C++11（及现代C++风格）和快速迭代式开发

拈花小仙

过去的一年我在微软亚洲研究院做输入法，我们的产品叫“英库拼音输入法” （下载Beta版），如果你用过“英库词典”（现已更名为必应词典），应该知道“英库”这个名字（实际上我们的核心开发团队也有很大一部分来源于英库团队的老成员）。整个项目是微软亚洲研究院的自然语言处理组、互联网搜索与挖掘组和我们创新工程中心，以及微软中国Office商务软件部（MODC）多组合作的结果。至于我们的输入法有哪些创新的feature，以及这些feature背后的种种有趣故事… 本文暂不讨论。虽然整个过程中我也参与了很多feature的设想和设计，但90%的职责还是开发，所以作为client端的核心开发人员之一，我想跟大家分享这一年来在项目中全面使用C++11以及现代C++风格（Elements of Modern C++ Style）来做开发的种种经验。
我们用的开发环境是VS2010 SP1，该版本已经支持了相当多的C++11的特性：lambda表达式，右值引用，auto类型推导，static_assert，decltype，nullptr，exception_ptr等等。C++曾经饱受“学院派”标签的困扰，不过这个标签着实被贴得挺冤，C++11的新feature没有一个是从学院派角度出发来设计的，以上提到的所有这些feature都在我们的项目中得到了适得其所的运用，并且带来了很大的收益。尤其是lambda表达式。
说起来我跟C++也算是有相当大的缘分，03年还在读本科的时候，第一篇发表在程序员上面的文章就是Boost库的源码剖析，那个时候Boost库在国内还真是相当的阳春白雪，至今已经快十年了，Boost库如今已经是写C++代码不可或缺的库，被誉为“准标准库”，C++的TR1基本就脱胎于Boost的一系列子库，而TR2同样也大量从Boost库中取材。之后有好几年，我在CSDN上的博客几乎纯粹是C++的前沿技术文章，包括从06年就开始写的“C++0x漫谈”系列。（后来写技术文章写得少了，也就把博客从CSDN博客独立了出来，便是现在的mindhacks.cn）。自从独立博客了之后我就没有再写过C++相关的文章（不过仍然一直对C++的发展保持了一定的关注），一方面我喜欢关注前沿的进展，写完了Boost源码剖析系列和C++0x漫谈系列之后我觉得这一波的前沿进展从大方面来说也都写得差不多了，所以不想再费时间。另一方面的原因也是我虽然对C++关注较深，但实践经验却始终绝大多数都是“替代经验”，即从别人那儿看来的，并非自己第一手的。而过去一年来深度参与的英库输入法项目弥补了这个缺憾，所以我就决定重新开始写一点C++11的实践经验。算是对努力一年的项目发布第一版的一个小结。
09年入职微软亚洲研究院之后，前两年跟C++基本没沾边，第一个项目倒是用C++的，不过是工作在既有代码基上，时间也相对较短。第二个项目为Bing Image Search用javascript写前端，第三个项目则给Visual Studio 2012写Code Clone Detection，用C#和WPF。直到一年前英库输入法这个项目，是我在研究院的第四个项目了，也是最大的一个，一年来我很开心，因为又回到了C++。

http://blog.csdn.net/pongba/article/details/7911997
这个项目我们从零开始，，而client端的核心开发人员也很紧凑，只有3个。这个项目有很多特殊之处，对高效的快速迭代开发提出了很大的挑战（研究院所倡导的“以实践为驱动的研究（Deployment-Driven-Research）”要求我们迅速对用户的需求作出响应）：

• 长期时间压力：从零开始到发布，只有一年时间，我们既要在主要feature上能和主流的输入法相较，还需要实现我们自己独特的创新feature，从而能够和其他输入法产品区分开来。
• 短期时间压力：输入法在中国是一个非常成熟的市场，谁也没法保证闷着头搞一年搞出来的东西就一炮而红，所以我们从第一天起就进入demo驱动的准迭代式开发，整个过程中必须不断有阶段性输出，抬头看路好过闷头走路。但工程师最头疼的二难问题之一恐怕就是短期与长远的矛盾：要持续不断出短期的成果，就必须经常在某些地方赶工，赶工的结果则可能导致在设计和代码质量上面的折衷，这些折衷也被称为Technical Debt（技术债）。没有任何项目没有技术债，只是多少，以及偿还的方式的区别。我们的目的不是消除技术债，而是通过不断持续改进代码质量，阻止技术债的滚雪球式积累。
• C++是一门不容易用好的语言：错误的使用方式会给代码基的质量带来很大的损伤。而C++的误用方式又特别多。
• 输入法是个很特殊的应用程序，在Windows下面，输入法是加载到目标进程空间当中的dll，所以，输入法对质量的要求极高，别的软件出了错误崩溃了大不了重启一下，而输入法如果崩溃就会造成整个目标进程崩溃，如果用户的文档未保存就可能会丢失宝贵的用户数据，所以输入法最容不得崩溃。可是只要是人写的代码怎么可能没有bug呢？所以关键在于如何减少bug及其产生的影响和如何能尽快响应并修复bug。所以我们的做法分为三步：1). 使用现代C++技术减少bug产生的机会。2). 即便bug产生了，也尽量减少对用户产生的影响。3). 完善的bug汇报系统使开发人员能够第一时间拥有足够的信息修复bug。
  

至于为什么要用C++而不是C呢？对于我们来说理由很现实：时间紧任务重，用C的话需要发明的轮子太多了，C++的抽象层次高，代码量少，bug相对就会更少，现代C++的内存管理完全自动，以至于从头到尾我根本不记得曾遇到过什么内存管理相关的bug，现代C++的错误处理机制也非常适合快速开发的同时不用担心bug乱飞，另外有了C++11的强大支持更是如虎添翼，当然，这一切都必须建立在核心团队必须善用C++的大前提上，而这对于我们这个紧凑的小团队来说这不是问题，因为大家都有较好的C++背景，没有陡峭的学习曲线要爬。（至于C++在大规模团队中各人对C++的掌握良莠不齐的情况下所带来的一些包袱本文也不作讨论，呵呵，语言之争别找我。）
下面就说说我们在这个项目中是如何使用C++11和现代C++风格来开发的，什么是现代C++风格以及它给我们开发带来的好处。
资源管理
说到Native Languages就不得不说资源管理，因为资源管理向来都是Native Languages的一个大问题，其中内存管理又是资源当中的一个大问题，由于堆内存需要手动分配和释放，所以必须确保内存得到释放，对此一般原则是“谁分配谁负责释放”，但即便如此仍然还是经常会导致内存泄漏、野指针等等问题。更不用说这种手动释放给API设计带来的问题（例如Win32 APIWideCharToMultiByte就是一个典型的例子，你需要提供一个缓冲区给它来接收编码转换的结果，但是你又不能确保你的缓冲区足够大，所以就出现了一个两次调用的pattern，第一次给个NULL缓冲区，于是API返回的是所需的缓冲区的大小，根据这个大小分配缓冲区之后再第二次调用它，别提多别扭了）。
托管语言们为了解决这个问题引入了GC，其理念是“内存管理太重要了，不能交给程序员来做”。但GC对于Native开发也常常有它自己的问题。而且另一方面Native界也常常诟病GC，说“内存管理太重要了，不能交给机器来做”。
C++也许是第一个提供了完美折衷的语言（不过这个机制直到C++11的出现才真正达到了易用的程度），即：既不是完全交给机器来做，也不是完全交给程序员来做，而是程序员先在代码中指定怎么做，至于什么时候做，如何确保一定会得到执行，则交由编译器来确定。
首先是C++98提供了语言机制：对象在超出作用域的时候其析构函数会被自动调用。接着，Bjarne Stroustrup在TC++PL里面定义了RAII（Resource Acquisition is Initialization）范式（即：对象构造的时候其所需的资源便应该在构造函数中初始化，而对象析构的时候则释放这些资源）。RAII意味着我们应该用类来封装和管理资源，对于内存管理而言，Boost第一个实现了工业强度的智能指针，如今智能指针（shared_ptr和unique_ptr）已经是C++11的一部分，简单来说有了智能指针意味着你的C++代码基中几乎就不应该出现delete了。
不过，RAII范式虽然很好，但还不足够易用，很多时候我们并不想为了一个CloseHandle, ReleaseDC, GlobalUnlock等等而去大张旗鼓地另写一个类出来，所以这些时候我们往往会因为怕麻烦而直接手动去调这些释放函数，手动调的一个坏处是，如果在资源申请和释放之间发生了异常，那么释放将不会发生，此外，手动释放需要在函数的所有出口处都去调释放函数，万一某天有人修改了代码，加了一处return，而在return之前忘了调释放函数，资源就泄露了。理想情况下我们希望语言能够支持这样的范式：
void foo(){    HANDLE h = CreateFile(...);    ON_SCOPE_EXIT { CloseHandle(h); }    ... // use the file}ON_SCOPE_EXIT里面的代码就像是在析构函数里面的一样：不管当前作用域以什么方式退出，都必然会被执行。
实际上，早在2000年，Andrei Alexandrescu 就在DDJ杂志上发表了一篇文章，提出了这个叫做ScopeGuard 的设施，不过当时C++还没有太好的语言机制来支持这个设施，所以Andrei动用了你所能想到的各种奇技淫巧硬是造了一个出来，后来Boost也加入了ScopeExit库，不过这些都是建立在C++98不完备的语言机制的情况下，所以其实现非常不必要的繁琐和不完美，实在是戴着脚镣跳舞（这也是C++98的通用库被诟病的一个重要原因），再后来Andrei不能忍了就把这个设施内置到了D语言当中，成了D语言特性的一部分（最出彩的部分之一）。
再后来就是C++11的发布了，C++11发布之后，很多人都开始重新实现这个对于异常安全来说极其重要的设施，不过绝大多数人的实现受到了2000年Andrei的原始文章的影响，多多少少还是有不必要的复杂性，而实际上，将C++11的Lambda Function和tr1::function结合起来，这个设施可以简化到脑残的地步：
class ScopeGuard{public:    explicit ScopeGuard(std::function<void()> onExitScope)         : onExitScope_(onExitScope), dismissed_(false)    { }    ~ScopeGuard()    {        if(!dismissed_)        {            onExitScope_();        }    }    void Dismiss()    {        dismissed_ = true;    }private:    std::function<void()> onExitScope_;    bool dismissed_;private: // noncopyable    ScopeGuard(ScopeGuard const&);    ScopeGuard& operator=(ScopeGuard const&);};这个类的使用很简单，你交给它一个std::function，它负责在析构的时候执行，绝大多数时候这个function就是lambda，例如：
HANDLE h = CreateFile(...);ScopeGuard onExit([&] { CloseHandle(h); });onExit在析构的时候会忠实地执行CloseHandle。为了避免给这个对象起名的麻烦（如果有多个变量，起名就麻烦大了），可以定义一个宏，把行号混入变量名当中，这样每次定义的ScopeGuard对象都是唯一命名的。
#define SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line) name##line#define SCOPEGUARD_LINENAME(name, line) SCOPEGUARD_LINENAME_CAT(name, line)#define ON_SCOPE_EXIT(callback) ScopeGuard SCOPEGUARD_LINENAME(EXIT, __LINE__)(callback)Dismiss()函数也是Andrei的原始设计的一部分，其作用是为了支持rollback模式，例如：
ScopeGuard onFailureRollback([&] { /* rollback */ });... // do something that could failonFailureRollback.Dismiss();在上面的代码中，“do something”的过程中只要任何地方抛出了异常，rollback逻辑都会被执行。如果“do something”成功了，onFailureRollback.Dismiss()会被调用，设置dismissed_为true，阻止rollback逻辑的执行。
ScopeGuard是资源自动释放，以及在代码出错的情况下rollback的不可或缺的设施，C++98由于没有lambda和tr1::function的支持，ScopeGuard不但实现复杂，而且用起来非常麻烦，陷阱也很多，而C++11之后立即变得极其简单，从而真正变成了每天要用到的设施了。C++的RAII范式被认为是资源确定性释放的最佳范式（C#的using关键字在嵌套资源申请释放的情况下会层层缩进，相当的不能scale），而有了ON_SCOPE_EXIT之后，在C++里面申请释放资源就变得非常方便
Acquire Resource1ON_SCOPE_EXIT( [&] { /* Release Resource1 */ })Acquire Resource2ON_SCOPE_EXIT( [&] { /* Release Resource2 */ })…这样做的好处不仅是代码不会出现无谓的缩进，而且资源申请和释放的代码在视觉上紧邻彼此，永远不会忘记。更不用说只需要在一个地方写释放的代码，下文无论发生什么错误，导致该作用域退出我们都不用担心资源不会被释放掉了。我相信这一范式很快就会成为所有C++代码分配和释放资源的标准方式，因为这是C++十年来的演化所积淀下来的真正好的部分之一。

http://blog.csdn.net/pongba/article/details/7911997

hfut_wangfei

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