高质量C++/C编程指南（六）

高质量C++/C编程指南（六）
整理：Ackarlix

9.5 不要轻视拷贝构造函数与赋值函数
由于并非所有的对象都会使用拷贝构造函数和赋值函数，程序员可能对这两个函数有些轻视。请先记住以下的警告，在阅读正文时就会多心：
u u 本章开头讲过，如果不主动编写拷贝构造函数和赋值函数，编译器将以“位拷贝”的方式自动生成缺省的函数。倘若类中含有指针变量，那么这两个缺省的函数就隐含了错误。以类String的两个对象a,b为例，假设a.m_data的内容为“hello”，b.m_data的内容为“world”。
现将a赋给b，缺省赋值函数的“位拷贝”意味着执行b.m_data = a.m_data。这将造成三个错误：一是b.m_data原有的内存没被释放，造成内存泄露；二是b.m_data和a.m_data指向同一块内存，a或b任何一方变动都会影响另一方；三是在对象被析构时，m_data被释放了两次。

u u 拷贝构造函数和赋值函数非常容易混淆，常导致错写、错用。拷贝构造函数是在对象被创建时调用的，而赋值函数只能被已经存在了的对象调用。以下程序中，第三个语句和第四个语句很相似，你分得清楚哪个调用了拷贝构造函数，哪个调用了赋值函数吗？
String a(“hello”);
String b(“world”);
String c = a; // 调用了拷贝构造函数，最好写成 c(a);
c = b; // 调用了赋值函数
本例中第三个语句的风格较差，宜改写成String c(a) 以区别于第四个语句。
9.6 示例：类String的拷贝构造函数与赋值函数
// 拷贝构造函数
String::String(const String &other)
{
// 允许操作other的私有成员m_data
int length = strlen(other.m_data);
m_data = new char[length+1];
strcpy(m_data, other.m_data);
}

// 赋值函数
String & String::operate =(const String &other)
{
// (1) 检查自赋值
if(this == &other)
return *this;

// (2) 释放原有的内存资源
delete [] m_data;

// （3）分配新的内存资源，并复制内容
int length = strlen(other.m_data);
m_data = new char[length+1];
strcpy(m_data, other.m_data);

// （4）返回本对象的引用
return *this;
}

类String拷贝构造函数与普通构造函数（参见9.4节）的区别是：在函数入口处无需与NULL进行比较，这是因为“引用”不可能是NULL，而“指针”可以为NULL。
类String的赋值函数比构造函数复杂得多，分四步实现：
（1）第一步，检查自赋值。你可能会认为多此一举，难道有人会愚蠢到写出 a = a 这样的自赋值语句！的确不会。但是间接的自赋值仍有可能出现，例如

// 内容自赋值 b = a; … c = b; … a = c;

// 地址自赋值 b = &a; … a = *b;

也许有人会说：“即使出现自赋值，我也可以不理睬，大不了化点时间让对象复制自己而已，反正不会出错！”
他真的说错了。看看第二步的delete，自杀后还能复制自己吗？所以，如果发现自赋值，应该马上终止函数。注意不要将检查自赋值的if语句
if(this == &other)
错写成为
if( *this == other)
（2）第二步，用delete释放原有的内存资源。如果现在不释放，以后就没机会了，将造成内存泄露。
（3）第三步，分配新的内存资源，并复制字符串。注意函数strlen返回的是有效字符串长度，不包含结束符‘/0’。函数strcpy则连‘/0’一起复制。
（4）第四步，返回本对象的引用，目的是为了实现象 a = b = c 这样的链式表达。注意不要将 return *this 错写成 return this 。那么能否写成return other 呢？效果不是一样吗？
不可以！因为我们不知道参数other的生命期。有可能other是个临时对象，在赋值结束后它马上消失，那么return other返回的将是垃圾。
9.7 偷懒的办法处理拷贝构造函数与赋值函数
如果我们实在不想编写拷贝构造函数和赋值函数，又不允许别人使用编译器生成的缺省函数，怎么办？
偷懒的办法是：只需将拷贝构造函数和赋值函数声明为私有函数，不用编写代码。
例如：
class A
{ …
private:
A(const A &a); // 私有的拷贝构造函数
A & operate =(const A &a); // 私有的赋值函数
};

如果有人试图编写如下程序：
A b(a); // 调用了私有的拷贝构造函数
b = a; // 调用了私有的赋值函数
编译器将指出错误，因为外界不可以操作A的私有函数。
9.8 如何在派生类中实现类的基本函数
基类的构造函数、析构函数、赋值函数都不能被派生类继承。如果类之间存在继承关系，在编写上述基本函数时应注意以下事项：
u u 派生类的构造函数应在其初始化表里调用基类的构造函数。
u u 基类与派生类的析构函数应该为虚（即加virtual关键字）。例如
#include <iostream.h>
class Base
{
public:
virtual ~Base() { cout<< "~Base" << endl ; }
};

class Derived : public Base
{
public:
virtual ~Derived() { cout<< "~Derived" << endl ; }
};

void main(void)
{
Base * pB = new Derived; // upcast
delete pB;
}

输出结果为：
~Derived
~Base
如果析构函数不为虚，那么输出结果为
~Base

u u 在编写派生类的赋值函数时，注意不要忘记对基类的数据成员重新赋值。例如：
class Base
{
public:
…
Base & operate =(const Base &other); // 类Base的赋值函数
private:
int m_i, m_j, m_k;
};

class Derived : public Base
{
public:
…
Derived & operate =(const Derived &other); // 类Derived的赋值函数
private:
int m_x, m_y, m_z;
};

Derived & Derived::operate =(const Derived &other)
{
//（1）检查自赋值
if(this == &other)
return *this;

//（2）对基类的数据成员重新赋值
Base::operate =(other); // 因为不能直接操作私有数据成员

//（3）对派生类的数据成员赋值
m_x = other.m_x;
m_y = other.m_y;
m_z = other.m_z;

//（4）返回本对象的引用
return *this;
}

9.9 一些心得体会
有些C++程序设计书籍称构造函数、析构函数和赋值函数是类的“Big-Three”，它们的确是任何类最重要的函数，不容轻视。
也许你认为本章的内容已经够多了，学会了就能平安无事，我不能作这个保证。如果你希望吃透“Big-Three”，请好好阅读参考文献[Cline] [Meyers] [Murry]。

第10章类的继承与组合

对象（Object）是类（Class）的一个实例（Instance）。如果将对象比作房子，那么类就是房子的设计图纸。所以面向对象设计的重点是类的设计，而不是对象的设计。
对于C++程序而言，设计孤立的类是比较容易的，难的是正确设计基类及其派生类。本章仅仅论述“继承”（Inheritance）和“组合”（Composition）的概念。
注意，当前面向对象技术的应用热点是COM和CORBA，这些内容超出了C++教材的范畴，请阅读COM和CORBA相关论著。
10.1 继承
如果A是基类，B是A的派生类，那么B将继承A的数据和函数。例如：
class A
{
public:
void Func1(void);
void Func2(void);
};

class B : public A
{
public:
void Func3(void);
void Func4(void);
};

main()
{
B b;
b.Func1(); // B从A继承了函数Func1
b.Func2(); // B从A继承了函数Func2
b.Func3();
b.Func4();
}

这个简单的示例程序说明了一个事实：C++的“继承”特性可以提高程序的可复用性。正因为“继承”太有用、太容易用，才要防止乱用“继承”。我们应当给“继承”立一些使用规则。

l l 【规则10-1-1】如果类A和类B毫不相关，不可以为了使B的功能更多些而让B继承A的功能和属性。不要觉得“白吃白不吃”，让一个好端端的健壮青年无缘无故地吃人参补身体。
l l 【规则10-1-2】若在逻辑上B是A的“一种”（a kind of ），则允许B继承A的功能和属性。例如男人（Man）是人（Human）的一种，男孩（Boy）是男人的一种。那么类Man可以从类Human派生，类Boy可以从类Man派生。
class Human
{
…
};
class Man : public Human
{
…
};
class Boy : public Man
{
…
};

u u 注意事项
【规则10-1-2】看起来很简单，但是实际应用时可能会有意外，继承的概念在程序世界与现实世界并不完全相同。
例如从生物学角度讲，鸵鸟（Ostrich）是鸟（Bird）的一种，按理说类Ostrich应该可以从类Bird派生。但是鸵鸟不能飞，那么Ostrich::Fly是什么东西？
class Bird
{
public:
virtual void Fly(void);
…
};

class Ostrich : public Bird
{
…
};

例如从数学角度讲，圆（Circle）是一种特殊的椭圆（Ellipse），按理说类Circle应该可以从类Ellipse派生。但是椭圆有长轴和短轴，如果圆继承了椭圆的长轴和短轴，岂非画蛇添足？
所以更加严格的继承规则应当是：若在逻辑上B是A的“一种”，并且A的所有功能和属性对B而言都有意义，则允许B继承A的功能和属性。
10.2 组合
l l 【规则10-2-1】若在逻辑上A是B的“一部分”（a part of），则不允许B从A派生，而是要用A和其它东西组合出B。
例如眼（Eye）、鼻（Nose）、口（Mouth）、耳（Ear）是头（Head）的一部分，所以类Head应该由类Eye、Nose、Mouth、Ear组合而成，不是派生而成。如示例10-2-1所示。

class Eye { public: void Look(void); };	class Nose { public: void Smell(void); };
class Mouth { public: void Eat(void); };	class Ear { public: void Listen(void); };
// 正确的设计，虽然代码冗长。 class Head { public: void Look(void) { m_eye.Look(); } void Smell(void) { m_nose.Smell(); } void Eat(void) { m_mouth.Eat(); } void Listen(void) { m_ear.Listen(); } private: Eye m_eye; Nose m_nose; Mouth m_mouth; Ear m_ear; };

[align=center]示例10-2-1 Head由Eye、Nose、Mouth、Ear组合而成[/align]

[align=left]如果允许Head从Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成，那么Head将自动具有Look、 Smell、Eat、Listen这些功能。示例10-2-2十分简短并且运行正确，但是这种设计方法却是不对的。[/align]
[align=left] [/align]

[align=left] // 功能正确并且代码简洁，但是设计方法不对。[/align] [align=left]class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear[/align] [align=left]{[/align] };

[align=center]示例10-2-2 Head从Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成[/align]

一只公鸡使劲地追打一只刚下了蛋的母鸡，你知道为什么吗？
因为母鸡下了鸭蛋。
很多程序员经不起“继承”的诱惑而犯下设计错误。“运行正确”的程序不见得是高质量的程序，此处就是一个例证。

第11章其它编程经验
11.1 使用const提高函数的健壮性
看到const关键字，C++程序员首先想到的可能是const常量。这可不是良好的条件反射。如果只知道用const定义常量，那么相当于把火药仅用于制作鞭炮。const更大的魅力是它可以修饰函数的参数、返回值，甚至函数的定义体。
const是constant的缩写，“恒定不变”的意思。被const修饰的东西都受到强制保护，可以预防意外的变动，能提高程序的健壮性。所以很多C++程序设计书籍建议：“Use const whenever you need”。

11.1.1 用const修饰函数的参数
如果参数作输出用，不论它是什么数据类型，也不论它采用“指针传递”还是“引用传递”，都不能加const修饰，否则该参数将失去输出功能。
const只能修饰输入参数：
u u 如果输入参数采用“指针传递”，那么加const修饰可以防止意外地改动该指针，起到保护作用。
例如StringCopy函数：
void StringCopy(char *strDestination, const char *strSource);
其中strSource是输入参数，strDestination是输出参数。给strSource加上const修饰后，如果函数体内的语句试图改动strSource的内容，编译器将指出错误。

u u 如果输入参数采用“值传递”，由于函数将自动产生临时变量用于复制该参数，该输入参数本来就无需保护，所以不要加const修饰。
例如不要将函数void Func1(int x) 写成void Func1(const int x)。同理不要将函数void Func2(A a) 写成void Func2(const A a)。其中A为用户自定义的数据类型。

u u 对于非内部数据类型的参数而言，象void Func(A a) 这样声明的函数注定效率比较底。因为函数体内将产生A类型的临时对象用于复制参数a，而临时对象的构造、复制、析构过程都将消耗时间。
为了提高效率，可以将函数声明改为void Func(A &a)，因为“引用传递”仅借用一下参数的别名而已，不需要产生临时对象。但是函数void Func(A &a) 存在一个缺点：“引用传递”有可能改变参数a，这是我们不期望的。解决这个问题很容易，加const修饰即可，因此函数最终成为void Func(const A &a)。
以此类推，是否应将void Func(int x) 改写为void Func(const int &x)，以便提高效率？完全没有必要，因为内部数据类型的参数不存在构造、析构的过程，而复制也非常快，“值传递”和“引用传递”的效率几乎相当。
问题是如此的缠绵，我只好将“const &”修饰输入参数的用法总结一下，如表11-1-1所示。

对于非内部数据类型的输入参数，应该将“值传递”的方式改为“const引用传递”，目的是提高效率。例如将void Func(A a) 改为void Func(const A &a)。

对于内部数据类型的输入参数，不要将“值传递”的方式改为“const引用传递”。否则既达不到提高效率的目的，又降低了函数的可理解性。例如void Func(int x) 不应该改为void Func(const int &x)。

[align=center]表11-1-1 “const &”修饰输入参数的规则[/align]

11.1.2 用const修饰函数的返回值
u u 如果给以“指针传递”方式的函数返回值加const修饰，那么函数返回值（即指针）的内容不能被修改，该返回值只能被赋给加const修饰的同类型指针。
例如函数
const char * GetString(void);
如下语句将出现编译错误：
char *str = GetString();
正确的用法是
const char *str = GetString();

u u 如果函数返回值采用“值传递方式”，由于函数会把返回值复制到外部临时的存储单元中，加const修饰没有任何价值。
例如不要把函数int GetInt(void) 写成const int GetInt(void)。
同理不要把函数A GetA(void) 写成const A GetA(void)，其中A为用户自定义的数据类型。
如果返回值不是内部数据类型，将函数A GetA(void) 改写为const A & GetA(void)的确能提高效率。但此时千万千万要小心，一定要搞清楚函数究竟是想返回一个对象的“拷贝”还是仅返回“别名”就可以了，否则程序会出错。见6.2节“返回值的规则”。

u u 函数返回值采用“引用传递”的场合并不多，这种方式一般只出现在类的赋值函数中，目的是为了实现链式表达。
例如
class A
{…
A & operate = (const A &other); // 赋值函数
};
A a, b, c; // a, b, c 为A的对象
…
a = b = c; // 正常的链式赋值
(a = b) = c; // 不正常的链式赋值，但合法
如果将赋值函数的返回值加const修饰，那么该返回值的内容不允许被改动。上例中，语句 a = b = c仍然正确，但是语句 (a = b) = c 则是非法的。

11.1.3 const成员函数
任何不会修改数据成员的函数都应该声明为const类型。如果在编写const成员函数时，不慎修改了数据成员，或者调用了其它非const成员函数，编译器将指出错误，这无疑会提高程序的健壮性。
以下程序中，类stack的成员函数GetCount仅用于计数，从逻辑上讲GetCount应当为const函数。编译器将指出GetCount函数中的错误。
class Stack
{
public:
void Push(int elem);
int Pop(void);
int GetCount(void) const; // const成员函数
private:
int m_num;
int m_data[100];
};

int Stack::GetCount(void) const
{
++ m_num; // 编译错误，企图修改数据成员m_num
Pop(); // 编译错误，企图调用非const函数
return m_num;
}
const成员函数的声明看起来怪怪的：const关键字只能放在函数声明的尾部，大概是因为其它地方都已经被占用了。
11.2 提高程序的效率
程序的时间效率是指运行速度，空间效率是指程序占用内存或者外存的状况。
全局效率是指站在整个系统的角度上考虑的效率，局部效率是指站在模块或函数角度上考虑的效率。

l l 【规则11-2-1】不要一味地追求程序的效率，应当在满足正确性、可靠性、健壮性、可读性等质量因素的前提下，设法提高程序的效率。

l l 【规则11-2-2】以提高程序的全局效率为主，提高局部效率为辅。

l l 【规则11-2-3】在优化程序的效率时，应当先找出限制效率的“瓶颈”，不要在无关紧要之处优化。

l l 【规则11-2-4】先优化数据结构和算法，再优化执行代码。

l l 【规则11-2-5】有时候时间效率和空间效率可能对立，此时应当分析那个更重要，作出适当的折衷。例如多花费一些内存来提高性能。

l l 【规则11-2-6】不要追求紧凑的代码，因为紧凑的代码并不能产生高效的机器码。

11.3 一些有益的建议
² ² 【建议11-3-1】当心那些视觉上不易分辨的操作符发生书写错误。
我们经常会把“＝＝”误写成“＝”，象“||”、“&&”、“<=”、“>=”这类符号也很容易发生“丢1”失误。然而编译器却不一定能自动指出这类错误。

² ² 【建议11-3-2】变量（指针、数组）被创建之后应当及时把它们初始化，以防止把未被初始化的变量当成右值使用。

² ² 【建议11-3-3】当心变量的初值、缺省值错误，或者精度不够。

² ² 【建议11-3-4】当心数据类型转换发生错误。尽量使用显式的数据类型转换（让人们知道发生了什么事），避免让编译器轻悄悄地进行隐式的数据类型转换。

² ² 【建议11-3-5】当心变量发生上溢或下溢，数组的下标越界。

² ² 【建议11-3-6】当心忘记编写错误处理程序，当心错误处理程序本身有误。

² ² 【建议11-3-7】当心文件I/O有错误。

² ² 【建议11-3-8】避免编写技巧性很高代码。

² ² 【建议11-3-9】不要设计面面俱到、非常灵活的数据结构。

² ² 【建议11-3-10】如果原有的代码质量比较好，尽量复用它。但是不要修补很差劲的代码，应当重新编写。

² ² 【建议11-3-11】尽量使用标准库函数，不要“发明”已经存在的库函数。

² ² 【建议11-3-12】尽量不要使用与具体硬件或软件环境关系密切的变量。

² ² 【建议11-3-13】把编译器的选择项设置为最严格状态。

² ² 【建议11-3-14】如果可能的话，使用PC-Lint、LogiScope等工具进行代码审查。

参考文献
[Cline] Marshall P. Cline and Greg A. Lomow, C++ FAQs, Addison-Wesley, 1995

[Eckel] Bruce Eckel, Thinking in C++（C++ 编程思想，刘宗田等译），机械工业出版社，2000

[Maguire] Steve Maguire, Writing Clean Code（编程精粹，姜静波等译），电子工业出版社，1993

[Meyers] Scott Meyers, Effective C++, Addison-Wesley, 1992

[Murry] Robert B. Murry, C++ Strategies and Tactics, Addison-Wesley, 1993

[Summit] Steve Summit, C Programming FAQs, Addison-Wesley, 1996