也解決了很多歷史遺留問題和不足。面對語言提供的更多選擇当娱，C++程序員們需要與時俱進吃既，學(xué)習(xí)新的語法特性，還要同步刷新自己的C++最佳編碼實踐跨细。這些新的實踐可以幫你寫出更簡潔易讀的代碼，提高代碼的安全性河质，甚至可以低成本的收獲更高的運行時效率冀惭。

以下是一些常用的modern C++最佳實踐，看看你的C++技能是否還在與時俱進中掀鹅。

  • 盡可能的使用auto代替顯式類型聲明

曾經(jīng)我們的最佳實踐是不要使用匈牙利命名散休，避免將變量的類型信息在變量名中重復(fù)。

如今我們更進一步：在變量聲明的時候最好連類型也不要寫出乐尊，而是盡量依賴編譯器的自動類型推導(dǎo)戚丸。

這不僅能讓你不必寫出typename std::iterator_trait<T>::value_type it這樣的晦澀代碼，還能避免你寫出很多錯誤或者低效的代碼扔嵌。

auto依賴于初始值進行類型推斷限府，所以強制你定義變量時必須進行初始化，這將會避免很多使用未初始化變量所帶來的悲劇痢缎。

auto x = 0 // Must be initialized as defined

下面的auto則避免了手寫類型不匹配時在循環(huán)過程中產(chǎn)生的大量臨時對象的開銷胁勺。

std::unordered_map<std::string, int> m;
for (const auto&p : m) {
  ...
}

在C++14中，lambda的形參類型可以使用auto独旷，這樣可以把同一個lambda表達式復(fù)用在更多的地方（如不同元素類型容器的算法中）署穗。

auto filter = [](const auto& item) {
    ...
}

在C++14中，普通函數(shù)或者模板函數(shù)的返回值可以使用auto進行自動推導(dǎo)嵌洼，這極大的簡化了模板函數(shù)的寫法案疲。

template <typename A, typename B>
auto do_something(const A& a, const B& b)
{
  return a.do_something(b);
}

記住，盡可能的使用auto麻养，可以讓代碼更簡單褐啡、安全和高效。

  • 盡量使用統(tǒng)一初始化

我們有個一直都很有用的最佳實踐是“變量定義時即初始化”回溺，現(xiàn)在補充一下初始化的方式：“盡量使用統(tǒng)一初始化”春贸。

曾經(jīng)C++在不同場合下可以分別使用()和=進行變量初始化混萝。

int x = 0;
int y(0);

class Foo {
public:
    Foo(int value) : v(value){
    }
private:    
    int v = 0; // 這里不能寫作 int v(0)
};

Foo f1(5);
Foo f2(f1);

C++11引入了統(tǒng)一初始化：采用{}為變量進行初始化。所以上述各種寫法可以統(tǒng)一為：

int x{0};

class Foo {
public:
    Foo(int value) : v{value}{
    }
private:    
    int v{0};
};

Foo f{5};
Foo f2{f1};

另外統(tǒng)一初始化還可以為容器初始化：

std::vector<int> v{1, 2, 3};

遺憾的是在C++11版本中萍恕，當(dāng)統(tǒng)一初始化應(yīng)用于auto時逸嘀，auto x{3}會被推導(dǎo)為std::initializer_list類型，所以在以C++11標(biāo)準(zhǔn)為主流的社區(qū)中允粤，大家還都習(xí)慣于優(yōu)先使用傳統(tǒng)的()或者=進行初始化崭倘，然后選擇性的使用{}。

如今C++17修復(fù)了這一問題类垫。

auto x1{ 1, 2, 3 }; // error: not a single element
auto x2 = { 1, 2, 3 }; // decltype(x2) is std::initializer_list<int>
auto x3{ 3 }; // decltype(x3) is int
auto x4{ 3.0 }; // decltype(x4) is double

所以如果你的編譯器已經(jīng)支持C++17司光，現(xiàn)在則可以大膽的使用統(tǒng)一初始化了，這可以減少我們被各種不同初始化方式所帶來的腦細胞損耗悉患。

  • 盡可能使用constexpr

曾經(jīng)我們說“盡可能多使用const關(guān)鍵字”残家，今天我們同樣說“盡可能多使用constexpr關(guān)鍵字”。

雖然constexpr和const看起來很像售躁，但其實它們并無直接關(guān)系坞淮。
const承諾的是對狀態(tài)的不修改，而constexpr承諾的是對狀態(tài)的計算可以發(fā)生在編譯期陪捷。

在編譯期進行計算回窘，有諸多好處。除了可以把編譯期計算結(jié)果應(yīng)用于數(shù)組定義市袖、模板參數(shù)中啡直，還可以把計算結(jié)果放置在只讀內(nèi)存中，這對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)來說是非常重要的語言特性苍碟。

用constexpr定義的函數(shù)酒觅，不僅可以發(fā)生在編譯期，也能發(fā)生在運行期驰怎，這取決于調(diào)用它的語境阐滩。

constexpr int pow(int base, int exp) noexcept {
    auto result = 1;
    for (int i = 0; i < exp; ++i) {
        result *= base;
    }
    return result;
}

上面的pow函數(shù)既可以用在編譯時int arr[pow(2, 3)]，也可以用于運行時std::cout << pow(2, 3)县忌。
由于C++14放寬了對constexpr的限制掂榔，所以pow的寫法和普通函數(shù)是一樣的（C++11中需要靠遞歸實現(xiàn)）。

constexpr不僅可以消除編譯期和運行期的代碼重復(fù)症杏，它也是提高系統(tǒng)運行時性能的一種手段装获。雖然這種運行時效率是用編譯時效率換來的，但是大多程序都是一次編譯多次運行厉颤。因此穴豫，和const關(guān)鍵字一樣，如果有可能使用constexpr，就使用它精肃。

  • 掌握三法則和五法則秤涩，但是盡可能應(yīng)用零法則

熟悉C++98的程序員都知道經(jīng)典的C++三法則，即“若某個類需要用戶自定義的析構(gòu)函數(shù)司抱、拷貝構(gòu)造函數(shù)或賦值運算符筐眷，則它幾乎肯定三者全部都需要自定義”。

class StringWrapper final {
public:
    StringWrapper(const char* s) {
        if (s == nullptr) return;

        std::size_t n = std::strlen(s) + 1;
        cstring = new char[n];
        std::memcpy(cstring, s, n);         
    }
    ~StringWrapper() {
        if (cstring != nullptr) delete[] cstring;
    }
private:
    char* cstring{nullptr};
};

以上是一個實現(xiàn)非常拙劣的字符串封裝類习柠，它違反了三法則匀谣，自定義了析構(gòu)函數(shù)，但是沒有對應(yīng)的自定義拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符资溃。
這將導(dǎo)致下面代碼中s2使用編譯器默認生成的拷貝構(gòu)造函數(shù)武翎，對s1進行淺拷貝。于是s2和s1共享了同一個指針地址溶锭，當(dāng)s1或者s2中有一個被析構(gòu)宝恶，另一個對象將會持有一個失效指針，這往往是系統(tǒng)災(zāi)難的開始趴捅。

StringWrapper s1{"hello"};
StringWrapper s2{s1};

所以謹記三法則的程序員會為StringWrapper同時定義拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符卑惜。

class StringWrapper final {
public:
    StringWrapper(const char* s) {
        init(s);
    }
    StringWrapper(const StringWrapper& other)
    { 
        init(other.cstring);
    }
    StringWrapper& operator=(const StringWrapper& other)
    {
        if(this != &other) {
            delete[] cstring;
            cstring = nullptr;
            init(other.cstring);
        }
        return *this;
    }    
    ~StringWrapper() {
        if (cstring != nullptr) delete[] cstring;
    }
private:
    void init(const char* s)
    {
        if (s == nullptr) return;
        std::size_t n = std::strlen(s) + 1;
        cstring = new char[n];
        std::memcpy(cstring, s, n);
    }

    char* cstring{nullptr};
};

而C++11引入了移動語義！用戶定義的析構(gòu)函數(shù)驻售、拷貝構(gòu)造函數(shù)或賦值運算符會阻止移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符的隱式定義，所以任何想要移動語義的類必須定義全部五個特殊成員函數(shù)更米。

class StringWrapper final {
public:
    StringWrapper(const char* s) {
        init(s);
    }
    StringWrapper(const StringWrapper& other)
    { 
        init(other.cstring);
    }
    StringWrapper(StringWrapper&& other) noexcept
    : cstring(std::exchange(other.cstring, nullptr)){
    }
    StringWrapper& operator=(const StringWrapper& other)
    {
        if(this != &other) {
            delete[] cstring;
            cstring = nullptr;
            init(other.cstring);
        }
        return *this;
    }
    StringWrapper& operator=(StringWrapper&& other) noexcept
    {
        std::swap(cstring, other.cstring);
        other.cstring = nullptr;
        return *this;
    }    
    ~StringWrapper() {
        if (cstring != nullptr) delete[] cstring;
    }
private:
    void init(const char* s)
    {
        if (s == nullptr) return;
        std::size_t n = std::strlen(s) + 1;
        cstring = new char[n];
        std::memcpy(cstring, s, n);
    }

    char* cstring{nullptr};
};

事實上想要全部正確的實現(xiàn)析構(gòu)函數(shù)欺栗、拷貝構(gòu)造函數(shù)、賦值運算符征峦、移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值運算符是需要花費一番心思的迟几，上述例子中就隱藏著好幾處缺陷。這就是為何C++核心規(guī)范中提出了C.20: If you can avoid defining default operations, do栏笆，也就是我們說的零法則类腮。具體實施的辦法是：在實現(xiàn)你的類的時候，最好不要自定義析構(gòu)函數(shù)蛉加、拷貝構(gòu)造函數(shù)蚜枢、賦值構(gòu)造函數(shù)、移動構(gòu)造函數(shù)和移動賦值函數(shù)针饥，取而代之用C++智能指針和標(biāo)準(zhǔn)庫中的類來管理資源厂抽。

所以針對上述例子，直接使用std::string類丁眼，或者可以采用標(biāo)準(zhǔn)庫的容器輔助定義：

class StringWrapper final {
public:
    StringWrapper(const char* s) {
        if (s == nullptr) return;
        std::size_t n = std::strlen(s) + 1;
        data.resize(n)
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            data[i] = s[i];
        }
    }
private:
    std::vector<char> data;
};

因此筷凤，你應(yīng)當(dāng)熟悉modern C++的五法則，但是實踐的時候盡量遵循零法則苞七。

  • 在某些必須拷貝的情況下藐守，考慮用傳值代替?zhèn)鬟f引用

曾經(jīng)C++的最佳實踐告訴我們挪丢，“為了避免函數(shù)傳參時的對象拷貝開銷，盡量選擇傳遞引用卢厂，最好是傳遞const引用”乾蓬。

C++11引入移動語義后，這一規(guī)則在某些時候需要做些調(diào)整：如果拷貝不能避免足淆，那么為了能夠統(tǒng)一代碼巢块，或者保證異常安全，優(yōu)先考慮用傳值代替?zhèn)鬟f引用巧号。

class ResourceWrapper final {
public: 
    ResourceWrapper(const std::size_t size)
    : resource {new char[size]}, size {size} {
    }
    ~ResourceWrapper() {
        if (resource != nullptr) {
            delete [] resource;
        }
    }
    ResourceWrapper(const ResourceWrapper& other)
    : ResourceWrapper{other.size} {
        std::copy(other.resource, other.resource + other.size, resource);
    }
    ResourceWrapper(ResourceWrapper&& other) noexcept {
        swap(other);
    }
    ResourceWrapper& operator=(ResourceWrapper other) {
        swap(other);
        return *this;
    }

private:
    void swap(ResourceWrapper& other) noexcept {
        std::swap(resource, other.resource);
        std::swap(size, other.size);
    }

    char* resource{nullptr};
    std::size_t size;    
};

上面的代碼中族奢，operator=函數(shù)采用按值傳遞參數(shù)，不僅統(tǒng)一了普通賦值和移動賦值函數(shù)的實現(xiàn)丹鸿，而且還保證了異常安全性（先用臨時對象統(tǒng)一申請內(nèi)存越走，申請成功后才會進行swap）。

誠然靠欢，是否應(yīng)用這一規(guī)則和場景有關(guān)廊敌。但是當(dāng)你實現(xiàn)的函數(shù)既要處理左值也要處理右值，而處理左值時不可避免的要拷貝门怪，這時請考慮設(shè)計成傳值是否是個更好的選擇骡澈。

  • 使用nullptr而非0或NULL

曾經(jīng)的最佳實踐告訴我們，“不要直接使用0作為指針的空值”掷空，所以每個C++項目都會封裝自己的NULL實現(xiàn)肋殴。

當(dāng)初C++11帶來了標(biāo)準(zhǔn)的空指針nullptr，就是為了結(jié)束各種千奇百怪的NULL實現(xiàn)坦弟。

NULL的最大問題在于每種實現(xiàn)的類型都不一樣护锤，有的是int，有的是double酿傍，還有的是enum烙懦，這不僅導(dǎo)致了各種參數(shù)傳遞時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)型問題，還會影響模板的類型推演赤炒。

而nullptr的類型是確定的std::nullptr_t氯析，并且實現(xiàn)了向每種兼容類型的隱式轉(zhuǎn)換。它的安全性和兼容性要比過去的實現(xiàn)都好可霎。

現(xiàn)在你需要做的是將原來的NULL定義做下修改魄鸦，例如將#define NULL int(0)改為#define NULL nullptr，然后讓編譯器幫你發(fā)現(xiàn)代碼中的潛在錯誤并進行修改癣朗。

  • 為覆寫的虛函數(shù)加上override關(guān)鍵字

曾經(jīng)拾因，當(dāng)子類中覆寫的虛函數(shù)的方法名不小心拼寫錯誤的時候，如果父類中又提供了默認實現(xiàn)，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的邏輯錯誤绢记。而這般嚴(yán)重的錯誤往往只能等到程序運行后才能被發(fā)現(xiàn)扁达。

最終C++11為此提供了override關(guān)鍵字。所以你應(yīng)該毫不猶豫地在每個被你覆寫的虛函數(shù)后面加上override蠢熄，然后讓編譯器幫你檢查虛函數(shù)覆寫的錯誤跪解，將問題在程序發(fā)布前徹底解決掉。

  • 保持持續(xù)學(xué)習(xí)和實踐

前面介紹了一些日常比較容易用到的modern C++最佳實踐签孔，當(dāng)然還有很多叉讥，包括一些高級語法的或者和標(biāo)準(zhǔn)庫有關(guān)的實踐，鑒于篇幅這里就不再介紹了饥追。

C++的設(shè)計哲學(xué)是能更好的解決現(xiàn)實中存在的問題图仓，新的語法的引入都是由現(xiàn)實問題驅(qū)動出來的。那些曾經(jīng)不能解決的但绕、或者解決得不夠優(yōu)雅的問題救崔，今天在新的C++標(biāo)準(zhǔn)中很可能都有了更好的解決方案。你應(yīng)該保持持續(xù)學(xué)習(xí)捏顺，時沉酰看看曾經(jīng)棘手的問題，是否已經(jīng)有了更優(yōu)解幅骄。

在寫這篇文章的時候我看到C++17的通過構(gòu)造函數(shù)進行類模板參數(shù)類型推導(dǎo)（CTAD）劫窒，內(nèi)心就不禁一陣喜悅，這個特性可以讓我曾經(jīng)構(gòu)造的一個Promise斷言庫的DSL寫的更加的精煉拆座。

// Example of CTAD

template <typename T = float>
struct Container {
  T val;
  Container() : v() {}
  Container(T v) : v(v) {}
  // ...
};

Container c1{ 1 }; // Container<int>
Container c2; // Container<float>

除了不斷關(guān)注C++的特性演進外烛亦，還需要經(jīng)常檢查自己的編譯器，在可能的情況下更新編譯器版本懂拾。盡量使用新的語法，寫出更簡潔铐达、安全和高效的代碼岖赋。（C++各種編譯器版本和語法特性的對照表）

作為一名合格的程序員，我們以這樣一個最佳實踐結(jié)束：保持持續(xù)學(xué)習(xí)和實踐瓮孙。

最后編輯于 ：
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