EffectiveC++ 第4章设计与声明

2022-09-13 07:54:30

我根据自己的理解，对原文的精华部分进行了提炼，并在一些难以理解的地方加上了自己的“可能比较准确”的「翻译」。

Chapter4 设计与声明 Designs and Declarations

条款18: 让接口容易被正确使用，不易被误用

欲开发一个“容易被使用，不容易被误用”的接口，首先必须考虑客户可能做出什么样的错误。

假设我们要设计一个表示日期的class：

class Data{

public:

    Date(int month,int day,int year);

    ...

};

事实上使用它的客户很容易犯错误：

以错误的次序传参：

Date d(30,3,1995); //喔哟！应该是“3，30”而不是"30,3"

传递无效的参数：

Date d(2,30,1995); //2月有30号？？？？

我们可以引入类型系统（type system）和外覆类型（wrapper types）

现以外覆类型来区别天数，月份，年份，然后再Date中使用：

struct Day{                      struct Month{

    explicit Day(int d)              explicit Month(int m)

        :val(d) {}                       :val(m) {}

    int val;                         int val;

};                               };

struct Year{

    explicit Year(int y)

        :val(y) {}

    int val;

};

class Date{

public:

    Date(const Month& m,const Day& d,const Year& y);

	  ...

};

Date d(30,3,1995); //not ok

Date d(Day(30),Month(3),Year(1995)); //not ok

Date d(Month(3),Day(30),Year(1995)); //ok

其实你也可以用更成熟的class来封装外覆类型，但这里的struct已经很好了。

类型确定后，通常要对值进行限制，比如一年只有12个月。你可以用enum来表现月份。但是enum不具备类型安全性，比如enums可以被拿来当一个ints使用。

比较安全的解法是预先定义所有有效的Months：

class Month{

public:

    static Month Jan() { return Month(1); }

    static Month Feb() { return Month(2); }

    ...

    static Month Dec() { return Month(12); }

    ...

private:

    explicit Month(int m);

    ...

};

Date d(Month::Mar(),Day(30),Year(1995));

常见的预防客户出错的办法是限制类型内的权限。例如加上const。

另外，::应尽量让你的包装types与内置types行为一致::。客户已知道int这样的type会有什么行为，所以你应让你包装的types也有相同表现。<避免无端与内置类型不兼容>

记住，任何接口如果试图让客户「必须记得做某些事情」，就是有着「不正确使用」的倾向。

还记得条款13吗，tr1::shared_ptr接受了func()返回的指针，这将发挥智能指针的威力。

但是如果客户自己就忘记了要用到智能指针呢？较佳接口的设计原则是先发制人，也就是这样写func()：

std::tr1::shared_ptr<xx> func();

这实质上强迫客户将返回值储存于一个tr1::shared_ptr内，让接口设计者得以阻止一大群客户犯下资源泄漏的错误。

还有一种特殊情况。假设作为class设计者的你想让那些“从func()取得xx*指针”的客户将该指针传递给一个名为getRidOfxx()的函数，并让它处理这个指针的「销毁」，而不是粗暴地直接对此指针使用delete。可能你这样设计有出于你的考虑，但是客户还是可能忘记并仍使用delete。所以func()的设计者可先发制人，不仅返回一个tr1::shared_ptr，并在它身上绑定删除器(deleter) getRidOfxx()。

事实上tr1::shared_ptr有一个重载的构造函数接受两实参：一个是被管理的指针，另一个是当引用次数变为0时被调用的“删除器”：

std::tr1::shared_ptr<xx> pInv(0,getRidOfxx);

//企图创建一个null智能指针，但是无法通过编译。

这个构造函数坚持第一个参数必须是指针，而不是int型的值0———虽然它能被转换为指针。所以转型可解决：

std::tr1::shared_ptr<xx> pInv(static_cast<xx*>(0),

    getRidOfxx);

//static_cast以后提到.

而作为func()的内部实现：

std::tr1::shared_ptr<xx> func()

{

    std::tr1::shared_ptr<xx> retVal(static_cast<xx*>(0),

											getRidOfxx);

	  retVal = ...; //令retVal指向正确对象

    return retVal;

}

当然，若将被pInv接管的原始指针已经在建立pInv之前确定了，那么直接传此指针给pInv构造函数是更佳选择。

条款19: 设计class犹如设计type

实际上，你定义一个新class时，可理解为你定一个了新type。

这意味着你不仅是class设计者，还是type设计者，重载(overloading)函数和操作符、控制内存的分配和归还、定义对象的初始化和终结……都在你手上

考虑以下问题，你的回答往往影响你的设计规范：

新class，或者说type该如何被创建和销毁？

这将影响你的构造、析构、内存分配与释放函数:

(operator new, operator new[], operator delete, operator delete[])

前提是你打算撰写它们

对象初始化和赋值该有怎样的差别？

决定了你的构造函数和赋值操作符的行为。别混淆“初始化”和“赋值”，它们对应不同的函数调用(条款4)。

新type对象若被passed by value（以值传递），意味着什么？

考虑copy构造函数用来定义一个type的pass-by-value该如何实现

什么是新type的“合法值”？

对于你设计的class成员变量，你必须考虑它们取值的范围以及规范（约束条件），这决定了你的成员函数必须进行的错误检查工作。它也影响函数抛出的异常。

你的type需要配合某个继承图系吗？

如果你的type继承自现有的classes，就会受到设计约束。特别是受到“它们的函数是virtual或non-virtual”的影响。若你允许其它classes继承你的class，这要考虑你的函数是否为virtual。

你的type需要什么样的转换？

如果你希望你的type T1能隐式转换为T2，就必须在class T1内写一个类型转换函数( operator T2 )或在class T2内写一个non-explicit-one-argument（可被单一实参调用）的构造函数。若你只允许显式转换，就得写出专门负责执行转换的函数。

什么样的标准函数应驳回？ 那些是你应声明为private的成员（条款6）
谁该取用新type的成员？

这将帮助你决定哪个成员为public、private、proteced。也帮你决定哪个class，functions应该是友元，以及它们的嵌套是否合理。

条款20: 宁以pass-by-reference-to-const替换pass-by-value

C++默认是以by value方式（继承自C）传递对象至函数（或来自函数）。这样一来，函数参数都是以实参的副本为初值，而调用端获得的亦是函数返回值的副本。这些副本是由对象的copy构造函数产出，会成为费时的操作。

考虑以下代码：

class Person{

public:

    Person();

    virtual ~Person();

    ...

private:

    std::string name;

    std::string address;

};

class Student: public Person{

public:

    Student();

    ~Student();

    ...

private:

    std::string schoolName;

    std::string schoolAddress;

};

假设我们有这样的代码：

bool validateStudent(Student s); //by value

Student plato;

bool platoIsOk = validateStudent(plato);

无疑，会以plato为蓝本初始化s，返回后s被销毁。

你会发现，在这里，以by value传递一个Student对象会导致调用一次Student copy构造函数、一次Person copy构造函数、四次string copy构造函数。

但如果以pass by reference-to-const的方式，效率会高得多：

bool validateStudent(const Student& s);

这时，没有任何构造函数或析构函数被调用，因为没有任何新对象被创建。这个const修饰符很重要，它可以保证函数不会修改源头的Student。

另外，by reference方式可避免slicing（对象切割）。假设base class为A，derived class为B，有这种代码：

void func(A obj)..

而你传参的操作：

B tmp = new B();

func(tmp);

此时A的copy构造函数被调用，但是属于B的特质化成员会被无视掉，只剩A对象的框架。此时解决方案即为以by reference-to-const方式传递参数。

当应用于C++内置类型，如int之类，pass-by-value可能会更高效，这同样适用于STL迭代器和函数对象。

条款21: 必须返回对象时，别妄想返回其reference

在尝到传引用的甜头后，你可能从此一发不可收拾。但是你总有一次会犯下致命错误：开始传递一些references指向实际不存在的对象。

现在假设有一个表达有理数（Rational Number）的Class：

class Rational{

public:

    Rational(int numerator = 0,

             int denominator = 1); //分别表示分子和分母

    ...

private:

    int n,d; //分子和分母的内部储存

    friend const Rational operator*(const Rational& lhs

                                    const Rational& rhs);

    //将*操作符的重载函数定义为友元

};

然后我们在主调函数中有下面的操作：

Rational a(1,2); //a = 1/2

Rational b(3,5); //b = 3/5

Rational c = a * b; //c算得3/10

第三条语句相当于 Rational c = operator*(a,b); ，这时函数会返回适当的「值」赋给c。

现在看第一个版本的*运算重载函数：

const Rational operator*(const Rational& lhs

                         const Rational& rhs)

{

    Rational result(las.n*rhs.n , lhs.d*rhs.d);

    return result;  //返回一份copy

}

经过之前学习，我们知道这样开销较大。

现在考虑考虑返回引用的版本，即将细节改成 return &result; ，并将返回类型改成const Rational&

这有严重问题，不用new来构造对象的话，对象只是一个local本地对象，它将在函数退出后被销毁。这会导致你得到的引用指针将会指向一个不明的「残骸」

看看另一种版本，由new构造的对象储存在heap堆上：

const Rational& operator*(const Rational& lhs

                          const Rational& rhs)

{

    Rational* result = new result(las.n*rhs.n , lhs.d*rhs.d);

    return* result;  //返回指针，被&加工为产量指针

}

没有啥卵用，因为new的过程还是要构造对象。其实这个版本更糟，因为你需要考虑delete。

还有一种坑爹的版本，就是将函数内部的Rational对象声明为静态的，并返回它的引用。这里虽然解决了被销毁的问题，但是对于C++多线程它是不安全的。

假设我们已经写好了==重载函数，且完全正确：

bool operator==(const Rational& lhs, const Rational& rhs);

假设有下面的操作：

Rational a,b,c,d;

...

if((a*b)==(c*d)){...}

else ...

估计你也想到了，两个*运算都返回一个指向同一处static对象地址的引用，所以这个式子的比较结果永远为true。

抱歉，说了这么多，我们还是回到了起点————对于*运算的重载，我们几乎只能采用返回一个新对象的方法：

//第一个版本的精简

const Rational operator*(const Rational& lhs

                         const Rational& rhs)

{

    return Rational(las.n*rhs.n , lhs.d*rhs.d);

    //返回一份copy

}

总结：

绝不要返回指向local stack对象的pointer或reference / 返回指向heap-allocated对象的reference / 返回指向local static对象的pointer或reference，而且可能同时需要多个这样的对象

条款22: 将成员变量声明为private

这个建议适用于protected成员

首先，获取私有成员的渠道大部分是函数，所以客户访问成员不需要考虑究竟是否要加小括号，因为全是函数，他们照做就是。
其次，你可以通过函数精确控制各种访问权限：

class AccessLevels{

private:

    int noAccess; //无任何访问动作

    int readOnly; //read-only access

    int readWrite; //read-write access

    int writeOnly; //write-only

public:

    ...

    int getReadOnly() const { return readOnly; }

    void setReadWrite(int v) { readWrite = v; }

    int getReadWrite() const { return readWrite; }

    void setWriteOnly(int v) { writeOnly = value; }

};

一般来说，每个成员变量都需要getter和setter的情况实属罕见，所以这样的控制很有必要。

将成员变量隐藏在函数接口的背后，可以为“所有可能的实现”提供弹性。

现在我问你，protected成员的封装性是否高于public？答案是不尽如人意。

我们知道，public的访问一般要求客户自己写代码来实现，一旦public的成员函数被取消，所有使用它的客户代码都会被破坏。而protected被取消掉的话，它的所有dervied classes都会被破坏。因此protected和public一样缺乏封装性。

所以从封装的角度来看，其实只有两种访问权限：private（提供封装）和其它（不提供封装）。

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

假设有一个Class代表网页浏览器。有几个成员函数，提供了清除缓存、清除历史记录、清除cookies：

class WebBrowser{

public:

    ...

    void clearCache();

    void clearHistory();

    void removeCookies();

    void clearEverything(); //调用上述三个函数。

    ...

};

这些功能也可由一个non-member函数实现，只需传入一个WebBrowser对象引用就行：

void clearBrowser(WebBrowser& wb)

{

    wb.clearCache();

    wb.clearHistory();

    wb.removeCookies();

}

那么，哪一个比较好呢？member函数clearEverything还是non-member clearBrowser？

根据面向对象守则，数据以及操作数据的函数应捆绑在一块儿，这意味member函数是更好的选择。然而这是一个误解。

和你直觉相反的是，non-member函数clearBrowser封装性实际上比member版本的clearEverything还要高。

通常来说，member函数不仅能访问Class里的private成员，还能取用enums、typedefs等。我们说高封装性是指应有尽可能少的代码能够直接「看到」私有成员变量，这时non-member函数的优越性就体现出来了，能完成同样的机能，但又和Class的私有成员保持了绝对的距离。

所以如果只考虑封装性的话，选择的关键在于member和non-member、non-friend之间。（friend的权限和member一样大）

我们甚至可以将函数clearBrowser作为某工具类的一个static member函数，给其它Class用时，再变成non-member。

在C++，你以后可能比较自然的做法是，将clearBrowser成为一个non-member函数并位于WebBrowser所在同一个namespace里：

namespace WebBrowserStuff{

    class WebBrowser{...};

    void clearBrowser(WebBrowser& wb);

}

条款24: 若所有参数都需类型转换，请采用non-member函数

令class支持隐式转换通常会有风险。但常见的例外是建立「数值类型」。假设我们又设计一个有理数Class，允许整数“隐式转换”为有理数很合理。假设我们这样构造有理数Class：

class Rational{

public:

    Rational(int numerator = 0,

             int denominator = 1);

    //刻意不为explicit，允许int-to-Rational隐式转换

    int numerator() const;   //分子访问

    int denominator() const;   //分母访问

private:

    ...

};

假设此时你想让Class支持算术运算，比如让它能作乘法运算。你不确定要用member、non-member还是non-member friend函数。你的直觉告诉你要用member版本的operator*重载：

class Rational{

public:

...

const Rational operator*(const Rational& rhs) const;

};

这个设计能让相乘很自然：

Rational oneEight(1,8);

Rational oneHalf(1,2);

Rational result = oneHalf * oneEight;

result = result * oneEight;

你不满足，你希望Rationals能和ints相乘：

result = oneHalf * 2; //Good

result = 2 * oneHalf; //Bad!

Wait，乘法应该满足交换律啊！

问题出在哪？我们翻译一下上述代码：

result = oneHalf.operator*(2);  //Good

result = 2.operator*(oneHalf);  //Bad!

语句一中，将int型2传入操作符函数后，发生了隐式转换（原参数是一个Rational引用）。有点类似于：

const Rational temp(2); //编译器建立一个临时对象

result = oneHalf.operator*(temp); //传参

这里成功的原因是我们没有将构造函数声明为显式的，这为上面的操作提供了支持。

然而第二个语句呢？2作为一个int型，并没有class，更别说operator* 成员函数。编译器会试着在namespace或global域内寻找是否有一个non-member operator*。然而并没有。

当然，如果构造函数是explicit，没有一个语句会通过编译。

结论是，当参数位于参数列(parameter list)内，才有资格参与隐式转换。这就是为啥第一个语句能够通过编译。

但是我们想支持混合运算啊喂！！也就是能让Rational和其它类型数据相运算！！

现在考虑non-member operator* ：

class Rational{

...

};

const Rational operator*(const Rational& lhs,const Rational& rhs)

{

return Rational(lhs.numerator()*rhs.numerator(),

lhs.denominator()*rhs.denominator());

} //变成non-member函数

执行：

Rational oneFourth(1,4);

Rational result;

result = oneFourth * 2;

result = 2 * oneFourth;     //全部通过编译，恭喜！！！！

这都很好。但要不要考虑将operator* 变为一个friend函数呢？答案是否定的。因为我们可以从上面的操作中看出，完全可以只靠Rational的public接口完成operator* 的任务。这导出一个重要的观察：

member函数的方面就是non-member，而不是friend。

无论何时，可以避免使用friend就避免。

必须告诉你的是，这些不是「真理」。因为从Object-Oriented C++跨入Template C++后，你会考虑将Rational设计为一个class template而非class，这将引入很多新考虑，以后会提到。

Remember :

若你要为某函数的所有参数（包括this隐指针所指参数）进行类型转换，这个函数必须设计为non-member

条款25：考虑写出不抛异常的swap函数

swap原本是STL一部分，实现了两个数据对象的交换。后来成为异常安全性编程的脊柱(exception-safe programming)。

以下是swap在标准程序库中的典型实现：

namespace std{

    template<typename T>

    void swap(T& a,T& b)

    {

        T temp(a);

        a = b;

        b = temp;

    }

}

//只要T类型支持copying（copy构造函数和=赋值符），以上代码即可帮你自动置换。

这种default swap实现很平庸，特别对于某些类型，它的效率会显得较低。

现在我们讨论这种类型，也就是“以指针指向一个对象，内含真正数据”的类型，也就是“pimp”手法（pointer to implementation）。

现在我们试着用pimp来设计一个Widget class：

class WidgetImpl{  //Widget类的数据实现

public:

    ...

private:

    int a, b, c;

    std::vector<double> v; //可能会有很多数据，复制时间长

    ...

};

class Widget{  //使用pimp手法

public:

    Widget(const Widget& rhs);

    Widget& operator=(const Widget& rhs) //复制Widget时，令它复制其WidgetImpl对象

    {

        ...

        *pImpl = *(rhs.pImpl);

        ...

    }

    ...

private:

    WidgetImpl* pImpl;//指向对象内含Widget数据

};

如果我们交换两个Widget时，只希望置换其中的pImpl指针；然而默认的swap算法不知道。在swap的三条置换语句中，不只复制了三个Widget，还复制三个WidgetImpl对象。这很缺乏效率，一点不令人兴奋！

所以我们应告诉swap该怎么做：将 std::swap 针对Widget特化。下面进行基本构思，但是暂时通不过编译：

namespace std{

    template<>

    void swap<Widget>(Widget& a,Widget& b) //"T为Widget"的特化版本

    {

        swap(a.pImpl, b.pImpl); //仅置换Widgets内部指针

    }

}

First,此函数开头 template<> 表明它是std::swap的一个全特化（total template specialization）版本。函数名后的 <Widget> 表明这一特化版本系针对”T是Widget”而设计。所以当你将swap施行于Widget对象身上便会自动调用此版本。

我们通常不被允许改变std空间里的任何东西，但被允许为标准templates（比如此处的swap）制造特化版本。

之前说通不过编译的原因是，pImpl指针是私有的。可以考虑将此特化版本声明为friend；但和以往规矩不同，这次我们在Widget内部声明一个swap的公共函数进行真正的置换工作，再特化 std::swap ，令它调用该member function：

class Widget{

public:

    ...

    void swap(Widget& other)

    {

        using std::swap;

        swap(pImpl, other.pImpl);

    }

    ...

};

namespace std{

    template<>

    void swap<Widget>(Widget& a,Widget& b)

    {

        a.swap(b);

    }

}

实际上，这也是类似STL容器的写法，它们都提供public swap成员函数和std::swap特化版本。

另一种情况：假设Widget和WidgetImpl都是class templates而非classes：

template<typename T>

class WidgetImpl { ... };

template<typename T>

class Widget { ... };

在Widget内写一个swap函数依旧简单，但是特化 std::swap 时会遇到麻烦：

namespace std{

    template<typename T>

    void swap<Widget<T>>(Widget<T>& a, Widget<T>& b) //invalid!

    { a.swap(b); }

}

这么写不合法的原因是，我们正企图偏特化（partially specialize）一个function template（std::swap）。然而C++仅允许对class templates偏特化。

所以惯常做法是手动添加一个重载的版本：

namespace std{

    template<typename T>

    void swap(Widget<T>& a, Widget<T>& b)//注意"swap"后没有"<...>"

    { a.swap(b); }  //其实这也不合法，稍后提出

}

在C++中，重载function templates没问题。然而std是特殊的命名空间，C++标准委员会禁止膨胀已经写好的东西，因为可能会发生不明行为。所以问题出在我们的重载版本正在做这样的事。

绕了一大圈，我们没有前功尽弃。要提供一个高效的template swap特定版本，可以声明一个non-member swap让它调用member swap，而不再特化 std::swap 或在std里重载它。

为了简化，将Widget相关机能一并置入命名空间WidgetStuff内：

namespace WidgetStuff{

    ...           //模版化的WidgetImpl等等

    template<typename T>

    class Widget { ... };   //内含swap成员函数

    ...

    template<typename T>

    void swap(Widget<T>& a, Widget<T>& b)

    {

        a.swap(b);

    }

}

从现在开始，任何地点的代码若打算置换俩Widget对象而调用swap。C++的名称查找法则（name lookup rules）会找到WidgetStuff空间内的Widget专属豪华版本。

以上做法适用于classes和class templates。不幸的是，有一种情况使我们不得不为classes特化 std::swap ———只要你想让你的专属swap能在尽可能多语境被调用，你需要写一个该class命名空间内的non-member版本和一个 std::swap 特化版本。（稍后解释）

< 事实上你可以不采用namespace的方式，但global空间里漫天飞的东西真的好看吗？>

现在开始解释：假设你在写一个function template，需置换两个对象值：

template<typename T>

void doSomething(T& obj1, T& obj2)

{

    ...

    swap(obj1,obj2);

    ...

}

该调用哪种swap呢，也许有一种可能存在的T专属版本此时栖身于某namespace中？（当然不可以在std内）所以你希望如果存在专属版本就调用它；不存在就用默认的 std::swap 吧：

template<typename T>

void doSomething(T& obj1, T& obj2)

{

    using std::swap;  //令std::swap在此函数内可用

    ...

    swap(obj1,obj2);  //为T型调用最佳swap版本

    ...

}

之后C++会在global域和T所在namespace里搜索可能存在的T专属版swap，若没有则调用默认 std::swap 。

这里有一个小trick，如果你这么写： std::swap(obj1, obj2); ，语意会截然不同，这相当于强迫使用std内的swap ————— 你get到了吗，这就是我们要写特化std::swap 的动机！这使得类型专属的swap实现也能被这些笨笨的代码所用。

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