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zhangxf
2025-03-27
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第六章 Modern C++的一些最佳实践

# 第六章 Modern C++的一些最佳实践

现在，让我们转换话题，讨论现代C++为我们带来的一些各式各样的实践方法。

# 问题42：什么是聚合初始化？

聚合初始化（aggregate initialization）或大括号初始化（brace-initialization，有时也写作{}初始化）是在C++11中加入到该语言的特性。

那么，什么是聚合体（aggregate）呢？

它可以是数组类型，或者是满足某些限制条件的类类型，你可以在此处 (opens new window)查看相关内容 。

其最简单的形式，看起来和使用括号的普通构造函数调用完全一样，但这次使用的是大括号。

std::string text{"abcefg"};
Point a{5,4,3}; // Point是一个接受3个整数作为参数的类
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你也可以在auto类型推导中使用它：

auto text = std::string{"abcefg"};
auto a = Point{5,4,3}; // Point是一个接受3个整数作为参数的类
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聚合初始化也可用于初始化容器：

std::vector<int> numbers{1, 2, 3, 4, 5};
auto otherNumbers = std::vector<int>{6, 7, 8, 9, 10};
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这比之前的初始化方式要好得多。在以前，创建容器后，我们必须逐个添加元素。使用聚合初始化，如果我们知道容器不再需要更改，就可以轻松创建常量容器（const containers）。这在C++11之前是无法实现的。

// C++11之前
std::vector<int> myNums;
myNums.push_back(3);
myNums.push_back(42);
myNums.push_back(51);

// 从C++11开始
const std::vector<int> myConstNums{3, 42, 51};
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但这还不是全部。{}初始化有两个优点。

# 不易出现最令人头疼的解析问题

根据C++标准，任何能被解释为声明的内容，都会被解释为声明。

因此，MyClass o();并不是创建一个名为o的MyClass实例并调用其默认构造函数的指令。相反，它是一个名为o的函数声明，该函数不接受参数，但返回MyClass类型。

如果使用大括号，在99%的情况下，它不会被解释为声明，而是像开发者预期的那样，被解释为变量声明。

# 不允许窄化转换

窄化（narrowing），更准确地说是窄化转换（narrowing conversion），是一种算术值的隐式转换，会导致精度损失。根据具体情况，这可能极其危险。

以下示例展示了经典数值类型初始化方式存在的问题。无论是使用直接初始化还是赋值操作，都会有这个问题。

#include <iostream>
int main() {
    int i1(3.14);
    int i2=3.14;
    std::cout << "i1: " << i1 << std::endl; 
    std::cout << "i2: " << i2 << std::endl; 
    int i3{3.14} 
    unsigned int i4{-41}; 
}
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正如我们所见，使用大括号初始化时，编译器会给出一个明确的错误，告知我们发生了窄化转换。

所以，{}初始化的三个优点是：

  • 直接初始化容器
  • 不再出现最令人头疼的解析问题
  • 检测隐式窄化转换

# 问题43：什么是显式构造函数（explicit constructors），它们有什么优点？

explicit说明符指定构造函数不能用于隐式转换。

如果不使用explicit，编译器可以进行一次隐式转换，以便将参数解析为函数所需的类型。编译器可以使用接受单个参数的构造函数，将一种类型转换为另一种类型，从而获得函数参数所需的正确类型。

来看这个例子：

class WrappedInt {
public:
    // 单参数构造函数，可以用作隐式转换
    WrappedInt(int number) : m_number (number) {}

    // 使用explicit，不允许隐式转换
    // explicit WrappedInt(int number)  : m_number  (number) {}

    int GetNumber() { return m_number; }
private:
    int m_number;
};

void doSomething(WrappedInt aWrappedInt) {
    int i = aWrappedInt.GetNumber();
}

int main() {
    doSomething(42);
}
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参数并非WrappedInt对象，只是一个普通的int类型。然而，WrappedInt存在一个接受int类型参数的构造函数，因此这个构造函数可以用于将参数转换为正确的类型。

编译器允许对每个参数进行一次这样的转换。

在构造函数前加上explicit关键字，可以防止编译器使用该构造函数进行隐式转换。在上述类中添加explicit关键字后，在调用doSomething(42)时会产生编译错误。此时，必须显式调用转换，即doSomething(WrappedInt(42))。

你可能想要这么做的原因是，避免意外构造对象，这种情况可能会隐藏程序中的错误。以字符串为例，假设有一个MySpecialString类，它有一个接受int类型参数的构造函数，该构造函数会创建一个长度为传入int值的字符串。还有一个函数print(const MySpecialString&)，如果调用print(3)（而实际上你想调用的是print("3")），你期望它打印出3，但实际上它打印的是一个长度为3的空字符串。

再举一个关于字符串的例子，假设这是MySpecialString类：

class MySpecialString {
public:
    MySpecialString(int n); 		// 为MySpecialString对象分配n个字节
    MySpecialString(const char *p); // 用char *p初始化对象
};
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对于这个构造函数调用会发生什么呢？

MySpecialString mystring = 'x';
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字符x会被隐式转换为int，然后调用MySpecialString(int)构造函数。但这可能并非用户本意。所以，为了避免这种情况，我们应该将构造函数定义为explicit：

class MySpecialString {
public:
    explicit MySpecialString (int n); // 分配n个字节
    MySpecialString(const char *p);   // 用字符串p初始化对象
};
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为了避免这类不易察觉的错误，一开始（差不多自动地）应该总是考虑将单参数构造函数定义为explicit，只有在设计上需要隐式转换时，才去掉explicit关键字。

# 问题44：什么是用户定义字面量（user-defined literals）？

用户定义字面量允许通过定义用户定义的后缀，让整数、浮点数、字符和字符串字面量生成用户定义类型的对象。

用户定义字面量可用于整数、浮点数、字符和字符串类型。

它们可用于转换，例如，你可以编写一个将角度转换为弧度的转换器：

constexpr long double operator"" _deg ( long double deg ) {
    return deg * 3.14159265358979323846264L / 180;
}
//...
std::cout << "50 degrees as radians: " << 50.0_deg << std::endl;
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但更有趣的可能是，当使用强类型（strong types）时，它如何有助于提高代码的可读性和安全性。

让我们来看前面课程中的一个例子：

auto myCar{Car{Horsepower{98u}}, DoorsNumber{4u},
          Transmission::Automatic, Fuel::Gasoline};
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把车门数量和发动机功率弄混的可能性或许不高，但可能存在其他衡量性能的系统，或者Car构造函数接受的其他数值，那就容易混淆了。

一种可读性强且安全的方式，是通过用户定义字面量，用硬编码值初始化Car对象（比如在单元测试中）：

//...
Horsepower operator"" _hp(int performance) {
    return Horsepower{performance};
}

DoorsNumber operator"" _doors(int numberOfDoors) {
    return DoorsNumber{numberOfDoors};
}
//...
auto myCar{Car{98_hp, 4_doors,
              Transmission::Automatic, Fuel::Gasoline};
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当然，使用用户定义字面量的方式仅受限于你的想象力，但数值转换和辅助强类型无疑是其中最有趣的两种应用。

# 问题45：为什么我们应该使用 nullptr 而不是 NULL 或 0？

字面值0是一个整数（int），不是指针。如果编译器在只能使用指针的地方看到0，它会将0解释为空指针，但这只是一种隐式转换，如果你愿意，这只是第二选择。NULL也是如此，尽管在实现中允许给NULL赋予除int之外的整数类型，比如long，不过这种情况并不常见。

这会产生以下影响。如果你有一个函数存在三个重载版本，参数包括整数类型和指针类型，可能会出现一些意外情况：

#include  <iostream> 

void  foo(int) {
    std::cout << "foo(int) is called" << std::endl;
}

void  foo(bool) {
    std::cout << "foo(bool) is called" << std::endl;
}

void  foo(void*) {
    std::cout << "foo(void*) is called" << std::endl;
}

int  main() {
    foo(0); // 调用foo(int)，而不是foo(void*)
    foo(NULL); // 可能无法编译，但通常会调用foo(int)，绝不会调用foo(void*)
}
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因此，出现了避免对指针和整数类型进行重载的指导原则。

另一方面，nullptr没有整数类型。它的类型是std::nullptr_t。这是一种独特的类型，它本身既不是指针类型，也不是指向成员类型的指针。同时，它可以隐式转换为所有原始指针类型，这使得nullptr表现得好像它是所有类型的指针。

因此，使用nullptr可以调用指针重载版本：

foo(nullptr); // 调用foo(void*)重载版本
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要了解nullptr的更多优势，我们需要对模板元编程进行一些实验。想要了解更多详细信息，强烈建议你查看《Effective Modern C++》的第8条内容。

# 问题46：类型别名（alias）相较于类型定义（typedef）有哪些优势？

首先，让我们了解一下什么是typedef。如果你不想每次都书写复杂的类型名称，可以引入一个“快捷方式”，即typedef：

typedef     std::unique_ptr<std::unordered_map<std::string, std::string>> MyStringMap;
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自C++11起，你可以使用别名声明（alias declarations）来替代：

using   MyStringMap   =   std::unique_ptr<std::unordered_map<std::string, std::string>>
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它们的功能完全相同，但别名声明有一些优势。

在函数指针的情况下，别名声明的可读性更强：

typedef  void  (*MyFunctionPointer)(int , int);
using  MyFunctionPointerAlias = void(*)(int , int);
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另一个优势是，typedef不支持模板化，而别名声明支持。

template<typename  T>  using  MyAllocList  =  std::list<T, MyAlloc<T>>;
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使用typedef会复杂得多，在某些情况下（查看此处），你甚至必须使用::type后缀，并且在模板中，引用typedef时通常需要使用typename前缀。

C++14甚至为所有C++11类型特性转换提供了别名模板，比如std::remove_const_t<T>、std::remove_reference_t<T>或std::add_lvalue_reference_t<T>。

# 问题47：作用域枚举（scoped enums）相较于无作用域枚举（unscoped enums）有哪些优势？

C++98风格的枚举现在被称为无作用域枚举。你可以这样声明它们：

enum  Transmission  { manual, automatic }; 
// 编译错误，因为manual已经作为不同类型的实体被声明
auto  manual = false;
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现代的作用域枚举使用class关键字，枚举成员（enumerators）仅在枚举内部可见。它们只有通过强制类型转换才能转换为其他类型。它们通常被称为作用域枚举或枚举类（enum classes）。

enum  class  Transmission  { manual, automatic }; 
// 现在可以编译，manual尚未被声明
auto  manual = false;

// 错误，没有名为manual的枚举成员，这里的manual只是一个bool类型变量
Transmission t = manual;

Transmission t = Transmission::manual; // 正确
auto  t = Transmission::manual; // 正确
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作用域枚举和无作用域枚举都支持指定底层类型。作用域枚举的默认底层类型是int。无作用域枚举没有默认的底层类型。

指定底层类型的语法是相同的：

enum  Status : std::uint32_t  { /* . .*/  };
enum  class  Status : std::uint32_t  { /* . . .*/  };
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无作用域枚举只有在声明中指定了底层类型时才能进行前向声明，否则枚举的大小是未知的。另一方面，由于作用域枚举默认有底层类型，所以它们总是可以进行前向声明。

# 问题48：应该显式删除未使用/不支持的特殊函数，还是将它们声明为私有成员？

首先要回答的问题是，为什么要选择这两种方式中的任何一种呢？你可能不希望某个类被复制或移动，所以希望让调用者无法访问相关的特殊函数。一种选择是将它们声明为私有（private）或受保护（protected）成员，另一种选择是显式删除它们。

class  NonCopyable  {
public:
    NonCopyable() {/* . . .*/}

    //  . . .
private:
    NonCopyable(const  NonCopyable&); 
    NonCopyable& operator=(const  NonCopyable&); 
};
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在C++11之前，除了将不需要的特殊函数声明为私有成员且不实现它们之外，没有其他选择。这样可以禁止对象复制（当时还没有移动语义）。不实现这些函数有助于防止在成员函数、友元函数中意外使用，或者在你忽略访问说明符时的误用。在链接时你会遇到问题。

自C++11起，你可以通过将特殊函数声明为= delete;来简单地标记它们为已删除：

class  NonCopyable  {
public:
    NonCopyable() {/* . . .*/}

    NonCopyable(const  NonCopyable&) = delete ;
    NonCopyable& operator=(const  NonCopyable&) = delete ;

    //  . . .
private:
    //  . . .
};
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C++11的方式更好，原因如下：

  • 它比将函数放在私有部分更明确，因为将函数放在私有部分可能只是个错误。
  • 如果你尝试进行复制，在编译时就会报错。

已删除的函数应该声明为公有成员，而不是私有成员。这不是编译器的强制要求，但有些编译器可能只会抱怨你调用了私有函数，而不会指出该函数已被删除。

# 问题49：如何在C++中使用= delete说明符？

这个问题也可以表述为：如何禁止函数调用时的隐式类型转换？

假设有一个接收整数的函数。这里指的是整数，比如该函数的参数表示一辆汽车能坐多少人。可能是2人，有些车比较特殊，是三座的，一些豪华车能坐4人，大多数车能坐5人。不会是4.9人，也不是5.1人，甚至不是5个半人，就是5人。我们不涉及人体部分（这种不合理的数值）。

那么如何确保函数只接收整数作为参数呢？

显然，你会使用一个整型参数。它可以是int，甚至unsigned，或者仅仅是short，有很多选择。你可能还会在文档中注明numberOfSeats参数应该是一个整数。

很好！

那么，如果客户端调用时仍然传入一个浮点数会怎样呢？

#include  <iostream> 

void  foo(int  numberOfSeats) {
    std::cout << "Number of seats: " << numberOfSeats << '\n';
    //  . . .
}

int  main() {
    foo(5.6f);
}
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Number of seats:  5
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浮点型参数被接受并转换为整数。甚至不能说它是四舍五入，它是被隐式转换为整数的。

你可能会说，在某些情况下这没问题。但在其他情况下，这种行为是完全不可接受的。

在这种情况下，如何避免这个问题呢？显然，你可以在调用方进行处理，但：

  • 如果foo函数经常被使用，每次都进行检查会很繁琐；
  • 如果foo是外部使用的应用程序编程接口（API）的一部分，你无法控制调用方。

从C++11开始，我们可以使用delete说明符来限制某些类型的拷贝、移动，实际上甚至可以限制其多态使用。

但是= delete的用途不止于此。它可以应用于任何函数，无论是成员函数还是自由函数。

如果你不想允许从浮点数进行隐式转换，可以简单地删除接受float类型参数的foo重载版本：

#include  <iostream> 

void  foo(int  numberOfSeats) {
    std::cout << "Number of seats: " << numberOfSeats << '\n';
    //  . . .
}

void  foo(double) = delete ;

int  main() {
    foo(5.6f);
}
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main.cpp:  In  function  'int main()':
main.cpp:11:6:  error: use of  deleted  function  'void  foo(d\
ouble)'
     11  |      foo(5.6f);
        |      ~~~^~~~~~
main.cpp:8:6: note:  declared here
      8  |  void  foo(double)  =  delete;
        |            ^~~
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就是这样。通过删除函数的某些重载版本，你可以禁止从某些类型隐式转换为你期望的类型。现在，你完全可以控制用户可以向你的API传递什么样的参数了。

# 问题50：C++中的平凡类（trivial class）是什么？

在C++中，如果一个类或结构体（struct）只有编译器提供的或显式默认的特殊成员函数，那么它就是一个平凡类型。它占据连续的内存区域。它可以有不同访问说明符的成员。在C++中，在这种情况下编译器可以自由选择成员的排列顺序。因此，你可以使用memcpy函数处理这样的对象，但不能在C程序中可靠地使用它们。一个平凡类型T可以被复制到char或unsigned char数组中，然后再安全地复制回T类型的变量。请注意，由于对齐要求，类型成员之间可能存在填充字节。

平凡类型有平凡的默认构造函数、平凡的拷贝和移动构造函数、平凡的拷贝和移动赋值运算符，以及平凡的析构函数。在每种情况下，“平凡”意味着构造函数/运算符/析构函数不是用户提供的，并且属于一个满足以下条件的类：

  • 没有虚函数（virtual functions）或虚基类（virtual base classes）；
  • 没有具有相应非平凡构造函数/运算符/析构函数的基类；
  • 没有具有相应非平凡构造函数/运算符/析构函数的类类型数据成员。

一个类是否为平凡类，可以通过std::is_trivial特性类（trait class）来验证。它会检查该类是否是平凡可拷贝的（std::is_trivially_copyable）以及是否是平凡可默认构造的（std::is_trivially_default_constructible）。

一些示例：

#include  <iostream>
#include  <type_traits>

class A  {
public:
    int  m;
};

class  B  {
public:
    B() {}
};

class  C  {
public:
    C() = default ;
};

class  D  : C {}; 

class  E  { virtual  void  foo() {} }; 

int  main() {
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << std::is_trivial<A>::value << '\n';
    std::cout << std::is_trivial<B>::value << '\n';
    std::cout << std::is_trivial<C>::value << '\n';
    std::cout << std::is_trivial<D>::value << '\n';
    std::cout << std::is_trivial<E>::value << '\n';
}
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程序输出结果：

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第五章 C++中如何使用 const 限定符
第七章 智能指针

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