Effective C++ 2e Item46

本文主要讨论C++编程中错误检查的时机。C++注重效率,无运行时检查,而Smalltalk和LISP有强大运行时系统但有性能损失。建议将出错检查从运行时转移到编译或链接时,以提高程序可靠性、减小程序大小和提升速度,还通过Date类示例进行说明。

条款46: 宁可编译和链接时出错,也不要运行时出错

除了极少数情况下会使C++抛出异常(例如,内存耗尽 ---- 见条款7)外,运行时错误的概念和C++没什么关系,就象在C中一样。没有下溢,上溢,除零检查;没有数组越界检查,等等。一旦程序通过了编译和链接,你就得靠自己了 ---- 一切后果自负。这很象跳伞运动,一些人从中找到了刺激,另一些人则吓得摔成了残废。这一思想背后的动机当然在于效率:没有运行时检查,程序会更小更快。

处理这类事情有另一个不同的方法。一些语言如Smalltalk和LISP通常在编译链接期间只是检查极少一些错误,但却提供了强大的运行时系统来处理执行期间的错误。不象C++,这些语言几乎都是解释型的,在提供额外灵活性的同时,它们也带来了性能上的损失。

不要忘了你是在用C++编程。即使发现Smalltalk/LISP的方法很吸引人,也要忘掉它们。常说要坚持党的路线,现在的情况下,它的含义就是要避免运行时错误。只要有可能,就要让出错检查从运行时退回到链接时,或者,最理想的是,编译时。

这种方法带来的好处不仅仅在于程序的大小和速度,还有可靠性。如果程序通过了编译和链接而没有产生错误信息,你就可以确信程序中没有编译器和链接器能检查得到的任何错误,仅此而已。(当然,另一个可能性是,编译器或链接器有问题,但不要拿这种可能性来困扰我们。)

对于运行时错误来说,情况大不一样。在某次运行期间程序没有产生任何运行时错误,你就能确信另一次不同的运行期内不会产生错误吗?比如:在另一次运行中,你以不同的顺序做事,或者采用不同的数据,或者运行更长或更短时间,等等。你可以不停地测试自己的程序直到面色发紫,但你还是不能覆盖所有的可能性。因而,运行时发现错误比在编译链接期间检查错误更不能让人放心。

通常,对设计做一点小小的改动,就可以在编译期间消除可能产生的运行时错误。这常常涉及到在程序中增加新的数据类型(参见条款M33)。例如,假设想写一个类来表示时间中的日期,最初的做法可能象这样:

class Date {
public:
  Date(int day, int month, int year);

  ...

};

准备实现这个构造函数,面临的一个问题是对day和month值的合法性检查。让我们来看看,对于传给month的值来说,怎么做可以免于对它进行合法性检查呢?

一个明显的办法是采用枚举类型而不用整数:

enum Month { Jan = 1, Feb = 2, ... , Nov = 11, Dec = 12 };

class Date {
public:
  Date(int day, Month month, int year);

  ...

};

遗憾的是,这不会换来多少好处,因为枚举类型不需要初始化:

Month m;
Date d(22, m, 1857);      // m是不确定的

所以,Date构造函数还是得验证month参数的值。

既想免除运行时检查,又要保证足够的安全性,你就得用一个类来表示month,你就得保证只有合法的month才被创建:

class Month {
public:
  static const Month Jan() { return 1; }
  static const Month Feb() { return 2; }
  ...
  static const Month Dec() { return 12; }

  int asInt() const           // 为了方便,使Month
  { return monthNumber; }     // 可以被转换为int

private:
  Month(int number): monthNumber(number) {}

  const int monthNumber;
};

class Date {
public:
  Date(int day, const Month& month, int year);
  ...
};

这个设计在几个方面的特点综合确定了它的工作方式。首先,Month构造函数是私有的。这防止了用户去创建新的month。可供使用的只能是Month的静态成员函数返回的对象,再加上它们的拷贝。第二,每个Month对象为const,所以它们不能被改变(否则,很多地方会忍不住将一月转换成六月,特别是在北半球)。最后一点,得到Month对象的唯一办法是调用函数或拷贝现有的Month(通过隐式Month拷贝构造函数 ---- 见条款45)。这样,就可以在任何时间任何地方使用Month对象;不必担心无意中使用了没有被初始化的对象。(否则就可能有问题。条款47进行了说明)

有了这些类,用户几乎不可能指定一个非法的month,甚至完全不可能 ---- 如果不出现下面这种可恶的情况的话:

Month *pm;                 // 定义未被初始化的指针

Date d(1, *pm, 1997);      // 使用未被初始化的指针!

但这种情况所涉及的是另一个问题,即通过未被初始化的指针取值,其结果是不可确定的。(参见条款3,看看我对 "不确定行为" 的感受)遗憾的是,我没有办法来防止或检查这种异端行为。但是,如果假设这种情况永远不会发生,或者如果我们不考虑这种情况下软件的行为,Date构造函数对它的Month参数就可以免于合法性检查。另一方面,构造函数还是必须检查day参数的合法性 ---- 九月,四月,六月和十一月各有多少天呢?

Date的例子将运行时检查用编译时检查来取代。你可能想知道什么时候可以使用链接时检查。实际上,不是经常这么做。C++用链接器来保证所需要的函数只被定义一次(参见条款45,"需要" 一个函数会带来什么)。它还使用链接器来保证静态对象(参见条款47)只被定义一次。你可以用同样的方法使用链接器。例如,条款27说明,对于一个显式声明的函数,如果想有意禁止对它进行定义,链接器检查就很有用。

但不要过于强求。想消除所有的运行检查是不切实际的。例如,任何允许交互式输入的程序都要进行输入验证。同样地,某个类中如果包含需要执行上下限检查的数组,每次访问数组时就要对数组下标进行检查。尽管如此,将检查从运行时转移到编译或链接时一直是值得努力的目标,只要实际可行,就要追求这一目标。这样做的奖赏是,程序会更小,更快,更可靠。

<think> 我们参考了用户提供的引用内容,其中提到了内存管理、多线程编程和STL等内容。用户已经学完C++基础语法、STL和多线程,接下来应该学习什么? 根据C++的学习路径,在掌握了这些基础之后,可以继续深入学习以下方向: 1. 深入模板元编程:C++的模板是强大且复杂的特性,学习模板元编程可以提高代码的抽象能力和复用性。 2. 现代C++特性(C++11/14/17/20):学习lambda表达式、智能指针、移动语义、并发库等现代特性。 3. 设计模式:掌握常用的设计模式,提高软件设计能力。 4. 网络编程:学习使用C++进行网络编程,如socket编程,以及网络库(如Boost.Asio)的使用。 5. 系统级编程:包括操作系统相关的API调用、进程管理、文件系统操作等。 6. 性能优化:学习如何分析和优化C++程序的性能,包括内存访问模式、缓存友好设计等。 7. 跨平台开发:了解如何在不同的操作系统(如Windows、Linux)上开发和移植C++程序。 8. 深入学习并发编程:虽然已经学习了多线程,但并发编程还有更多高级主题,如无锁编程、线程池、条件变量等。 我们根据这些方向,为用户推荐接下来的学习内容,并生成相关问题。 </think>在学完C++基础语法、STL和多线程后,建议按照以下路径继续深入学习,这些内容能帮助你构建更专业的C++开发能力: ### 1. 现代C++特性(C++11/14/17/20) ```cpp // 示例:现代C++核心特性 auto lambda = [](auto x) { // C++14泛型lambda return std::make_unique<int>(x*2); // 智能指针 }; std::vector<int> v{1,2,3}; // 初始化列表 for(auto&& item : v) { // 范围for循环 std::cout << item << std::endl; } ``` - **关键特性**:智能指针(`unique_ptr/shared_ptr`)、移动语义、lambda表达式、类型推导(`auto`)、并发库(`<future>`) - **学习资源**:《Effective Modern C++》(Scott Meyers)、cppreference.com ### 2. 内存管理进阶 ```cpp // 智能指针应用场景 class Resource { public: Resource() { std::cout << "资源创建\n"; } ~Resource() { std::cout << "资源释放\n"; } }; auto processResource() { auto res = std::make_shared<Resource>(); // 自动内存管理 return res; // 引用计数管理生命周期 } ``` - **重点内容**: - 智能指针的原理与使用场景 - 自定义内存分配器 - 内存泄漏检测工具(Valgrind、AddressSanitizer) - RAII(资源获取即初始化)设计模式 ### 3. 网络编程(结合多线程) ```cpp // 简易TCP服务器示例 void start_server() { boost::asio::io_context io; tcp::acceptor acceptor(io, tcp::endpoint(tcp::v4(), 8080)); auto handle_connection = [&] { tcp::socket socket(io); acceptor.accept(socket); std::thread(handle_client, std::move(socket)).detach(); }; } ``` - **推荐方向**: - Socket编程基础 - 网络库:Boost.Asio/Poco/libevent - HTTP/TCP协议实现 - 高并发服务器架构 ### 4. 设计模式与架构 ```cpp // 工厂模式示例 class Widget { public: virtual void draw() = 0; static std::unique_ptr<Widget> create(WidgetType type); // 工厂方法 }; ``` - **常用模式**: - 创建型:工厂/单例/建造者 - 结构型:适配器/代理/组合 - 行为型:观察者/策略/命令 - **学习建议**:《设计模式:可复用面向对象软件的基础》 ### 5. 跨平台开发 - **关键技术**: - CMake构建系统 - 平台特定API封装(Windows/Linux/macOS) - 条件编译与宏定义 - 跨平台GUI框架(Qt/WxWidgets) ### 6. 性能优化 ```cpp // 缓存友好设计示例 struct alignas(64) CacheLine { // 64字节对齐 int data[16]; }; ``` - **优化方向**: - CPU缓存机制 - 分支预测优化 - SIMD指令集(AVX/SSE) - 性能分析工具(perf、VTune) ### 7. 项目实践建议 ```mermaid graph LR A[基础语法] --> B[STL容器] B --> C[多线程] C --> D[网络编程] D --> E[设计模式] E --> F[性能优化] F --> G[完整项目] ``` - **项目类型**: - 简易数据库系统 - HTTP服务器 - 实时数据处理系统 - 游戏引擎模块
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