【避坑指南】用C/C++時，要警惕這些，都是坑（c坑是什么）

一、導語

C++是一門被廣泛使用的系統級編程語言，更是高性能后端標準開發語言；C++雖功能強大，靈活巧妙，但卻屬于易學難精的專家型語言，不僅新手難以駕馭，就是老司機也容易掉進各種陷阱。

二、陷阱

我的程序里用了全局變量，為何進程退出會莫名其妙的core掉？

Rule：C++在不同模塊（源文件）里定義的全局變量，不保證構造順序；但保證在同一模塊（源文件）里定義的全局變量，按定義的先后順序構造，按定義的相反次序析構。

我們程序在a.cpp里定義了依次全局變量X和Y;

按照規則：X先構造，Y后構造；進程停止執行的時候，Y先析構，X后析構；但如果X的析構依賴于Y，那么core的事情就有可能發生。

結論：如果全局變量有依賴關系，那么就把它們放在同一個源文件定義，且按正確的順序定義，確保依賴關系正確，而不是定義在不同源文件；對于系統中的單件，單件依賴也要注意這個問題。

std::sort()的比較函數有很強的約束，不能亂來

相信工作5年以上至少50%的C/C++程序員都被它坑過，我已經聽到過了無數個悲傷的故事，《圣斗士星矢》，《仙劍》，還有別人家的項目《天天愛消除》，都有人掉坑，程序運行幾天莫名奇妙的Crash掉，一臉懵逼。

如果要用，要自己提供比較函數或者函數對象，一定搞清楚什么叫“嚴格弱排序”，一定要滿足以下3個特性：

1. 非自反性

2. 非對稱性

3. 傳遞性

盡量對索引或者指針sort，而不是針對對象本身，因為如果對象比較大，交換（復制）對象比交換指針或索引更耗費。

注意操作符短路

考慮游戲玩家回血回藍（魔法）刷新給客戶端的邏輯。玩家每3秒回一點血，玩家每5秒回一點藍，回藍回血共用一個協議通知客戶端，也就是說只要有回血或者回藍就要把新的血量和魔法值通知客戶端。

玩家的心跳函數heartbeat()在主邏輯線程被循環調用

void GamePlayer::Heartbeat() { if (GenHP() || GenMP()) { NotifyClientHPMP(); } }

如果GenHP回血了，就返回true，否則false；不一定每次調用GenHP都會回血，取決于是否達到3秒間隔。

如果GenMP回藍了，就返回true，否則false；不一定每次調用GenMP都會回血，取決于是否達到5秒間隔。

實際運行發現回血回藍邏輯不對，Word麻，原來是操作符短路了，如果GenHP()返回true了，那GenMP()就不會被調用，就有可能失去回藍的機會。你需要修改程序如下：

void GamePlayer::Heartbeat() { bool hp = GenHP(); bool mp = GenMP(); if (hp || mp) { NotifyClientHPMP(); } }

邏輯與（&&）跟邏輯或（||）有同樣的問題， if (a && b) 如果a的表達式求值為false，b表達式也不會被計算。

有時候，我們會寫出 if (ptr != nullptr && ptr->Do())這樣的代碼，這正是利用了操作符短路的語法特征。

別讓循環停不下來

for (unsigned int i = 5; i >=0; --i) { //... }

程序跑到這，WTF？根本停不下來啊？問題很簡單，unsigned永遠>=0，是不是心中一萬只馬奔騰？

解決這個問題很簡單，但是有時候這一類的錯誤卻沒這么明顯，你需要罩子放亮點。

內存拷貝小心內存越界

memcpy，memset有很強的限制，僅能用于POD結構，不能作用于stl容器或者帶有虛函數的類。

帶虛函數的類對象會有一個虛函數表的指針，memcpy將破壞該指針指向。

對非POD執行memset/memcpy，免費送你四個字：自求多福

注意內存重疊

內存拷貝的時候，如果src和dst有重疊，需要用memmov替代memcpy。

理解user stack空間很有限

不能在棧上定義過大的臨時對象。一般而言，用戶棧只有幾兆（典型大小是4M，8M），所以棧上創建的對象不能太大。

用sprintf格式化字符串的時候，類型和符號要嚴格匹配

因為sprintf的函數實現里是按格式化串從棧上取參數，任何不一致，都有可能引起不可預知的錯誤； /usr/include/inttypes.h里定義了跨平臺的格式化符號，比如PRId64用于格式化int64_t

用c標準庫的安全版本（帶n標識）替換非安全版本

比如用strncpy替代strcpy，用snprintf替代sprintf，用strncat代替strcat，用strncmp代替strcmp，memcpy(dst, src, n)要確保[dst，dst+n]和[src, src+n]都有有效的虛擬內存地址空間。多線程環境下，要用系統調用或者庫函數的安全版本代替非安全版本（_r版本），謹記strtok，gmtime等標準c函數都不是線程安全的。

STL容器的遍歷刪除要小心迭代器失效

vector,list,map,set等各有不同的寫法：

int main(int argc, char *argv[]) { //vector遍歷刪除 std::vector v(8); std::generate(v.begin(), v.end(), std::rand); std::cout << "after vector generate...\n"; std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator(std::cout, "\n")); for (auto x = v.begin(); x != v.end(); ) { if (*x % 2) x = v.erase(x); else ++x; } std::cout << "after vector erase...\n"; std::copy(v.begin(), v.end(), std::ostream_iterator(std::cout, "\n")); //map遍歷刪除 std::map m = {{1,2}, {8,4}, {5,6}, {6,7}}; for (auto x = m.begin(); x != m.end(); ) { if (x->first % 2) m.erase(x++); else ++x; } return 0; }

有時候遍歷刪除的邏輯不是這么明顯，可能循環里調了另一個函數，而該函數在某種特定的情況下才會刪除當前元素，這樣的話，就是很長一段時間，程序都運行得好好的，而當你正跟別人談笑風生的時候，忽然crash，這就尷尬了。

圣斗士星矢項目曾經遭遇過這個問題，基本規律是一個禮拜game server crash一次，折磨團隊將近一個月。

比較low的處理方式可以把待刪元素放到另一個容器WaitEraseContainer里保存下來，再走一趟單獨的循環，刪除待刪元素。

當然，我們推薦在遍歷的同時刪除，因為這樣效率更高，也顯得行家里手。

三、性能

空間換取時間

通過空間換取時間是提高性能的慣用法，bitmap，int map[]這些慣用法要了然于胸。

減少拷貝 & COW

了解Copy On Write。

只要可能就應該減少拷貝，比如通過共享，比如通過引用指針的形式傳遞參數和返回值。

延遲計算和預計算

比如游戲服務器端玩家的戰力，由屬性a,b決定，也就是說屬性a，b任何一個變化，都需要重算戰力；但如果ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()之后，都重算戰力卻并非真正必要，因為修改屬性A之后有可能馬上修改B，兩次重算戰力，顯然第一次重算的結果會很快被第二次的重算覆蓋。

而且很多情況下，我們可能需要在心跳里，把最新的戰力值推送給客戶端，這樣的話，ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()里，我們其實只需要把戰力置臟，延遲計算，這樣就能避免不必要的計算。

在GetFightValue()里判斷FightValueDirtyFlag，如果臟，則重算，清臟標記；如果不臟，直接返回之前計算的結果。

預計算的思想類似。

分散計算

分散計算是把任務分散，打碎，避免一次大計算量，卡住程序。

哈希

減少字符串比較，構建hash，可能會多費一點存儲空間，但收益可觀，信我。

日志節制

日志的開銷不容忽視，要分級，可以把日志作為debug手段，但要release干凈。

編譯器為什么不給局部變量和成員變量做默認初始化

因為效率，C++被設計為系統級的編程語言，效率是優先考慮的方向，c++秉持的一個設計哲學是“不為不必要的操作付出任何額外的代價”。所以它有別于java，不給成員變量和局部變量做默認初始化，如果需要賦初值，那就由程序員自己去保證。

結論：從安全的角度出發，不應使用未初始化的變量，定義變量的時候賦初值是一個好的習慣，很多錯誤皆因未正確初始化而起，C++11支持成員變量定義的時候直接初始化，成員變量盡量在成員初始化列表里初始化，且要按定義的順序初始化。

理解函數調用的性能開銷（棧幀建立和銷毀，參數傳遞，控制轉移），性能敏感函數考慮inline

X86_64體系結構因為通用寄存器數目增加到16個，所以64位系統下參數數目不多的函數調用，將會由寄存器傳遞代替壓棧方式傳遞參數，但棧幀建立、撤銷和控制轉移依然會對性能有所影響。

遞歸的優點、缺點

雖然遞歸函數能簡化程序編寫，但也常常帶來運行速度變慢的問題，所以需要預估好遞歸深度，優先考慮非遞歸實現版本。

遞歸函數要有退出條件且不能遞歸過深，不然有爆棧危險。

四、數據結構和容器

了解std::vector的方方面面和底層實現

1. vector是動態擴容的，2的次方往上翻，為了確保數據保存在連續空間，每次擴充，會將原member悉數拷貝到新的內存塊； 不要保存vector內對象的指針，擴容會導致其失效 ；可以通過保存其下標index替代。

2. 運行過程中需要動態增刪的vector，不宜存放大的對象本身 ，因為擴容會導致所有成員拷貝構造，消耗較大，可以通過保存對象指針替代。

3. resize()是重置大小；reserve()是預留空間，并未改變size()，可避免多次擴容； clear()并不會導致空間收縮 ，如果需要釋放空間，可以跟空的vector交換，std::vector .swap(v)，c++11里shrink_to_fit()也能收縮內存。

4. 理解at()和operator[]的區別 ：at()會做下標越界檢查，operator[]提供數組索引級的訪問，在release版本下不會檢查下標，VC會在Debug版本會檢查；c++標準規定:operator[]不提供下標安全性檢查。

5. C++標準規定了std::vector的底層用數組實現，認清這一點并利用這一點。

常用數據結構

數組：內存連續，隨機訪問，性能高，局部性好，不支持動態擴展，最常用。

鏈表：動態伸縮，脫離插入極快，特別是帶前后驅指針，內存通常不連續（當然可以通過從固定內存池分配規避），不支持隨機訪問。

查找：3種：bst，hashtable，基于有序數組的bsearch。二叉搜索樹（RBTree），這個從begin到end有序，最壞查找速度logN，壞處內存不連續，節點有額外空間浪費；hashtable，好的hash函數不好選，搜索最壞退化成鏈表，難以估計捅數量，開大了浪費內存，擴容會卡一下，無序；基于有序數組的bsearch，局部性好，insert/delete慢。

五、最佳實踐

對于在啟動時加載好，運行中不變化的查詢結構，可以考慮用sorted array替代map，hash表等

因為有序數組支持二分查找，效率跟map差不多。對于只需要在程序啟動的時候構建（排序）一次的查詢結構，有序數組相比map和hash可能有更好的內存命中性（局部命中性）。

運行過程中，穩定的查詢結構（比如配置表，需要根據id查找配置表項，運行過程中不增刪），有序數組是個不錯的選擇；如果不穩定，則有序數組的插入刪除效率比map，hashtable差，所以選用有序數組需要注意適用場合。

std::map or std::unorder_map？

想清楚他們的利弊，map是用紅黑樹做的，unorder_map底層是hash表做的，hash表相對于紅黑樹有更高的查找性能。hash表的效率取決于hash算法和沖突解決方法（一般是拉鏈法，hash桶），以及數據分布，如果負載因子高，就會降低命中率，為了提高命中率，就需要擴容，重新hash，而重新hash是很慢的，相當于卡一下。

而紅黑樹有更好的平均復雜度，所以如果數據量不是特別大，map是勝任的。

積極的使用const

理解const不僅僅是一種語法層面的保護機制，也會影響程序的編譯和運行。

const常量會被編碼到機器指令。

理解四種轉型的含義和區別

避免用錯，盡量少用向下轉型（可以通過設計加以改進）

static_cast, dynamic_cast,const_cast,reinterpret_cast，傻傻分不清？

C++磚家說：一句話，盡量少用轉型，強制類型轉換是C Style，如果你的C++代碼需要類型強轉，你需要去考慮是否設計有問題。

理解字節對齊

字節對齊能讓存儲器訪問速度更快。

字節對齊跟cpu架構相關，有些cpu訪問特定類型的數據必須在一定地址對齊的儲存器位置，否則會觸發異常。

字節對齊的另一個影響是調整結構體成員變量的定義順序，有可能減少結構體大小，這在某些情況下，能節省內存。

牢記3 rules和5 rules，當然C++11又多了&&的copy ctor和op=版本

只在需要接管的時候才自定義operator=和copy constructor，如果編譯器提供的默認版本工作的很好，不要去自找麻煩，自定義的版本勿忘拷貝每一個成分，如果要接管就要處理好。

組合優先于繼承，繼承是一種最強的類間關系

典型的適配器模式有類適配器和對象適配器，一般而言，建議用對象適配的方式，而非用基于繼承的類適配方式。

減少依賴，注意隔離

? 最大限度的減少文件間的依賴關系，用前向聲明拆解相互依賴。

? 了解pimpl技術。

? 頭文件要自給自足，不要圖省事all.h，不要包含不必要的頭文件，也不要把該包含的頭文件推給user去包含，一句話，頭文件包含要不多不少剛剛好。

嚴格配對

打開的句柄要關閉，加鎖/解鎖，new/delete，new[]/delete[]，malloc/free要配對，可以使用RAII技術防止資源泄露，編寫符合規范的代碼

Valgrind對程序的內存使用方式有期望，需要干凈的釋放，所以規范編程才能寫出valgrind干凈的代碼，不然再好的工具碰到不按規劃寫的代碼也是武功盡廢啊。

理解多繼承潛在的問題，慎用多繼承

多繼承會存在菱形繼承的問題，多個基類有相同成員變量會有問題，需要謹慎對待。

有多態用法抽象基類的析構函數要加virtual關鍵字

主要是為了基類的析構函數能得到正確的調用。

virtual dtor跟普通虛函數一樣，基類指針指向子類對象的時候，delete ptr，根據虛函數特征，如果析構函數是普通函數，那么就調用ptr顯式（基類）類型的析構函數；如果析構函數是virtual，則會調用子類的析構函數，然后再調用基類析構函數。

避免在構造函數和析構函數里調用虛函數

構造函數里，對象并沒有完全構建好，此時調用虛函數不一定能正確綁定，析構亦如此。

從輸入流獲取數據，要做好數據不夠的處理，要加try catch；沒有被吞咽的exception，會被傳播

從網絡數據流讀取數據，從數據庫恢復數據都需要注意這個問題。

協議盡量不要傳float，如果傳float要了解NaN的概念，要做好檢查，避免惡意傳播

可以考慮用整數替代浮點，比如萬分之五（5%%），就保存5。

定義宏要遵循常規

要對每個變量加括弧，有時候需要加do {} while(0)或者{}，以便能將一條宏當成一個語句。要理解宏在預處理階段被替換，不用的時候要#undef，要防止污染別人的代碼。

了解智能指針和指針的誤用

理解基于引用計數法的智能指針實現方式，了解所有權轉移的概念，理解shared_ptr和unique_ptr的區別和適用場景

考慮用std::shared_ptr管理動態分配的對象。

指針能帶來彈性，但不要誤用，它的彈性指一方面它能在運行時改變指向，可以用來做多態，另一方面對于不能固定大小的數組可以動態伸縮，但很多時候，我們對固定大小的array，也在init里new/malloc出來，其實沒必要，而且會多占用sizeof(void*)字節，而且增加一層間接訪問。

size_t到底是個什么？我該用有符號還是無符號整數？

size_t類型是被設計來保存系統存儲器上能保存的對象的最大個數。

32位系統，一個對象最小的單位是一個字節，那2的32次方內存，最多能保存的對象數目就是4G/1字節，正好一個unsigned int能保存下來（typedef unsigned int size_t）。

同樣，64位系統，unsigned long是8字節，所以size_t就是unsigned long的類型別名。

對于像索引，位置這樣的變量，是用有符號還是無符號呢？像money這樣的屬性呢？

一句話：要講道理，用最自然，最順理成章的類型。比如索引不可能為負用size_t，賬戶可能欠錢，則money用int。比如：

template class vector

{

T& operator(size_t index) {}

};

標準庫給出了最好的示范，因為如果是有符號的話，你需要這樣判斷

if (index < 0 || index >= max_num) throw out_of_bound();

而如果是無符號整數，你只需要判斷 if (index >= max_num)，你認可嗎？

整型一般用int，long就很好，用short，char需要很謹慎，要防止溢出

整型包括int，short，long，long long和char，沒錯，char也是整型，float是實型。

絕大多數情況下，用int，long就很好，long一般等于機器字長，能直接放到寄存器，硬件處理起來速度也通常更快。

很多時候，我們希望用short，char達到減少結構體大小的目的。但是由于字節對齊的原因，可能并不能真正減少大小，而且1,2個字節的整型位數太少，一不小心就溢出了，需要特別注意。

所以，除非在db、網絡這些對存儲大小非常敏感的場合，我們才需要考慮是否以short，char替代int，long。其他情況下，就相當于為省電而不開樓道的燈，省不了多少錢卻冒著摔斷腿的危險。

局部變量更沒有必要用(unsigned) short，char等，棧是自動伸縮的，它既不節省空間，還危險，還慢。

六、擴展

了解c++高階特性

模板和泛型編程，union，bitfield，指向成員的指針，placement new，顯式析構，異常機制，nested class，local class，namespace，多繼承、虛繼承，volatile，extern "C"等

有些高級特性只有在特定情況下才會被用到，但技多不壓身，平時還是需要積累和了解，這樣在需求出現時，才能從自己的知識庫里拿出工具來對付它。

了解C++新標準

關注新技術，c++11/14/17、lambda，右值引用，move語義，多線程庫等

c++98/03標準到c++11標準的推出歷經13年，13年來程序設計語言的思想得到了很大的發展，c++11新標準吸收了很多其他語言的新特性，雖然c++11新標準主要是靠引入新的庫來支持新特征，核心語言的變化較少，但新標準還是引入了move語義等核心語法層面的修改，每個CPPer都應該了解新標準。

OOD設計原則并不是胡扯

設計模式六大原則（1）：單一職責原則

設計模式六大原則（2）：里氏替換原則

設計模式六大原則（3）：依賴倒置原則

設計模式六大原則（4）：接口隔離原則

設計模式六大原則（5）：迪米特法則

設計模式六大原則（6）：開閉原則

熟悉常用設計模式，活學活用，不生搬硬套

神化設計模式和反設計模式，都不是科學的態度，設計模式是軟件設計的經驗總結，有一定的價值；GOF書上對每一個設計模式，都用專門的段落講它的應用場景和適用性，限制和缺陷，在正確評估得失的情況下，是鼓勵使用的，但顯然，你首先需要準確get到她。

C 語言 C++ 架構設計

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