01.让自己习惯C++

让自己习惯C++

条款1：视C++为一个语言联邦

条款1中提到了将C++看作为一个“语言联邦”的概念。具体来说，“语言联邦”是指将C++看作由多种不同的子语言组成的联邦。每种子语言都有自己的惯用法、工具和库，可以用来解决特定的问题。因此，C++程序员应该了解这些子语言，并选择最适合解决特定问题的子语言。 这个概念的含义可以从以下几个方面来解释：

1. 多种子语言：C++由多种子语言组成，每种子语言都有自己的规则、习惯和约定。例如，面向对象编程（OOP）子语言、模板元编程（TMP）子语言等。这些子语言都有自己的语法和语义，可以用来解决特定的问题。
2. 惯用法和工具：每种子语言都有自己的惯用法和工具。例如，OOP中常用的类、继承、多态等概念，以及与之对应的工具和库，如STL、Boost等。熟悉这些惯用法和工具可以提高程序员的开发效率和代码质量。
3. 选择最适合的子语言：C++程序员应该了解这些子语言，并选择最适合解决特定问题的子语言。例如，如果要处理大量的数值计算，可以选择使用TMP子语言中的模板元编程技术，来提高程序的性能；如果要实现一些复杂的数据结构和算法，可以使用STL等库来简化代码。

总的来说，可以将C++视为一个由4个次语言组成的联邦而非单一语言：

1. C，说到底C++仍是以C为基础。
2. object-oriented C++，包括封装、继承、多态等面向对象设计。
3. template C++，泛型编程，衍生出模板元编程（在各个新标准中逐步完善）。
4. STL，包括容器、迭代器、算法与函数对象。

条款2：尽量以const、enum、inline替换#define

条款2中提到了尽量使用const、enum和inline来替代#define的概念。具体来说，#define是一种预处理指令，可以将一个标识符定义为一个值或一个字符串。而const、enum和inline都是C++语言中的关键字，也可以用于定义常量和函数。以下是对这个条款的一些解释：

1. #define的缺点：使用#define定义常量存在一些缺点，例如它不会进行类型检查，容易引起意外的副作用，也不会被语法检查工具正确地处理。
2. const的优点：使用const定义常量可以避免#define的缺点。const定义的常量有类型，可以被编译器检查和优化，也可以被调试器和其他工具正确地处理。
3. enum的优点：如果要定义一系列相关的常量，可以使用enum枚举类型。enum定义的常量有类型，可以被编译器检查和优化，同时也可以提高代码的可读性和可维护性。
4. inline的优点：如果要定义一个简单的函数或者函数模板，可以使用inline关键字。inline函数在编译时会被展开，从而避免了函数调用的开销。同时，inline函数也可以提高代码的可读性和可维护性。

#define可以用来定义一些变量、函数，但它只是一方面单纯的文本替换，并且没有任何类型检查，导致容易引起莫名其妙的问题，另一方面预处理后已经消失，编译链接过程中没有其符号信息，出问题时无法定位到它。

#define CALL_WITH_MAX(a,b) f((a)>(b)?(a):(b))int a=5,b=0;
CALL_WITH_MAX(++a,b);
CALL_WITH_MAX(++a,b+10);

即使上文的宏已经仔细地为所有参数添加小括号，仍然出现了问题：第一次调用中a被累加两次，第二次调用中a被累加一次。

CALL_WITH_MAX(++a,b)在展开后变成了f((++a)>(b)?(++a):(b))，其中a的值被多次递增。

而CALL_WITH_MAX(++a,b+10)在展开后变成了f((++a)>(b+10)?(++a):(b+10))，其中a的值也被多次递增。

因此，这两个调用会导致a的值被递增多次，结果可能不是我们所期望的。

为了避免这个问题，更加可预测并且类型安全的写法是，可以使用函数模板来替代#define宏。使用const对象（对于一系列常量，使用枚举或枚举类，而不是一系列#define）

例如，可以定义一个template<typename T> inline void callWithMax(const T& a, const T& b)函数来替代CALL_WITH_MAX宏。

这样做不仅可以避免上述问题，还可以提高代码的可读性和可维护性。例如：

template<typename T>
inline void callWithMax(const T& a, const T& b)
{
f(a > b ? a : b);
}
int a = 5, b = 0;
callWithMax(++a, b);
callWithMax(++a, b + 10);
// 这段代码中，a的值只会被递增一次，符合我们的预期。
// 不过inline目前主要指多重定义而非内联

条款3：尽可能使用const

条款3中提到了尽可能使用const的概念。具体来说，const是C++语言中的关键字，用于定义常量。以下是对这个条款的一些解释：

1. const的作用：使用const可以将变量定义为常量，即不能被修改。常量可以提高代码的可读性和可维护性，同时也可以避免意外的修改导致的错误。
2. const的使用场景：在C++中，const可以用于定义常量、函数参数和函数返回值等。使用const定义常量时，可以使用const关键字加上变量的类型，例如const int MAX_SIZE = 1024;。使用const定义函数参数时，可以在参数类型前加上const关键字，例如void foo(const std::string& str);。使用const定义函数返回值时，可以在函数声明和定义中返回类型前加上const关键字，例如const std::string& foo() const;。
3. const的作用域：在C++中，const变量和const函数的作用域与普通变量和函数的作用域相同。如果const变量或const函数在某个作用域内定义，那么它们只能在该作用域内使用。
4. const和指针：使用指针时，const可以用于限定指针本身或指针所指向的内容是否可修改。例如，const int* p表示指向const int类型的指针，即指针所指向的内容不能被修改；int* const p表示指向int类型的const指针，即指针本身不能被修改。另外，const还可以同时限定指针本身和指针所指向的内容是否可修改，例如const int* const p表示指向const int类型的const指针。

char greeting[] = "Hello";
char* p1 = greeting;
const char* p2 = greeting;       //被指物不可修改
char* const p3 = greeting        //指针不可修改
const char* const p4 = greeting; //皆不可修改

真正威力强大的用法是面对函数声明时，const可以和函数返回值、各参数、成员函数自身产生关联。例如令函数返回const，往往可以降低因用户错误而造成的意外，又不至于放弃安全性和高效性。

class Rational{...};
const Rational operator*(const Rational& lhs,const Rational& rhs);
//上述写法可以避免用户写出 a*b = c

对于成员函数自身的const，编译器强制实施bitwise const，即强制不能修改任何成员变量。**这意味着，在const成员函数中，即使我们使用了mutable关键字，也不能修改任何非mutable成员变量。**但实际上很多情况下我们需要的是logical const，即const成员函数也应该可以修改某些客户不可见的数据，这时可以用mutable成员变量来绕过const成员函数的限制。

例如对于一个文本块的对象而言，其内部很可能存在高速缓存；对于查询文本块长度这样的const操作，仍然需要更新高速缓存：

class TextBlock{
public:std::size_t length() const;
private:char *pText;mutable std::size_t text_length;mutable bool length_is_valid;
};std::size_t TextBlock::length() const{if(!length_is_valid){text_length = std::strlen(pText);length_is_valid = true;}return text_length;
};

这是一个名为TextBlock的类，其中包含一个私有成员变量char *pText，表示一个C风格的字符串。该类还包含了两个mutable类型的私有成员变量std::size_t text_length和bool length_is_valid，用于缓存字符串长度和标记长度是否已经被计算。该类还定义了一个公有成员函数std::size_t length() const，用于获取字符串的长度。下面是对该类的解释：

1. TextBlock类中的char *pText表示一个C风格的字符串，但是没有提供构造函数或析构函数来管理字符串的内存，这样会存在内存泄漏的风险，需要在类中添加构造函数和析构函数来管理字符串的内存。
2. **TextBlock类中的text_length和length_is_valid成员变量被声明为mutable类型，表示即使在const函数中也可以被修改。**这是因为length()函数需要计算字符串的长度，如果多次调用该函数，每次都重新计算字符串长度会浪费时间，因此使用mutable类型的成员变量缓存计算结果，避免重复计算。
3. TextBlock类中的length()函数是一个const函数，表示该函数不会修改类的成员变量，因此可以在const对象中调用。在函数中使用!length_is_valid判断是否需要重新计算字符串长度，如果需要计算，则调用std::strlen(pText)计算字符串长度，再将计算结果缓存到text_length中，并将length_is_valid标记为true。最后，返回缓存的字符串长度。
4. 由于TextBlock类中的pText变量是一个C风格的字符串，并且没有提供构造函数和析构函数来管理内存，因此在使用该类时需要特别注意内存泄漏的问题。可以通过使用std::string等C++标准库提供的字符串类型来避免这个问题。

C++中两个函数如果只是常量性不同，也可以重载。当const成员函数与非const成员函数有着实质等价的实现时，为了避免冗余，可以令non-const版本调用const版本：

class TextBlock{
public:const char& operator[](std::size_t position) const{...}char& operator[](std::size_t position){return const_cast<char&>(static_cast<const TextBlock&>(*this)[position]);}
};
//后者首先将自身转换为const对象
//随后调用const成员函数，返回const引用
//最后转换为non-const引用

这是一个名为TextBlock的类，其中定义了两个下标运算符operator[]，用于访问类中的字符数据。第一个下标运算符是一个const成员函数，返回一个const char&类型的引用，表示在指定位置的字符数据。第二个下标运算符是一个非const成员函数，返回一个char&类型的引用，表示在指定位置的字符数据。下面是对该代码的解释：

1. 第一个下标运算符是一个const成员函数，表示该函数不会修改类的成员变量。在函数中，使用const关键字修饰函数的返回值，表示返回的是一个常量引用。该函数返回指定位置的字符数据，并且由于返回的是一个常量引用，因此客户端无法通过该函数修改类的成员变量。
2. 第二个下标运算符是一个非const成员函数，表示该函数可以修改类的成员变量。在函数中，我们使用了const_cast和static_cast两个操作符，将该函数转换成了一个const成员函数的调用。具体来说，我们首先使用static_cast<const TextBlock&>(*this)将当前对象转换成一个const TextBlock&类型的对象，然后调用第一个下标运算符，返回在指定位置的字符数据的常量引用。接着，我们使用const_cast<char&>将常量引用转换为一个非常量引用，从而使得客户端可以通过该函数修改类的成员变量。需要注意的是，这种使用const_cast的方式是有风险的，因为它可以绕过函数的const限制，可能导致程序的未定义行为和内存安全问题。
3. 如果我们希望在第二个下标运算符中修改一些客户端不可见的数据，可以使用mutable关键字修饰一个成员变量，避免使用const_cast绕过const限制。

条款4：确定对象被使用前已先被初始化

条款4的意思是，在使用一个对象之前，必须确保该对象已经被正确地初始化。如果一个对象没有被正确地初始化，那么它的行为是未定义的，可能会导致程序崩溃、数据损坏等不可预测的结果。 在C++中，对象的初始化方式有多种，包括默认初始化、值初始化、直接初始化、拷贝初始化等。不同的初始化方式会对对象的状态产生不同的影响。为了保证对象被正确地初始化，我们应该遵循以下几个原则：

1. **明确对象的初始化方式。**在定义对象时，应该清楚地指定对象的初始化方式，避免使用未初始化的对象。
2. **尽可能使用构造函数进行初始化。**构造函数是一种专门用于初始化对象的函数，可以保证对象的状态正确。因此，在定义对象时，应该尽可能使用构造函数进行初始化。
3. **避免使用未定义的对象。**在使用对象之前，应该确保对象已经被正确地初始化。如果不确定对象是否已经被初始化，就应该避免使用该对象。
4. **避免使用未定义的成员变量。**在定义类时，应该确保类的成员变量都被正确地初始化。如果一个成员变量没有被正确地初始化，那么该成员变量的行为也是未定义的，可能会导致程序崩溃、数据损坏等不可预测的结果。

C++中变量并非一定会进行初始化。最佳处理办法是：对于内置类型必须手动初始化，而对于用户定义的对象，在使用对象前将其初始化（责任落在构造函数上）。

构造函数包含成员初值列与函数体。

1. 最好使用成员初始列的初始化而非函数体内的赋值，否则对象会在成员初始列的步骤中进行默认初始化，再在赋值的过程中进行拷贝，成本增高。
2. 成员初始列的排列顺序应与在类中的声明次序一致，因为成员初始化顺序只与后者有关，前者若与后者不一致的话可能导致误解。

只剩最后一个难点：函数内的静态变量称为local静态变量，其他的都是non-local；而不同编译单元（一个编译单元指产出单一目标文件的源码们）内定义的non-local静态对象的初始化顺序并未规定。倘若存在这样的两个变量a和b，且b的初始化需要使用a，如果a尚未初始化就被b使用了，显然程序会出错。

local静态变量指的是函数内定义的静态变量，只在函数的作用域内可见；

而non-local静态变量指的是在全局作用域或命名空间内定义的静态变量，可以被多个函数使用。

在C++中，对于non-local静态变量的初始化顺序并没有严格的规定。这意味着，如果存在两个non-local静态变量a和b，且b的初始化需要使用a，那么如果a尚未初始化就被b使用了，就会导致程序出错。这是因为，如果a尚未初始化，那么它的值是不确定的，可能是一个随机值，也可能是0或其他默认值。如果b在使用a之前被初始化，那么它使用的a的值是不确定的，这可能会导致程序出错。

为了避免这种问题，我们可以采用一些编程技巧和约定来确保non-local静态变量的正确初始化顺序。例如，可以使用单例模式等设计模式来确保对象的初始化顺序；或者可以将non-local静态变量的初始化工作放在函数内部，以确保它们在第一次使用之前被正确地初始化。此外，我们还可以使用编译器提供的一些选项来控制non-local静态变量的初始化顺序，但这种方法并不是跨平台的，可能会导致代码的可移植性问题。

解决方法也很简单：将每个non-local静态变量移到自己的专属函数内，这些函数返回该静态变量的引用，用户使用这些函数而非直接使用变量（类似单例模式）。至此，non-local静态变量被local静态变量取代。

class FileSystem{...};
FileSystem& tfs(){static FileSystem fs;return fs;
}
class Directory{...};
Directory::Directory(...){...std::size_t disks = tfs().num_disks();...
}

这段代码定义了一个名为FileSystem的类和一个名为tfs()的函数，以及另一个名为Directory的类和它的一个构造函数。

在tfs()函数内部，定义了一个名为fs的静态对象，它是FileSystem类的一个实例，并且返回了这个静态对象的引用。

在Directory类的构造函数内部，首先执行了一些初始化工作，然后通过调用tfs()函数获取到了FileSystem对象的引用，并通过该引用调用了num_disks()函数，将返回值存储在了一个名为disks的变量中。

由于tfs()函数内部定义的fs对象是一个静态对象，因此它在程序运行期间只会被创建一次，并且在整个程序的生命周期内都存在。

每次调用tfs()函数时，都会返回同一个静态对象的引用。这种方式可以保证FileSystem类的实例只有一个，并且可以在全局范围内被访问。

在Directory类的构造函数内部，通过调用tfs()函数获取到了FileSystem对象的引用，并且调用了它的num_disks()函数，这种方式可以确保Directory类的实例可以访问到全局唯一的FileSystem对象，并且可以获取到该对象的属性和方法。

总之，这段代码通过使用静态变量和函数，实现了一个全局唯一的FileSystem对象，并且可以在其他类的构造函数中使用该对象，从而避免了对象的多次创建和初始化，提高了程序的效率和可读性。同时，该代码还展示了C++中静态变量和静态函数的用法，可以作为学习C++语言的参考。