C++陷阱与套路

Posted 2022-12-19 程序员编程指南

‍来自公众号：码砖杂役

【导语】 C++是一门被广泛使用的系统级编程语言，更是高性能后端标准开发语言；C++虽功能强大，灵活巧妙，但却属于易学难精的专家型语言，不仅新手难以驾驭，就是老司机也容易掉进各种陷阱。本文结合作者的工作经验和学习心得，对C++语言的一些高级特性，做了简单介绍；对一些常见的误解，做了解释澄清；对比较容易犯错的地方，做了归纳总结；希望借此能增进大家对C++语言了解，减少编程出错，提升工作效率。

【1】我的程序里用了全局变量，但为什么进程正常停止的时候会莫名其妙的core掉

Rule：C++在不同模块（源文件）里定义的全局变量，不保证构造顺序；但保证在同一模块（源文件）里定义的全局变量，按定义的先后顺序构造，按定义的相反次序析构。

我们程序在a.cpp里定义了依次全局变量X和Y;

按照规则：X先构造，Y后构造；进程停止执行的时候，Y先析构，X后析构；但如果X的析构依赖于Y，那么core的事情就有可能发生。

结论：如果全局变量有依赖关系，那么就把它们放在同一个源文件定义，且按正确的顺序定义，确保依赖关系正确，而不是定义在不同源文件；对于系统中的单件，单件依赖也要注意这个问题。

【2】编译器为什么不给局部变量和成员变量做默认初始化

因为效率，C++被设计为系统级的编程语言，效率是优先考虑的方向，c++秉持的一个设计哲学是不为不必要的操作付出任何额外的代价，所以它有别于java，不给成员变量和局部变量做默认初始化，如果需要赋初值，那就由程序员自己去保证。

结论：从安全的角度出发，定义变量的时候赋初值是一个好的习惯，很多错误皆因未正确初始化而起，C++11支持成员变量定义的时候直接初始化，成员变量尽量在成员初始化列表里初始化，且要按定义的顺序初始化。

【3】std::sort()的比较函数有很强的约束，不能乱来啊

相信工作5年以上至少50%的C/C++程序员都被它坑过，我已经听到过了无数个悲伤的故事，《圣斗士星矢》，《仙剑》，还有别人家的项目《天天爱消除》，都有人掉坑，程序运行几天莫名奇妙的Crash掉，这锅好沉。

如果要用，要自己提供比较函数或者函数对象，一定搞清楚什么叫“严格弱排序”，一定要满足以下3个特性：

• 非自反性

• 非对称性

• 传递性

尽量对索引或者指针sort，而不是针对对象本身，因为如果对象比较大，交换（复制）对象比交换指针或索引更耗费。

【4】注意操作符短路

考虑游戏玩家回血回蓝（魔法）刷新给客户端的逻辑。玩家每3秒回一点血，玩家每5秒回一点蓝，回蓝回血共用一个协议通知客户端，也就是说只要有回血或者回蓝就要把新的血量和魔法值通知客户端。

玩家的心跳函数heartbeat()在主逻辑线程被循环调用

void  GamePlayer::Heartbeat()

    if (GenHP() || GenMP())
    
        NotifyClientHPMP();
    

如果GenHP回血了，就返回true，否则false；不一定每次调用GenHP都会回血，取决于是否达到3秒间隔。

如果GenMP回蓝了，就返回true，否则false；不一定每次调用GenMP都会回血，取决于是否达到5秒间隔。

实际运行发现回血回蓝逻辑不对，Word麻，原来是操作符短路了，如果GenHP()返回true了，那GenMP()就不会被调用，就有可能失去回蓝的机会。OMG，你需要修改程序如下：

void GamePlayer::Heartbeat()

    bool hp = GenHP();
    bool mp = GenMP();
    if (hp || mp) 
       
        NotifyClientHPMP();
       

逻辑与（&&）跟逻辑或（||）有同样的问题， if (a && b) 如果a的表达式求值为false，b表达式也不会被计算。

有时候，我们会写出 if (ptr != nullptr && ptr->Do())这样的代码，这正是利用了操作符短路的语法特征。

【5】理解std::vector的底层实现

(a) vector是动态扩容的，2的次方往上翻，为了确保数据保存在连续空间，每次扩充，会将原member悉数拷贝到新的内存块；不要保存vector内对象的指针，扩容会导致其失效 ；可以通过保存其下标index替代。 

(b) 运行过程中需要动态增删的vector，不宜存放大的对象本身 ，因为扩容会导致所有成员拷贝构造，消耗较大，可以通过保存对象指针替代。

(c)resize()是重置大小；reserve()是预留空间，并未改变size()，可避免多次扩容；clear()并不会导致空间收缩 ，如果需要释放空间，可以跟空的vector交换，std::vector <t>.swap(v)，c++11里shrink_to_fit()也能收缩内存。

(d) 理解at()和operator[]的区别 ：at()会做下标越界检查，operator[]提供数组索引级的访问，在release版本下不会检查下标，VC会在Debug版本会检查；c++标准规定:operator[]不提供下标安全性检查。

(e)C++标准规定了std::vector的底层用数组实现，认清这一点并利用这一点。

【6】用c标准库的安全版本（带n标识）替换非安全版本，比如用strncpy替代strcpy，用snprintf替代sprintf，用strncat代替strcat，用strncmp代替strcmp，memcpy(dst, src, n)要确保[dst，dst+n]和[src, src+n]都有有效的虚拟内存地址空间。；多线程环境下，要用系统调用或者库函数的安全版本代替非安全版本（_r版本），谨记strtok，gmtime等标准c函数都不是线程安全的

【7】理解函数调用的性能开销（栈帧建立和销毁，参数传递，控制转移），性能敏感函数考虑inline

X86_64体系结构因为通用寄存器数目增加到16个，所以64位系统下参数数目不多的函数调用，将会由寄存器传递代替压栈方式传递参数，但栈帧建立、撤销和控制转移依然会对性能有所影响。

【8】理解user stack空间很有限，不能在栈上定义过大的临时对象，递归函数要有退出条件且不能递归过深

一般而言，用户栈只有几兆（典型大小是4M，8M），所以栈上创建的对象不能太大；虽然递归函数能简化程序编写，但也常常带来运行速度变慢的问题，所以需要预估好递归深度，优先考虑非递归实现版本。

【9】内存拷贝小心内存越界；memcpy，memset有很强的限制，仅能用于POD结构，不能作用于stl容器或者带有虚函数的类

带虚函数的类对象会有一个虚函数表的指针，memcpy将破坏该指针指向。

对非POD执行memset/memcpy，免费送你四个字：自求多福。

【10】用sprintf格式化字符串的时候，类型和格式化符号要严格匹配，因为sprintf的函数实现里是按格式化串从栈上取参数，任何不一致，都有可能引起不可预知的错误； /usr/include/inttypes.h里定义了跨平台的格式化符号，比如PRId64用于格式化int64_t

【11】stl容器的遍历删除要小心迭代器失效，vector,list,map,set等各有不同的写法

#include <vector>
#include <map>
#include <iterator>
#include <iostream>
#include <algorithm>

int main(int argc, char *argv[])

    //vector遍历删除
    std::vector<int> v(8);
    std::generate(v.begin(), v.end(), std::rand);
    std::cout << "after vector generate...\\n";
    std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\\n"));

    for (auto x = v.begin(); x != v.end(); )
    
        if (*x % 2)
            x = v.erase(x);
        else
            ++x;
    

    std::cout << "after vector erase...\\n";
    std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\\n"));

    //map遍历删除
    std::map<int, int> m = 1,2, 8,4, 5,6, 6,7;

    for (auto x = m.begin(); x != m.end(); )
    
        if (x->first % 2)
            m.erase(x++);
        else
            ++x;
    

    return 0;

有时候遍历删除的逻辑不是这么明显，可能循环里调了另一个函数，而该函数在某种特定的情况下才会删除当前元素，这样的话，就是很长一段时间，程序都运行得好好的，而当你正跟别人谈笑风生的时候，忽然crash，这就尴尬了。

圣斗士星矢项目曾经遭遇过这个问题，基本规律是一个礼拜game server crash一次，折磨团队将近一个月。

比较low的处理方式可以把待删元素放到另一个容器WaitEraseContainer里保存下来，再走一趟单独的循环，删除待删元素。

当然，我们推荐在遍历的同时删除，因为这样效率更高，也显得行家里手。

【12】积极的使用const，理解const不仅仅是一种语法层面的保护机制，也会影响程序的编译和运行

const常量会被编码到机器指令。

【13】理解四种转型的含义和区别，避免用错，尽量少用向下转型（可以通过设计加以改进）

static_cast, dynamic_cast,const_cast,reinterpret_cast，傻傻分不清？

C++砖家说：一句话，尽量少用转型，强制类型转换是C Style，如果你的C++代码需要类型强转，你需要去考虑是否设计有问题。不管您信不信，我反正是信了。

【14】打开的句柄要关闭，加锁/解锁，new/delete，new[]/delete[]，malloc/free要配对，可以使用RAII技术防止资源泄露，编写符合规范的代码

Valgrind对程序的内存使用方式有期望，需要干净的释放，所以规范编程才能写出valgrind干净的代码，不然再好的工具碰到不按规划写的代码也是武功尽废啊。

【15】理解多继承潜在的问题，慎用多继承

多继承会存在菱形继承的问题，多个基类有相同成员变量会有问题，需要谨慎对待。

【16】有多态用法抽象基类的析构函数要加virtual关键字

主要是为了基类的析构函数能得到正确的调用。

virtual dtor跟普通虚函数一样，基类指针指向子类对象的时候，delete ptr，根据虚函数特征，如果析构函数是普通函数，那么就调用ptr显式（基类）类型的析构函数；如果析构函数是virtual，则会调用子类的析构函数，然后再调用基类析构函数。

【17】避免在构造函数和析构函数里调用虚函数

构造函数里，对象并没有完全构建好，此时调用虚函数不一定能正确绑定，析构亦如此。

【18】从输入流获取数据，要做好数据不够的处理，要加try catch；没有被吞咽的exception，会被传播

从网络数据流读取数据，从数据库恢复数据都需要注意这个问题。

【19】协议尽量不要传float，如果传float要了解NaN的概念，要做好检查，避免恶意传播

【20】定义宏要遵循常规，要对每个变量加括弧，有时候需要加do while(0)或者，以便能将一条宏当成一个语句。要理解宏在预处理阶段被替换，不用的时候要#undef，要防止污染别人的代码

【21】了解智能指针，理解基于引用计数法的智能指针实现方式，了解所有权转移的概念，理解shared_ptr和unique_ptr的区别和适用场景

考虑用std::shared_ptr管理动态分配的对象。

【22】了解c++高阶特性：模板和泛型编程，union，bitfield，指向成员的指针，placement new，显式析构，异常机制，nested class，local class，namespace，多继承、虚继承，volatile，extern "C"等

有些高级特性只有在特定情况下才会被用到，但技多不压身，平时还是需要积累和了解，这样在需求出现时，才能从自己的知识库里拿出工具来对付它。

【23】了解C++新标准，关注新技术，c++11/14/17、lambda，右值引用，move语义，多线程库等

c++98/03标准到c++11标准的推出历经13年，13年来程序设计语言的思想得到了很大的发展，c++11新标准吸收了很多其他语言的新特性，虽然c++11新标准主要是靠引入新的库来支持新特征，核心语言的变化较少，但新标准还是引入了move语义等核心语法层面的修改，每个CPPer都应该了解新标准。

【24】OOP设计原则并不是胡扯

设计模式六大原则（1）：单一职责原则

设计模式六大原则（2）：里氏替换原则

设计模式六大原则（3）：依赖倒置原则

设计模式六大原则（4）：接口隔离原则

设计模式六大原则（5）：迪米特法则

设计模式六大原则（6）：开闭原则 

【25】熟悉常用设计模式，活学活用，不生搬硬套

神化设计模式和反设计模式，都不是科学的态度，设计模式是软件设计的经验总结，有一定的价值；GOF书上对每一个设计模式，都用专门的段落讲它的应用场景和适用性，限制和缺陷，在正确评估得失的情况下，是鼓励使用的，但显然，你首先需要准确get到她。

【26】了解延迟计算、COW和分散计算

比如游戏服务器端玩家的战力，由属性a,b决定，也就是说属性a，b任何一个变化，都需要重算战力；但如果ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()之后，都重算战力却并非真正必要，因为修改属性A之后有可能马上修改B，两次重算战力，显然第一次重算的结果会很快被第二次的重算覆盖。

而且很多情况下，我们可能需要在心跳里，把最新的战力值推送给客户端，这样的话，ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()里，我们其实只需要把战力置脏，延迟计算，这样就能避免不必要的计算。

在GetFightValue()里判断FightValueDirtyFlag，如果脏，则重算，清脏标记；如果不脏，直接返回之前计算的结果。

分散计算是把任务分散，打碎，避免一次大计算量，卡住程序。

延迟计算和分散计算都是常见的套路。

【27】理解字节对齐

自己对齐能让存储器访问速度更快。 
自己对齐跟cpu架构相关，有些cpu访问特定类型的数据必须在一定地址对齐的储存器位置，否则会触发异常。

字节对齐的另一个影响是调整结构体成员变量的定义顺序，有可能减少结构体大小，这在某些情况下，能节省内存。

【28】牢记3 rules和5 rules，当然C++11又多了&&的copy ctor和op=版本

只在需要接管的时候才自定义operator=和copy constructor，如果编译器提供的默认版本工作的很好，不要去自找麻烦，自定义的版本勿忘拷贝每一个成分，如果要接管就要处理好。

【29】组合优先于继承，继承是一种最强的类间关系

【30】减少依赖，注意隔离

最大限度的减少文件间的依赖关系，用前向声明拆解相互依赖。

了解pimpl技术。

头文件要自给自足，不要包含不必要的头文件，也不要把该包含的头文件推给user去包含，一句话，头文件包含要不多不少刚刚好。

【31】别让循环停不下来

for (unsigned int i = 5; i >=0; --i)

    ...

程序跑到这，纳尼？根本停不下来啊？问题很简单，unsigned永远>=0，是不是心中一万只马奔腾？

解决这个问题很简单，但是有时候这一类的错误却没这么明显，你需要罩子放亮点，多个心眼。

【32】size_t到底是个什么鬼？我该用有符号还是无符号整数？

size_t类型是被设计来保存系统存储器上能保存的对象的最大个数。

32位系统，一个对象最小的单位是一个字节，那2的32次方内存，最多能保存的对象数目就是4G/1字节，正好一个unsigned int能保存下来（typedef unsigned int size_t）。

同样，64位系统，unsigned long是8字节，所以size_t就是unsigned long的类型别名。

对于像索引，位置这样的变量，是用有符号还是无符号呢？像money这样的属性呢？

一句话：要讲道理，用最自然，最顺理成章的类型。比如索引不可能为负用size_t，账户可能欠钱，则money用int。

比如

template <class T> class vector

    T& operator(size_t index) 
;

标准库给出了最好的示范，因为如果是有符号的话，你需要这样判断

if (index < 0 || index >= max_num) throw out_of_bound();

而如果是无符号整数，你只需要判断 if (index >= max_num)，你认可吗？

【33】对于在启动时加载好，运行中不变化的查询结构，可以考虑用sorted array替代map，hash表等

因为有序数组支持二分查找，效率跟map差不多。对于只需要在程序启动的时候构建（排序）一次的查询结构，有序数组相比map和hash可能有更好的内存命中性（局部命中性）。

运行过程中，稳定的查询结构（比如配置表，需要根据id查找配置表项，运行过程中不增删），有序数组是个不错的选择；如果不稳定，则有序数组的插入删除效率比map，hashtable差，所以选用有序数组需要注意适用场合。

【34】std::map还是std::unorder_map，我真的很纠结

想清楚他们的利弊，map是用红黑树做的，unorder_map底层是hash表做的，hash表相对于红黑树有更高的查找性能。hash表的效率取决于hash算法和冲突解决方法（一般是拉链法，hash桶），以及数据分布，如果负载因子高，就会降低命中率，为了提高命中率，就需要扩容，重新hash，而重新hash是很慢的，相当于卡一下。

而红黑树有更好的平均复杂度，所以如果数据量不是特别大，map是胜任的。

【35】整型一般用int，long就很好，用short，char需要很仔细，要防止溢出

大多数情况下，用int，long就很好，long一般等于机器字长，long能直接放到寄存器，硬件处理起来速度也更快。

很多时候，我们希望用short，char达到减少结构体大小的目的。但是由于字节对齐，可能并不能真正减少，而且1,2个字节的整型位数太少，一不小心就溢出了，需要特别注意。

所以，除非在db、网络这些对存储大小非常敏感的场合，我们才需要考虑是否以short，char替代int，long。

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