導(dǎo)讀

學(xué)會一個程式語言，是一回事兒；學(xué)會如何以此語言設(shè)計並實作出有效的程式，又是一回事兒。C++ 尤其如此，因為它很不尋常地涵蓋了罕見的威力和豐富的表現(xiàn)力，不但建立在一個全功能的傳統(tǒng)語言（C）之上，更提供極為廣泛的物件導(dǎo)向（object-oriented）性質(zhì)，以及對templates 和exceptions（異常狀態(tài)）的支援。

假以適當(dāng)運用，C++ 是個可以讓你感受愉悅的夥伴。各種不同的設(shè)計方式，包括物件導(dǎo)向型式和傳統(tǒng)型式，都可以直接在這個語言中表現(xiàn)並有效地實作出來。你可以定義新的資料型別，它們和語言內(nèi)建的型別表面上無分軒輊，實質(zhì)上則更具彈性。明智地選用一些謹(jǐn)慎設(shè)計的classes — 自動完成記憶體管理、別名（aliasing）處理、初始化動作與清理動作、型別轉(zhuǎn)換、以及軟體開發(fā)的其他難題與禍根— 可以使程式設(shè)計更容易，更直觀，更有效，更少錯誤。是的，要寫出有效的C++ 程式並不會太困難，如果你知道怎麼做的話。

如果沒有什麼訓(xùn)練與素養(yǎng)，就冒然使用C++，會導(dǎo)至做出來的碼不易理解、不易維護、不易擴充、缺乏效率、而且容易出錯。

關(guān)鍵在於找出C++ 可能絆倒你的狀況有哪些，然後學(xué)習(xí)如何避開它們。這正是本書的目的。我假設(shè)你已經(jīng)認(rèn)識C++ 並對它有某種程度的使用經(jīng)驗。我提供一些準(zhǔn)則，讓你更有效地使用這個語言，使你的軟體容易理解、容易維護、容易擴充、效率高、而且行為如所預(yù)期。

我提出的忠告分為兩大類：一般性的設(shè)計策略，以及特殊的（比較難得一見的）語言性質(zhì)。

設(shè)計方面的討論集中在如何對不同的方法（俾得以C++ 達成某個目標(biāo)）做取捨。如何在inheritance（繼承）和templates（範(fàn)本）之間做選擇？在templates 和generic pointers（泛型指標(biāo)）之間？在public inheritance（公開繼承）和private inheritance （私有繼承）之間？在private inheritance 和layering（分層技術(shù)）之間？在function overloading（函式多載化）和parameter defaulting（參數(shù)預(yù)設(shè)值）之間？在virtual function（虛擬函式）和nonvirtual functions（非虛擬函式）之間？在pass-by-value （傳值）和pass-by-reference（傳址）之間？一開始就做出正確的決定是很重要的，因為不正確的選擇或許不會一下子就浮現(xiàn)影響，但是在開發(fā)過程的後期，矯正它往往很困難、很花時間，很混亂，很令人沮喪，事倍功半，成本很高。

在你確切知道你要做什麼之後，把它做對，恐怕也不是件太容易的事。什麼是 assignment 運算子的適當(dāng)傳回型別？當(dāng)operator new 無法找出足夠的記憶體，它該有怎樣的行為？destructor 何時應(yīng)該被宣告為virtual？你應(yīng)該寫一個member initialization list（成員初值列）嗎？在如斯細節(jié)中努力，也頗具有決定性，因為如果不這樣，常會導(dǎo)至意料之外或神秘難解的程式行為。更糟的是這類脫軌行為可能不會立即浮現(xiàn)，這些恐怖的碼或能通過品管檢驗，卻仍然藏匿著許多未偵測出來的臭蟲— 不定時炸彈正等待引爆。

這不是本得一頁頁讀下去才有感覺的書籍。你甚至不需要依序讀它。所有素材被我分為50 個條款，每一個都相當(dāng)獨立。不過條款之間會彼此參考，所以閱讀本書的一種方法是先從感興趣的條款開始，然後遵循其參考指示，進一步讀下去。

所有條款被我分為七大類。如果你對某類主題特別感興趣，例如「記憶體管理」或「物件導(dǎo)向設(shè)計」，可以從相關(guān)章節(jié)開始，一路讀下去，或是跳躍前進。不過最後你會發(fā)現(xiàn)，本書的所有內(nèi)容對於高實效的C++ 程式設(shè)計而言，都十分基礎(chǔ)而重要，所以幾乎每個條款最後都會和其他條款互有牽連。

這並不是一本C++ 參考工具書，也不是一本讓你從頭學(xué)習(xí)C++ 的書。例如，雖然我熱切告訴你一些有關(guān)「撰寫自己的operator new」的注意事項（條款7~10），但是我假設(shè)你可以從其他地方獲知，operator new 必須傳回一個void*，其第一引數(shù)的型別必須是size_t。許多C++ 語言書可以帶給你這樣的資訊。

這本書的目的是要強調(diào)那些其他書籍往往淺淺帶過（如果有的話）的C++ 程式設(shè)計概念。其他書籍描述的是C++ 語言的各個成份，本書則告訴你如何將那些成份組合起來，完成一個有效的程式。其他書籍告訴你如何讓程式順利編譯，本書則告訴你如何避開編譯器不會告訴你的一些問題。

和大部份語言一樣，C++ 有著豐富的「傳統(tǒng)」，在程式員之間口耳相傳，形成這個語言的偉大傳承的一部份。我企圖在這本書中以容易閱讀的型式記錄一些長久累積而來的智慧。

然而在此同時，我必須告訴你，本書僅限於正統(tǒng)的、可移植的C++ 語言。只有明列於ISO/ANSI 標(biāo)準(zhǔn)（見條款M35）中的性質(zhì)，才會被本書採用。本書之中，移植性是個關(guān)鍵考量。如果你想要尋找因編譯器而異的特殊技法，本書不適合你。

但是，啊呀，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格所描述的C++，與社區(qū)軟體商店所賣的編譯器(s) 的表現(xiàn)，多少有點出入。所以當(dāng)我指出某個新的語言特性頗有用處時，我也會告訴你如何在缺乏那些特性的情況下產(chǎn)出有效的軟體。畢竟在確知未來即將如何如何之際，卻忽略那些美麗遠景而儘做些低下的勞力工作，容我坦言是相當(dāng)愚蠢的；但是反過來看，你也不能在最新最偉大的C++ 編譯器(s) 降臨世界之前，空自等待而束手無策呀。你必須和你手上可用的工具一起打拼，而本書正打算幫助你這麼做。

注意我說編譯器(s) — 複數(shù)。不同的編譯器對標(biāo)準(zhǔn)C++ 的滿足程度各不相同，所以我鼓勵你至少以兩種編譯器(s) 來開發(fā)程式。這麼做可以幫助你避免不經(jīng)意仰賴某個編譯器專屬的語言延伸性質(zhì)，或是誤用某個編譯器對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的錯誤闡示。這也可以幫助你避免使用過度先進的編譯器特殊技術(shù)，例如獨家廠商才做得出來的某種語言新特性。如此特性往往實作不夠精良（臭蟲多，要不就是表現(xiàn)遲緩，或兩者兼具），而且C++ 社群往往對這些特性缺乏使用經(jīng)驗，無法給你應(yīng)用上的忠告。雷霆萬鈞之勢固然令人興奮，但當(dāng)你的目標(biāo)是要產(chǎn)出可靠的碼，恐怕還是步步為營（並且能夠與人合作）得好。

你在本書中找不到C++ 的必殺秘笈，也看不到通往C++ 完美軟體的唯一真理。 50 個條款中的每一個帶給你的都只是準(zhǔn)則，包括如何完成較好的設(shè)計，如何避免常見的問題，如何到達更好的效率，但任何條款都不可能放之四海皆準(zhǔn)。軟體的定義和實作是極為複雜的工作，常會受到硬體、作業(yè)系統(tǒng)、以及應(yīng)用軟體的束縛，所以我能夠做的最好事情就是提供一些準(zhǔn)則，讓你可以依循產(chǎn)生出比較好的程式。

如果任何時候你都奉行每一個條款，應(yīng)該不太可能掉進最常見的一些C++ 陷阱。不過準(zhǔn)則畢竟只是準(zhǔn)則，可能存在例外情況。那正是為什麼每個條款都帶有一堆解釋的原因。這些解釋是本書最重要的資產(chǎn)。唯有徹底瞭解一個條款背後的基本原理，你才能合理決定此條款是否適用於手上的專案，或你正艱苦奮鬥的難題上。

本書的最佳用途，就是增進你對C++ 行為的瞭解，知道它為什麼有那樣的表現(xiàn)，以及如何將其行為轉(zhuǎn)化為你的利益。盲目運用本書所列的條款並不適當(dāng)，不過話說回來，你或許不應(yīng)該在缺乏好理由的情況任意違反任何一個條款。

這樣性質(zhì)的書籍中，專用術(shù)語的解釋並非重點所在。那樣的工作頂好是留給語言界的「律師」去做。然而有少量C++ 辭彙是每個人都應(yīng)該要懂的。以下術(shù)語一再出現(xiàn)，所以有必要確定你我之間對它們有共同的認(rèn)知。

所謂宣告（declaration），用來將一個object、function、class 或template 的型別名稱告訴編譯器。宣告式並不帶有細目資訊。下面統(tǒng)統(tǒng)都是宣告：

extern int x; // object declaration

int numDigits(int number); // function declaration

class Clock; // class declaration

template

class SmartPointer; // template declaration

所謂定義（definition），用來將細目資訊提供給編譯器。對object 而言，其定義式是編譯器為它配置記憶體的地點。對function 或function template 而言，其定義式提供函式本體（function body）。對class 或class template 而言，其定義式必須列出該class 或template 的所有members：

int x; // 這是物件的定義式
int numDigits(int number) // 這是函式的定義式
{ // 此函式傳回其參數(shù)的數(shù)位（digits）個數(shù)
int digitsSoFar = 1;
if (number < 0) {
number = -number;
++digitsSoFar;
}
while (number /= 10) ++digitsSoFar;
return digitsSoFar;
}
class Clock { // 這是class 的定義式
public:
Clock();
~Clock();
int hour() const;
int minute() const;
int second() const;
...
};
template
class SmartPointer { // 這是template 的定義式
public:
SmartPointer(T *p = 0);
~SmartPointer();
T * operator->() const;
T& operator*() const;
...
};

class A {
public:
A(); // default constructor
};
A arrayA[10]; // 呼叫constructors 10 次
class B {
public:
B(int x = 0); // default constructor
};
B arrayB[10]; // 呼叫constructors 10 次，
// 每次都給引數(shù)0。
class C {
public:
C(int x); // 這不是一個default constructor
};
C arrayC[10]; // 錯誤！

或許有時候你會發(fā)現(xiàn)，某個class 的default constructor 有預(yù)設(shè)參數(shù)值，你的編譯器卻拒不接受其物件陣列。例如某些編譯器拒絕接受上述arrayB 的定義，即使它其實符合C++ 標(biāo)準(zhǔn)。這是存在於C++ 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書和實際編譯器行為之間的一個矛盾例子。截至目前我所知道的每一個編譯器，都有一些這類不相容缺點。在編譯器廠商追上C++ 語言標(biāo)準(zhǔn)之前，請保持你的彈性，並安慰自己，也許不久後的某一天，C++ 編譯器的表現(xiàn)就可以和C++ 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書所描述的一致了。

附帶一提，如果你想要產(chǎn)生一個物件陣列，但該物件型別沒有提供default constructor，通常的作法是定義一個指標(biāo)陣列取而代之，然後利用new 一一將每個指標(biāo)初始化：

C *ptrArray[10]; // 沒有呼叫任何constructors
ptrArray[0] = new C(22); // 配置並建構(gòu)一個C 物件
ptrArray[1] = new C(4); // 同上
...

這個作法在任何場合幾乎都夠用了。如果不夠，你或許得使用條款14 所說的更高層次（也因此更不為人知）的"placement new" 方法?；氐叫g(shù)語來。所謂copy constructor 係以某物件做為另一同型物件的初值：

class String {
public:
String(); // default constructor
String(const String& rhs); // copy constructor
...
private:
char *data;
};
String s1; // 呼叫default constructor
String s2(s1); // 呼叫copy constructor
String s3 = s2; // 呼叫copy constructor

或許copy constructor 最重要的用途就是用來定義何謂「以by value 方式傳遞和傳回物件」。例如，考慮以下效率不佳的作法，以一個函式串接兩個String 物件：

const String operator+(String s1, String s2)
{
String temp;
delete [] temp.data;
temp.data =
new char[strlen(s1.data) + strlen(s2.data) + 1];
strcpy(temp.data, s1.data);
strcat(temp.data, s2.data);
return temp;
}
String a("Hello");
String b(" world");
String c = a + b; // c = String("Hello world")

其中operator+ 需要兩個String 物件做為參數(shù)，並傳回一個String 物件做為運算結(jié)果。不論參數(shù)或運算結(jié)果都是以by value 方式傳遞，所以在operator+進行過程中，會有一個copy constructor 被喚起，用以將a 當(dāng)做s1 的初值，再有一個copy constructor 被喚起，用以將b 當(dāng)做s2 的初值，再有一個copyconstructor 被喚起，用以將temp 當(dāng)做c 的初值。事實上，只要編譯器決定產(chǎn)生中介的暫時性物件，就會需要一些copy constructor 呼叫動作（見條款M19）。重點是：pass-by-value 便是「呼叫copy constructor」的同義詞。

順帶一提，你不能夠真的像上述那樣實作Strings 的operator+。傳回一個const String object 是正確的（見條款21 和23），但是你應(yīng)該以by reference 方式（見條款22）傳遞那兩個參數(shù)。

其實，如果你有外援，並不需要為Strings 撰寫operator+。事實上你的確有外援，因為C++ 標(biāo)準(zhǔn)程式庫（條款49）就內(nèi)含有一個string 型別，帶有一個 operator+，做的事情幾乎就是上述operator+ 的行為。本書中我並用String 和string 兩者（注意前者名稱以大寫開頭，後者否），但方式不同。如果我只是需要一般字串，不在意它是怎麼做出來的，那麼我便使用標(biāo)準(zhǔn)程式庫提供的 string。這也是你應(yīng)該選擇的行為。然而如果我打算剖析C++ 的行為，並因而需要某些實作碼來示範(fàn)或驗證，我便使用非標(biāo)準(zhǔn)的那個String class。身為一個程式員，只要必須用到字串，就應(yīng)該儘可能使用標(biāo)準(zhǔn)的string 型別；那種「開發(fā)自己的字串類別，以象徵具備C++ 某種成熟功力」的日子已經(jīng)過去了（不過你還是有必要瞭解開發(fā)一個像string 那樣的classes 所需知道的課題）。對「示範(fàn)或驗證」目的（而且可說只對此種目的）而言，String 很是方便。無論如何，除非你有很好的理由，否則都不應(yīng)該再使用舊式的char*-based 字串。具有良好定義的string 型別如今已能夠在每一方面比char*s 更具優(yōu)勢，並且更好— 包括其執(zhí)行效率（見條款49和條款M29~M30）。

接下來兩個需要掌握的術(shù)語是initialization（初始化）和assignment（指派）。物件的初始化行為發(fā)生在它初次獲得一個值的時候。對於「帶有constructors」之 classes 或structs，初始化總是經(jīng)由喚起某個constructor 達成。這和物件的 assignment 動作不同，後者發(fā)生於「已初始化之物件被指派新值」的時候：

string s1; // initialization（初始化）
string s2("Hello"); // initialization（初始化）
string s3 = s2; // initialization（初始化）
s1 = s3; // assignment（指派）

純粹從操作觀點看，initialization 和assignment 之間的差異在於前者由constructor 執(zhí)行，後者由operator= 執(zhí)行。換句話說這兩個動作對應(yīng)不同的函式動作。

C++ 嚴(yán)格區(qū)分此二者，原因是上述兩個函式所考慮的事情不同。Constructors 通常必須檢驗其引數(shù)的有效性（validity），而大部份assignment 運算子不必如此，因為其引數(shù)必然是合法的（因為已被建構(gòu)完成）。另一方面，assignment 動作的目標(biāo)物件並非是尚未建構(gòu)完成的物件，而是可能已經(jīng)擁有配置得來的資源。在新資源可被指派過去之前，舊資源通常必須先行釋放。這裡所謂的資源通常是指記憶體。在assignment 運算子為一個新值配置記憶體之前，必須先釋放舊值的記憶體。
下面是String 的constructor 和assignment 運算子的可能作法：

// 以下是一個可能的String constructor
String::String(const char *value) {
{
if (value) { // 如果指標(biāo)value 不是null
data = new char[strlen(value) + 1];
strcpy(data,value);
}
else { // 處理null 指標(biāo)
　　　 //此一「接受一個const char* 引數(shù)」的String constructor，
　　　 //有能力處理傳進來的指標(biāo)為null的情況。標(biāo)準(zhǔn)的string 可沒如此寬容。
　　　 //企圖以一個null 指標(biāo)產(chǎn)生一個string，其結(jié)果未有定義。
　　　 //不過以一個空的char*-based 字串（例如""）產(chǎn)生一個string 物件，
　　　 //倒是安全的。
data = new char[1];
}
}
// 以下是一個可能的String assignment 運算子
String& String::operator=(const String& rhs)
{
if (this == &rhs)
return *this; // 見條款17
delete [] data; // 刪除（釋放）舊有的記憶體
data = // 配置新的記憶體
new char[strlen(rhs.data) + 1];
strcpy(data, rhs.data);
return *this; // 見條款15
}

注意，constructor 必須檢驗其參數(shù)的有效性，並確保member data 都被適當(dāng)?shù)爻跏蓟?/FONT>，例如一個char* 指標(biāo)必須被適當(dāng)?shù)丶由蟦ull 結(jié)束字元。亦請注意 assignment 運算子認(rèn)定其參數(shù)是合法的，反倒是它會偵測諸如「自己指派給自己」這樣的病態(tài)情況（見條款17），或是集中心力確?！概渲眯掠洃涹w之前先釋放舊有記憶體」。這兩個函式的差異，象徵物件初始化（initialization）和物件指派（assignment）兩者的差異。順帶一提，如果delete [] 這樣的表示法對你而言很陌生，條款5 和條款M8 應(yīng)該能夠消除你的任何相關(guān)疑惑。

我要討論的最後一個術(shù)語是client（客戶）。Client 代表任何「使用你所寫的碼」的人。當(dāng)我在本書提及clients，我指的便是任何觀察你的碼並企圖理解它們的人。我也是指閱讀你的class 定義並企圖決定是否可以繼承它們的人。我同時也是指那些審查你的設(shè)計並希望洞察其中原理的人。你或許還不習(xí)慣去想到你的clients，但是我會儘量說服你設(shè)法讓他們的生活愉快一些。畢竟，你也是他人所開發(fā)的軟體的client，難道你不希望那些人讓你的生活愉快一些嗎？此外，也許有一天你會發(fā)現(xiàn)你必須使用自己所寫的碼（譯註：指那些classes 或libraries），那時候你的client 就是你自己。

我在本書用了兩個你可能不甚熟悉的C++ 性質(zhì)，它們都是晚近才加入C++ 標(biāo)準(zhǔn)之中。第一個是bool 型別，其值若非true 就是false（兩者都是關(guān)鍵字）。語言內(nèi)建的相對關(guān)係運算子（如<, >, ==）的傳回型別都是bool，if, for, while, do 等述句的條件判斷式的傳回型別也是bool。如果你的編譯器尚未實作出bool 型別，你可以利用typedef 模擬bool，再以兩個const 物件模擬true 和false：

typedef int bool;
const bool false = 0;
const bool true = 1;

(type) expression // 將expression 轉(zhuǎn)為type 型別

static_cast(expression) // 將expression 轉(zhuǎn)為type 型別
const_cast(expression)
dynamic_cast(expression)
reinterpret_cast(expression)

a * b

operator*(a, b)

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

string *ps; // ps = ptr to string
class Airplane;
Airplane *pa; // pa = ptr to Airplane
class BankAccount;
BankAccount *pba; // pba = ptr to BankAccount