《Effective C++》读书笔记

之前看过一遍，不过草草了事。近日看了《深度探索 C++对象模型》，想起《Effective C++》中的内容已经有些忘记了，所以重新温习一下。这篇笔记只挑选书中的一些重要内容进行记录。

条款 07：为多态基类声明 virtual 析构函数

这一个条款几乎是面试中的高频问题，只需要回答，如果不将基类中的析构函数声明为虚函数，那么当我们通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数，这样就会导致派生类中的资源无法释放，即“局部销毁”，造成内存泄漏。可是，为什么会这样呢？以及为什么将析构函数声明为虚函数就可以解决这个问题呢？

让我们结合《深度探索 C++对象模型》中的内容来解释这个问题。-我们知道 C++通过虚拟机制实现多态，而在表现上，多态就是“以一个 public base class 的指针或者引用寻指出一个 derived class object”的意思。因此通过基类指针调用函数时，编译器会检查该函数是否在虚表中出现，以将该调用替换成正确的形式。下面来讨论基类析构函数不是虚函数时，会发生什么。

基类析构函数不是虚函数

不展现多态：基类中无其它虚函数

这种情况下，派生类只是简单继承了基类，没有重写基类的任何函数，派生类对象中也不会有 vptr。因此，当我们通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，派生类的析构函数不会被调用，这样就会导致派生类中的资源无法释放，即“局部销毁”，造成内存泄漏。

展现多态：基类中有其它虚函数

这种情况下，派生类重写了基类的某个虚函数，派生类对象中会有 vptr，vptr 指向派生类的虚表。而因为基类的析构函数不是虚函数，即其没有被重写，所以派生类的虚表中析构函数那一项指向的是基类的析构函数。“局部销毁”的情况同样会发生。

基类的析构函数是虚函数

那么如果基类的析构函数是虚函数，按照条款 07，就不会发生“局部销毁”的情况，可是，为什么呢？直觉上，基类的析构函数为虚的话，按照虚拟机制的一般规则，基类指针会直接调用派生类的析构函数，析构掉派生类的资源，可是基类呢？为什么基类的数据成员也会被析构掉呢？

这里就要引入《深度探索 C++对象模型》中的内容了。在《深度探索 C++对象模型》中，作者介绍了析构语意学，提到了析构函数的扩展形式：

destructor 的函数本体首先被执行。
如果 class 拥有 member class objects，而后者拥有 destructors，那么它们会以其声明顺序的相反顺序被调用。
如果 object 内含一个 vptr，那么首先重设（reset）相关的 virtual table。
如果有任何直接的（上一层）nonvirtual base class 拥有 destructor，它们会以其声明顺序的相反顺序被调用。
如果有任何 virtual base classes 拥有 destructor，而目前讨论的这个 class 是最尾端（most-derived）的 class，那么它们会以其原来的构造顺序的相反顺序被调用。

即析构函数会被以该顺序进行扩展，生成一个完整的析构函数。因此，当我们通过基类指针删除派生类对象时，会按照上述顺序调用析构函数，即首先调用派生类的析构函数，然后调用基类的析构函数，这样就可以保证派生类中的资源也会被释放。

下面是示例代码：

#include <cstdlib>
#include <iostream>

class Base {
 public:
  Base() {
    _base_data = static_cast<char*>(malloc(100));
    std::cout << "Base constructor" << std::endl;
  }
  virtual ~Base() {
    free(_base_data);
    _base_data = nullptr;
    std::cout << "Base destructor" << std::endl;
  }

 private:
  char* _base_data;
};

class Derived : public Base {
 public:
  Derived() {
    _derived_data = static_cast<char*>(malloc(100));
    std::cout << "Derived constructor" << std::endl;
  }
  virtual ~Derived() override {
    free(_derived_data);
    _derived_data = nullptr;
    std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
  }

 private:
  char* _derived_data;
};

int main() {
  Base* base{new Derived()};
  delete base;
  return 0;
}

条款 09：绝不在构造和析构过程中调用 virtual 函数

这个条款的内容也是面试中的高频问题，只需要回答，因为在构造和析构过程中，对象的类型是不断变化的，如果在这两个过程中调用虚函数，那么调用的是当前对象的虚函数，而不是最终对象的虚函数，这样就会导致错误的发生。

条款 27：尽量少做转型动作

const_cast 通常被用来将对象的常量性转除（cast away the constness）。它也是唯一有此能力的 C++-style 转型操作符。
dynamic_cast 主要用来执行“安全向下转型”（safe downcasting），也就是用来决定某个对象是否归属继承体系中的某个类型。它是唯一无法由旧式语法执行的动作，也是唯一可能耗费重大运行成本的转型动作。将 pointer-to-base 转为 pointer-to-derived。
reinterpret_cast 意图执行低级转型，实际动作（及结果）可能取决于编译器，这也就表示它不可移植。例如将一个 pointer to int 转型为一个 int。这一类转型在低级代码以外很少见。
static_cast 用来强迫隐式转换（implicit conversions），例如将 non-const 对象转成 const 对象，或将 int 转为 double 等等。它也可以用来执行上述多种转型的反向转换，例如将 void *指针转为 typed 指针，将 pointer-to-derived 转为 pointer-to-base。但是它无法将 const 转为 non-const——这个只有 const_cast 才能办到。

条款 30：透彻了解 inlining 的里里外外

条款 41：了解隐式接口编程和编译期多态

OOP 中常见显示接口和运行期多态。

void doProcessing(Widget& w) {
  if (w.size() > 10 && w != sameNastyWidget) {
    Widget temp(w);
    temp.normalize();
    temp.swap(w);
  }
}

w 必须支持 Widget 这个接口，我们可以在代码中找到这个接口，比如在 widget.h 中，可以看到它是什么样子，所以我们称其为显示接口。这个接口就是签名。
由于 Widget 的某些成员函数是 virtual 的，因此对这些函数的调用必须等到运行时才能确定，这就是运行期多态。

template <typename T>
void doProcessing(T& w) {
  if (w.size() > 10 && w != sameNastyWidget) {
    T temp(w);
    temp.normalize();
    temp.swap(w);
  }
}

w 必须支持哪一种接口，系由 template 中执行于 w 身上的操作来决定的。本例来看 w 的类型 T 好像必须支持 size、normalize 和 swap 成员函数、copy 构造函数、不等比较操作符。我们看不到 T 的定义，所以我们称其为隐式接口。
凡是涉及 w 的任何函数调用，都有可能造成该 template 的具现化（instantiated），使这些调用成功。这样的具现行为发生在编译期。“以不同的 template 参数具现化 function templates”会导致调用不同的函数，这表示所谓的编译期多态（compile-time polymorphism）。