Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ - Скотт Майерс

Любой интерфейс, который требует, чтобы пользователь что-то помнил, может быть использован неправильно, ибо пользователь вполне способен забыть, что от него требуется. Например, в правиле 13 представлена фабричная функция, которая возвращает указатель на динамически распределенный объект в иерархии Investment:

Investment *createInvestment(); // из правила 13: параметры

// для простоты опущены

Чтобы избежать утечки ресурсов, указатель, возвращенный createInvestment, обязательно должен быть удален. Следовательно, пользователь может совершить, по крайней мере, две ошибки: забыть удалить указатель либо удалить его более одного раза.

Правило 13 показывает, как клиенты могут поместить значение, возвращенное createInvestment, в «интеллектуальный» указатель наподобие auto_ptr или tr1::shared_ptr, возложив тем самым на него ответственность за вызов delete. Но что, если клиент забудет применить «интеллектуальный» указатель? Во многих случаях для предотвращения этой проблемы лучше было бы написать фабричную функцию, которая сама возвращает «интеллектуальный» указатель:

std::tr1::shared_ptr<Investment> createInvestment();

Тогда пользователь будет вынужден сохранять возвращаемое значение в объекте типа tr1::shared_ptr, и ему не придется помнить о том, что объект Investment по завершении работы с ним необходимо удалить.

Фактически возврат значения типа tr1::shared_ptr позволяет проектировщику интерфейса предотвратить и многие другие ошибки, связанные с освобождением ресурса, потому что, как объяснено в правиле 14, tr1::shared_ptr допускает привязку функции-чистильщика к интеллектуальному указателю при его создании (auto_ptr не имеет такой возможности).

Предположим, что от пользователя, который получил указатель Investment* от createInvestment, ожидается, что в конце работы он передаст его функции getRidOfInvestment, вместо того чтобы применить к нему delete. Подобный интерфейс – прямая дорога к другой ошибке, заключающейся в использовании не того механизма удаления ресурсов (пользователь может все-таки вызвать delete вместо getRidOfInvestment). Реализация createInvestment может снять эту проблему за счет того, что вернет tr1::shared_ptr с привязанной к нему в качестве чистильщика функцией getRidOfInvestment.

Конструктор tr1::shared_ptr принимает два аргумента: указатель, которым нужно управлять, и функцию-чистильщик, которая должна быть вызвана, когда счетчик ссылок достигнет нуля. Это наводит на мысль попытаться следующим образом создать нулевой указатель tr1::shared_ptr с getRidOfInvestment в качестве чистильщика:

std::tr1_shared_ptr<Investment> // попытка создать нулевой shared_ptr

pInv(0, getRidOfInvestment); // с чистильщиком

// это не скомпилируется

К сожалению, C++ это не приемлет. Конструктор tr1::shared_ptr требует, чтобы его первый параметр был указателем, а 0 – это не указатель, это целое. Да, оно преобразуется в указатель, но для данного случая этого недостаточно: tr1::shared_ptr настаивает на настоящем указателе. Приведение типа решает эту проблему:

std::tr1_shared_ptr<Investment> // создает null shared_ptr

pInv(static_cast<Investment*>(0), // с getRidOfInvestment в качестве

getRidOfInvestment); // чистильщика. о static_cast см.

// в правиле 27

Это значит, что код, реализующий createInvestment, который должен возвратить tr1::shared_ptr с getRidOfInvestment в качества чистильщика, будет выглядеть примерно так:

std::tr1::shared_ptr<Investment> createInvestment()

{

std::tr1::shared_ptr<Investment> retVal(static_cast<Investment*>(0),

getRidOfInvestment);

retVal = ...; // retVal должен указывать

// на корректный объект

return retVal;

}

Конечно, если указатель, которым должен управлять pInv, можно было бы определить до создания pInv, то лучше было бы передать его конструктору pInv вместо инициализации pInv нулем с последующим присваиванием значения (см. правило 26).

Особенно симпатичное свойство tr1::shared_ptr заключается в том, что он автоматически использует определенного пользователем чистильщика, чтобы избежать другой потенциальной ошибки пользователя – «проблемы нескольких DLL». Она возникает, если объект создается оператором new в одной динамически скомпонованной библиотеке (DLL), а удаляется оператором delete в другой. На многих платформах в такой ситуации возникает ошибка во время исполнения. tr1::shared_ptr решает эту проблемы, поскольку его чистильщик по умолчанию использует delete из той же самой DLL, где был создан tr1::shared_ptr. Это значит, например, что если класс Stock является производным от Investment и функция createInvestment реализована следующим образом:

std::tr1::shared_ptr<Investment> createInvestment()

{

return std::tr1::shared_ptr<Investment>(new Stock);

}

то возвращенный ей объект tr1::shared_ptr можно передавать между разными DLL без риска столкнуться с описанной выше проблемой. Объект tr1::shared_ptr, указывающий на Stock, «помнит», из какой DLL должен быть вызван delete, когда счетчик ссылок на Stock достигнет нуля.

Впрочем, этот правило не о tr1::shared_ptr, а о том, как делать интерфейсы легкими для правильного использования и трудными – для неправильного. Но класс tr1::shared_ptr дает настолько простой способ избежать некоторых клиентских ошибок, что на нем стоило остановиться. Наиболее распространенная реализация tr1::shared_ptr находится в библиотеке Boost (см. правило 55). Размер объекта shared_ptr из Boost вдвое больше размера обычного указателя, в нем динамически выделяется память для служебных целей и данных, относящихся к чистильщику, используется вызов виртуальной функции для обращения к чистильщику, производится синхронизация потоков при изменении значения счетчика ссылок в многопоточной среде. (Вы можете отключить поддержку многопоточности, определив символ препроцессора.) Короче говоря, этот интеллектуальный указатель по размеру больше обычного, работает медленнее и использует дополнительную динамически выделяемую память. Но во многих приложениях эти дополнительные затраты времени исполнения будут незаметны, зато уменьшение числа ошибок пользователей заметят все.

• Хорошие интерфейсы легко использовать правильно и трудно использовать неправильно. Вы должны стремиться обеспечить эти характеристики в ваших интерфейсах.

• Для обеспечения корректного использования интерфейсы должны быть согласованы и совместимы со встроенными типами.

• Для предотвращения ошибок применяют следующие способы: создание новых типов, ограничение допустимых операций над этими типами, ограничение допустимых значений, а также освобождение пользователя от обязанностей по управлению ресурсами.

• Класс tr1::shared_ptr поддерживает пользовательские функции-чистильщики. Это снимает «проблему нескольких DLL» и может быть, в частности, использовано для автоматического освобождения мьютекса (см. правило 14).

Правило 19: Рассматривайте проектирование класса как проектирование типа

В C++, как и в других объектно-ориентированных языках программирования, при определении нового класса определяется новый тип. Потому большую часть времени вы как разработчик C++ будете тратить на совершенствование вашей системы типов. Это значит, что вы – не просто разработчик классов, но еще и разработчик типов. Перегруженные функции и операторы, управление распределением и освобождением памяти, определение инициализации и порядка уничтожения объектов – все это находится в ваших руках. Поэтому вы должны подходить к проектированию классов так, как разработчики языка подходят к проектированию встроенных типов.

Проектирование хороших классов – ответственная работа, и этим все сказано. Хорошие типы имеют естественный синтаксис, интуитивно воспринимаемую семантику и одну или более эффективных реализаций. В C++ плохо спланированное определение класса может сделать невозможным достижение любой из этих целей. Даже характеристики производительности функций-членов класса могут зависеть от того, как они объявлены.

Итак, как же проектировать эффективные классы? Прежде всего вы должны понимать, с чем имеете дело. Проектирование почти любого класса ставит перед разработчиком вопросы, ответы на которые часто ограничивают спектр возможных решений:

• Как должны создаваться и уничтожаться объекты нового типа? От ответа на этот вопрос зависит дизайн конструкторов и деструкторов, а равно функций распределения и освобождения памяти (оператор new, оператор new[], оператор delete и оператор delete[] – см. главу 8), если вы собираетесь их переопределить.

• Чем должна отличаться инициализация объекта от присваивания значений? Ответ на этот вопрос определяет разницу в поведении между конструкторами и операторами присваивания. Важно не путать инициализацию с присваиванием, потому что им соответствуют разные вызовы функций (см. правило 4).

• Что означает для объектов нового типа быть переданными по значению? Помните, что конструктор копирования определяет реализацию передачи по значению для данного типа.