导读

學會一個程式語言，是一回事兒；學會如何以此語言設計並實作出有效的程式，
又是一回事兒。C++ 尤其如此，因為它很不尋常地涵蓋了罕見的威力和豐富的表
現力，不但建立在一個全功能的傳統語言（C）之上，更提供極為廣泛的物件導向
（object-oriented）性質，以及對templates 和exceptions（異常狀態）的支援。

假以適當運用，C++ 是個可以讓你感受愉悅的夥伴。各種不同的設計方式，包括
物件導向型式和傳統型式，都可以直接在這個語言中表現並有效地實作出來。你
可以定義新的資料型別，它們和語言內建的型別表面上無分軒輊，實質上則更具
彈性。明智地選用一些謹慎設計的classes — 自動完成記憶體管理、別名（aliasing）
處理、初始化動作與清理動作、型別轉換、以及軟體開發的其他難題與禍根— 可
以使程式設計更容易，更直觀，更有效，更少錯誤。是的，要寫出有效的C++ 程
式並不會太困難，如果你知道怎麼做的話。

如果沒有什麼訓練與素養，就冒然使用C++，會導至做出來的碼不易理解、不易
維護、不易擴充、缺乏效率、而且容易出錯。

關鍵在於找出C++ 可能絆倒你的狀況有哪些，然後學習如何避開它們。這正是本
書的目的。我假設你已經認識C++ 並對它有某種程度的使用經驗。我提供一些準
則，讓你更有效地使用這個語言，使你的軟體容易理解、容易維護、容易擴充、
效率高、而且行為如所預期。

我提出的忠告分為兩大類：一般性的設計策略，以及特殊的（比較難得一見的）
語言性質。

設計方面的討論集中在如何對不同的方法（俾得以C++ 達成某個目標）做取捨。
如何在inheritance（繼承）和templates（範本）之間做選擇？在templates 和generic
pointers（泛型指標）之間？在public inheritance（公開繼承）和private inheritance
（私有繼承）之間？在private inheritance 和layering（分層技術）之間？在function
overloading（函式多載化）和parameter defaulting（參數預設值）之間？在virtual
function（虛擬函式）和nonvirtual functions（非虛擬函式）之間？在pass-by-value
（傳值）和pass-by-reference（傳址）之間？一開始就做出正確的決定是很重要的，
因為不正確的選擇或許不會一下子就浮現影響，但是在開發過程的後期，矯正它
往往很困難、很花時間，很混亂，很令人沮喪，事倍功半，成本很高。

在你確切知道你要做什麼之後，把它做對，恐怕也不是件太容易的事。什麼是
assignment 運算子的適當傳回型別？當operator new 無法找出足夠的記憶體，
它該有怎樣的行為？destructor 何時應該被宣告為virtual？你應該寫一個member
initialization list（成員初值列）嗎？在如斯細節中努力，也頗具有決定性，因為如
果不這樣，常會導至意料之外或神秘難解的程式行為。更糟的是這類脫軌行為可
能不會立即浮現，這些恐怖的碼或能通過品管檢驗，卻仍然藏匿著許多未偵測出
來的臭蟲— 不定時炸彈正等待引爆。

這不是本得一頁頁讀下去才有感覺的書籍。你甚至不需要依序讀它。所有素材被
我分為50 個條款，每一個都相當獨立。不過條款之間會彼此參考，所以閱讀本
書的一種方法是先從感興趣的條款開始，然後遵循其參考指示，進一步讀下去。

所有條款被我分為七大類。如果你對某類主題特別感興趣，例如「記憶體管理」
或「物件導向設計」，可以從相關章節開始，一路讀下去，或是跳躍前進。不過
最後你會發現，本書的所有內容對於高實效的C++ 程式設計而言，都十分基礎而
重要，所以幾乎每個條款最後都會和其他條款互有牽連。

這並不是一本C++ 參考工具書，也不是一本讓你從頭學習C++ 的書。例如，雖
然我熱切告訴你一些有關「撰寫自己的operator new」的注意事項（條款7~10），
但是我假設你可以從其他地方獲知，operator new 必須傳回一個void*，其第
一引數的型別必須是size_t。許多C++ 語言書可以帶給你這樣的資訊。

這本書的目的是要強調那些其他書籍往往淺淺帶過（如果有的話）的C++ 程式設
計概念。其他書籍描述的是C++ 語言的各個成份，本書則告訴你如何將那些成份
組合起來，完成一個有效的程式。其他書籍告訴你如何讓程式順利編譯，本書則
告訴你如何避開編譯器不會告訴你的一些問題。

和大部份語言一樣，C++ 有著豐富的「傳統」，在程式員之間口耳相傳，形成這
個語言的偉大傳承的一部份。我企圖在這本書中以容易閱讀的型式記錄一些長久
累積而來的智慧。

然而在此同時，我必須告訴你，本書僅限於正統的、可移植的C++ 語言。只有明
列於ISO/ANSI 標準（見條款M35）中的性質，才會被本書採用。本書之中，移
植性是個關鍵考量。如果你想要尋找因編譯器而異的特殊技法，本書不適合你。

但是，啊呀，標準規格所描述的C++，與社區軟體商店所賣的編譯器(s) 的表現，
多少有點出入。所以當我指出某個新的語言特性頗有用處時，我也會告訴你如何
在缺乏那些特性的情況下產出有效的軟體。畢竟在確知未來即將如何如何之際，
卻忽略那些美麗遠景而儘做些低下的勞力工作，容我坦言是相當愚蠢的；但是反
過來看，你也不能在最新最偉大的C++ 編譯器(s) 降臨世界之前，空自等待而束
手無策呀。你必須和你手上可用的工具一起打拼，而本書正打算幫助你這麼做。

注意我說編譯器(s) — 複數。不同的編譯器對標準C++ 的滿足程度各不相同，所
以我鼓勵你至少以兩種編譯器(s) 來開發程式。這麼做可以幫助你避免不經意仰賴
某個編譯器專屬的語言延伸性質，或是誤用某個編譯器對標準規格的錯誤闡示。
這也可以幫助你避免使用過度先進的編譯器特殊技術，例如獨家廠商才做得出來
的某種語言新特性。如此特性往往實作不夠精良（臭蟲多，要不就是表現遲緩，
或兩者兼具），而且C++ 社群往往對這些特性缺乏使用經驗，無法給你應用上的
忠告。雷霆萬鈞之勢固然令人興奮，但當你的目標是要產出可靠的碼，恐怕還是
步步為營（並且能夠與人合作）得好。

你在本書中找不到C++ 的必殺秘笈，也看不到通往C++ 完美軟體的唯一真理。
50 個條款中的每一個帶給你的都只是準則，包括如何完成較好的設計，如何避免
常見的問題，如何到達更好的效率，但任何條款都不可能放之四海皆準。軟體的
定義和實作是極為複雜的工作，常會受到硬體、作業系統、以及應用軟體的束縛，
所以我能夠做的最好事情就是提供一些準則，讓你可以依循產生出比較好的程式。

如果任何時候你都奉行每一個條款，應該不太可能掉進最常見的一些C++ 陷阱。
不過準則畢竟只是準則，可能存在例外情況。那正是為什麼每個條款都帶有一堆
解釋的原因。這些解釋是本書最重要的資產。唯有徹底瞭解一個條款背後的基本
原理，你才能合理決定此條款是否適用於手上的專案，或你正艱苦奮鬥的難題上。

本書的最佳用途，就是增進你對C++ 行為的瞭解，知道它為什麼有那樣的表現，
以及如何將其行為轉化為你的利益。盲目運用本書所列的條款並不適當，不過話
說回來，你或許不應該在缺乏好理由的情況任意違反任何一個條款。

這樣性質的書籍中，專用術語的解釋並非重點所在。那樣的工作頂好是留給語言
界的「律師」去做。然而有少量C++ 辭彙是每個人都應該要懂的。以下術語一再
出現，所以有必要確定你我之間對它們有共同的認知。

所謂宣告（declaration），用來將一個object、function、class 或template 的
型別名稱告訴編譯器。宣告式並不帶有細目資訊。下面統統都是宣告：

extern int x; // object declaration

int numDigits(int number); // function declaration

class Clock; // class declaration

template

class SmartPointer; // template declaration

所謂定義（definition），用來將細目資訊提供給編譯器。對object 而言，其定
義式是編譯器為它配置記憶體的地點。對function 或function template 而言，其
定義式提供函式本體（function body）。對class 或class template 而言，其定義
式必須列出該class 或template 的所有members：

int x; // 這是物件的定義式
int numDigits(int number) // 這是函式的定義式
{ // 此函式傳回其參數的數位（digits）個數
int digitsSoFar = 1;
if (number < 0) {
number = -number;
++digitsSoFar;
}
while (number /= 10) ++digitsSoFar;
return digitsSoFar;
}
class Clock { // 這是class 的定義式
public:
Clock();
~Clock();
int hour() const;
int minute() const;
int second() const;
...
};
template
class SmartPointer { // 這是template 的定義式
public:
SmartPointer(T *p = 0);
~SmartPointer();
T * operator->() const;
T& operator*() const;
...
};

上述程式碼把我們帶往所謂的constructors。default constructor 意指可以「不
需任何引數就被喚起」者。這樣的一個constructor 如果不是沒有任何參數，就是
每個參數都有預設值。通常當你需要定義物件陣列時，就會需要一個default
constructor：

class A {
public:
A(); // default constructor
};
A arrayA[10]; // 呼叫constructors 10 次
class B {
public:
B(int x = 0); // default constructor
};
B arrayB[10]; // 呼叫constructors 10 次，
// 每次都給引數0。
class C {
public:
C(int x); // 這不是一個default constructor
};
C arrayC[10]; // 錯誤！

或許有時候你會發現，某個class 的default constructor 有預設參數值，你的編譯
器卻拒不接受其物件陣列。例如某些編譯器拒絕接受上述arrayB 的定義，即使
它其實符合C++ 標準。這是存在於C++ 標準規格書和實際編譯器行為之間的一
個矛盾例子。截至目前我所知道的每一個編譯器，都有一些這類不相容缺點。在
編譯器廠商追上C++ 語言標準之前，請保持你的彈性，並安慰自己，也許不久後
的某一天，C++ 編譯器的表現就可以和C++ 標準規格書所描述的一致了。

附帶一提，如果你想要產生一個物件陣列，但該物件型別沒有提供default
constructor，通常的作法是定義一個指標陣列取而代之，然後利用new 一一將每
個指標初始化：

C *ptrArray[10]; // 沒有呼叫任何constructors
ptrArray[0] = new C(22); // 配置並建構一個C 物件
ptrArray[1] = new C(4); // 同上
...

這個作法在任何場合幾乎都夠用了。如果不夠，你或許得使用條款14 所說的更高層次（也因此更不為人知）的"placement new" 方法。
回到術語來。所謂copy constructor 係以某物件做為另一同型物件的初值：

class String {
public:
String(); // default constructor
String(const String& rhs); // copy constructor
...
private:
char *data;
};
String s1; // 呼叫default constructor
String s2(s1); // 呼叫copy constructor
String s3 = s2; // 呼叫copy constructor

或許copy constructor 最重要的用途就是用來定義何謂「以by value 方式傳遞和
傳回物件」。例如，考慮以下效率不佳的作法，以一個函式串接兩個String 物件：

const String operator+(String s1, String s2)
{
String temp;
delete [] temp.data;
temp.data =
new char[strlen(s1.data) + strlen(s2.data) + 1];
strcpy(temp.data, s1.data);
strcat(temp.data, s2.data);
return temp;
}
String a("Hello");
String b(" world");
String c = a + b; // c = String("Hello world")

其中operator+ 需要兩個String 物件做為參數，並傳回一個String 物件做為運算結果。不論參數或運算結果都是以by value 方式傳遞，所以在operator+進行過程中，會有一個copy constructor 被喚起，用以將a 當做s1 的初值，再有一個copy constructor 被喚起，用以將b 當做s2 的初值，再有一個copyconstructor 被喚起，用以將temp 當做c 的初值。事實上，只要編譯器決定產生中介的暫時性物件，就會需要一些copy constructor 呼叫動作（見條款M19）。重點是：pass-by-value 便是「呼叫copy constructor」的同義詞。

順帶一提，你不能夠真的像上述那樣實作Strings 的operator+。傳回一個const String object 是正確的（見條款21 和23），但是你應該以by reference 方式（見條款22）傳遞那兩個參數。

其實，如果你有外援，並不需要為Strings 撰寫operator+。事實上你的確有
外援，因為C++ 標準程式庫（條款49）就內含有一個string 型別，帶有一個
operator+，做的事情幾乎就是上述operator+ 的行為。本書中我並用String
和string 兩者（注意前者名稱以大寫開頭，後者否），但方式不同。如果我只
是需要一般字串，不在意它是怎麼做出來的，那麼我便使用標準程式庫提供的
string。這也是你應該選擇的行為。然而如果我打算剖析C++ 的行為，並因而
需要某些實作碼來示範或驗證，我便使用非標準的那個String class。身為一個
程式員，只要必須用到字串，就應該儘可能使用標準的string 型別；那種「開
發自己的字串類別，以象徵具備C++ 某種成熟功力」的日子已經過去了（不過你
還是有必要瞭解開發一個像string 那樣的classes 所需知道的課題）。對「示
範或驗證」目的（而且可說只對此種目的）而言，String 很是方便。無論如何，
除非你有很好的理由，否則都不應該再使用舊式的char*-based 字串。具有良好
定義的string 型別如今已能夠在每一方面比char*s 更具優勢，並且更好— 包
括其執行效率（見條款49和條款M29~M30）。

接下來兩個需要掌握的術語是initialization（初始化）和assignment（指派）。
物件的初始化行為發生在它初次獲得一個值的時候。對於「帶有constructors」之
classes 或structs，初始化總是經由喚起某個constructor 達成。這和物件的
assignment 動作不同，後者發生於「已初始化之物件被指派新值」的時候：

string s1; // initialization（初始化）
string s2("Hello"); // initialization（初始化）
string s3 = s2; // initialization（初始化）
s1 = s3; // assignment（指派）

純粹從操作觀點看，initialization 和assignment 之間的差異在於前者由constructor
執行，後者由operator= 執行。換句話說這兩個動作對應不同的函式動作。

C++ 嚴格區分此二者，原因是上述兩個函式所考慮的事情不同。Constructors 通
常必須檢驗其引數的有效性（validity），而大部份assignment 運算子不必如此，
因為其引數必然是合法的（因為已被建構完成）。另一方面，assignment 動作的
標的物並非是尚未建構完成的物件，而是可能已經擁有配置得來的資源。在新資
源可被指派過去之前，舊資源通常必須先行釋放。這裡所謂的資源通常是指記憶
體。在assignment 運算子為一個新值配置記憶體之前，必須先釋放舊值的記憶體。
下面是String 的constructor 和assignment 運算子的可能作法：

// 以下是一個可能的String constructor
String::String(const char *value) {
{
if (value) { // 如果指標value 不是null
data = new char[strlen(value) + 1];
strcpy(data,value);
}
else { // 處理null 指標
　　　 //此一「接受一個const char* 引數」的String constructor，
　　　 //有能力處理傳進來的指標為null的情況。標準的string 可沒如此寬容。
　　　 //企圖以一個null 指標產生一個string，其結果未有定義。
　　　 //不過以一個空的char*-based 字串（例如""）產生一個string 物件，
　　　 //倒是安全的。
data = new char[1];
}
}
// 以下是一個可能的String assignment 運算子
String& String::operator=(const String& rhs)
{
if (this == &rhs)
return *this; // 見條款17
delete [] data; // 刪除（釋放）舊有的記憶體
data = // 配置新的記憶體
new char[strlen(rhs.data) + 1];
strcpy(data, rhs.data);
return *this; // 見條款15
}

注意，constructor 必須檢驗其參數的有效性，並確保member data 都被適當地初
始化，例如一個char* 指標必須被適當地加上null 結束字元。亦請注意
assignment 運算子認定其參數是合法的，反倒是它會偵測諸如「自己指派給自己」
這樣的病態情況（見條款17），或是集中心力確保「配置新記憶體之前先釋放舊
有記憶體」。這兩個函式的差異，象徵物件初始化（initialization）和物件指派
（assignment）兩者的差異。順帶一提，如果delete [] 這樣的表示法對你而言
很陌生，條款5 和條款M8 應該能夠消除你的任何相關疑惑。

我要討論的最後一個術語是client（客戶）。Client 代表任何「使用你所寫的碼」
的人。當我在本書提及clients，我指的便是任何觀察你的碼並企圖理解它們的人。
我也是指閱讀你的class 定義並企圖決定是否可以繼承它們的人。我同時也是指
那些審查你的設計並希望洞察其中原理的人。
你或許還不習慣去想到你的clients，但是我會儘量說服你設法讓他們的生活愉快
一些。畢竟，你也是他人所開發的軟體的client，難道你不希望那些人讓你的生活
愉快一些嗎？此外，也許有一天你會發現你必須使用自己所寫的碼（譯註：指那
些classes 或libraries），那時候你的client 就是你自己。

我在本書用了兩個你可能不甚熟悉的C++ 性質，它們都是晚近才加入C++ 標準
之中。第一個是bool 型別，其值若非true 就是false（兩者都是關鍵字）。
語言內建的相對關係運算子（如, ==）的傳回型別都是bool，if, for, while,
do 等述句的條件判斷式的傳回型別也是bool。如果你的編譯器尚未實作出bool
型別，你可以利用typedef 模擬bool，再以兩個const 物件模擬true 和false：

typedef int bool;
const bool false = 0;
const bool true = 1;

這種手法相容於傳統的C/C++ 語意。使用這種模擬作法的程式，在移植到一個支
援bool 型別的編譯器平台後，行為並不會改變。如果你想知道另一種bool 模
擬法，包括其優缺點討論，請參考More Effective C++ 的導讀部份。

第二個新特性其實有四樣東西，分別是static_cast, const_cast, dynamic_cast,
reinterpret_cast 四個轉型運算子。傳統的C 轉型動作如下：

(type) expression // 將expression 轉為type 型別

新的轉型動作則是這樣：

static_cast(expression) // 將expression 轉為type 型別
const_cast(expression)
dynamic_cast(expression)
reinterpret_cast(expression)

這些不同的轉型運算子有不同的作用：

傳統的C 轉型動作仍然合法，但是新的轉型運算子比較受歡迎。它們更容易在程
式碼中被識別出來（不論是對人類或是對諸如grep 等工具而言），而且愈是縮小
範圍地指定各種轉型運算子的目標，編譯器愈有可能診斷出錯誤的運用。例如，
只有const_cast 才可以用來將某物的常數性（constness）轉換掉。如果你嘗試
使用其他轉型運算子來轉換物件或指標的常數性，一定會踢到鐵板。

欲知這些新式轉型動作的更多資訊，請看條款M2，或查閱較新的C++ 語言書籍。
M 代表More Effective C++，是我的另一本書。本書最後附有一份該書摘要。

本書的程式範例中，我設法為objects, classes, functions 取一些有意義的名稱。許
多書籍在選用識別名稱時，都喜歡恪守一句箴言：簡短是智慧的靈魂，但是我不，
我喜歡一切都交待得清清楚楚。我努力打破傳統，堅不使用那種隱秘而不易為人
識破天機的名稱。但偶爾我會被誘惑所屈服，使用兩個我最歡迎的參數名稱。其
意義可能並不淺顯易懂，特別是如果你從未在任何編譯器開發團隊待過的話。

這兩個參數名稱是lhs 和rhs，分別意味"left-hand side"（左端）和"right-hand
side"（右端）。我以它們做為二元運算子各函式的參數名稱，尤其是operator==
和算術運算子如operator*。舉個例子，如果a 和b 代表兩個分數（rational
numbers）物件，而如果分數可經由一個non-member function operator* 相乘，
那麼算式：

a * b

等於這款形式的函式呼叫：

operator*(a, b)

我將宣告operator* 如下（一如你在條款23所見）：

const Rational operator*(const Rational& lhs,const Rational& rhs);

如你所見，左運算元a 成為函式中的lhs，右運算元b 成為函式中的rhs。

我也利用縮寫字來為指標命名，規則如下：「指向型別T 之物件」的指標，我稱
為pt，意思是"pointer to T"。下面是幾則例子：

string *ps; // ps = ptr to string
class Airplane;
Airplane *pa; // pa = ptr to Airplane
class BankAccount;
BankAccount *pba; // pba = ptr to BankAccount

對於references，我亦採用類似習慣。也就是說，rs 大約就是一個reference-tostring，
ra 則可能是一個reference-to-Airplane。

當我談到member functions，偶而我會使用mf 這個名稱。

為避免任何混淆，任何時候我在書中提到「C 程式設計」時，我說的是ISO/ANSI
版的C 語言，而不是舊式的、沒那麼strongly-typed（強型式）的古典C 語言。