C++ Core Guidelines解析

在《C++ Core Guidelines 解析》中，C++ 专家讲师 Rainer Grimm提炼出了Core Guidelines中的精髓，去除了晦涩难懂的内容，分享了新的见解和背景，并提供了自己培训课程中经过充分测试的示例。

对于使用 C++11 及后续版本 C++ 的有经验程序员，Grimm 能为他们提供帮助，使其用好Core Guidelines。他的大部分代码示例是为 C++17 编写的，在合适的地方涵盖了更新版本和 C++20，并提供了对官方 C++ Core Guidelines在线版本的引用。

无论你是创建新软件还是改进旧代码，Grimm 都将帮助你从Core Guidelines里最有用的规则中获取更多价值，使你编写的代码更安全、更清晰、更高效，以及更易于维护。

* 应用Core Guidelines和其中的编程哲学

* 正确使用接口、函数、类、枚举、资源、表达式和语句

* 优化性能，实现并发和并行，处理错误

* 有效地使用常量、不可变性、模板、泛型和元编程

* 改进C++ 代码风格，管理源文件，使用标准库

Rainer Grimm 自 1999 年以来担任了软件架构师、团队主管和教练，并从 2002 年开始举办 C++、Python 和专有软件的培训班。作为独立培训讲师，他在编程会议上演讲，每周用英语和德语写博客，并撰写了数本关于现代 C++ 和并发的书籍。

由资深技术专家Rainer Grimm撰著的《C++ Core Guidelines解析》，从内容上说，选取了现代C++语言最核心的相关规则;从篇幅上说，对软件工程师非常友好。以“八二原则”看，这个精编解析版是一-个非常聪明的选择。同时，Rainer Grimm并没有简单照搬开源文档中的规则，而是结合自己丰富的咨询和培训经验，给出了非常翔实的解析，这自然为本书增色不少。最后，此书中文译本的质量让我非常放心。翻译团队

非常强大，领衔的吴咏炜在C++领域的功力自不必说，而且他在技术文本上字斟句酌的认真劲可是出了名的，杨文波、张云潮和何荣华在C++领域也都非常资深。非常开心C++中文社区的好书越来越多，我相信《(C++ Core Guidelines解析》会给各位C++工程师以及企业C++研发团队带来长久的价值。

前 言

本前言只有一个目的：给你——亲爱的读者，提供必要的背景，以便你从本书中获得最大的收获。这包括我的技术细节、写作风格、写这本书的动机以及写这样一本书的挑战。

惯例

我保证，只有几个惯例。

规则还是指导原则

C++ Core Guidelines 的作者经常把这些指导原则称为规则。我也一样。在本书中，我使用的这两个术语可以互换。

特殊字体

粗体 有时我用粗体字强调重要的术语。

Monospace 代码、指令、关键词、类型、变量、函数和类的名称都用等宽字体显示。

方框

每一章的结尾处基本都有方框，里面用点列表进行总结。

相关规则

一个规则常常会与其他规则相关。如果有必要，我会在一章的末尾提供这些有价值的信息。

本章精华

重要

在每一章的结尾处获得基本信息。

源代码

我不喜欢 using 指令和声明，因为它们隐藏了库函数的来源。但由于页面的空间有限，有时我还得用一下它们。我使用它们时，总是可以从 using 指令（using namespace std;）或 using 声明（using std::cout;）中推断出来源。并非所有头文件都会在代码片段中标出来。布尔值会显示为 true 或 false，产生此输出所必需的输入/输出操作符 std::boolalpha 大多不放在代码片段中。

代码片段中的3 个点（...）代表没写出的代码。

当我把完整的程序作为代码实例介绍时，你会在代码的第一行找到源文件的名称。

假设你使用的是 C++14 编译器。如果这个例子需要 C++17 或 C++20 的支持，我会在文件名后面提到所需的 C++ 标准。

我经常在源文件中使用“// (1)”之类的标记，以便后续解释。如果可能的话，我把标记写在引用的那一行；如果不行，就写在前面一行。这些标记不是本书中一百多个源文件的一部分（源文件可通过扫描本书封底二维码获取）。由于排版上的原因，我经常会对本书中的源代码进行调整。

当我使用 C++ Core Guidelines 中的例子时，经常为了提高可读性而进行重写：如果缺少 namespace std，我会加上；我也会统一格式。

为什么需要指导原则

下面是些主观的结论，主要基于我超过 15 年的 C++、Python 和一般软件开发的培训师经验。在过去几年里，我负责有关除颤器的软件研发以及团队管理。我的职责包括我们设备的合规事务。为除颤器编写软件的任务极具挑战性，因为它们可能给病人和操作者带来死亡或严重伤害。

我心中有一个问题，它也是我们C++ 社区需要回答的问题：为什么我们需要现代C++ 的指导原则？下面是我的想法。为了简单起见，我的想法包括三个方面。

对新手来说很复杂尤其对于初学者来说，C++ 是一种天然复杂的语言。这主要是因为我们要解决的问题本来就很棘手，而且往往很复杂。当你讲授 C++ 时，你应该提供一套规则，它们在至

少 95% 的用例中对你的学员有效。我想到的规则包括：

● 让编译器推断你的类型。

● 用花括号初始化。

● 优先选择任务而不是线程。

● 使用智能指针而不是原始指针。

我在培训班上讲授诸如上面的规则。我们需要一个关于 C++ 的上佳实践或规则的全集。这些规则应该是正面表述的，而不是否定式的。它们得声明你应该如何写代码，而C++ Core Guidelines 解析不是应该避免什么问题。

对专业人士来说很困难我并不担心每三年一次的新 C++ 标准所带来的大量新功能。我担心的是现代 C++支持的新思想。想想使用协程的事件驱动编程、惰性求值、无限数据流或用范围库进行函数组合。想想概念，它为模板参数引入了语义类别。向 C 程序员传授面向对象的思想的过程可能会充满挑战。因此，当你转向这些新的范式时，必须重新思考，你解决编程难题的方式也多半会改变。我想，过多的新思想尤其会让专业的程序员感到不知所措，他们习惯于用传统技术解决问题。他们很可能会落入“手里拿着锤子，所有问题都是钉子”这样的陷阱。

用在安全关键型软件中最后，我有个强烈的担忧。在安全关键型软件的开发中，你经常必须遵守一些规则。

最突出的是 MISRA C++。目前的 MISRA C++: 2008 指导原则是由汽车工业软件可靠性协会（MISRA）发布的。它们基于 1998 年的 MISRA C 指导原则，最初为汽车行业而设计，后来在航空、军事和医疗领域成为实施安全关键软件的事实标准。与 MISRA C 一样，MISRA C++ 描述了 C++ 的一个安全子集的指导原则。但是这里有个概念问题。

MISRA C++ 并不是现代 C++ 软件开发的最先进技术，它落后了4 个标准！举个例子：MISRA C++ 不允许运算符重载。我在培训班上讲，你应该使用用户定义字面量来实现类型安全的算术：auto constexpr dist = 4 * 5_m + 10_cm - 3_dm。为了实现这种类型安全的算术，你必须对算术运算符和后缀字面量运算符进行重载。说实话，我不相信 MISRA C++ 会与当前的 C++ 标准同步发展。只有社区驱动的指导原则，如 C++ Core Guidelines，才能面对这一挑战。

MISRA C++集成了AUTOSAR C++14 不过，仍有希望。MISRA C++ 集成了 AUTOSAR C++14。AUTOSAR C++14 基于C++14，应该会成为 MISRA C++ 标准的扩展。我非常怀疑由组织驱动的规则是否能够与现代 C++ 的动态发展保持同步。

我的挑战

回顾一下我在 2019 年 5 月与 Bjarne Stroustrup 和 Herb Sutter 讨论的电子邮件的基本内容，邮件里我告诉他们，我想写一本关于 C++ Core Guidelines 的书：“我是 C++ Core Guidelines 的绝对支持者，因为我坚信我们需要现代 C++ 的正确/安全的使用规则。

我经常在我的C++ 课程中使用C++ Core Guidelines 中的例子或想法。Guidelines 的格式让我想起了 MISRA C++ 或 AUTOSAR C++14 的规则。这可能是有意为之，但对于广大受众来说，它并不是理想的格式。我认为，如果我们用第二份文件描述Guidelines 的总体思路，将会有更多的人阅读和讨论Guidelines。”

我想对之前的这些对话补充一些说明。在过去的几年里，我在我的德语和英语博客上写了一百多篇关于 C++ Core Guidelines 的文章。此外，我还为德国的Linux-Magazin杂志写了一系列关于 C++ Core Guidelines 的文章。我这样做的原因有两个：首先，C++ Core Guidelines 应该被更多人所熟知；其次，我想以一种可读的形式介绍它们，如果有必要的话，提供更多的背景信息。

这是我的挑战：C++ Core Guidelines 由五百多条指导原则组成，很多时候直接称为规则。这些规则是在考虑静态分析的情况下设计的。许多规则对于专业的 C++ 软件开发者来说可以救命，但也有许多相当特殊的规则，往往不完整或多余，有时规则之间甚至相互矛盾。我的挑战是将这些有价值的规则编成可读的、可供消遣的故事，去除其中佶屈聱牙之处，必要时填补缺失的内容。说到底，这本书应该包含专业的 C++ 软件开发者必须遵守的规则。

万物流动，无物永驻

古希腊哲学家赫拉克利特有言：“万物流动，无物永驻。”这也代表了我在写这本书时面临的挑战。C++ Core Guidelines 是一个由 GitHub 托管的项目，有超过 200 个贡献者1。在我写这本书的时候，我所依据的原始条款可能已经发生改变了（见图a）。

图a C++各版本新特性

Guidelines 已经包含了 C++ 的特性，这些特性可能会成为即将到来的标准的一部分，例如 C++23 中的契约2。为了反映这一挑战，我做了几个决定：

● 我将重点放在 C++17 标准上。在合适的场合，我会描述针对 C++20 标准的规则，如概念。

1 译者注：到2022 年年底，贡献者已经超过了300 人。

2 译者注：遗憾的是，契约这一特性没能进入 C++23。

C++ Core Guidelines 解析

● C++ Core Guidelines 在不断演进，特别是随着新C++ 标准的发布而演进。本书也将如此。我计划对这本书进行相应的更新。

如何阅读本书

本书的结构代表了 C++ Core Guidelines 的结构。它有相应的主要章节和部分辅助章节。除了 C++ Core Guidelines 外，我还添加了附录，这些附录对缺失的主题进行了简明扼要的概述，包括 C++20 乃至 C++23 的特性。

至此，我仍然没有回答如何阅读本书的问题。当然，你应该从主要章节开始，最好从头到尾阅读。辅助章节提供了额外的信息，并特别介绍了Guidelines 支持库。可将附录当作参考来获得所需的背景信息，以便理解主要章节。没有这些额外的信息，本书就不完整。

目 录

第1 章 简介 1

1.1 目标读者群 1

1.2 目的 1

1.3 非目的 2

1.4 施行 2

1.5 结构 2

1.6 主要部分 2

第2 章 理念 5

第3 章 接口 11

3.1 非 const 全局变量的弊端 12

3.2 运用依赖注入化解 13

3.3 构建良好的接口 15

3.4 相关规则 19

第4 章 函数 21

4.1 函数定义 21

4.2 参数传递：入与出 25

4.3 参数传递：所有权语义 30

4.4 值返回语义 33

4.5 其他函数 36

4.6 相关规则 41

第5 章 类和类层次结构 43

5.1 概要规则 44

5.2 具体类型 47

5.3 构造函数、赋值运算符和析构函数 48

5.4 类层次结构 81

5.5 重载和运算符重载 97

5.6 联合体 104

5.7 相关规则 107

第6 章 枚举 109

6.1 通用规则 109

6.2 相关规则 114

第7 章 资源管理 115

7.1 通用规则 116

7.2 内存分配和释放 120

7.3 智能指针 124

7.4 相关规则 135

第8 章 表达式和语句 137

8.1 通用规则 138

8.2 声明 139

8.3 表达式 155

8.4 语句 166

8.5 算术 171

8.6 相关规则 176

第9 章 性能 177

9.1 错误的优化 177

9.2 错误的假设 178

9.3 启用优化 181

9.4 相关规则 190

第10 章 并发 191

10.1 通用规则 191

10.2 关于并发 202

10.3 关于并行 220

10.4 消息传递 223

10.5 无锁编程 227

10.6 相关规则 229

第11 章 错误处理 231

11.1 设计 232

11.2 实现 233

11.3 如果不能抛出异常 238

11.4 相关规则 241

第12 章 常量和不可变性 243

12.1 使用 const 243

12.2 使用 constexpr 247

第13 章 模板和泛型编程 249

13.1 关于使用 250

13.2 关于接口 252

13.3 关于定义 265

13.4 层次结构 276

13.5 变参模板 277

13.6 元编程 281

13.7 其他规则 302

13.8 相关规则 311

第14 章 C 风格编程 313

14.1 完整的源代码可用 314

14.2 没有完整的源代码 315

第15 章 源文件 319

15.1 接口和实现文件 319

15.2 命名空间 325

第16 章 标准库 331

16.1 容器 331

16.2 文本 337

16.3 输入和输出 343

16.4 相关规则 349

第17 章 架构观念 351

第18 章 伪规则和误解 355

第19 章 规格配置 363

19.1 Pro.type 类型安全 363

19.2 Pro.bounds 边界安全 364

19.3 Pro.lifetime 生存期安全 364

第20 章 Guidelines 支持库 365

20.1 视图 365

20.2 所有权指针 366

20.3 断言 366

20.4 实用工具 367

附录A 施行 C++ Core Guidelines 369

附录B 概念 375

附录C 契约 379