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        二級(jí)考試C++輔導(dǎo):C++程序設(shè)計(jì)實(shí)踐

        字號(hào):

        隨著計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展,我們現(xiàn)在編寫一個(gè)程序越來(lái)越容易了。利用一些軟件開(kāi)發(fā)工具,往往只要通過(guò)鼠標(biāo)的拖拖點(diǎn)點(diǎn),計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)幫你生成許多代碼。但在很多時(shí)候,計(jì)算機(jī)的這種能力被濫用了,我們往往只考慮把這個(gè)程序搭起來(lái),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(yàn),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(lái)代替#define,盡量做到能不用#define就不用。#define常見(jiàn)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(cuò)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(shí)候就看不到任何的相關(guān)信息,即跟蹤時(shí)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(gè)名字了。如果編譯器報(bào)1.653錯(cuò),那么就無(wú)從知道此1.653來(lái)自于何處。在真正編碼的時(shí)候應(yīng)該使用如下的語(yǔ)句來(lái)定義:
            static const double ASPECT_RATIO = 1.653;
            第二,沒(méi)有任何類型信息,不是type safe。因?yàn)樗俏谋炯?jí)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(gè)頭文件都定義了ASPECT_RATIO, 而一個(gè)CPP文件又同時(shí)包含了這兩個(gè)頭文件,那么就會(huì)造成沖突。更難查的是另外一種錯(cuò)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(huì)把此處的Orange替換成2,編譯可能仍然可以通過(guò),程序也能夠運(yùn)行,但是這就成了一個(gè)bug,表現(xiàn)出古怪的錯(cuò)誤,且很難查錯(cuò)。再比如定義了一個(gè)求a與b哪個(gè)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(yǔ)句中a被++了兩次,而max(++ a, b + 10); 語(yǔ)句中a只加了,這樣在程序處理中就很有可能成為一個(gè)bug,且此bug也非常的難找。在實(shí)際編碼時(shí)可以使用如下的語(yǔ)句來(lái)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(huì)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(lái)做類型轉(zhuǎn)換。因?yàn)檫@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(yǔ)言中類型轉(zhuǎn)換通常是很難進(jìn)行搜索的,而通過(guò)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(duì)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?yàn)楝F(xiàn)在的編譯器都很聰明,它會(huì)自動(dòng)做優(yōu)化,這兩者的匯編代碼是一樣的,性能不會(huì)有差別。但有時(shí)候也會(huì)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(guò)程,可以發(fā)現(xiàn)在postfix操作中會(huì)生成一個(gè)臨時(shí)變量,而這一臨時(shí)變量是會(huì)占用額外的時(shí)間和開(kāi)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?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候好能習(xí)慣性的將其寫成++i的形式,如在使用STL中的iterator時(shí),prefix與postfix會(huì)有相當(dāng)大的性能差異。請(qǐng)不要小看這些細(xì)節(jié),實(shí)際在編寫程序的時(shí)候,若不注意具體細(xì)節(jié),你會(huì)發(fā)現(xiàn)程序的性能會(huì)非常的低。但要注意,雖然在大多數(shù)情況下可以用prefix來(lái)代替postfix,但有一種情況例外,那就是有[]操作符時(shí),比如gzArray [++index] 是不等于 gzArray[index++]的?!?、Minimizing Compile-time Dependencies
            有些人在編寫程序時(shí),往往喜歡將一個(gè).h文件包含到另一個(gè).h文件,而實(shí)踐證明在做大型軟件時(shí)這是一個(gè)非常不好的習(xí)慣,因這樣會(huì)造成很多依賴的問(wèn)題,包含較多的.h文件,別人又使用了這個(gè)class,而在他的那個(gè)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(guò)。而且這樣做,還可能造成很難去更新一個(gè)模塊的情況。因?yàn)橐粋€(gè).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(shí)候,編譯器會(huì)去尋找哪些模塊依賴于某個(gè)被修改過(guò)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(xiàng)目比較小的時(shí)候,大家可能還感覺(jué)不到差別,但是如果說(shuō)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(gè)小時(shí)。如果你這個(gè).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(shí)編譯器檢查哪些文件被改動(dòng),那么所有包含入此.h文件的模塊都會(huì)被重新編譯,造成巨大的時(shí)間和精力負(fù)擔(dān)。對(duì)于此問(wèn)題,解決的方法就是讓.h文件自包含,也就是說(shuō)讓它包含盡量少的東西。所謂盡量少是指如刪掉任何一個(gè)它包含進(jìn)來(lái)的.h文件,都將無(wú)法正常進(jìn)行工作。其實(shí)在很多情況下,并不需要一個(gè).h文件去包含另一個(gè).h文件,完全可以通過(guò)class聲明來(lái)解決依賴關(guān)系的這種問(wèn)題。再來(lái)看下面這個(gè)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(shí),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(wú)法來(lái)安排內(nèi)存了。但是在處理參數(shù)以及參數(shù)返回值的時(shí)候,實(shí)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(gè)class就足夠了,并不需要知道類E中的data如長(zhǎng)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(qǐng)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(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間,而在數(shù)組中應(yīng)該如何來(lái)定位一個(gè)元素呢?過(guò)程是這樣的,編譯器可以知道每個(gè)數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度大小,如果數(shù)組的index是0,則會(huì)自動(dòng)去取第一個(gè)元素;如果是指定了某個(gè)index,編譯器則會(huì)根據(jù)此index與該數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度自動(dòng)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(lái)定義的類型是BST,那么它依然會(huì)根據(jù)BST來(lái)計(jì)算類型的長(zhǎng)度。而通常派生類實(shí)例所占的內(nèi)存要比基類實(shí)例所占的內(nèi)存大一些,因此該程序在編譯時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。請(qǐng)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(huì)導(dǎo)致析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用,一種是當(dāng)該類的對(duì)象離開(kāi)了它的域,或delete表達(dá)式中一個(gè)該類對(duì)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(shí)在析構(gòu)函數(shù)中又拋出了異常,程序會(huì)立即被系統(tǒng)終止,甚至都來(lái)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(huì)讓用戶非常惱火。由于析構(gòu)函數(shù)中很可能會(huì)調(diào)用其它的一些函數(shù),所以在寫析構(gòu)函數(shù)的時(shí)候一定要注意,對(duì)這些函數(shù)是否會(huì)拋出異常要非常清楚,如果會(huì)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(huì)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(cuò)的時(shí)候不會(huì)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(lái)。
            7、Optimization:Remember the 80-20 rule
            在軟件界有一個(gè)20-80法則,其實(shí)這是一個(gè)很有趣的現(xiàn)象,比如一個(gè)程序中20%的代碼使用了該程序所占資源的80%;一個(gè)程序中20%的代碼占用了總運(yùn)行時(shí)間的80%;一個(gè)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(gè)規(guī)律還可以被繼續(xù)推廣下去,不過(guò)這個(gè)規(guī)律無(wú)法被證明,它是人們?cè)趯?shí)踐中觀察得出的結(jié)果。從這個(gè)規(guī)律出發(fā),我們?cè)谧龀绦騼?yōu)化的時(shí)候,就有了針對(duì)性。比如想提高代碼的運(yùn)行速度,根據(jù)這個(gè)規(guī)律可以知道其中20%的代碼占用了80%的運(yùn)行時(shí)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(gè)函數(shù),占用了程序80%的運(yùn)行時(shí)間,如果把這個(gè)函數(shù)的執(zhí)行速度提高10倍,那么對(duì)程序整體性能的提高,影響是非常巨大的。如果有一個(gè)函數(shù)運(yùn)行時(shí)間只占總時(shí)間的1%,那就算把這個(gè)函數(shù)的運(yùn)行速度提高1000倍,對(duì)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(shí)間大的那個(gè)函數(shù),然后去優(yōu)化它,哪怕只是改進(jìn)了一點(diǎn)點(diǎn),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(shí)際上是一些公司所開(kāi)發(fā)的工具,可以檢查程序中各個(gè)模塊所分配內(nèi)存的使用情況,以及每個(gè)函數(shù)所運(yùn)行的時(shí)間等。常見(jiàn)的Profiler有Intel公司開(kāi)發(fā)的VTune,微軟公司開(kāi)發(fā)的Visual Studio profiler,DevPartner from Compuware等。