Стандарты программирования на С++

17. Избегайте магических чисел

Избегайте использования в коде литеральных констант наподобие 42 или 3.1415926. Такие константы не самоочевидны и усложняют сопровождение кода, поскольку вносят в него трудноопределимый вид дублирования. Используйте вместо них символьные имена и выражения наподобие

width*aspectRatiо

Имена добавляют информацию и вводят единую точку сопровождения; в отличие от них дублированные по всей программе обычные числа анонимны и трудно сопровождаемы. Константы должны быть перечислениями или

const

Одно число 42 может не быть тем же числом 42, что и другое. Что еще хуже, программист может выполнять какие-то вычисления "в уме" (например: "Вот это 84 — просто удвоенное 42, которое было пятью строками ранее"), что совершенно запутывает код и делает последующую замену 42 другой константой источником огромного количества ошибок.

Лучше заменять такие жестко кодированные величины символьными константами. Строки лучше хранить отдельно от кода (например, в отдельном

.срр

Пример 1. Важные константы из предметной области на уровне пространств имен.

const size_t PAGE_SIZE = 8192,

       WORDS_PER_PAGE = PAGE_SIZE / sizeof(int),

       INFO_BITS_PER_PAGE = 32 * CHAR_BIT;

Пример 2. Константы, специфичные для данного класса. Вы можете определить статические интегральные константы в определении класса; константы других типов требуют отдельного определения или применения коротких функций.

// Файл widget.h

class Widget {

 // Значение указано в объявлении

 static const int defaultWidth = 400;

 // Значение указано в определении

 static const double defaultPercent;

 static const char* Name() { return "widget"; }

};

// Файл widget.cpp

// Значение указано в определении

const double widget::defaultPercent = 66.67;

// Требуется объявление

const int widget::defaultWidth;

[Dewhurst03] §2 • [Kernighan99] §1.5 • [Stroustrup00] §4.8, §5.4

18. Объявляйте переменные как можно локальнее

Избегайте "раздувания" областей видимости. Переменных должно быть как можно меньше, а время их жизни — как можно короче. Эта рекомендация по сути является частным случаем рекомендации 10.

Переменные, время жизни которых превышает необходимое, имеют ряд недостатков.

• Они делают программу трудно понимаемой и сопровождаемой. Например, должен ли код обновлять строку path на уровне модуля, если изменен только текущий диск?

• Они засоряют контекст своими именами. Непосредственным следствием является то, что переменные на уровне пространства имен, наиболее видимые среди всех остальных, одновременно являются и наихудшими (см. рекомендацию 10).

• Они не всегда могут быть корректно инициализированы. Никогда не объявляйте переменную до того, как вы сможете корректно ее инициализировать. Неинициализированные переменные — источник "расползающихся" ошибок во всех программах С и С++, и требуют особого внимания в связи с тем, что не всегда могут быть обнаружены компилятором (см. рекомендацию 19).

В частности, старые версии языка С до [C99] требовали, чтобы переменные были определены только в начале области видимости; такой стиль в С++ вышел из употребления. Серьезная проблема такого ограничения состоит в том, что зачастую в начале области видимости не имеется достаточной информации для инициализации переменных. В результате у вас остается два выхода — либо инициализировать переменные некоторым значением по умолчанию (например, нулем), что обычно расточительно и может привести к ошибкам (если переменная будет использована до того, как приобретет некоторое осмысленное значение), либо оставить их неинициализированными, что опасно. Неинициализированная переменная пользовательского типа будет самоинициализироваться некоторым пустым значением.

Лечение этой болезни очень простое — определяйте каждую переменную настолько локально, насколько можете, что обычно означает точку непосредственное перед ее первым использованием, когда у вас уже достаточно данных для корректной инициализации.

Иногда с точки зрения производительности может оказаться выгодным вынесение переменной за пределы цикла (см. рекомендацию 9).

Поскольку константы не являются частью состояния программы, данная рекомендация на них не распространяется (см. рекомендацию 17).

[Dewhurst03] §3, §48, §66 • [Dewhurst03] §95 [McConnell93] §5.1-4, §10.1 • [Stroustrup00] §4.9.4, §6.3

19. Всегда инициализируйте переменные

Неинициализированные переменные — распространенный источник ошибок в программах на С и С++. Избегайте их, выработав привычку очищать память перед ее использованием; инициализируйте переменные при их определении.

В традициях низкоуровневой эффективности С++ (как и С), от компилятора зачастую не требуется инициализация переменных, пока вы не сделаете это явно (например, локальные переменные, члены, опущенные в списке инициализации конструктора). Такие переменные надо инициализировать явно.

Имеется несколько причин, по которым переменная может остаться неинициализированной. Но ни одна из них не является достаточно серьезной для того, чтобы оправдать опасность неопределенного поведения.

Если вы используете процедурный язык (такой как Pascal, С, Fortran или Cobol), вы можете определить переменные отдельно от кода, их использующего, и присвоить им значения позже, когда эти переменные будут использоваться. Этот подход устарел и не рекомендуется для использования (см. рекомендацию 18).

Распространенное заблуждение по поводу неинициализированных переменных заключается в том, что они приводят к краху программы, так что несколько неинициализированных переменных быстро обнаруживаются простым тестированием. На самом деле программы с неинициализированными переменными могут безукоризненно работать годами, если биты в памяти соответствуют требованиям программы. Позже вызов с другим контекстом, перекомпиляция или какие-то изменения в другой части программы могут привести к последствиям разной степени тяжести — от необъяснимого поведения до периодического аварийного завершения программы.

Пример 1. Использование инициализирующего значения по умолчанию или оператора

?:

// Не рекомендуется: не инициализирует переменную

int speedupFactor;

if (condition)

 speedupFactor = 2;

else

 speedupFactor = -1;

// Лучше: инициализирует переменную

int speedupFactor = -1;

if (condition)

 speedupFactor = 2;

// лучше: инициализирует переменную

int speedupFactor = condition ? 2 : -1;

Варианты, отмеченные как лучшие, не имеют промежутка между определением и инициализацией.

Пример 2. Замена сложных вычислений вызовом функции. Иногда вычисление значения происходит таким образом, что лучше инкапсулировать его в функции (см. рекомендацию 11).

// Не рекомендуется: не инициализирует переменную

int speedupFactor;

if (condition) {

 // ... код ...

 speedupFactor = somevalue;

} else {

 // ... код ...

 speedupFactor = someothervalue;

}

// Лучше: инициализирует переменную

int speedupFactor = ComputeSpeedupFactor();

Пример 3. Инициализация массивов. Для больших составных типов, таких как массивы, корректная инициализация не всегда означает реальное обращение к данным. Пусть, например, вы используете API, который заставляет вас использовать фиксированные массивы char размера

МАХ_РАТН

// Допустимо: Создание пустой строки

char path[MAX_PATH];

path[0] = '\0';

Более безопасная инициализация заполняет все элементы массива нулевыми значениями:

// Лучше: заполняем нулями весь массив

char path[MAX_PATH] = { '\0' };

Рекомендованы оба варианта, но в общем случае вы должны предпочитать безопасность излишней эффективности.

Входные буферы и данные, описанные как

volatile

[Dewhurst03] §48 • [Stroustrup00] §4.9.5, §6.3

20. Избегайте длинных функций и глубокой вложенности

Краткость — сестра таланта. Чересчур длинные функции и чрезмерно вложенные блоки кода зачастую препятствуют реализации принципа "одна функция — одна задача" (см. рекомендацию 5), и обычно эта проблема решается лучшим разделением задачи на отдельные части.

Каждая функция должна представлять собой связную единицу работы, несущую значимое имя (см. рекомендацию 5 и обсуждение рекомендации 70). Когда функция вместо этого пытается объединить малые концептуальные элементы такого рода в одном большом теле функции, это приводит к тому, что она начинает делать слишком многое.

Чрезмерно большая по размеру функция и чрезмерная вложенность блоков (например, блоков

if

for

while

try

Каждый дополнительный уровень вложенности приводит к излишним интеллектуальным нагрузкам при чтении кода, поскольку при этом требуется хранить в памяти "стек" наподобие "вошли в цикл… вошли в блок

try

for

whilе

Воспользуйтесь здравым смыслом. Ограничивайте длину и глубину ваших функций. Далее приведены некоторые добрые советы, которые помогут вам в этом.

• Предпочитайте связность. Пусть одна функция решает только одну задачу (см. рекомендацию 5).

• Не повторяйтесь. Следует предпочесть именованную функцию повтору схожих фрагментов кода.

• Пользуйтесь оператором

&&

if

&&

• Не нагружайте

try

try

• Пользуйтесь алгоритмами. Они короче, чем рукописные циклы, и зачастую лучше и эффективнее (см. рекомендацию 84).

• Не используйте

switch

Функция может на законных основаниях быть длинной и/или глубокой, если ее функциональность нельзя разумно разделить на отдельные подзадачи, поскольку каждое такое потенциальное разделение требует передачи массы локальных переменных и контекста (что приводит к еще менее удобочитаемому результату). Но если несколько таких потенциальных функций получают аналогичные аргументы, они могут быть кандидатами в члены нового класса.

[Piwowarski82] • [Miller56]

21. Избегайте зависимостей инициализаций между единицами компиляции

Объекты уровня пространств имен в разных единицах компиляции не должны зависеть друг от друга при инициализации, поскольку порядок их инициализации не определен. В противном случае вам обеспечена головная боль при попытках разобраться со сбоями в работе программы после внесения небольших изменений в ваш проект и невозможностью его переноса даже на новую версию того же самого компилятора.

Когда вы определяете два объекта уровня пространства имен в разных единицах компиляции, конструктор какого из объектов будет вызван первым, не определено. Чаще всего (но не всегда) ваш инструментарий будет инициализировать их в том порядке, в котором компонуются скомпилированные объектные файлы, но полагаться на это предположение нельзя, даже если оно и выполняется, — вы же не хотите, чтобы корректность вашей программы зависела от вашего файла проекта или

makefilе

Таким образом, в коде инициализации любого объекта уровня пространства имен вы не можете полагаться на то, что уже инициализирован некоторый объект, определенный в другой единице компиляции. Это же касается и динамически инициализируемых переменных примитивных типов (пример такого кода на уровне пространства имен:

bool reg_success = LibRegister("mylib");

Заметим, что еще до того, как будет вызван конструктор, объект на уровне пространства имен статически инициализируется нулями (в отличие от, скажем, автоматического объекта, который обычно содержит мусор). Парадоксально, но эта инициализация нулями может затруднить обнаружение ошибки, поскольку вместо аварийного завершения программы такой заполненный нулями (но на самом деле неинициализированный) объект создает видимость корректности. Вам кажется, что строка пуста, указатель имеет нулевое значение, целое число равно нулю, — в то время как на самом деле никакой код еще и не пытался инициализировать ваши объекты.

Чтобы решить эту проблему, избегайте переменных уровня пространства имен везде, где только можно; такие переменные — вообще опасная практика (см. рекомендацию 10). Если вам нужна такая переменная, которая может зависеть от другой, подумайте о применении шаблона проектирования Singleton; при аккуратном его использовании можно избежать неявных зависимостей, обеспечивая инициализацию объекта при его первом использовании. Singleton остается глобальной переменной в шкуре овцы (еще раз см. рекомендацию 10), и не работает при взаимных или циклических зависимостях (и здесь инициализация нулями также способствует общей неразберихе).

[Dewhurst03] §55 • [Gamma95] • [McConnell93] §5.1-4 • [Stroustrup00] §9.4.1, §10.4.9

22. Минимизируйте зависимости определений и избегайте циклических зависимостей

Избегайте излишних зависимостей. Не включайте при помощи директивы

#include

Избегайте взаимозависимостей. Циклические зависимости возникают, когда два модуля непосредственно или опосредованно зависят друг от друга. Модуль представляет собой обособленную единицу; взаимозависимые модули не являются полностью отдельными модулями, будучи по сути частями одного большего модуля. Таким образом, циклические зависимости являются противниками модульности и представляют угрозу большим проектам. Избегайте их.

Предпочитайте использовать предварительные объявления везде, где не требуется полное определение типа. Полное определение класса С требуется в двух основных случаях.

• Когда вам необходимо знать размер объекта С. Например, при создании объекта С в стеке или при использовании его в качестве непосредственно хранимого (не через указатель) члена другого класса.

• Когда вам требуется имя или вызов члена С. Например, когда вы вызываете функцию-член этого класса.

Не будем рассматривать в этой книге тривиальные случаи циклических зависимостей, которые приводят к ошибкам компиляции — думаем, вы успешно справитесь с ними, воспользовавшись многими хорошими советами, имеющимися в литературе и рекомендации 1. Мы же обратимся к циклическим зависимостям, которые остаются в компилируемом коде, и посмотрим, как они влияют на его качество и какие действия следует предпринять, чтобы избежать их.

В общем случае зависимости и их циклы следует рассматривать на уровне модулей. Модуль представляет собой образующий единое целое набор совместно опубликованных классов и функций (см. рекомендацию 5). Циклическая зависимость в простейшем виде представляет собой два класса, непосредственно зависящих друг от друга

class Child; // Устранение циклической зависимости

class Parent { // ...

 Child* myChild_;

};

// возможно, в другом заголовочном файле

class Child { // ...

 Parent* myParent_;

};

Классы

Parent

Child

В противоположность описанной ситуации, рассмотрим, что будет, если класс

Child

Parent

Child

Parent

Все становится еще хуже, когда зависимости охватывают несколько модулей. Такой мощный "клей", как зависимости, объединяют эти модуля в единую монолитную публикуемую единицу. Вот почему циклы являются самыми страшными врагами модульности.

Чтобы разорвать циклы, примените принцип инверсии зависимостей (Dependency Inversion Principle), описанный в [Martin96a] и [Martin00] (см. также рекомендацию 36): не делайте модули высокого уровня зависящими от модулей низкого уровня; вместо этого делайте их зависимыми от абстракций. Если вы можете определить независимые абстрактные классы для

Parent

Child

Частный вид зависимости, от которой страдают некоторые проекты, — это транзитивная зависимость от производных классов, которая осуществляется, когда базовый класс зависит от всех своих наследников, прямых и непрямых. Ряд реализаций шаблона проектирования Visitor приводят к такому виду зависимости, которая допустима только в исключительно стабильных иерархиях. В противном случае вам лучше изменить свой проект, например, воспользовавшись шаблоном проектирования Acyclic Visitor [Martin98].

Одним из симптомов чрезмерных зависимостей является перекомпиляция больших частей проекта при внесении небольших локальных изменений (см. рекомендацию 2).

Циклические зависимости между классами — не всегда плохо, пока классы рассматриваются как часть одного модуля и совместно тестируются и выпускаются. Простая непосредственная реализация таких шаблонов проектирования, как Command и Visitor приводят к интерфейсам, которые естественным образом оказываются взаимозависимыми. Такие зависимости можно разрушить, но это требует более четкого проектирования.

[Alexandrescu01] §3 • [Boost] • [Gamma95] • [Lakos96] §0.2.1, §4.6-14, §5 • [Martin96a] • [Martin96b] • [Martin98] §7 • [Martin00] • [McConnell93] §5 • [Meyers97] §46 • [Stroustrup00] §24.3.5 • [Sutter00] §26 • [Sutter02] §37 • [Sutter03]

23. Делайте заголовочные файлы самодостаточными

Убедитесь, что каждый написанный вами заголовочный файл компилируем самостоятельно, т.е. что он включает все заголовочные файлы, от которых зависит его содержимое.

Если один заголовочный файл не работает, пока не включен другой заголовочный файл, проект получается очень неуклюжим, а на пользователя возлагается дополнительная задача следить за тем, какие заголовочные файлы надо включить в исходный текст.

Раньше некоторые эксперты советовали, чтобы заголовочные файлы не включали другие заголовочные файлы из-за накладных расходов на многократное открытие и анализ заголовочных файлов, защищенных директивами препроцессоров от повторной обработки. К счастью, сейчас этот совет устарел. Многие современные компиляторы С++ распознают соответствующую защиту заголовочных файлов автоматически (см. рекомендацию 24) и просто не открывают один и тот же заголовочный файл дважды. Некоторые компиляторы используют предкомпиляцию заголовочных файлов, которая позволяет избежать анализа часто используемых заголовочных файлов.

Однако не включайте заголовочные файлы, в которых вы не нуждаетесь, так как это напрасно создает паразитные зависимости.

Для гарантии самодостаточности заголовочных файлов скомпилируйте каждый из них отдельно от других и убедитесь, что это не приводит к ошибкам или предупреждениям.

Ряд тонких моментов возникает в связи с использованием шаблонов.

Пример 1. Зависимые имена. Шаблоны компилируются в точке, где они определены, с тем исключением, что все зависимые имена или типы не компилируются до точки инстанцирования. Это означает, что

template class Widget 

std::deque

Widget

Widget

#include 

Пример 2. Шаблоны функций-членов и функции-члены шаблонов инстанцируются только при использовании. Предположим, что

Widget

std::deque

Widget

Transmogrify

deque

Widget

Widget

Transmogrify

Widget

Widget

[Lakos96] §3.2 • [Stroustrup00] §9.2.3 • [Sutter00] §26-30 • [Vandevoorde03] §9-10

24. Используйте только внутреннюю, но не внешнюю защиту директивы

#include

Предотвращайте непреднамеренное множественное включение ваших заголовочных файлов директивой

#include

Каждый заголовочный файл должен использовать внутреннюю защиту директивы

#include

fоо.h

#ifndef FOO_H_INCLUDED_

#define FOO_H_INCLUDED_

// ... Содержимое файла …

#endif

Обратите внимание на следующие правила при определении защиты включения.

• Используйте для защиты уникальные имена. Убедитесь, что вы используете имена, уникальные, по крайней мере, в пределах вашего приложения. Выше мы использовали одно распространенное соглашение для используемых в защите имен; имена для защиты могут включать имя приложения, а некоторые инструменты генерируют имена для защиты, содержащие случайные числа.

• Не пытайтесь хитрить. Не размещайте никакого кода или комментариев до и после защищенной части, и следуйте показанной выше стандартной форме защиты. Современные препроцессоры могут обнаружить защиту, но могут оказаться малоинтеллектуальными и ожидать кода защиты строго в начале и в конце заголовочных файлов.

Избегайте использования устаревшей внешней защиты директивы

#include

#ifndef FOO_H_INCLUDED_ // не рекомендуется

#include "foo.h"

#define FOO_H_INCLUDED_

#endif

Внешняя защита утомительна, устарела для современных компиляторов и ненадежна из-за необходимости согласования имен для защиты.

В очень редких случаях заголовочный файл может быть предназначен для многократного включения.

[C++03, §2.1] • [Stroustrup00] §9.3.3