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

Несмотря на то что в новом издании количество правил увеличено до 55, конечно, нельзя сказать, что рассмотрены все и всяческие вопросы. Но сформулировать набор таких правил, которых следует придерживаться почти во всех приложениях почти всегда, труднее, чем может показаться на первый взгляд. Если у вас есть предложения по поводу того, что стоило бы включить еще, я с удовольствием их рассмотрю.

Начиная с момента выхода в свет первого издания этой книги, я вел перечень изменений, в котором отражены исправления ошибок, уточнения и технические обновления. Он доступен на Web-странице «Effective C++ Errata» по адресу http://aristeia.com/BookErrata/ec++3e-errata.html. Если вы хотите получать уведомления при обновлении этого перечня, присоединяйтесь к моему списку рассылки. Я использую его для того, чтобы делать объявления, которые, вероятно, заинтересуют людей, следящих за моей профессиональной деятельностью. Подробности см. на http://aristeia.com/MailingList.

Скотт Дуглас Мэйерс

http://aristeia.com/

Стаффорд, Орегон, апрель 2005

Введение

Одно дело – изучать фундаментальные основы языка, и совсем другое – учиться проектировать и реализовывать эффективные программы. В особенности это касается C++, известного необычайно широкими возможностями и выразительностью. Работа на C++ при правильном его использовании способна доставить удовольствие. Самые разные проекты могут получить непосредственное выражение и эффективную реализацию. Тщательно выбранный и грамотно реализованный набор классов, функций и шаблонов поможет сделать программу простой, интуитивно понятной, эффективной и практически не содержащей ошибок. При наличии определенных навыков написание эффективных программ на C++ – совсем не трудное дело. Однако при неразумном использовании C++ может давать непонятный, сложный в сопровождении и попросту неправильный код.

Цель этой книги – показать вам, как применять C++ эффективно. Я исхожу из того, что вы уже знакомы с C++ как языком программирования, а также имеете некоторый опыт работы с ним. Я предлагаю вашему вниманию рекомендации по применению этого языка, следование которым позволит сделать ваши программы понятными, простыми в сопровождении, переносимыми, расширяемыми, эффективными и работающими в соответствии с ожиданиями.

Предлагаемые советы можно разделить на две категории: общая стратегия проектирования и практическое использование отдельных языковых конструкций. Обсуждение вопросов проектирования призвано помочь вам сделать выбор между различными подходами к решению той или иной задачи на C++. Что выбрать: наследование или шаблоны? Открытое или закрытое наследование? Закрытое наследование или композицию? Функции-члены или свободные функции? Передачу по значению или по ссылке? Важно принять правильное решение с самого начала, поскольку последствия неудачного выбора могут никак не проявляться, пока не станет слишком поздно, а переделывать будет трудно, долго и дорого.

Даже когда вы точно знаете, что хотите сделать, добиться желаемых результатов бывает нелегко. Значение какого типа должен возвращать оператор присваивания? Когда деструктор должен быть виртуальным? Как себя ведет оператор new, если не может найти достаточно памяти? Исключительно важно проработать подобные детали, поскольку иначе вы почти наверняка столкнетесь с неожиданным и даже необъяснимым поведением программы. Эта книга поможет вам избежать подобных ситуаций.

Конечно, эту книгу сложно назвать полным руководством по C++. Скорее, это коллекция их 55 советов (или правил), как улучшить ваши программы и проекты. Каждый параграф более или менее независим от остальных, но в большинстве есть перекрестные ссылки. Лучше всего читать эту книгу, начав с того правила, которое вас наиболее интересует, а затем следовать по ссылкам, чтобы посмотреть, куда они вас приведут.

Эта книга также не является введением в C++. В главе 2, например, я рассказываю о правильной реализации конструкторов, деструкторов и операторов присваивания, но при этом предполагаю, что вы уже знаете, что эти функции делают и как они объявляются. На эту тему существует множество книг по C++.

Цель этой книги – выделить те аспекты программирования на C++, которым часто не уделяют должного внимания. В других книгах описывают различные части языка. Здесь же рассказывается, как их комбинировать между собой для получения эффективных программ. В других изданиях говорится о том, как заставить программу откомпилироваться. А эта книга – о том, как избежать проблем, которых компилятор не в состоянии обнаружить.

В то же время настоящая книга ограничивается только стандартным C++. Здесь используются лишь те средства языка, которые описаны в официальном стандарте. Переносимость – ключевой вопрос для этой книги, поэтому если вы ищете платформенно-зависимые трюки, обратитесь к другим изданиям.

Не найдете вы в этой книге и «Евангелия от C++» – единственно верного пути к идеальной программе на C++. Каждое правило – это рекомендация по тому или иному аспекту: как отыскать более удачный дизайн, как избежать типичных ошибок, как достичь максимальной эффективности, но ни один из пунктов не является универсально применимым. Проектирование и разработка программного обеспечения – это сложная задача, на которую оказывают влияние ограничения аппаратного обеспечения, операционной системы и приложений, поэтому лучшее, что я могу сделать, – это представить рекомендации по повышению качества программ.

Если вы систематически будете следовать всем рекомендациям, то маловероятно, что столкнетесь с наиболее частыми ловушками, подстерегающими вас в С++, но из любого правила есть исключения. Вот почему в каждом правиле приводятся пояснения. Они-то и составляют самую важную часть книги. Только поняв, что лежит в основе того или иного правила, вы сможете решить, насколько оно соответствует вашей программе с присущими только ей ограничениями.

Лучший способ использования этой книги – постичь тайны поведения C++, понять, почему он ведет себя именно так, а не иначе, и использовать его поведение в своих целях. Слепое применение на практике всех приведенных правил совершенно неуместно, но в то же время не стоит без особых на то причин поступать вопреки этим советам.

Терминология

Существует небольшой словарик C++, которым должен владеть каждый программист. Следующие термины достаточно важны, поэтому имеет смысл убедиться, что мы понимаем их одинаково.

Объявление (declaration) сообщает компилятору имя и тип чего-либо, опуская некоторые детали. Объявления выглядят так:

extern int x; // объявление объекта

std::size_t numDigits(int number); // объявление функции

class Widget; // объявление класса

template<typename T> // объявление шаблона

class GraphNode; // (см. правило 42 о том, что такое «typename»

Заметьте, что я называю целое число x «объектом», несмотря на то что это переменная встроенного типа. Некоторые люди под «объектами» понимают только переменные пользовательских типов, но я не принадлежу к их числу. Также отметим, что функция numDigits() возвращает тип std::size_t, то есть тип size_t из пространства имен std. Это то пространство имен, в котором находится почти все из стандартной библиотеки C++. Однако, поскольку стандартная библиотека C (точнее говоря, С89) также может быть использована в программе на C++, символы, унаследованные от C (такие как size_t), могут существовать в глобальном контексте, внутри std, либо в обоих местах, в зависимости от того, какие заголовочные файлы были включены директивой #include. В этой книге я предполагаю, что с помощью #include включаются заголовочные файлы C++. Вот почему я употребляю std::size_t, а не просто size_t. Когда я упоминаю компоненты стандартной библиотеки вне текста программы, то обычно опускаю ссылку на std, полагая, что вы знаете, что такие вещи, как size_t, vector и cout, находятся в пространстве имен std. В примерах же программ я всегда включаю std, потому что в противном случае код не скомпилируется.

Кстати, size_t – это всего-навсего определенный директивой typedef синоним для некоторых беззнаковых типов, которые в C++ используются для разного рода счетчиков (например, количества символов в строках типа char*, количества элементов в контейнерах STL и т. п.). Это также тип, принимаемый функциями operator[] в векторах (vector), деках (deque) и строках (string). Этому соглашению мы будем следовать и при определении наших собственных функций operator[] в правиле 3.

В любом объявлении функции указывается ее сигнатура, то есть типы параметров и возвращаемого значения. Можно сказать, что сигнатура функции – это ее тип. Так, сигнатурой функции numDigits является std::size_t(int), иными словами, это «функция, принимающая int и возвращающая std::size_t». Официальное определение «сигнатуры» в C++ не включает тип возвращаемого функцией значения, но в этой книге нам будет удобно считать, что он все же является частью сигнатуры.