子彈 の VISIONS

　　隨著計算機(jī)語言的發(fā)展，我們現(xiàn)在編寫一個程序越來越容易了。利用一些軟件開發(fā)工具，往往只要通過鼠標(biāo)的拖拖點點，計算機(jī)就會自動幫你生成許多代碼。但在很多時候，計算機(jī)的這種能力被濫用了，我們往往只考慮把這個程序搭起來，而不去考慮程序的性能如何，程序是否足夠的健壯。而此節(jié)課的目的主要是介紹一些編碼的經(jīng)驗，讓大家編寫的程序更加健壯和高性能。

　　1、Prefer const and inline to #define

　　在C++編程中應(yīng)該盡量使用const和inline來代替#define，盡量做到能不用#define就不用。#define常見的用途有“定義常量”以及“定義宏”，但其中存在諸多的弊病。

　　第一，查錯不直觀，不利于調(diào)試。Define的定義是由預(yù)處理程序處理的，作的是完全的文本替換，不做任何的類型檢查。在編譯器處理階段，define定義的東西已經(jīng)被完全替換了，這樣在debug的時候就看不到任何的相關(guān)信息，即跟蹤時不能step into宏。例如，把ASPECT_RATIO用define定義成1.653，編譯器就看不到ASPECT_RATIO這個名字了。如果編譯器報1.653錯，那么就無從知道此1.653來自于何處。在真正編碼的時候應(yīng)該使用如下的語句來定義：


static const double ASPECT_RATIO = 1.653;

　　第二，沒有任何類型信息，不是type safe。因為它是文本級別的替換，這樣不利于程序的維護(hù)。

　　第三，define的使用很容易造成污染。比如，如果有兩個頭文件都定義了ASPECT_RATIO, 而一個CPP文件又同時包含了這兩個頭文件，那么就會造成沖突。更難查的是另外一種錯誤，比如有如下的代碼：
　　// in header file def.h
　　#define Apple 1
　　#define Orange 2
　　　 #define Pineapple 3
　　 …
　　// in some cpp file that includes the def.h
　　enum Colors {White, Black, Purple, Orange};

　　在.h文件中Orange被定義成水果的一種，而在.cpp文件中Orange又成為了一種顏色，那么編譯器就會把此處的Orange替換成2，編譯可能仍然可以通過，程序也能夠運(yùn)行，但是這就成了一個bug，表現(xiàn)出古怪的錯誤，且很難查錯。再比如定義了一個求a與b哪個數(shù)大的宏，#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
　　int a = 5, b = 0;
　　max(++ a, b);
　　max(++ a, b + 10);

　　在上面的操作中，max(++ a, b); 語句中a被++了兩次，而max(++ a, b + 10); 語句中a只加了一次，這樣在程序處理中就很有可能成為一個bug，且此bug也非常的難找。在實際編碼時可以使用如下的語句來做：
　　template
　　inline const T&
　　max(const T& a, const T& b) { return a > b ? a : b; }

　　2、Prefer C++-style casts

　　在程序中經(jīng)常會需要把一種類型轉(zhuǎn)換成另外一種類型，在C++中應(yīng)該使用static_cast、const_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast關(guān)鍵字來做類型轉(zhuǎn)換。因為這有以下好處，一是其本身就是一種注釋，在代碼中看到上面這些關(guān)鍵字就可馬上知道此處是進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。二是C語言中類型轉(zhuǎn)換通常是很難進(jìn)行搜索的，而通過關(guān)鍵字cast則可以很容易的找到程序中出現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換的地方了。

　　3、Distinguish between prefix and postfix forms of increment and decrement operators

　　通常對于操作系統(tǒng)或編譯器自身支持的類型，prefix（前綴，如++i）與postfix（后綴，如i++）的效果是一樣的。因為現(xiàn)在的編譯器都很聰明，它會自動做優(yōu)化，這兩者的匯編代碼是一樣的，性能不會有差別。但有時候也會有不同的，如一些重載了操作符的類型。下面是模擬prefix與postfix的操作過程，可以發(fā)現(xiàn)在postfix操作中會生成一個臨時變量，而這一臨時變量是會占用額外的時間和開銷的。
　　// prefix form: increment and fetch
　　UPInt& UPInt::operator++()
　　　{
　　　 *this += 1; // increment
　　　return *this; // fetch
　　　}
　　// postfix form: fetch and increment
　　　const UPInt UPInt::operator++(int)
　　　{
　　　 UPInt oldValue = *this; // fetch
　　　++(*this); // increment
　　　 return oldValue; // return what was fetched
　　 }

　　一般情況下不需要區(qū)分是先++，還是后++，但是我們在編寫程序的時候最好能習(xí)慣性的將其寫成++i的形式，如在使用STL中的iterator時，prefix與postfix會有相當(dāng)大的性能差異。請不要小看這些細(xì)節(jié)，實際在編寫程序的時候，若不注意具體細(xì)節(jié)，你會發(fā)現(xiàn)程序的性能會非常的低。但要注意，雖然在大多數(shù)情況下可以用prefix來代替postfix，但有一種情況例外，那就是有[]操作符時，比如gzArray [++index] 是不等于 gzArray[index++]的。

4、Minimizing Compile-time Dependencies

　　有些人在編寫程序時，往往喜歡將一個.h文件包含到另一個.h文件，而實踐證明在做大型軟件時這是一個非常不好的習(xí)慣，因這樣會造成很多依賴的問題，包含較多的.h文件，別人又使用了這個class，而在他的那個工程中可能并不存在這些.h文件，這樣很可能就編譯不能通過。而且這樣做，還可能造成很難去更新一個模塊的情況。因為一個.h文件被很多模塊包含的話，如果修改了此.h文件，在編譯系統(tǒng)的時候，編譯器會去尋找哪些模塊依賴于某個被修改過的.h文件，那么就導(dǎo)致了所有包含入此.h文件的模塊全都要進(jìn)行重新編譯。在項目比較小的時候，大家可能還感覺不到差別，但是如果說是在大型的軟件系統(tǒng)里，你可能編譯一遍源碼需要七、八個小時。如果你這個.h文件被很多模塊包含的話，就算在.h文件中加了一行注釋，在編譯時編譯器檢查哪些文件被改動，那么所有包含入此.h文件的模塊都會被重新編譯，造成巨大的時間和精力負(fù)擔(dān)。對于此問題，解決的方法就是讓.h文件自包含，也就是說讓它包含盡量少的東西。所謂盡量少是指如刪掉任何一個它包含進(jìn)來的.h文件，都將無法正常進(jìn)行工作。其實在很多情況下，并不需要一個.h文件去包含另一個.h文件，完全可以通過class聲明來解決依賴關(guān)系的這種問題。再來看下面這個例子：
　　#include "a.h" // class A
　　#include "b.h" // class B
　　#include "c.h" // class C
　　#include "d.h" // class D
　　#include "e.h" // class E
　　class X : public A, private B
　　{
　　　public:
　　E SomeFunctionCall(E someParameter);
　　　private:
　　 D m_dInstance;
　　};

　　當(dāng)類X從類A和類B中派生時，需要知道X在內(nèi)存中都有哪些data，通常在內(nèi)存中前面是基類的data，后面緊跟的是此派生類自身定義的data，因此就必須知道類A與類B的內(nèi)部細(xì)節(jié)，要不然編譯器就無法來安排內(nèi)存了。但是在處理參數(shù)以及參數(shù)返回值的時候，實際上并不需要知道這些信息，在此處定義的SomeFunctionCall()只需知道E是個class就足夠了，并不需要知道類E中的data如長度等的具體細(xì)節(jié)。上面的代碼應(yīng)該改寫成如下的形式，以減少依賴關(guān)系：
　　#include "a.h" // class A
　　#include "b.h" // class B
　　#include "c.h" // class C
　　#include "d.h" // class D
　　class E;
　　class X : public A, private B
　　{
　　　public:
　　E SomeFunctionCall(E someParameter);
　　　private:
　　D m_dInstance;
　　};

　　5、Never treat arrays polymorphically

　　不要把數(shù)組和多態(tài)一起使用，請看下面的例子。
　　class BST { ... };
　　class BalancedBST: public BST { ... };
　　void printBSTArray(ostream& s, const BST array[], int numElements)
　　{
　　for (int i = 0; i < numElements; ++i)
　　{
　　 s << array[i];
　　// this assumes an operator<< is defined for BST
　　}
　　}

　　BalancedBST bBSTArray[10];
　　printBSTArray(cout, bBSTArray, 10);

　　數(shù)組在內(nèi)存中是一個連續(xù)的內(nèi)存空間，而在數(shù)組中應(yīng)該如何來定位一個元素呢？過程是這樣的，編譯器可以知道每個數(shù)據(jù)類型的長度大小，如果數(shù)組的index是0，則會自動去取第一個元素；如果是指定了某個index，編譯器則會根據(jù)此index與該數(shù)據(jù)類型的長度自動去算出該元素的位置。

　　在printBSTArray()函數(shù)中，盡管傳入的參數(shù)是BalancedBST類型，但由于其本來定義的類型是BST，那么它依然會根據(jù)BST來計算類型的長度。而通常派生類實例所占的內(nèi)存要比基類實例所占的內(nèi)存大一些，因此該程序在編譯時會報錯。請記住，永遠(yuǎn)不要把數(shù)組和C++的多態(tài)性放在一起使用。

　　6、Prevent exceptions from leaving destructors

　　析構(gòu)函數(shù)中一定不要拋出異常。通常有兩種情況會導(dǎo)致析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用，一種是當(dāng)該類的對象離開了它的域，或delete表達(dá)式中一個該類對象的指針，另一種是由于異常而引起析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用。

　　如果析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用是由于exception引起，而此時在析構(gòu)函數(shù)中又拋出了異常，程序會立即被系統(tǒng)終止，甚至都來不及進(jìn)行內(nèi)存釋放。因此如果在析構(gòu)函數(shù)中拋出異常的話，就很容易混淆引起異常的原因，且這樣的軟件也會讓用戶非常惱火。由于析構(gòu)函數(shù)中很可能會調(diào)用其它的一些函數(shù)，所以在寫析構(gòu)函數(shù)的時候一定要注意，對這些函數(shù)是否會拋出異常要非常清楚，如果會的話，就一定要小心了。比如下面這段代碼：
　　Session::~Session()
　 {
　　logDestruction(this);
　 }

　　比如logDestruction()函數(shù)可能會拋出異常，那么我們就應(yīng)該采用下面這種代碼的形式：
　　Session::~Session()
　 {
　　 try
　　{
　　　logDestruction(this);
　　 }
　　 catch (...)
　　{
　　 }
　}

　　這樣程序出錯的時候不會被立即關(guān)掉，可以給用戶一些其它的選擇，至少先讓他把目前在做的工作保存下來。

　　7、Optimization:Remember the 80-20 rule

　　在軟件界有一個20-80法則，其實這是一個很有趣的現(xiàn)象，比如一個程序中20%的代碼使用了該程序所占資源的80%；一個程序中20%的代碼占用了總運(yùn)行時間的80%；一個程序中20%的代碼使用了該程序所占內(nèi)存的80%；在20%的代碼上面需要花費(fèi)80%的維護(hù)力量，等等。這個規(guī)律還可以被繼續(xù)推廣下去，不過這個規(guī)律無法被證明，它是人們在實踐中觀察得出的結(jié)果。從這個規(guī)律出發(fā)，我們在做程序優(yōu)化的時候，就有了針對性。比如想提高代碼的運(yùn)行速度，根據(jù)這個規(guī)律可以知道其中20%的代碼占用了80%的運(yùn)行時間，因此我們只要找到這20%的代碼，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，那么我們程序的運(yùn)行速度就可以有較大的提高。再如有一個函數(shù)，占用了程序80%的運(yùn)行時間，如果把這個函數(shù)的執(zhí)行速度提高10倍，那么對程序整體性能的提高，影響是非常巨大的。如果有一個函數(shù)運(yùn)行時間只占總時間的1%，那就算把這個函數(shù)的運(yùn)行速度提高1000倍，對程序整體性能的提高也是影響不大的。所以我們的基本思想就是找到占用運(yùn)行時間最大的那個函數(shù)，然后去優(yōu)化它，哪怕只是改進(jìn)了一點點，程序的整體性能也可以被提高很多。

　　要想找出那20%的代碼，我們的方法就是使用Profiler，它實際上是一些公司所開發(fā)的工具，可以檢查程序中各個模塊所分配內(nèi)存的使用情況，以及每個函數(shù)所運(yùn)行的時間等。常見的Profiler有Intel公司開發(fā)的VTune，微軟公司開發(fā)的Visual Studio profiler，DevPartner from Compuware等。