Effective Modern C++

《Effective Modern C++》总结

• 总结：本书深入探讨了现代C++（C++11/14）的高效使用方法，包括类型推导、智能指针、移动语义、Lambda表达式和并发API等关键特性。
• 你能获得：
  • 掌握现代C++的核心技术，编写更高效、更安全的代码
  • 避免常见陷阱，提升代码质量和可维护性
  • 了解高级C++特性的底层原理，为未来的学习打下坚实基础

核心内容：

1. 类型推导：理解模板、auto和decltype的不同规则

• 详细解释：
  • 模板类型推导：涉及ParamType是指针/引用、通用引用或非指针/引用时的不同推导方式。引用会被忽略，通用引用特殊处理左值，传值时const/volatile会被忽略。
  • auto类型推导：与模板类型推导类似，但花括号初始化会推导为std::initializer_list，C++14在函数返回值/Lambda参数中使用auto时，遵循模板类型推导规则。
  • decltype：直接返回表达式类型，但非变量名的左值表达式会产生左值引用。C++14的decltype(auto)使用decltype规则推导类型。
• 举例：std::vector::reference代理类导致auto推导错误类型，用static_cast显式转换。
• 行动建议：掌握类型推导规则，使用IDE或编译信息查看推导结果，必要时使用显式类型初始化。

2. auto：优先使用auto，但避免类型推导陷阱

• 详细解释：
  • auto简化代码，避免类型不匹配和移植性问题。
  • auto变量必须初始化，可用于存储只有编译器知道的类型。
  • 显式类型初始化惯用法：当auto推导出错误类型时，用static_cast强制转换。
• 举例：避免std::vector::reference，std::pair类型错误，以及代理类问题。
• 行动建议：在可读性允许的情况下，优先使用auto，但注意不可见代理类和花括号初始化的陷阱。

3. decltype：准确获取表达式类型，谨慎使用decltype(auto)

• 详细解释：
  • decltype返回表达式的精确类型，可用于声明依赖于形参类型的函数模板返回值。
  • decltype((x))与decltype(x)不同，前者总是返回引用。
  • decltype(auto)结合了auto的类型推导和decltype的规则。
• 举例：使用decltype(auto)实现authAndAccess函数，返回容器operator[]的正确类型。
• 行动建议：熟悉decltype的规则，特别是decltype((x))，谨慎使用decltype(auto)，确保类型推导结果符合预期。

4. 智能指针：使用std::unique_ptr管理独占资源，std::shared_ptr管理共享资源

• 详细解释：
  • std::unique_ptr：独占所有权，小巧高效，支持自定义删除器，可转换为std::shared_ptr。适用于工厂函数返回类型和Pimpl惯用法。
  • std::shared_ptr：共享所有权，自动垃圾回收，支持自定义删除器，存在控制块开销和循环引用问题。
  • std::weak_ptr：不参与所有权共享，用于观察std::shared_ptr指向的对象是否已被销毁。
• 举例：使用std::unique_ptr实现makeInvestment工厂函数，使用std::weak_ptr实现缓存和观察者模式。
• 行动建议：优先使用智能指针，避免原始指针，理解各种智能指针的适用场景和潜在问题。

5. 右值引用、移动语义、完美转发：掌握现代C++的性能优化手段

• 详细解释：
  • std::move：无条件转换为右值，但不移动任何东西，用于表示对象适合移动操作。
  • std::forward：有条件转换为右值，仅当实参为右值时才转换，用于完美转发。
  • 完美转发：尽可能保持实参的类型和值类别，但存在花括号初始化、空指针、static const成员、重载函数名和位域等失败情况。
  • 引用折叠：模板实例化、auto类型推导、typedef和decltype等情况下的引用组合规则。
• 举例：使用std::move实现移动构造函数，使用std::forward实现通用函数转发。
• 行动建议：理解std::move和std::forward的含义，避免过度使用std::move，熟悉完美转发的限制，并掌握解决方法。

6. Lambda表达式：使用Lambda表达式，避免默认捕获模式

• 详细解释：
  • Lambda表达式简化函数对象的创建，提高代码可读性。
  • 避免默认捕获模式：默认按引用捕获可能导致悬空引用，默认按值捕获不能解决悬空指针问题，且可能隐藏this指针的捕获。
  • 初始化捕获：C++14支持，可以将对象移动到闭包中，C++11中可通过手写类或std::bind模拟。
  • 泛型Lambda表达式：C++14支持，允许在Lambda表达式的形参中使用auto关键字。
• 举例：使用Lambda表达式创建过滤器，使用初始化捕获将std::unique_ptr移动到闭包中。
• 行动建议：避免使用默认捕获模式，使用初始化捕获移动对象到闭包中，对auto&&形参使用decltype以std::forward它们，并考虑Lambda表达式而非std::bind。

7. 并发API：使用基于任务的编程，注意线程安全

• 详细解释：
  • 基于任务的编程：通过std::async实现，代码量少，可获取返回值和异常，避免手动线程管理。
  • 基于线程的编程：通过std::thread实现，需要手动管理线程，容易出现资源耗尽、资源超额和负载均衡等问题。
  • std::atomic：用于并发访问，保证操作的原子性，但对操作顺序没有足够限制，volatile用于访问特殊内存，对并发编程没有用。
• 举例：使用std::async执行异步任务，使用std::atomic实现线程安全的计数器。
• 行动建议：优先考虑基于任务的编程，如有异步的必要请指定std::launch::async，关注不同线程句柄析构行为，并对于并发使用std::atomic。

8. 其他微调：传值与置入，constexpr与const

• 传值与移动：对于移动成本低且总是被拷贝的可拷贝形参，考虑按值传递。
• 就地创建而非插入：考虑使用置入（emplace）代替插入。
• 尽可能地使用constexpr：constexpr对象是const，它被在编译期可知的值初始化。
• 让const成员函数线程安全：确保const成员函数线程安全，除非你确定它们永远不会在并发上下文（concurrent context）中使用。
• 对于那些可移动总是被拷贝的形参使用传值方式。

问答

Q: 什么是通用引用？如何区分通用引用和右值引用？

A: 通用引用是一种可以绑定到左值或右值的引用类型，形式为T&&，且T需要被推导。右值引用只能绑定到右值，形式为T&&，且T是已知的类型。区分的关键在于是否存在类型推导。

Q: 什么是完美转发？它有哪些失败的情况？

A: 完美转发是指将一个函数的形参传递给另一个函数，且目标函数接收到的实参与被传递给转发函数的实参保持一致，包括类型、值类别和const/volatile属性。失败的情况包括：花括号初始化器、空指针（0或NULL）、仅有声明的整型static const数据成员、重载函数的名字和位域。

Q: 如何解决通用引用和重载的冲突？

A: 解决办法包括放弃重载、传递const T&、传值、使用tag dispatch和使用std::enable_if约束模板。tag dispatch通过引入额外的标签参数来区分重载函数，std::enable_if通过type traits在编译期控制模板是否启用。