计算机科学论坛--Thinking again in C++ 系列

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爱死Thinking in系列了，所以起了这个名字。本文的思想也部分来至于这套书，或参照对比，或深入挖掘，或补益拾慧，或有感而发，既包括Thinking in C++，甚至也包括Thinking in Java。
Thinking again in C++（一）常量性原理
关键字：C++,常量,const,constant,引用,指针,形参,实参,函数,返回值
1.不能将const修饰的任何对象、引用和指针作为赋值表达式的左值。
const int cx=100;
const int & rcx=cx;
const int * pcx=&cx;
cx=200; //error
rcx=200; //error
*pcx=200; //error
2.const类型的对象不能直接被non-const类型的别名所引用。
(1)不能将const类型的对象传递给non-const类型的引用。
const int cx=100;
int & rx=cx; //error
(2)不能将const类型的实参传递给形参为non-const类型引用的函数。
void f(int a)
{
}
void g(int & ra)
{
}
const int cx=100;
f(cx); //ok
g(cx); //error
(3)不能将const类型的对象作为non-const类型引用的函数返回值。
int & f(const int & rca)
{
return rca; //error
}
int x=100;
f(x);
3.可以使用const类型别名引用non-const对象。此时通过const引用不能修改对象，但对象可以通过non-const引用被修改。
int x=100;
int & rx=x;
const int & rcx=x; //ok

x=200;
rx=200;
rcx=200; //error
4.指针的属性有两个：指针的类型和指针本身的常量性。其中，指向const对象与指向non-const对象，是不同的指针类型。
int x=100;
const int * pcx=&x; //[1]
int * px=&x; //[2]
int y=100;
int * const cpy=&y; //[3]
int * py=&y; //[4]
[1][2]两个指针的类型不同；[3][4]两个指针的常量性不同。
对象与指向对象的指针的规则类似于对象与引用。即，const类型的对象不能直接被non-const类型的指针所指示（同2）；可以使用const类型的指针指向non-const对象（同3）。
5.可以将相同类型（包括常量性）的const指针值赋给non-const指针。
int x=100;
int * px;
const int * pcx=&x;
px=pcx; //error
int * const cpx=&x;
px=cpx; //ok
6.若函数的返回值为内建类型或是指针，则该返回值自动成为const性质。但自定义类型则为non-const性质。
int f() //相当于返回const int
{
return 100;
}
int * g(int & ra) //相当于返回int * const
{
return &ra;
}
class CTest
{
int n;
public:
CTest(int n){this->n=n;}
};
CTest h() //返回的就是CTest
{
return CTest(200);
}
f()=200; //error
int x=100;
int y=200;
int * px=&x;
g(y)=px; //error
*g(y)=x; //ok，从这点可以看出g()返回的不是const int *
CTest t(100);
h()=t; //ok，但却是完全错误的、危险的做法
//所以h()的正确写法是返回const CTest（完）

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Thinking again in C++（二）自赋值是非公断

关键字：C++,自赋值,自复制,赋值,assign,assignment,复制,拷贝,copy

    1.需要考虑的自赋值。当类包含指针或引用成员时应注意检查。
      class String
      {
      private:
            char * pc_Buffer;
      public:
            String & operator=(const String & strR);
            String & operator+=(const String & strR);
            //...
      };
    (1)类内部：对称赋值运算符、接受自身类型或自身基类类型参数的成员函数，有时候还要考虑+=系列运算符。
      String & String::operator=(const String & strR)
      {
            if (this==&strR)      //[1]
                  return *this;
            delete [] pc_Buffer;      //[2]
            pc_Buffer=new char[strlen(strR.pc_Buffer)+1];//[3]
            //...
      }
    [1]中的判断是必须的。如果this==&strR，[2]将本身删除，[3]就会使用“悬挂指针”。
    下面operator+=()的实现隐藏着错误。
      String & String::operator+=(const String & strR)
      {
            int iLengthNew=strlen(pc_Buffer)+strlen(strR.pc_Buffer);
            char * pcBufferNew=new char[iLengthNew+1];
            strcpy(pcBufferNew,pc_Buffer);
            delete [] pc_Buffer;                  //[4]
            strcat(pcBufferNew,strR.pc_Buffer);      //[5]
            pc_Buffer=pcBufferNew;
            return *this;
      }
    如果this==&strR，[4]将本身删除，[5]就会使用“悬挂指针”。正确的做法不必使用判断语句，只需调换[4][5]两条语句的顺序。
    (2)类外部（包括友元）：接受多个同一类型参数或多个有继承关系的类型参数的函数。
      class CDerive : public CBase{};
      void f(CBase & b1,CBase & b2);
      void g(CBase & b,CDerive & d);
      CBase bSame;
      CDerive dSame;
      f(bSame,bSame);            //[1]
      f(dSame,dSame);            //[2]
      g(dSame,dSame);            //[3]
    [1][2][3]都出现了自赋值，所以f()、g()的设计中都要有所考虑。

    2.不可能出现自赋值。
    (1)拷贝构造器：因为正在构造的对象还未完全生成，而传递给构造器的实参对象是已构造完毕的对象，这两者绝不可能是同一对象。
    (2)非对称赋值运算符：即使形参类型是自身的基类。若D是B的派生类，无论是否重载了对称赋值运算符，D类对象之间的赋值行为都不会调用D::operator=(const B & b)。
      class CDerive : public CBase
      {
      public:
            operator=(const CBase & b);      //不用考虑this和b之间的自赋值
            void f(const CBase & b);      //需要考虑this和b之间的自赋值
      };
      CDerive dSame;
      dSame=dSame;            //[1]
      dSame.f(dSame);            //[2]
    语句[1]中，编译器不会把dSame上溯造型为CBase，而是调用缺省或自定义的D::operator=(const D & d)。只有等式左边确为D，右边确为B，才调用D::operator=(const B & b)，这时不可能出现自赋值。相反，语句[2]中，编译器会把dSame上溯造型为CBase，所以f()需要考虑自赋值。

    3.不是自赋值的赋值。仅仅内容相同的赋值不是自赋值。
      CTest a,b,same;
      a=same;
      b=same;
      a=b;      //[1]
    [1]不是自赋值，不会出问题，不需要检查，而且内容相同无法直接用地址来检查。

    4.不应该检查的自赋值。
    strcpy(char * strDest,const char * strSrc);中，当strDest==strSrc时，是自赋值，但并不会出错。
    发现自赋值直接返回，这种特定情况下，也许能提高函数效率10倍，但绝大多数没有出现自赋值时都多了一个条件判断，可能降低函数效率10%，最后综合计算加权平均效率可能还是降低了。这取决于自赋值出现的概率。
    设不判断自赋值，函数执行时间为1；若检查自赋值，设出现自赋值的概率为x，直接返回函数执行时间为0.1，不出现自赋值，多了一个条件判断函数执行时间为1.1，那么如果要求加权平均效率不降低：
      0.1x+1.1(1-x)<1
    解之，得：x>0.1。也就是说自赋值出现的概率必须大于10%，这在实际代码中可能吗？

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Thinking again in C++（三）缺省参数的误区

关键字：C++,缺省参数,default argument,函数,function,构造器,constructor,误区

使用缺省参数时应该注意避开下列几种误区。

    1.滥用缺省参数，损害代码的结构和可读性。
      void f(bool b=false)
      {
            if (b)
            {
                  file://code of open file
            }
            else
            {
                  file://code of close file
            }
      }
    打开文件和关闭文件在实现代码上没有什么共同点，把两个属于同一类别的函数误认为是实现机制相同，凭空捏造一个参数硬把它们凑在一块，没有什么好处！相反，谁能记得住f(true)代表打开，f()代表关闭呢？况且，f(false)、f()都可以关闭文件，如果调用者混合使用它们就会增加维护上的困难。这种情况下，写成两个独立的函数，非常清晰。
      void Open()
      {
                  file://code of open file
      }
      void Close()
      {
                  file://code of close file
      }
    推而广之，如下的做法也值得商榷。
      class CString
      {
      private:
            char * pcData;
      public:
            CString(char * pc=NULL);
      };
      CString::CString(char * pc)
      {
            if (pc==NULL)
            {
                  pcData=new char[1];
                  //...
            }
            else
            {
                  pcData=new char[strlen(pc)+1];
                  //...
            }
      }
    这一个更具备迷惑性，“都是构造器嘛，当然写在一块喽。”有人说。非也！应当看到，无参构造器与带char *参数的构造器使用的代码完全分离，并且缺省参数值NULL在设置数据成员时没有任何作用。CString()构造器应改写如下：
      class CString
      {
      private:
            char * pcData;
      public:
            CString();
            CString(char * pc);
      };
      CString::CString()
      {
            pcData=new char[1];
            //...
      }
      CString::CString(char * pc)
      {
            pcData=new char[strlen(pc)+1];
            //...
      }
    总结：
    (1)凡是出现利用缺省参数值作if判断，并且判断后实现代码完全不同的，都应该分拆成两个独立的函数。
    (2)只有缺省参数值在函数体中被无歧视的对待，也就是函数对于任何参数的实现机制都相同时，才可能是合理的。

    2.多个缺省参数，可能引入逻辑含混的调用方式
    设计一个类，不仅仅是提供给客户代码正确的功能，更重要的是，对不正确的使用方式作力所能及的限制。
      class CPoint
      {
      public:
            int x;
            int y;
            CPoint(int x=0,int y=0)
            {
                  this->x=x;
                  this->y=y;
            }
      };
    乍一看，没什么问题。构造CPoint对象时如果不指定x、y的初值，则设为原点坐标。让我们测试一下：
      CPoint pnt1;
      CPoint pnt2(100,100);
      CPoint pnt3(100);      file://[1]
    结果发现pnt3的值为(100,0)，跑到x轴上去了。对于想绑定两个参数，让它们同时缺省，或者同时不缺省，我们无能为力。但是如果去掉缺省参数，情况就会好转。
      class CPoint
      {
      public:
            int x;
            int y;
            CPoint()
            {
                  x=0;
                  y=0;
            }
            CPoint(int x,int y)
            {
                  this->x=x;
                  this->y=y;
            }
      };
    这样，语句[1]就会引发编译错误，提醒使用者。
    抬杠的会说：“CPoint pnt3(100);初始化到x轴，本来就是我想要的。”真的吗？那么，请你在你的类文档中明确指出这种独特的调用方法，并且告诉使用者，将点初始化到y轴是CPoint pnt4(0,100);这种不对称的形式。
    至于我嘛，self document好了。

    3.重载时可能出现二义性
    这个简单，随便举个例子：
      void f(int a,int b=0)
      {
      }
      void f(int a)
      {
      }
    虽然潜在的模棱两可的状态不是一种错误，然而一旦使出现f(100);这样的代码，潜伏期可就结束了。

    4.函数调用中的精神分裂症
    Effective C++ 2nd中的条款，为了本篇的完整性加在这里。这种罕见的症状出现的条件是：派生类改写了基类虚函数的缺省参数值。
      class CBase
      {
      public:
            virtual void f(int i=0)
            {
                  cout<<"in CBase "<<i<<endl;
            }
      };
      class CDerive : public CBase
      {
      public:
            virtual void f(int i=100)
            {
                  cout<<"in CDerive "<<i<<endl;
            }
      };
      CDerive d;
      CBase * pb=&d;
      pb->f();      file://[2]
    运行后输出：
      in CDerive 0
    记住，缺省参数是静态绑定，而虚函数是动态绑定，所以[2]运行的是CDerive::f()的函数体，而使用的缺省值是CBase的0。

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Thinking again in C++（四）运算符重载形式推导

关键字：C++,运算符,operator,重载,overload,形式推导

大前提

定理：自定义类型不要毫无价值地与内建类型不兼容（Effective C++ 2e）。这个定理是本篇所有内容的理论基础，可见它的重要性。但我无法证明，只是从直觉上认为它是正确的，如果允许的话，我更乐意把它称为公理。

小前提

    内建类型的运算符串链规则：
     int a=1,b=2,c=3;
     a=(b+=c);     //[A]     ok
     (b+=c)=a;     //[B]     ok
     (a+b)=c;      //[C]     error
     (a=b)=c;      //[D]     ok
     (++a)=b;      //[E]     ok
     (a++)=b;      //[F]     error

结论

    成员函数版运算符重载的声明形式：
     class Arrow
     {
     private:
          double x;
          double y;
     public:
          Arrow & operator+=(const Arrow & r);            //[1]
          const Arrow operator+(const Arrow & r) const;   //[2]
          double operator*(const Arrow & r) const;        //[3]
          Arrow & operator=(const Arrow & r);             //[4]
          Arrow & operator++();                           //[5]
          const Arrow operator++(int);                    //[6]
     };
    Arrow的真实含义是矢量，也就是数学中有大小和方向的量，本来英文名应该是vector，但STL中已经有了同名但不同义的东西，为以示区别就取了这个不伦不类的名字。对这个类来说，++运算符没有意义，另外，赋值运算符使用编译器的默认版本即可，写它们纯粹是起示例作用。

推导手段

通过合理使用const修饰符和引用，使重载运算符的行为同内建类型一致。

单个解析

    [1]由于[A][B]的关系，+=运算符的返回值应能够被改写，所以传回*this的引用。
     Arrow & Arrow::operator+=(const Arrow & r)
     {
          x += r.x;
          y += r.y;
          return *this;
     }

    [2]+运算符不改变左操作数，所以函数为const性质。+的结果存放在函数的local对象中，出于安全上的考虑，local对象不能作为引用返回，又因为[C]的关系，所以传回local对象的const拷贝。
     const Arrow Arrow::operator+(const Arrow & r) const
     {
          return Arrow(x+r.x,y+r.y);
     }
    Arrow的构造器省略。

    [3]内建类型的返回值被编译器约定不能作左值，此时可省略返回值的const。其他同[2]。
     double Arrow::operator*(const Arrow & r) const
     {
          return x*r.x+y*r.y;
     }
    矢量相乘得到它们的内积，内积是数而不是矢量。

    [4]由于[D]的关系，同[1]。
     Arrow & Arrow::operator=(const Arrow & r)
     {
          x = r.x;
          y = r.y;
          return *this;
     }

    [5]自增运算符的前缀版本返回改变后的对象，又由于[E]的关系，所以传回*this的引用。
     Arrow & Arrow::operator++()
     {
          //...
          return *this;
     }

    [6]自增运算符的后缀版本返回改变前的对象，所以必须建立一个local对象保存原状态，于是函数返回值同[2]。
     const Arrow Arrow::operator++(int)
     {
          Arrow arr(*this);
          //...
          return arr;
     }

逆推

从[1][4][5]的实现可以看到，我们能够自然提供[A][B][D][E]，同时保证足够的严谨。而对于[2]，不存在安全的手段，让形如[C]的式子通过编译。还有，为什么内建类型的串链规则[E][F]有如此微妙的差异，从[5][6]可以看出来，因为函数可以安全地返回改变后的对象，却无法安全地返回改变前的对象。
这些都增加了大前提定理的可信度，小前提也显得更加合理。

后记：
1.限于篇幅，这里只列出了最简单的运算符重载，省略了很多关于复杂、特种运算符的讨论。
2.+、*这类二元运算符最好采用非成员形式，也就是友元形式。
如果希望看到进一步的讨论，我会再写一点。

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Thinking again in C++（五）深入认识对象初始化

关键字：C++,初始化,initialization,对象,object

    来自实际项目的一段代码，简化形式如下：
switch (t)
{
case 0:
  int a = 0;
  break;
default:
  break;
}
    有什么问题吗？似乎没有。请用编译器编译一下……
    嗯？！一个错误“error C2361: initialization of 'a' is skipped by 'default' label”。这怎么可能？
    几番思琢，悟出解释：C++约定，在块语句中，对象的作用域从对象的声明语句开始直到块语句的结束，也就是说default标号后的语句是可以使用对象a的。如果程序执行时从switch处跳到default处，就会导致对象a没有被正确地初始化。确保对象的初始化可是C++的重要设计哲学，所以编译器会很严格地检查这种违例情况，像上述的示例代码中default语句后面并没有使用a，但考虑到以后代码的改动可能无意中使用，所以一样被封杀。
    明白了原因，解决起来就很容易了。只要明确地限制对象a的作用域就行了。
switch (t)
{
case 0:
  {  //added for fix problem
  int a = 0;
  break;
  }  //added for fix problem
default:
  break;
}
    如果确实需要在整个switch语句中使用对象a，那就把int a = 0;移到switch语句之前即可。不过从原先的语句看，其意图似乎并不是这样的，所以推荐前面的解决方案。

    结束了吗？没有。让我们继续考究错误提示信息中“initialization”（也就是初始化）的确切含义。C++很看重初始化，所以往往会给我们造成一种错觉，似乎对象在定义处一定会经过初始化过程。真实情况如何呢？还是用实例来证明吧。
switch (t)
{
case 0:
  int a;
  a = 0;
  break;
default:
  break;
}
    编译，这次没有报错。很明显int a;定义了对象，但没有进行初始化，否则就应该报告原先的错误。
    再看看用户自定义类型。
class B
{
};

switch (t)
{
case 0:
  B b;
  break;
default:
  break;
}
    编译结果也没有错误，所以没有提供构造器的类仍然没有初始化过程。
    如果给类加入构造器，情况就不同了。
class B
{
public:  //added for initialization
  B(){} //added for initialization
};
    这样就能重现原先的错误。证明有了构造器，编译器就将进行初始化处理并对之进行安全检查。

    从上面的实验，可以直观地体验到一些基本的C++观念和原理，并提高认识深度。
    1.int a = 0;既是声明也是定义，还包括初始化；int a;是声明还是定义依上下文而定，但如果是定义就不会包括初始化；a = 0;仅仅是赋值语句，在此句前对象已经存在了。
    2.为了避免不必要的开销，默认情况下，即程序员没有在代码中明确指示时，编译器不提供初始化过程。某些需要确保初始化的类，请提供构造器。这里透露出一个C++的设计哲学：通常你会面对多种选择，所以请精确地控制代码，其收益则是可以自由取舍调配的安全性、速度、内存开销等程序特性。
    3.严密注意程序中标号的使用情况，特别是case、default等常规标号，否则他们可能会破坏对象的正确状态。如果提供了对象初始化，则能够获得编译器的额外帮助。


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