C++风格与技巧
 
（译注：本文的翻译相当艰苦。Bjarne Stroustrup不愧是创立C++语言的一代大师，不但思想博大精深，而且在遣词造句上，也非常精微深奥。有很多地方，译者反复斟酌，都不能取得理想的效果，只能尽力而为。

Html格式的文档见译者主页：http://www.wushuang.net

如果你对这个翻译稿有任何意见和建议，请发信给译者：onekey@163.com。

原文的地址为：http://www.research.att.com/~bs/bs_faq.html）


（Bjarne Stroustrup博士，1950年出生于丹麦，先后毕业于丹麦阿鲁斯大学和英国剑挢大学，AT&T大规模程序设计研究部门负责人，AT&T 贝尔实验室和ACM成员。1979年，B. S开始开发一种语言，当时称为"C with Class"，后来演化为C++。1998年，ANSI/ISO C++标准建立，同年，B. S推出其经典著作The C++ Programming Language的第三版。）


这是一些人们经常向我问起的有关C++的风格与技巧的问题。如果你能提出更好的问题，或者对这些答案有所建议，请务必发Email给我(bs@research.att.com)。请记住，我不能把全部的时间都花在更新我的主页上面。


更多的问题请参见我的general FAQ。


关于术语和概念，请参见我的C++术语表（C++ glossary.）。


请注意，这仅仅是一个常见问题与解答的列表。它不能代替一本优秀教科书中那些经过精心挑选的范例与解释。它也不能象一本参考手册或语言标准那样，提供详细和准确的说明。有关C++的设计的问题，请参见《C++语言的设计和演变》（The Design and Evolution of C++）。关于C++语言与标准库的使用，请参见《C++程序设计语言》（The C++ Programming Language）。


目录：

我如何写这个非常简单的程序？

为什么编译要花这么长的时间？

为什么一个空类的大小不为0？

我必须在类声明处赋予数据吗？

为什么成员函数默认不是virtual的？

为什么析构函数默认不是virtual的？

为什么不能有虚拟构造函数？

为什么重载在继承类中不工作？

我能够在构造函数中调用一个虚拟函数吗？

有没有“指定位置删除”(placement delete)？

我能防止别人继承我自己的类吗？

为什么不能为模板参数定义约束（constraints）？

既然已经有了优秀的qsort()函数，为什么还需要一个sort()？

什么是函数对象（function object）？

我应该如何对付内存泄漏？

我为什么在捕获一个异常之后就不能继续？

为什么C++中没有相当于realloc()的函数？

如何使用异常？

怎样从输入中读取一个字符串？

为什么C++不提供“finally”的构造？

什么是自动指针（auto_ptr），为什么没有自动数组（auto_array）？

可以混合使用C风格与C++风格的内存分派与重新分配吗？

我为什么必须使用一个造型来转换*void？

我如何定义一个类内部（in-class）的常量？

为什么delete不会将操作数置0？

我能够写“void main()”吗？

为什么我不能重载点符号，::，sizeof，等等？

怎样将一个整型值转换为一个字符串？

“int* p”正确还是“int *p”正确？

对于我的代码，哪一种布局风格（layout style）是最好的？

我应该将“const”放在类型之前还是之后？

使用宏有什么问题？


我如何写这个非常简单的程序？


特别是在一个学期的开始，我常常收到许多关于编写一个非常简单的程序的询问。这个问题有一个很具代表性的解决方法，那就是（在你的程序中）读入几个数字，对它们做一些处理，再把结果输出。下面是一个这样做的例子：


#include<iostream>

#include<vector>

#include<algorithm>

using namespace std;


int main()

{

vector<double> v;


double d;

while(cin>>d) v.push_back(d); // 读入元素

if (!cin.eof()) { // 检查输入是否出错

cerr << "format error\n";

return 1; // 返回一个错误

}


cout << "read " << v.size() << " elements\n";


reverse(v.begin(),v.end());

cout << "elements in reverse order:\n";

for (int i = 0; i<v.size(); ++i) cout << v[i] << '\n';


return 0; // 成功返回

}


对这段程序的观察：


这是一段标准的ISO C++程序，使用了标准库(standard library)。标准库工具在命名空间std中声明，封装在没有.h后缀的头文件中。


如果你要在Windows下编译它，你需要将它编译成一个“控制台程序”（console application）。记得将源文件加上.cpp后缀，否则编译器可能会以为它是一段C代码而不是C++。


是的，main()函数返回一个int值。


读到一个标准的向量(vector)中，可以避免在随意确定大小的缓冲中溢出的错误。读到一个数组(array)中，而不产生“简单错误”(silly error)，这已经超出了一个新手的能力——如果你做到了，那你已经不是一个新手了。如果你对此表示怀疑，我建议你阅读我的文章“将标准C++作为一种新的语言来学习”("Learning Standard C++ as a New Language")，你可以在本人著作列表(my publications list)中下载到它。


!cin.eof()是对流的格式的检查。事实上，它检查循环是否终结于发现一个end-of-file(如果不是这样，那么意味着输入没有按照给定的格式)。更多的说明，请参见你的C++教科书中的“流状态”(stream state)部分。


vector知道它自己的大小，因此我不需要计算元素的数量。


这段程序没有包含显式的内存管理。Vector维护一个内存中的栈，以存放它的元素。当一个vector需要更多的内存时，它会分配一些；当它不再生存时，它会释放内存。于是，使用者不需要再关心vector中元素的内存分配和释放问题。


程序在遇到输入一个“end-of-file”时结束。如果你在UNIX平台下运行它，“end-of-file”等于键盘上的Ctrl+D。如果你在Windows平台下，那么由于一个BUG它无法辨别“end-of-file”字符，你可能倾向于使用下面这个稍稍复杂些的版本，它使用一个词“end”来表示输入已经结束。


#include<iostream>

#include<vector>

#include<algorithm>

#include<string>

using namespace std;


int main()

{

vector<double> v;


double d;

while(cin>>d) v.push_back(d); // 读入一个元素

if (!cin.eof()) { // 检查输入是否失败

cin.clear(); // 清除错误状态

string s;

cin >> s; // 查找结束字符

if (s != "end") {

cerr << "format error\n";

return 1; // 返回错误

}

}


cout << "read " << v.size() << " elements\n";


reverse(v.begin(),v.end());

cout << "elements in reverse order:\n";

for (int i = 0; i<v.size(); ++i) cout << v[i] << '\n';


return 0; // 成功返回

}


更多的关于使用标准库将事情简化的例子，请参见《C++程序设计语言》中的“漫游标准库”("Tour of the Standard Library")一章。


为什么编译要花这么长的时间？


你的编译器可能有问题。也许它太老了，也许你安装它的时候出了错，也许你用的计算机已经是个古董。在诸如此类的问题上，我无法帮助你。


但是，这也是很可能的：你要编译的程序设计得非常糟糕，以至于编译器不得不检查数以百计的头文件和数万行代码。理论上来说，这是可以避免的。如果这是你购买的库的设计问题，你对它无计可施（除了换一个更好的库），但你可以将你自己的代码组织得更好一些，以求得将修改代码后的重新编译工作降到最少。这样的设计会更好，更有可维护性，因为它们展示了更好的概念上的分离。


看看这个典型的面向对象的程序例子：


class Shape {

public: // 使用Shapes的用户的接口

virtual void draw() const;

virtual void rotate(int degrees);

// ...

protected: // common data (for implementers of Shapes)

Point center;

Color col;

// ...

};


class Circle : public Shape {

public:

void draw() const;

void rotate(int) { }

// ...

protected:

int radius;

// ...

};


class Triangle : public Shape {

public:

void draw() const;

void rotate(int);

// ...

protected:

Point a, b, c;

// ...

};


设计思想是，用户通过Shape的public接口来操纵它们，而派生类（例如Circle和Triangle）的实现部分则共享由protected成员表现的那部分实现（implementation）。


这不是一件容易的事情：确定哪些实现部分是对所有的派生类都有用的，并将之共享出来。因此，与public接口相比，protected成员往往要做多得多的改动。举例来说，虽然理论上“中心”(center)对所有的图形都是一个有效的概念，但当你要维护一个三角形的“中心”的时候，是一件非常麻烦的事情——对于三角形，当且仅当它确实被需要的时候，计算这个中心才是有意义的。


protected成员很可能要依赖于实现部分的细节，而Shape的用户（译注：user此处译为用户，指使用Shape类的代码，下同）却不见得必须依赖它们。举例来说，很多（大多数？）使用Shape的代码在逻辑上是与“颜色”无关的，但是由于Shape中“颜色”这个定义的存在，却可能需要一堆复杂的头文件，来结合操作系统的颜色概念。


当protected部分发生了改变时，使用Shape的代码必须重新编译——即使只有派生类的实现部分才能够访问protected成员。


于是，基类中的“实现相关的信息”(information helpful to implementers)对用户来说变成了象接口一样敏感的东西，它的存在导致了实现部分的不稳定，用户代码的无谓的重编译（当实现部分发生改变时），以及将头文件无节制地包含进用户代码中（因为“实现相关的信息”需要它们）。有时这被称为“脆弱的基类问题”(brittle base class problem)。


一个很明显的解决方案就是，忽略基类中那些象接口一样被使用的“实现相关的信息”。换句话说，使用接口，纯粹的接口。也就是说，用抽象基类的方式来表示接口：


class Shape {

public: //使用Shapes的用户的接口

virtual void draw() const = 0;

virtual void rotate(int degrees) = 0;

virtual Point center() const = 0;

// ...


// 没有数据

};


class Circle : public Shape {

public:

void draw() const;

void rotate(int) { }

Point center() const { return center; }

// ...

protected:

Point cent;

Color col;

int radius;

// ...

};


class Triangle : public Shape {

public:

void draw() const;

void rotate(int);

Point center() const;

// ...

protected:

Color col;

Point a, b, c;

// ...

};


现在，用户代码与派生类的实现部分的变化之间的关系被隔离了。我曾经见过这种技术使得编译的时间减少了几个数量级。


但是，如果确实存在着对所有派生类（或仅仅对某些派生类）都有用的公共信息时怎么办呢？可以简单把这些信息封装成类，然后从它派生出实现部分的类：


class Shape {

public: //使用Shapes的用户的接口

virtual void draw() const = 0;

virtual void rotate(int degrees) = 0;

virtual Point center() const = 0;

// ...


// no data

};


struct Common {

Color col;

// ...

};


class Circle : public Shape, protected Common {

public:

void draw() const;

void rotate(int) { }

Point center() const { return center; }

// ...

protected:

Point cent;

int radius;

};


class Triangle : public Shape, protected Common {

public:

void draw() const;

void rotate(int);

Point center() const;

// ...

protected:

Point a, b, c;

};


为什么一个空类的大小不为0？


要清楚，两个不同的对象的地址也是不同的。基于同样的理由，new总是返回指向不同对象的指针。

看看：


class Empty { };


void f()

{

Empty a, b;

if (&a == &b) cout << "impossible: report error to compiler supplier";


Empty* p1 = new Empty;

Empty* p2 = new Empty;

if (p1 == p2) cout << "impossible: report error to compiler supplier";

}


有一条有趣的规则：一个空的基类并不一定有分隔字节。

struct X : Empty {

int a;

// ...

};


void f(X* p)

{

void* p1 = p;

void* p2 = &p->a;

if (p1 == p2) cout << "nice: good optimizer";

}


这种优化是允许的，可以被广泛使用。它允许程序员使用空类以表现一些简单的概念。现在有些编译器提供这种“空基类优化”(empty base class optimization)。


我必须在类声明处赋予数据吗？


不必须。如果一个接口不需要数据时，无须在作为接口定义的类中赋予数据。代之以在派生类中给出它们。参见“为什么编译要花这么长的时间？”。


有时候，你必须在一个类中赋予数据。考虑一下复数类的情况：


template<class Scalar> class complex {

public:

complex() : re(0), im(0) { }

complex(Scalar r) : re(r), im(0) { }

complex(Scalar r, Scalar i) : re(r), im(i) { }

// ...


complex& operator+=(const complex& a)

{ re+=a.re; im+=a.im; return *this; }

// ...

private:

Scalar re, im;

};


设计这种类型的目的是将它当做一个内建（built-in）类型一样被使用。在声明处赋值是必须的，以保证如下可能：建立真正的本地对象（genuinely local objects）(比如那些在栈中而不是在堆中分配的对象)，或者使某些简单操作被适当地inline化。对于那些支持内建的复合类型的语言来说，要获得它们提供的效率，真正的本地对象和inline化都是必要的。


为什么成员函数默认不是virtual的？


因为很多类并不是被设计作为基类的。例如复数类。


而且，一个包含虚拟函数的类的对象，要占用更多的空间以实现虚拟函数调用机制——往往是每个对象占用一个字(word)。这个额外的字是非常可观的，而且在涉及和其它语言的数据的兼容性时，可能导致麻烦(例如C或Fortran语言)。


要了解更多的设计原理，请参见《C++语言的设计和演变》（The Design and Evolution of C++）。


为什么析构函数默认不是virtual的？


因为很多类并不是被设计作为基类的。只有类在行为上是它的派生类的接口时(这些派生类往往在堆中分配，通过指针或引用来访问)，虚拟函数才有意义。


那么什么时候才应该将析构函数定义为虚拟呢？当类至少拥有一个虚拟函数时。拥有虚拟函数意味着一个类是派生类的接口，在这种情况下，一个派生类的对象可能通过一个基类指针来销毁。例如：


class Base {

// ...

virtual ~Base();

};


class Derived : public Base {

// ...

~Derived();

};


void f()

{

Base* p = new Derived;

delete p; // 虚拟析构函数保证~Derived函数被调用

}


如果基类的析构函数不是虚拟的，那么派生类的析构函数将不会被调用——这可能产生糟糕的结果，例如派生类的资源不会被释放。


为什么不能有虚拟构造函数？


虚拟调用是一种能够在给定信息不完全(given partial information)的情况下工作的机制。特别地，虚拟允许我们调用某个函数，对于这个函数，仅仅知道它的接口，而不知道具体的对象类型。但是要建立一个对象，你必须拥有完全的信息。特别地，你需要知道要建立的对象的具体类型。因此，对构造函数的调用不可能是虚拟的。


当要求建立一个对象时，一种间接的技术常常被当作“虚拟构造函数”来使用。有关例子，请参见《C++程序设计语言》第三版15.6.2.节。


下面这个例子展示一种机制：如何使用一个抽象类来建立一个适当类型的对象。


struct F { // 对象建立函数的接口

virtual A* make_an_A() const = 0;

virtual B* make_a_B() const = 0;

};


void user(const F& fac)

{

A* p = fac.make_an_A(); // 将A作为合适的类型

B* q = fac.make_a_B(); // 将B作为合适的类型

// ...

}


struct FX : F {

A* make_an_A() const { return new AX(); } // AX是A的派生

B* make_a_B() const { return new BX(); } // AX是B的派生

};


struct FY : F {

A* make_an_A() const { return new AY(); } // AY是A的派生

B* make_a_B() const { return new BY(); } // BY是B的派生


};


int main()

{

user(FX()); // 此用户建立AX与BX

user(FY()); // 此用户建立AY与BY

// ...

}


这是所谓的“工厂模式”(the factory pattern)的一个变形。关键在于，user函数与AX或AY这样的类的信息被完全分离开来了。


为什么重载在继承类中不工作？


这个问题（非常常见）往往出现于这样的例子中：


#include<iostream>

using namespace std;


class B {

public:

int f(int i) { cout << "f(int): "; return i+1; }

// ...

};


class D : public B {

public:

double f(double d) { cout << "f(double): "; return d+1.3; }

// ...

};


int main()

{

D* pd = new D;


cout << pd->f(2) << '\n';

cout << pd->f(2.3) << '\n';

}


它输出的结果是：


f(double): 3.3

f(double): 3.6


而不是象有些人猜想的那样：


f(int): 3

f(double): 3.6


换句话说，在B和D之间并没有发生重载的解析。编译器在D的区域内寻找，找到了一个函数double f(double)，并执行了它。它永远不会涉及（被封装的）B的区域。在C++中，没有跨越区域的重载——对于这条规则，继承类也不例外。更多的细节，参见《C++语言的设计和演变》和《C++程序设计语言》。


但是，如果我需要在基类和继承类之间建立一组重载的f()函数呢？很简单，使用using声明：


class D : public B {

public:

using B::f; // make every f from B available

double f(double d) { cout << "f(double): "; return d+1.3; }

// ...

};


进行这个修改之后，输出结果将是：


f(int): 3

f(double): 3.6


这样，在B的f()和D的f()之间，重载确实实现了，并且选择了一个最合适的f()进行调用。


我能够在构造函数中调用一个虚拟函数吗？


可以，但是要小心。它可能不象你期望的那样工作。在构造函数中，虚拟调用机制不起作用，因为继承类的重载还没有发生。对象先从基类被创建，“基类先于继承类(base before derived)”。


看看这个：


#include<string>

#include<iostream>

using namespace std;


class B {

public:

B(const string& ss) { cout << "B constructor\n"; f(ss); }

virtual void f(const string&) { cout << "B::f\n";}

};


class D : public B {

public:

D(const string & ss) :B(ss) { cout << "D constructor\n";}

void f(const string& ss) { cout << "D::f\n"; s = ss; }

private:

string s;

};


int main()

{

D d("Hello");

}


程序编译以后会输出：


B constructor

B::f

D constructor


注意不是D::f。设想一下，如果出于不同的规则，B::B()可以调用D::f()的话，会产生什么样的后果：因为构造函数D::D()还没有运行，D::f()将会试图将一个还没有初始化的字符串s赋予它的参数。结果很可能是导致立即崩溃。


析构函数在“继承类先于基类”的机制下运行，因此虚拟机制的行为和构造函数一样：只有本地定义(local definitions)被使用——不会调用虚拟函数，以免触及对象中的（现在已经被销毁的）继承类的部分。


更多的细节，参见《C++语言的设计和演变》13.2.4.2和《C++程序设计语言》15.4.3。


有人暗示，这只是一条实现时的人为制造的规则。不是这样的。事实上，要实现这种不安全的方法倒是非常容易的：在构造函数中直接调用虚拟函数，就象调用其它函数一样。但是，这样就意味着，任何虚拟函数都无法编写了，因为它们需要依靠基类的固定的创建(invariants established by base classes)。这将会导致一片混乱。


有没有“指定位置删除”(placement delete)？


没有，不过如果你需要的话，可以自己写一个。


看看这个指定位置创建(placement new)，它将对象放进了一系列Arena中；


class Arena {

public:

void* allocate(size_t);

void deallocate(void*);

// ...

};


void* operator new(size_t sz, Arena& a)

{

return a.allocate(sz);

}


Arena a1(some arguments);

Arena a2(some arguments);


这样实现了之后，我们就可以这么写：


X* p1 = new(a1) X;

Y* p2 = new(a1) Y;

Z* p3 = new(a2) Z;

// ...


但是，以后怎样正确地销毁这些对象呢？没有对应于这种“placement new”的内建的“placement delete”，原因是，没有一种通用的方法可以保证它被正确地使用。在C++的类型系统中，没有什么东西可以让我们确认，p1一定指向一个由Arena类型的a1分派的对象。p1可能指向任何东西分派的任何一块地方。


然而，有时候程序员是知道的，所以这是一种方法：


template<class T> void destroy(T* p, Arena& a)

{

if (p) {

p->~T(); // explicit destructor call

a.deallocate(p);

}

}


现在我们可以这么写：


destroy(p1,a1);

destroy(p2,a2);

destroy(p3,a3);


如果Arena维护了它保存着的对象的线索，你甚至可以自己写一个析构函数，以避免它发生错误。


这也是可能的：定义一对相互匹配的操作符new()和delete()，以维护《C++程序设计语言》15.6中的类继承体系。参见《C++语言的设计和演变》10.4和《C++程序设计语言》19.4.5。


我能防止别人继承我自己的类吗？


可以，但你为什么要那么做呢？这是两个常见的回答：


效率：避免我的函数被虚拟调用

安全：保证我的类不被用作一个基类（例如，保证我能够复制对象而不用担心出事）


根据我的经验，效率原因往往是不必要的担心。在C++中，虚拟函数调用是如此之快，以致于它们在一个包含虚拟函数的类中被实际使用时，相比普通的函数调用，根本不会产生值得考虑的运行期开支。注意，仅仅通过指针或引用时，才会使用虚拟调用机制。当直接通过对象名字调用一个函数时，虚拟函数调用的开支可以被很容易地优化掉。


如果确实有真正的需要，要将一个类封闭起来以防止虚拟调用，那么可能首先应该问问为什么它们是虚拟的。我看见过一些例子，那些性能表现不佳的函数被设置为虚拟，没有其他原因，仅仅是因为“我们习惯这么干”。


这个问题的另一个部分，由于逻辑上的原因如何防止类被继承，有一个解决方案。不幸的是，这个方案并不完美。它建立在这样一个事实的基础之上，那就是：大多数的继承类必须建立一个虚拟的基类。这是一个例子：


class Usable;


class Usable_lock {

friend class Usable;

private:

Usable_lock() {}

Usable_lock(const Usable_lock&) {}

};


class Usable : public virtual Usable_lock {

// ...

public:

Usable();

Usable(char*);

// ...

};


Usable a;


class DD : public Usable { };


DD dd; // 错误: DD::DD() 不能访问

// Usable_lock::Usable_lock()是一个私有成员


(来自《C++语言的设计和演变》11.4.3)


为什么不能为模板参数定义约束（constraints）？


可以的，而且方法非常简单和通用。


看看这个：


template<class Container>

void draw_all(Container& c)

{

for_each(c.begin(),c.end(),mem_fun(&Shape::draw));

}


如果出现类型错误，可能是发生在相当复杂的for_each()调用时。例如，如果容器的元素类型是int，我们将得到一个和for_each()相关的含义模糊的错误(因为不能够对对一个int值调用Shape::draw的方法)。


为了提前捕捉这个错误，我这样写：


template<class Container>

void draw_all(Container& c)

{

Shape* p = c.front(); // accept only containers of Shape*s


for_each(c.begin(),c.end(),mem_fun(&Shape::draw));

}


对于现在的大多数编译器，中间变量p的初始化将会触发一个易于了解的错误。这个窍门在很多语言中都是通用的，而且在所有的标准创建中都必须这样做。在成品的代码中，我也许可以这样写：


template<class Container>

void draw_all(Container& c)

{

typedef typename Container::value_type T;

Can_copy<T,Shape*>(); // accept containers of only Shape*s


for_each(c.begin(),c.end(),mem_fun(&Shape::draw));

}


这样就很清楚了，我在建立一个断言(assertion)。Can_copy模板可以这样定义：


template<class T1, class T2> struct Can_copy {

static void constraints(T1 a, T2 b) { T2 c = a; b = a; }

Can_copy() { void(*p)(T1,T2) = constraints; }

};


Can_copy(在运行时)检查T1是否可以被赋值给T2。Can_copy<T,Shape*>检查T是否是Shape*类型，或者是一个指向由Shape类公共继承而来的类的对象的指针，或者是被用户转换到Shape*类型的某个类型。注意这个定义被精简到了最小：


一行命名要检查的约束，和要检查的类型

一行列出指定的要检查的约束(constraints()函数)

一行提供触发检查的方法(通过构造函数)


注意这个定义有相当合理的性质：


你可以表达一个约束，而不用声明或复制变量，因此约束的编写者可以用不着去设想变量如何被初始化，对象是否能够被复制，被销毁，以及诸如此类的事情。(当然，约束要检查这些属性的情况时例外。)

使用现在的编译器，不需要为约束产生代码

定义和使用约束，不需要使用宏

当约束失败时，编译器会给出可接受的错误信息，包括“constraints”这个词（给用户一个线索），约束的名字，以及导致约束失败的详细错误（例如“无法用double*初始化Shape*”）。


那么，在C++语言中，有没有类似于Can_copy——或者更好——的东西呢？在《C++语言的设计和演变》中，对于在C++中实现这种通用约束的困难进行了

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