C++避坑指南
导语：若是，将编程语言比做武功秘籍，C++无异于《九阴真经》。《九阴真经》威力强大、博大精深，经中所载内功、轻功、拳、掌、腿、刀法、剑法、杖法、鞭法、指爪、点穴密技、疗伤法门、闭气神功、移魂大法等等，无所不包，C++亦如是。c++
C++跟《九阴真经》同样，若是使用不当，很容易落得跟周芷若、欧阳锋、梅超风等同样走火入魔。这篇文章总结了在学习C++过程当中容易走火入魔的一些知识点。为了不篇幅浪费，太常见的误区（如指针和数组、重载、覆盖、隐藏等）在本文没有列出，文中的知识点也没有先后依赖关系，各个知识点基本是互相独立，并无作什么铺垫，开门见山直接进入正文。编程
目录设计模式
1 函数声明和对象定义数组
2 静态对象初始化顺序安全
3 类型转换闭包
3.1 隐式转换并发
3.2 显示转换app
4 inline内联编程语言
5 名称查找分布式
5.1 受限名称查找
5.2 非受限名称查找
6 智能指针
6.1 std::auto_ptr
6.2 std::shared_ptr
6.3 std::unique_ptr
7 lambda表达式
对象定义写成空的初始化列表时，会被解析成一个函数声明。能够采用代码中的几种方法定义一个对象。
//这是一个函数声明
//不是一个对象定义
string foo();
//函数声明
string foo(void);
//对象定义几种方法
string foo;
string foo{ };//c++11
string *foo = new string;
string *foo = new string();
string *foo = new string{ };//c++11
（左滑能够查看所有代码，下同）
在同一个编译单元中，静态对象的初始化次序与其定义顺序保持一致。对于做用域为多个编译单元的静态对象，不能保证其初始化次序。以下代码中，在x.cpp和y.cpp分别定义了变量x和y，而且双方互相依赖。
//x.cpp extern int y; int x = y + 1;
x.cpp中使用变量y来初始化x
//y.cpp extern int x; int y = x + 1;
y.cpp中使变量x来初始化y
//main.cpp
extern int x;
extern int y;
int main()
{
cout << "x = " << x << endl;
cout << "y = " << y << endl;
return 0;
}
若是初始化顺序不同，两次执行的结果输出不同，以下所示：
g++ main.cpp x.cpp y.cpp ./a.out x = 1 y = 2
g++ main.cpp y.cpp x.cpp ./a.out x = 2 y = 1
若是咱们须要指定依赖关系，好比y依赖x进行初始化，能够利用这样一个特性来实现：函数内部的静态对象在函数第一次调用时初始化，且只被初始化一次。使用该方法，访问静态对象的惟一途径就是调用该函数。改写后代码以下所示：
//x.h
extern int &getX();
//x.cpp
int &getX()
{
static int x;
return x;
}
getX()函数返回x对象
//y.h
extern int &getY();
//y.cpp
#include "x.h"
int &getY()
{
static int y = getX() + 1;
return y;
}
y对象使用x对象进行初始化
//main.cpp
int main()
{
cout << "x = " << getX() << endl;
cout << "y = " << getY() << endl;
return 0;
}
打印x和y值。经过这种方式，就保证了x和y的初始化顺序。
g++ main.cpp x.cpp y.cpp ./a.out x = 0 y = 1
g++ main.cpp y.cpp x.cpp ./a.out x = 0 y = 1
这里只描述自定义类的类型转换，不涉及如算数运算的类型自动提高等。
3.1 隐式转换
C++自定义类型在如下两种状况会发生隐式转换：
1) 类构造函数只有一个参数或除第一个参数外其余参数有默认值；
2) 类实现了operator type()函数；
class Integer
{
public:
Integer() : m_value(0) { }
//int --> Integer
Integer(int value) : m_value(value)
{
cout << "Integer(int)" << endl;
}
//Integer --> int
operator int()
{
cout << "operator int()" << endl;
return m_value;
}
private:
int m_value;
};
上面定义了一个Integer类，Integer(int)构造函数能够将int隐式转换为Integer类型。operator int()函数能够将Integer类型隐式转换为int。从下面代码和输出中能够看出确实发生了隐式的类型转换。
int main()
{
Integer value1;
value1 = 10;
cout << "value1=" << value1 << endl;
cout << "*******************" << endl;
int value2 = value1;
cout << "value2=" << value2 << endl;
return 0;
}
output： Integer(int) operator int() value1=10 ******************* operator int() value2=10
隐式类型转换在某些场景中确实比较方便，如：
a、运算符重载中的转换，如能够方便的使Integer类型和内置int类型进行运算
const Integer operator+(const Ingeter &lhs, const Ingeter &rhs)
{
return Integer(lhs.m_value + rhs.m_value);
}
Integer value = 10;
Integer sum = value + 20;
b、条件和逻辑运算符中的转换，如可使智能指针像原生裸指针同样进行条件判断
template<typename T>
class AutoPtr
{
public:
operator bool() const { return m_ptr; }
private:
T *m_ptr;
};
AutoPtr<int> ptr(new int(10));
if(ptr)
{
//do something
}
隐式类型转换在带来便利性的同时也带来了一些坑，以下所示：
template<typename T>
class Array
{
public:
Array(int size);
const T &operator[] (int index);
friend bool operator==(const Array<T> &lhs, const Array<T> &rhs);
};
Array<int> arr1(10);
Array<int> arr2(10);
if(arr1 == arr2[0])
{
//do something
}
构造函数隐式转换带来的坑。上述代码定义了一个Array类，并重载了operator==运算符。本意是想比较两个数组，可是if(arr1 == arr2)误写成了f(arr1 == arr2[0])，编译器不会抱怨，arr2[0]会转换成一个临时Array对象而后进行比较。
class String
{
public:
String(const char *str);
operator const char* () const{ return m_data; }
private:
char *m_data;
};
const char *strcat(const char *str1, const char *str2)
{
String str(str1);
str.append(str2);
return str;
}
operator type()带来的坑。上述String类存在到const char *的隐式转换，strcat函数返回时String隐身转换成const char *，而String对象已经被销毁，返回的const char *指向无效的内存区域。这也是std::string不提提供const char *隐式转换而专门提供了c_str()函数显示转换的缘由。
3.2 显示转换
正是因为隐式转换存在的坑，C++提供explicit关键字来阻止隐式转换，只能进行显示转换，分别做用域构造函数和operator()，以下所示：
1) explicit Ctor(const type &)；
2) explicit operator type()；
class Integer
{
public:
Integer() : m_value(0) { }
//int --> Integer
explicit Integer(int value) : m_value(value)
{
cout << "Integer(int)" << endl;
}
//Integer --> int
explicit operator int()
{
cout << "operator int()" << endl;
return m_value;
}
private:
int m_value;
};
用explicit改写Integer类后，须要进行显示转换才能与int进行运算，以下：
int main()
{
Integer value1;
//value1 = 10; //compile error
value1 = static_cast<Integer>(10);
cout << "value1=" << (int)value1 << endl;
//int value2 = value1; //compile error
int value2 = static_cast<int>(value1);
cout << "value2=" << value2 << endl;
return 0;
}
为了保持易用性，C++11中explicit operator type()在条件运算中，能够进行隐式转换，这就是为何C++中的智能指针如shared_ptr的operator bool()加了explicit还能直接进行条件判断的缘由。下面代码来自shared_ptr源码。
explicit operator bool() const _NOEXCEPT
{ // test if shared_ptr object owns a resource
return (get() != nullptr);
}
内联相似于宏定义，在调用处直接展开被调函数，以此来代替函数调用，在消除宏定义的缺点的同时又保留了其优势。内联有如下几个主要特色：
a、内联能够发生在任什么时候机，包括编译期、连接期、运行时等；
b、编译器很无情，即便你加了inline，它也可能拒绝你的inline；
c、编译器不少情，即便你没有加inline，它也可能帮你实施inline；
d、不合理的inline会致使代码臃肿。
使用内联时，须要注意如下几个方面的误区：
1）inline函数需显示定义，不能仅在声明时使用inline。类内实现的成员函数是inline的。
inline int add(int, int);
int add(int x, int y) //no inline
{
return x + y;
}
class Calculator
{
public:
static int add(int x, int y) //inline
{
return x + y;
}
static int sub(int x, int y);
};
int Calculator::sub(int x, int y) //no inline
{
return x - y;
}
2）经过函数指针对inline函数进行调用时，编译器有可能不实施inline
inline int add(int x, int y)
{
return x + y;
}
//定义函数指针
int (*pfun)(int, int) = add;
add(3, 5); //实施inline
pfun(3, 5); //经过函数指针调用,可能没法inline
3）编译器可能会拒绝内联虚函数，但能够静态肯定的虚函数对象，多数编译器能够inline
class Animal
{
public:
virtual void walk() = 0;
};
clas Penguin : public Animal
{
public:
virtual void walk(){ }
}
Animal *p1 = new Penguin();
p1->walk(); //大多数编译器没法inline
Penguin *p2 = new Penguin();
p2->walk(); //大多数编译器能够inline
4）inline函数有局部静态变量时，可能没法内联
inline void report(int code)
{
static int counter = 0;
doReport(code, ++counter);
}
report(-9998);//可能没法inline
5）直接递归没法inline，应转换成迭代或者尾递归。下面分别以递归和迭代实现了二分查找。
template<typename T>
inline int recursionSearch(const vector<T> &vec, const T &val, int low, int high)
{
if(low > high) return -1;
int mid = (low + high) / 2;
if(val < vec[mid])
{
return recursionSearch(vec, val, low, mid - 1);
}
else if(val > vec[mid])
{
return recursionSearch(vec, val, mid + 1, high);
}
else
{
return mid;
}
}
二分查找的递归方式实现。
template<typename T>
inline int iterationSearch(const vector<T> &vec, const T &val)
{
int low = 0;
int high = vec.size() - 1;
while(low <= high)
{
int mid = (low + high) / 2;
if(val < vec[mid])
{
high = mid -1;
}
else if(val > vec[mid])
{
low = mid +1;
}
else
{
return mid;
}
}
return -1;
}
二分查找的迭代方式实现。
分别调用二分查找的递归和迭代实现，开启-O1优化，经过查看汇编代码和nm查看可执行文件可执行文件符号，只看到了递归版本的call指令和函数名符号，说明递归版本没有内联，而迭代版本实施了内联展开。
6）构造函数和析构函数可能没法inline，即便函数体很简单
class Student : public Person
{
public:
Student() { };
virtual ~Student() { }
private:
School m_school;
};
Student::Student()
{
try
{
Person::Person(); //构造基类成分
}
catch(...)
{
throw;
}
try
{
m_school.School::School();//构造m_school;
}
catch(...)
{
Person::~Person();
throw;
}
}
表面上构造函数定义为空且是inline，但编译器实际会生成如右侧的伪代码来构造基类成分和成员变量，从而不必定能实施inline。
C++中名称主要分为如下几类：
a) 受限型名称：使用做用域运算符(::)或成员访问运算符(.和->)修饰的名称。
如：::std、std::sort、penguin.name、this->foo等。
b) 非受限型名称：除了受限型名称以外的名称。
如：name、foo
c) 依赖型名称：依赖于形参的名称。
如：vector<T>::iterator
d) 非依赖型名称：不属于依赖型名称的名称。
如：vector<int>::iterator
5.1 受限名称查找
受限名称查找是在一个受限做用域进行的，查找做用域由限定的构造对象决定，若是查找做用域是类，则查找范围能够到达基类。
class B
{
public:
int m_i;
};
class D : public B
{
}
void foo(D *pd)
{
pd->m_i = 0; //查找做用域到达基类B，即 B::m_i;
}
5.2 非受限名称查找
5.2.1 普通查找：由内向外逐层查找，存在继承体系时，先查找该类，而后查找基类做用域，最后才逐层查找外围做用域
extern string name; //(1)
string getName(const string &name) //(2)
{
if(name.empty())
{
string name = "DefaultName"; //(3)
return getName(name); //引用name(3)
}
return name/*引用name(2)*/ + ::name/*引用name(1)*/;
}
5.2.2 ADL（argument-dependent lookup）查找：又称koenig查找，由C++标准委员会Andrew Koenig定义了该规则——若是名称后面的括号里提供了一个或多个类类型的实参，那么在名称查找时，ADL将会查找实参关联的类和命名空间。
namespace ns
{
class C{ };
void foo(const C &c)
{
cout << "foo(const C &)" << endl;
}
}
int main()
{
ns::C c;
foo(c);
return 0;
}
根据类型C的实参c，ADL查找到C的命名空间ns，找到了foo的定义。
了解了ADL，如今来看个例子，下面代码定义了一个Integer类和重载了operator<运算符，并进行一个序列排序。
namespace ns
{
class Integer
{
public:
explicit Integer(int value) : m_value(value){ }
int m_value = 0;
};
}
bool operator<(const Integer &lhs, const Integer &rhs)
{
return lhs.m_value < rhs.m_value;
}
int main()
{
using ns::Integer;
std::vector<Integer> v = {Integer(1), Integer(5), Integer(1), Integer(10)};
std::sort(v.begin(), v.end());
for(auto const &item : v)
{
std::cout << item.m_value << " ";
}
std::cout << std::endl;
return 0;
}
上面的代码输出什么？ 1 1 5 10吗。上面的代码没法编译经过，提示以下错误
/usr/include/c++/4.8.2/bits/stl_heap.h:235:35: 错误：no match for ‘operator<’ (operand types are ‘ns::Integer’ and ‘ns::Integer’) if (*(__first + __secondChild) < *(__first + (__secondChild - 1)))
operator<明明在全局做用于有定义，为何找不到匹配的函数？前面的代码片断，应用ADL在ns内找不到自定义的operator<的定义，接着编译器从最近的做用域std内开始向外查找，编译器在std内找到了operator<的定义，因而中止查找。定义域全局做用域的operator<被隐藏了，即名字隐藏。名字隐藏一样能够发生在基类和子类中。好的实践：定义一个类时，应当将其相关的接口（包括自由函数）也放入到与类相同的命名空间中。
namespace ns
{
class Integer
{
public:
explicit Integer(int value) : m_value(value){ }
int m_value = 0;
};
bool operator<(const Integer &lhs, const Integer &rhs)
{
return lhs.m_value < rhs.m_value;
}
}
把operator<定义移到ns命名空间后运行结果正常
再来看一个名称查找的例子。
template<typename U>
struct B
{
typedef int T;
};
template<typename T>
struct D1 : B<int>
{
T m_value;
};
int main()
{
int value = 10;
D1<int *> d1;
d1.m_value = &value;
cout << *d1.m_value << endl;
return 0;
}
这段代码编译时提示以下错误，咱们用int *实例化D1的模板参数并给m_value赋值，编译器提示没法将int *转换成int类型，也就是m_value被实例化成了int而不是int *。
咱们将代码改动一下，将D2继承B<int>改成B<T>，代码能够顺利编译并输出。
template<typename U>
struct B
{
typedef int T;
};
template<typename T>
struct D2 : B<T>
{
T m_value;
};
int main()
{
int value = 10;
D2<int *> d2;
d2.m_value = &value;
cout << *d2.m_value << endl;
return 0;
}
D1和D2惟一的区别就是D1继承自B<int>，D2继承自B<T>。实例化后，为什么D1.m_value类型是int，而D2.m_value类型是int *。在分布式事务领域有二阶段提交，在并发编程设计模式中二阶段终止模式。在C++名称查找中也存在一个二阶段查找。
二阶段查找（two-phase lookup）：首次看到模板定义的时候，进行第一次查找非依赖型名称。当实例化模板的时候，进行第二次查找依赖型名称。
D1中查找T时，基类B<int>是非依赖型名称，无需知道模板实参就肯定了T的类型。
D2中查找T时，基类B<T>是依赖型名称，在实例化的时候才会进行查找。
6 智能指针
6.1 std::auto_ptr
std::auto_ptr是C++98智能指针实现，复制auto_ptr时会转移全部权给目标对象，致使原对象会被修改，所以不具有真正的复制语义，不能将其放置到标准容器中。auto_ptr在c++11中已经被标明弃用，在c++17中被移除。
auto_ptr<string> ap1(new string("foo"));
auto_ptr<string> ap2 = ap1;
//内存访问错误，ap1管理的指针已经被置位空
string str(*ap1);
auto_ptr<string> ap3(new string("bar"));
vector<auto_ptr<string>> ptrList;
//ap2和ap3被复制进容器后其管理的指针对象为空
//违反标准c++容器复制语义
ptrList.push_back(ap2);
ptrList.push_back(ap3);
6.2 std::shared_ptr
std::shared_ptr采用引用计数共享指针指向对象全部权的智能指针，支持复制语义。每次发生复制行为时会递增引用计数，当引用计数递减至0时其管理的对象资源会被释放。但shared_ptr也存在如下几个应用方面的陷阱。
1）勿经过传递裸指针构造share_ptr
{
string *strPtr = new string("dummy");
shared_ptr<string> sp1(strPtr);
shared_ptr<string> sp2(strPtr);
}
这段代码经过一个裸指针构造了两个shared_ptr，这两个shared_ptr有着各自不一样的引用计数，致使原始指针被释放两次，引起未定义行为。
2）勿直接将this指针构造shared_ptr对象
class Object
{
public:
shared_ptr<Object> GetSelfPtr()
{
return shared_ptr<Object>(this);
}
};
shared_ptr<Object> sp1(new Object());
shared_ptr<Object> sp2 = sp1->GetSelfPtr();
这段代码使用同一个this指针构造了两个没有关系的shared_ptr，在离开做用域时致使重复析构问题，和1）是一个道理。当但愿安全的将this指针托管到shared_ptr时，目标对象类须要继承std::enable_shared_from_this<T>模板类并使用其成员函数shared_from_this()来得到this指针的shared_ptr对象。以下所示：
class Object : public std::enable_shared_from_this<Object>
{
public:
shared_ptr<Object> GetSelfPtr()
{
return shared_from_this();
}
};
shared_ptr<Object> sp1(new Object());
shared_ptr<Object> sp2 = sp1->GetSelfPtr();
3）请勿直接使用shared_ptr互相循环引用，如实在须要请将任意一方改成weak_ptr。
struct You;
struct I
{
shared_ptr<You> you;
~I() { cout << "i jump" << endl; }
};
struct You
{
shared_ptr<I> me;
~You() { cout << "you jump" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<I> i(new I());
shared_ptr<You> you(new You());
i->you = you;
you->me = i;
return 0;
}
代码运行结果，没有看到打印任何内容，析构函数没有被调用。最终你我都没有jump，完美的结局。可是现实就是这么残酷，C++的世界不容许他们不jump，须要将其中一个shared_ptr改成weak_ptr后资源才能正常释放。
struct You
{
weak_ptr<I> me;//如今是weak_ptr
~You() { cout << "you jump" << endl; }
};
int main()
{
shared_ptr<I> i(new I());
shared_ptr<You> you(new You());
i->you = you;
you->me = i;
return 0;
}
4）优先使用make_shared而非直接构造shared_ptr。make_shared主要有如下几个优势：
a、可使用auto自动类型推导。
shared_ptr<Object> sp(new Object());
auto sp = make_shared<Object>();
b、减小内存管理器调用次数。shared_ptr的内存结构以下图所示，包含了两个指针：一个指向其所指的对象，一个指向控制块内存。
shared_ptr<Object> sp(new Object());
这条语句会调用两次内存管理器，一次用于建立Object对象，一次用于建立控制块。若是使用make_shared会一次性分配内存同时保存Object和控制块。
c、防止内存泄漏。
class Handler; string getData(); int handle(shared_ptr<Handler> sp, const string &data); //调用handle handle(shared_ptr<Handler>(new Handler()), getData());
这段代码可能发生内存泄漏。通常状况下，这段代码的调用顺序以下：
new Handler() ① 在堆上建立Handler对象
shared_ptr() ②建立shared_ptr
getData() ③调用getData()函数
可是编译器可能不按照上述①②③的顺序来生成调用代码。可能产生①③②的顺序，此时若是③getData()产生异常，而new Handler对象指针尚未托管到shared_ptr中，因而内存泄漏发生。使用make_shared能够避免这个问题。
handle(make_shared<Handler>(), getData());
这条语句在运行期，make_shared和getData确定有一个会先调用。若是make_shared先调用，在getData被调用前动态分配的Hander对象已经被安全的存储在返回的shared_ptr对象中，接着即便getData产生了异常shared_ptr析构函数也能正常释放Handler指针对象。若是getData先调用并产生了异常，make_shared则不会被调用。
可是make_shared并非万能的，如不能指定自定义删除器，此时能够先建立shared_ptr对象再传递到函数中。
shared_ptr<Handler> sp(new Handler()); handle(sp, getData());
6.3 std::unique_ptr
std::unique_ptr是独占型智能指针，仅支持移动语义，不支持复制。默认状况下，unique_ptr有着几乎和裸指针同样的内存开销和指令开销，能够替代使用裸指针低开销的场景。
1）与shared_ptr不一样，unique_ptr能够直接指向一个数组，由于unique_ptr对T[]类型进行了特化。若是shared_ptr指向一个数组，须要显示指定删除器。
unique_ptr<T []> ptr(new T[10]);
//显示指定数组删除器
shared_ptr<T> ptr(new T[10], [](T *p){delete[] p;});
2）与shared_ptr不一样，unique_ptr指定删除器时须要显示指定删除器的类型。
shared_ptr<FILE> pf(fopen("data.txt", "w"), ::fclose);
//显示指定数组删除器类型
unique_ptr<FILE, int(*)(FILE *)> pf(fopen("data.txt", "w"), ::fclose);
unique_ptr<FILE, std::function<int(FILE *)>> pf(fopen("data.txt", "w"), ::fclose);
1）捕获了变量的lambda表达式没法转换为函数指针。
using FunPtr = void(*)(int *);
FunPtr ptr1 = [](int *p) { delete p; };
FunPtr ptr2 = [&](int *p) { delete p; };//错误
2）对于按值捕获的变量，其值在捕获的时候就已经肯定了（被复制到lambda闭包中）。而对于按引用捕获的变量，其传递的值等于lamdba调用时的值。
int a = 10;
auto valLambda = [a] { return a + 10; };
auto refLambda = [&a] { return a + 10; };
cout << "valLambda result:" << valLambda() << endl; //20
cout << "refLambda result:" << refLambda() << endl; //20
a += 10;
cout << "valLambda result:" << valLambda() << endl; //20
cout << "refLambda result:" << refLambda() << endl; //30
3）默认状况下，lambda没法修改按值捕获的变量。若是须要修改，须要使用mutable显示修饰。这其实也好理解，lambda会被编译器转换成operator() const的函数对象。
auto mutableLambda = [a]() mutable { return a += 10; };
4）lambda没法捕捉静态存储的变量。
static int a = 10;
auto valLambda = [a] { return a + 10; }; //错误