[Effective Modern C++(11&14)]Chapter 3: Moving to Modern C++

1. Distinguish between () and {} when creating objects

• C++11中，初始化值的指定方式有三种：括号初始化，等号初始化和花括号初始化；其中花括号初始化是为了解决C++98的表达能力而引入的一种统一初始化思想的实例。
  • 等号初始化和花括号初始化可以用于非静态成员变量的初始化

    class Widget {
      ...
      private:
         int x {0}; // ok
         int y = 0; // ok
         int z(0); // error
    };

  • 括号初始化和花括号初始化可以用于不可拷贝对象的初始化

    std::atomic<int> ai1 {0}; // ok
    std::atomic<int> ai2 (0); //ok
    std::atomic<int> ai3 = 0; // error

  • 花括号初始化会禁止窄化转型，而等号初始化和括号初始化会自动窄化转型

    double x, y, z;
    ...
    int sum1 {x+y+z}; // error
    int sum2 (x+y+z); // ok
    int sum3 = x+y+z; // ok

  • 调用对象的无参构造函数时，使用括号初始化会被编译器错误识别为声明了一个函数，而花括号初始化则能正确匹配到无参构造函数的调用

    Widget w1(); // error
    Widget w2{}; // ok 

  • 花括号初始化与std::initializer_lists和构造函数重载解析的同时出现时容易造成错误调用
    • 在调用构造函数的时候，只要不涉及到std::initializer_list参数，括号和花括号初始化有相同的含义

      class Widget {
          public:
              Widget(int i, bool b);
              Widget(int i, double d);
              ...
      };
      
      Widget w1(10, true); // calling 1
      Widget w2{10, true}; // calling 2
      Widget w3(10, 5.0);  // calling 1
      Widget w4{10, 5.0};  // calling 2

    • 如果涉及到std::initializer_list参数，在使用花括号初始化时，编译器会强烈地偏向于调用使用std::initializer_list参数的重载构造函数

      class Widget {
          public:
              Widget(int i, bool b);
              Widget(int i, double d);
              Widget(std::initializer_list<long double> il);
              ...
      };
      
      Widget w1(10, true); // calling 1
      Widget w2{10, true}; // calling 3, 10 and true convert to long double
      Widget w3(10, 5.0);  // calling 1
      Widget w4{10, 5.0};  // calling 3 , 10 and 5.0 convert to long double

      • 甚至本来应该调用拷贝构造函数或者移动构造函数，也会被std::initializer_list构造函数给劫持

        Widget w5(w4); // copy construction 
        Widget w6{w4}; // std::initializer_list construction
        Widget w7(std::move(w4)); // move construction
        Widget w8{std::move(w4)}; // std::initializer_list construction

      • 编译器非常偏向选择std::initializer_list构造函数，以至于即便最匹配的std::initializer_list构造函数不能被调用，编译器也会优先选择它

        class Widget {
           public:
               Widget(int i, bool b);
               Widget(int i, double d);
               Widget(std::initializer_list<bool> il);
               ...
        };
        
        Widget w{10, 5.0}; // error, requires narrowing conversions

      • 只有当没有办法在花括号初始化的参数类型和std::initializer_list的参数类型之间进行转换时，编译器才会重新选择正常的构造函数

        class Widget {
           public:
               Widget(int i, bool b);
               Widget(int i, double d);
               Widget(std::initializer_list<std::string> il);
               ...
        };
        
        Widget w1(10, true); // calling 1
        Widget w2{10, true}; // calling 1
        Widget w3(10, 5.0);  // calling 2
        Widget w4{10, 5.0};  // calling 2

      • 当类同时支持默认构造函数和std::initializer_list构造函数时，此时调用空的花括号初始化，编译器会解析为调用默认构造函数，而要解析成std::initializer_list构造函数，需要在花括号中嵌套一个空的花括号进行初始化

        class Widget {
            public:
                Widget();
                Widget(std::initializer_list<int> il);
                ...
        };
        
        Widget w1; // calling 1
        Widget w2{}; // calling 1
        Widget w3{{}}; // calling 2
        Widget w4({}); // calling 2

2. Prefer nullptr to 0 and NULL

• C++会在需要指针的地方把0解释成指针，但是需要策略还是把0解释成int型
• C++98中上面这种做法会使得在指针和int型重载共存时产生意外匹配调用

  void f(int);
  void f(bool);
  void f(void*);
  f(0);  // calls f(int)
  f(NULL); // might not compile, but typically calls f(int)

• nullptr的优点在于它没有一个整型类型，也没有一个指针类型，但是可以代表所有类型的指针，nullptr的实际类型是nullptr_t，可以被隐式地转换成所有原始指针类型

  f(nullptr); // calls f(void*)

• 当在使用模板时，nullptr的优势就发挥出来了，可以转换成任意指针类型

  int f1(std::shared_ptr<Widget> spw);
  int f2(std::unique_ptr<Widget> upw);
  bool f3(Widget* pw);
  std::mutex f1m, f2m, f3m;
  
  template<typename FuncType, typename MuxType, typename PtrType>
  auto lockAndCall(FuncType func, MuxType& mutex, PtrType ptr) -> decltype(func(ptr))
  {
       using MuxGuard = std::lock_guard<MuxType>;
       MuxGuard g(mutex);
       return func(ptr);
  }
  
  auto result1 = lockAndCall(f1, f1m, 0); // error, PtrType is int
  auto result2 = lockAndCall(f2, f2m, NULL); // error, PtrType is int / long
  auto result3 = lockAndCall(f3, f3m, nullptr); // ok 

3. Prefer alias declarations to typedefs

•  alias比typedef更容易理解

  typedef void (*FP)(int, const std::string&);
  using FP = void(*)(int, const std::string&);

• alias可以模板化，而typedef不能直接模板化，需要借助结构体来实现
  • 如果要定义一个使用自定义分配器的链表

    template<typename T>
    using MyAllocList = std::list<T, MyAlloc<T>>;
    MyAllocList<Widget> lw;
    
    template<typename T>
    struct MyAllocList {
       typedef std::list<T, MyAlloc<T>> type;
    };
    MyAllocList<Widget>::type lw;

  • 如果要在模板内部创建一个持有模板参数类型的链表，必须在typedef名字前面加上typename

    template<typename T>
    class Widget {
        private:
            typename MyAllocList<T>::type list;
            ...
    };

    • MyAllocList<T>::type指的是一个取决于模板类型参数T的类型，因此就是一个依赖类型，C++规定依赖类型前面必须加上typename

    • 如果使用alias定义模板，就不需要typename了

      template<typename T>
      using MyAllocList = std::list<T, MyAlloc<T>>; 
      
      template<typename T>
      class Widget {
         private:
             MyAllocList<T> list;
             ...
      };

      • 此处看起来MyAllocList<T>是一个与模板参数T存在依赖关系的对象，但是当编译器处理Widget模板时，它知道MyAllocList<T>是一个类型的名字，因为MyAllocList是一个别名模板:它必须命名一个类型，因此MyAllocList<T>是一个无依赖类型，也就不需要typename了

      • 在typedef中，当编译器在Widget模板中看到MyAllocList<T>::type时，它们不能确定这是否是一个类型，因为有可能是MyAllocList<T>的一个特例而它们没看到，例如：

        class Wine{...};
        
        template<>
        class MyAllocList<Wine> {
            private:
                enum class WineType {White, Red, Rose};
                WineType type;  //!!!!!!!!!!!!!!!
                ...
        };

• C++11以类型萃取的形式提供了许多形式转换工具，模板都在<type_traits>头文件中，例如

  std::remove_const<T>::type
  std::remove_reference<T>::type
  std::add_lvalue_reference<T>::type

  • 但是要在模板内部使用它们时，仍然要在前面加上typename，因为它们实际上还是用嵌套typedef实现的

  • 但在C++14中，它们有了替代的方案

    std::remove_const_t<T>
    std::remove_reference_t<T>
    std::add_lvalue_reference_t<T>

    • 原理显而易见

      template<class T>
      using remove_const_t = typename remove_const<T>::type;
      
      template<class T>
      using remove_reference_t = typename remove_reference<T>::type;
      
      template<class T>
      using add_lvalue_reference_t = typename add_lvalue_reference<T>::type;

4. Prefer scoped enums to unscoped enums

• 通常情况下，在花括号内声明一个名字可以限制名字对外的可见性，但是对于C++98的enums中的enumerators并非如此，其对外也是可见的

  enum Color {black, white, red};
  auto while = false; // error, while already declared in this scope

• C++11的新标准，有范围限制的enums，并不会对命名空间造成污染

  enum class Color {black, white, red};
  auto white = false; // fine
  Color c = white; // error, no enumerator named “white" is in this scope
  Color c = Color::white; // fine
  auto c = Color::white; // fine

• 有范围限制enums中的枚举常量有更强的类型，而对于无范围限制的enums中枚举常量会被隐式转换成整型类型

  enum Color {black, white, red};
  std::vector<std::size_t> primeFactors(std::size_t x);
  
  Color c = red;
  ...
  if( c < 14.5){ // compare Color to double!!
     auto factors = primeFactors(c); // compute prime factors of a Color!!
     ...
  }
  
  enum class Color {black, white, red};
  Color c = Color::red;
  ...
  if( c < 14.5){ // error, can't compare Color and double!!!
      auto factors = primeFactors(c); // error, can't pass Color to function expecting std::size_t
      ...
  }

• 如果要把C++11中的enums变量转换成其他类型，需要使用static_cast<>()

  if( static_cast<double>(c) < 14.5 ){ // valid
      auto factors = primeFactors(static_cast<std::size_t>(c)); // valid
      ...
  }

• C++中每个enum都有一个由编译器决定的整型底层类型，为了有效利用内存，编译器通常会选择足够代表枚举量范围的最小的底层类型，为此，C++98只支持enum定义(列出所有的枚举值)，而不支持声明，这使得在使用enum前，编译器能选择一个底层类型。
• 无法对enum前置声明有许多缺点，最显著的就是增加编译的依赖性，如果一个enum被系统中每个组件都有可能用到，那么都得包含这个enum所在的头文件，如果需要新加入一个枚举值，整个系统就有可能重新编译，即便只有一个函数使用这个新的值
• C++11中的enum类可以消除这个编译需求，例如

  #file 1
  enum Status {
     good = 0,
     failed = 1,
     incomplete = 100,
     corrupt = 200,
     audited = 500,
     indeterminate = 0xFFFFFFFF
  };
  
  #file 2
  enum class Status;
  void continueProcessing(Status s);

  • 如果修改了Status，而且continueProcessing没有使用到新的值，那么file2就不需要重新编译
  • 但是如果编译器在使用一个enum之前，需要知道它的大小该怎么办？
    • 对于一个有范围限制的enum,它的底层类型是已知的(默认是int，可以手动覆盖)，而对于没有范围限制的enum，底层类型可以指定

      enum class Status; //int, declaration 
      enum class Status: std::uint32_t; //uin32_t, declaration
      enum Color: std::uint8_t;// uint8_t, declaration
      
      enum class Status: std::uint32_t {
          good = 0,
          failed = 1,
          incomplete = 100,
          corrupt = 200,
          audited = 500,
          indeterminate = 0xFFFFFFFF
      };

• 无范围限制的enum在C++11的std::tuples中的用途

  using UserInfo = std::tuple<std::string, std::string, std::size_t>; // name, email, reputation
  UserInfo uInfo;
  ...
  auto val = std::get<1>(uInfo); // get value of field 1, but can you always remember what the hell 1 represents?
  
  //Improve
  enum UserInfoFields {uiName, uiEmail, uiReputation};
  UserInfo uInfo;
  ...
  auto val = std::get<uiEmail>(uInfo); // implicit conversion from UserInfoFields to std::size_t, which is the type that std::get requires

  • 如果要改写成有范围限制的enum，略显拖沓

    enum class UserInfoFields {uiName, uiEmail, uiReputation};
    UserInfo uInfo;
    ...
    auto val = std::get<static_cast<std::size_t>(UserInfoFields::uiEmail)>(uInfo);

5. Prefer deleted functions to private undefined ones

•  删除的函数和声明为private的函数之间的区别
  • 删除的函数在任何地方都不能使用，所以成员函数和友元函数都不能使用已经删除的函数，否则会编译失败，这在C++98中会推迟到链接阶段才会报错
  • 删除的函数是pulic而不是private，因为当客户端代码试图使用这个删除的成员函数时，C++会首先检查访问权限，后检查删除状态，如果设为private，编译器给出的是权限不足警告而不是函数不可用警告
  • 任何函数都可以是deleted状态，而只有成员函数可以是private，例如删除某些过时的重载函数

    bool isLucky(int number);
    bool isLucky(char) = delete;
    bool isLucky(bool) = delete;
    bool isLucky(double) = delete;

  • 虽然删除的函数不能使用，但仍然是程序的一部分，因此，在重载解析过程中也会被纳入考虑中

  • 模板函数可以通过删除来阻止部分实例化函数，而允许其他实例化存在

    template<typename T>
    void processPointer(T* ptr);
    
    template<>
    void processPointer<void>(void*) = delete;
    
    template<>
    void processPointer<char>(char*) = delete;

  • 有意思的是，如果在类里面有一个模板函数，则不能通过设置private来禁用一些实例化，因为不能给一个成员函数的模板特化一个不同于主模板的访问权限，例如

    class Widget {
        public:
            ...
            template<typename T>
            void processPointer(T* ptr) {...}
        private:
            template<>
            void processPointer<void>(void*); // error
    };

    • 问题在于模板特化必须被卸载命名空间范围内，而不是在类范围内，因此可以使用delete来实现

      class Widget {
          public:
              ...
              template<typename T>
              void processPointer(T* ptr) {...}
              ...  
      };
      
      template<>
      void Widget::processPointer<void>(void*) = delete;

6. Declare overriding functions override

• 覆盖产生的必要条件
  • 基类函数必须是virtual的
  • 基类和派生类的函数名必须一致
  • 基类和派生类函数的参数类型必须一致
  • 基类和派生类函数的const属性必须一致
  • 基类和派生类函数的返回类型以及异常说明必须兼容
  • 函数的引用修饰必须一致(C++11)
    • 限制成员函数的使用只能是左值或者右值(*this)

      class Widget {
         public:
         ...
         void doWork() &; // only when *this is an lvalue
         void doWork() &&; // only when *this is an rvalue
      };
      
      ...
      Widget makeWidget();
      Widget w;
      ...
      w.doWork();
      makeWidget().doWork();

• 显式地对成员函数声明override能使得编译器检查是否正确覆盖，而不是在没有正确覆盖时隐式地转换成了重载或者其他合法函数，而使得调用时发生意外调用，例如

  class Base{
     public:
         virtual void mf1() const;
         virtual void mf2(int x);
         virtual void mf3() &;
         void mf4() const;
  };
  
  class Derived: public Base {
     public:
         virtual void mf1();  // not const 
         virtual void mf2(unsigned int x);  // not int
         virtual void mf3() &&; // not &
         void mf4() const; // not virtual in base
  };

  • 虽然上面的函数都没有发生覆盖，但是有些编译器认为都是合法的，而不会给出警告，正确的做法是

    class Derived: public Base {
        public:
            virtual void mf1() override;
            virtual void mf2(unsigned int x) override;
            virtual void mf3() && override;
            virtual void mf4() const override;
    };

    • 此时，编译器能检查出所有的错误覆盖

7. Prefer const_iterators to iterators

8. Declare functions noexcept if they won't emit exceptions

9. Use constexpr whenever possible

• 对于constexpr对象，它们具有const属性，并且它们的值在编译的时候确定(从技术角度讲，是在转换期间确定，转换期包括编译和链接)，它们的值也许会被放在只读内存区中，它们的值也能被用在整型常量表达式中，例如数组长度，整型模板参数，枚举值，对齐指示符等等
• 当constexpr函数使用constexpr对象时，它们会产生编译期常量，如果constexpr函数使用了运行时的值，它们就会产生运行时的值，但是如果constexpr函数使用的所有参数都是运行时的值，那么就会报错
• 在C++11中，constexpr函数只能包含不超过一条return语句的执行语句，但是可以使用条件运算符和递归来实现多重运算。
• 在C++14中，constexpr函数的语句数量没有限制，但是函数必须接收和返回字面值类型，也就是指可以在编译期间确定值的类型。
• 字面值类型包括除了void修饰的类型和带有constexpr修饰的用户自定义类型(因为构造函数和其他成员函数也可能是constexpr)

  class Point {
     public:
         constexpr Point(double xVal = 0, double yVal = 0) noexcept: x(xVal), y(yVal) {}
         constexpr double xValue() const noexcept { return x;}
         constexpr double yValue() const noexcept { return y;}
         void setX(double newX) noexcept { x = newX;}
         void setY(double newY) noexcept { y = newY;}
     private:
         double x, y;
  };
  constexpr Point p1(9.4, 2.7);
  constexpr Point p2(28.8, 5.3);
  
  constexpr Point midpoint(const Point& p1, const Point& p2) noexcept
  {
       return { (p1.xValue() + p2.xValue()) / 2, (p1.yValue() + p2.yValue()) / 2 };
  }
  
  constexpr auto mid = midpoint(p1, p2);

• C++11中，setX和setY不能被声明为constexpr，因为不能在const成员函数中修改成员变量，而且返回值为void，并不是字面值常量，但是C++14中是允许的

10. Make const member functions thread safe

11. Understand special member function generation

• 特殊成员函数是C++会自动生成的函数，C++98中有四个这样的函数：默认构造函数，析构函数，拷贝构造函数，拷贝赋值运算符；C++11中多了两个：移动构造函数和移动赋值运算符
• 两个拷贝操作是无关的，声明一个不会阻止编译器产生另一个
• 两个移动操作是相关的，声明一个会阻止编译器自动产生另一个
• 显式声明一个拷贝操作后，移动操作就不会被自动生成，反之依然，理由是：比如声明了拷贝运算，就说明移动操作不适合用于此类
• 三条规则：如果声明了拷贝构造，拷贝赋值或者析构函数中任何一个，都应该将三个一起声明，因为这三个函数是相互关联的
• 三条规则暗示了析构函数的出现使得简单的memberwise拷贝不适合类的拷贝操作，也就是说如果声明了析构函数，那么就不应该自动生成拷贝操作相关的函数，因为可能会存在不一致的资源管理行为。同样的，也不应该自动生成移动操作相关的函数。所以，只有当类满足下面三个条件时，移动操作才会自动生成：
  • 没有声明拷贝操作
  • 没有声明移动操作
  • 没有声明析构函数
• 假如编译器生成的函数行为正确，那么我们只需要在函数名后面加上default就可以了，然编译器接管一切具体事务。