Effective C++读书笔记~5 实现
条款26：尽可能延后变量定义式的出现时间
Postpone variable definitions as long as possible.
为什么要延后变量定义？
因为定义一个变量会有构造成本和析构成本，而该变量可能从始至终并未使用过。因此，如果能尽量避免，就能减少这些成本。
如何延后变量定义？
1）不要过早定义变量，即将使用的时候定义
// 过早定义变量encrypted
string encrypPassword(const string& password)
{
using namespace std;
string encrypted; // 提前定义变量 encrypted, 保存加密后的密码
if (password.length() < MinimumPasswordLength) { // 如果抛出异常, 就不会使用变量encrypted
throw logic_error("Password is too short");
}
...
return encrypted;
}
==> 改进
// 延后定义变量encrypted
string encrypPassword(const string& password)
{
using namespace std;
if (password.length() < MinimumPasswordLength) { // 可能抛出异常
throw logic_error("Password is too short");
}
string encrypted; // 延后定义变量 encrypted, 保存加密后的密码
...
return encrypted;
}
2）定义对象时，提供构造参数
如果不提供构造参数，意味着调用default构造函数。条款4解释了“通过default构造函数构造对象，然后赋值”的效率比“直接在构造时指定初值”更低。
void encrpyt(string& s) // 对s加密
{
...
}
// default构造对象
string encryptPassword(const string& password)
{
...
string encrypted; // 已延后定义encrypted. default构造函数 构造encrypted
encrypted = password; // 赋值给encrypted
encrpyt(encrypted);
return encrypted;
}
==> 改进
// 带参数构造对象
string encryptPassword(const string& password)
{
...
string encrypted(password); // 已延后定义encrypted. 参数构造encrypted (copy 构造)
encrpyt(encrypted);
return encrypted;
}
3）循环体内 or 外定义变量？
对于循环，变量是定义在循环体外（方法A），还是循环体内（方法B）？
先看下面的例子，
// 方法A：定义于循环外
Widget w;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
w = 取决于i的某个值;
...
}
// 方法B：定义于循环体内
for (int i = 0; i < n; ++i) {
Widget w(取决于i的某个值);
...
}
Widget函数内部定义变量的开销：
方法A：1个构造函数 + 1个析构函数 + n个赋值操作；
方法B：n个构造函数 + n个析构函数；
当class的赋值成本明显低于构造 + 析构成本时，特别n较大时，A方法较好；
否则，B方法较好，因为B的程序更容易理解。
也就是说，当1）明确知道赋值成本比“构造+析构”成本低，2）正在处理代码的效率高度敏感时，选择方法A；否则选择方法B。
小结
1）尽可能延后变了定义式的出现，因为可以增加程序的清晰度并改善程序效率。
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条款27：尽量少做转型动作
Minimize casting.
为什么要减少转型动作？
转型（casts）破坏了类型系统（type system），可能导致任何种类的麻烦，难以辨识。
转型语法
旧式转型：
1）C风格转型
(T)expression // 将expression转型为T
2）函数风格转型
T(expression) // 将expression转型为T
C++新式转型（称为new-style或C++-style casts）：
4种
const_cast<T>(expression)
dynamic_cast<T>(expression)
reinterpret_cast<T>(expression)
static_cast<T>(expression)
各个转型目的：
1）const_cast 通常被用来将对象的常量性移除（cast away the constness）。唯一有此能力的C++-style转型操作符。
non-const member函数调用const member时，const_cast可用于去掉常量性。
2）dynamic_cast 主要用来执行“安全向下转型”（safe downcasting），也就是用来决定某对象是否归属继承体系中的某个类型。唯一无法由旧式语法执行的动作，也是唯一可能耗费重大运行成本的转型动作。
一般情况下，不允许基类指针转型为派生类指针或引用，因为编译器并不知道运行时指针所指向的实际对象，是否为派生类对象。而dynamic_cast允许基类指针在运行时安全地转型为派生类指针。
3）reinterpret_cast 意图执行低级转型，实际动作（及结果）可能取决于编译器，意味着它不可移植。
慎用。
int *ip;
char *pc = reinterpret_cast<char *>(ip); // pointer from int* to char*
string str(pc); // 可能导致程序异常
4）static_cast 用来强迫隐式转换，例如将non-const对象转为const对象（条款3），或将int转为double等。可以完成1）~3）的多种反向转换。但无法将const转为non-const（去掉常量性） -- 因为这是只有const_cast才办得到。
旧式转型与新式转型的选择
旧式转型仍然合法，但新式转型更受欢迎。原因在于：
1）容易在代码中被辨识（人眼或工具如grep）；
2）各转型动作目标越窄化，编译器越可能诊断出错误的应用；
除了explicit构造函数转型，其他情况推荐使用新式转型。
去掉转型动作
有时，容易写出某些似是而非的代码，在其他语言可能正确，但在C++则不正确。
1）去掉static_cast案例
class Windows { // base class
public:
virtual void onResize() {...} // base onResize实现
...
};
class SpecialWindow: public Window { // derived class
public:
virtual void onResize() { // derived onResize实现
static_cast<Window>(*this).onResize(); // 错误: 将*this转型为Window(副本), 然后调用其onResize
... // SpecialWindow专属行为, 作用于*this对象
}
};
乍一看，并没有什么问题。然而，仔细分析derived class的onResize中转型行为，存在很大问题。"static_cast
解决办法：去掉转型动作，代之以你真正想说的话。
不要哄骗编译器将*this视为一个base class对象，只是想调用base class版本的onResize函数，令其作用于当前对象身上。可以这么写：
class SpecialWindow: public Window {
public:
virtual void onResize() {
Window::onResize(); // 调用Window::onResize作用于*this身上
...
}
};
2）去掉dynamic_cast案例
dynamic_cast的需要实现版本执行速度相当慢，尽量减少使用次数。
为什么需要dynamic_cast？
通常是因为你想在一个你认定为derived class对象身上执行derived class操作函数，但你手上只有一个“指向base”的pointer或reference，你只能靠它们来处理对象。有2个一般性做法可以避免该问题：
（1）使用容器，并在其中存储直接指向derived class对象的指针（通常是智能指针，条款13），以便消除“通过base接口处理对象”的需要。
假设之前的Windows/SpecialWindow继承体系的例子中，只有SpecialWindow才支持闪烁效果。
// 使用dynamic_cast效率低下做法
class Window { ... };
class SpecialWindow: public Window {
public:
void blink();
};
typedef vector<shared_ptr<Window>> VPW; // vector存放Window对象的智能指针
VPW winPtrs;
... // 往vector装数据等操作
for (VPW::iterator iter = winPtrs.begin(); iter != winPtr.end(); ++iter) {
if (SpecialWindow *psw = dynamic_cast<SpecialWindow*>(iter->get()) // 使用了dynamic_cast
psw->blink();
}
==> 应该改成
// 去掉了dynamic_cast转型, 更高效
typedef vector<shared_ptr<SpecialWindow>> VPW; // vector存放SpecialWindow对象的智能指针
VPSW winPtrs;
... // 往vector装数据等操作
for(VPSW::iterator iter = winPtrs.begin(); iter != winPtrs.end(); ++iter) // 不使用了dynamic_cast
(*iter)->blink();
这种改动方式使用简单，而且安全，但有一个缺点：无法在同一容器内 存储指针以指向所有可能的各种Window派生类。如果要处理多种窗口类型（Window派生类），可能需要多个容器，并且它们都必须具备类型安全性（type-safe）。
（2）在base class内提供virtual函数，做想对各个Window派生类做的事情。因为指针指向的对象会在运行时调用virtual函数，以实现各自想做的事情。
// 为base class添加virtual函数
class Window {
public:
virtual void blink() { } // 缺省代码“什么都没做”，可能是个糟糕的主意, 见条款34. 这里是为了演示
...
};
class SpecialWindow: public Window {
public:
virtual void blink() { ... } // 在该class内, blink做符合当前class应该做的事情
};
typedef vector<shared_ptr<Window>> VPW; // vector元素还是使用指向base class Window对象的智能指针
VPW winPtrs;
...// 往vector装数据等操作
for (VPW::iterator iter = winPtrs.begin(); iter != winPtrs.end(); ++iter)
(*iter)->blink(); // 这里没有dynamic_cast, 运行时会自动调用derived class对应virtual函数
小结
1）如果可以，尽量避免转型，特别是注重效率的代码中，应极力避免dynamic_casts。如果有个设计需要转型动作，尝试发展无需转型的替代设计。
2）如果转型是必要的，试着将它隐藏在某个函数背后。客户调用该函数即可，而不需要将转型放进他们自己代码中。（隔离转型动作）
3）宁可使用C++-style（新式）转型，不要使用旧式转型。
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条款28：避免返回handles指向对象内部成分
Avoid returning "handles" to object internals.
为什么要避免返回handles指向对象内部成分？
先来看一个例子。假设程序涉及矩形，每个矩形（Rectangle）由左上角、右下角表示。为了让Rectangle对象尽可能小，可能会决定不把定义这些矩形的点存放在Rectangle对象内，而是放在一个辅助的struct内，让再Rectangle去指它：
class Point {
public:
Point(int x, int y);
...
void setX(int newValue);
void setY(int newValue);
...
};
struct RectData { // 点数据用来表现一个矩形
Point ulhc; // upper left-hand corner 左上角
Point urhc; // lower right-hand corner 右下角
};
class Rectangle {
...
private:
shared_ptr<RectData> pData; // 智能指针指向RectData对象
};
返回reference指向对象内部成分的缺陷
Rectangle的客户需要计算Rectangle的（四个顶点）范围，所以该class提供upperLeft函数、lowerRight函数。Point是用户自定义类型，
// 可以通过编译, 但设计是错误的
class Rectangle {
public:
...
Point& upperLeft() const { return pData->ulhc; } // 左上顶点, by reference方式返回用户自定义类型(根据条款20)
Point& lowerRight() const { return pData->urhc; } // 右下顶点, by reference方式返回用户自定义类型(根据条款20)
...
};
上面的设计可以通过编译，但却是错误的。因为它是自我矛盾的。一方面，upperLeft, lowerRight声明为const函数，表明提供Rectangle坐标点信息，而不是让客户修改Rectangle （条款3）；另一方面，2个函数都返回reference指向了private内部数据，调用者可以通过这些reference修改内部private数据。
Point coord1(0, 0);
Point coord2(100, 100);
const Rectangle rec(coord1, coord2); // rec是const 矩形, 左上角(0,0) 右下角(100,100)
rec.upperLeft().setX(50); // rec现在变成了左上角(50,0)右下角(100,100)
// 也就是说, rec的private数据发生了改变, const 矩形不再是不可变的(const).
2个教训：
1）成员变量的封装性最多只等于“返回其reference”的函数的访问级别，而不再是简单的声明变量时的访问级别。
比如，pData虽然是class Rectangle的private成员变量，但是class也提供了public member返回了其引用（upperLeft, lowerRight），这样，pData的封装性不再是private，而是public。
2）如果const成员函数传出一个reference，后者所指数据与对象自身有关联，而它又被存储于对象之外，那么这个函数的调用者可以修改那笔数据（reference所指数据）。
比如，const成员函数upperLeft和lowerRight各传出一个reference，而 reference所指数据是左上、右下顶点，与Rectangle对象自身有关联，而且存储在Rectangle对象外的 Point对象，那么upperLeft和lowerRight的调用者可以修改reference所指的数据（Point对象）了。
返回handles与返回references
reference、指针、迭代器统统都是所谓handles（句柄，用来取得某个对象），而返回一个“代表对象内部数据”的handle，这样就会面临“降低对象封装性”的风险，同时可能导致“const成员函数却造成对象状态被修改”。
通常，对象的“内部”是指它的成员变量，不过，不被公开使用的成员函数（private或protected），也是对象“内部”的一部分。因此，也要留心不要返回它们的handles。如果确实这么做了，它的实际访问级别就会提高，因为客户可以通过指针直接调用。
如何解决返回reference，被客户修改的问题？
可以对返回类型加上const，这样客户可以读取矩形的Points，但不能修改。也就意味着，客户不能改变对象状态。
class Rectangle {
public:
...
const Point& upperLeft() const { return pData->ulhc; } // 返回const对象, 客户无法修改
const Point& lowerRIght() const { return pData->urhc; } // 返回const对象, 客户无法修改
...
};
上述方案也不是完美的，存在空悬指针的问题。因为pData所指的对象可能会不存在，如果还使用该指针，就会产生“野指针”问题（内存已释放）。
例如，boundingBox函数返回GUI对象的外框（bouding box），
// 外框采用矩形形式
// GUI对象
class GUIObject { ... };
// 以by value方式返回一个矩形
const Rectangle boundingBox(const GUIObject& obj); // 条款3谈过为什么返回类型是const
// 客户可能这样使用boundingBox函数
GUIObject* pgo;
... // 设置pgo指向的GUI对象
// 取得一个指针指向外框的左上角顶点
const Point* pUpperLeft = &(boundingBox(*pgo).upperLeft()); // 错误: boundingBox(*pgo)返回的是一个临时对象, 语句结束后释放对象, pUpperLeft成为空悬指针
boundingBox(*pgo)返回的将是一个Rectangle临时对象，而在这行语句结束后，就会释放该临时对象。而pUpperLeft却指向了其内部pData所指向的ulhc对象（Point），该对象是会随临时对象的析构而释放的，因此pUpperLeft将成为空悬指针。
虽然member函数封handle可能产生风险，但有时必须这么做，比如operator[]，返回的就是对象的reference，指向内部数据。
小结
1）避免返回handle（包括reference、指针、迭代器）指向对象内部。遵守该条款可以增加封装性，帮助const member函数的行为像const，并将“空悬指针”的可能性降到最低。
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条款30：透彻了解inlining的里里外外
Understand the ins and outs of inlining.
inline函数
理念：将函数的每个调用，都以函数本体替换之。
inline只是对编译器的一个申请，不是强制命令。申请分为两种方式：隐喻提出，明确提出。
- 隐喻提出：将函数定义于class声明中。
- 明确提出：在函数定义式前，加上关键字inline。
大部分编译器拒绝将太过复杂（如带有循环或递归）的函数inlining（内联），而所有堆virtual函数的调用也都会使inlining落空，因为virtual意味着“等待，直到运行期才确定调用哪个函数”，而inline意味着“执行前，先将调用动作替换为被调用函数的本体”。
编译器通常不对“通过函数指针进行的调用 ”实施inlining。
程序库设计者必须评估“将函数声明为inline”的冲击：inline函数无法随着程序库升级而升级。也就是说，如果f是程序库内的inline函数，客户将函数f编进程序中，一旦程序库设计者决定改变f，所有用到f的客户端程序都必须重新编译。而如果f是non-inline函数，只需要重新链接就好；如果是动态链接，升级后的函数可以直接被使用。
另外一个现实问题，大多数调速器对inline函数束手无策，因为无法为一个并不存在的函数设立断点。
建议：一开始不要将任何函数声明为inline，或者实行有限范围内的函数称为inline。待到有优化需求时，再改成inline。
小结
1）将大多数inlining限制在小型、被频繁调用的函数身上。可使日后的调试过程和二进制升级（binary upgradability）更容易，也可使潜在的代码膨胀问题最小化，使程序的速度提升计划最大化；
2）不要只因为function templates出现在头文件，就将它们声明为inline；
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条款31：将文件间的编译依存关系降到最低
Minimize compilation dependencies between files.
问题引出
考虑C++ class：
// Person定义
/* 头文件 */
#include <string>
#include "date.h"
#include "address.h"
class Person {
public:
Person(const std::string& name, const Date& birthday, const Address& addr);
std::string name() const;
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
...
private:
std::string theName;
Date theBirthDate;
Address theAddress;
};
Person定义文件include了其他文件之间形成了一种编译依存关系（compliation dependency）。如果这些头文件中有一个被改变，或者这些头文件所依赖的其他头文件有改变，那么每个include Person class的文件就得重新编译，任何使用Person class的文件也必须重新编译。这样一连串的编译依存关系会对许多项目造成难以形容的灾难。
那么，我们如何解决这个问题呢？
方法一：Handle class
可以把Person分割为2个class：一个只提供接口（Person），另一个负责实现该接口（PersonImpl）。
持有实现接口（PersonImpl对象）指针的类Person，称为Handle class。
// 接口那部分
#include <string>
#include <memory>
/* 前置声明, 前提是不需要知道其定义 */
// 声明式 （Person定义需要用到）
class PersonImpl; // Person实现类前置声明
class Date; // Person接口用到的class的前置声明
class Address;
// Person定义（式）
class Person { // Handle class
public:
Person(const std::string& name, const Date& birthday, const Address& addr);
std::string name() const; // string并不是class, 而是basic_string<char>的typedef
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
// ...
private:
// pimpl idiom (pointer to implementation)
std::tr1::shared_ptr<PersonImpl> pImpl; // 智能指针, 指向实现类(PersonImpl)(shared_ptr见条款13)
};
分离的关键在于以“声明的依存性”替换“定义的依存性”，也就是分离 声明所需要的东西 跟 定义所需要的东西。这也是编译依存性最小化本质。现实中，让头文件尽可能自我满足，万一做不到，则让它与其他文件内的声明式（class XXX;）而非定义式（class XXX{ };）相依。其他每件事源于这个简单的设计策略：
-
如果使用object references或object pointers可以完成任务，就不要使用objects
因为如果定义某个类型的object，就要用到该类型的定义式。而reference和pointer只需要该类型的声明式即可。 -
如果能够，尽量以class声明式替换class定义式
也就是说，如果只是声明，可以不需要class定义式，用class声明式即可。而定义里面，能用class声明式则尽量用。 -
为声明式和定义式提供不同的头文件
如，声明式放到Person.h，实现式放到PersonImpl.h。
方法二：Interface class
令Person称为一种特殊的abstract base class（抽象基类），称为Interface class。类似于Java里面的interface，专门提供derived class的接口，因此不带成员变量，也没有构造函数，只有一个virtual析构函数 + 一组pure virtual函数（纯虚函数），用来描述整个接口。不过，C++并不禁止interface内实现成员变量或成员函数。
// interface class
// 没有构造函数
class Person {
public:
virtual ~Person(); // virtual析构函数
virtual std::string name() const = 0; // pure virtual函数
virtual std::string birthDate() const = 0;
virtual std::string address() const = 0;
// ...
// factory函数, 创建新对象. 其实现不一定得在具象类中, 也可以在客户端
static std::tr1::shared_ptr<Person> create(const std::string& name, const Date& birthday, const Address& addr);
};
思考：为什么要有factory函数？
答：因为Interface class的客户必须有办法为这种class创建新对象，他们通常调用一个特殊函数，此函数扮演那个derived class的构造函数的角色。客户持有的，通常是Interface class Person类指针，而非derived class，否则程序的设计不具有复用性。
注意：factory函数不一定非得是在具象类RealPerson中实现，可以在专门的工厂中，或者客户端。关键在于，提供方法构建具象类，而绑定的指针却是接口类。
如果有了factory函数（create），客户可以这样使用：
string name;
Date dateOfBirth;
Address address;
...
// 创建一个对象, 支持Person接口
shared_ptr<Person> pp(Person::create(name, dateOfBirth, address));
...
cout << pp->name()
<< " was born on "
<< " and now lives at "
<< pp->address();
...
客户真正使用的，是实现Interface class接口的那个具象类（concrete class），因此该类必须被定义出来，而且构造函数必须被调用。
注意：interface class并没有构造函数。
具象类实现：
// 实现interface class的具象类
class RealPerson: public Person {
public:
RealPerson(const std::string&name, const Date& birthday, const Address& addr)
: theName(name), theBirthDate(birthday), theAddress(addr)
{ }
virtual ~RealPerson();
std::string name() const;
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
private:
std::string theName;
Date theBirthDate;
Address theAddress;
};
// 一个具体的factory函数实现
shared_ptr<Person> Person::create(const string&name, const Date& birthday, const Address& addr)
{
return shared_ptr<Person>(new RealPerson(name, birthday, addr));
}
Handle class与interface class
在handle class的方案中，handle class和实现类是依赖关系（use-a）：handle class依赖于实现类，持有指向实现类指针；
在interface class的方案中，interface class和实现类是实现关系：实现类实现了interface class的接口。
什么时候考虑使用handle class和interface class？
当想要实现代码变化时，对客户带来最小冲击，就应当考虑使用handle class和interface class解耦声明与实现，以使编译依存性最小。
小结
1）支持“编译依存性最小化”的一般构想：相依于声明，不要相依于定义式。基于此构想的2个手段是Handle class和interface class。
2）程序库头文件应该以“完全且仅有声明式”（full and declaration-only forms）的形式存在。这种做法不论设计template都适用。
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