相信你或多或少地用过或者了解过 C/C++，尽管今天越来越少地人直接使用它，但今天软件世界大多数软件都构筑于它，包括编译器和操作系统。因此掌握一些 C/C++ 技能的重要性不言而喻。
这场 Chat 本人将从小处入手，以亲身踩过的坑作为示例，讲述一下 C++ 的常见的坑，以及其防御方法——防御式编程。主要内容包括：
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C/C++ 基础知识简介
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C/C++ 常见问题复现示例
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内存泄露问题排查
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防御式编程理论
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防御式编程实践
大家好，我是林奇思妙想。很高兴能够和各位在Gitchat上交流一些平常用C/C++, 写 C/C++ 的经验分享。
为了表明这是一场严肃的、有深度的交流，我们先不走偏，先回顾一下经典教材上关于C/C++的基础知识。尽量保持简单，点到为止，希望你没有被吓走。作为一枚典型猿族，我就话不多说，直接带领大家入坑（笑~）。
注：所有的程序示例在MS VS2017下调试的。
C/C++ 基础知识简介
我们说到 C/C++ 一般指两部分:
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C++兼容 C 的部分
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C++独有部分
先看一下C/C++共有部分（有基础的同学可以略过这一部分, 或者可以跟我一起温习）。
C/C++ 共有部分
常量
常量是指运行时值不能改动的一类“变量”，他们的值是编译进目标程序中的。
1）立即数
如字面常量 12, 123.5f, "abc".
2）常量对象
const int SIZE_A = 11;
const Mat MAT_A(12,22,-1);
变量在运行时占有内存地址空间，且它的值可以在运行时被更改
变量
1）普通值变量
float a = 9.1f;
Mat mat_a(1,2,-1);
2）指针变量 p_a
int *p_a = &a;
表达式
表达式是指能被编译器编译为指令的语句，通常以“；”结束。
表达式分以下几种:
1）赋值
int a = 4;
2）逗号
a = 9, b = 11;
3）判断
if (a > b)
{
do_something();
}
4）循环
for(int i=0; i<MAX; i++)
{
do_something();
}
5）函数调用
do_something();
其它数据结构
结构体等
struct st_a
{
int x;
int y;
}；
通常是 public 的，即没有封装性。
C++独有
类是C++所独有，也称对象。通常我们用一个类来表示一类客观事物的层次、继承关系。
如下图所示：
图 0.1 类的继承关系
类
1）继承
继承就如0.1所示，从父类到子类，越来越具体。
2）封装
封装是指对于某一子类，可以控制哪些信息能被外部看到，如控制我们能获取手机的大小，颜色等属性，对用户隐藏手机串号等信息。
3）多态
多态是C++精华所在，但也是C++的难点所在。一些教材常常用高大上的描述把人搞昏。譬如我手边这本书里面是这样讲多态的（C++程序设计教程——钱能版）：
“ 多态是基于类的层次结构的，当指针飘忽不定地可能指向类层次中的上下不同对象时，以指针间访的形式实施的操作便是表现多态的条件。”
这段文字真是一骑绝尘，不食人间烟火，难免把人带到小黑屋子——关着。
用通俗的话说，多态是指多个子类有一个共有操作，我们在父类中定义一个统一的抽象虚接口，然后各个子类分别实现。这样子，运行时，依据子类是什么，动态选择子类的方法。 这样子描述，我们又不可避免地走入了经典教材的巨梗——不懂啊！ 不如直接看如下代码吧。
如下代码所示：
// code start
/*
B is base class,
A -- C is sub-class
*/
class B
{
public:
virtual void do_sth() = 0;
};
class A : public B
{
public:
void do_sth()
{
cout << "- A do_sth()\n";
}
};
class C : public B
{
public:
void do_sth()
{
cout << "- C do_sth()\n";
}
};
void do_sth(B *id_b)
{
id_b->do_sth();
}
int main()
{
A* id_a = new A();
C* id_c = new C();
do_sth(id_a);
do_sth(id_c);
return 0;
}
// code end
函数运行输出结果是：
A do_sth()
C do_sth()
注意其中的粗体代码。
看“ void dosth(B *idb)” , 我们用的基类指针作为函数的接口参数，但是“dosth(ida); ” 传递参数时，我们传的是A 或者 C 对象的指针！ 多态使得调用的接口一致，更利于抽象和简化。
C/C++ 常见问题复现示例
如果算上最新接触C到现在，已经有9年。写过无数的C/C++代码。有些坑是自己挖的，有些则是语言层面上的“陷阱” 。
坑1
立即数左移越出范围。先看一段代码：
assert((1 << 3) == pow(2, 3));
assert((1 << 30) == pow(2, 30));
assert((1 << 62) == pow(2, 62));
先不运行，猜测一下问题在哪一行？
运行结果如下：
Assertion failed: (1 << 62) == pow(2, 62), file
我们再进一步看一下他们的值：
cout << pow(2, 62) << endl;
cout << (1 << 62) << endl;
4.61169e+18
0
可知前者是对的，后者是错的，在C语言中，左移结果最大是 32 位。
为了验证，我们再看一下：
cout << pow(2, 62) << endl;
cout << (1 << 62) << endl;
cout << (4.61169e+18) << endl;
运行结果是：
4.61169e+18
0
4.61169e+18
符合我们的预期。
坑2
sprintf()越界问题。
char buf[10];
float x = 1/3.0f;
sprintf(buf, "cols = %f", x);
printf(buf);
运行后，buf会越界，出现地址异常！正确的做法是给 buf 一个更大的地址。 但是这类栈溢出在大型的工程中，防不胜防。其实可以在 C++ 中，考虑用更一种更安全的方式。
float f = 1 / 3.0f;
ostringstream ss;
ss << "num is " << f << endl;
cout << ss.str();
坑 3
case语句，不打括号。
// 示例代码K_0 :
int num = 2;
switch (num)
{
case 0:
do_0();
break;
case 1:
do_1();
do_xx();
do_xxx();
do_xxxx();
break;
default:
do_default();
}
// code end
这段代码运行起来没有问题，
逻辑没有问题，还不至于成坑，但是在实际的大型项目中，一个项目因需求变化可能需要频繁改动。如上述代码，有人在"do_xxxx（）"后加上另外一个分支。变成：
do_xx();
do_xxx();
do_xxxx();
case 2:
do_2();
do_2_x();
do_2_xx();
break;
这个时候逻辑就会出问题。而且这种错误很难调试，最好的办法是预防。 预防的方法也很简单，给case分支加上大括号。如下：
switch (num)
{
case 0:
{
do_0();
break;
}
case 1:
{
do_1();
do_xx();
do_xxx();
do_xxxx();
break;
}
default:
{
do_default();
}
}
这种方法看起来很笨，但比后期要发布前出bug, 把班加个昏天黑地要强。
坑4
sizeof()用于一个结构体时其值不是绝对的。与平台相关，也与编译指令相关。看例子：
struct pack_struct
{
char t;
uint32_t x;
};
cout << sizeof(pack_struct)；
输出是什么？
有很多同学一看，说这个容易， char 占用一个字节， uint32_t 占用 4 个字节，所以共占用 5 个字节。还有同学想到了4字节对齐，说应该是4的倍数，所以应该是8。那正确的结果又是什么呢？
其实答案是：两者都有可能。与编译控制有关。要想结果得到“5”， 用下面的：
#pragma pack(1)
struct pack_struct
{
char t;
uint32_t x;
};
#pragma pack()
要想得到“8”， 把pack(1) 改成pack(4)。
一般默认的编译参数，不同的平台是不一样的。所以要求我们不能写硬编码的代码。例如下面的代码将得不到我们想要的结果：
pack_struct arr_pack[8];
char *p_tmp = (char*)arr_pack;
pack_struct *pack_idx_1 = (pack_struct*) (p_tmp + 5);
示例有点儿绕，我们j是想要通过指针的方式得到数组arr_pack的第一个指针。这里用了硬编码，写成了5。这里硬编码的问题可能是，在其它的平台上不一定能正确工作！
为了方便移植，应该改写成：
pack_struct arr_pack[8];
char *p_tmp = (char*)arr_pack;
pack_struct *pack_idx_1 = (pack_struct*) (p_tmp + sizeof(pack_struct));
坑5
浮点数的比较。某君写了如下代码：
float x = 1.333 - 1;
cout << x << endl;
if (x == 0.333)
{
cout << "x = " << 0.333 << endl;
}
else
{
cout << "x != " << 0.333 << endl;
}
请问一下输出是什么？
不用想，笔者在这里把它们写出来，肯定是有坑的，所以输出结果也是“惊世骇俗”的，输出为：
0.333
x != 0.333
看起来不可思议！！！问题来了，那怎样才能正确地作浮点数相等判断呢？也很简单，一般用偏离一个中心的距离小于某个精度来判断相等：
if (fabs(f1 - f2) < 预先指定的精度）
{
//...
}
实际一般推荐用 1e-5 作为精度（看各项目的精度要求啰）。
坑6：模版的使用
首先来看一下一个正常的模版类使用方法：
`// ### main.cpp ###`
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T> void disp(T t);
template<class T>
void disp(T t)
{
cout << t << endl;
}
int main()
{
disp(8);
disp<float>(8.8f);
return 0;
}
这个能正常编译运行，但是把这些模版细节都放到 main.cpp 中，看得很昏。于是我们想要把他们移出main.cpp。
假如我们有一个头文件test.h 和一个实现文件 test.cpp。
我们把模版的声明移到test.h，模版的实现移至main.cpp， 此时三个文件内容分别如下：
// ### test.h ###
template<class T> void disp(T t);
// ### test.cpp ###
template<class T>
void disp(T t)
{
cout << t << endl;
}
/ ### main.cpp ###
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
disp(8);
disp<float>(8.8f);
return 0;
}
编译运行，发现Linker出错：
error LNK2019: unresolved external symbol "void __cdecl disp<int>(int)" (??$disp@H@@YAXH@Z) referenced in function main
error LNK2019: unresolved external symbol "void __cdecl disp<float>(float)" (??$disp@M@@YAXM@Z) referenced in function main
fatal error LNK1120: 2 unresolved externals
-- FAILED.
错误出现了，我们想知道“为什么”？
这是因为目前C++还不支持模版分开编译。分开会导致模版函数在具化过程中找不到外部符号。通常地做法是把声明和实现全部放在头文件中。下面是正确的版本：
// ### test.h ###
template<class T> void disp(T t);
template<class T>
void disp(T t)
{
cout << t << endl;
}
// ### test.cpp ###
// test.cpp file content...
// ### main.cpp ###
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
disp(8);
disp<float>(8.8f);
return 0;
}
这回终于对了！
坑7：栈被意外修改
看下面这段代码。你觉得Line 28会异常吗？ 实际结果是”会“！
这个就是我在工作中遇到的一个实际问题，当时一直监控一个变量，这个变量总是莫名其妙被更改了， 最后挖出来罪魁祸首就是一个读把栈破坏了。结果我的 “N” 成了一个无意义的超大数。
所以一定要严格控制好指针的越界行为，编译器无法知道你的意图，这个只有靠自己来把控，但也有一些方法来排查和防卫这种问题的发生。这是接下来要讲的内容。
内存泄露问题排查
内存泄露问题是大型 C++项目中最棘手的问题之一。有人会想，嘿，反正我内存多，不用担心用完，让它去泄露吧， 但我只能告诉你，too young , too simple, sometimes naive。
内存只有有哪怕一个地址的泄露，都可能导致严重的宕机事故，特别是在一些重要的嵌入式领域，如医疗，核电，飞行控制器软件中。
有很多工具可以帮忙排查内存泄露问题。从怀疑内存泄露到证实一般要经过以下的步骤：
怀疑
开机后一切正常，系统运行一段时间后，越来越卡。此时需要排除是不是 CPU 温度过高，软件处理数据量是不是变大了。如果都正常，那就着手怀疑是内存泄露问题。
如果在Linux上，可以通过 free －m 命令看到剩余的内存。如果运行长时间后，剩余内存变得越来越小。则大概率是内存泄露。
验证
下一步可以通过一些工具去协助监控内存的分配和释放， 如：coverity (力荐，因为是我的前东家新思科技产的，当然也是最好用的，Valgrind(开源，免费）等。
防御式编程理论
讲了这么多坑，终于要讲一些理论总结了，应该松口气还是憋口气呢（笑）？
我们编程最终的目标是让产品能平稳运行，而且要”不以人的意志为转移“式地平稳运行。
这其中包括两点：
-
产品代码要逻辑正确、完备；
-
代码能够让人读而知其义，能尽量避免他人犯错；
防御式编程就是在做到 1 后，再把第 2 条做好。
在这里，一定要看清楚，做到1后再做2。 有些软件管理可能过分强调防御，在功能，逻辑都还没有完备时，大搞特搞防御，其实并不可取。其实，本人倾向于当功能雏形做好后，再防御。毕竟过早防御会使得代码过分臃肿。
说了这么久”防御“，读者可能已经昏了。那到底什么是防御？ 别急，让我们先来看一个例子。
如取上面的例子N, 防御式编程应该是：
FILE *fp = fopen("main.cpp", "rb");
const int MAX_BUF = 8;
char *buf = new char[MAX_BUF];
int N = 99;
int i_to_read = 1024;
assert(MAX_BUF - i_to_read > 0);
fread(buf, 1, i_to_read, fp);
assert(N == 99);
fclose(fp);
delete[] buf;
assert那一行就是防止别人犯错，并把错误尽早地暴露出来的防御代码。
防御式编程实践
其实防御式编程理论远比这个要深。在实践中，各聪明的大师们总结了一套规律来严防死守内存越界，数组越界，值为负，除数为零， 野指针等。
下面分别说明。
防内存越界。我是懒人，还是取上面的例子：）
assert(MAX_BUF - i_to_read > 0);
fread(buf, 1, i_to_read, fp);
防数组越界
如下，假如我们要写一个函数，返回数组的索引为 idx 的元素值。
int get_arr_by_idx(int *arr, int len, int idx);
int get_arr_by_idx(int *arr, int len, int idx)
{
assert(idx <= len - 1);
return arr[idx];
}
防值为负
char buf[9] = 0;
int sz_to_set = 4;
assert(sz_to_set >= 0);
memset(buf, 0xAF, sz_to_set);
防被除数为零
double t = 9.9f;
for (int i = -2; i < 2; i++)
{
assert(i != 0);
cout << t / i << endl;
}
野指针
char *buf = NULL;
assert(NULL != buf);
printf(buf);
当然，说了这么多的防御技巧，其实最好的防御是命名。（惊讶的表情）。名命得好，可以让人”望文生义“。笔者就常常用下面这几个命名：
idx: 表元素索引， 是大于等于 0 的;sz, len: 表元素长度;p_xx: 表示 xx 的一个指针;全大写:表示常量;m_xx :表示成员变量;
当然，关于命名上笔者不是能手，想成为能手，就去读一些成熟的优秀的开源框架中的命名。 相信我，你会受益良多的。推荐boost, Linux Kernel, Google Protobuf.
上面说了这么多， 如果你有幸从中学到一些，一定要告诉笔者，让笔者欣慰欣慰。
最后， 谢谢你的阅读。
林奇思妙想 于 深圳
2017/11/24