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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「碼磚雜役」，作者人民副首席碼仔 。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系碼磚雜役公眾號。  

# 一、導語

C++是一門被廣泛使用的系統(tǒng)級編程語言，更是高性能后端標準開發(fā)語言;C++雖功能強大，靈活巧妙，但卻屬于易學難精的專家型語言，不僅新手難以駕馭，就是老司機也容易掉進各種陷阱。本文結(jié)合號主的工作經(jīng)驗和學習心得，對C++語言的一些高級特性，做了簡單介紹;對一些常見的誤解，做了解釋澄清;對比較容易犯錯的地方，做了歸納總結(jié);希望借此能增進大家對C++語言了解，減少編程出錯，提升工作效率。

# 二、陷阱

## 1.我的程序里用了全局變量，為何進程退出會莫名其妙的core掉?

Rule：C++在不同模塊(源文件)里定義的全局變量，不保證構(gòu)造順序;但保證在同一模塊(源文件)里定義的全局變量，按定義的先后順序構(gòu)造，按定義的相反次序析構(gòu)。

我們程序在a.cpp里定義了依次全局變量X和Y;

按照規(guī)則：X先構(gòu)造，Y后構(gòu)造;進程停止執(zhí)行的時候，Y先析構(gòu)，X后析構(gòu);但如果X的析構(gòu)依賴于Y，那么core的事情就有可能發(fā)生。

**結(jié)論**：如果全局變量有依賴關系，那么就把它們放在同一個源文件定義，且按正確的順序定義，確保依賴關系正確，而不是定義在不同源文件;對于系統(tǒng)中的單件，單件依賴也要注意這個問題。

## 2.坑中坑：std::sort()

相信工作5年以上至少50%的C/C++程序員都被它坑過，我已經(jīng)聽到過了無數(shù)個悲傷的故事，《圣斗士星矢》，《仙劍》，還有別人家的項目《天天愛消除》，都有人掉坑，程序運行幾天莫名奇妙的Crash掉，一臉懵逼。

sort算法對比較函數(shù)有很強的約束，不能亂來，如果要用，要自己提供比較函數(shù)或者函數(shù)對象，一定搞清楚什么叫“嚴格弱排序”，一定要滿足以下3個特性：

1. 非自反性

2. 非對稱性

3. 傳遞性

盡量對索引或者指針sort，而不是針對對象本身，因為如果對象比較大，交換(復制)對象比交換指針或索引更耗費。

## 3.注意操作符短路

考慮游戲玩家回血回藍(魔法)刷新給客戶端的邏輯。玩家每3秒回一點血，玩家每5秒回一點藍，回藍回血共用一個協(xié)議通知客戶端，也就是說只要有回血或者回藍就要把新的血量和魔法值通知客戶端。

玩家的心跳函數(shù)heartbeat()在主邏輯線程被循環(huán)調(diào)用

```c++ 
void  GamePlayer::Heartbeat() 
{ 
    if (GenHP() || GenMP()) 
    { 
        NotifyClientHPMP(); 
    } 
} 
``` 

如果GenHP回血了，就返回true，否則false;不一定每次調(diào)用GenHP都會回血，取決于是否達到3秒間隔。

如果GenMP回藍了，就返回true，否則false;不一定每次調(diào)用GenMP都會回血，取決于是否達到5秒間隔。

實際運行發(fā)現(xiàn)回血回藍邏輯不對，Word麻，原來是操作符短路了，如果GenHP()返回true了，那GenMP()就不會被調(diào)用，就有可能失去回藍的機會。你需要修改程序如下：

```c++ 
void GamePlayer::Heartbeat() 
{ 
    bool hp = GenHP(); 
    bool mp = GenMP(); 
 
    if (hp || mp) 
    {   
        NotifyClientHPMP(); 
    }   
} 
``` 

邏輯與(&&)跟邏輯或(||)有同樣的問題， if (a && b) 如果a的表達式求值為false，b表達式也不會被計算。

有時候，我們會寫出 if (ptr != nullptr && ptr->Do())這樣的代碼，這正是利用了操作符短路的語法特征。

## 4.別讓循環(huán)停不下來

```c++ 
for (unsigned int i = 5; i >=0; --i) 
{ 
    //... 
} 
``` 

程序跑到這，WTF?根本停不下來啊?問題很簡單，unsigned永遠>=0，是不是心中一萬只馬奔騰?

解決這個問題很簡單，但是有時候這一類的錯誤卻沒這么明顯，你需要罩子放亮點。

## 5.當心越界

memcpy，memset有很強的限制，僅能用于POD結(jié)構(gòu)，不能作用于stl容器或者帶有虛函數(shù)的類。

帶虛函數(shù)的類對象會有一個虛函數(shù)表的指針，memcpy將破壞該指針指向。

對非POD執(zhí)行memset/memcpy，免費送你四個字：**自求多福**

## 6.內(nèi)存重疊

內(nèi)存拷貝的時候，如果src和dst有重疊，需要用memmov替代memcpy。

## 7.理解user stack空間很有限

不能在棧上定義過大的臨時對象。一般而言，用戶棧只有幾兆(典型大小是4M，8M)，所以棧上創(chuàng)建的對象不能太大。

## 8.用sprintf格式化字符串的時候，類型和符號要嚴格匹配

因為sprintf的函數(shù)實現(xiàn)里是按格式化串從棧上取參數(shù)，任何不一致，都有可能引起不可預知的錯誤;/usr/include/inttypes.h里定義了跨平臺的格式化符號，比如PRId64用于格式化int64_t

## 9.用c標準庫的安全版本(帶n標識)替換非安全版本

比如用strncpy替代strcpy，用snprintf替代sprintf，用strncat代替strcat，用strncmp代替strcmp，memcpy(dst, src, n)要確保[dst，dst+n]和[src, src+n]都有有效的虛擬內(nèi)存地址空間。多線程環(huán)境下，要用系統(tǒng)調(diào)用或者庫函數(shù)的安全版本代替非安全版本(_r版本)，謹記strtok，gmtime等標準c函數(shù)都不是線程安全的。

## STL容器的遍歷刪除要小心迭代器失效

vector,list,map,set等各有不同的寫法：

vector,list,map,set等各有不同的寫法： 
```c++ 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    //vector遍歷刪除 
    std::vector<int> v(8); 
    std::generate(v.begin(), v.end(), std::rand); 
    std::cout << "after vector generate...\n"; 
    std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\n")); 
    for (auto x = v.begin(); x != v.end(); ) 
    { 
        if (*x % 2) 
            x = v.erase(x); 
        else 
            ++x; 
    } 
 
    std::cout << "after vector erase...\n"; 
    std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\n")); 
 
    //map遍歷刪除 
    std::map<int, int> m = {{1,2}, {8,4}, {5,6}, {6,7}}; 
    for (auto x = m.begin(); x != m.end(); ) 
    { 
        if (x->first % 2) 
            m.erase(x++); 
        else 
            ++x; 
    } 
    return 0; 
} 
``` 

有時候遍歷刪除的邏輯不是這么明顯，可能循環(huán)里調(diào)了另一個函數(shù)，而該函數(shù)在某種特定的情況下才會刪除當前元素，這樣的話，就是很長一段時間，程序都運行得好好的，而當你正跟別人談笑風生的時候，忽然crash，這就尷尬了。

圣斗士星矢項目曾經(jīng)遭遇過這個問題，基本規(guī)律是一個禮拜game server crash一次，折磨團隊將近一個月。

比較low的處理方式可以把待刪元素放到另一個容器WaitEraseContainer里保存下來，再走一趟單獨的循環(huán)，刪除待刪元素。

當然，我們推薦在遍歷的同時刪除，因為這樣效率更高，也顯得行家里手。

# 三、性能

## 空間置換時間

通過空間換取時間是提高性能的慣用法，bitmap，int map[]這些慣用法要了然于胸。

## 減少拷貝 & COW

了解Copy On Write。

只要可能就應該減少拷貝，比如通過共享，比如通過引用指針的形式傳遞參數(shù)和返回值。

## 延遲計算和預計算

比如游戲服務器端玩家的戰(zhàn)力，由屬性a,b決定，也就是說屬性a，b任何一個變化，都需要重算戰(zhàn)力;但如果ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()之后，都重算戰(zhàn)力卻并非真正必要，因為修改屬性A之后有可能馬上修改B，兩次重算戰(zhàn)力，顯然第一次重算的結(jié)果會很快被第二次的重算覆蓋。

而且很多情況下，我們可能需要在心跳里，把最新的戰(zhàn)力值推送給客戶端，這樣的話，ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()里，我們其實只需要把戰(zhàn)力置臟，延遲計算，這樣就能避免不必要的計算。

在GetFightValue()里判斷FightValueDirtyFlag，如果臟，則重算，清臟標記;如果不臟，直接返回之前計算的結(jié)果。

預計算的思想類似。

## 分散計算

分散計算是把任務分散，打碎，避免一次大計算量，卡住程序。

## 哈希

減少字符串比較，構(gòu)建hash，可能會多費一點存儲空間，但收益可觀，值得一試。

## 日志節(jié)制

日志的開銷不容忽視，要分級，不要過于奔放，可以把日志作為debug手段，但要release干凈。

## 編譯器為什么不給局部變量和成員變量做默認初始化

因為效率，C++被設計為系統(tǒng)級的編程語言，效率是優(yōu)先考慮的方向，c++秉持的一個設計哲學是“不為不必要的操作付出任何額外的代價”。所以它有別于java，不給成員變量和局部變量做默認初始化，如果需要賦初值，那就由程序員自己去保證。

**結(jié)論**：從安全的角度出發(fā)，不應使用未初始化的變量，定義變量的時候賦初值是一個好的習慣，很多錯誤皆因未正確初始化而起，C++11支持成員變量定義的時候直接初始化，成員變量盡量在成員初始化列表里初始化，且要按定義的順序初始化。

## 理解函數(shù)調(diào)用的性能開銷，性能敏感函數(shù)考慮inline

棧幀建立和銷毀，參數(shù)傳遞，控制轉(zhuǎn)移這些對性能有損。

X86_64體系結(jié)構(gòu)因為通用寄存器數(shù)目增加到16個，所以64位系統(tǒng)下參數(shù)數(shù)目不多的函數(shù)調(diào)用，將會由寄存器傳遞代替壓棧方式傳遞參數(shù)，但棧幀建立、撤銷和控制轉(zhuǎn)移依然會對性能有所影響。

## 遞歸的優(yōu)點、缺點

優(yōu)點：方便編寫，容易理解。

缺點：運行速度變慢，所以需要預估好遞歸深度。

建議：優(yōu)先考慮非遞歸實現(xiàn)版本。遞歸函數(shù)要有退出條件且不能遞歸過深，不然有爆棧危險。

# 四、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和容器

## 了解std::vector的方方面面和底層實現(xiàn)

1. vector是動態(tài)擴容的，2的次方往上翻，為了確保數(shù)據(jù)保存在連續(xù)空間，每次擴充，會將原member悉數(shù)拷貝到新的內(nèi)存塊;不要保存vector內(nèi)對象的指針，擴容會導致其失效 ;可以通過保存其下標index替代。

2. 運行過程中需要動態(tài)增刪的vector，不宜存放大的對象本身 ，因為擴容會導致所有成員拷貝構(gòu)造，消耗較大，可以通過保存對象指針替代。

3. resize()是重置大小;reserve()是預留空間，并未改變size()，可避免多次擴容;clear()并不會導致空間收縮 ，如果需要釋放空間，可以跟空的vector交換，std::vector .swap(v)，c++11里shrink_to_fit()也能收縮內(nèi)存。

4. 理解at()和operator[]的區(qū)別 ：at()會做下標越界檢查，operator[]提供數(shù)組索引級的訪問，在release版本下不會檢查下標，VC會在Debug版本會檢查;c++標準規(guī)定:operator[]不提供下標安全性檢查。

5. C++標準規(guī)定了std::vector的底層用數(shù)組實現(xiàn)，認清這一點并利用這一點。

## 常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

**數(shù)組**：內(nèi)存連續(xù)，隨機訪問，性能高，局部性好，不支持動態(tài)伸縮，最常用，通常也是最正確的選擇。

**鏈表**：動態(tài)伸縮，插入/脫離極快(特別是帶前后驅(qū)指針)，節(jié)點內(nèi)存通常不連續(xù)(當然可以通過從固定內(nèi)存池分配規(guī)避)，不支持隨機訪問。只在需要快速增刪、動態(tài)伸縮的有限場景下才被使用，比如游戲里面地圖劃分格子，每個格子維護一個玩家鏈表(格子進入玩家視野的時候需要遍歷該列表)，玩家會在格子之間頻繁移動。

**查找**：3種：bst，hashtable，基于有序數(shù)組的bsearch。二叉搜索樹(RBTree)，這個從begin到end有序，最壞查找速度logN，壞處內(nèi)存不連續(xù)，節(jié)點有額外空間浪費;hashtable，好的hash函數(shù)不好選，搜索最壞退化成鏈表，難以估計捅數(shù)量，開大了浪費內(nèi)存，開小了增加沖突幾率，擴容會卡一下，無序;基于有序數(shù)組的bsearch，局部性好，insert/delete慢。

# 五、最佳實踐

## 對于在啟動時加載好，運行中不變化的查詢結(jié)構(gòu)，可以考慮用sorted array替代map，hash表等

因為有序數(shù)組支持二分查找，效率跟map差不多。對于只需要在程序啟動的時候構(gòu)建(排序)一次的查詢結(jié)構(gòu)，有序數(shù)組相比map和hash可能有更好的內(nèi)存命中性(局部命中性)。

運行過程中，穩(wěn)定的查詢結(jié)構(gòu)(比如配置表，需要根據(jù)id查找配置表項，運行過程中不增刪)，有序數(shù)組是個不錯的選擇;如果不穩(wěn)定，則有序數(shù)組的插入刪除效率比map，hashtable差，所以選用有序數(shù)組需要注意適用場合。

## std::map or std::unorder_map?

想清楚他們的利弊，map是用紅黑樹做的，unorder_map底層是hash表做的，hash表相對于紅黑樹有更高的查找性能。hash表的效率取決于hash算法和沖突解決方法(一般是拉鏈法，hash桶)，以及數(shù)據(jù)分布，如果負載因子高，就會降低命中率，為了提高命中率，就需要擴容，重新hash，而重新hash是很慢的，相當于卡一下。

而紅黑樹有更好的平均復雜度，所以如果數(shù)據(jù)量不是特別大，map是勝任的。

## 積極的使用const

理解const不僅僅是一種語法層面的保護機制，也會影響程序的編譯和運行。

const常量會被編碼到機器指令。

## 理解四種轉(zhuǎn)型的含義和區(qū)別

避免用錯，盡量少用向下轉(zhuǎn)型(可以通過設計加以改進)

static_cast, dynamic_cast,const_cast,reinterpret_cast，傻傻分不清?

C++磚家說：一句話，盡量少用轉(zhuǎn)型，強制類型轉(zhuǎn)換是C Style，如果你的C++代碼需要類型強轉(zhuǎn)，你需要去考慮是否設計有問題。

## 理解字節(jié)對齊

字節(jié)對齊能讓存儲器訪問速度更快。

字節(jié)對齊跟cpu架構(gòu)相關，有些cpu訪問特定類型的數(shù)據(jù)必須在一定地址對齊的儲存器位置，否則會觸發(fā)異常。

字節(jié)對齊的另一個影響是調(diào)整結(jié)構(gòu)體成員變量的定義順序，有可能減少結(jié)構(gòu)體大小，這在某些情況下，能節(jié)省內(nèi)存。

## 牢記3 rules和5 rules，當然C++11又多了&&的copy ctor和op=版本

只在需要接管的時候才自定義operator=和copy constructor，如果編譯器提供的默認版本工作的很好，不要去自找麻煩，自定義的版本勿忘拷貝每一個成分，如果要接管就要處理好。

## 組合優(yōu)先于繼承，繼承是一種最強的類間關系

典型的適配器模式有類適配器和對象適配器，一般而言，建議用對象適配的方式，而非用基于繼承的類適配方式，比如STL中的queue/stack的實現(xiàn)就是基于對象適配。

## 減少依賴，注意隔離

+ 最大限度的減少文件間的依賴關系，用前向聲明拆解相互依賴。

+ 了解pimpl技術。

+ 頭文件要自給自足，不要圖省事all.h，不要包含不必要的頭文件，也不要把該包含的頭文件推給user去包含，一句話，頭文件包含要不多不少剛剛好。

## 嚴格配對(RAII)

打開的句柄要關閉，加鎖/解鎖，new/delete，new[]/delete[]，malloc/free要配對，可以使用RAII技術防止資源泄露，編寫符合規(guī)范的代碼

Valgrind對程序的內(nèi)存使用方式有期望，需要干凈的釋放，所以規(guī)范編程才能寫出valgrind干凈的代碼，不然再好的工具碰到不按規(guī)劃寫的代碼也是武功盡廢啊。

## 理解多繼承潛在的問題，慎用多繼承

多繼承會存在菱形繼承的問題，多個基類有相同成員變量會有問題，需要謹慎對待。

## 有多態(tài)用法抽象基類的析構(gòu)函數(shù)要加virtual關鍵字

主要是為了基類的析構(gòu)函數(shù)能得到正確的調(diào)用。

virtual dtor跟普通虛函數(shù)一樣，基類指針指向子類對象的時候，delete ptr，根據(jù)虛函數(shù)特征，如果析構(gòu)函數(shù)是普通函數(shù)，那么就調(diào)用ptr顯式(基類)類型的析構(gòu)函數(shù);如果析構(gòu)函數(shù)是virtual，則會調(diào)用子類的析構(gòu)函數(shù)，然后再調(diào)用基類析構(gòu)函數(shù)。

## 避免在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)里調(diào)用虛函數(shù)

構(gòu)造函數(shù)里，對象并沒有完全構(gòu)建好，此時調(diào)用虛函數(shù)不一定能正確綁定，析構(gòu)亦如此。

從輸入流獲取數(shù)據(jù)，要做好數(shù)據(jù)不夠的處理，要加try catch;沒有被吞咽的exception，會被傳播

從網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流讀取數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫恢復數(shù)據(jù)都需要注意這個問題。

## 協(xié)議盡量不要傳float，如果傳float要了解NaN的概念，要做好檢查，避免惡意傳播

可以考慮用整數(shù)替代浮點，比如萬分之五(5%%)，就保存5。

## 定義宏要遵循常規(guī)

要對每個變量加括弧，有時候需要加do {} while(0)或者{}，以便能將一條宏當成一個語句。要理解宏在預處理階段被替換，不用的時候要#undef，要防止污染別人的代碼，要避免宏定義中依賴特定外部變量名。

## 智能指針

理解基于引用計數(shù)法的智能指針實現(xiàn)方式，了解所有權(quán)轉(zhuǎn)移的概念，理解shared_ptr和unique_ptr的區(qū)別和適用場景。

不要誤用指針，指針帶來彈性，但如果沒有這個需要，就不要用(比如命名全局變量能搞定，非要整一個全局變量的指針，然后在init里new，在terminate里delete，自找麻煩)。

## 考慮用std::shared_ptr管理動態(tài)分配的對象。

指針能帶來彈性，但不要誤用，它的彈性指一方面它能在運行時改變指向，可以用來做多態(tài)，另一方面對于不能固定大小的數(shù)組可以動態(tài)伸縮，但很多時候，我們對固定大小的array，也在init里new/malloc出來，其實沒必要，而且會多占用sizeof(void*)字節(jié)，而且增加一層間接訪問。

## size_t到底是個什么?我該用有符號還是無符號整數(shù)?

size_t類型是被設計來保存系統(tǒng)存儲器上能保存的對象的最大個數(shù)。

32位系統(tǒng)，一個對象最小的單位是一個字節(jié)，那2的32次方內(nèi)存，最多能保存的對象數(shù)目就是4G/1字節(jié)，正好一個unsigned int能保存下來(typedef unsigned int size_t)。

同樣，64位系統(tǒng)，unsigned long是8字節(jié)，所以size_t就是unsigned long的類型別名。

對于像索引，位置這樣的變量，是用有符號還是無符號呢?像money這樣的屬性呢?

一句話：要講道理，用最自然，最順理成章的類型。比如索引不可能為負用size_t，賬戶可能欠錢，則money用int。比如：

``` 
template <class T> class vector 
{ 
    T& operator(size_t index) {} 
}; 
``` 

標準庫給出了最好的示范，因為如果是有符號的話，你需要這樣判斷

if (index < 0 || index >= max_num) throw out_of_bound(); 

而如果是無符號整數(shù)，你只需要判斷 if (index >= max_num)，你認可嗎?

## 整型一般用int，long就很好，用short，char需要很仔細，要防止溢出

大多數(shù)情況下，用int，long就很好，long一般等于機器字長，long能直接放到寄存器，硬件處理起來速度也更快。

很多時候，我們希望用short，char(8位整型)達到減少結(jié)構(gòu)體大小的目的。但是由于字節(jié)對齊，可能并不能真正減少，而且1,2個字節(jié)的整型位數(shù)太少，一不小心就溢出了，需要特別注意。

所以，除非在db、網(wǎng)絡這些對存儲大小非常敏感的場合，我們才需要考慮是否以short，char替代int，long。

# 六、擴展

## 了解c++高階特性

模板和泛型編程，union，bitfield，指向成員的指針，placement new，顯式析構(gòu)，異常機制，nested class，local class，namespace，多繼承、虛繼承，volatile，extern "C"等

有些高級特性只有在特定情況下才會被用到，但技多不壓身，平時還是需要積累和了解，這樣在需求出現(xiàn)時，才能從自己的知識庫里拿出工具來對付它。

## 了解C++新標準

關注新技術，c++11/14/17、lambda，右值引用，move語義，多線程庫等

c++98/03標準到c++11標準的推出歷經(jīng)13年，13年來程序設計語言的思想得到了很大的發(fā)展，c++11新標準吸收了很多其他語言的新特性，雖然c++11新標準主要是靠引入新的庫來支持新特征，核心語言的變化較少，但新標準還是引入了move語義等核心語法層面的修改，每個CPPer都應該了解新標準。

## OOD設計原則并不是胡扯

• + 設計模式六大原則(1)：單一職責原則
• + 設計模式六大原則(2)：里氏替換原則
• + 設計模式六大原則(3)：依賴倒置原則
• + 設計模式六大原則(4)：接口隔離原則
• + 設計模式六大原則(5)：迪米特法則
• + 設計模式六大原則(6)：開閉原則

## 熟悉常用設計模式，活學活用，不生搬硬套

 

神化設計模式和反設計模式，都不是科學的態(tài)度，設計模式是軟件設計的經(jīng)驗總結(jié)，有一定的價值;GOF書上對每一個設計模式，都用專門的段落講它的應用場景和適用性，限制和缺陷，在正確評估得失的情況下，是鼓勵使用的，但顯然，你首先需要準確get到她。