C/C++陷阱與套路，當年就是折在這些地兒…
摘要：本文結合作者的工作經驗和學習心得，對C++語言的一些高階特性，做了簡單介紹；對一些常見的誤解，做了解釋澄清；對比較容易犯錯的地方，做了歸納總結；希望藉此能增進大家對C++語言瞭解，減少程式設計出錯，提升工作效率。
一、導語
C++是一門被廣泛使用的系統級程式語言，更是高效能後端標準開發語言；C++雖功能強大，靈活巧妙，但卻屬於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。
本文結合作者的工作經驗和學習心得，對C++語言的一些高階特性，做了簡單介紹；對一些常見的誤解，做了解釋澄清；對比較容易犯錯的地方，做了歸納總結；希望藉此能增進大家對C++語言瞭解，減少程式設計出錯，提升工作效率。
二、陷阱
我的程式裡用了全域性變數，為何程序退出會莫名其妙的core掉？
Rule：C++在不同模組（原始檔）裡定義的全域性變數，不保證構造順序；但保證在同一模組（原始檔）裡定義的全域性變數，按定義的先後順序構造，按定義的相反次序析構。
我們程式在a.cpp裡定義了依次全域性變數X和Y;
按照規則：X先構造，Y後構造；程序停止執行的時候，Y先析構，X後析構；但如果X的析構依賴於Y，那麼core的事情就有可能發生。
結論：如果全域性變數有依賴關係，那麼就把它們放在同一個原始檔定義，且按正確的順序定義，確保依賴關係正確，而不是定義在不同原始檔；對於系統中的單件，單件依賴也要注意這個問題。
std::sort()的比較函式有很強的約束，不能亂來
相信工作5年以上至少50%的C/C++程式設計師都被它坑過，我已經聽到過了無數個悲傷的故事，《聖鬥士星矢》，《仙劍》，還有別人家的專案《天天愛消除》，都有人掉坑，程式執行幾天莫名奇妙的Crash掉，一臉懵逼。
如果要用，要自己提供比較函式或者函式物件，一定搞清楚什麼叫“嚴格弱排序”，一定要滿足以下3個特性：
- 非自反性
- 非對稱性
- 傳遞性
儘量對索引或者指標sort，而不是針對物件本身，因為如果物件比較大，交換（複製）物件比交換指標或索引更耗費。
注意操作符短路
考慮遊戲玩家回血回藍（魔法）重新整理給客戶端的邏輯。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。
玩家的心跳函式heartbeat()在主邏輯執行緒被迴圈呼叫
void GamePlayer::Heartbeat() { if (GenHP() || GenMP()) { NotifyClientHPMP(); } }
如果GenHP回血了，就返回true，否則false；不一定每次呼叫GenHP都會回血，取決於是否達到3秒間隔。
如果GenMP回藍了，就返回true，否則false；不一定每次呼叫GenMP都會回血，取決於是否達到5秒間隔。
實際執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()就不會被呼叫，就有可能失去回藍的機會。你需要修改程式如下：
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的表示式求值為false，b表示式也不會被計算。
有時候，我們會寫出 if (ptr != nullptr && ptr->Do())這樣的程式碼，這正是利用了操作符短路的語法特徵。
別讓迴圈停不下來
for (unsigned int i = 5; i >=0; --i) { //... }
程式跑到這，WTF？根本停不下來啊？問題很簡單，unsigned永遠>=0，是不是心中一萬隻馬奔騰？
解決這個問題很簡單，但是有時候這一類的錯誤卻沒這麼明顯，你需要罩子放亮點。
記憶體拷貝小心記憶體越界
memcpy，memset有很強的限制，僅能用於POD結構，不能作用於stl容器或者帶有虛擬函式的類。
帶虛擬函式的類物件會有一個虛擬函式表的指標，memcpy將破壞該指標指向。
對非POD執行memset/memcpy，免費送你四個字：自求多福
注意記憶體重疊
記憶體拷貝的時候，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物件。一般而言，使用者棧只有幾兆（典型大小是4M，8M），所以棧上建立的物件不能太大。
用sprintf格式化字串的時候，型別和符號要嚴格匹配
因為sprintf的函式實現裡是按格式化串從棧上取引數，任何不一致，都有可能引起不可預知的錯誤； /usr/include/inttypes.h裡定義了跨平臺的格式化符號，比如PRId64用於格式化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]都有有效的虛擬記憶體地址空間。多執行緒環境下，要用系統呼叫或者庫函式的安全版本代替非安全版本（_r版本），謹記strtok，gmtime等標準c函式都不是執行緒安全的。
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麼明顯，可能迴圈裡調了另一個函式，而該函式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，程式都執行得好好的，而當你正跟別人談笑風生的時候，忽然crash，這就尷尬了。
聖鬥士星矢專案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裡儲存下來，再走一趟單獨的迴圈，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，也顯得行家裡手。
三、效能
空間換取時間
通過空間換取時間是提高效能的慣用法，bitmap，int map[]這些慣用法要了然於胸。
減少拷貝 & COW
瞭解Copy On Write。
只要可能就應該減少拷貝，比如通過共享，比如通過引用指標的形式傳遞引數和返回值。
延遲計算和預計算
比如遊戲伺服器端玩家的戰力，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()之後，都重算戰力卻並非真正必要，因為修改屬性A之後有可能馬上修改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裡，把最新的戰力值推送給客戶端，這樣的話，ModifyPropertyA(),ModifyPropertyB()裡，我們其實只需要把戰力置髒，延遲計算，這樣就能避免不必要的計算。
在GetFightValue()裡判斷FightValueDirtyFlag，如果髒，則重算，清髒標記；如果不髒，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，卡住程式。
雜湊
減少字串比較，構建hash，可能會多費一點儲存空間，但收益可觀，信我。
日誌節制
日誌的開銷不容忽視，要分級，可以把日誌作為debug手段，但要release乾淨。
編譯器為什麼不給區域性變數和成員變數做預設初始化
因為效率，C++被設計為系統級的程式語言，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”。所以它有別於java，不給成員變數和區域性變數做預設初始化，如果需要賦初值，那就由程式設計師自己去保證。
結論：從安全的角度出發，不應使用未初始化的變數，定義變數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支援成員變數定義的時候直接初始化，成員變數儘量在成員初始化列表裡初始化，且要按定義的順序初始化。
理解函式呼叫的效能開銷（棧幀建立和銷燬，引數傳遞，控制轉移），效能敏感函式考慮inline
X86_64體系結構因為通用暫存器數目增加到16個，所以64位系統下引數數目不多的函式呼叫，將會由暫存器傳遞代替壓棧方式傳遞引數，但棧幀建立、撤銷和控制轉移依然會對效能有所影響。
遞迴的優點、缺點
雖然遞迴函式能簡化程式編寫，但也常常帶來執行速度變慢的問題，所以需要預估好遞迴深度，優先考慮非遞迴實現版本。
遞迴函式要有退出條件且不能遞迴過深，不然有爆棧危險。
四、資料結構和容器
瞭解std::vector的方方面面和底層實現
- vector是動態擴容的，2的次方往上翻，為了確保資料儲存在連續空間，每次擴充，會將原member悉數拷貝到新的記憶體塊； 不要儲存vector內物件的指標，擴容會導致其失效 ；可以通過儲存其下標index替代。
- 執行過程中需要動態增刪的vector，不宜存放大的物件本身 ，因為擴容會導致所有成員拷貝構造，消耗較大，可以通過儲存物件指標替代。
- resize()是重置大小；reserve()是預留空間，並未改變size()，可避免多次擴容； clear()並不會導致空間收縮 ，如果需要釋放空間，可以跟空的vector交換，std::vector .swap(v)，c++11裡shrink_to_fit()也能收縮記憶體。
- 理解at()和operator[]的區別 ：at()會做下標越界檢查，operator[]提供陣列索引級的訪問，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。
- C++標準規定了std::vector的底層用陣列實現，認清這一點並利用這一點。
常用資料結構
陣列：記憶體連續，隨機訪問，效能高，區域性性好，不支援動態擴充套件，最常用。
連結串列：動態伸縮，脫離插入極快，特別是帶前後驅指標，記憶體通常不連續（當然可以通過從固定記憶體池分配規避），不支援隨機訪問。
查詢：3種：bst，hashtable，基於有序陣列的bsearch。二叉搜尋樹（RBTree），這個從begin到end有序，最壞查詢速度logN，壞處記憶體不連續，節點有額外空間浪費；hashtable，好的hash函式不好選，搜尋最壞退化成連結串列，難以估計捅數量，開大了浪費記憶體，擴容會卡一下，無序；基於有序陣列的bsearch，區域性性好，insert/delete慢。
五、最佳實踐
對於在啟動時載入好，執行中不變化的查詢結構，可以考慮用sorted array替代map，hash表等
因為有序陣列支援二分查詢，效率跟map差不多。對於只需要在程式啟動的時候構建（排序）一次的查詢結構，有序陣列相比map和hash可能有更好的記憶體命中性（區域性命中性）。
執行過程中，穩定的查詢結構（比如配置表，需要根據id查詢配置表項，執行過程中不增刪），有序陣列是個不錯的選擇；如果不穩定，則有序陣列的插入刪除效率比map，hashtable差，所以選用有序陣列需要注意適用場合。
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表相對於紅黑樹有更高的查詢效能。hash表的效率取決於hash演算法和衝突解決方法（一般是拉鍊法，hash桶），以及資料分佈，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，相當於卡一下。
而紅黑樹有更好的平均複雜度，所以如果資料量不是特別大，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，也會影響程式的編譯和執行。
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，儘量少用向下轉型（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，儘量少用轉型，強制型別轉換是C Style，如果你的C++程式碼需要型別強轉，你需要去考慮是否設計有問題。
理解位元組對齊
位元組對齊能讓儲存器訪問速度更快。
位元組對齊跟cpu架構相關，有些cpu訪問特定型別的資料必須在一定地址對齊的儲存器位置，否則會觸發異常。
位元組對齊的另一個影響是調整結構體成員變數的定義順序，有可能減少結構體大小，這在某些情況下，能節省記憶體。
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，如果編譯器提供的預設版本工作的很好，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。
組合優先於繼承，繼承是一種最強的類間關係
典型的介面卡模式有類介面卡和物件介面卡，一般而言，建議用物件適配的方式，而非用基於繼承的類適配方式。
減少依賴，注意隔離
- 最大限度的減少檔案間的依賴關係，用前向宣告拆解相互依賴。
- 瞭解pimpl技術。
- 標頭檔案要自給自足，不要圖省事all.h，不要包含不必要的標頭檔案，也不要把該包含的標頭檔案推給user去包含，一句話，標頭檔案包含要不多不少剛剛好。
嚴格配對
開啟的控制代碼要關閉，加鎖/解鎖，new/delete，new[]/delete[]，malloc/free要配對，可以使用RAII技術防止資源洩露，編寫符合規範的程式碼
Valgrind對程式的記憶體使用方式有期望，需要乾淨的釋放，所以規範程式設計才能寫出valgrind乾淨的程式碼，不然再好的工具碰到不按規劃寫的程式碼也是武功盡廢啊。
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數會有問題，需要謹慎對待。
有多型用法抽象基類的解構函式要加virtual關鍵字
主要是為了基類的解構函式能得到正確的呼叫。
virtual dtor跟普通虛擬函式一樣，基類指標指向子類物件的時候，delete ptr，根據虛擬函式特徵，如果解構函式是普通函式，那麼就呼叫ptr顯式（基類）型別的解構函式；如果解構函式是virtual，則會呼叫子類的解構函式，然後再呼叫基類解構函式。
避免在建構函式和解構函式裡呼叫虛擬函式
建構函式裡，物件並沒有完全構建好，此時呼叫虛擬函式不一定能正確繫結，析構亦如此。
從輸入流獲取資料，要做好資料不夠的處理，要加try catch；沒有被吞嚥的exception，會被傳播
從網路資料流讀取資料，從資料庫恢復資料都需要注意這個問題。
協議儘量不要傳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%%），就儲存5。
定義巨集要遵循常規
要對每個變數加括弧，有時候需要加do {} while(0)或者{}，以便能將一條巨集當成一個語句。要理解巨集在預處理階段被替換，不用的時候要#undef，要防止汙染別人的程式碼。
瞭解智慧指標和指標的誤用
理解基於引用計數法的智慧指標實現方式，瞭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管理動態分配的物件。
指標能帶來彈性，但不要誤用，它的彈性指一方面它能在執行時改變指向，可以用來做多型，另一方面對於不能固定大小的陣列可以動態伸縮，但很多時候，我們對固定大小的array，也在init裡new/malloc出來，其實沒必要，而且會多佔用sizeof(void*)位元組，而且增加一層間接訪問。
size_t到底是個什麼？我該用有符號還是無符號整數？
size_t型別是被設計來儲存系統儲存器上能儲存的物件的最大個數。
32位系統，一個物件最小的單位是一個位元組，那2的32次方記憶體，最多能儲存的物件數目就是4G/1位元組，正好一個unsigned int能儲存下來（typedef unsigned int size_t）。
同樣，64位系統，unsigned long是8位元組，所以size_t就是unsigned long的類型別名。
對於像索引，位置這樣的變數，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，最順理成章的型別。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 T> class vector { T& operator(size_t index) {} };
標準庫給出了最好的示範，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，要防止溢位
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一般等於機器字長，能直接放到暫存器，硬體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。但是由於位元組對齊的原因，可能並不能真正減少大小，而且1,2個位元組的整型位數太少，一不小心就溢位了，需要特別注意。
所以，除非在db、網路這些對儲存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，就相當於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。
區域性變數更沒有必要用(unsigned) short，char等，棧是自動伸縮的，它既不節省空間，還危險，還慢。
六、擴充套件
瞭解c++高階特性
模板和泛型程式設計，union，bitfield，指向成員的指標，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
有些高階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裡拿出工具來對付它。
瞭解C++新標準
關注新技術，c++11/14/17、lambda，右值引用，move語義，多執行緒庫等
c++98/03標準到c++11標準的推出歷經13年，13年來程式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援新特徵，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都應該瞭解新標準。
OOD設計原則並不是胡扯
- 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）：介面隔離原則
- 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，設計模式是軟體設計的經驗總結，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。