Minor edits to #1291
[CppCoreGuidelines.git] / CppCoreGuidelines.md
blob3fa6f5a94e8bc0e8ce1de49275c23ac7651369f6
1 # <a name="main"></a>C++ Core Guidelines
3 September 2, 2018
6 Editors:
8 * [Bjarne Stroustrup](http://www.stroustrup.com)
9 * [Herb Sutter](http://herbsutter.com/)
11 This is a living document under continuous improvement.
12 Had it been an open-source (code) project, this would have been release 0.8.
13 Copying, use, modification, and creation of derivative works from this project is licensed under an MIT-style license.
14 Contributing to this project requires agreeing to a Contributor License. See the accompanying [LICENSE](LICENSE) file for details.
15 We make this project available to "friendly users" to use, copy, modify, and derive from, hoping for constructive input.
17 Comments and suggestions for improvements are most welcome.
18 We plan to modify and extend this document as our understanding improves and the language and the set of available libraries improve.
19 When commenting, please note [the introduction](#S-introduction) that outlines our aims and general approach.
20 The list of contributors is [here](#SS-ack).
22 Problems:
24 * The sets of rules have not been completely checked for completeness, consistency, or enforceability.
25 * Triple question marks (???) mark known missing information
26 * Update reference sections; many pre-C++11 sources are too old.
27 * For a more-or-less up-to-date to-do list see: [To-do: Unclassified proto-rules](#S-unclassified)
29 You can [read an explanation of the scope and structure of this Guide](#S-abstract) or just jump straight in:
31 * [In: Introduction](#S-introduction)
32 * [P: Philosophy](#S-philosophy)
33 * [I: Interfaces](#S-interfaces)
34 * [F: Functions](#S-functions)
35 * [C: Classes and class hierarchies](#S-class)
36 * [Enum: Enumerations](#S-enum)
37 * [R: Resource management](#S-resource)
38 * [ES: Expressions and statements](#S-expr)
39 * [Per: Performance](#S-performance)
40 * [CP: Concurrency and parallelism](#S-concurrency)
41 * [E: Error handling](#S-errors)
42 * [Con: Constants and immutability](#S-const)
43 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
44 * [CPL: C-style programming](#S-cpl)
45 * [SF: Source files](#S-source)
46 * [SL: The Standard Library](#S-stdlib)
48 Supporting sections:
50 * [A: Architectural ideas](#S-A)
51 * [NR: Non-Rules and myths](#S-not)
52 * [RF: References](#S-references)
53 * [Pro: Profiles](#S-profile)
54 * [GSL: Guidelines support library](#S-gsl)
55 * [NL: Naming and layout rules](#S-naming)
56 * [FAQ: Answers to frequently asked questions](#S-faq)
57 * [Appendix A: Libraries](#S-libraries)
58 * [Appendix B: Modernizing code](#S-modernizing)
59 * [Appendix C: Discussion](#S-discussion)
60 * [Appendix D: Supporting tools](#S-tools)
61 * [Glossary](#S-glossary)
62 * [To-do: Unclassified proto-rules](#S-unclassified)
64 You can sample rules for specific language features:
66 * assignment:
67 [regular types](#Rc-regular) --
68 [prefer initialization](#Rc-initialize) --
69 [copy](#Rc-copy-semantic) --
70 [move](#Rc-move-semantic) --
71 [other operations](#Rc-matched) --
72 [default](#Rc-eqdefault)
73 * `class`:
74 [data](#Rc-org) --
75 [invariant](#Rc-struct) --
76 [members](#Rc-member) --
77 [helpers](#Rc-helper) --
78 [concrete types](#SS-concrete) --
79 [ctors, =, and dtors](#S-ctor) --
80 [hierarchy](#SS-hier) --
81 [operators](#SS-overload)
82 * `concept`:
83 [rules](#SS-concepts) --
84 [in generic programming](#Rt-raise) --
85 [template arguments](#Rt-concepts) --
86 [semantics](#Rt-low)
87 * constructor:
88 [invariant](#Rc-struct) --
89 [establish invariant](#Rc-ctor) --
90 [`throw`](#Rc-throw) --
91 [default](#Rc-default0) --
92 [not needed](#Rc-default) --
93 [`explicit`](#Rc-explicit) --
94 [delegating](#Rc-delegating) --
95 [`virtual`](#Rc-ctor-virtual)
96 * derived `class`:
97 [when to use](#Rh-domain) --
98 [as interface](#Rh-abstract) --
99 [destructors](#Rh-dtor) --
100 [copy](#Rh-copy) --
101 [getters and setters](#Rh-get) --
102 [multiple inheritance](#Rh-mi-interface) --
103 [overloading](#Rh-using) --
104 [slicing](#Rc-copy-virtual) --
105 [`dynamic_cast`](#Rh-dynamic_cast)
106 * destructor:
107 [and constructors](#Rc-matched) --
108 [when needed?](#Rc-dtor) --
109 [may not fail](#Rc-dtor-fail)
110 * exception:
111 [errors](#S-errors) --
112 [`throw`](#Re-throw) --
113 [for errors only](#Re-errors) --
114 [`noexcept`](#Re-noexcept) --
115 [minimize `try`](#Re-catch) --
116 [what if no exceptions?](#Re-no-throw-codes)
117 * `for`:
118 [range-for and for](#Res-for-range) --
119 [for and while](#Res-for-while) --
120 [for-initializer](#Res-for-init) --
121 [empty body](#Res-empty) --
122 [loop variable](#Res-loop-counter) --
123 [loop variable type ???](#Res-???)
124 * function:
125 [naming](#Rf-package) --
126 [single operation](#Rf-logical) --
127 [no throw](#Rf-noexcept) --
128 [arguments](#Rf-smart) --
129 [argument passing](#Rf-conventional) --
130 [multiple return values](#Rf-out-multi) --
131 [pointers](#Rf-return-ptr) --
132 [lambdas](#Rf-capture-vs-overload)
133 * `inline`:
134 [small functions](#Rf-inline) --
135 [in headers](#Rs-inline)
136 * initialization:
137 [always](#Res-always) --
138 [prefer `{}`](#Res-list) --
139 [lambdas](#Res-lambda-init) --
140 [in-class initializers](#Rc-in-class-initializer) --
141 [class members](#Rc-initialize) --
142 [factory functions](#Rc-factory)
143 * lambda expression:
144 [when to use](#SS-lambdas)
145 * operator:
146 [conventional](#Ro-conventional) --
147 [avoid conversion operators](#Ro-conversion) --
148 [and lambdas](#Ro-lambda)
149 * `public`, `private`, and `protected`:
150 [information hiding](#Rc-private) --
151 [consistency](#Rh-public) --
152 [`protected`](#Rh-protected)
153 * `static_assert`:
154 [compile-time checking](#Rp-compile-time) --
155 [and concepts](#Rt-check-class)
156 * `struct`:
157 [for organizing data](#Rc-org) --
158 [use if no invariant](#Rc-struct) --
159 [no private members](#Rc-class)
160 * `template`:
161 [abstraction](#Rt-raise) --
162 [containers](#Rt-cont) --
163 [concepts](#Rt-concepts)
164 * `unsigned`:
165 [and signed](#Res-mix) --
166 [bit manipulation](#Res-unsigned)
167 * `virtual`:
168 [interfaces](#Ri-abstract) --
169 [not `virtual`](#Rc-concrete) --
170 [destructor](#Rc-dtor-virtual) --
171 [never fail](#Rc-dtor-fail)
173 You can look at design concepts used to express the rules:
175 * assertion: ???
176 * error: ???
177 * exception: exception guarantee (???)
178 * failure: ???
179 * invariant: ???
180 * leak: ???
181 * library: ???
182 * precondition: ???
183 * postcondition: ???
184 * resource: ???
186 # <a name="S-abstract"></a>Abstract
188 This document is a set of guidelines for using C++ well.
189 The aim of this document is to help people to use modern C++ effectively.
190 By "modern C++" we mean effective use of the ISO C++ standard (currently C++17, but almost all of our recommendations also apply to C++14 and C++11).
191 In other words, what would you like your code to look like in 5 years' time, given that you can start now? In 10 years' time?
193 The guidelines are focused on relatively high-level issues, such as interfaces, resource management, memory management, and concurrency.
194 Such rules affect application architecture and library design.
195 Following the rules will lead to code that is statically type safe, has no resource leaks, and catches many more programming logic errors than is common in code today.
196 And it will run fast -- you can afford to do things right.
198 We are less concerned with low-level issues, such as naming conventions and indentation style.
199 However, no topic that can help a programmer is out of bounds.
201 Our initial set of rules emphasizes safety (of various forms) and simplicity.
202 They may very well be too strict.
203 We expect to have to introduce more exceptions to better accommodate real-world needs.
204 We also need more rules.
206 You will find some of the rules contrary to your expectations or even contrary to your experience.
207 If we haven't suggested you change your coding style in any way, we have failed!
208 Please try to verify or disprove rules!
209 In particular, we'd really like to have some of our rules backed up with measurements or better examples.
211 You will find some of the rules obvious or even trivial.
212 Please remember that one purpose of a guideline is to help someone who is less experienced or coming from a different background or language to get up to speed.
214 Many of the rules are designed to be supported by an analysis tool.
215 Violations of rules will be flagged with references (or links) to the relevant rule.
216 We do not expect you to memorize all the rules before trying to write code.
217 One way of thinking about these guidelines is as a specification for tools that happens to be readable by humans.
219 The rules are meant for gradual introduction into a code base.
220 We plan to build tools for that and hope others will too.
222 Comments and suggestions for improvements are most welcome.
223 We plan to modify and extend this document as our understanding improves and the language and the set of available libraries improve.
225 # <a name="S-introduction"></a>In: Introduction
227 This is a set of core guidelines for modern C++ (currently C++17) taking likely future enhancements and ISO Technical Specifications (TSs) into account.
228 The aim is to help C++ programmers to write simpler, more efficient, more maintainable code.
230 Introduction summary:
232 * [In.target: Target readership](#SS-readers)
233 * [In.aims: Aims](#SS-aims)
234 * [In.not: Non-aims](#SS-non)
235 * [In.force: Enforcement](#SS-force)
236 * [In.struct: The structure of this document](#SS-struct)
237 * [In.sec: Major sections](#SS-sec)
239 ## <a name="SS-readers"></a>In.target: Target readership
241 All C++ programmers. This includes [programmers who might consider C](#S-cpl).
243 ## <a name="SS-aims"></a>In.aims: Aims
245 The purpose of this document is to help developers to adopt modern C++ (currently C++17) and to achieve a more uniform style across code bases.
247 We do not suffer the delusion that every one of these rules can be effectively applied to every code base. Upgrading old systems is hard. However, we do believe that a program that uses a rule is less error-prone and more maintainable than one that does not. Often, rules also lead to faster/easier initial development.
248 As far as we can tell, these rules lead to code that performs as well or better than older, more conventional techniques; they are meant to follow the zero-overhead principle ("what you don't use, you don't pay for" or "when you use an abstraction mechanism appropriately, you get at least as good performance as if you had handcoded using lower-level language constructs").
249 Consider these rules ideals for new code, opportunities to exploit when working on older code, and try to approximate these ideals as closely as feasible.
250 Remember:
252 ### <a name="R0"></a>In.0: Don't panic!
254 Take the time to understand the implications of a guideline rule on your program.
256 These guidelines are designed according to the "subset of superset" principle ([Stroustrup05](#Stroustrup05)).
257 They do not simply define a subset of C++ to be used (for reliability, safety, performance, or whatever).
258 Instead, they strongly recommend the use of a few simple "extensions" ([library components](#S-gsl))
259 that make the use of the most error-prone features of C++ redundant, so that they can be banned (in our set of rules).
261 The rules emphasize static type safety and resource safety.
262 For that reason, they emphasize possibilities for range checking, for avoiding dereferencing `nullptr`, for avoiding dangling pointers, and the systematic use of exceptions (via RAII).
263 Partly to achieve that and partly to minimize obscure code as a source of errors, the rules also emphasize simplicity and the hiding of necessary complexity behind well-specified interfaces.
265 Many of the rules are prescriptive.
266 We are uncomfortable with rules that simply state "don't do that!" without offering an alternative.
267 One consequence of that is that some rules can be supported only by heuristics, rather than precise and mechanically verifiable checks.
268 Other rules articulate general principles. For these more general rules, more detailed and specific rules provide partial checking.
270 These guidelines address the core of C++ and its use.
271 We expect that most large organizations, specific application areas, and even large projects will need further rules, possibly further restrictions, and further library support.
272 For example, hard-real-time programmers typically can't use free store (dynamic memory) freely and will be restricted in their choice of libraries.
273 We encourage the development of such more specific rules as addenda to these core guidelines.
274 Build your ideal small foundation library and use that, rather than lowering your level of programming to glorified assembly code.
276 The rules are designed to allow [gradual adoption](#S-modernizing).
278 Some rules aim to increase various forms of safety while others aim to reduce the likelihood of accidents, many do both.
279 The guidelines aimed at preventing accidents often ban perfectly legal C++.
280 However, when there are two ways of expressing an idea and one has shown itself a common source of errors and the other has not, we try to guide programmers towards the latter.
282 ## <a name="SS-non"></a>In.not: Non-aims
284 The rules are not intended to be minimal or orthogonal.
285 In particular, general rules can be simple, but unenforceable.
286 Also, it is often hard to understand the implications of a general rule.
287 More specialized rules are often easier to understand and to enforce, but without general rules, they would just be a long list of special cases.
288 We provide rules aimed at helping novices as well as rules supporting expert use.
289 Some rules can be completely enforced, but others are based on heuristics.
291 These rules are not meant to be read serially, like a book.
292 You can browse through them using the links.
293 However, their main intended use is to be targets for tools.
294 That is, a tool looks for violations and the tool returns links to violated rules.
295 The rules then provide reasons, examples of potential consequences of the violation, and suggested remedies.
297 These guidelines are not intended to be a substitute for a tutorial treatment of C++.
298 If you need a tutorial for some given level of experience, see [the references](#S-references).
300 This is not a guide on how to convert old C++ code to more modern code.
301 It is meant to articulate ideas for new code in a concrete fashion.
302 However, see [the modernization section](#S-modernizing) for some possible approaches to modernizing/rejuvenating/upgrading.
303 Importantly, the rules support gradual adoption: It is typically infeasible to completely convert a large code base all at once.
305 These guidelines are not meant to be complete or exact in every language-technical detail.
306 For the final word on language definition issues, including every exception to general rules and every feature, see the ISO C++ standard.
308 The rules are not intended to force you to write in an impoverished subset of C++.
309 They are *emphatically* not meant to define a, say, Java-like subset of C++.
310 They are not meant to define a single "one true C++" language.
311 We value expressiveness and uncompromised performance.
313 The rules are not value-neutral.
314 They are meant to make code simpler and more correct/safer than most existing C++ code, without loss of performance.
315 They are meant to inhibit perfectly valid C++ code that correlates with errors, spurious complexity, and poor performance.
317 The rules are not precise to the point where a person (or machine) can follow them blindly.
318 The enforcement parts try to be that, but we would rather leave a rule or a definition a bit vague
319 and open to interpretation than specify something precisely and wrong.
320 Sometimes, precision comes only with time and experience.
321 Design is not (yet) a form of Math.
323 The rules are not perfect.
324 A rule can do harm by prohibiting something that is useful in a given situation.
325 A rule can do harm by failing to prohibit something that enables a serious error in a given situation.
326 A rule can do a lot of harm by being vague, ambiguous, unenforceable, or by enabling every solution to a problem.
327 It is impossible to completely meet the "do no harm" criteria.
328 Instead, our aim is the less ambitious: "Do the most good for most programmers";
329 if you cannot live with a rule, object to it, ignore it, but don't water it down until it becomes meaningless.
330 Also, suggest an improvement.
332 ## <a name="SS-force"></a>In.force: Enforcement
334 Rules with no enforcement are unmanageable for large code bases.
335 Enforcement of all rules is possible only for a small weak set of rules or for a specific user community.
337 * But we want lots of rules, and we want rules that everybody can use.
338 * But different people have different needs.
339 * But people don't like to read lots of rules.
340 * But people can't remember many rules.
342 So, we need subsetting to meet a variety of needs.
344 * But arbitrary subsetting leads to chaos.
346 We want guidelines that help a lot of people, make code more uniform, and strongly encourage people to modernize their code.
347 We want to encourage best practices, rather than leave all to individual choices and management pressures.
348 The ideal is to use all rules; that gives the greatest benefits.
350 This adds up to quite a few dilemmas.
351 We try to resolve those using tools.
352 Each rule has an **Enforcement** section listing ideas for enforcement.
353 Enforcement might be done by code review, by static analysis, by compiler, or by run-time checks.
354 Wherever possible, we prefer "mechanical" checking (humans are slow, inaccurate, and bore easily) and static checking.
355 Run-time checks are suggested only rarely where no alternative exists; we do not want to introduce "distributed fat".
356 Where appropriate, we label a rule (in the **Enforcement** sections) with the name of groups of related rules (called "profiles").
357 A rule can be part of several profiles, or none.
358 For a start, we have a few profiles corresponding to common needs (desires, ideals):
360 * **type**: No type violations (reinterpreting a `T` as a `U` through casts, unions, or varargs)
361 * **bounds**: No bounds violations (accessing beyond the range of an array)
362 * **lifetime**: No leaks (failing to `delete` or multiple `delete`) and no access to invalid objects (dereferencing `nullptr`, using a dangling reference).
364 The profiles are intended to be used by tools, but also serve as an aid to the human reader.
365 We do not limit our comment in the **Enforcement** sections to things we know how to enforce; some comments are mere wishes that might inspire some tool builder.
367 Tools that implement these rules shall respect the following syntax to explicitly suppress a rule:
369     [[gsl::suppress(tag)]]
371 where "tag" is the anchor name of the item where the Enforcement rule appears (e.g., for [C.134](#Rh-public) it is "Rh-public"), the
372 name of a profile group-of-rules ("type", "bounds", or "lifetime"),
373 or a specific rule in a profile ([type.4](#Pro-type-cstylecast), or [bounds.2](#Pro-bounds-arrayindex)).
375 ## <a name="SS-struct"></a>In.struct: The structure of this document
377 Each rule (guideline, suggestion) can have several parts:
379 * The rule itself -- e.g., **no naked `new`**
380 * A rule reference number -- e.g., **C.7** (the 7th rule related to classes).
381   Since the major sections are not inherently ordered, we use letters as the first part of a rule reference "number".
382   We leave gaps in the numbering to minimize "disruption" when we add or remove rules.
383 * **Reason**s (rationales) -- because programmers find it hard to follow rules they don't understand
384 * **Example**s -- because rules are hard to understand in the abstract; can be positive or negative
385 * **Alternative**s -- for "don't do this" rules
386 * **Exception**s -- we prefer simple general rules. However, many rules apply widely, but not universally, so exceptions must be listed
387 * **Enforcement** -- ideas about how the rule might be checked "mechanically"
388 * **See also**s -- references to related rules and/or further discussion (in this document or elsewhere)
389 * **Note**s (comments) -- something that needs saying that doesn't fit the other classifications
390 * **Discussion** -- references to more extensive rationale and/or examples placed outside the main lists of rules
392 Some rules are hard to check mechanically, but they all meet the minimal criteria that an expert programmer can spot many violations without too much trouble.
393 We hope that "mechanical" tools will improve with time to approximate what such an expert programmer notices.
394 Also, we assume that the rules will be refined over time to make them more precise and checkable.
396 A rule is aimed at being simple, rather than carefully phrased to mention every alternative and special case.
397 Such information is found in the **Alternative** paragraphs and the [Discussion](#S-discussion) sections.
398 If you don't understand a rule or disagree with it, please visit its **Discussion**.
399 If you feel that a discussion is missing or incomplete, enter an [Issue](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/issues)
400 explaining your concerns and possibly a corresponding PR.
402 This is not a language manual.
403 It is meant to be helpful, rather than complete, fully accurate on technical details, or a guide to existing code.
404 Recommended information sources can be found in [the references](#S-references).
406 ## <a name="SS-sec"></a>In.sec: Major sections
408 * [In: Introduction](#S-introduction)
409 * [P: Philosophy](#S-philosophy)
410 * [I: Interfaces](#S-interfaces)
411 * [F: Functions](#S-functions)
412 * [C: Classes and class hierarchies](#S-class)
413 * [Enum: Enumerations](#S-enum)
414 * [R: Resource management](#S-resource)
415 * [ES: Expressions and statements](#S-expr)
416 * [Per: Performance](#S-performance)
417 * [CP: Concurrency and parallelism](#S-concurrency)
418 * [E: Error handling](#S-errors)
419 * [Con: Constants and immutability](#S-const)
420 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
421 * [CPL: C-style programming](#S-cpl)
422 * [SF: Source files](#S-source)
423 * [SL: The Standard Library](#S-stdlib)
425 Supporting sections:
427 * [A: Architectural ideas](#S-A)
428 * [NR: Non-Rules and myths](#S-not)
429 * [RF: References](#S-references)
430 * [Pro: Profiles](#S-profile)
431 * [GSL: Guidelines support library](#S-gsl)
432 * [NL: Naming and layout rules](#S-naming)
433 * [FAQ: Answers to frequently asked questions](#S-faq)
434 * [Appendix A: Libraries](#S-libraries)
435 * [Appendix B: Modernizing code](#S-modernizing)
436 * [Appendix C: Discussion](#S-discussion)
437 * [Appendix D: Supporting tools](#S-tools)
438 * [Glossary](#S-glossary)
439 * [To-do: Unclassified proto-rules](#S-unclassified)
441 These sections are not orthogonal.
443 Each section (e.g., "P" for "Philosophy") and each subsection (e.g., "C.hier" for "Class Hierarchies (OOP)") have an abbreviation for ease of searching and reference.
444 The main section abbreviations are also used in rule numbers (e.g., "C.11" for "Make concrete types regular").
446 # <a name="S-philosophy"></a>P: Philosophy
448 The rules in this section are very general.
450 Philosophy rules summary:
452 * [P.1: Express ideas directly in code](#Rp-direct)
453 * [P.2: Write in ISO Standard C++](#Rp-Cplusplus)
454 * [P.3: Express intent](#Rp-what)
455 * [P.4: Ideally, a program should be statically type safe](#Rp-typesafe)
456 * [P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking](#Rp-compile-time)
457 * [P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time](#Rp-run-time)
458 * [P.7: Catch run-time errors early](#Rp-early)
459 * [P.8: Don't leak any resources](#Rp-leak)
460 * [P.9: Don't waste time or space](#Rp-waste)
461 * [P.10: Prefer immutable data to mutable data](#Rp-mutable)
462 * [P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code](#Rp-library)
463 * [P.12: Use supporting tools as appropriate](#Rp-tools)
464 * [P.13: Use support libraries as appropriate](#Rp-lib)
466 Philosophical rules are generally not mechanically checkable.
467 However, individual rules reflecting these philosophical themes are.
468 Without a philosophical basis, the more concrete/specific/checkable rules lack rationale.
470 ### <a name="Rp-direct"></a>P.1: Express ideas directly in code
472 ##### Reason
474 Compilers don't read comments (or design documents) and neither do many programmers (consistently).
475 What is expressed in code has defined semantics and can (in principle) be checked by compilers and other tools.
477 ##### Example
479     class Date {
480         // ...
481     public:
482         Month month() const;  // do
483         int month();          // don't
484         // ...
485     };
487 The first declaration of `month` is explicit about returning a `Month` and about not modifying the state of the `Date` object.
488 The second version leaves the reader guessing and opens more possibilities for uncaught bugs.
490 ##### Example; bad
492 This loop is a restricted form of `std::find`:
494     void f(vector<string>& v)
495     {
496         string val;
497         cin >> val;
498         // ...
499         int index = -1;                    // bad, plus should use gsl::index
500         for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
501             if (v[i] == val) {
502                 index = i;
503                 break;
504             }
505         }
506         // ...
507     }
509 ##### Example; good
511 A much clearer expression of intent would be:
513     void f(vector<string>& v)
514     {
515         string val;
516         cin >> val;
517         // ...
518         auto p = find(begin(v), end(v), val);  // better
519         // ...
520     }
522 A well-designed library expresses intent (what is to be done, rather than just how something is being done) far better than direct use of language features.
524 A C++ programmer should know the basics of the standard library, and use it where appropriate.
525 Any programmer should know the basics of the foundation libraries of the project being worked on, and use them appropriately.
526 Any programmer using these guidelines should know the [guidelines support library](#S-gsl), and use it appropriately.
528 ##### Example
530     change_speed(double s);   // bad: what does s signify?
531     // ...
532     change_speed(2.3);
534 A better approach is to be explicit about the meaning of the double (new speed or delta on old speed?) and the unit used:
536     change_speed(Speed s);    // better: the meaning of s is specified
537     // ...
538     change_speed(2.3);        // error: no unit
539     change_speed(23m / 10s);  // meters per second
541 We could have accepted a plain (unit-less) `double` as a delta, but that would have been error-prone.
542 If we wanted both absolute speed and deltas, we would have defined a `Delta` type.
544 ##### Enforcement
546 Very hard in general.
548 * use `const` consistently (check if member functions modify their object; check if functions modify arguments passed by pointer or reference)
549 * flag uses of casts (casts neuter the type system)
550 * detect code that mimics the standard library (hard)
552 ### <a name="Rp-Cplusplus"></a>P.2: Write in ISO Standard C++
554 ##### Reason
556 This is a set of guidelines for writing ISO Standard C++.
558 ##### Note
560 There are environments where extensions are necessary, e.g., to access system resources.
561 In such cases, localize the use of necessary extensions and control their use with non-core Coding Guidelines.  If possible, build interfaces that encapsulate the extensions so they can be turned off or compiled away on systems that do not support those extensions.
563 Extensions often do not have rigorously defined semantics.  Even extensions that
564 are common and implemented by multiple compilers may have slightly different
565 behaviors and edge case behavior as a direct result of *not* having a rigorous
566 standard definition.  With sufficient use of any such extension, expected
567 portability will be impacted.
569 ##### Note
571 Using valid ISO C++ does not guarantee portability (let alone correctness).
572 Avoid dependence on undefined behavior (e.g., [undefined order of evaluation](#Res-order))
573 and be aware of constructs with implementation defined meaning (e.g., `sizeof(int)`).
575 ##### Note
577 There are environments where restrictions on use of standard C++ language or library features are necessary, e.g., to avoid dynamic memory allocation as required by aircraft control software standards.
578 In such cases, control their (dis)use with an extension of these Coding Guidelines customized to the specific environment.
580 ##### Enforcement
582 Use an up-to-date C++ compiler (currently C++17, C++14, or C++11) with a set of options that do not accept extensions.
584 ### <a name="Rp-what"></a>P.3: Express intent
586 ##### Reason
588 Unless the intent of some code is stated (e.g., in names or comments), it is impossible to tell whether the code does what it is supposed to do.
590 ##### Example
592     gsl::index i = 0;
593     while (i < v.size()) {
594         // ... do something with v[i] ...
595     }
597 The intent of "just" looping over the elements of `v` is not expressed here. The implementation detail of an index is exposed (so that it might be misused), and `i` outlives the scope of the loop, which may or may not be intended. The reader cannot know from just this section of code.
599 Better:
601     for (const auto& x : v) { /* do something with the value of x */ }
603 Now, there is no explicit mention of the iteration mechanism, and the loop operates on a reference to `const` elements so that accidental modification cannot happen. If modification is desired, say so:
605     for (auto& x : v) { /* modify x */ }
607 For more details about for-statements, see [ES.71](#Res-for-range).
608 Sometimes better still, use a named algorithm. This example uses the `for_each` from the Ranges TS because it directly expresses the intent:
610     for_each(v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
611     for_each(par, v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
613 The last variant makes it clear that we are not interested in the order in which the elements of `v` are handled.
615 A programmer should be familiar with
617 * [The guidelines support library](#S-gsl)
618 * [The ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
619 * Whatever foundation libraries are used for the current project(s)
621 ##### Note
623 Alternative formulation: Say what should be done, rather than just how it should be done.
625 ##### Note
627 Some language constructs express intent better than others.
629 ##### Example
631 If two `int`s are meant to be the coordinates of a 2D point, say so:
633     draw_line(int, int, int, int);  // obscure
634     draw_line(Point, Point);        // clearer
636 ##### Enforcement
638 Look for common patterns for which there are better alternatives
640 * simple `for` loops vs. range-`for` loops
641 * `f(T*, int)` interfaces vs. `f(span<T>)` interfaces
642 * loop variables in too large a scope
643 * naked `new` and `delete`
644 * functions with many parameters of built-in types
646 There is a huge scope for cleverness and semi-automated program transformation.
648 ### <a name="Rp-typesafe"></a>P.4: Ideally, a program should be statically type safe
650 ##### Reason
652 Ideally, a program would be completely statically (compile-time) type safe.
653 Unfortunately, that is not possible. Problem areas:
655 * unions
656 * casts
657 * array decay
658 * range errors
659 * narrowing conversions
661 ##### Note
663 These areas are sources of serious problems (e.g., crashes and security violations).
664 We try to provide alternative techniques.
666 ##### Enforcement
668 We can ban, restrain, or detect the individual problem categories separately, as required and feasible for individual programs.
669 Always suggest an alternative.
670 For example:
672 * unions -- use `variant` (in C++17)
673 * casts -- minimize their use; templates can help
674 * array decay -- use `span` (from the GSL)
675 * range errors -- use `span`
676 * narrowing conversions -- minimize their use and use `narrow` or `narrow_cast` (from the GSL) where they are necessary
678 ### <a name="Rp-compile-time"></a>P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking
680 ##### Reason
682 Code clarity and performance.
683 You don't need to write error handlers for errors caught at compile time.
685 ##### Example
687     // Int is an alias used for integers
688     int bits = 0;         // don't: avoidable code
689     for (Int i = 1; i; i <<= 1)
690         ++bits;
691     if (bits < 32)
692         cerr << "Int too small\n";
694 This example fails to achieve what it is trying to achieve (because overflow is undefined) and should be replaced with a simple `static_assert`:
696     // Int is an alias used for integers
697     static_assert(sizeof(Int) >= 4);    // do: compile-time check
699 Or better still just use the type system and replace `Int` with `int32_t`.
701 ##### Example
703     void read(int* p, int n);   // read max n integers into *p
705     int a[100];
706     read(a, 1000);    // bad, off the end
708 better
710     void read(span<int> r); // read into the range of integers r
712     int a[100];
713     read(a);        // better: let the compiler figure out the number of elements
715 **Alternative formulation**: Don't postpone to run time what can be done well at compile time.
717 ##### Enforcement
719 * Look for pointer arguments.
720 * Look for run-time checks for range violations.
722 ### <a name="Rp-run-time"></a>P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time
724 ##### Reason
726 Leaving hard-to-detect errors in a program is asking for crashes and bad results.
728 ##### Note
730 Ideally, we catch all errors (that are not errors in the programmer's logic) at either compile time or run time. It is impossible to catch all errors at compile time and often not affordable to catch all remaining errors at run time. However, we should endeavor to write programs that in principle can be checked, given sufficient resources (analysis programs, run-time checks, machine resources, time).
732 ##### Example, bad
734     // separately compiled, possibly dynamically loaded
735     extern void f(int* p);
737     void g(int n)
738     {
739         // bad: the number of elements is not passed to f()
740         f(new int[n]);
741     }
743 Here, a crucial bit of information (the number of elements) has been so thoroughly "obscured" that static analysis is probably rendered infeasible and dynamic checking can be very difficult when `f()` is part of an ABI so that we cannot "instrument" that pointer. We could embed helpful information into the free store, but that requires global changes to a system and maybe to the compiler. What we have here is a design that makes error detection very hard.
745 ##### Example, bad
747 We can of course pass the number of elements along with the pointer:
749     // separately compiled, possibly dynamically loaded
750     extern void f2(int* p, int n);
752     void g2(int n)
753     {
754         f2(new int[n], m);  // bad: a wrong number of elements can be passed to f()
755     }
757 Passing the number of elements as an argument is better (and far more common) than just passing the pointer and relying on some (unstated) convention for knowing or discovering the number of elements. However (as shown), a simple typo can introduce a serious error. The connection between the two arguments of `f2()` is conventional, rather than explicit.
759 Also, it is implicit that `f2()` is supposed to `delete` its argument (or did the caller make a second mistake?).
761 ##### Example, bad
763 The standard library resource management pointers fail to pass the size when they point to an object:
765     // separately compiled, possibly dynamically loaded
766     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
767     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
768     extern void f3(unique_ptr<int[]>, int n);
770     void g3(int n)
771     {
772         f3(make_unique<int[]>(n), m);    // bad: pass ownership and size separately
773     }
775 ##### Example
777 We need to pass the pointer and the number of elements as an integral object:
779     extern void f4(vector<int>&);   // separately compiled, possibly dynamically loaded
780     extern void f4(span<int>);      // separately compiled, possibly dynamically loaded
781                                     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
782                                     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
784     void g3(int n)
785     {
786         vector<int> v(n);
787         f4(v);                     // pass a reference, retain ownership
788         f4(span<int>{v});          // pass a view, retain ownership
789     }
791 This design carries the number of elements along as an integral part of an object, so that errors are unlikely and dynamic (run-time) checking is always feasible, if not always affordable.
793 ##### Example
795 How do we transfer both ownership and all information needed for validating use?
797     vector<int> f5(int n)    // OK: move
798     {
799         vector<int> v(n);
800         // ... initialize v ...
801         return v;
802     }
804     unique_ptr<int[]> f6(int n)    // bad: loses n
805     {
806         auto p = make_unique<int[]>(n);
807         // ... initialize *p ...
808         return p;
809     }
811     owner<int*> f7(int n)    // bad: loses n and we might forget to delete
812     {
813         owner<int*> p = new int[n];
814         // ... initialize *p ...
815         return p;
816     }
818 ##### Example
820 * ???
821 * show how possible checks are avoided by interfaces that pass polymorphic base classes around, when they actually know what they need?
822   Or strings as "free-style" options
824 ##### Enforcement
826 * Flag (pointer, count)-style interfaces (this will flag a lot of examples that can't be fixed for compatibility reasons)
827 * ???
829 ### <a name="Rp-early"></a>P.7: Catch run-time errors early
831 ##### Reason
833 Avoid "mysterious" crashes.
834 Avoid errors leading to (possibly unrecognized) wrong results.
836 ##### Example
838     void increment1(int* p, int n)    // bad: error-prone
839     {
840         for (int i = 0; i < n; ++i) ++p[i];
841     }
843     void use1(int m)
844     {
845         const int n = 10;
846         int a[n] = {};
847         // ...
848         increment1(a, m);   // maybe typo, maybe m <= n is supposed
849                             // but assume that m == 20
850         // ...
851     }
853 Here we made a small error in `use1` that will lead to corrupted data or a crash.
854 The (pointer, count)-style interface leaves `increment1()` with no realistic way of defending itself against out-of-range errors.
855 If we could check subscripts for out of range access, then the error would not be discovered until `p[10]` was accessed.
856 We could check earlier and improve the code:
858     void increment2(span<int> p)
859     {
860         for (int& x : p) ++x;
861     }
863     void use2(int m)
864     {
865         const int n = 10;
866         int a[n] = {};
867         // ...
868         increment2({a, m});    // maybe typo, maybe m <= n is supposed
869         // ...
870     }
872 Now, `m <= n` can be checked at the point of call (early) rather than later.
873 If all we had was a typo so that we meant to use `n` as the bound, the code could be further simplified (eliminating the possibility of an error):
875     void use3(int m)
876     {
877         const int n = 10;
878         int a[n] = {};
879         // ...
880         increment2(a);   // the number of elements of a need not be repeated
881         // ...
882     }
884 ##### Example, bad
886 Don't repeatedly check the same value. Don't pass structured data as strings:
888     Date read_date(istream& is);    // read date from istream
890     Date extract_date(const string& s);    // extract date from string
892     void user1(const string& date)    // manipulate date
893     {
894         auto d = extract_date(date);
895         // ...
896     }
898     void user2()
899     {
900         Date d = read_date(cin);
901         // ...
902         user1(d.to_string());
903         // ...
904     }
906 The date is validated twice (by the `Date` constructor) and passed as a character string (unstructured data).
908 ##### Example
910 Excess checking can be costly.
911 There are cases where checking early is dumb because you may not ever need the value, or may only need part of the value that is more easily checked than the whole.  Similarly, don't add validity checks that change the asymptotic behavior of your interface (e.g., don't add a `O(n)` check to an interface with an average complexity of `O(1)`).
913     class Jet {    // Physics says: e * e < x * x + y * y + z * z
914         float x;
915         float y;
916         float z;
917         float e;
918     public:
919         Jet(float x, float y, float z, float e)
920             :x(x), y(y), z(z), e(e)
921         {
922             // Should I check here that the values are physically meaningful?
923         }
925         float m() const
926         {
927             // Should I handle the degenerate case here?
928             return sqrt(x * x + y * y + z * z - e * e);
929         }
931         ???
932     };
934 The physical law for a jet (`e * e < x * x + y * y + z * z`) is not an invariant because of the possibility for measurement errors.
938 ##### Enforcement
940 * Look at pointers and arrays: Do range-checking early and not repeatedly
941 * Look at conversions: Eliminate or mark narrowing conversions
942 * Look for unchecked values coming from input
943 * Look for structured data (objects of classes with invariants) being converted into strings
944 * ???
946 ### <a name="Rp-leak"></a>P.8: Don't leak any resources
948 ##### Reason
950 Even a slow growth in resources will, over time, exhaust the availability of those resources.
951 This is particularly important for long-running programs, but is an essential piece of responsible programming behavior.
953 ##### Example, bad
955     void f(char* name)
956     {
957         FILE* input = fopen(name, "r");
958         // ...
959         if (something) return;   // bad: if something == true, a file handle is leaked
960         // ...
961         fclose(input);
962     }
964 Prefer [RAII](#Rr-raii):
966     void f(char* name)
967     {
968         ifstream input {name};
969         // ...
970         if (something) return;   // OK: no leak
971         // ...
972     }
974 **See also**: [The resource management section](#S-resource)
976 ##### Note
978 A leak is colloquially "anything that isn't cleaned up."
979 The more important classification is "anything that can no longer be cleaned up."
980 For example, allocating an object on the heap and then losing the last pointer that points to that allocation.
981 This rule should not be taken as requiring that allocations within long-lived objects must be returned during program shutdown.
982 For example, relying on system guaranteed cleanup such as file closing and memory deallocation upon process shutdown can simplify code.
983 However, relying on abstractions that implicitly clean up can be as simple, and often safer.
985 ##### Note
987 Enforcing [the lifetime safety profile](#SS-lifetime) eliminates leaks.
988 When combined with resource safety provided by [RAII](#Rr-raii), it eliminates the need for "garbage collection" (by generating no garbage).
989 Combine this with enforcement of [the type and bounds profiles](#SS-force) and you get complete type- and resource-safety, guaranteed by tools.
991 ##### Enforcement
993 * Look at pointers: Classify them into non-owners (the default) and owners.
994   Where feasible, replace owners with standard-library resource handles (as in the example above).
995   Alternatively, mark an owner as such using `owner` from [the GSL](#S-gsl).
996 * Look for naked `new` and `delete`
997 * Look for known resource allocating functions returning raw pointers (such as `fopen`, `malloc`, and `strdup`)
999 ### <a name="Rp-waste"></a>P.9: Don't waste time or space
1001 ##### Reason
1003 This is C++.
1005 ##### Note
1007 Time and space that you spend well to achieve a goal (e.g., speed of development, resource safety, or simplification of testing) is not wasted.
1008 "Another benefit of striving for efficiency is that the process forces you to understand the problem in more depth." - Alex Stepanov
1010 ##### Example, bad
1012     struct X {
1013         char ch;
1014         int i;
1015         string s;
1016         char ch2;
1018         X& operator=(const X& a);
1019         X(const X&);
1020     };
1022     X waste(const char* p)
1023     {
1024         if (!p) throw Nullptr_error{};
1025         int n = strlen(p);
1026         auto buf = new char[n];
1027         if (!buf) throw Allocation_error{};
1028         for (int i = 0; i < n; ++i) buf[i] = p[i];
1029         // ... manipulate buffer ...
1030         X x;
1031         x.ch = 'a';
1032         x.s = string(n);    // give x.s space for *p
1033         for (gsl::index i = 0; i < x.s.size(); ++i) x.s[i] = buf[i];  // copy buf into x.s
1034         delete[] buf;
1035         return x;
1036     }
1038     void driver()
1039     {
1040         X x = waste("Typical argument");
1041         // ...
1042     }
1044 Yes, this is a caricature, but we have seen every individual mistake in production code, and worse.
1045 Note that the layout of `X` guarantees that at least 6 bytes (and most likely more) are wasted.
1046 The spurious definition of copy operations disables move semantics so that the return operation is slow
1047 (please note that the Return Value Optimization, RVO, is not guaranteed here).
1048 The use of `new` and `delete` for `buf` is redundant; if we really needed a local string, we should use a local `string`.
1049 There are several more performance bugs and gratuitous complication.
1051 ##### Example, bad
1053     void lower(zstring s)
1054     {
1055         for (int i = 0; i < strlen(s); ++i) s[i] = tolower(s[i]);
1056     }
1058 Yes, this is an example from production code.
1059 We leave it to the reader to figure out what's wasted.
1061 ##### Note
1063 An individual example of waste is rarely significant, and where it is significant, it is typically easily eliminated by an expert.
1064 However, waste spread liberally across a code base can easily be significant and experts are not always as available as we would like.
1065 The aim of this rule (and the more specific rules that support it) is to eliminate most waste related to the use of C++ before it happens.
1066 After that, we can look at waste related to algorithms and requirements, but that is beyond the scope of these guidelines.
1068 ##### Enforcement
1070 Many more specific rules aim at the overall goals of simplicity and elimination of gratuitous waste.
1072 ### <a name="Rp-mutable"></a>P.10: Prefer immutable data to mutable data
1074 ##### Reason
1076 It is easier to reason about constants than about variables.
1077 Something immutable cannot change unexpectedly.
1078 Sometimes immutability enables better optimization.
1079 You can't have a data race on a constant.
1081 See [Con: Constants and immutability](#S-const)
1083 ### <a name="Rp-library"></a>P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code
1085 ##### Reason
1087 Messy code is more likely to hide bugs and harder to write.
1088 A good interface is easier and safer to use.
1089 Messy, low-level code breeds more such code.
1091 ##### Example
1093     int sz = 100;
1094     int* p = (int*) malloc(sizeof(int) * sz);
1095     int count = 0;
1096     // ...
1097     for (;;) {
1098         // ... read an int into x, exit loop if end of file is reached ...
1099         // ... check that x is valid ...
1100         if (count == sz)
1101             p = (int*) realloc(p, sizeof(int) * sz * 2);
1102         p[count++] = x;
1103         // ...
1104     }
1106 This is low-level, verbose, and error-prone.
1107 For example, we "forgot" to test for memory exhaustion.
1108 Instead, we could use `vector`:
1110     vector<int> v;
1111     v.reserve(100);
1112     // ...
1113     for (int x; cin >> x; ) {
1114         // ... check that x is valid ...
1115         v.push_back(x);
1116     }
1118 ##### Note
1120 The standards library and the GSL are examples of this philosophy.
1121 For example, instead of messing with the arrays, unions, cast, tricky lifetime issues, `gsl::owner`, etc.,
1122 that are needed to implement key abstractions, such as `vector`, `span`, `lock_guard`, and `future`, we use the libraries
1123 designed and implemented by people with more time and expertise than we usually have.
1124 Similarly, we can and should design and implement more specialized libraries, rather than leaving the users (often ourselves)
1125 with the challenge of repeatedly getting low-level code well.
1126 This is a variant of the [subset of superset principle](#R0) that underlies these guidelines.
1128 ##### Enforcement
1130 * Look for "messy code" such as complex pointer manipulation and casting outside the implementation of abstractions.
1133 ### <a name="Rp-tools"></a>P.12: Use supporting tools as appropriate
1135 ##### Reason
1137 There are many things that are done better "by machine".
1138 Computers don't tire or get bored by repetitive tasks.
1139 We typically have better things to do than repeatedly do routine tasks.
1141 ##### Example
1143 Run a static analyzer to verify that your code follows the guidelines you want it to follow.
1145 ##### Note
1149 * [Static analysis tools](???)
1150 * [Concurrency tools](#Rconc-tools)
1151 * [Testing tools](???)
1153 There are many other kinds of tools, such as source code repositories, build tools, etc.,
1154 but those are beyond the scope of these guidelines.
1156 ##### Note
1158 Be careful not to become dependent on over-elaborate or over-specialized tool chains.
1159 Those can make your otherwise portable code non-portable.
1162 ### <a name="Rp-lib"></a>P.13: Use support libraries as appropriate
1164 ##### Reason
1166 Using a well-designed, well-documented, and well-supported library saves time and effort;
1167 its quality and documentation are likely to be greater than what you could do
1168 if the majority of your time must be spent on an implementation.
1169 The cost (time, effort, money, etc.) of a library can be shared over many users.
1170 A widely used library is more likely to be kept up-to-date and ported to new systems than an individual application.
1171 Knowledge of a widely-used library can save time on other/future projects.
1172 So, if a suitable library exists for your application domain, use it.
1174 ##### Example
1176     std::sort(begin(v), end(v), std::greater<>());
1178 Unless you are an expert in sorting algorithms and have plenty of time,
1179 this is more likely to be correct and to run faster than anything you write for a specific application.
1180 You need a reason not to use the standard library (or whatever foundational libraries your application uses) rather than a reason to use it.
1182 ##### Note
1184 By default use
1186 * The [ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
1187 * The [Guidelines Support Library](#S-gsl)
1189 ##### Note
1191 If no well-designed, well-documented, and well-supported library exists for an important domain,
1192 maybe you should design and implement it, and then use it.
1195 # <a name="S-interfaces"></a>I: Interfaces
1197 An interface is a contract between two parts of a program. Precisely stating what is expected of a supplier of a service and a user of that service is essential.
1198 Having good (easy-to-understand, encouraging efficient use, not error-prone, supporting testing, etc.) interfaces is probably the most important single aspect of code organization.
1200 Interface rule summary:
1202 * [I.1: Make interfaces explicit](#Ri-explicit)
1203 * [I.2: Avoid non-`const` global variables](#Ri-global)
1204 * [I.3: Avoid singletons](#Ri-singleton)
1205 * [I.4: Make interfaces precisely and strongly typed](#Ri-typed)
1206 * [I.5: State preconditions (if any)](#Ri-pre)
1207 * [I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions](#Ri-expects)
1208 * [I.7: State postconditions](#Ri-post)
1209 * [I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions](#Ri-ensures)
1210 * [I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts](#Ri-concepts)
1211 * [I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task](#Ri-except)
1212 * [I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)](#Ri-raw)
1213 * [I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`](#Ri-nullptr)
1214 * [I.13: Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
1215 * [I.22: Avoid complex initialization of global objects](#Ri-global-init)
1216 * [I.23: Keep the number of function arguments low](#Ri-nargs)
1217 * [I.24: Avoid adjacent unrelated parameters of the same type](#Ri-unrelated)
1218 * [I.25: Prefer abstract classes as interfaces to class hierarchies](#Ri-abstract)
1219 * [I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset](#Ri-abi)
1220 * [I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom](#Ri-pimpl)
1221 * [I.30: Encapsulate rule violations](#Ri-encapsulate)
1223 **See also**:
1225 * [F: Functions](#S-functions)
1226 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
1227 * [C.hier: Class hierarchies](#SS-hier)
1228 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
1229 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
1230 * [E: Error handling](#S-errors)
1231 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
1233 ### <a name="Ri-explicit"></a>I.1: Make interfaces explicit
1235 ##### Reason
1237 Correctness. Assumptions not stated in an interface are easily overlooked and hard to test.
1239 ##### Example, bad
1241 Controlling the behavior of a function through a global (namespace scope) variable (a call mode) is implicit and potentially confusing. For example:
1243     int round(double d)
1244     {
1245         return (round_up) ? ceil(d) : d;    // don't: "invisible" dependency
1246     }
1248 It will not be obvious to a caller that the meaning of two calls of `round(7.2)` might give different results.
1250 ##### Exception
1252 Sometimes we control the details of a set of operations by an environment variable, e.g., normal vs. verbose output or debug vs. optimized.
1253 The use of a non-local control is potentially confusing, but controls only implementation details of otherwise fixed semantics.
1255 ##### Example, bad
1257 Reporting through non-local variables (e.g., `errno`) is easily ignored. For example:
1259     // don't: no test of printf's return value
1260     fprintf(connection, "logging: %d %d %d\n", x, y, s);
1262 What if the connection goes down so that no logging output is produced? See I.???.
1264 **Alternative**: Throw an exception. An exception cannot be ignored.
1266 **Alternative formulation**: Avoid passing information across an interface through non-local or implicit state.
1267 Note that non-`const` member functions pass information to other member functions through their object's state.
1269 **Alternative formulation**: An interface should be a function or a set of functions.
1270 Functions can be template functions and sets of functions can be classes or class templates.
1272 ##### Enforcement
1274 * (Simple) A function should not make control-flow decisions based on the values of variables declared at namespace scope.
1275 * (Simple) A function should not write to variables declared at namespace scope.
1277 ### <a name="Ri-global"></a>I.2: Avoid non-`const` global variables
1279 ##### Reason
1281 Non-`const` global variables hide dependencies and make the dependencies subject to unpredictable changes.
1283 ##### Example
1285     struct Data {
1286         // ... lots of stuff ...
1287     } data;            // non-const data
1289     void compute()     // don't
1290     {
1291         // ... use data ...
1292     }
1294     void output()     // don't
1295     {
1296         // ... use data ...
1297     }
1299 Who else might modify `data`?
1301 ##### Note
1303 Global constants are useful.
1305 ##### Note
1307 The rule against global variables applies to namespace scope variables as well.
1309 **Alternative**: If you use global (more generally namespace scope) data to avoid copying, consider passing the data as an object by reference to `const`.
1310 Another solution is to define the data as the state of some object and the operations as member functions.
1312 **Warning**: Beware of data races: If one thread can access nonlocal data (or data passed by reference) while another thread executes the callee, we can have a data race.
1313 Every pointer or reference to mutable data is a potential data race.
1315 ##### Note
1317 You cannot have a race condition on immutable data.
1319 **References**: See the [rules for calling functions](#SS-call).
1321 ##### Note
1323 The rule is "avoid", not "don't use." Of course there will be (rare) exceptions, such as `cin`, `cout`, and `cerr`.
1325 ##### Enforcement
1327 (Simple) Report all non-`const` variables declared at namespace scope.
1329 ### <a name="Ri-singleton"></a>I.3: Avoid singletons
1331 ##### Reason
1333 Singletons are basically complicated global objects in disguise.
1335 ##### Example
1337     class Singleton {
1338         // ... lots of stuff to ensure that only one Singleton object is created,
1339         // that it is initialized properly, etc.
1340     };
1342 There are many variants of the singleton idea.
1343 That's part of the problem.
1345 ##### Note
1347 If you don't want a global object to change, declare it `const` or `constexpr`.
1349 ##### Exception
1351 You can use the simplest "singleton" (so simple that it is often not considered a singleton) to get initialization on first use, if any:
1353     X& myX()
1354     {
1355         static X my_x {3};
1356         return my_x;
1357     }
1359 This is one of the most effective solutions to problems related to initialization order.
1360 In a multi-threaded environment, the initialization of the static object does not introduce a race condition
1361 (unless you carelessly access a shared object from within its constructor).
1363 Note that the initialization of a local `static` does not imply a race condition.
1364 However, if the destruction of `X` involves an operation that needs to be synchronized we must use a less simple solution.
1365 For example:
1367     X& myX()
1368     {
1369         static auto p = new X {3};
1370         return *p;  // potential leak
1371     }
1373 Now someone must `delete` that object in some suitably thread-safe way.
1374 That's error-prone, so we don't use that technique unless
1376 * `myX` is in multi-threaded code,
1377 * that `X` object needs to be destroyed (e.g., because it releases a resource), and
1378 * `X`'s destructor's code needs to be synchronized.
1380 If you, as many do, define a singleton as a class for which only one object is created, functions like `myX` are not singletons, and this useful technique is not an exception to the no-singleton rule.
1382 ##### Enforcement
1384 Very hard in general.
1386 * Look for classes with names that include `singleton`.
1387 * Look for classes for which only a single object is created (by counting objects or by examining constructors).
1388 * If a class X has a public static function that contains a function-local static of the class' type X and returns a pointer or reference to it, ban that.
1390 ### <a name="Ri-typed"></a>I.4: Make interfaces precisely and strongly typed
1392 ##### Reason
1394 Types are the simplest and best documentation, improve legibility due to their well-defined meaning, and are checked at compile time.
1395 Also, precisely typed code is often optimized better.
1397 ##### Example, don't
1399 Consider:
1401     void pass(void* data);    // weak and under qualified type void* is suspicious
1403 Callers are unsure what types are allowed and if the data may
1404 be mutated as `const` is not specified. Note all pointer types
1405 implicitly convert to void*, so it is easy for callers to provide this value.
1407 The callee must `static_cast` data to an unverified type to use it.
1408 That is error-prone and verbose.
1410 Only use `const void*` for passing in data in designs that are indescribable in C++. Consider using a `variant` or a pointer to base instead.
1412 **Alternative**: Often, a template parameter can eliminate the `void*` turning it into a `T*` or `T&`.
1413 For generic code these `T`s can be general or concept constrained template parameters.
1415 ##### Example, bad
1417 Consider:
1419     draw_rect(100, 200, 100, 500); // what do the numbers specify?
1421     draw_rect(p.x, p.y, 10, 20); // what units are 10 and 20 in?
1423 It is clear that the caller is describing a rectangle, but it is unclear what parts they relate to. Also, an `int` can carry arbitrary forms of information, including values of many units, so we must guess about the meaning of the four `int`s. Most likely, the first two are an `x`,`y` coordinate pair, but what are the last two?
1425 Comments and parameter names can help, but we could be explicit:
1427     void draw_rectangle(Point top_left, Point bottom_right);
1428     void draw_rectangle(Point top_left, Size height_width);
1430     draw_rectangle(p, Point{10, 20});  // two corners
1431     draw_rectangle(p, Size{10, 20});   // one corner and a (height, width) pair
1433 Obviously, we cannot catch all errors through the static type system
1434 (e.g., the fact that a first argument is supposed to be a top-left point is left to convention (naming and comments)).
1436 ##### Example, bad
1438 Consider:
1440     set_settings(true, false, 42); // what do the numbers specify?
1442 The parameter types and their values do not communicate what settings are being specified or what those values mean. 
1444 This design is more explicit, safe and legible:
1446     alarm_settings s{};
1447     s.enabled = true;
1448     s.displayMode = alarm_settings::mode::spinning_light;
1449     s.frequency = alarm_settings::every_10_seconds;
1450     set_settings(s);
1452 For the case of a set of boolean values consider using a flags enum; a pattern that expresses a set of boolean values.
1454     enable_lamp_options(lamp_option::on | lamp_option::animate_state_transitions);
1456 ##### Example, bad
1458 In the following example, it is not clear from the interface what `time_to_blink` means: Seconds? Milliseconds?
1460     void blink_led(int time_to_blink) // bad -- the unit is ambiguous
1461     {
1462         // ...
1463         // do something with time_to_blink
1464         // ...
1465     }
1467     void use()
1468     {
1469         blink_led(2);
1470     }
1472 ##### Example, good
1474 `std::chrono::duration` types (C++11) helps making the unit of time duration explicit.
1476     void blink_led(milliseconds time_to_blink) // good -- the unit is explicit
1477     {
1478         // ...
1479         // do something with time_to_blink
1480         // ...
1481     }
1483     void use()
1484     {
1485         blink_led(1500ms);
1486     }
1488 The function can also be written in such a way that it will accept any time duration unit.
1490     template<class rep, class period>
1491     void blink_led(duration<rep, period> time_to_blink) // good -- accepts any unit
1492     {
1493         // assuming that millisecond is the smallest relevant unit
1494         auto milliseconds_to_blink = duration_cast<milliseconds>(time_to_blink);
1495         // ...
1496         // do something with milliseconds_to_blink
1497         // ...
1498     }
1500     void use()
1501     {
1502         blink_led(2s);
1503         blink_led(1500ms);
1504     }
1506 ##### Enforcement
1508 * (Simple) Report the use of `void*` as a parameter or return type.
1509 * (Simple) Report the use of more than one `bool` parameter.
1510 * (Hard to do well) Look for functions that use too many primitive type arguments.
1512 ### <a name="Ri-pre"></a>I.5: State preconditions (if any)
1514 ##### Reason
1516 Arguments have meaning that may constrain their proper use in the callee.
1518 ##### Example
1520 Consider:
1522     double sqrt(double x);
1524 Here `x` must be nonnegative. The type system cannot (easily and naturally) express that, so we must use other means. For example:
1526     double sqrt(double x); // x must be nonnegative
1528 Some preconditions can be expressed as assertions. For example:
1530     double sqrt(double x) { Expects(x >= 0); /* ... */ }
1532 Ideally, that `Expects(x >= 0)` should be part of the interface of `sqrt()` but that's not easily done. For now, we place it in the definition (function body).
1534 **References**: `Expects()` is described in [GSL](#S-gsl).
1536 ##### Note
1538 Prefer a formal specification of requirements, such as `Expects(p);`.
1539 If that is infeasible, use English text in comments, such as `// the sequence [p:q) is ordered using <`.
1541 ##### Note
1543 Most member functions have as a precondition that some class invariant holds.
1544 That invariant is established by a constructor and must be reestablished upon exit by every member function called from outside the class.
1545 We don't need to mention it for each member function.
1547 ##### Enforcement
1549 (Not enforceable)
1551 **See also**: The rules for passing pointers. ???
1553 ### <a name="Ri-expects"></a>I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions
1555 ##### Reason
1557 To make it clear that the condition is a precondition and to enable tool use.
1559 ##### Example
1561     int area(int height, int width)
1562     {
1563         Expects(height > 0 && width > 0);            // good
1564         if (height <= 0 || width <= 0) my_error();   // obscure
1565         // ...
1566     }
1568 ##### Note
1570 Preconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1571 This can make them hard to distinguish from ordinary code, hard to update, hard to manipulate by tools, and may have the wrong semantics (do you always want to abort in debug mode and check nothing in productions runs?).
1573 ##### Note
1575 Preconditions should be part of the interface rather than part of the implementation,
1576 but we don't yet have the language facilities to do that.
1577 Once language support becomes available (e.g., see the [contract proposal](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0380r1.pdf)) we will adopt the standard version of preconditions, postconditions, and assertions.
1579 ##### Note
1581 `Expects()` can also be used to check a condition in the middle of an algorithm.
1583 ##### Note
1585 No, using `unsigned` is not a good way to sidestep the problem of [ensuring that a value is nonnegative](#Res-nonnegative).
1587 ##### Enforcement
1589 (Not enforceable) Finding the variety of ways preconditions can be asserted is not feasible. Warning about those that can be easily identified (`assert()`) has questionable value in the absence of a language facility.
1591 ### <a name="Ri-post"></a>I.7: State postconditions
1593 ##### Reason
1595 To detect misunderstandings about the result and possibly catch erroneous implementations.
1597 ##### Example, bad
1599 Consider:
1601     int area(int height, int width) { return height * width; }  // bad
1603 Here, we (incautiously) left out the precondition specification, so it is not explicit that height and width must be positive.
1604 We also left out the postcondition specification, so it is not obvious that the algorithm (`height * width`) is wrong for areas larger than the largest integer.
1605 Overflow can happen.
1606 Consider using:
1608     int area(int height, int width)
1609     {
1610         auto res = height * width;
1611         Ensures(res > 0);
1612         return res;
1613     }
1615 ##### Example, bad
1617 Consider a famous security bug:
1619     void f()    // problematic
1620     {
1621         char buffer[MAX];
1622         // ...
1623         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1624     }
1626 There was no postcondition stating that the buffer should be cleared and the optimizer eliminated the apparently redundant `memset()` call:
1628     void f()    // better
1629     {
1630         char buffer[MAX];
1631         // ...
1632         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1633         Ensures(buffer[0] == 0);
1634     }
1636 ##### Note
1638 Postconditions are often informally stated in a comment that states the purpose of a function; `Ensures()` can be used to make this more systematic, visible, and checkable.
1640 ##### Note
1642 Postconditions are especially important when they relate to something that is not directly reflected in a returned result, such as a state of a data structure used.
1644 ##### Example
1646 Consider a function that manipulates a `Record`, using a `mutex` to avoid race conditions:
1648     mutex m;
1650     void manipulate(Record& r)    // don't
1651     {
1652         m.lock();
1653         // ... no m.unlock() ...
1654     }
1656 Here, we "forgot" to state that the `mutex` should be released, so we don't know if the failure to ensure release of the `mutex` was a bug or a feature.
1657 Stating the postcondition would have made it clear:
1659     void manipulate(Record& r)    // postcondition: m is unlocked upon exit
1660     {
1661         m.lock();
1662         // ... no m.unlock() ...
1663     }
1665 The bug is now obvious (but only to a human reading comments).
1667 Better still, use [RAII](#Rr-raii) to ensure that the postcondition ("the lock must be released") is enforced in code:
1669     void manipulate(Record& r)    // best
1670     {
1671         lock_guard<mutex> _ {m};
1672         // ...
1673     }
1675 ##### Note
1677 Ideally, postconditions are stated in the interface/declaration so that users can easily see them.
1678 Only postconditions related to the users can be stated in the interface.
1679 Postconditions related only to internal state belongs in the definition/implementation.
1681 ##### Enforcement
1683 (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check
1684 directly in the general case. Domain specific checkers (like lock-holding
1685 checkers) exist for many toolchains.
1687 ### <a name="Ri-ensures"></a>I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions
1689 ##### Reason
1691 To make it clear that the condition is a postcondition and to enable tool use.
1693 ##### Example
1695     void f()
1696     {
1697         char buffer[MAX];
1698         // ...
1699         memset(buffer, 0, MAX);
1700         Ensures(buffer[0] == 0);
1701     }
1703 ##### Note
1705 Postconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1706 This can make them hard to distinguish from ordinary code, hard to update, hard to manipulate by tools, and may have the wrong semantics.
1708 **Alternative**: Postconditions of the form "this resource must be released" are best expressed by [RAII](#Rr-raii).
1710 ##### Note
1712 Ideally, that `Ensures` should be part of the interface, but that's not easily done.
1713 For now, we place it in the definition (function body).
1714 Once language support becomes available (e.g., see the [contract proposal](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0380r1.pdf)) we will adopt the standard version of preconditions, postconditions, and assertions.
1716 ##### Enforcement
1718 (Not enforceable) Finding the variety of ways postconditions can be asserted is not feasible. Warning about those that can be easily identified (`assert()`) has questionable value in the absence of a language facility.
1720 ### <a name="Ri-concepts"></a>I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts
1722 ##### Reason
1724 Make the interface precisely specified and compile-time checkable in the (not so distant) future.
1726 ##### Example
1728 Use the ISO Concepts TS style of requirements specification. For example:
1730     template<typename Iter, typename Val>
1731     // requires InputIterator<Iter> && EqualityComparable<ValueType<Iter>>, Val>
1732     Iter find(Iter first, Iter last, Val v)
1733     {
1734         // ...
1735     }
1737 ##### Note
1739 Soon (maybe in 2018), most compilers will be able to check `requires` clauses once the `//` is removed.
1740 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
1742 **See also**: [Generic programming](#SS-GP) and [concepts](#SS-concepts).
1744 ##### Enforcement
1746 (Not yet enforceable) A language facility is under specification. When the language facility is available, warn if any non-variadic template parameter is not constrained by a concept (in its declaration or mentioned in a `requires` clause).
1748 ### <a name="Ri-except"></a>I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task
1750 ##### Reason
1752 It should not be possible to ignore an error because that could leave the system or a computation in an undefined (or unexpected) state.
1753 This is a major source of errors.
1755 ##### Example
1757     int printf(const char* ...);    // bad: return negative number if output fails
1759     template <class F, class ...Args>
1760     // good: throw system_error if unable to start the new thread
1761     explicit thread(F&& f, Args&&... args);
1763 ##### Note
1765 What is an error?
1767 An error means that the function cannot achieve its advertised purpose (including establishing postconditions).
1768 Calling code that ignores an error could lead to wrong results or undefined systems state.
1769 For example, not being able to connect to a remote server is not by itself an error:
1770 the server can refuse a connection for all kinds of reasons, so the natural thing is to return a result that the caller should always check.
1771 However, if failing to make a connection is considered an error, then a failure should throw an exception.
1773 ##### Exception
1775 Many traditional interface functions (e.g., UNIX signal handlers) use error codes (e.g., `errno`) to report what are really status codes, rather than errors. You don't have a good alternative to using such, so calling these does not violate the rule.
1777 ##### Alternative
1779 If you can't use exceptions (e.g., because your code is full of old-style raw-pointer use or because there are hard-real-time constraints), consider using a style that returns a pair of values:
1781     int val;
1782     int error_code;
1783     tie(val, error_code) = do_something();
1784     if (error_code) {
1785         // ... handle the error or exit ...
1786     }
1787     // ... use val ...
1789 This style unfortunately leads to uninitialized variables.
1790 A facility [structured bindings](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0144r1.pdf) to deal with that will become available in C++17.
1792     auto [val, error_code] = do_something();
1793     if (error_code) {
1794         // ... handle the error or exit ...
1795     }
1796     // ... use val ...
1798 ##### Note
1800 We don't consider "performance" a valid reason not to use exceptions.
1802 * Often, explicit error checking and handling consume as much time and space as exception handling.
1803 * Often, cleaner code yields better performance with exceptions (simplifying the tracing of paths through the program and their optimization).
1804 * A good rule for performance critical code is to move checking outside the critical part of the code ([checking](#Rper-checking)).
1805 * In the longer term, more regular code gets better optimized.
1806 * Always carefully [measure](#Rper-measure) before making performance claims.
1808 **See also**: [I.5](#Ri-pre) and [I.7](#Ri-post) for reporting precondition and postcondition violations.
1810 ##### Enforcement
1812 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
1813 * Look for `errno`.
1815 ### <a name="Ri-raw"></a>I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)
1817 ##### Reason
1819 If there is any doubt whether the caller or the callee owns an object, leaks or premature destruction will occur.
1821 ##### Example
1823 Consider:
1825     X* compute(args)    // don't
1826     {
1827         X* res = new X{};
1828         // ...
1829         return res;
1830     }
1832 Who deletes the returned `X`? The problem would be harder to spot if `compute` returned a reference.
1833 Consider returning the result by value (use move semantics if the result is large):
1835     vector<double> compute(args)  // good
1836     {
1837         vector<double> res(10000);
1838         // ...
1839         return res;
1840     }
1842 **Alternative**: [Pass ownership](#Rr-smartptrparam) using a "smart pointer", such as `unique_ptr` (for exclusive ownership) and `shared_ptr` (for shared ownership).
1843 However, that is less elegant and often less efficient than returning the object itself,
1844 so use smart pointers only if reference semantics are needed.
1846 **Alternative**: Sometimes older code can't be modified because of ABI compatibility requirements or lack of resources.
1847 In that case, mark owning pointers using `owner` from the [guidelines support library](#S-gsl):
1849     owner<X*> compute(args)    // It is now clear that ownership is transferred
1850     {
1851         owner<X*> res = new X{};
1852         // ...
1853         return res;
1854     }
1856 This tells analysis tools that `res` is an owner.
1857 That is, its value must be `delete`d or transferred to another owner, as is done here by the `return`.
1859 `owner` is used similarly in the implementation of resource handles.
1861 ##### Note
1863 Every object passed as a raw pointer (or iterator) is assumed to be owned by the
1864 caller, so that its lifetime is handled by the caller. Viewed another way:
1865 ownership transferring APIs are relatively rare compared to pointer-passing APIs,
1866 so the default is "no ownership transfer."
1868 **See also**: [Argument passing](#Rf-conventional), [use of smart pointer arguments](#Rr-smartptrparam), and [value return](#Rf-value-return).
1870 ##### Enforcement
1872 * (Simple) Warn on `delete` of a raw pointer that is not an `owner<T>`. Suggest use of standard-library resource handle or use of `owner<T>`.
1873 * (Simple) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner` pointer on every code path.
1874 * (Simple) Warn if the return value of `new` or a function call with an `owner` return value is assigned to a raw pointer or non-`owner` reference.
1876 ### <a name="Ri-nullptr"></a>I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`
1878 ##### Reason
1880 To help avoid dereferencing `nullptr` errors.
1881 To improve performance by avoiding redundant checks for `nullptr`.
1883 ##### Example
1885     int length(const char* p);            // it is not clear whether length(nullptr) is valid
1887     length(nullptr);                      // OK?
1889     int length(not_null<const char*> p);  // better: we can assume that p cannot be nullptr
1891     int length(const char* p);            // we must assume that p can be nullptr
1893 By stating the intent in source, implementers and tools can provide better diagnostics, such as finding some classes of errors through static analysis, and perform optimizations, such as removing branches and null tests.
1895 ##### Note
1897 `not_null` is defined in the [guidelines support library](#S-gsl).
1899 ##### Note
1901 The assumption that the pointer to `char` pointed to a C-style string (a zero-terminated string of characters) was still implicit, and a potential source of confusion and errors. Use `czstring` in preference to `const char*`.
1903     // we can assume that p cannot be nullptr
1904     // we can assume that p points to a zero-terminated array of characters
1905     int length(not_null<zstring> p);
1907 Note: `length()` is, of course, `std::strlen()` in disguise.
1909 ##### Enforcement
1911 * (Simple) ((Foundation)) If a function checks a pointer parameter against `nullptr` before access, on all control-flow paths, then warn it should be declared `not_null`.
1912 * (Complex) If a function with pointer return value ensures it is not `nullptr` on all return paths, then warn the return type should be declared `not_null`.
1914 ### <a name="Ri-array"></a>I.13: Do not pass an array as a single pointer
1916 ##### Reason
1918  (pointer, size)-style interfaces are error-prone. Also, a plain pointer (to array) must rely on some convention to allow the callee to determine the size.
1920 ##### Example
1922 Consider:
1924     void copy_n(const T* p, T* q, int n); // copy from [p:p+n) to [q:q+n)
1926 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `q`? Then, we overwrite some probably unrelated memory.
1927 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `p`? Then, we read some probably unrelated memory.
1928 Either is undefined behavior and a potentially very nasty bug.
1930 ##### Alternative
1932 Consider using explicit spans:
1934     void copy(span<const T> r, span<T> r2); // copy r to r2
1936 ##### Example, bad
1938 Consider:
1940     void draw(Shape* p, int n);  // poor interface; poor code
1941     Circle arr[10];
1942     // ...
1943     draw(arr, 10);
1945 Passing `10` as the `n` argument may be a mistake: the most common convention is to assume `[0:n)` but that is nowhere stated. Worse is that the call of `draw()` compiled at all: there was an implicit conversion from array to pointer (array decay) and then another implicit conversion from `Circle` to `Shape`. There is no way that `draw()` can safely iterate through that array: it has no way of knowing the size of the elements.
1947 **Alternative**: Use a support class that ensures that the number of elements is correct and prevents dangerous implicit conversions. For example:
1949     void draw2(span<Circle>);
1950     Circle arr[10];
1951     // ...
1952     draw2(span<Circle>(arr));  // deduce the number of elements
1953     draw2(arr);    // deduce the element type and array size
1955     void draw3(span<Shape>);
1956     draw3(arr);    // error: cannot convert Circle[10] to span<Shape>
1958 This `draw2()` passes the same amount of information to `draw()`, but makes the fact that it is supposed to be a range of `Circle`s explicit. See ???.
1960 ##### Exception
1962 Use `zstring` and `czstring` to represent a C-style, zero-terminated strings.
1963 But when doing so, use `string_span` from the [GSL](#GSL) to prevent range errors.
1965 ##### Enforcement
1967 * (Simple) ((Bounds)) Warn for any expression that would rely on implicit conversion of an array type to a pointer type. Allow exception for zstring/czstring pointer types.
1968 * (Simple) ((Bounds)) Warn for any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type. Allow exception for zstring/czstring pointer types.
1970 ### <a name="Ri-global-init"></a>I.22: Avoid complex initialization of global objects
1972 ##### Reason
1974 Complex initialization can lead to undefined order of execution.
1976 ##### Example
1978     // file1.c
1980     extern const X x;
1982     const Y y = f(x);   // read x; write y
1984     // file2.c
1986     extern const Y y;
1988     const X x = g(y);   // read y; write x
1990 Since `x` and `y` are in different translation units the order of calls to `f()` and `g()` is undefined;
1991 one will access an uninitialized `const`.
1992 This shows that the order-of-initialization problem for global (namespace scope) objects is not limited to global *variables*.
1994 ##### Note
1996 Order of initialization problems become particularly difficult to handle in concurrent code.
1997 It is usually best to avoid global (namespace scope) objects altogether.
1999 ##### Enforcement
2001 * Flag initializers of globals that call non-`constexpr` functions
2002 * Flag initializers of globals that access `extern` objects
2004 ### <a name="Ri-nargs"></a>I.23: Keep the number of function arguments low
2006 ##### Reason
2008 Having many arguments opens opportunities for confusion. Passing lots of arguments is often costly compared to alternatives.
2010 ##### Discussion
2012 The two most common reasons why functions have too many parameters are:
2014 1. *Missing an abstraction.*
2015    There is an abstraction missing, so that a compound value is being
2016    passed as individual elements instead of as a single object that enforces an invariant.
2017    This not only expands the parameter list, but it leads to errors because the component values
2018    are no longer protected by an enforced invariant.
2020 2. *Violating "one function, one responsibility."*
2021    The function is trying to do more than one job and should probably be refactored.
2023 ##### Example
2025 The standard-library `merge()` is at the limit of what we can comfortably handle:
2027     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator, class Compare>
2028     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2029                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2030                          OutputIterator result, Compare comp);
2032 Note that this is because of problem 1 above -- missing abstraction. Instead of passing a range (abstraction), STL passed iterator pairs (unencapsulated component values).
2034 Here, we have four template arguments and six function arguments.
2035 To simplify the most frequent and simplest uses, the comparison argument can be defaulted to `<`:
2037     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator>
2038     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2039                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2040                          OutputIterator result);
2042 This doesn't reduce the total complexity, but it reduces the surface complexity presented to many users.
2043 To really reduce the number of arguments, we need to bundle the arguments into higher-level abstractions:
2045     template<class InputRange1, class InputRange2, class OutputIterator>
2046     OutputIterator merge(InputRange1 r1, InputRange2 r2, OutputIterator result);
2048 Grouping arguments into "bundles" is a general technique to reduce the number of arguments and to increase the opportunities for checking.
2050 Alternatively, we could use concepts (as defined by the ISO TS) to define the notion of three types that must be usable for merging:
2052     Mergeable{In1, In2, Out}
2053     OutputIterator merge(In1 r1, In2 r2, Out result);
2055 ##### Example
2057 The safety Profiles recommend replacing
2059     void f(int* some_ints, int some_ints_length);  // BAD: C style, unsafe
2061 with
2063     void f(gsl::span<int> some_ints);              // GOOD: safe, bounds-checked
2065 Here, using an abstraction has safety and robustness benefits, and naturally also reduces the number of parameters.
2067 ##### Note
2069 How many parameters are too many? Try to use fewer than four (4) parameters.
2070 There are functions that are best expressed with four individual parameters, but not many.
2072 **Alternative**: Use better abstraction: Group arguments into meaningful objects and pass the objects (by value or by reference).
2074 **Alternative**: Use default arguments or overloads to allow the most common forms of calls to be done with fewer arguments.
2076 ##### Enforcement
2078 * Warn when a function declares two iterators (including pointers) of the same type instead of a range or a view.
2079 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
2081 ### <a name="Ri-unrelated"></a>I.24: Avoid adjacent unrelated parameters of the same type
2083 ##### Reason
2085 Adjacent arguments of the same type are easily swapped by mistake.
2087 ##### Example, bad
2089 Consider:
2091     void copy_n(T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2093 This is a nasty variant of a K&R C-style interface. It is easy to reverse the "to" and "from" arguments.
2095 Use `const` for the "from" argument:
2097     void copy_n(const T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2099 ##### Exception
2101 If the order of the parameters is not important, there is no problem:
2103     int max(int a, int b);
2105 ##### Alternative
2107 Don't pass arrays as pointers, pass an object representing a range (e.g., a `span`):
2109     void copy_n(span<const T> p, span<T> q);  // copy from p to q
2111 ##### Alternative
2113 Define a `struct` as the parameter type and name the fields for those parameters accordingly:
2115     struct SystemParams {
2116         string config_file;
2117         string output_path;
2118         seconds timeout;
2119     };
2120     void initialize(SystemParams p);
2122 This tends to make invocations of this clear to future readers, as the parameters
2123 are often filled in by name at the call site.
2125 ##### Enforcement
2127 (Simple) Warn if two consecutive parameters share the same type.
2129 ### <a name="Ri-abstract"></a>I.25: Prefer abstract classes as interfaces to class hierarchies
2131 ##### Reason
2133 Abstract classes are more likely to be stable than base classes with state.
2135 ##### Example, bad
2137 You just knew that `Shape` would turn up somewhere :-)
2139     class Shape {  // bad: interface class loaded with data
2140     public:
2141         Point center() const { return c; }
2142         virtual void draw() const;
2143         virtual void rotate(int);
2144         // ...
2145     private:
2146         Point c;
2147         vector<Point> outline;
2148         Color col;
2149     };
2151 This will force every derived class to compute a center -- even if that's non-trivial and the center is never used. Similarly, not every `Shape` has a `Color`, and many `Shape`s are best represented without an outline defined as a sequence of `Point`s. Abstract classes were invented to discourage users from writing such classes:
2153     class Shape {    // better: Shape is a pure interface
2154     public:
2155         virtual Point center() const = 0;   // pure virtual functions
2156         virtual void draw() const = 0;
2157         virtual void rotate(int) = 0;
2158         // ...
2159         // ... no data members ...
2160         // ...
2161         virtual ~Shape() = default;
2162     };
2164 ##### Enforcement
2166 (Simple) Warn if a pointer/reference to a class `C` is assigned to a pointer/reference to a base of `C` and the base class contains data members.
2168 ### <a name="Ri-abi"></a>I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset
2170 ##### Reason
2172 Different compilers implement different binary layouts for classes, exception handling, function names, and other implementation details.
2174 ##### Exception
2176 You can carefully craft an interface using a few carefully selected higher-level C++ types. See ???.
2178 ##### Exception
2180 Common ABIs are emerging on some platforms freeing you from the more draconian restrictions.
2182 ##### Note
2184 If you use a single compiler, you can use full C++ in interfaces. That may require recompilation after an upgrade to a new compiler version.
2186 ##### Enforcement
2188 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2190 ### <a name="Ri-pimpl"></a>I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom
2192 ##### Reason
2194 Because private data members participate in class layout and private member functions participate in overload resolution, changes to those
2195 implementation details require recompilation of all users of a class that uses them. A non-polymorphic interface class holding a pointer to
2196 implementation (Pimpl) can isolate the users of a class from changes in its implementation at the cost of an indirection.
2198 ##### Example
2200 interface (widget.h)
2202     class widget {
2203         class impl;
2204         std::unique_ptr<impl> pimpl;
2205     public:
2206         void draw(); // public API that will be forwarded to the implementation
2207         widget(int); // defined in the implementation file
2208         ~widget();   // defined in the implementation file, where impl is a complete type
2209         widget(widget&&) = default;
2210         widget(const widget&) = delete;
2211         widget& operator=(widget&&); // defined in the implementation file
2212         widget& operator=(const widget&) = delete;
2213     };
2216 implementation (widget.cpp)
2218     class widget::impl {
2219         int n; // private data
2220     public:
2221         void draw(const widget& w) { /* ... */ }
2222         impl(int n) : n(n) {}
2223     };
2224     void widget::draw() { pimpl->draw(*this); }
2225     widget::widget(int n) : pimpl{std::make_unique<impl>(n)} {}
2226     widget::~widget() = default;
2227     widget& widget::operator=(widget&&) = default;
2229 ##### Notes
2231 See [GOTW #100](https://herbsutter.com/gotw/_100/) and [cppreference](http://en.cppreference.com/w/cpp/language/pimpl) for the trade-offs and additional implementation details associated with this idiom.
2233 ##### Enforcement
2235 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2237 ### <a name="Ri-encapsulate"></a>I.30: Encapsulate rule violations
2239 ##### Reason
2241 To keep code simple and safe.
2242 Sometimes, ugly, unsafe, or error-prone techniques are necessary for logical or performance reasons.
2243 If so, keep them local, rather than "infecting" interfaces so that larger groups of programmers have to be aware of the
2244 subtleties.
2245 Implementation complexity should, if at all possible, not leak through interfaces into user code.
2247 ##### Example
2249 Consider a program that, depending on some form of input (e.g., arguments to `main`), should consume input
2250 from a file, from the command line, or from standard input.
2251 We might write
2253     bool owned;
2254     owner<istream*> inp;
2255     switch (source) {
2256     case std_in:        owned = false; inp = &cin;                       break;
2257     case command_line:  owned = true;  inp = new istringstream{argv[2]}; break;
2258     case file:          owned = true;  inp = new ifstream{argv[2]};      break;
2259     }
2260     istream& in = *inp;
2262 This violated the rule [against uninitialized variables](#Res-always),
2263 the rule against [ignoring ownership](#Ri-raw),
2264 and the rule [against magic constants](#Res-magic).
2265 In particular, someone has to remember to somewhere write
2267     if (owned) delete inp;
2269 We could handle this particular example by using `unique_ptr` with a special deleter that does nothing for `cin`,
2270 but that's complicated for novices (who can easily encounter this problem) and the example is an example of a more general
2271 problem where a property that we would like to consider static (here, ownership) needs infrequently be addressed
2272 at run time.
2273 The common, most frequent, and safest examples can be handled statically, so we don't want to add cost and complexity to those.
2274 But we must also cope with the uncommon, less-safe, and necessarily more expensive cases.
2275 Such examples are discussed in [[Str15]](http://www.stroustrup.com/resource-model.pdf).
2277 So, we write a class
2279     class Istream { [[gsl::suppress(lifetime)]]
2280     public:
2281         enum Opt { from_line = 1 };
2282         Istream() { }
2283         Istream(zstring p) :owned{true}, inp{new ifstream{p}} {}            // read from file
2284         Istream(zstring p, Opt) :owned{true}, inp{new istringstream{p}} {}  // read from command line
2285         ~Istream() { if (owned) delete inp; }
2286         operator istream& () { return *inp; }
2287     private:
2288         bool owned = false;
2289         istream* inp = &cin;
2290     };
2292 Now, the dynamic nature of `istream` ownership has been encapsulated.
2293 Presumably, a bit of checking for potential errors would be added in real code.
2295 ##### Enforcement
2297 * Hard, it is hard to decide what rule-breaking code is essential
2298 * Flag rule suppression that enable rule-violations to cross interfaces
2300 # <a name="S-functions"></a>F: Functions
2302 A function specifies an action or a computation that takes the system from one consistent state to the next. It is the fundamental building block of programs.
2304 It should be possible to name a function meaningfully, to specify the requirements of its argument, and clearly state the relationship between the arguments and the result. An implementation is not a specification. Try to think about what a function does as well as about how it does it.
2305 Functions are the most critical part in most interfaces, so see the interface rules.
2307 Function rule summary:
2309 Function definition rules:
2311 * [F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions](#Rf-package)
2312 * [F.2: A function should perform a single logical operation](#Rf-logical)
2313 * [F.3: Keep functions short and simple](#Rf-single)
2314 * [F.4: If a function may have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`](#Rf-constexpr)
2315 * [F.5: If a function is very small and time-critical, declare it inline](#Rf-inline)
2316 * [F.6: If your function may not throw, declare it `noexcept`](#Rf-noexcept)
2317 * [F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers](#Rf-smart)
2318 * [F.8: Prefer pure functions](#Rf-pure)
2319 * [F.9: Unused parameters should be unnamed](#Rf-unused)
2321 Parameter passing expression rules:
2323 * [F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information](#Rf-conventional)
2324 * [F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`](#Rf-in)
2325 * [F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`](#Rf-inout)
2326 * [F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter](#Rf-consume)
2327 * [F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter](#Rf-forward)
2328 * [F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters](#Rf-out)
2329 * [F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple](#Rf-out-multi)
2330 * [F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option](#Rf-ptr-ref)
2332 Parameter passing semantic rules:
2334 * [F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object](#Rf-ptr)
2335 * [F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value](#Rf-nullptr)
2336 * [F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence](#Rf-range)
2337 * [F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string](#Rf-zstring)
2338 * [F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed](#Rf-unique_ptr)
2339 * [F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership](#Rf-shared_ptr)
2341 <a name="Rf-value-return"></a>Value return semantic rules:
2343 * [F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)](#Rf-return-ptr)
2344 * [F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object](#Rf-dangle)
2345 * [F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed](#Rf-return-ref)
2346 * [F.45: Don't return a `T&&`](#Rf-return-ref-ref)
2347 * [F.46: `int` is the return type for `main()`](#Rf-main)
2348 * [F.47: Return `T&` from assignment operators](#Rf-assignment-op)
2349 * [F.48: Don't `return std::move(local)`](#Rf-return-move-local)
2351 Other function rules:
2353 * [F.50: Use a lambda when a function won't do (to capture local variables, or to write a local function)](#Rf-capture-vs-overload)
2354 * [F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading](#Rf-default-args)
2355 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
2356 * [F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used nonlocally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread](#Rf-value-capture)
2357 * [F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)](#Rf-this-capture)
2358 * [F.55: Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs)
2360 Functions have strong similarities to lambdas and function objects.
2362 **See also**: [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
2364 ## <a name="SS-fct-def"></a>F.def: Function definitions
2366 A function definition is a function declaration that also specifies the function's implementation, the function body.
2368 ### <a name="Rf-package"></a>F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions
2370 ##### Reason
2372 Factoring out common code makes code more readable, more likely to be reused, and limit errors from complex code.
2373 If something is a well-specified action, separate it out from its surrounding code and give it a name.
2375 ##### Example, don't
2377     void read_and_print(istream& is)    // read and print an int
2378     {
2379         int x;
2380         if (is >> x)
2381             cout << "the int is " << x << '\n';
2382         else
2383             cerr << "no int on input\n";
2384     }
2386 Almost everything is wrong with `read_and_print`.
2387 It reads, it writes (to a fixed `ostream`), it writes error messages (to a fixed `ostream`), it handles only `int`s.
2388 There is nothing to reuse, logically separate operations are intermingled and local variables are in scope after the end of their logical use.
2389 For a tiny example, this looks OK, but if the input operation, the output operation, and the error handling had been more complicated the tangled
2390 mess could become hard to understand.
2392 ##### Note
2394 If you write a non-trivial lambda that potentially can be used in more than one place, give it a name by assigning it to a (usually non-local) variable.
2396 ##### Example
2398     sort(a, b, [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); });
2400 Naming that lambda breaks up the expression into its logical parts and provides a strong hint to the meaning of the lambda.
2402     auto lessT = [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); };
2404     sort(a, b, lessT);
2405     find_if(a, b, lessT);
2407 The shortest code is not always the best for performance or maintainability.
2409 ##### Exception
2411 Loop bodies, including lambdas used as loop bodies, rarely need to be named.
2412 However, large loop bodies (e.g., dozens of lines or dozens of pages) can be a problem.
2413 The rule [Keep functions short and simple](#Rf-single) implies "Keep loop bodies short."
2414 Similarly, lambdas used as callback arguments are sometimes non-trivial, yet unlikely to be reusable.
2416 ##### Enforcement
2418 * See [Keep functions short and simple](#Rf-single)
2419 * Flag identical and very similar lambdas used in different places.
2421 ### <a name="Rf-logical"></a>F.2: A function should perform a single logical operation
2423 ##### Reason
2425 A function that performs a single operation is simpler to understand, test, and reuse.
2427 ##### Example
2429 Consider:
2431     void read_and_print()    // bad
2432     {
2433         int x;
2434         cin >> x;
2435         // check for errors
2436         cout << x << "\n";
2437     }
2439 This is a monolith that is tied to a specific input and will never find another (different) use. Instead, break functions up into suitable logical parts and parameterize:
2441     int read(istream& is)    // better
2442     {
2443         int x;
2444         is >> x;
2445         // check for errors
2446         return x;
2447     }
2449     void print(ostream& os, int x)
2450     {
2451         os << x << "\n";
2452     }
2454 These can now be combined where needed:
2456     void read_and_print()
2457     {
2458         auto x = read(cin);
2459         print(cout, x);
2460     }
2462 If there was a need, we could further templatize `read()` and `print()` on the data type, the I/O mechanism, the response to errors, etc. Example:
2464     auto read = [](auto& input, auto& value)    // better
2465     {
2466         input >> value;
2467         // check for errors
2468     };
2470     auto print(auto& output, const auto& value)
2471     {
2472         output << value << "\n";
2473     }
2475 ##### Enforcement
2477 * Consider functions with more than one "out" parameter suspicious. Use return values instead, including `tuple` for multiple return values.
2478 * Consider "large" functions that don't fit on one editor screen suspicious. Consider factoring such a function into smaller well-named suboperations.
2479 * Consider functions with 7 or more parameters suspicious.
2481 ### <a name="Rf-single"></a>F.3: Keep functions short and simple
2483 ##### Reason
2485 Large functions are hard to read, more likely to contain complex code, and more likely to have variables in larger than minimal scopes.
2486 Functions with complex control structures are more likely to be long and more likely to hide logical errors
2488 ##### Example
2490 Consider:
2492     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2493         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2494         // given the two mode flags.
2495     {
2496         double intermediate;
2497         if (flag1 > 0) {
2498             intermediate = func1(val);
2499             if (flag2 % 2)
2500                  intermediate = sqrt(intermediate);
2501         }
2502         else if (flag1 == -1) {
2503             intermediate = func1(-val);
2504             if (flag2 % 2)
2505                  intermediate = sqrt(-intermediate);
2506             flag1 = -flag1;
2507         }
2508         if (abs(flag2) > 10) {
2509             intermediate = func2(intermediate);
2510         }
2511         switch (flag2 / 10) {
2512         case 1: if (flag1 == -1) return finalize(intermediate, 1.171);
2513                 break;
2514         case 2: return finalize(intermediate, 13.1);
2515         default: break;
2516         }
2517         return finalize(intermediate, 0.);
2518     }
2520 This is too complex.
2521 How would you know if all possible alternatives have been correctly handled?
2522 Yes, it breaks other rules also.
2524 We can refactor:
2526     double func1_muon(double val, int flag)
2527     {
2528         // ???
2529     }
2531     double func1_tau(double val, int flag1, int flag2)
2532     {
2533         // ???
2534     }
2536     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2537         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2538         // given the two mode flags.
2539     {
2540         if (flag1 > 0)
2541             return func1_muon(val, flag2);
2542         if (flag1 == -1)
2543             // handled by func1_tau: flag1 = -flag1;
2544             return func1_tau(-val, flag1, flag2);
2545         return 0.;
2546     }
2548 ##### Note
2550 "It doesn't fit on a screen" is often a good practical definition of "far too large."
2551 One-to-five-line functions should be considered normal.
2553 ##### Note
2555 Break large functions up into smaller cohesive and named functions.
2556 Small simple functions are easily inlined where the cost of a function call is significant.
2558 ##### Enforcement
2560 * Flag functions that do not "fit on a screen."
2561   How big is a screen? Try 60 lines by 140 characters; that's roughly the maximum that's comfortable for a book page.
2562 * Flag functions that are too complex. How complex is too complex?
2563   You could use cyclomatic complexity. Try "more than 10 logical path through." Count a simple switch as one path.
2565 ### <a name="Rf-constexpr"></a>F.4: If a function may have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`
2567 ##### Reason
2569  `constexpr` is needed to tell the compiler to allow compile-time evaluation.
2571 ##### Example
2573 The (in)famous factorial:
2575     constexpr int fac(int n)
2576     {
2577         constexpr int max_exp = 17;      // constexpr enables max_exp to be used in Expects
2578         Expects(0 <= n && n < max_exp);  // prevent silliness and overflow
2579         int x = 1;
2580         for (int i = 2; i <= n; ++i) x *= i;
2581         return x;
2582     }
2584 This is C++14.
2585 For C++11, use a recursive formulation of `fac()`.
2587 ##### Note
2589 `constexpr` does not guarantee compile-time evaluation;
2590 it just guarantees that the function can be evaluated at compile time for constant expression arguments if the programmer requires it or the compiler decides to do so to optimize.
2592     constexpr int min(int x, int y) { return x < y ? x : y; }
2594     void test(int v)
2595     {
2596         int m1 = min(-1, 2);            // probably compile-time evaluation
2597         constexpr int m2 = min(-1, 2);  // compile-time evaluation
2598         int m3 = min(-1, v);            // run-time evaluation
2599         constexpr int m4 = min(-1, v);  // error: cannot evaluate at compile time
2600     }
2602 ##### Note
2604 `constexpr` functions are pure: they can have no side effects.
2606     int dcount = 0;
2607     constexpr int double(int v)
2608     {
2609         ++dcount;   // error: attempted side effect from constexpr function
2610         return v + v;
2611     }
2613 This is usually a very good thing.
2615 When given a non-constant argument, a `constexpr` function can throw.
2616 If you consider exiting by throwing a side effect, a `constexpr` function isn't completely pure;
2617 if not, this is not an issue.
2618 ??? A question for the committee: can a constructor for an exception thrown by a `constexpr` function modify state?
2619 "No" would be a nice answer that matches most practice.
2621 ##### Note
2623 Don't try to make all functions `constexpr`.
2624 Most computation is best done at run time.
2626 ##### Note
2628 Any API that may eventually depend on high-level run-time configuration or
2629 business logic should not be made `constexpr`. Such customization can not be
2630 evaluated by the compiler, and any `constexpr` functions that depended upon
2631 that API would have to be refactored or drop `constexpr`.
2633 ##### Enforcement
2635 Impossible and unnecessary.
2636 The compiler gives an error if a non-`constexpr` function is called where a constant is required.
2638 ### <a name="Rf-inline"></a>F.5: If a function is very small and time-critical, declare it `inline`
2640 ##### Reason
2642 Some optimizers are good at inlining without hints from the programmer, but don't rely on it.
2643 Measure! Over the last 40 years or so, we have been promised compilers that can inline better than humans without hints from humans.
2644 We are still waiting.
2645 Specifying `inline` encourages the compiler to do a better job.
2647 ##### Example
2649     inline string cat(const string& s, const string& s2) { return s + s2; }
2651 ##### Exception
2653 Do not put an `inline` function in what is meant to be a stable interface unless you are certain that it will not change.
2654 An inline function is part of the ABI.
2656 ##### Note
2658 `constexpr` implies `inline`.
2660 ##### Note
2662 Member functions defined in-class are `inline` by default.
2664 ##### Exception
2666 Template functions (incl. template member functions) are normally defined in headers and therefore inline.
2668 ##### Enforcement
2670 Flag `inline` functions that are more than three statements and could have been declared out of line (such as class member functions).
2672 ### <a name="Rf-noexcept"></a>F.6: If your function may not throw, declare it `noexcept`
2674 ##### Reason
2676 If an exception is not supposed to be thrown, the program cannot be assumed to cope with the error and should be terminated as soon as possible. Declaring a function `noexcept` helps optimizers by reducing the number of alternative execution paths. It also speeds up the exit after failure.
2678 ##### Example
2680 Put `noexcept` on every function written completely in C or in any other language without exceptions.
2681 The C++ Standard Library does that implicitly for all functions in the C Standard Library.
2683 ##### Note
2685 `constexpr` functions can throw when evaluated at run time, so you may need `noexcept` for some of those.
2687 ##### Example
2689 You can use `noexcept` even on functions that can throw:
2691     vector<string> collect(istream& is) noexcept
2692     {
2693         vector<string> res;
2694         for (string s; is >> s;)
2695             res.push_back(s);
2696         return res;
2697     }
2699 If `collect()` runs out of memory, the program crashes.
2700 Unless the program is crafted to survive memory exhaustion, that may be just the right thing to do;
2701 `terminate()` may generate suitable error log information (but after memory runs out it is hard to do anything clever).
2703 ##### Note
2705 You must be aware of the execution environment that your code is running when
2706 deciding whether to tag a function `noexcept`, especially because of the issue
2707 of throwing and allocation.  Code that is intended to be perfectly general (like
2708 the standard library and other utility code of that sort) needs to support
2709 environments where a `bad_alloc` exception may be handled meaningfully.
2710 However, most programs and execution environments cannot meaningfully
2711 handle a failure to allocate, and aborting the program is the cleanest and
2712 simplest response to an allocation failure in those cases.  If you know that
2713 your application code cannot respond to an allocation failure, it may be
2714 appropriate to add `noexcept` even on functions that allocate.
2716 Put another way: In most programs, most functions can throw (e.g., because they
2717 use `new`, call functions that do, or use library functions that reports failure
2718 by throwing), so don't just sprinkle `noexcept` all over the place without
2719 considering whether the possible exceptions can be handled.
2721 `noexcept` is most useful (and most clearly correct) for frequently used,
2722 low-level functions.
2724 ##### Note
2726 Destructors, `swap` functions, move operations, and default constructors should never throw.
2728 ##### Enforcement
2730 * Flag functions that are not `noexcept`, yet cannot throw.
2731 * Flag throwing `swap`, `move`, destructors, and default constructors.
2733 ### <a name="Rf-smart"></a>F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers
2735 ##### Reason
2737 Passing a smart pointer transfers or shares ownership and should only be used when ownership semantics are intended (see [R.30](#Rr-smartptrparam)).
2738 Passing by smart pointer restricts the use of a function to callers that use smart pointers.
2739 Passing a shared smart pointer (e.g., `std::shared_ptr`) implies a run-time cost.
2741 ##### Example
2743     // accepts any int*
2744     void f(int*);
2746     // can only accept ints for which you want to transfer ownership
2747     void g(unique_ptr<int>);
2749     // can only accept ints for which you are willing to share ownership
2750     void g(shared_ptr<int>);
2752     // doesn't change ownership, but requires a particular ownership of the caller
2753     void h(const unique_ptr<int>&);
2755     // accepts any int
2756     void h(int&);
2758 ##### Example, bad
2760     // callee
2761     void f(shared_ptr<widget>& w)
2762     {
2763         // ...
2764         use(*w); // only use of w -- the lifetime is not used at all
2765         // ...
2766     };
2768 See further in [R.30](#Rr-smartptrparam).
2770 ##### Note
2772 We can catch dangling pointers statically, so we don't need to rely on resource management to avoid violations from dangling pointers.
2774 **See also**:
2776 * [Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option](#Rf-ptr-ref)
2777 * [Smart pointer rule summary](#Rr-summary-smartptrs)
2779 ##### Enforcement
2781 Flag a parameter of a smart pointer type (a type that overloads `operator->` or `operator*`) for which the ownership semantics are not used;
2782 that is
2784 * copyable but never copied/moved from or movable but never moved
2785 * and that is never modified or passed along to another function that could do so.
2787 ### <a name="Rf-pure"></a>F.8: Prefer pure functions
2789 ##### Reason
2791 Pure functions are easier to reason about, sometimes easier to optimize (and even parallelize), and sometimes can be memoized.
2793 ##### Example
2795     template<class T>
2796     auto square(T t) { return t * t; }
2798 ##### Note
2800 `constexpr` functions are pure.
2802 When given a non-constant argument, a `constexpr` function can throw.
2803 If you consider exiting by throwing a side effect, a `constexpr` function isn't completely pure;
2804 if not, this is not an issue.
2805 ??? A question for the committee: can a constructor for an exception thrown by a `constexpr` function modify state?
2806 "No" would be a nice answer that matches most practice.
2808 ##### Enforcement
2810 Not possible.
2812 ### <a name="Rf-unused"></a>F.9: Unused parameters should be unnamed
2814 ##### Reason
2816 Readability.
2817 Suppression of unused parameter warnings.
2819 ##### Example
2821     X* find(map<Blob>& m, const string& s, Hint);   // once upon a time, a hint was used
2823 ##### Note
2825 Allowing parameters to be unnamed was introduced in the early 1980 to address this problem.
2827 ##### Enforcement
2829 Flag named unused parameters.
2831 ## <a name="SS-call"></a>F.call: Parameter passing
2833 There are a variety of ways to pass parameters to a function and to return values.
2835 ### <a name="Rf-conventional"></a>F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information
2837 ##### Reason
2839 Using "unusual and clever" techniques causes surprises, slows understanding by other programmers, and encourages bugs.
2840 If you really feel the need for an optimization beyond the common techniques, measure to ensure that it really is an improvement, and document/comment because the improvement may not be portable.
2842 The following tables summarize the advice in the following Guidelines, F.16-21.
2844 Normal parameter passing:
2846 ![Normal parameter passing table](./param-passing-normal.png "Normal parameter passing")
2848 Advanced parameter passing:
2850 ![Advanced parameter passing table](./param-passing-advanced.png "Advanced parameter passing")
2852 Use the advanced techniques only after demonstrating need, and document that need in a comment.
2854 ### <a name="Rf-in"></a>F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`
2856 ##### Reason
2858 Both let the caller know that a function will not modify the argument, and both allow initialization by rvalues.
2860 What is "cheap to copy" depends on the machine architecture, but two or three words (doubles, pointers, references) are usually best passed by value.
2861 When copying is cheap, nothing beats the simplicity and safety of copying, and for small objects (up to two or three words) it is also faster than passing by reference because it does not require an extra indirection to access from the function.
2863 ##### Example
2865     void f1(const string& s);  // OK: pass by reference to const; always cheap
2867     void f2(string s);         // bad: potentially expensive
2869     void f3(int x);            // OK: Unbeatable
2871     void f4(const int& x);     // bad: overhead on access in f4()
2873 For advanced uses (only), where you really need to optimize for rvalues passed to "input-only" parameters:
2875 * If the function is going to unconditionally move from the argument, take it by `&&`. See [F.18](#Rf-consume).
2876 * If the function is going to keep a copy of the argument, in addition to passing by `const&` (for lvalues),
2877   add an overload that passes the parameter by `&&` (for rvalues) and in the body `std::move`s it to its destination. Essentially this overloads a "will-move-from"; see [F.18](#Rf-consume).
2878 * In special cases, such as multiple "input + copy" parameters, consider using perfect forwarding. See [F.19](#Rf-forward).
2880 ##### Example
2882     int multiply(int, int); // just input ints, pass by value
2884     // suffix is input-only but not as cheap as an int, pass by const&
2885     string& concatenate(string&, const string& suffix);
2887     void sink(unique_ptr<widget>);  // input only, and moves ownership of the widget
2889 Avoid "esoteric techniques" such as:
2891 * Passing arguments as `T&&` "for efficiency".
2892   Most rumors about performance advantages from passing by `&&` are false or brittle (but see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
2893 * Returning `const T&` from assignments and similar operations (see [F.47](#Rf-assignment-op).)
2895 ##### Example
2897 Assuming that `Matrix` has move operations (possibly by keeping its elements in a `std::vector`):
2899     Matrix operator+(const Matrix& a, const Matrix& b)
2900     {
2901         Matrix res;
2902         // ... fill res with the sum ...
2903         return res;
2904     }
2906     Matrix x = m1 + m2;  // move constructor
2908     y = m3 + m3;         // move assignment
2910 ##### Notes
2912 The return value optimization doesn't handle the assignment case, but the move assignment does.
2914 A reference may be assumed to refer to a valid object (language rule).
2915 There is no (legitimate) "null reference."
2916 If you need the notion of an optional value, use a pointer, `std::optional`, or a special value used to denote "no value."
2918 ##### Enforcement
2920 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter being passed by value has a size greater than `4 * sizeof(int)`.
2921   Suggest using a reference to `const` instead.
2922 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a `const` parameter being passed by reference has a size less than `3 * sizeof(int)`. Suggest passing by value instead.
2923 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a `const` parameter being passed by reference is `move`d.
2925 ### <a name="Rf-inout"></a>F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`
2927 ##### Reason
2929 This makes it clear to callers that the object is assumed to be modified.
2931 ##### Example
2933     void update(Record& r);  // assume that update writes to r
2935 ##### Note
2937 A `T&` argument can pass information into a function as well as out of it.
2938 Thus `T&` could be an in-out-parameter. That can in itself be a problem and a source of errors:
2940     void f(string& s)
2941     {
2942         s = "New York";  // non-obvious error
2943     }
2945     void g()
2946     {
2947         string buffer = ".................................";
2948         f(buffer);
2949         // ...
2950     }
2952 Here, the writer of `g()` is supplying a buffer for `f()` to fill, but `f()` simply replaces it (at a somewhat higher cost than a simple copy of the characters).
2953 A bad logic error can happen if the writer of `g()` incorrectly assumes the size of the `buffer`.
2955 ##### Enforcement
2957 * (Moderate) ((Foundation)) Warn about functions regarding reference to non-`const` parameters that do *not* write to them.
2958 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a non-`const` parameter being passed by reference is `move`d.
2960 ### <a name="Rf-consume"></a>F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter
2962 ##### Reason
2964 It's efficient and eliminates bugs at the call site: `X&&` binds to rvalues, which requires an explicit `std::move` at the call site if passing an lvalue.
2966 ##### Example
2968     void sink(vector<int>&& v) {   // sink takes ownership of whatever the argument owned
2969         // usually there might be const accesses of v here
2970         store_somewhere(std::move(v));
2971         // usually no more use of v here; it is moved-from
2972     }
2974 Note that the `std::move(v)` makes it possible for `store_somewhere()` to leave `v` in a moved-from state.
2975 [That could be dangerous](#Rc-move-semantic).
2978 ##### Exception
2980 Unique owner types that are move-only and cheap-to-move, such as `unique_ptr`, can also be passed by value which is simpler to write and achieves the same effect. Passing by value does generate one extra (cheap) move operation, but prefer simplicity and clarity first.
2982 For example:
2984     template <class T>
2985     void sink(std::unique_ptr<T> p) {
2986         // use p ... possibly std::move(p) onward somewhere else
2987     }   // p gets destroyed
2989 ##### Enforcement
2991 * Flag all `X&&` parameters (where `X` is not a template type parameter name) where the function body uses them without `std::move`.
2992 * Flag access to moved-from objects.
2993 * Don't conditionally move from objects
2995 ### <a name="Rf-forward"></a>F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter
2997 ##### Reason
2999 If the object is to be passed onward to other code and not directly used by this function, we want to make this function agnostic to the argument `const`-ness and rvalue-ness.
3001 In that case, and only that case, make the parameter `TP&&` where `TP` is a template type parameter -- it both *ignores* and *preserves* `const`-ness and rvalue-ness. Therefore any code that uses a `TP&&` is implicitly declaring that it itself doesn't care about the variable's `const`-ness and rvalue-ness (because it is ignored), but that intends to pass the value onward to other code that does care about `const`-ness and rvalue-ness (because it is preserved). When used as a parameter `TP&&` is safe because any temporary objects passed from the caller will live for the duration of the function call. A parameter of type `TP&&` should essentially always be passed onward via `std::forward` in the body of the function.
3003 ##### Example
3005     template <class F, class... Args>
3006     inline auto invoke(F f, Args&&... args) {
3007         return f(forward<Args>(args)...);
3008     }
3010     ??? calls ???
3012 ##### Enforcement
3014 * Flag a function that takes a `TP&&` parameter (where `TP` is a template type parameter name) and does anything with it other than `std::forward`ing it exactly once on every static path.
3016 ### <a name="Rf-out"></a>F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters
3018 ##### Reason
3020 A return value is self-documenting, whereas a `&` could be either in-out or out-only and is liable to be misused.
3022 This includes large objects like standard containers that use implicit move operations for performance and to avoid explicit memory management.
3024 If you have multiple values to return, [use a tuple](#Rf-out-multi) or similar multi-member type.
3026 ##### Example
3028     // OK: return pointers to elements with the value x
3029     vector<const int*> find_all(const vector<int>&, int x);
3031     // Bad: place pointers to elements with value x in-out
3032     void find_all(const vector<int>&, vector<const int*>& out, int x);
3034 ##### Note
3036 A `struct` of many (individually cheap-to-move) elements may be in aggregate expensive to move.
3038 It is not recommended to return a `const` value.
3039 Such older advice is now obsolete; it does not add value, and it interferes with move semantics.
3041     const vector<int> fct();    // bad: that "const" is more trouble than it is worth
3043     vector<int> g(const vector<int>& vx)
3044     {
3045         // ...
3046         fct() = vx;   // prevented by the "const"
3047         // ...
3048         return fct(); // expensive copy: move semantics suppressed by the "const"
3049     }
3051 The argument for adding `const` to a return value is that it prevents (very rare) accidental access to a temporary.
3052 The argument against is prevents (very frequent) use of move semantics.
3054 ##### Exceptions
3056 * For non-value types, such as types in an inheritance hierarchy, return the object by `unique_ptr` or `shared_ptr`.
3057 * If a type is expensive to move (e.g., `array<BigPOD>`), consider allocating it on the free store and return a handle (e.g., `unique_ptr`), or passing it in a reference to non-`const` target object to fill (to be used as an out-parameter).
3058 * To reuse an object that carries capacity (e.g., `std::string`, `std::vector`) across multiple calls to the function in an inner loop: [treat it as an in/out parameter and pass by reference](#Rf-out-multi).
3060 ##### Example
3062     struct Package {      // exceptional case: expensive-to-move object
3063         char header[16];
3064         char load[2024 - 16];
3065     };
3067     Package fill();       // Bad: large return value
3068     void fill(Package&);  // OK
3070     int val();            // OK
3071     void val(int&);       // Bad: Is val reading its argument
3073 ##### Enforcement
3075 * Flag reference to non-`const` parameters that are not read before being written to and are a type that could be cheaply returned; they should be "out" return values.
3076 * Flag returning a `const` value. To fix: Remove `const` to return a non-`const` value instead.
3078 ### <a name="Rf-out-multi"></a>F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple
3080 ##### Reason
3082 A return value is self-documenting as an "output-only" value.
3083 Note that C++ does have multiple return values, by convention of using a `tuple` (including `pair`),
3084 possibly with the extra convenience of `tie` at the call site.
3085 Prefer using a named struct where there are semantics to the returned value. Otherwise, a nameless `tuple` is useful in generic code.
3087 ##### Example
3089     // BAD: output-only parameter documented in a comment
3090     int f(const string& input, /*output only*/ string& output_data)
3091     {
3092         // ...
3093         output_data = something();
3094         return status;
3095     }
3097     // GOOD: self-documenting
3098     tuple<int, string> f(const string& input)
3099     {
3100         // ...
3101         return make_tuple(status, something());
3102     }
3104 C++98's standard library already used this style, because a `pair` is like a two-element `tuple`.
3105 For example, given a `set<string> my_set`, consider:
3107     // C++98
3108     result = my_set.insert("Hello");
3109     if (result.second) do_something_with(result.first);    // workaround
3111 With C++11 we can write this, putting the results directly in existing local variables:
3113     Sometype iter;                                // default initialize if we haven't already
3114     Someothertype success;                        // used these variables for some other purpose
3116     tie(iter, success) = my_set.insert("Hello");   // normal return value
3117     if (success) do_something_with(iter);
3119 With C++17 we should be able to use "structured bindings" to declare and initialize the multiple variables:
3121     if (auto [ iter, success ] = my_set.insert("Hello"); success) do_something_with(iter);
3123 ##### Exception
3125 Sometimes, we need to pass an object to a function to manipulate its state.
3126 In such cases, passing the object by reference [`T&`](#Rf-inout) is usually the right technique.
3127 Explicitly passing an in-out parameter back out again as a return value is often not necessary.
3128 For example:
3130     istream& operator>>(istream& is, string& s);    // much like std::operator>>()
3132     for (string s; cin >> s; ) {
3133         // do something with line
3134     }
3136 Here, both `s` and `cin` are used as in-out parameters.
3137 We pass `cin` by (non-`const`) reference to be able to manipulate its state.
3138 We pass `s` to avoid repeated allocations.
3139 By reusing `s` (passed by reference), we allocate new memory only when we need to expand `s`'s capacity.
3140 This technique is sometimes called the "caller-allocated out" pattern and is particularly useful for types,
3141 such as `string` and `vector`, that needs to do free store allocations.
3143 To compare, if we passed out all values as return values, we would something like this:
3145     pair<istream&, string> get_string(istream& is);  // not recommended
3146     {
3147         string s;
3148         is >> s;
3149         return {is, s};
3150     }
3152     for (auto p = get_string(cin); p.first; ) {
3153         // do something with p.second
3154     }
3156 We consider that significantly less elegant with significantly less performance.
3158 For a truly strict reading of this rule (F.21), the exception isn't really an exception because it relies on in-out parameters,
3159 rather than the plain out parameters mentioned in the rule.
3160 However, we prefer to be explicit, rather than subtle.
3162 ##### Note
3164 In many cases, it may be useful to return a specific, user-defined type.
3165 For example:
3167     struct Distance {
3168         int value;
3169         int unit = 1;   // 1 means meters
3170     };
3172     Distance d1 = measure(obj1);        // access d1.value and d1.unit
3173     auto d2 = measure(obj2);            // access d2.value and d2.unit
3174     auto [value, unit] = measure(obj3); // access value and unit; somewhat redundant
3175                                         // to people who know measure()
3176     auto [x, y] = measure(obj4);        // don't; it's likely to be confusing
3178 The overly-generic `pair` and `tuple` should be used only when the value returned represents to independent entities rather than an abstraction.
3180 Another example, use a specific type along the lines of `variant<T, error_code>`, rather than using the generic `tuple`.
3182 ##### Enforcement
3184 * Output parameters should be replaced by return values.
3185   An output parameter is one that the function writes to, invokes a non-`const` member function, or passes on as a non-`const`.
3187 ### <a name="Rf-ptr"></a>F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object
3189 ##### Reason
3191 Readability: it makes the meaning of a plain pointer clear.
3192 Enables significant tool support.
3194 ##### Note
3196 In traditional C and C++ code, plain `T*` is used for many weakly-related purposes, such as:
3198 * Identify a (single) object (not to be deleted by this function)
3199 * Point to an object allocated on the free store (and delete it later)
3200 * Hold the `nullptr`
3201 * Identify a C-style string (zero-terminated array of characters)
3202 * Identify an array with a length specified separately
3203 * Identify a location in an array
3205 This makes it hard to understand what the code does and is supposed to do.
3206 It complicates checking and tool support.
3208 ##### Example
3210     void use(int* p, int n, char* s, int* q)
3211     {
3212         p[n - 1] = 666; // Bad: we don't know if p points to n elements;
3213                         // assume it does not or use span<int>
3214         cout << s;      // Bad: we don't know if that s points to a zero-terminated array of char;
3215                         // assume it does not or use zstring
3216         delete q;       // Bad: we don't know if *q is allocated on the free store;
3217                         // assume it does not or use owner
3218     }
3220 better
3222     void use2(span<int> p, zstring s, owner<int*> q)
3223     {
3224         p[p.size() - 1] = 666; // OK, a range error can be caught
3225         cout << s; // OK
3226         delete q;  // OK
3227     }
3229 ##### Note
3231 `owner<T*>` represents ownership, `zstring` represents a C-style string.
3233 **Also**: Assume that a `T*` obtained from a smart pointer to `T` (e.g., `unique_ptr<T>`) points to a single element.
3235 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3237 **See also**: [Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
3239 ##### Enforcement
3241 * (Simple) ((Bounds)) Warn for any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
3243 ### <a name="Rf-nullptr"></a>F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value
3245 ##### Reason
3247 Clarity. A function with a `not_null<T>` parameter makes it clear that the caller of the function is responsible for any `nullptr` checks that may be necessary.
3248 Similarly, a function with a return value of `not_null<T>` makes it clear that the caller of the function does not need to check for `nullptr`.
3250 ##### Example
3252 `not_null<T*>` makes it obvious to a reader (human or machine) that a test for `nullptr` is not necessary before dereference.
3253 Additionally, when debugging, `owner<T*>` and `not_null<T>` can be instrumented to check for correctness.
3255 Consider:
3257     int length(Record* p);
3259 When I call `length(p)` should I check if `p` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3261     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3262     int length(not_null<Record*> p);
3264     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3265     int length(Record* p);
3267 ##### Note
3269 A `not_null<T*>` is assumed not to be the `nullptr`; a `T*` may be the `nullptr`; both can be represented in memory as a `T*` (so no run-time overhead is implied).
3271 ##### Note
3273 `not_null` is not just for built-in pointers. It works for `unique_ptr`, `shared_ptr`, and other pointer-like types.
3275 ##### Enforcement
3277 * (Simple) Warn if a raw pointer is dereferenced without being tested against `nullptr` (or equivalent) within a function, suggest it is declared `not_null` instead.
3278 * (Simple) Error if a raw pointer is sometimes dereferenced after first being tested against `nullptr` (or equivalent) within the function and sometimes is not.
3279 * (Simple) Warn if a `not_null` pointer is tested against `nullptr` within a function.
3281 ### <a name="Rf-range"></a>F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence
3283 ##### Reason
3285 Informal/non-explicit ranges are a source of errors.
3287 ##### Example
3289     X* find(span<X> r, const X& v);    // find v in r
3291     vector<X> vec;
3292     // ...
3293     auto p = find({vec.begin(), vec.end()}, X{});  // find X{} in vec
3295 ##### Note
3297 Ranges are extremely common in C++ code. Typically, they are implicit and their correct use is very hard to ensure.
3298 In particular, given a pair of arguments `(p, n)` designating an array `[p:p+n)`,
3299 it is in general impossible to know if there really are `n` elements to access following `*p`.
3300 `span<T>` and `span_p<T>` are simple helper classes designating a `[p:q)` range and a range starting with `p` and ending with the first element for which a predicate is true, respectively.
3302 ##### Example
3304 A `span` represents a range of elements, but how do we manipulate elements of that range?
3306     void f(span<int> s)
3307     {
3308         // range traversal (guaranteed correct)
3309         for (int x : s) cout << x << '\n';
3311         // C-style traversal (potentially checked)
3312         for (gsl::index i = 0; i < s.size(); ++i) cout << s[i] << '\n';
3314         // random access (potentially checked)
3315         s[7] = 9;
3317         // extract pointers (potentially checked)
3318         std::sort(&s[0], &s[s.size() / 2]);
3319     }
3321 ##### Note
3323 A `span<T>` object does not own its elements and is so small that it can be passed by value.
3325 Passing a `span` object as an argument is exactly as efficient as passing a pair of pointer arguments or passing a pointer and an integer count.
3327 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3329 ##### Enforcement
3331 (Complex) Warn where accesses to pointer parameters are bounded by other parameters that are integral types and suggest they could use `span` instead.
3333 ### <a name="Rf-zstring"></a>F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string
3335 ##### Reason
3337 C-style strings are ubiquitous. They are defined by convention: zero-terminated arrays of characters.
3338 We must distinguish C-style strings from a pointer to a single character or an old-fashioned pointer to an array of characters.
3340 ##### Example
3342 Consider:
3344     int length(const char* p);
3346 When I call `length(s)` should I check if `s` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3348     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3349     int length(zstring p);
3351     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3352     int length(not_null<zstring> p);
3354 ##### Note
3356 `zstring` do not represent ownership.
3358 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3360 ### <a name="Rf-unique_ptr"></a>F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed
3362 ##### Reason
3364 Using `unique_ptr` is the cheapest way to pass a pointer safely.
3366 **See also**: [C.50](#Rc-factory) regarding when to return a `shared_ptr` from a factory.
3368 ##### Example
3370     unique_ptr<Shape> get_shape(istream& is)  // assemble shape from input stream
3371     {
3372         auto kind = read_header(is); // read header and identify the next shape on input
3373         switch (kind) {
3374         case kCircle:
3375             return make_unique<Circle>(is);
3376         case kTriangle:
3377             return make_unique<Triangle>(is);
3378         // ...
3379         }
3380     }
3382 ##### Note
3384 You need to pass a pointer rather than an object if what you are transferring is an object from a class hierarchy that is to be used through an interface (base class).
3386 ##### Enforcement
3388 (Simple) Warn if a function returns a locally allocated raw pointer. Suggest using either `unique_ptr` or `shared_ptr` instead.
3390 ### <a name="Rf-shared_ptr"></a>F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership
3392 ##### Reason
3394 Using `std::shared_ptr` is the standard way to represent shared ownership. That is, the last owner deletes the object.
3396 ##### Example
3398     shared_ptr<const Image> im { read_image(somewhere) };
3400     std::thread t0 {shade, args0, top_left, im};
3401     std::thread t1 {shade, args1, top_right, im};
3402     std::thread t2 {shade, args2, bottom_left, im};
3403     std::thread t3 {shade, args3, bottom_right, im};
3405     // detach threads
3406     // last thread to finish deletes the image
3408 ##### Note
3410 Prefer a `unique_ptr` over a `shared_ptr` if there is never more than one owner at a time.
3411 `shared_ptr` is for shared ownership.
3413 Note that pervasive use of `shared_ptr` has a cost (atomic operations on the `shared_ptr`'s reference count have a measurable aggregate cost).
3415 ##### Alternative
3417 Have a single object own the shared object (e.g. a scoped object) and destroy that (preferably implicitly) when all users have completed.
3419 ##### Enforcement
3421 (Not enforceable) This is a too complex pattern to reliably detect.
3423 ### <a name="Rf-ptr-ref"></a>F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option
3425 ##### Reason
3427 A pointer (`T*`) can be a `nullptr` and a reference (`T&`) cannot, there is no valid "null reference".
3428 Sometimes having `nullptr` as an alternative to indicated "no object" is useful, but if it is not, a reference is notationally simpler and might yield better code.
3430 ##### Example
3432     string zstring_to_string(zstring p) // zstring is a char*; that is a C-style string
3433     {
3434         if (!p) return string{};    // p might be nullptr; remember to check
3435         return string{p};
3436     }
3438     void print(const vector<int>& r)
3439     {
3440         // r refers to a vector<int>; no check needed
3441     }
3443 ##### Note
3445 It is possible, but not valid C++ to construct a reference that is essentially a `nullptr` (e.g., `T* p = nullptr; T& r = (T&)*p;`).
3446 That error is very uncommon.
3448 ##### Note
3450 If you prefer the pointer notation (`->` and/or `*` vs. `.`), `not_null<T*>` provides the same guarantee as `T&`.
3452 ##### Enforcement
3454 * Flag ???
3456 ### <a name="Rf-return-ptr"></a>F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)
3458 ##### Reason
3460 That's what pointers are good for.
3461 Returning a `T*` to transfer ownership is a misuse.
3463 ##### Example
3465     Node* find(Node* t, const string& s)  // find s in a binary tree of Nodes
3466     {
3467         if (!t || t->name == s) return t;
3468         if ((auto p = find(t->left, s))) return p;
3469         if ((auto p = find(t->right, s))) return p;
3470         return nullptr;
3471     }
3473 If it isn't the `nullptr`, the pointer returned by `find` indicates a `Node` holding `s`.
3474 Importantly, that does not imply a transfer of ownership of the pointed-to object to the caller.
3476 ##### Note
3478 Positions can also be transferred by iterators, indices, and references.
3479 A reference is often a superior alternative to a pointer [if there is no need to use `nullptr`](#Rf-ptr-ref) or [if the object referred to should not change](???).
3481 ##### Note
3483 Do not return a pointer to something that is not in the caller's scope; see [F.43](#Rf-dangle).
3485 **See also**: [discussion of dangling pointer prevention](#???)
3487 ##### Enforcement
3489 * Flag `delete`, `std::free()`, etc. applied to a plain `T*`.
3490 Only owners should be deleted.
3491 * Flag `new`, `malloc()`, etc. assigned to a plain `T*`.
3492 Only owners should be responsible for deletion.
3494 ### <a name="Rf-dangle"></a>F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object
3496 ##### Reason
3498 To avoid the crashes and data corruption that can result from the use of such a dangling pointer.
3500 ##### Example, bad
3502 After the return from a function its local objects no longer exist:
3504     int* f()
3505     {
3506         int fx = 9;
3507         return &fx;  // BAD
3508     }
3510     void g(int* p)   // looks innocent enough
3511     {
3512         int gx;
3513         cout << "*p == " << *p << '\n';
3514         *p = 999;
3515         cout << "gx == " << gx << '\n';
3516     }
3518     void h()
3519     {
3520         int* p = f();
3521         int z = *p;  // read from abandoned stack frame (bad)
3522         g(p);        // pass pointer to abandoned stack frame to function (bad)
3523     }
3525 Here on one popular implementation I got the output:
3527     *p == 999
3528     gx == 999
3530 I expected that because the call of `g()` reuses the stack space abandoned by the call of `f()` so `*p` refers to the space now occupied by `gx`.
3532 * Imagine what would happen if `fx` and `gx` were of different types.
3533 * Imagine what would happen if `fx` or `gx` was a type with an invariant.
3534 * Imagine what would happen if more that dangling pointer was passed around among a larger set of functions.
3535 * Imagine what a cracker could do with that dangling pointer.
3537 Fortunately, most (all?) modern compilers catch and warn against this simple case.
3539 ##### Note
3541 This applies to references as well:
3543     int& f()
3544     {
3545         int x = 7;
3546         // ...
3547         return x;  // Bad: returns reference to object that is about to be destroyed
3548     }
3550 ##### Note
3552 This applies only to non-`static` local variables.
3553 All `static` variables are (as their name indicates) statically allocated, so that pointers to them cannot dangle.
3555 ##### Example, bad
3557 Not all examples of leaking a pointer to a local variable are that obvious:
3559     int* glob;       // global variables are bad in so many ways
3561     template<class T>
3562     void steal(T x)
3563     {
3564         glob = x();  // BAD
3565     }
3567     void f()
3568     {
3569         int i = 99;
3570         steal([&] { return &i; });
3571     }
3573     int main()
3574     {
3575         f();
3576         cout << *glob << '\n';
3577     }
3579 Here I managed to read the location abandoned by the call of `f`.
3580 The pointer stored in `glob` could be used much later and cause trouble in unpredictable ways.
3582 ##### Note
3584 The address of a local variable can be "returned"/leaked by a return statement, by a `T&` out-parameter, as a member of a returned object, as an element of a returned array, and more.
3586 ##### Note
3588 Similar examples can be constructed "leaking" a pointer from an inner scope to an outer one;
3589 such examples are handled equivalently to leaks of pointers out of a function.
3591 A slightly different variant of the problem is placing pointers in a container that outlives the objects pointed to.
3593 **See also**: Another way of getting dangling pointers is [pointer invalidation](#???).
3594 It can be detected/prevented with similar techniques.
3596 ##### Enforcement
3598 * Compilers tend to catch return of reference to locals and could in many cases catch return of pointers to locals.
3599 * Static analysis can catch many common patterns of the use of pointers indicating positions (thus eliminating dangling pointers)
3601 ### <a name="Rf-return-ref"></a>F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed
3603 ##### Reason
3605 The language guarantees that a `T&` refers to an object, so that testing for `nullptr` isn't necessary.
3607 **See also**: The return of a reference must not imply transfer of ownership:
3608 [discussion of dangling pointer prevention](#???) and [discussion of ownership](#???).
3610 ##### Example
3612     class Car
3613     {
3614         array<wheel, 4> w;
3615         // ...
3616     public:
3617         wheel& get_wheel(int i) { Expects(i < w.size()); return w[i]; }
3618         // ...
3619     };
3621     void use()
3622     {
3623         Car c;
3624         wheel& w0 = c.get_wheel(0); // w0 has the same lifetime as c
3625     }
3627 ##### Enforcement
3629 Flag functions where no `return` expression could yield `nullptr`
3631 ### <a name="Rf-return-ref-ref"></a>F.45: Don't return a `T&&`
3633 ##### Reason
3635 It's asking to return a reference to a destroyed temporary object.
3636 A `&&` is a magnet for temporary objects.
3638 ##### Example 
3640 A returned rvalue reference goes out of scope at the end of the full expression to which it is returned:
3642     auto&& x = max(0, 1);   // OK, so far
3643     foo(x);                 // Undefined behavior
3645 This kind of use is a frequent source of bugs, often incorrectly reported as a compiler bug.
3646 An implementer of a function should avoid setting such traps for users.
3648 The [lifetime safety profile](#SS-lifetime) will (when completely implemented) catch such problems.
3651 ##### Example
3653 Returning an rvalue reference is fine when the reference to the temporary is being passed "downward" to a callee;
3654 then, the temporary is guaranteed to outlive the function call (see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
3655 However, it's not fine when passing such a reference "upward" to a larger caller scope.
3656 For passthrough functions that pass in parameters (by ordinary reference or by perfect forwarding) and want to return values, use simple `auto` return type deduction (not `auto&&`).
3658 Assume that `F` returns by value:
3660     template<class F>
3661     auto&& wrapper(F f)
3662     {
3663         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3664         return f();          // BAD: returns a reference to a temporary
3665     }
3667 Better:
3669     template<class F>
3670     auto wrapper(F f)
3671     {
3672         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3673         return f();          // OK
3674     }
3677 ##### Exception
3679 `std::move` and `std::forward` do return `&&`, but they are just casts -- used by convention only in expression contexts where a reference to a temporary object is passed along within the same expression before the temporary is destroyed. We don't know of any other good examples of returning `&&`.
3681 ##### Enforcement
3683 Flag any use of `&&` as a return type, except in `std::move` and `std::forward`.
3685 ### <a name="Rf-main"></a>F.46: `int` is the return type for `main()`
3687 ##### Reason
3689 It's a language rule, but violated through "language extensions" so often that it is worth mentioning.
3690 Declaring `main` (the one global `main` of a program) `void` limits portability.
3692 ##### Example
3694         void main() { /* ... */ };  // bad, not C++
3696         int main()
3697         {
3698             std::cout << "This is the way to do it\n";
3699         }
3701 ##### Note
3703 We mention this only because of the persistence of this error in the community.
3705 ##### Enforcement
3707 * The compiler should do it
3708 * If the compiler doesn't do it, let tools flag it
3710 ### <a name="Rf-assignment-op"></a>F.47: Return `T&` from assignment operators
3712 ##### Reason
3714 The convention for operator overloads (especially on value types) is for
3715 `operator=(const T&)` to perform the assignment and then return (non-`const`)
3716 `*this`.  This ensures consistency with standard-library types and follows the
3717 principle of "do as the ints do."
3719 ##### Note
3721 Historically there was some guidance to make the assignment operator return `const T&`.
3722 This was primarily to avoid code of the form `(a = b) = c` -- such code is not common enough to warrant violating consistency with standard types.
3724 ##### Example
3726     class Foo
3727     {
3728      public:
3729         ...
3730         Foo& operator=(const Foo& rhs) {
3731           // Copy members.
3732           ...
3733           return *this;
3734         }
3735     };
3737 ##### Enforcement
3739 This should be enforced by tooling by checking the return type (and return
3740 value) of any assignment operator.
3743 ### <a name="Rf-return-move-local"></a>F.48: Don't `return std::move(local)`
3745 ##### Reason
3747 With guaranteed copy elision, it is now almost always a pessimization to expressly use `std::move` in a return statement.
3749 ##### Example; bad
3751     S f()
3752     {
3753       S result;
3754       return std::move(result);
3755     }
3757 ##### Example; good
3759     S f()
3760     {
3761       S result;
3762       return result;
3763     }
3765 ##### Enforcement
3767 This should be enforced by tooling by checking the return expression .
3770 ### <a name="Rf-capture-vs-overload"></a>F.50: Use a lambda when a function won't do (to capture local variables, or to write a local function)
3772 ##### Reason
3774 Functions can't capture local variables or be declared at local scope; if you need those things, prefer a lambda where possible, and a handwritten function object where not. On the other hand, lambdas and function objects don't overload; if you need to overload, prefer a function (the workarounds to make lambdas overload are ornate). If either will work, prefer writing a function; use the simplest tool necessary.
3776 ##### Example
3778     // writing a function that should only take an int or a string
3779     // -- overloading is natural
3780     void f(int);
3781     void f(const string&);
3783     // writing a function object that needs to capture local state and appear
3784     // at statement or expression scope -- a lambda is natural
3785     vector<work> v = lots_of_work();
3786     for (int tasknum = 0; tasknum < max; ++tasknum) {
3787         pool.run([=, &v]{
3788             /*
3789             ...
3790             ... process 1 / max - th of v, the tasknum - th chunk
3791             ...
3792             */
3793         });
3794     }
3795     pool.join();
3797 ##### Exception
3799 Generic lambdas offer a concise way to write function templates and so can be useful even when a normal function template would do equally well with a little more syntax. This advantage will probably disappear in the future once all functions gain the ability to have Concept parameters.
3801 ##### Enforcement
3803 * Warn on use of a named non-generic lambda (e.g., `auto x = [](int i){ /*...*/; };`) that captures nothing and appears at global scope. Write an ordinary function instead.
3805 ### <a name="Rf-default-args"></a>F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading
3807 ##### Reason
3809 Default arguments simply provide alternative interfaces to a single implementation.
3810 There is no guarantee that a set of overloaded functions all implement the same semantics.
3811 The use of default arguments can avoid code replication.
3813 ##### Note
3815 There is a choice between using default argument and overloading when the alternatives are from a set of arguments of the same types.
3816 For example:
3818     void print(const string& s, format f = {});
3820 as opposed to
3822     void print(const string& s);  // use default format
3823     void print(const string& s, format f);
3825 There is not a choice when a set of functions are used to do a semantically equivalent operation to a set of types. For example:
3827     void print(const char&);
3828     void print(int);
3829     void print(zstring);
3831 ##### See also
3834 [Default arguments for virtual functions](#Rh-virtual-default-arg)
3836 ##### Enforcement
3838     ???
3840 ### <a name="Rf-reference-capture"></a>F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms
3842 ##### Reason
3844 For efficiency and correctness, you nearly always want to capture by reference when using the lambda locally. This includes when writing or calling parallel algorithms that are local because they join before returning.
3846 ##### Discussion
3848 The efficiency consideration is that most types are cheaper to pass by reference than by value.
3850 The correctness consideration is that many calls want to perform side effects on the original object at the call site (see example below). Passing by value prevents this.
3852 ##### Note
3854 Unfortunately, there is no simple way to capture by reference to `const` to get the efficiency for a local call but also prevent side effects.
3856 ##### Example
3858 Here, a large object (a network message) is passed to an iterative algorithm, and is it not efficient or correct to copy the message (which may not be copyable):
3860     std::for_each(begin(sockets), end(sockets), [&message](auto& socket)
3861     {
3862         socket.send(message);
3863     });
3865 ##### Example
3867 This is a simple three-stage parallel pipeline. Each `stage` object encapsulates a worker thread and a queue, has a `process` function to enqueue work, and in its destructor automatically blocks waiting for the queue to empty before ending the thread.
3869     void send_packets(buffers& bufs)
3870     {
3871         stage encryptor([] (buffer& b){ encrypt(b); });
3872         stage compressor([&](buffer& b){ compress(b); encryptor.process(b); });
3873         stage decorator([&](buffer& b){ decorate(b); compressor.process(b); });
3874         for (auto& b : bufs) { decorator.process(b); }
3875     }  // automatically blocks waiting for pipeline to finish
3877 ##### Enforcement
3879 Flag a lambda that captures by reference, but is used other than locally within the function scope or passed to a function by reference. (Note: This rule is an approximation, but does flag passing by pointer as those are more likely to be stored by the callee, writing to a heap location accessed via a parameter, returning the lambda, etc. The Lifetime rules will also provide general rules that flag escaping pointers and references including via lambdas.)
3881 ### <a name="Rf-value-capture"></a>F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used nonlocally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread
3883 ##### Reason
3885 Pointers and references to locals shouldn't outlive their scope. Lambdas that capture by reference are just another place to store a reference to a local object, and shouldn't do so if they (or a copy) outlive the scope.
3887 ##### Example, bad
3889     int local = 42;
3891     // Want a reference to local.
3892     // Note, that after program exits this scope,
3893     // local no longer exists, therefore
3894     // process() call will have undefined behavior!
3895     thread_pool.queue_work([&]{ process(local); });
3897 ##### Example, good
3899     int local = 42;
3900     // Want a copy of local.
3901     // Since a copy of local is made, it will
3902     // always be available for the call.
3903     thread_pool.queue_work([=]{ process(local); });
3905 ##### Enforcement
3907 * (Simple) Warn when capture-list contains a reference to a locally declared variable
3908 * (Complex) Flag when capture-list contains a reference to a locally declared variable and the lambda is passed to a non-`const` and non-local context
3910 ### <a name="Rf-this-capture"></a>F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)
3912 ##### Reason
3914 It's confusing. Writing `[=]` in a member function appears to capture by value, but actually captures data members by reference because it actually captures the invisible `this` pointer by value. If you meant to do that, write `this` explicitly.
3916 ##### Example
3918     class My_class {
3919         int x = 0;
3920         // ...
3922         void f() {
3923             int i = 0;
3924             // ...
3926             auto lambda = [=]{ use(i, x); };   // BAD: "looks like" copy/value capture
3927             // [&] has identical semantics and copies the this pointer under the current rules
3928             // [=,this] and [&,this] are not much better, and confusing
3930             x = 42;
3931             lambda(); // calls use(0, 42);
3932             x = 43;
3933             lambda(); // calls use(0, 43);
3935             // ...
3937             auto lambda2 = [i, this]{ use(i, x); }; // ok, most explicit and least confusing
3939             // ...
3940         }
3941     };
3943 ##### Note
3945 This is under active discussion in standardization, and may be addressed in a future version of the standard by adding a new capture mode or possibly adjusting the meaning of `[=]`. For now, just be explicit.
3947 ##### Enforcement
3949 * Flag any lambda capture-list that specifies a default capture and also captures `this` (whether explicitly or via default capture)
3951 ### <a name="F-varargs"></a>F.55: Don't use `va_arg` arguments
3953 ##### Reason
3955 Reading from a `va_arg` assumes that the correct type was actually passed.
3956 Passing to varargs assumes the correct type will be read.
3957 This is fragile because it cannot generally be enforced to be safe in the language and so relies on programmer discipline to get it right.
3959 ##### Example
3961     int sum(...) {
3962         // ...
3963         while (/*...*/)
3964             result += va_arg(list, int); // BAD, assumes it will be passed ints
3965         // ...
3966     }
3968     sum(3, 2); // ok
3969     sum(3.14159, 2.71828); // BAD, undefined
3971     template<class ...Args>
3972     auto sum(Args... args) { // GOOD, and much more flexible
3973         return (... + args); // note: C++17 "fold expression"
3974     }
3976     sum(3, 2); // ok: 5
3977     sum(3.14159, 2.71828); // ok: ~5.85987
3979 ##### Alternatives
3981 * overloading
3982 * variadic templates
3983 * `variant` arguments
3984 * `initializer_list` (homogeneous)
3986 ##### Note
3988 Declaring a `...` parameter is sometimes useful for techniques that don't involve actual argument passing, notably to declare "take-anything" functions so as to disable "everything else" in an overload set or express a catchall case in a template metaprogram.
3990 ##### Enforcement
3992 * Issue a diagnostic for using `va_list`, `va_start`, or `va_arg`.
3993 * Issue a diagnostic for passing an argument to a vararg parameter of a function that does not offer an overload for a more specific type in the position of the vararg. To fix: Use a different function, or `[[suppress(types)]]`.
3995 # <a name="S-class"></a>C: Classes and class hierarchies
3997 A class is a user-defined type, for which a programmer can define the representation, operations, and interfaces.
3998 Class hierarchies are used to organize related classes into hierarchical structures.
4000 Class rule summary:
4002 * [C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)](#Rc-org)
4003 * [C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently](#Rc-struct)
4004 * [C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class](#Rc-interface)
4005 * [C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class](#Rc-member)
4006 * [C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support](#Rc-helper)
4007 * [C.7: Don't define a class or enum and declare a variable of its type in the same statement](#Rc-standalone)
4008 * [C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public](#Rc-class)
4009 * [C.9: Minimize exposure of members](#Rc-private)
4011 Subsections:
4013 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
4014 * [C.ctor: Constructors, assignments, and destructors](#S-ctor)
4015 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
4016 * [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
4017 * [C.hier: Class hierarchies (OOP)](#SS-hier)
4018 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
4019 * [C.union: Unions](#SS-union)
4021 ### <a name="Rc-org"></a>C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)
4023 ##### Reason
4025 Ease of comprehension.
4026 If data is related (for fundamental reasons), that fact should be reflected in code.
4028 ##### Example
4030     void draw(int x, int y, int x2, int y2);  // BAD: unnecessary implicit relationships
4031     void draw(Point from, Point to);          // better
4033 ##### Note
4035 A simple class without virtual functions implies no space or time overhead.
4037 ##### Note
4039 From a language perspective `class` and `struct` differ only in the default visibility of their members.
4041 ##### Enforcement
4043 Probably impossible. Maybe a heuristic looking for data items used together is possible.
4045 ### <a name="Rc-struct"></a>C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently
4047 ##### Reason
4049 Readability.
4050 Ease of comprehension.
4051 The use of `class` alerts the programmer to the need for an invariant.
4052 This is a useful convention.
4054 ##### Note
4056 An invariant is a logical condition for the members of an object that a constructor must establish for the public member functions to assume.
4057 After the invariant is established (typically by a constructor) every member function can be called for the object.
4058 An invariant can be stated informally (e.g., in a comment) or more formally using `Expects`.
4060 If all data members can vary independently of each other, no invariant is possible.
4062 ##### Example
4064     struct Pair {  // the members can vary independently
4065         string name;
4066         int volume;
4067     };
4069 but:
4071     class Date {
4072     public:
4073         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4074         Date(int yy, Month mm, char dd);
4075         // ...
4076     private:
4077         int y;
4078         Month m;
4079         char d;    // day
4080     };
4082 ##### Note
4084 If a class has any `private` data, a user cannot completely initialize an object without the use of a constructor.
4085 Hence, the class definer will provide a constructor and must specify its meaning.
4086 This effectively means the definer need to define an invariant.
4088 **See also**:
4090 * [define a class with private data as `class`](#Rc-class)
4091 * [Prefer to place the interface first in a class](#Rl-order)
4092 * [minimize exposure of members](#Rc-private)
4093 * [Avoid `protected` data](#Rh-protected)
4095 ##### Enforcement
4097 Look for `struct`s with all data private and `class`es with public members.
4099 ### <a name="Rc-interface"></a>C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class
4101 ##### Reason
4103 An explicit distinction between interface and implementation improves readability and simplifies maintenance.
4105 ##### Example
4107     class Date {
4108         // ... some representation ...
4109     public:
4110         Date();
4111         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4112         Date(int yy, Month mm, char dd);
4114         int day() const;
4115         Month month() const;
4116         // ...
4117     };
4119 For example, we can now change the representation of a `Date` without affecting its users (recompilation is likely, though).
4121 ##### Note
4123 Using a class in this way to represent the distinction between interface and implementation is of course not the only way.
4124 For example, we can use a set of declarations of freestanding functions in a namespace, an abstract base class, or a template function with concepts to represent an interface.
4125 The most important issue is to explicitly distinguish between an interface and its implementation "details."
4126 Ideally, and typically, an interface is far more stable than its implementation(s).
4128 ##### Enforcement
4132 ### <a name="Rc-member"></a>C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class
4134 ##### Reason
4136 Less coupling than with member functions, fewer functions that can cause trouble by modifying object state, reduces the number of functions that needs to be modified after a change in representation.
4138 ##### Example
4140     class Date {
4141         // ... relatively small interface ...
4142     };
4144     // helper functions:
4145     Date next_weekday(Date);
4146     bool operator==(Date, Date);
4148 The "helper functions" have no need for direct access to the representation of a `Date`.
4150 ##### Note
4152 This rule becomes even better if C++ gets ["uniform function call"](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0251r0.pdf).
4154 ##### Exception
4156 The language requires `virtual` functions to be members, and not all `virtual` functions directly access data.
4157 In particular, members of an abstract class rarely do.
4159 Note [multi-methods](https://parasol.tamu.edu/~yuriys/papers/OMM10.pdf).
4161 ##### Exception
4163 The language requires operators `=`, `()`, `[]`, and `->` to be members.
4165 ##### Exception
4167 An overload set may have some members that do not directly access `private` data:
4169     class Foobar {
4170     public:
4171         void foo(long x)    { /* manipulate private data */ }
4172         void foo(double x) { foo(std::lround(x)); }
4173         // ...
4174     private:
4175         // ...
4176     };
4178 ##### Exception
4180 Similarly, a set of functions may be designed to be used in a chain:
4182     x.scale(0.5).rotate(45).set_color(Color::red);
4184 Typically, some but not all of such functions directly access `private` data.
4186 ##### Enforcement
4188 * Look for non-`virtual` member functions that do not touch data members directly.
4189 The snag is that many member functions that do not need to touch data members directly do.
4190 * Ignore `virtual` functions.
4191 * Ignore functions that are part of an overload set out of which at least one function accesses `private` members.
4192 * Ignore functions returning `this`.
4194 ### <a name="Rc-helper"></a>C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support
4196 ##### Reason
4198 A helper function is a function (usually supplied by the writer of a class) that does not need direct access to the representation of the class, yet is seen as part of the useful interface to the class.
4199 Placing them in the same namespace as the class makes their relationship to the class obvious and allows them to be found by argument dependent lookup.
4201 ##### Example
4203     namespace Chrono { // here we keep time-related services
4205         class Time { /* ... */ };
4206         class Date { /* ... */ };
4208         // helper functions:
4209         bool operator==(Date, Date);
4210         Date next_weekday(Date);
4211         // ...
4212     }
4214 ##### Note
4216 This is especially important for [overloaded operators](#Ro-namespace).
4218 ##### Enforcement
4220 * Flag global functions taking argument types from a single namespace.
4222 ### <a name="Rc-standalone"></a>C.7: Don't define a class or enum and declare a variable of its type in the same statement
4224 ##### Reason
4226 Mixing a type definition and the definition of another entity in the same declaration is confusing and unnecessary.
4228 ##### Example; bad
4230     struct Data { /*...*/ } data{ /*...*/ };
4232 ##### Example; good
4234     struct Data { /*...*/ };
4235     Data data{ /*...*/ };
4237 ##### Enforcement
4239 * Flag if the `}` of a class or enumeration definition is not followed by a `;`. The `;` is missing.
4241 ### <a name="Rc-class"></a>C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public
4243 ##### Reason
4245 Readability.
4246 To make it clear that something is being hidden/abstracted.
4247 This is a useful convention.
4249 ##### Example, bad
4251     struct Date {
4252         int d, m;
4254         Date(int i, Month m);
4255         // ... lots of functions ...
4256     private:
4257         int y;  // year
4258     };
4260 There is nothing wrong with this code as far as the C++ language rules are concerned,
4261 but nearly everything is wrong from a design perspective.
4262 The private data is hidden far from the public data.
4263 The data is split in different parts of the class declaration.
4264 Different parts of the data have different access.
4265 All of this decreases readability and complicates maintenance.
4267 ##### Note
4269 Prefer to place the interface first in a class, [see NL.16](#Rl-order).
4271 ##### Enforcement
4273 Flag classes declared with `struct` if there is a `private` or `protected` member.
4275 ### <a name="Rc-private"></a>C.9: Minimize exposure of members
4277 ##### Reason
4279 Encapsulation.
4280 Information hiding.
4281 Minimize the chance of unintended access.
4282 This simplifies maintenance.
4284 ##### Example
4286     template<typename T, typename U>
4287     struct pair {
4288         T a;
4289         U b;
4290         // ...
4291     };
4293 Whatever we do in the `//`-part, an arbitrary user of a `pair` can arbitrarily and independently change its `a` and `b`.
4294 In a large code base, we cannot easily find which code does what to the members of `pair`.
4295 This may be exactly what we want, but if we want to enforce a relation among members, we need to make them `private`
4296 and enforce that relation (invariant) through constructors and member functions.
4297 For example:
4299     class Distance {
4300     public:
4301         // ...
4302         double meters() const { return magnitude*unit; }
4303         void set_unit(double u)
4304         {
4305                 // ... check that u is a factor of 10 ...
4306                 // ... change magnitude appropriately ...
4307                 unit = u;
4308         }
4309         // ...
4310     private:
4311         double magnitude;
4312         double unit;    // 1 is meters, 1000 is kilometers, 0.001 is millimeters, etc.
4313     };
4315 ##### Note
4317 If the set of direct users of a set of variables cannot be easily determined, the type or usage of that set cannot be (easily) changed/improved.
4318 For `public` and `protected` data, that's usually the case.
4320 ##### Example
4322 A class can provide two interfaces to its users.
4323 One for derived classes (`protected`) and one for general users (`public`).
4324 For example, a derived class might be allowed to skip a run-time check because it has already guaranteed correctness:
4326     class Foo {
4327     public:
4328         int bar(int x) { check(x); return do_bar(x); }
4329         // ...
4330     protected:
4331         int do_bar(int x); // do some operation on the data
4332         // ...
4333     private:
4334         // ... data ...
4335     };
4337     class Dir : public Foo {
4338         //...
4339         int mem(int x, int y)
4340         {
4341             /* ... do something ... */
4342             return do_bar(x + y); // OK: derived class can bypass check
4343         }
4344     };
4346     void user(Foo& x)
4347     {
4348         int r1 = x.bar(1);      // OK, will check
4349         int r2 = x.do_bar(2);   // error: would bypass check
4350         // ...
4351     }
4353 ##### Note
4355 [`protected` data is a bad idea](#Rh-protected).
4357 ##### Note
4359 Prefer the order `public` members before `protected` members before `private` members [see](#Rl-order).
4361 ##### Enforcement
4363 * [Flag protected data](#Rh-protected).
4364 * Flag mixtures of `public` and private `data`
4366 ## <a name="SS-concrete"></a>C.concrete: Concrete types
4368 One ideal for a class is to be a regular type.
4369 That means roughly "behaves like an `int`." A concrete type is the simplest kind of class.
4370 A value of regular type can be copied and the result of a copy is an independent object with the same value as the original.
4371 If a concrete type has both `=` and `==`, `a = b` should result in `a == b` being `true`.
4372 Concrete classes without assignment and equality can be defined, but they are (and should be) rare.
4373 The C++ built-in types are regular, and so are standard-library classes, such as `string`, `vector`, and `map`.
4374 Concrete types are also often referred to as value types to distinguish them from types used as part of a hierarchy.
4376 Concrete type rule summary:
4378 * [C.10: Prefer concrete types over class hierarchies](#Rc-concrete)
4379 * [C.11: Make concrete types regular](#Rc-regular)
4381 ### <a name="Rc-concrete"></a>C.10: Prefer concrete types over class hierarchies
4383 ##### Reason
4385 A concrete type is fundamentally simpler than a hierarchy:
4386 easier to design, easier to implement, easier to use, easier to reason about, smaller, and faster.
4387 You need a reason (use cases) for using a hierarchy.
4389 ##### Example
4391     class Point1 {
4392         int x, y;
4393         // ... operations ...
4394         // ... no virtual functions ...
4395     };
4397     class Point2 {
4398         int x, y;
4399         // ... operations, some virtual ...
4400         virtual ~Point2();
4401     };
4403     void use()
4404     {
4405         Point1 p11 {1, 2};   // make an object on the stack
4406         Point1 p12 {p11};    // a copy
4408         auto p21 = make_unique<Point2>(1, 2);   // make an object on the free store
4409         auto p22 = p21.clone();                 // make a copy
4410         // ...
4411     }
4413 If a class can be part of a hierarchy, we (in real code if not necessarily in small examples) must manipulate its objects through pointers or references.
4414 That implies more memory overhead, more allocations and deallocations, and more run-time overhead to perform the resulting indirections.
4416 ##### Note
4418 Concrete types can be stack-allocated and be members of other classes.
4420 ##### Note
4422 The use of indirection is fundamental for run-time polymorphic interfaces.
4423 The allocation/deallocation overhead is not (that's just the most common case).
4424 We can use a base class as the interface of a scoped object of a derived class.
4425 This is done where dynamic allocation is prohibited (e.g. hard-real-time) and to provide a stable interface to some kinds of plug-ins.
4428 ##### Enforcement
4432 ### <a name="Rc-regular"></a>C.11: Make concrete types regular
4434 ##### Reason
4436 Regular types are easier to understand and reason about than types that are not regular (irregularities requires extra effort to understand and use).
4438 ##### Example
4440     struct Bundle {
4441         string name;
4442         vector<Record> vr;
4443     };
4445     bool operator==(const Bundle& a, const Bundle& b)
4446     {
4447         return a.name == b.name && a.vr == b.vr;
4448     }
4450     Bundle b1 { "my bundle", {r1, r2, r3}};
4451     Bundle b2 = b1;
4452     if (!(b1 == b2)) error("impossible!");
4453     b2.name = "the other bundle";
4454     if (b1 == b2) error("No!");
4456 In particular, if a concrete type has an assignment also give it an equals operator so that `a = b` implies `a == b`.
4458 ##### Note
4460 Handles for resources that cannot be cloned, e.g., a `scoped_lock` for a `mutex`, resemble concrete types in that they most often are stack-allocated.
4461 However, objects of such types typically cannot be copied (instead, they can usually be moved),
4462 so they can't be `regular`; instead, they tend to be `semiregular`.
4463 Often, such types are referred to as "move-only types".
4465 ##### Enforcement
4469 ## <a name="S-ctor"></a>C.ctor: Constructors, assignments, and destructors
4471 These functions control the lifecycle of objects: creation, copy, move, and destruction.
4472 Define constructors to guarantee and simplify initialization of classes.
4474 These are *default operations*:
4476 * a default constructor: `X()`
4477 * a copy constructor: `X(const X&)`
4478 * a copy assignment: `operator=(const X&)`
4479 * a move constructor: `X(X&&)`
4480 * a move assignment: `operator=(X&&)`
4481 * a destructor: `~X()`
4483 By default, the compiler defines each of these operations if it is used, but the default can be suppressed.
4485 The default operations are a set of related operations that together implement the lifecycle semantics of an object.
4486 By default, C++ treats classes as value-like types, but not all types are value-like.
4488 Set of default operations rules:
4490 * [C.20: If you can avoid defining any default operations, do](#Rc-zero)
4491 * [C.21: If you define or `=delete` any default operation, define or `=delete` them all](#Rc-five)
4492 * [C.22: Make default operations consistent](#Rc-matched)
4494 Destructor rules:
4496 * [C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction](#Rc-dtor)
4497 * [C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor](#Rc-dtor-release)
4498 * [C.32: If a class has a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`), consider whether it might be owning](#Rc-dtor-ptr)
4499 * [C.33: If a class has an owning pointer member, define or `=delete` a destructor](#Rc-dtor-ptr2)
4500 * [C.35: A base class with a virtual function needs a virtual destructor](#Rc-dtor-virtual)
4501 * [C.36: A destructor may not fail](#Rc-dtor-fail)
4502 * [C.37: Make destructors `noexcept`](#Rc-dtor-noexcept)
4504 Constructor rules:
4506 * [C.40: Define a constructor if a class has an invariant](#Rc-ctor)
4507 * [C.41: A constructor should create a fully initialized object](#Rc-complete)
4508 * [C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
4509 * [C.43: Ensure that a copyable (value type) class has a default constructor](#Rc-default0)
4510 * [C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing](#Rc-default00)
4511 * [C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use member initializers instead](#Rc-default)
4512 * [C.46: By default, declare single-argument constructors `explicit`](#Rc-explicit)
4513 * [C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration](#Rc-order)
4514 * [C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers](#Rc-in-class-initializer)
4515 * [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize)
4516 * [C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization](#Rc-factory)
4517 * [C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class](#Rc-delegating)
4518 * [C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization](#Rc-inheriting)
4520 Copy and move rules:
4522 * [C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`](#Rc-copy-assignment)
4523 * [C.61: A copy operation should copy](#Rc-copy-semantic)
4524 * [C.62: Make copy assignment safe for self-assignment](#Rc-copy-self)
4525 * [C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const&`](#Rc-move-assignment)
4526 * [C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state](#Rc-move-semantic)
4527 * [C.65: Make move assignment safe for self-assignment](#Rc-move-self)
4528 * [C.66: Make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept)
4529 * [C.67: A polymorphic class should suppress copying](#Rc-copy-virtual)
4531 Other default operations rules:
4533 * [C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics](#Rc-eqdefault)
4534 * [C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)](#Rc-delete)
4535 * [C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors](#Rc-ctor-virtual)
4536 * [C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function](#Rc-swap)
4537 * [C.84: A `swap` may not fail](#Rc-swap-fail)
4538 * [C.85: Make `swap` `noexcept`](#Rc-swap-noexcept)
4539 * [C.86: Make `==` symmetric with respect of operand types and `noexcept`](#Rc-eq)
4540 * [C.87: Beware of `==` on base classes](#Rc-eq-base)
4541 * [C.89: Make a `hash` `noexcept`](#Rc-hash)
4543 ## <a name="SS-defop"></a>C.defop: Default Operations
4545 By default, the language supplies the default operations with their default semantics.
4546 However, a programmer can disable or replace these defaults.
4548 ### <a name="Rc-zero"></a>C.20: If you can avoid defining default operations, do
4550 ##### Reason
4552 It's the simplest and gives the cleanest semantics.
4554 ##### Example
4556     struct Named_map {
4557     public:
4558         // ... no default operations declared ...
4559     private:
4560         string name;
4561         map<int, int> rep;
4562     };
4564     Named_map nm;        // default construct
4565     Named_map nm2 {nm};  // copy construct
4567 Since `std::map` and `string` have all the special functions, no further work is needed.
4569 ##### Note
4571 This is known as "the rule of zero".
4573 ##### Enforcement
4575 (Not enforceable) While not enforceable, a good static analyzer can detect patterns that indicate a possible improvement to meet this rule.
4576 For example, a class with a (pointer, size) pair of member and a destructor that `delete`s the pointer could probably be converted to a `vector`.
4578 ### <a name="Rc-five"></a>C.21: If you define or `=delete` any default operation, define or `=delete` them all
4580 ##### Reason
4582 The *special member functions* are the default constructor, copy constructor,
4583 copy assignment operator, move constructor, move assignment operator, and
4584 destructor.
4586 The semantics of the special functions are closely related, so if one needs to be declared, the odds are that others need consideration too.
4588 Declaring any special member function except a default constructor,
4589 even as `=default` or `=delete`, will suppress the implicit declaration
4590 of a move constructor and move assignment operator.
4591 Declaring a move constructor or move assignment operator, even as
4592 `=default` or `=delete`, will cause an implicitly generated copy constructor
4593 or implicitly generated copy assignment operator to be defined as deleted.
4594 So as soon as any of the special functions is declared, the others should
4595 all be declared to avoid unwanted effects like turning all potential moves
4596 into more expensive copies, or making a class move-only.
4598 ##### Example, bad
4600     struct M2 {   // bad: incomplete set of default operations
4601     public:
4602         // ...
4603         // ... no copy or move operations ...
4604         ~M2() { delete[] rep; }
4605     private:
4606         pair<int, int>* rep;  // zero-terminated set of pairs
4607     };
4609     void use()
4610     {
4611         M2 x;
4612         M2 y;
4613         // ...
4614         x = y;   // the default assignment
4615         // ...
4616     }
4618 Given that "special attention" was needed for the destructor (here, to deallocate), the likelihood that copy and move assignment (both will implicitly destroy an object) are correct is low (here, we would get double deletion).
4620 ##### Note
4622 This is known as "the rule of five" or "the rule of six", depending on whether you count the default constructor.
4624 ##### Note
4626 If you want a default implementation of a default operation (while defining another), write `=default` to show you're doing so intentionally for that function.
4627 If you don't want a default operation, suppress it with `=delete`.
4629 ##### Example, good
4631 When a destructor needs to be declared just to make it `virtual`, it can be
4632 defined as defaulted. To avoid suppressing the implicit move operations
4633 they must also be declared, and then to avoid the class becoming move-only
4634 (and not copyable) the copy operations must be declared:
4636     class AbstractBase {
4637     public:
4638       virtual ~AbstractBase() = default;
4639       AbstractBase(const AbstractBase&) = default;
4640       AbstractBase& operator=(const AbstractBase&) = default;
4641       AbstractBase(AbstractBase&&) = default;
4642       AbstractBase& operator=(AbstractBase&&) = default;
4643     };
4645 Alternatively to prevent slicing as per [C.67](#Rc-copy-virtual),
4646 the copy and move operations can all be deleted:
4648     class ClonableBase {
4649     public:
4650       virtual unique_ptr<ClonableBase> clone() const;
4651       virtual ~ClonableBase() = default;
4652       ClonableBase(const ClonableBase&) = delete;
4653       ClonableBase& operator=(const ClonableBase&) = delete;
4654       ClonableBase(ClonableBase&&) = delete;
4655       ClonableBase& operator=(ClonableBase&&) = delete;
4656     };
4658 Defining only the move operations or only the copy operations would have the
4659 same effect here, but stating the intent explicitly for each special member
4660 makes it more obvious to the reader.
4662 ##### Note
4664 Compilers enforce much of this rule and ideally warn about any violation.
4666 ##### Note
4668 Relying on an implicitly generated copy operation in a class with a destructor is deprecated.
4670 ##### Note
4672 Writing the six special member functions can be error prone.
4673 Note their argument types:
4675     class X {
4676     public:
4677         // ...
4678         virtual ~X() = default;            // destructor (virtual if X is meant to be a base class)
4679         X(const X&) = default;             // copy constructor
4680         X& operator=(const X&) = default;  // copy assignment
4681         X(X&&) = default;                  // move constructor
4682         X& operator=(X&&) = default;       // move assignment
4683     };
4685 A minor mistake (such as a misspelling, leaving out a `const`, using `&` instead of `&&`, or leaving out a special function) can lead to errors or warnings.
4686 To avoid the tedium and the possibility of errors, try to follow the [rule of zero](#Rc-zero).
4688 ##### Enforcement
4690 (Simple) A class should have a declaration (even a `=delete` one) for either all or none of the special functions.
4692 ### <a name="Rc-matched"></a>C.22: Make default operations consistent
4694 ##### Reason
4696 The default operations are conceptually a matched set. Their semantics are interrelated.
4697 Users will be surprised if copy/move construction and copy/move assignment do logically different things. Users will be surprised if constructors and destructors do not provide a consistent view of resource management. Users will be surprised if copy and move don't reflect the way constructors and destructors work.
4699 ##### Example, bad
4701     class Silly {   // BAD: Inconsistent copy operations
4702         class Impl {
4703             // ...
4704         };
4705         shared_ptr<Impl> p;
4706     public:
4707         Silly(const Silly& a) : p{a.p} { *p = *a.p; }   // deep copy
4708         Silly& operator=(const Silly& a) { p = a.p; }   // shallow copy
4709         // ...
4710     };
4712 These operations disagree about copy semantics. This will lead to confusion and bugs.
4714 ##### Enforcement
4716 * (Complex) A copy/move constructor and the corresponding copy/move assignment operator should write to the same member variables at the same level of dereference.
4717 * (Complex) Any member variables written in a copy/move constructor should also be initialized by all other constructors.
4718 * (Complex) If a copy/move constructor performs a deep copy of a member variable, then the destructor should modify the member variable.
4719 * (Complex) If a destructor is modifying a member variable, that member variable should be written in any copy/move constructors or assignment operators.
4721 ## <a name="SS-dtor"></a>C.dtor: Destructors
4723 "Does this class need a destructor?" is a surprisingly powerful design question.
4724 For most classes the answer is "no" either because the class holds no resources or because destruction is handled by [the rule of zero](#Rc-zero);
4725 that is, its members can take care of themselves as concerns destruction.
4726 If the answer is "yes", much of the design of the class follows (see [the rule of five](#Rc-five)).
4728 ### <a name="Rc-dtor"></a>C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction
4730 ##### Reason
4732 A destructor is implicitly invoked at the end of an object's lifetime.
4733 If the default destructor is sufficient, use it.
4734 Only define a non-default destructor if a class needs to execute code that is not already part of its members' destructors.
4736 ##### Example
4738     template<typename A>
4739     struct final_action {   // slightly simplified
4740         A act;
4741         final_action(A a) :act{a} {}
4742         ~final_action() { act(); }
4743     };
4745     template<typename A>
4746     final_action<A> finally(A act)   // deduce action type
4747     {
4748         return final_action<A>{act};
4749     }
4751     void test()
4752     {
4753         auto act = finally([]{ cout << "Exit test\n"; });  // establish exit action
4754         // ...
4755         if (something) return;   // act done here
4756         // ...
4757     } // act done here
4759 The whole purpose of `final_action` is to get a piece of code (usually a lambda) executed upon destruction.
4761 ##### Note
4763 There are two general categories of classes that need a user-defined destructor:
4765 * A class with a resource that is not already represented as a class with a destructor, e.g., a `vector` or a transaction class.
4766 * A class that exists primarily to execute an action upon destruction, such as a tracer or `final_action`.
4768 ##### Example, bad
4770     class Foo {   // bad; use the default destructor
4771     public:
4772         // ...
4773         ~Foo() { s = ""; i = 0; vi.clear(); }  // clean up
4774     private:
4775         string s;
4776         int i;
4777         vector<int> vi;
4778     };
4780 The default destructor does it better, more efficiently, and can't get it wrong.
4782 ##### Note
4784 If the default destructor is needed, but its generation has been suppressed (e.g., by defining a move constructor), use `=default`.
4786 ##### Enforcement
4788 Look for likely "implicit resources", such as pointers and references. Look for classes with destructors even though all their data members have destructors.
4790 ### <a name="Rc-dtor-release"></a>C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor
4792 ##### Reason
4794 Prevention of resource leaks, especially in error cases.
4796 ##### Note
4798 For resources represented as classes with a complete set of default operations, this happens automatically.
4800 ##### Example
4802     class X {
4803         ifstream f;   // may own a file
4804         // ... no default operations defined or =deleted ...
4805     };
4807 `X`'s `ifstream` implicitly closes any file it may have open upon destruction of its `X`.
4809 ##### Example, bad
4811     class X2 {     // bad
4812         FILE* f;   // may own a file
4813         // ... no default operations defined or =deleted ...
4814     };
4816 `X2` may leak a file handle.
4818 ##### Note
4820 What about a sockets that won't close? A destructor, close, or cleanup operation [should never fail](#Rc-dtor-fail).
4821 If it does nevertheless, we have a problem that has no really good solution.
4822 For starters, the writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
4823 See [discussion](#Sd-never-fail).
4824 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
4825 Many have tried to solve this problem, but no general solution is known.
4826 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
4828 ##### Note
4830 A class can hold pointers and references to objects that it does not own.
4831 Obviously, such objects should not be `delete`d by the class's destructor.
4832 For example:
4834     Preprocessor pp { /* ... */ };
4835     Parser p { pp, /* ... */ };
4836     Type_checker tc { p, /* ... */ };
4838 Here `p` refers to `pp` but does not own it.
4840 ##### Enforcement
4842 * (Simple) If a class has pointer or reference member variables that are owners
4843   (e.g., deemed owners by using `gsl::owner`), then they should be referenced in its destructor.
4844 * (Hard) Determine if pointer or reference member variables are owners when there is no explicit statement of ownership
4845   (e.g., look into the constructors).
4847 ### <a name="Rc-dtor-ptr"></a>C.32: If a class has a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`), consider whether it might be owning
4849 ##### Reason
4851 There is a lot of code that is non-specific about ownership.
4853 ##### Example
4855     ???
4857 ##### Note
4859 If the `T*` or `T&` is owning, mark it `owning`. If the `T*` is not owning, consider marking it `ptr`.
4860 This will aid documentation and analysis.
4862 ##### Enforcement
4864 Look at the initialization of raw member pointers and member references and see if an allocation is used.
4866 ### <a name="Rc-dtor-ptr2"></a>C.33: If a class has an owning pointer member, define a destructor
4868 ##### Reason
4870 An owned object must be `deleted` upon destruction of the object that owns it.
4872 ##### Example
4874 A pointer member may represent a resource.
4875 [A `T*` should not do so](#Rr-ptr), but in older code, that's common.
4876 Consider a `T*` a possible owner and therefore suspect.
4878     template<typename T>
4879     class Smart_ptr {
4880         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
4881         // ...
4882     public:
4883         // ... no user-defined default operations ...
4884     };
4886     void use(Smart_ptr<int> p1)
4887     {
4888         // error: p2.p leaked (if not nullptr and not owned by some other code)
4889         auto p2 = p1;
4890     }
4892 Note that if you define a destructor, you must define or delete [all default operations](#Rc-five):
4894     template<typename T>
4895     class Smart_ptr2 {
4896         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
4897         // ...
4898     public:
4899         // ... no user-defined copy operations ...
4900         ~Smart_ptr2() { delete p; }  // p is an owner!
4901     };
4903     void use(Smart_ptr2<int> p1)
4904     {
4905         auto p2 = p1;   // error: double deletion
4906     }
4908 The default copy operation will just copy the `p1.p` into `p2.p` leading to a double destruction of `p1.p`. Be explicit about ownership:
4910     template<typename T>
4911     class Smart_ptr3 {
4912         owner<T*> p;   // OK: explicit about ownership of *p
4913         // ...
4914     public:
4915         // ...
4916         // ... copy and move operations ...
4917         ~Smart_ptr3() { delete p; }
4918     };
4920     void use(Smart_ptr3<int> p1)
4921     {
4922         auto p2 = p1;   // OK: no double deletion
4923     }
4925 ##### Note
4927 Often the simplest way to get a destructor is to replace the pointer with a smart pointer (e.g., `std::unique_ptr`) and let the compiler arrange for proper destruction to be done implicitly.
4929 ##### Note
4931 Why not just require all owning pointers to be "smart pointers"?
4932 That would sometimes require non-trivial code changes and may affect ABIs.
4934 ##### Enforcement
4936 * A class with a pointer data member is suspect.
4937 * A class with an `owner<T>` should define its default operations.
4940 ### <a name="Rc-dtor-virtual"></a>C.35: A base class destructor should be either public and virtual, or protected and nonvirtual
4942 ##### Reason
4944 To prevent undefined behavior.
4945 If the destructor is public, then calling code can attempt to destroy a derived class object through a base class pointer, and the result is undefined if the base class's destructor is non-virtual.
4946 If the destructor is protected, then calling code cannot destroy through a base class pointer and the destructor does not need to be virtual; it does need to be protected, not private, so that derived destructors can invoke it.
4947 In general, the writer of a base class does not know the appropriate action to be done upon destruction.
4949 ##### Discussion
4951 See [this in the Discussion section](#Sd-dtor).
4953 ##### Example, bad
4955     struct Base {  // BAD: no virtual destructor
4956         virtual void f();
4957     };
4959     struct D : Base {
4960         string s {"a resource needing cleanup"};
4961         ~D() { /* ... do some cleanup ... */ }
4962         // ...
4963     };
4965     void use()
4966     {
4967         unique_ptr<Base> p = make_unique<D>();
4968         // ...
4969     } // p's destruction calls ~Base(), not ~D(), which leaks D::s and possibly more
4971 ##### Note
4973 A virtual function defines an interface to derived classes that can be used without looking at the derived classes.
4974 If the interface allows destroying, it should be safe to do so.
4976 ##### Note
4978 A destructor must be nonprivate or it will prevent using the type :
4980     class X {
4981         ~X();   // private destructor
4982         // ...
4983     };
4985     void use()
4986     {
4987         X a;                        // error: cannot destroy
4988         auto p = make_unique<X>();  // error: cannot destroy
4989     }
4991 ##### Exception
4993 We can imagine one case where you could want a protected virtual destructor: When an object of a derived type (and only of such a type) should be allowed to destroy *another* object (not itself) through a pointer to base. We haven't seen such a case in practice, though.
4995 ##### Enforcement
4997 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and nonvirtual.
4999 ### <a name="Rc-dtor-fail"></a>C.36: A destructor may not fail
5001 ##### Reason
5003 In general we do not know how to write error-free code if a destructor should fail.
5004 The standard library requires that all classes it deals with have destructors that do not exit by throwing.
5006 ##### Example
5008     class X {
5009     public:
5010         ~X() noexcept;
5011         // ...
5012     };
5014     X::~X() noexcept
5015     {
5016         // ...
5017         if (cannot_release_a_resource) terminate();
5018         // ...
5019     }
5021 ##### Note
5023 Many have tried to devise a fool-proof scheme for dealing with failure in destructors.
5024 None have succeeded to come up with a general scheme.
5025 This can be a real practical problem: For example, what about a socket that won't close?
5026 The writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
5027 See [discussion](#Sd-dtor).
5028 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
5029 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
5031 ##### Note
5033 Declare a destructor `noexcept`. That will ensure that it either completes normally or terminate the program.
5035 ##### Note
5037 If a resource cannot be released and the program may not fail, try to signal the failure to the rest of the system somehow
5038 (maybe even by modifying some global state and hope something will notice and be able to take care of the problem).
5039 Be fully aware that this technique is special-purpose and error-prone.
5040 Consider the "my connection will not close" example.
5041 Probably there is a problem at the other end of the connection and only a piece of code responsible for both ends of the connection can properly handle the problem.
5042 The destructor could send a message (somehow) to the responsible part of the system, consider that to have closed the connection, and return normally.
5044 ##### Note
5046 If a destructor uses operations that may fail, it can catch exceptions and in some cases still complete successfully
5047 (e.g., by using a different clean-up mechanism from the one that threw an exception).
5049 ##### Enforcement
5051 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5053 ### <a name="Rc-dtor-noexcept"></a>C.37: Make destructors `noexcept`
5055 ##### Reason
5057  [A destructor may not fail](#Rc-dtor-fail). If a destructor tries to exit with an exception, it's a bad design error and the program had better terminate.
5059 ##### Note
5061 A destructor (either user-defined or compiler-generated) is implicitly declared `noexcept` (independently of what code is in its body) if all of the members of its class have `noexcept` destructors. By explicitly marking destructors `noexcept`, an author guards against the destructor becoming implicitly `noexcept(false)` through the addition or modification of a class member.
5063 ##### Example
5065 Not all destructors are noexcept by default; one throwing member poisons the whole class hierarchy
5067     struct X {
5068         Details x;  // happens to have a throwing destructor
5069         // ...
5070         ~X() { }    // implicitly noexcept(false); aka can throw
5071     };
5073 So, if in doubt, declare a destructor noexcept.
5075 ##### Note
5077 Why not then declare all destructors noexcept?
5078 Because that would in many cases -- especially simple cases -- be distracting clutter.
5080 ##### Enforcement
5082 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5084 ## <a name="SS-ctor"></a>C.ctor: Constructors
5086 A constructor defines how an object is initialized (constructed).
5088 ### <a name="Rc-ctor"></a>C.40: Define a constructor if a class has an invariant
5090 ##### Reason
5092 That's what constructors are for.
5094 ##### Example
5096     class Date {  // a Date represents a valid date
5097                   // in the January 1, 1900 to December 31, 2100 range
5098         Date(int dd, int mm, int yy)
5099             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5100         {
5101             if (!is_valid(d, m, y)) throw Bad_date{};  // enforce invariant
5102         }
5103         // ...
5104     private:
5105         int d, m, y;
5106     };
5108 It is often a good idea to express the invariant as an `Ensures` on the constructor.
5110 ##### Note
5112 A constructor can be used for convenience even if a class does not have an invariant. For example:
5114     struct Rec {
5115         string s;
5116         int i {0};
5117         Rec(const string& ss) : s{ss} {}
5118         Rec(int ii) :i{ii} {}
5119     };
5121     Rec r1 {7};
5122     Rec r2 {"Foo bar"};
5124 ##### Note
5126 The C++11 initializer list rule eliminates the need for many constructors. For example:
5128     struct Rec2{
5129         string s;
5130         int i;
5131         Rec2(const string& ss, int ii = 0) :s{ss}, i{ii} {}   // redundant
5132     };
5134     Rec2 r1 {"Foo", 7};
5135     Rec2 r2 {"Bar"};
5137 The `Rec2` constructor is redundant.
5138 Also, the default for `int` would be better done as a [member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5140 **See also**: [construct valid object](#Rc-complete) and [constructor throws](#Rc-throw).
5142 ##### Enforcement
5144 * Flag classes with user-defined copy operations but no constructor (a user-defined copy is a good indicator that the class has an invariant)
5146 ### <a name="Rc-complete"></a>C.41: A constructor should create a fully initialized object
5148 ##### Reason
5150 A constructor establishes the invariant for a class. A user of a class should be able to assume that a constructed object is usable.
5152 ##### Example, bad
5154     class X1 {
5155         FILE* f;   // call init() before any other function
5156         // ...
5157     public:
5158         X1() {}
5159         void init();   // initialize f
5160         void read();   // read from f
5161         // ...
5162     };
5164     void f()
5165     {
5166         X1 file;
5167         file.read();   // crash or bad read!
5168         // ...
5169         file.init();   // too late
5170         // ...
5171     }
5173 Compilers do not read comments.
5175 ##### Exception
5177 If a valid object cannot conveniently be constructed by a constructor, [use a factory function](#Rc-factory).
5179 ##### Enforcement
5181 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5182 * (Unknown) If a constructor has an `Ensures` contract, try to see if it holds as a postcondition.
5184 ##### Note
5186 If a constructor acquires a resource (to create a valid object), that resource should be [released by the destructor](#Rc-dtor-release).
5187 The idiom of having constructors acquire resources and destructors release them is called [RAII](#Rr-raii) ("Resource Acquisition Is Initialization").
5189 ### <a name="Rc-throw"></a>C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception
5191 ##### Reason
5193 Leaving behind an invalid object is asking for trouble.
5195 ##### Example
5197     class X2 {
5198         FILE* f;
5199         // ...
5200     public:
5201         X2(const string& name)
5202             :f{fopen(name.c_str(), "r")}
5203         {
5204             if (!f) throw runtime_error{"could not open" + name};
5205             // ...
5206         }
5208         void read();      // read from f
5209         // ...
5210     };
5212     void f()
5213     {
5214         X2 file {"Zeno"}; // throws if file isn't open
5215         file.read();      // fine
5216         // ...
5217     }
5219 ##### Example, bad
5221     class X3 {     // bad: the constructor leaves a non-valid object behind
5222         FILE* f;   // call is_valid() before any other function
5223         bool valid;
5224         // ...
5225     public:
5226         X3(const string& name)
5227             :f{fopen(name.c_str(), "r")}, valid{false}
5228         {
5229             if (f) valid = true;
5230             // ...
5231         }
5233         bool is_valid() { return valid; }
5234         void read();   // read from f
5235         // ...
5236     };
5238     void f()
5239     {
5240         X3 file {"Heraclides"};
5241         file.read();   // crash or bad read!
5242         // ...
5243         if (file.is_valid()) {
5244             file.read();
5245             // ...
5246         }
5247         else {
5248             // ... handle error ...
5249         }
5250         // ...
5251     }
5253 ##### Note
5255 For a variable definition (e.g., on the stack or as a member of another object) there is no explicit function call from which an error code could be returned.
5256 Leaving behind an invalid object and relying on users to consistently check an `is_valid()` function before use is tedious, error-prone, and inefficient.
5258 ##### Exception
5260 There are domains, such as some hard-real-time systems (think airplane controls) where (without additional tool support) exception handling is not sufficiently predictable from a timing perspective.
5261 There the `is_valid()` technique must be used. In such cases, check `is_valid()` consistently and immediately to simulate [RAII](#Rr-raii).
5263 ##### Alternative
5265 If you feel tempted to use some "post-constructor initialization" or "two-stage initialization" idiom, try not to do that.
5266 If you really have to, look at [factory functions](#Rc-factory).
5268 ##### Note
5270 One reason people have used `init()` functions rather than doing the initialization work in a constructor has been to avoid code replication.
5271 [Delegating constructors](#Rc-delegating) and [default member initialization](#Rc-in-class-initializer) do that better.
5272 Another reason has been to delay initialization until an object is needed; the solution to that is often [not to declare a variable until it can be properly initialized](#Res-init)
5274 ##### Enforcement
5278 ### <a name="Rc-default0"></a>C.43: Ensure that a copyable (value type) class has a default constructor
5280 ##### Reason
5282 Many language and library facilities rely on default constructors to initialize their elements, e.g. `T a[10]` and `std::vector<T> v(10)`.
5283 A default constructor often simplifies the task of defining a suitable [moved-from state](#???) for a type that is also copyable.
5285 ##### Note
5287 A [value type](#SS-concrete) is a class that is copyable (and usually also comparable).
5288 It is closely related to the notion of Regular type from [EoP](http://elementsofprogramming.com/) and [the Palo Alto TR](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2012/n3351.pdf).
5290 ##### Example
5292     class Date { // BAD: no default constructor
5293     public:
5294         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5295         // ...
5296     };
5298     vector<Date> vd1(1000);   // default Date needed here
5299     vector<Date> vd2(1000, Date{Month::October, 7, 1885});   // alternative
5301 The default constructor is only auto-generated if there is no user-declared constructor, hence it's impossible to initialize the vector `vd1` in the example above.
5302 The absence of a default value can cause surprises for users and complicate its use, so if one can be reasonably defined, it should be.
5304 `Date` is chosen to encourage thought:
5305 There is no "natural" default date (the big bang is too far back in time to be useful for most people), so this example is non-trivial.
5306 `{0, 0, 0}` is not a valid date in most calendar systems, so choosing that would be introducing something like floating-point's `NaN`.
5307 However, most realistic `Date` classes have a "first date" (e.g. January 1, 1970 is popular), so making that the default is usually trivial.
5309     class Date {
5310     public:
5311         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5312         Date() = default; // [See also](#Rc-default)
5313         // ...
5314     private:
5315         int dd = 1;
5316         int mm = 1;
5317         int yyyy = 1970;
5318         // ...
5319     };
5321     vector<Date> vd1(1000);
5323 ##### Note
5325 A class with members that all have default constructors implicitly gets a default constructor:
5327     struct X {
5328         string s;
5329         vector<int> v;
5330     };
5332     X x; // means X{{}, {}}; that is the empty string and the empty vector
5334 Beware that built-in types are not properly default constructed:
5336     struct X {
5337         string s;
5338         int i;
5339     };
5341     void f()
5342     {
5343         X x;    // x.s is initialized to the empty string; x.i is uninitialized
5345         cout << x.s << ' ' << x.i << '\n';
5346         ++x.i;
5347     }
5349 Statically allocated objects of built-in types are by default initialized to `0`, but local built-in variables are not.
5350 Beware that your compiler may default initialize local built-in variables, whereas an optimized build will not.
5351 Thus, code like the example above may appear to work, but it relies on undefined behavior.
5352 Assuming that you want initialization, an explicit default initialization can help:
5354     struct X {
5355         string s;
5356         int i {};   // default initialize (to 0)
5357     };
5359 ##### Notes
5361 Classes that don't have a reasonable default construction are usually not copyable either, so they don't fall under this guideline.
5363 For example, a base class is not a value type (base classes should not be copyable) and so does not necessarily need a default constructor:
5365     // Shape is an abstract base class, not a copyable value type.
5366     // It may or may not need a default constructor.
5367     struct Shape {
5368         virtual void draw() = 0;
5369         virtual void rotate(int) = 0;
5370         // =delete copy/move functions
5371         // ...
5372     };
5374 A class that must acquire a caller-provided resource during construction often cannot have a default constructor, but it does not fall under this guideline because such a class is usually not copyable anyway:
5376     // std::lock_guard is not a copyable value type.
5377     // It does not have a default constructor.
5378     lock_guard g {mx};  // guard the mutex mx
5379     lock_guard g2;      // error: guarding nothing
5381 A class that has a "special state" that must be handled separately from other states by member functions or users causes extra work
5382 (and most likely more errors). Such a type can naturally use the special state as a default constructed value, whether or not it is copyable:
5384     // std::ofstream is not a copyable value type.
5385     // It does happen to have a default constructor
5386     // that goes along with a special "not open" state.
5387     ofstream out {"Foobar"};
5388     // ...
5389     out << log(time, transaction);
5391 Similar special-state types that are copyable, such as copyable smart pointers that have the special state "==nullptr", should use the special state as their default constructed value.
5393 However, it is preferable to have a default constructor default to a meaningful state such as `std::string`s `""` and `std::vector`s `{}`.
5395 ##### Enforcement
5397 * Flag classes that are copyable by `=` without a default constructor
5398 * Flag classes that are comparable with `==` but not copyable
5401 ### <a name="Rc-default00"></a>C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing
5403 ##### Reason
5405 Being able to set a value to "the default" without operations that might fail simplifies error handling and reasoning about move operations.
5407 ##### Example, problematic
5409     template<typename T>
5410     // elem points to space-elem element allocated using new
5411     class Vector0 {
5412     public:
5413         Vector0() :Vector0{0} {}
5414         Vector0(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5415         // ...
5416     private:
5417         own<T*> elem;
5418         T* space;
5419         T* last;
5420     };
5422 This is nice and general, but setting a `Vector0` to empty after an error involves an allocation, which may fail.
5423 Also, having a default `Vector` represented as `{new T[0], 0, 0}` seems wasteful.
5424 For example, `Vector0<int> v[100]` costs 100 allocations.
5426 ##### Example
5428     template<typename T>
5429     // elem is nullptr or elem points to space-elem element allocated using new
5430     class Vector1 {
5431     public:
5432         // sets the representation to {nullptr, nullptr, nullptr}; doesn't throw
5433         Vector1() noexcept {}
5434         Vector1(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5435         // ...
5436     private:
5437         own<T*> elem = nullptr;
5438         T* space = nullptr;
5439         T* last = nullptr;
5440     };
5442 Using `{nullptr, nullptr, nullptr}` makes `Vector1{}` cheap, but a special case and implies run-time checks.
5443 Setting a `Vector1` to empty after detecting an error is trivial.
5445 ##### Enforcement
5447 * Flag throwing default constructors
5449 ### <a name="Rc-default"></a>C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use in-class member initializers instead
5451 ##### Reason
5453 Using in-class member initializers lets the compiler generate the function for you. The compiler-generated function can be more efficient.
5455 ##### Example, bad
5457     class X1 { // BAD: doesn't use member initializers
5458         string s;
5459         int i;
5460     public:
5461         X1() :s{"default"}, i{1} { }
5462         // ...
5463     };
5465 ##### Example
5467     class X2 {
5468         string s = "default";
5469         int i = 1;
5470     public:
5471         // use compiler-generated default constructor
5472         // ...
5473     };
5475 ##### Enforcement
5477 (Simple) A default constructor should do more than just initialize member variables with constants.
5479 ### <a name="Rc-explicit"></a>C.46: By default, declare single-argument constructors explicit
5481 ##### Reason
5483 To avoid unintended conversions.
5485 ##### Example, bad
5487     class String {
5488         // ...
5489     public:
5490         String(int);   // BAD
5491         // ...
5492     };
5494     String s = 10;   // surprise: string of size 10
5496 ##### Exception
5498 If you really want an implicit conversion from the constructor argument type to the class type, don't use `explicit`:
5500     class Complex {
5501         // ...
5502     public:
5503         Complex(double d);   // OK: we want a conversion from d to {d, 0}
5504         // ...
5505     };
5507     Complex z = 10.7;   // unsurprising conversion
5509 **See also**: [Discussion of implicit conversions](#Ro-conversion)
5511 ##### Note
5513 Copy and move constructors should not be made `explicit` because they do not perform conversions. Explicit copy/move constructors make passing and returning by value difficult.
5515 ##### Enforcement
5517 (Simple) Single-argument constructors should be declared `explicit`. Good single argument non-`explicit` constructors are rare in most code based. Warn for all that are not on a "positive list".
5519 ### <a name="Rc-order"></a>C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration
5521 ##### Reason
5523 To minimize confusion and errors. That is the order in which the initialization happens (independent of the order of member initializers).
5525 ##### Example, bad
5527     class Foo {
5528         int m1;
5529         int m2;
5530     public:
5531         Foo(int x) :m2{x}, m1{++x} { }   // BAD: misleading initializer order
5532         // ...
5533     };
5535     Foo x(1); // surprise: x.m1 == x.m2 == 2
5537 ##### Enforcement
5539 (Simple) A member initializer list should mention the members in the same order they are declared.
5541 **See also**: [Discussion](#Sd-order)
5543 ### <a name="Rc-in-class-initializer"></a>C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers
5545 ##### Reason
5547 Makes it explicit that the same value is expected to be used in all constructors. Avoids repetition. Avoids maintenance problems. It leads to the shortest and most efficient code.
5549 ##### Example, bad
5551     class X {   // BAD
5552         int i;
5553         string s;
5554         int j;
5555     public:
5556         X() :i{666}, s{"qqq"} { }   // j is uninitialized
5557         X(int ii) :i{ii} {}         // s is "" and j is uninitialized
5558         // ...
5559     };
5561 How would a maintainer know whether `j` was deliberately uninitialized (probably a poor idea anyway) and whether it was intentional to give `s` the default value `""` in one case and `qqq` in another (almost certainly a bug)? The problem with `j` (forgetting to initialize a member) often happens when a new member is added to an existing class.
5563 ##### Example
5565     class X2 {
5566         int i {666};
5567         string s {"qqq"};
5568         int j {0};
5569     public:
5570         X2() = default;        // all members are initialized to their defaults
5571         X2(int ii) :i{ii} {}   // s and j initialized to their defaults
5572         // ...
5573     };
5575 **Alternative**: We can get part of the benefits from default arguments to constructors, and that is not uncommon in older code. However, that is less explicit, causes more arguments to be passed, and is repetitive when there is more than one constructor:
5577     class X3 {   // BAD: inexplicit, argument passing overhead
5578         int i;
5579         string s;
5580         int j;
5581     public:
5582         X3(int ii = 666, const string& ss = "qqq", int jj = 0)
5583             :i{ii}, s{ss}, j{jj} { }   // all members are initialized to their defaults
5584         // ...
5585     };
5587 ##### Enforcement
5589 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5590 * (Simple) Default arguments to constructors suggest an in-class initializer may be more appropriate.
5592 ### <a name="Rc-initialize"></a>C.49: Prefer initialization to assignment in constructors
5594 ##### Reason
5596 An initialization explicitly states that initialization, rather than assignment, is done and can be more elegant and efficient. Prevents "use before set" errors.
5598 ##### Example, good
5600     class A {   // Good
5601         string s1;
5602     public:
5603         A(czstring p) : s1{p} { }    // GOOD: directly construct (and the C-sting is explicitly named)
5604         // ...
5605     };
5607 ##### Example, bad
5609     class B {   // BAD
5610         string s1;
5611     public:
5612         B(const char* p) { s1 = p; }   // BAD: default constructor followed by assignment
5613         // ...
5614     };
5616     class C {   // UGLY, aka very bad
5617         int* p;
5618     public:
5619         C() { cout << *p; p = new int{10}; }   // accidental use before initialized
5620         // ...
5621     };
5623 ##### Example, better still
5625 Instead of those `const char*`s we could use `gsl::string_span or (in C++17) `std::string_view`
5626 as [a more general way to present arguments to a function](#Rstr-view):
5628     class D {   // Good
5629         string s1;
5630     public:
5631         A(string_view v) : s1{v} { }    // GOOD: directly construct
5632         // ...
5633     };
5635 ### <a name="Rc-factory"></a>C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
5637 ##### Reason
5639 If the state of a base class object must depend on the state of a derived part of the object, we need to use a virtual function (or equivalent) while minimizing the window of opportunity to misuse an imperfectly constructed object.
5641 ##### Note
5643 The return type of the factory should normally be `unique_ptr` by default; if some uses are shared, the caller can `move` the `unique_ptr` into a `shared_ptr`. However, if the factory author knows that all uses of the returned object will be shared uses, return `shared_ptr` and use `make_shared` in the body to save an allocation.
5645 ##### Example, bad
5647     class B {
5648     public:
5649         B()
5650         {
5651             // ...
5652             f();   // BAD: virtual call in constructor
5653             // ...
5654         }
5656         virtual void f() = 0;
5658         // ...
5659     };
5661 ##### Example
5663     class B {
5664     protected:
5665         B() { /* ... */ }              // create an imperfectly initialized object
5667         virtual void PostInitialize()  // to be called right after construction
5668         {
5669             // ...
5670             f();    // GOOD: virtual dispatch is safe
5671             // ...
5672         }
5674     public:
5675         virtual void f() = 0;
5677         template<class T>
5678         static shared_ptr<T> Create()  // interface for creating shared objects
5679         {
5680             auto p = make_shared<T>();
5681             p->PostInitialize();
5682             return p;
5683         }
5684     };
5686     class D : public B { /* ... */ };  // some derived class
5688     shared_ptr<D> p = D::Create<D>();  // creating a D object
5690 By making the constructor `protected` we avoid an incompletely constructed object escaping into the wild.
5691 By providing the factory function `Create()`, we make construction (on the free store) convenient.
5693 ##### Note
5695 Conventional factory functions allocate on the free store, rather than on the stack or in an enclosing object.
5697 **See also**: [Discussion](#Sd-factory)
5699 ### <a name="Rc-delegating"></a>C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class
5701 ##### Reason
5703 To avoid repetition and accidental differences.
5705 ##### Example, bad
5707     class Date {   // BAD: repetitive
5708         int d;
5709         Month m;
5710         int y;
5711     public:
5712         Date(int dd, Month mm, year yy)
5713             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5714             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5716         Date(int dd, Month mm)
5717             :d{dd}, m{mm} y{current_year()}
5718             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5719         // ...
5720     };
5722 The common action gets tedious to write and may accidentally not be common.
5724 ##### Example
5726     class Date2 {
5727         int d;
5728         Month m;
5729         int y;
5730     public:
5731         Date2(int dd, Month mm, year yy)
5732             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5733             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5735         Date2(int dd, Month mm)
5736             :Date2{dd, mm, current_year()} {}
5737         // ...
5738     };
5740 **See also**: If the "repeated action" is a simple initialization, consider [an in-class member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5742 ##### Enforcement
5744 (Moderate) Look for similar constructor bodies.
5746 ### <a name="Rc-inheriting"></a>C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization
5748 ##### Reason
5750 If you need those constructors for a derived class, re-implementing them is tedious and error-prone.
5752 ##### Example
5754 `std::vector` has a lot of tricky constructors, so if I want my own `vector`, I don't want to reimplement them:
5756     class Rec {
5757         // ... data and lots of nice constructors ...
5758     };
5760     class Oper : public Rec {
5761         using Rec::Rec;
5762         // ... no data members ...
5763         // ... lots of nice utility functions ...
5764     };
5766 ##### Example, bad
5768     struct Rec2 : public Rec {
5769         int x;
5770         using Rec::Rec;
5771     };
5773     Rec2 r {"foo", 7};
5774     int val = r.x;   // uninitialized
5776 ##### Enforcement
5778 Make sure that every member of the derived class is initialized.
5780 ## <a name="SS-copy"></a>C.copy: Copy and move
5782 Value types should generally be copyable, but interfaces in a class hierarchy should not.
5783 Resource handles may or may not be copyable.
5784 Types can be defined to move for logical as well as performance reasons.
5786 ### <a name="Rc-copy-assignment"></a>C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`
5788 ##### Reason
5790 It is simple and efficient. If you want to optimize for rvalues, provide an overload that takes a `&&` (see [F.18](#Rf-consume)).
5792 ##### Example
5794     class Foo {
5795     public:
5796         Foo& operator=(const Foo& x)
5797         {
5798             // GOOD: no need to check for self-assignment (other than performance)
5799             auto tmp = x;
5800             std::swap(*this, tmp);
5801             return *this;
5802         }
5803         // ...
5804     };
5806     Foo a;
5807     Foo b;
5808     Foo f();
5810     a = b;    // assign lvalue: copy
5811     a = f();  // assign rvalue: potentially move
5813 ##### Note
5815 The `swap` implementation technique offers the [strong guarantee](#Abrahams01).
5817 ##### Example
5819 But what if you can get significantly better performance by not making a temporary copy? Consider a simple `Vector` intended for a domain where assignment of large, equal-sized `Vector`s is common. In this case, the copy of elements implied by the `swap` implementation technique could cause an order of magnitude increase in cost:
5821     template<typename T>
5822     class Vector {
5823     public:
5824         Vector& operator=(const Vector&);
5825         // ...
5826     private:
5827         T* elem;
5828         int sz;
5829     };
5831     Vector& Vector::operator=(const Vector& a)
5832     {
5833         if (a.sz > sz) {
5834             // ... use the swap technique, it can't be bettered ...
5835             return *this
5836         }
5837         // ... copy sz elements from *a.elem to elem ...
5838         if (a.sz < sz) {
5839             // ... destroy the surplus elements in *this* and adjust size ...
5840         }
5841         return *this;
5842     }
5844 By writing directly to the target elements, we will get only [the basic guarantee](#Abrahams01) rather than the strong guarantee offered by the `swap` technique. Beware of [self-assignment](#Rc-copy-self).
5846 **Alternatives**: If you think you need a `virtual` assignment operator, and understand why that's deeply problematic, don't call it `operator=`. Make it a named function like `virtual void assign(const Foo&)`.
5847 See [copy constructor vs. `clone()`](#Rc-copy-virtual).
5849 ##### Enforcement
5851 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
5852 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
5853 * (Moderate) An assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member assignment operators.
5854   Look at the destructor to determine if the type has pointer semantics or value semantics.
5856 ### <a name="Rc-copy-semantic"></a>C.61: A copy operation should copy
5858 ##### Reason
5860 That is the generally assumed semantics. After `x = y`, we should have `x == y`.
5861 After a copy `x` and `y` can be independent objects (value semantics, the way non-pointer built-in types and the standard-library types work) or refer to a shared object (pointer semantics, the way pointers work).
5863 ##### Example
5865     class X {   // OK: value semantics
5866     public:
5867         X();
5868         X(const X&);     // copy X
5869         void modify();   // change the value of X
5870         // ...
5871         ~X() { delete[] p; }
5872     private:
5873         T* p;
5874         int sz;
5875     };
5877     bool operator==(const X& a, const X& b)
5878     {
5879         return a.sz == b.sz && equal(a.p, a.p + a.sz, b.p, b.p + b.sz);
5880     }
5882     X::X(const X& a)
5883         :p{new T[a.sz]}, sz{a.sz}
5884     {
5885         copy(a.p, a.p + sz, p);
5886     }
5888     X x;
5889     X y = x;
5890     if (x != y) throw Bad{};
5891     x.modify();
5892     if (x == y) throw Bad{};   // assume value semantics
5894 ##### Example
5896     class X2 {  // OK: pointer semantics
5897     public:
5898         X2();
5899         X2(const X2&) = default; // shallow copy
5900         ~X2() = default;
5901         void modify();          // change the pointed-to value
5902         // ...
5903     private:
5904         T* p;
5905         int sz;
5906     };
5908     bool operator==(const X2& a, const X2& b)
5909     {
5910         return a.sz == b.sz && a.p == b.p;
5911     }
5913     X2 x;
5914     X2 y = x;
5915     if (x != y) throw Bad{};
5916     x.modify();
5917     if (x != y) throw Bad{};  // assume pointer semantics
5919 ##### Note
5921 Prefer copy semantics unless you are building a "smart pointer". Value semantics is the simplest to reason about and what the standard-library facilities expect.
5923 ##### Enforcement
5925 (Not enforceable)
5927 ### <a name="Rc-copy-self"></a>C.62: Make copy assignment safe for self-assignment
5929 ##### Reason
5931 If `x = x` changes the value of `x`, people will be surprised and bad errors will occur (often including leaks).
5933 ##### Example
5935 The standard-library containers handle self-assignment elegantly and efficiently:
5937     std::vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
5938     v = v;
5939     // the value of v is still {3, 1, 4, 1, 5, 9}
5941 ##### Note
5943 The default assignment generated from members that handle self-assignment correctly handles self-assignment.
5945     struct Bar {
5946         vector<pair<int, int>> v;
5947         map<string, int> m;
5948         string s;
5949     };
5951     Bar b;
5952     // ...
5953     b = b;   // correct and efficient
5955 ##### Note
5957 You can handle self-assignment by explicitly testing for self-assignment, but often it is faster and more elegant to cope without such a test (e.g., [using `swap`](#Rc-swap)).
5959     class Foo {
5960         string s;
5961         int i;
5962     public:
5963         Foo& operator=(const Foo& a);
5964         // ...
5965     };
5967     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // OK, but there is a cost
5968     {
5969         if (this == &a) return *this;
5970         s = a.s;
5971         i = a.i;
5972         return *this;
5973     }
5975 This is obviously safe and apparently efficient.
5976 However, what if we do one self-assignment per million assignments?
5977 That's about a million redundant tests (but since the answer is essentially always the same, the computer's branch predictor will guess right essentially every time).
5978 Consider:
5980     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // simpler, and probably much better
5981     {
5982         s = a.s;
5983         i = a.i;
5984         return *this;
5985     }
5987 `std::string` is safe for self-assignment and so are `int`. All the cost is carried by the (rare) case of self-assignment.
5989 ##### Enforcement
5991 (Simple) Assignment operators should not contain the pattern `if (this == &a) return *this;` ???
5993 ### <a name="Rc-move-assignment"></a>C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const &`
5995 ##### Reason
5997 It is simple and efficient.
5999 **See**: [The rule for copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6001 ##### Enforcement
6003 Equivalent to what is done for [copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6005 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
6006 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
6007 * (Moderate) A move assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member move assignment operators.
6009 ### <a name="Rc-move-semantic"></a>C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state
6011 ##### Reason
6013 That is the generally assumed semantics.
6014 After `y = std::move(x)` the value of `y` should be the value `x` had and `x` should be in a valid state.
6016 ##### Example
6018     template<typename T>
6019     class X {   // OK: value semantics
6020     public:
6021         X();
6022         X(X&& a) noexcept;  // move X
6023         void modify();     // change the value of X
6024         // ...
6025         ~X() { delete[] p; }
6026     private:
6027         T* p;
6028         int sz;
6029     };
6032     X::X(X&& a)
6033         :p{a.p}, sz{a.sz}  // steal representation
6034     {
6035         a.p = nullptr;     // set to "empty"
6036         a.sz = 0;
6037     }
6039     void use()
6040     {
6041         X x{};
6042         // ...
6043         X y = std::move(x);
6044         x = X{};   // OK
6045     } // OK: x can be destroyed
6047 ##### Note
6049 Ideally, that moved-from should be the default value of the type.
6050 Ensure that unless there is an exceptionally good reason not to.
6051 However, not all types have a default value and for some types establishing the default value can be expensive.
6052 The standard requires only that the moved-from object can be destroyed.
6053 Often, we can easily and cheaply do better: The standard library assumes that it is possible to assign to a moved-from object.
6054 Always leave the moved-from object in some (necessarily specified) valid state.
6056 ##### Note
6058 Unless there is an exceptionally strong reason not to, make `x = std::move(y); y = z;` work with the conventional semantics.
6060 ##### Enforcement
6062 (Not enforceable) Look for assignments to members in the move operation. If there is a default constructor, compare those assignments to the initializations in the default constructor.
6064 ### <a name="Rc-move-self"></a>C.65: Make move assignment safe for self-assignment
6066 ##### Reason
6068 If `x = x` changes the value of `x`, people will be surprised and bad errors may occur. However, people don't usually directly write a self-assignment that turn into a move, but it can occur. However, `std::swap` is implemented using move operations so if you accidentally do `swap(a, b)` where `a` and `b` refer to the same object, failing to handle self-move could be a serious and subtle error.
6070 ##### Example
6072     class Foo {
6073         string s;
6074         int i;
6075     public:
6076         Foo& operator=(Foo&& a);
6077         // ...
6078     };
6080     Foo& Foo::operator=(Foo&& a) noexcept  // OK, but there is a cost
6081     {
6082         if (this == &a) return *this;  // this line is redundant
6083         s = std::move(a.s);
6084         i = a.i;
6085         return *this;
6086     }
6088 The one-in-a-million argument against `if (this == &a) return *this;` tests from the discussion of [self-assignment](#Rc-copy-self) is even more relevant for self-move.
6090 ##### Note
6092 There is no known general way of avoiding a `if (this == &a) return *this;` test for a move assignment and still get a correct answer (i.e., after `x = x` the value of `x` is unchanged).
6094 ##### Note
6096 The ISO standard guarantees only a "valid but unspecified" state for the standard-library containers. Apparently this has not been a problem in about 10 years of experimental and production use. Please contact the editors if you find a counter example. The rule here is more caution and insists on complete safety.
6098 ##### Example
6100 Here is a way to move a pointer without a test (imagine it as code in the implementation a move assignment):
6102     // move from other.ptr to this->ptr
6103     T* temp = other.ptr;
6104     other.ptr = nullptr;
6105     delete ptr;
6106     ptr = temp;
6108 ##### Enforcement
6110 * (Moderate) In the case of self-assignment, a move assignment operator should not leave the object holding pointer members that have been `delete`d or set to `nullptr`.
6111 * (Not enforceable) Look at the use of standard-library container types (incl. `string`) and consider them safe for ordinary (not life-critical) uses.
6113 ### <a name="Rc-move-noexcept"></a>C.66: Make move operations `noexcept`
6115 ##### Reason
6117 A throwing move violates most people's reasonably assumptions.
6118 A non-throwing move will be used more efficiently by standard-library and language facilities.
6120 ##### Example
6122     template<typename T>
6123     class Vector {
6124         // ...
6125         Vector(Vector&& a) noexcept :elem{a.elem}, sz{a.sz} { a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6126         Vector& operator=(Vector&& a) noexcept { elem = a.elem; sz = a.sz; a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6127         // ...
6128     public:
6129         T* elem;
6130         int sz;
6131     };
6133 These operations do not throw.
6135 ##### Example, bad
6137     template<typename T>
6138     class Vector2 {
6139         // ...
6140         Vector2(Vector2&& a) { *this = a; }             // just use the copy
6141         Vector2& operator=(Vector2&& a) { *this = a; }  // just use the copy
6142         // ...
6143     public:
6144         T* elem;
6145         int sz;
6146     };
6148 This `Vector2` is not just inefficient, but since a vector copy requires allocation, it can throw.
6150 ##### Enforcement
6152 (Simple) A move operation should be marked `noexcept`.
6154 ### <a name="Rc-copy-virtual"></a>C.67: A polymorphic class should suppress copying
6156 ##### Reason
6158 A *polymorphic class* is a class that defines or inherits at least one virtual function. It is likely that it will be used as a base class for other derived classes with polymorphic behavior. If it is accidentally passed by value, with the implicitly generated copy constructor and assignment, we risk slicing: only the base portion of a derived object will be copied, and the polymorphic behavior will be corrupted.
6160 ##### Example, bad
6162     class B { // BAD: polymorphic base class doesn't suppress copying
6163     public:
6164         virtual char m() { return 'B'; }
6165         // ... nothing about copy operations, so uses default ...
6166     };
6168     class D : public B {
6169     public:
6170         char m() override { return 'D'; }
6171         // ...
6172     };
6174     void f(B& b) {
6175         auto b2 = b; // oops, slices the object; b2.m() will return 'B'
6176     }
6178     D d;
6179     f(d);
6181 ##### Example
6183     class B { // GOOD: polymorphic class suppresses copying
6184     public:
6185         B(const B&) = delete;
6186         B& operator=(const B&) = delete;
6187         virtual char m() { return 'B'; }
6188         // ...
6189     };
6191     class D : public B {
6192     public:
6193         char m() override { return 'D'; }
6194         // ...
6195     };
6197     void f(B& b) {
6198         auto b2 = b; // ok, compiler will detect inadvertent copying, and protest
6199     }
6201     D d;
6202     f(d);
6204 ##### Note
6206 If you need to create deep copies of polymorphic objects, use `clone()` functions: see [C.130](#Rh-copy).
6208 ##### Exception
6210 Classes that represent exception objects need both to be polymorphic and copy-constructible.
6212 ##### Enforcement
6214 * Flag a polymorphic class with a non-deleted copy operation.
6215 * Flag an assignment of polymorphic class objects.
6217 ## C.other: Other default operation rules
6219 In addition to the operations for which the language offer default implementations,
6220 there are a few operations that are so foundational that it rules for their definition are needed:
6221 comparisons, `swap`, and `hash`.
6223 ### <a name="Rc-eqdefault"></a>C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics
6225 ##### Reason
6227 The compiler is more likely to get the default semantics right and you cannot implement these functions better than the compiler.
6229 ##### Example
6231     class Tracer {
6232         string message;
6233     public:
6234         Tracer(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6235         ~Tracer() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6237         Tracer(const Tracer&) = default;
6238         Tracer& operator=(const Tracer&) = default;
6239         Tracer(Tracer&&) = default;
6240         Tracer& operator=(Tracer&&) = default;
6241     };
6243 Because we defined the destructor, we must define the copy and move operations. The `= default` is the best and simplest way of doing that.
6245 ##### Example, bad
6247     class Tracer2 {
6248         string message;
6249     public:
6250         Tracer2(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6251         ~Tracer2() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6253         Tracer2(const Tracer2& a) : message{a.message} {}
6254         Tracer2& operator=(const Tracer2& a) { message = a.message; return *this; }
6255         Tracer2(Tracer2&& a) :message{a.message} {}
6256         Tracer2& operator=(Tracer2&& a) { message = a.message; return *this; }
6257     };
6259 Writing out the bodies of the copy and move operations is verbose, tedious, and error-prone. A compiler does it better.
6261 ##### Enforcement
6263 (Moderate) The body of a special operation should not have the same accessibility and semantics as the compiler-generated version, because that would be redundant
6265 ### <a name="Rc-delete"></a>C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)
6267 ##### Reason
6269 In a few cases, a default operation is not desirable.
6271 ##### Example
6273     class Immortal {
6274     public:
6275         ~Immortal() = delete;   // do not allow destruction
6276         // ...
6277     };
6279     void use()
6280     {
6281         Immortal ugh;   // error: ugh cannot be destroyed
6282         Immortal* p = new Immortal{};
6283         delete p;       // error: cannot destroy *p
6284     }
6286 ##### Example
6288 A `unique_ptr` can be moved, but not copied. To achieve that its copy operations are deleted. To avoid copying it is necessary to `=delete` its copy operations from lvalues:
6290     template <class T, class D = default_delete<T>> class unique_ptr {
6291     public:
6292         // ...
6293         constexpr unique_ptr() noexcept;
6294         explicit unique_ptr(pointer p) noexcept;
6295         // ...
6296         unique_ptr(unique_ptr&& u) noexcept;   // move constructor
6297         // ...
6298         unique_ptr(const unique_ptr&) = delete; // disable copy from lvalue
6299         // ...
6300     };
6302     unique_ptr<int> make();   // make "something" and return it by moving
6304     void f()
6305     {
6306         unique_ptr<int> pi {};
6307         auto pi2 {pi};      // error: no move constructor from lvalue
6308         auto pi3 {make()};  // OK, move: the result of make() is an rvalue
6309     }
6311 Note that deleted functions should be public.
6313 ##### Enforcement
6315 The elimination of a default operation is (should be) based on the desired semantics of the class. Consider such classes suspect, but maintain a "positive list" of classes where a human has asserted that the semantics is correct.
6317 ### <a name="Rc-ctor-virtual"></a>C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
6319 ##### Reason
6321 The function called will be that of the object constructed so far, rather than a possibly overriding function in a derived class.
6322 This can be most confusing.
6323 Worse, a direct or indirect call to an unimplemented pure virtual function from a constructor or destructor results in undefined behavior.
6325 ##### Example, bad
6327     class Base {
6328     public:
6329         virtual void f() = 0;   // not implemented
6330         virtual void g();       // implemented with Base version
6331         virtual void h();       // implemented with Base version
6332     };
6334     class Derived : public Base {
6335     public:
6336         void g() override;   // provide Derived implementation
6337         void h() final;      // provide Derived implementation
6339         Derived()
6340         {
6341             // BAD: attempt to call an unimplemented virtual function
6342             f();
6344             // BAD: will call Derived::g, not dispatch further virtually
6345             g();
6347             // GOOD: explicitly state intent to call only the visible version
6348             Derived::g();
6350             // ok, no qualification needed, h is final
6351             h();
6352         }
6353     };
6355 Note that calling a specific explicitly qualified function is not a virtual call even if the function is `virtual`.
6357 **See also** [factory functions](#Rc-factory) for how to achieve the effect of a call to a derived class function without risking undefined behavior.
6359 ##### Note
6361 There is nothing inherently wrong with calling virtual functions from constructors and destructors.
6362 The semantics of such calls is type safe.
6363 However, experience shows that such calls are rarely needed, easily confuse maintainers, and become a source of errors when used by novices.
6365 ##### Enforcement
6367 * Flag calls of virtual functions from constructors and destructors.
6369 ### <a name="Rc-swap"></a>C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function
6371 ##### Reason
6373 A `swap` can be handy for implementing a number of idioms, from smoothly moving objects around to implementing assignment easily to providing a guaranteed commit function that enables strongly error-safe calling code. Consider using swap to implement copy assignment in terms of copy construction. See also [destructors, deallocation, and swap must never fail](#Re-never-fail).
6375 ##### Example, good
6377     class Foo {
6378         // ...
6379     public:
6380         void swap(Foo& rhs) noexcept
6381         {
6382             m1.swap(rhs.m1);
6383             std::swap(m2, rhs.m2);
6384         }
6385     private:
6386         Bar m1;
6387         int m2;
6388     };
6390 Providing a nonmember `swap` function in the same namespace as your type for callers' convenience.
6392     void swap(Foo& a, Foo& b)
6393     {
6394         a.swap(b);
6395     }
6397 ##### Enforcement
6399 * (Simple) A class without virtual functions should have a `swap` member function declared.
6400 * (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6402 ### <a name="Rc-swap-fail"></a>C.84: A `swap` function may not fail
6404 ##### Reason
6406  `swap` is widely used in ways that are assumed never to fail and programs cannot easily be written to work correctly in the presence of a failing `swap`. The standard-library containers and algorithms will not work correctly if a swap of an element type fails.
6408 ##### Example, bad
6410     void swap(My_vector& x, My_vector& y)
6411     {
6412         auto tmp = x;   // copy elements
6413         x = y;
6414         y = tmp;
6415     }
6417 This is not just slow, but if a memory allocation occurs for the elements in `tmp`, this `swap` may throw and would make STL algorithms fail if used with them.
6419 ##### Enforcement
6421 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6423 ### <a name="Rc-swap-noexcept"></a>C.85: Make `swap` `noexcept`
6425 ##### Reason
6427  [A `swap` may not fail](#Rc-swap-fail).
6428 If a `swap` tries to exit with an exception, it's a bad design error and the program had better terminate.
6430 ##### Enforcement
6432 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6434 ### <a name="Rc-eq"></a>C.86: Make `==` symmetric with respect to operand types and `noexcept`
6436 ##### Reason
6438 Asymmetric treatment of operands is surprising and a source of errors where conversions are possible.
6439 `==` is a fundamental operations and programmers should be able to use it without fear of failure.
6441 ##### Example
6443     struct X {
6444         string name;
6445         int number;
6446     };
6448     bool operator==(const X& a, const X& b) noexcept {
6449         return a.name == b.name && a.number == b.number;
6450     }
6452 ##### Example, bad
6454     class B {
6455         string name;
6456         int number;
6457         bool operator==(const B& a) const {
6458             return name == a.name && number == a.number;
6459         }
6460         // ...
6461     };
6463 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6465 ##### Note
6467 If a class has a failure state, like `double`'s `NaN`, there is a temptation to make a comparison against the failure state throw.
6468 The alternative is to make two failure states compare equal and any valid state compare false against the failure state.
6470 #### Note
6472 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6474 ##### Enforcement
6476 * Flag an `operator==()` for which the argument types differ; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6477 * Flag member `operator==()`s; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6479 ### <a name="Rc-eq-base"></a>C.87: Beware of `==` on base classes
6481 ##### Reason
6483 It is really hard to write a foolproof and useful `==` for a hierarchy.
6485 ##### Example, bad
6487     class B {
6488         string name;
6489         int number;
6490         virtual bool operator==(const B& a) const
6491         {
6492              return name == a.name && number == a.number;
6493         }
6494         // ...
6495     };
6497 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6499     class D :B {
6500         char character;
6501         virtual bool operator==(const D& a) const
6502         {
6503             return name == a.name && number == a.number && character == a.character;
6504         }
6505         // ...
6506     };
6508     B b = ...
6509     D d = ...
6510     b == d;    // compares name and number, ignores d's character
6511     d == b;    // error: no == defined
6512     D d2;
6513     d == d2;   // compares name, number, and character
6514     B& b2 = d2;
6515     b2 == d;   // compares name and number, ignores d2's and d's character
6517 Of course there are ways of making `==` work in a hierarchy, but the naive approaches do not scale
6519 #### Note
6521 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6523 ##### Enforcement
6525 * Flag a virtual `operator==()`; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6527 ### <a name="Rc-hash"></a>C.89: Make a `hash` `noexcept`
6529 ##### Reason
6531 Users of hashed containers use hash indirectly and don't expect simple access to throw.
6532 It's a standard-library requirement.
6534 ##### Example, bad
6536     template<>
6537     struct hash<My_type> {  // thoroughly bad hash specialization
6538         using result_type = size_t;
6539         using argument_type = My_type;
6541         size_t operator() (const My_type & x) const
6542         {
6543             size_t xs = x.s.size();
6544             if (xs < 4) throw Bad_My_type{};    // "Nobody expects the Spanish inquisition!"
6545             return hash<size_t>()(x.s.size()) ^ trim(x.s);
6546         }
6547     };
6549     int main()
6550     {
6551         unordered_map<My_type, int> m;
6552         My_type mt{ "asdfg" };
6553         m[mt] = 7;
6554         cout << m[My_type{ "asdfg" }] << '\n';
6555     }
6557 If you have to define a `hash` specialization, try simply to let it combine standard-library `hash` specializations with `^` (xor).
6558 That tends to work better than "cleverness" for non-specialists.
6560 ##### Enforcement
6562 * Flag throwing `hash`es.
6564 ## <a name="SS-containers"></a>C.con: Containers and other resource handles
6566 A container is an object holding a sequence of objects of some type; `std::vector` is the archetypical container.
6567 A resource handle is a class that owns a resource; `std::vector` is the typical resource handle; its resource is its sequence of elements.
6569 Summary of container rules:
6571 * [C.100: Follow the STL when defining a container](#Rcon-stl)
6572 * [C.101: Give a container value semantics](#Rcon-val)
6573 * [C.102: Give a container move operations](#Rcon-move)
6574 * [C.103: Give a container an initializer list constructor](#Rcon-init)
6575 * [C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty](#Rcon-empty)
6576 * ???
6577 * [C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`](#Rcon-ptr)
6579 **See also**: [Resources](#S-resource)
6582 ### <a name="Rcon-stl"></a>C.100: Follow the STL when defining a container
6584 ##### Reason
6586 The STL containers are familiar to most C++ programmers and a fundamentally sound design.
6588 ##### Note
6590 There are of course other fundamentally sound design styles and sometimes reasons to depart from
6591 the style of the standard library, but in the absence of a solid reason to differ, it is simpler
6592 and easier for both implementers and users to follow the standard.
6594 In particular, `std::vector` and `std::map` provide useful relatively simple models.
6596 ##### Example
6598     // simplified (e.g., no allocators):
6600     template<typename T>
6601     class Sorted_vector {
6602         using value_type = T;
6603         // ... iterator types ...
6605         Sorted_vector() = default;
6606         Sorted_vector(initializer_list<T>);    // initializer-list constructor: sort and store
6607         Sorted_vector(const Sorted_vector&) = default;
6608         Sorted_vector(Sorted_vector&&) = default;
6609         Sorted_vector& operator=(const Sorted_vector&) = default;   // copy assignment
6610         Sorted_vector& operator=(Sorted_vector&&) = default;        // move assignment
6611         ~Sorted_vector() = default;
6613         Sorted_vector(const std::vector<T>& v);   // store and sort
6614         Sorted_vector(std::vector<T>&& v);        // sort and "steal representation"
6616         const T& operator[](int i) const { return rep[i]; }
6617         // no non-const direct access to preserve order
6619         void push_back(const T&);   // insert in the right place (not necessarily at back)
6620         void push_back(T&&);        // insert in the right place (not necessarily at back)
6622         // ... cbegin(), cend() ...
6623     private:
6624         std::vector<T> rep;  // use a std::vector to hold elements
6625     };
6627     template<typename T> bool operator==(const T&);
6628     template<typename T> bool operator!=(const T&);
6629     // ...
6631 Here, the STL style is followed, but incompletely.
6632 That's not uncommon.
6633 Provide only as much functionality as makes sense for a specific container.
6634 The key is to define the conventional constructors, assignments, destructors, and iterators
6635 (as meaningful for the specific container) with their conventional semantics.
6636 From that base, the container can be expanded as needed.
6637 Here, special constructors from `std::vector` were added.
6639 ##### Enforcement
6643 ### <a name="Rcon-val"></a>C.101: Give a container value semantics
6645 ##### Reason
6647 Regular objects are simpler to think and reason about than irregular ones.
6648 Familiarity.
6650 ##### Note
6652 If meaningful, make a container `Regular` (the concept).
6653 In particular, ensure that an object compares equal to its copy.
6655 ##### Example
6657     void f(const Sorted_vector<string>& v)
6658     {
6659         Sorted_vector<string> v2 {v};
6660         if (v != v2)
6661             cout << "insanity rules!\n";
6662         // ...
6663     }
6665 ##### Enforcement
6669 ### <a name="Rcon-move"></a>C.102: Give a container move operations
6671 ##### Reason
6673 Containers tend to get large; without a move constructor and a copy constructor an object can be
6674 expensive to move around, thus tempting people to pass pointers to it around and getting into
6675 resource management problems.
6677 ##### Example
6679     Sorted_vector<int> read_sorted(istream& is)
6680     {
6681         vector<int> v;
6682         cin >> v;   // assume we have a read operation for vectors
6683         Sorted_vector<int> sv = v;  // sorts
6684         return sv;
6685     }
6687     A user can reasonably assume that returning a standard-like container is cheap.
6689 ##### Enforcement
6693 ### <a name="Rcon-init"></a>C.103: Give a container an initializer list constructor
6695 ##### Reason
6697 People expect to be able to initialize a container with a set of values.
6698 Familiarity.
6700 ##### Example
6702     Sorted_vector<int> sv {1, 3, -1, 7, 0, 0}; // Sorted_vector sorts elements as needed
6704 ##### Enforcement
6708 ### <a name="Rcon-empty"></a>C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty
6710 ##### Reason
6712 To make it `Regular`.
6714 ##### Example
6716     vector<Sorted_sequence<string>> vs(100);    // 100 Sorted_sequences each with the value ""
6718 ##### Enforcement
6722 ### <a name="Rcon-ptr"></a>C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`
6724 ##### Reason
6726 That's what is expected from pointers.
6727 Familiarity.
6729 ##### Example
6731     ???
6733 ##### Enforcement
6737 ## <a name="SS-lambdas"></a>C.lambdas: Function objects and lambdas
6739 A function object is an object supplying an overloaded `()` so that you can call it.
6740 A lambda expression (colloquially often shortened to "a lambda") is a notation for generating a function object.
6741 Function objects should be cheap to copy (and therefore [passed by value](#Rf-in)).
6743 Summary:
6745 * [F.50: Use a lambda when a function won't do (to capture local variables, or to write a local function)](#Rf-capture-vs-overload)
6746 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
6747 * [F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used nonlocally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread](#Rf-value-capture)
6748 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
6750 ## <a name="SS-hier"></a>C.hier: Class hierarchies (OOP)
6752 A class hierarchy is constructed to represent a set of hierarchically organized concepts (only).
6753 Typically base classes act as interfaces.
6754 There are two major uses for hierarchies, often named implementation inheritance and interface inheritance.
6756 Class hierarchy rule summary:
6758 * [C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)](#Rh-domain)
6759 * [C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class](#Rh-abstract)
6760 * [C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed](#Rh-separation)
6762 Designing rules for classes in a hierarchy summary:
6764 * [C.126: An abstract class typically doesn't need a constructor](#Rh-abstract-ctor)
6765 * [C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor](#Rh-dtor)
6766 * [C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`](#Rh-override)
6767 * [C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance](#Rh-kind)
6768 * [C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of copy construction/assignment](#Rh-copy)
6769 * [C.131: Avoid trivial getters and setters](#Rh-get)
6770 * [C.132: Don't make a function `virtual` without reason](#Rh-virtual)
6771 * [C.133: Avoid `protected` data](#Rh-protected)
6772 * [C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level](#Rh-public)
6773 * [C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces](#Rh-mi-interface)
6774 * [C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes](#Rh-mi-implementation)
6775 * [C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes](#Rh-vbase)
6776 * [C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`](#Rh-using)
6777 * [C.139: Use `final` sparingly](#Rh-final)
6778 * [C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider](#Rh-virtual-default-arg)
6780 Accessing objects in a hierarchy rule summary:
6782 * [C.145: Access polymorphic objects through pointers and references](#Rh-poly)
6783 * [C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable](#Rh-dynamic_cast)
6784 * [C.147: Use `dynamic_cast` to a reference type when failure to find the required class is considered an error](#Rh-ref-cast)
6785 * [C.148: Use `dynamic_cast` to a pointer type when failure to find the required class is considered a valid alternative](#Rh-ptr-cast)
6786 * [C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`](#Rh-smart)
6787 * [C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s](#Rh-make_unique)
6788 * [C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s](#Rh-make_shared)
6789 * [C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base](#Rh-array)
6790 * [C.153: Prefer virtual function to casting](#Rh-use-virtual)
6792 ### <a name="Rh-domain"></a>C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)
6794 ##### Reason
6796 Direct representation of ideas in code eases comprehension and maintenance. Make sure the idea represented in the base class exactly matches all derived types and there is not a better way to express it than using the tight coupling of inheritance.
6798 Do *not* use inheritance when simply having a data member will do. Usually this means that the derived type needs to override a base virtual function or needs access to a protected member.
6800 ##### Example
6802     class DrawableUIElement {
6803     public:
6804         virtual void render() const = 0;
6805         // ...
6806     };
6808     class AbstractButton : public DrawableUIElement {
6809     public:
6810         virtual void onClick() = 0;
6811         // ...
6812     };
6814     class PushButton : public AbstractButton {
6815         virtual void render() const override;
6816         virtual void onClick() override;
6817         // ...
6818     };
6820     class Checkbox : public AbstractButton {
6821     // ...
6822     };
6824 ##### Example, bad
6826 Do *not* represent non-hierarchical domain concepts as class hierarchies.
6828     template<typename T>
6829     class Container {
6830     public:
6831         // list operations:
6832         virtual T& get() = 0;
6833         virtual void put(T&) = 0;
6834         virtual void insert(Position) = 0;
6835         // ...
6836         // vector operations:
6837         virtual T& operator[](int) = 0;
6838         virtual void sort() = 0;
6839         // ...
6840         // tree operations:
6841         virtual void balance() = 0;
6842         // ...
6843     };
6845 Here most overriding classes cannot implement most of the functions required in the interface well.
6846 Thus the base class becomes an implementation burden.
6847 Furthermore, the user of `Container` cannot rely on the member functions actually performing a meaningful operations reasonably efficiently;
6848 it may throw an exception instead.
6849 Thus users have to resort to run-time checking and/or
6850 not using this (over)general interface in favor of a particular interface found by a run-time type inquiry (e.g., a `dynamic_cast`).
6852 ##### Enforcement
6854 * Look for classes with lots of members that do nothing but throw.
6855 * Flag every use of a nonpublic base class `B` where the derived class `D` does not override a virtual function or access a protected member in `B`, and `B` is not one of the following: empty, a template parameter or parameter pack of `D`, a class template specialized with `D`.
6857 ### <a name="Rh-abstract"></a>C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class
6859 ##### Reason
6861 A class is more stable (less brittle) if it does not contain data.
6862 Interfaces should normally be composed entirely of public pure virtual functions and a default/empty virtual destructor.
6864 ##### Example
6866     class My_interface {
6867     public:
6868         // ...only pure virtual functions here ...
6869         virtual ~My_interface() {}   // or =default
6870     };
6872 ##### Example, bad
6874     class Goof {
6875     public:
6876         // ...only pure virtual functions here ...
6877         // no virtual destructor
6878     };
6880     class Derived : public Goof {
6881         string s;
6882         // ...
6883     };
6885     void use()
6886     {
6887         unique_ptr<Goof> p {new Derived{"here we go"}};
6888         f(p.get()); // use Derived through the Goof interface
6889         g(p.get()); // use Derived through the Goof interface
6890     } // leak
6892 The `Derived` is `delete`d through its `Goof` interface, so its `string` is leaked.
6893 Give `Goof` a virtual destructor and all is well.
6896 ##### Enforcement
6898 * Warn on any class that contains data members and also has an overridable (non-`final`) virtual function.
6900 ### <a name="Rh-separation"></a>C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed
6902 ##### Reason
6904 Such as on an ABI (link) boundary.
6906 ##### Example
6908     struct Device {
6909         virtual ~Device() = default;
6910         virtual void write(span<const char> outbuf) = 0;
6911         virtual void read(span<char> inbuf) = 0;
6912     };
6914     class D1 : public Device {
6915         // ... data ...
6917         void write(span<const char> outbuf) override;
6918         void read(span<char> inbuf) override;
6919     };
6921     class D2 : public Device {
6922         // ... different data ...
6924         void write(span<const char> outbuf) override;
6925         void read(span<char> inbuf) override;
6926     };
6928 A user can now use `D1`s and `D2`s interchangeably through the interface provided by `Device`.
6929 Furthermore, we can update `D1` and `D2` in a ways that are not binary compatible with older versions as long as all access goes through `Device`.
6931 ##### Enforcement
6933     ???
6935 ## C.hierclass: Designing classes in a hierarchy:
6937 ### <a name="Rh-abstract-ctor"></a>C.126: An abstract class typically doesn't need a constructor
6939 ##### Reason
6941 An abstract class typically does not have any data for a constructor to initialize.
6943 ##### Example
6945     ???
6947 ##### Exception
6949 * A base class constructor that does work, such as registering an object somewhere, may need a constructor.
6950 * In extremely rare cases, you might find it reasonable for an abstract class to have a bit of data shared by all derived classes
6951   (e.g., use statistics data, debug information, etc.); such classes tend to have constructors. But be warned: Such classes also tend to be prone to requiring virtual inheritance.
6953 ##### Enforcement
6955 Flag abstract classes with constructors.
6957 ### <a name="Rh-dtor"></a>C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor
6959 ##### Reason
6961 A class with a virtual function is usually (and in general) used via a pointer to base. Usually, the last user has to call delete on a pointer to base, often via a smart pointer to base, so the destructor should be public and virtual. Less commonly, if deletion through a pointer to base is not intended to be supported, the destructor should be protected and nonvirtual; see [C.35](#Rc-dtor-virtual).
6963 ##### Example, bad
6965     struct B {
6966         virtual int f() = 0;
6967         // ... no user-written destructor, defaults to public nonvirtual ...
6968     };
6970     // bad: derived from a class without a virtual destructor
6971     struct D : B {
6972         string s {"default"};
6973     };
6975     void use()
6976     {
6977         unique_ptr<B> p = make_unique<D>();
6978         // ...
6979     } // undefined behavior. May call B::~B only and leak the string
6981 ##### Note
6983 There are people who don't follow this rule because they plan to use a class only through a `shared_ptr`: `std::shared_ptr<B> p = std::make_shared<D>(args);` Here, the shared pointer will take care of deletion, so no leak will occur from an inappropriate `delete` of the base. People who do this consistently can get a false positive, but the rule is important -- what if one was allocated using `make_unique`? It's not safe unless the author of `B` ensures that it can never be misused, such as by making all constructors private and providing a factory function to enforce the allocation with `make_shared`.
6985 ##### Enforcement
6987 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and nonvirtual.
6988 * Flag `delete` of a class with a virtual function but no virtual destructor.
6990 ### <a name="Rh-override"></a>C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`
6992 ##### Reason
6994 Readability.
6995 Detection of mistakes.
6996 Writing explicit `virtual`, `override`, or `final` is self-documenting and enables the compiler to catch mismatch of types and/or names between base and derived classes. However, writing more than one of these three is both redundant and a potential source of errors.
6998 It's simple and clear:
7000 * `virtual` means exactly and only "this is a new virtual function."
7001 * `override` means exactly and only "this is a non-final overrider."
7002 * `final` means exactly and only "this is a final overrider."
7004 If a base class destructor is declared `virtual`, one should avoid declaring derived class destructors  `virtual` or `override`. Some code base and tools might insist on `override` for destructors, but that is not the recommendation of these guidelines.
7006 ##### Example, bad
7008     struct B {
7009         void f1(int);
7010         virtual void f2(int) const;
7011         virtual void f3(int);
7012         // ...
7013     };
7015     struct D : B {
7016         void f1(int);        // bad (hope for a warning): D::f1() hides B::f1()
7017         void f2(int) const;  // bad (but conventional and valid): no explicit override
7018         void f3(double);     // bad (hope for a warning): D::f3() hides B::f3()
7019         // ...
7020     };
7022 ##### Example, good
7024     struct Better : B {
7025         void f1(int) override;        // error (caught): D::f1() hides B::f1()
7026         void f2(int) const override;
7027         void f3(double) override;     // error (caught): D::f3() hides B::f3()
7028         // ...
7029     };
7031 #### Discussion
7033 We want to eliminate two particular classes of errors:
7035 * **implicit virtual**: the programmer intended the function to be implicitly virtual and it is (but readers of the code can't tell); or the programmer intended the function to be implicitly virtual but it isn't (e.g., because of a subtle parameter list mismatch); or the programmer did not intend the function to be virtual but it is (because it happens to have the same signature as a virtual in the base class)
7036 * **implicit override**: the programmer intended the function to be implicitly an overrider and it is (but readers of the code can't tell); or the programmer intended the function to be implicitly an overrider but it isn't (e.g., because of a subtle parameter list mismatch); or the programmer did not intend the function to be an overrider but it is (because it happens to have the same signature as a virtual in the base class -- note this problem arises whether or not the function is explicitly declared virtual, because the programmer may have intended to create either a new virtual function or a new nonvirtual function)
7038 ##### Enforcement
7040 * Compare names in base and derived classes and flag uses of the same name that does not override.
7041 * Flag overrides with neither `override` nor `final`.
7042 * Flag function declarations that use more than one of `virtual`, `override`, and `final`.
7044 ### <a name="Rh-kind"></a>C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance
7046 ##### Reason
7048 Implementation details in an interface makes the interface brittle;
7049 that is, makes its users vulnerable to having to recompile after changes in the implementation.
7050 Data in a base class increases the complexity of implementing the base and can lead to replication of code.
7052 ##### Note
7054 Definition:
7056 * interface inheritance is the use of inheritance to separate users from implementations,
7057 in particular to allow derived classes to be added and changed without affecting the users of base classes.
7058 * implementation inheritance is the use of inheritance to simplify implementation of new facilities
7059 by making useful operations available for implementers of related new operations (sometimes called "programming by difference").
7061 A pure interface class is simply a set of pure virtual functions; see [I.25](#Ri-abstract).
7063 In early OOP (e.g., in the 1980s and 1990s), implementation inheritance and interface inheritance were often mixed
7064 and bad habits die hard.
7065 Even now, mixtures are not uncommon in old code bases and in old-style teaching material.
7067 The importance of keeping the two kinds of inheritance increases
7069 * with the size of a hierarchy (e.g., dozens of derived classes),
7070 * with the length of time the hierarchy is used (e.g., decades), and
7071 * with the number of distinct organizations in which a hierarchy is used
7072 (e.g., it can be difficult to distribute an update to a base class)
7075 ##### Example, bad
7077     class Shape {   // BAD, mixed interface and implementation
7078     public:
7079         Shape();
7080         Shape(Point ce = {0, 0}, Color co = none): cent{ce}, col {co} { /* ... */}
7082         Point center() const { return cent; }
7083         Color color() const { return col; }
7085         virtual void rotate(int) = 0;
7086         virtual void move(Point p) { cent = p; redraw(); }
7088         virtual void redraw();
7090         // ...
7091     private:
7092         Point cent;
7093         Color col;
7094     };
7096     class Circle : public Shape {
7097     public:
7098         Circle(Point c, int r) :Shape{c}, rad{r} { /* ... */ }
7100         // ...
7101     private:
7102         int rad;
7103     };
7105     class Triangle : public Shape {
7106     public:
7107         Triangle(Point p1, Point p2, Point p3); // calculate center
7108         // ...
7109     };
7111 Problems:
7113 * As the hierarchy grows and more data is added to `Shape`, the constructors gets harder to write and maintain.
7114 * Why calculate the center for the `Triangle`? we may never us it.
7115 * Add a data member to `Shape` (e.g., drawing style or canvas)
7116 and all derived classes and all users needs to be reviewed, possibly changes, and probably recompiled.
7118 The implementation of `Shape::move()` is an example of implementation inheritance:
7119 we have defined `move()` once and for all for all derived classes.
7120 The more code there is in such base class member function implementations and the more data is shared by placing it in the base,
7121 the more benefits we gain - and the less stable the hierarchy is.
7123 ##### Example
7125 This Shape hierarchy can be rewritten using interface inheritance:
7127     class Shape {  // pure interface
7128     public:
7129         virtual Point center() const = 0;
7130         virtual Color color() const = 0;
7132         virtual void rotate(int) = 0;
7133         virtual void move(Point p) = 0;
7135         virtual void redraw() = 0;
7137         // ...
7138     };
7140 Note that a pure interface rarely have constructors: there is nothing to construct.
7142     class Circle : public Shape {
7143     public:
7144         Circle(Point c, int r, Color c) :cent{c}, rad{r}, col{c} { /* ... */ }
7146         Point center() const override { return cent; }
7147         Color color() const override { return col; }
7149         // ...
7150     private:
7151         Point cent;
7152         int rad;
7153         Color col;
7154     };
7156 The interface is now less brittle, but there is more work in implementing the member functions.
7157 For example, `center` has to be implemented by every class derived from `Shape`.
7159 ##### Example, dual hierarchy
7161 How can we gain the benefit of the stable hierarchies from implementation hierarchies and the benefit of implementation reuse from implementation inheritance.
7162 One popular technique is dual hierarchies.
7163 There are many ways of implementing the idea of dual hierarchies; here, we use a multiple-inheritance variant.
7165 First we devise a hierarchy of interface classes:
7167     class Shape {   // pure interface
7168     public:
7169         virtual Point center() const = 0;
7170         virtual Color color() const = 0;
7172         virtual void rotate(int) = 0;
7173         virtual void move(Point p) = 0;
7175         virtual void redraw() = 0;
7177         // ...
7178     };
7180     class Circle : public virtual Shape {   // pure interface
7181     public:
7182         virtual int radius() = 0;
7183         // ...
7184     };
7186 To make this interface useful, we must provide its implementation classes (here, named equivalently, but in the `Impl` namespace):
7188     class Impl::Shape : public virtual ::Shape { // implementation
7189     public:
7190         // constructors, destructor
7191         // ...
7192         Point center() const override { /* ... */ }
7193         Color color() const override { /* ... */ }
7195         void rotate(int) override { /* ... */ }
7196         void move(Point p) override { /* ... */ }
7198         void redraw() override { /* ... */ }
7200         // ...
7201     };
7203 Now `Shape` is a poor example of a class with an implementation,
7204 but bear with us because this is just a simple example of a technique aimed at more complex hierarchies.
7206     class Impl::Circle : public virtual ::Circle, public Impl::Shape {   // implementation
7207     public:
7208         // constructors, destructor
7210         int radius() override { /* ... */ }
7211         // ...
7212     };
7214 And we could extend the hierarchies by adding a Smiley class (:-)):
7216     class Smiley : public virtual Circle { // pure interface
7217     public:
7218         // ...
7219     };
7221     class Impl::Smiley : public virtual ::Smiley, public Impl::Circle {   // implementation
7222     public:
7223         // constructors, destructor
7224         // ...
7225     }
7227 There are now two hierarchies:
7229 * interface: Smiley -> Circle -> Shape
7230 * implementation: Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7232 Since each implementation derived from its interface as well as its implementation base class we get a lattice (DAG):
7234     Smiley     ->         Circle     ->  Shape
7235       ^                     ^               ^
7236       |                     |               |
7237     Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7239 As mentioned, this is just one way to construct a dual hierarchy.
7241 The implementation hierarchy can be used directly, rather than through the abstract interface.
7243     void work_with_shape(Shape&);
7245     int user()
7246     {
7247         Impl::Smiley my_smiley{ /* args */ };   // create concrete shape
7248         // ...
7249         my_smiley.some_member();        // use implementation class directly
7250         // ...
7251         work_with_shape(my_smiley);     // use implementation through abstract interface
7252         // ...
7253     }
7255 This can be useful when the implementation class has members that are not offered in the abstract interface
7256 or if direct use of a member offers optimization opportunities (e.g., if an implementation member function is `final`)
7258 ##### Note
7260 Another (related) technique for separating interface and implementation is [Pimpl](#Ri-pimpl).
7262 ##### Note
7264 There is often a choice between offering common functionality as (implemented) base class functions and free-standing functions
7265 (in an implementation namespace).
7266 Base classes gives a shorter notation and easier access to shared data (in the base)
7267 at the cost of the functionality being available only to users of the hierarchy.
7269 ##### Enforcement
7271 * Flag a derived to base conversion to a base with both data and virtual functions
7272 (except for calls from a derived class member to a base class member)
7273 * ???
7276 ### <a name="Rh-copy"></a>C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of copy construction/assignment
7278 ##### Reason
7280 Copying a polymorphic class is discouraged due to the slicing problem, see [C.67](#Rc-copy-virtual). If you really need copy semantics, copy deeply: Provide a virtual `clone` function that will copy the actual most-derived type and return an owning pointer to the new object, and then in derived classes return the derived type (use a covariant return type).
7282 ##### Example
7284     class B {
7285     public:
7286         virtual owner<B*> clone() = 0;
7287         virtual ~B() = 0;
7289         B(const B&) = delete;
7290         B& operator=(const B&) = delete;
7291     };
7293     class D : public B {
7294     public:
7295         owner<D*> clone() override;
7296         virtual ~D() override;
7297     };
7299 Generally, it is recommended to use smart pointers to represent ownership (see [R.20](#Rr-owner)). However, because of language rules, the covariant return type cannot be a smart pointer: `D::clone` can't return a `unique_ptr<D>` while `B::clone` returns `unique_ptr<B>`. Therefore, you either need to consistently return `unique_ptr<B>` in all overrides, or use `owner<>` utility from the [Guidelines Support Library](#SS-views).
7303 ### <a name="Rh-get"></a>C.131: Avoid trivial getters and setters
7305 ##### Reason
7307 A trivial getter or setter adds no semantic value; the data item could just as well be `public`.
7309 ##### Example
7311     class Point {   // Bad: verbose
7312         int x;
7313         int y;
7314     public:
7315         Point(int xx, int yy) : x{xx}, y{yy} { }
7316         int get_x() const { return x; }
7317         void set_x(int xx) { x = xx; }
7318         int get_y() const { return y; }
7319         void set_y(int yy) { y = yy; }
7320         // no behavioral member functions
7321     };
7323 Consider making such a class a `struct` -- that is, a behaviorless bunch of variables, all public data and no member functions.
7325     struct Point {
7326         int x {0};
7327         int y {0};
7328     };
7330 Note that we can put default initializers on member variables: [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize).
7332 ##### Note
7334 The key to this rule is whether the semantics of the getter/setter are trivial. While it is not a complete definition of "trivial", consider whether there would be any difference beyond syntax if the getter/setter was a public data member instead. Examples of non-trivial semantics would be: maintaining a class invariant or converting between an internal type and an interface type.
7336 ##### Enforcement
7338 Flag multiple `get` and `set` member functions that simply access a member without additional semantics.
7340 ### <a name="Rh-virtual"></a>C.132: Don't make a function `virtual` without reason
7342 ##### Reason
7344 Redundant `virtual` increases run-time and object-code size.
7345 A virtual function can be overridden and is thus open to mistakes in a derived class.
7346 A virtual function ensures code replication in a templated hierarchy.
7348 ##### Example, bad
7350     template<class T>
7351     class Vector {
7352     public:
7353         // ...
7354         virtual int size() const { return sz; }   // bad: what good could a derived class do?
7355     private:
7356         T* elem;   // the elements
7357         int sz;    // number of elements
7358     };
7360 This kind of "vector" isn't meant to be used as a base class at all.
7362 ##### Enforcement
7364 * Flag a class with virtual functions but no derived classes.
7365 * Flag a class where all member functions are virtual and have implementations.
7367 ### <a name="Rh-protected"></a>C.133: Avoid `protected` data
7369 ##### Reason
7371 `protected` data is a source of complexity and errors.
7372 `protected` data complicates the statement of invariants.
7373 `protected` data inherently violates the guidance against putting data in base classes, which usually leads to having to deal with virtual inheritance as well.
7375 ##### Example, bad
7377     class Shape {
7378     public:
7379         // ... interface functions ...
7380     protected:
7381         // data for use in derived classes:
7382         Color fill_color;
7383         Color edge_color;
7384         Style st;
7385     };
7387 Now it is up to every derived `Shape` to manipulate the protected data correctly.
7388 This has been popular, but also a major source of maintenance problems.
7389 In a large class hierarchy, the consistent use of protected data is hard to maintain because there can be a lot of code,
7390 spread over a lot of classes.
7391 The set of classes that can touch that data is open: anyone can derive a new class and start manipulating the protected data.
7392 Often, it is not possible to examine the complete set of classes, so any change to the representation of the class becomes infeasible.
7393 There is no enforced invariant for the protected data; it is much like a set of global variables.
7394 The protected data has de facto become global to a large body of code.
7396 ##### Note
7398 Protected data often looks tempting to enable arbitrary improvements through derivation.
7399 Often, what you get is unprincipled changes and errors.
7400 [Prefer `private` data](#Rc-private) with a well-specified and enforced invariant.
7401 Alternative, and often better, [keep data out of any class used as an interface](#Rh-abstract).
7403 ##### Note
7405 Protected member function can be just fine.
7407 ##### Enforcement
7409 Flag classes with `protected` data.
7411 ### <a name="Rh-public"></a>C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level
7413 ##### Reason
7415 Prevention of logical confusion leading to errors.
7416 If the non-`const` data members don't have the same access level, the type is confused about what it's trying to do.
7417 Is it a type that maintains an invariant or simply a collection of values?
7419 ##### Discussion
7421 The core question is: What code is responsible for maintaining a meaningful/correct value for that variable?
7423 There are exactly two kinds of data members:
7425 * A: Ones that don't participate in the object's invariant. Any combination of values for these members is valid.
7426 * B: Ones that do participate in the object's invariant. Not every combination of values is meaningful (else there'd be no invariant). Therefore all code that has write access to these variables must know about the invariant, know the semantics, and know (and actively implement and enforce) the rules for keeping the values correct.
7428 Data members in category A should just be `public` (or, more rarely, `protected` if you only want derived classes to see them). They don't need encapsulation. All code in the system might as well see and manipulate them.
7430 Data members in category B should be `private` or `const`. This is because encapsulation is important. To make them non-`private` and non-`const` would mean that the object can't control its own state: An unbounded amount of code beyond the class would need to know about the invariant and participate in maintaining it accurately -- if these data members were `public`, that would be all calling code that uses the object; if they were `protected`, it would be all the code in current and future derived classes. This leads to brittle and tightly coupled code that quickly becomes a nightmare to maintain. Any code that inadvertently sets the data members to an invalid or unexpected combination of values would corrupt the object and all subsequent uses of the object.
7432 Most classes are either all A or all B:
7434 * *All public*: If you're writing an aggregate bundle-of-variables without an invariant across those variables, then all the variables should be `public`.
7435   [By convention, declare such classes `struct` rather than `class`](#Rc-struct)
7436 * *All private*: If you're writing a type that maintains an invariant, then all the non-`const` variables should be private -- it should be encapsulated.
7438 ##### Exception
7440 Occasionally classes will mix A and B, usually for debug reasons. An encapsulated object may contain something like non-`const` debug instrumentation that isn't part of the invariant and so falls into category A -- it isn't really part of the object's value or meaningful observable state either. In that case, the A parts should be treated as A's (made `public`, or in rarer cases `protected` if they should be visible only to derived classes) and the B parts should still be treated like B's (`private` or `const`).
7442 ##### Enforcement
7444 Flag any class that has non-`const` data members with different access levels.
7446 ### <a name="Rh-mi-interface"></a>C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces
7448 ##### Reason
7450 Not all classes will necessarily support all interfaces, and not all callers will necessarily want to deal with all operations.
7451 Especially to break apart monolithic interfaces into "aspects" of behavior supported by a given derived class.
7453 ##### Example
7455     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7456         // ...
7457     };
7459 `istream` provides the interface to input operations; `ostream` provides the interface to output operations.
7460 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7462 ##### Note
7464 This is a very common use of inheritance because the need for multiple different interfaces to an implementation is common
7465 and such interfaces are often not easily or naturally organized into a single-rooted hierarchy.
7467 ##### Note
7469 Such interfaces are typically abstract classes.
7471 ##### Enforcement
7475 ### <a name="Rh-mi-implementation"></a>C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes
7477 ##### Reason
7479 Some forms of mixins have state and often operations on that state.
7480 If the operations are virtual the use of inheritance is necessary, if not using inheritance can avoid boilerplate and forwarding.
7482 ##### Example
7484     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7485         // ...
7486     };
7488 `istream` provides the interface to input operations (and some data); `ostream` provides the interface to output operations (and some data).
7489 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7491 ##### Note
7493 This a relatively rare use because implementation can often be organized into a single-rooted hierarchy.
7495 ##### Example
7497 Sometimes, an "implementation attribute" is more like a "mixin" that determine the behavior of an implementation and inject
7498 members to enable the implementation of the policies it requires.
7499 For example, see `std::enable_shared_from_this`
7500 or various bases from boost.intrusive (e.g. `list_base_hook` or `intrusive_ref_counter`).
7502 ##### Enforcement
7506 ### <a name="Rh-vbase"></a>C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes
7508 ##### Reason
7510  Allow separation of shared data and interface.
7511  To avoid all shared data to being put into an ultimate base class.
7513 ##### Example
7515     struct Interface {
7516         virtual void f();
7517         virtual int g();
7518         // ... no data here ...
7519     };
7521     class Utility {  // with data
7522         void utility1();
7523         virtual void utility2();    // customization point
7524     public:
7525         int x;
7526         int y;
7527     };
7529     class Derive1 : public Interface, virtual protected Utility {
7530         // override Interface functions
7531         // Maybe override Utility virtual functions
7532         // ...
7533     };
7535     class Derive2 : public Interface, virtual protected Utility {
7536         // override Interface functions
7537         // Maybe override Utility virtual functions
7538         // ...
7539     };
7541 Factoring out `Utility` makes sense if many derived classes share significant "implementation details."
7544 ##### Note
7546 Obviously, the example is too "theoretical", but it is hard to find a *small* realistic example.
7547 `Interface` is the root of an [interface hierarchy](#Rh-abstract)
7548 and `Utility` is the root of an [implementation hierarchy](#Rh-kind).
7549 Here is [a slightly more realistic example](https://www.quora.com/What-are-the-uses-and-advantages-of-virtual-base-class-in-C%2B%2B/answer/Lance-Diduck) with an explanation.
7551 ##### Note
7553 Often, linearization of a hierarchy is a better solution.
7555 ##### Enforcement
7557 Flag mixed interface and implementation hierarchies.
7559 ### <a name="Rh-using"></a>C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`
7561 ##### Reason
7563 Without a using declaration, member functions in the derived class hide the entire inherited overload sets.
7565 ##### Example, bad
7567     #include <iostream>
7568     class B {
7569     public:
7570         virtual int f(int i) { std::cout << "f(int): "; return i; }
7571         virtual double f(double d) { std::cout << "f(double): "; return d; }
7572     };
7573     class D: public B {
7574     public:
7575         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7576     };
7577     int main()
7578     {
7579         D d;
7580         std::cout << d.f(2) << '\n';   // prints "f(int): 3"
7581         std::cout << d.f(2.3) << '\n'; // prints "f(int): 3"
7582     }
7584 ##### Example, good
7586     class D: public B {
7587     public:
7588         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7589         using B::f; // exposes f(double)
7590     };
7592 ##### Note
7594 This issue affects both virtual and nonvirtual member functions
7596 For variadic bases, C++17 introduced a variadic form of the using-declaration,
7598     template <class... Ts>
7599     struct Overloader : Ts... {
7600         using Ts::operator()...; // exposes operator() from every base
7601     };
7603 ##### Enforcement
7605 Diagnose name hiding
7607 ### <a name="Rh-final"></a>C.139: Use `final` sparingly
7609 ##### Reason
7611 Capping a hierarchy with `final` is rarely needed for logical reasons and can be damaging to the extensibility of a hierarchy.
7613 ##### Example, bad
7615     class Widget { /* ... */ };
7617     // nobody will ever want to improve My_widget (or so you thought)
7618     class My_widget final : public Widget { /* ... */ };
7620     class My_improved_widget : public My_widget { /* ... */ };  // error: can't do that
7622 ##### Note
7624 Not every class is meant to be a base class.
7625 Most standard-library classes are examples of that (e.g., `std::vector` and `std::string` are not designed to be derived from).
7626 This rule is about using `final` on classes with virtual functions meant to be interfaces for a class hierarchy.
7628 ##### Note
7630 Capping an individual virtual function with `final` is error-prone as `final` can easily be overlooked when defining/overriding a set of functions.
7631 Fortunately, the compiler catches such mistakes: You cannot re-declare/re-open a `final` member in a derived class.
7633 ##### Note
7635 Claims of performance improvements from `final` should be substantiated.
7636 Too often, such claims are based on conjecture or experience with other languages.
7638 There are examples where `final` can be important for both logical and performance reasons.
7639 One example is a performance-critical AST hierarchy in a compiler or language analysis tool.
7640 New derived classes are not added every year and only by library implementers.
7641 However, misuses are (or at least have been) far more common.
7643 ##### Enforcement
7645 Flag uses of `final`.
7648 ### <a name="Rh-virtual-default-arg"></a>C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider
7650 ##### Reason
7652 That can cause confusion: An overrider does not inherit default arguments.
7654 ##### Example, bad
7656     class Base {
7657     public:
7658         virtual int multiply(int value, int factor = 2) = 0;
7659     };
7661     class Derived : public Base {
7662     public:
7663         int multiply(int value, int factor = 10) override;
7664     };
7666     Derived d;
7667     Base& b = d;
7669     b.multiply(10);  // these two calls will call the same function but
7670     d.multiply(10);  // with different arguments and so different results
7672 ##### Enforcement
7674 Flag default arguments on virtual functions if they differ between base and derived declarations.
7676 ## C.hier-access: Accessing objects in a hierarchy
7678 ### <a name="Rh-poly"></a>C.145: Access polymorphic objects through pointers and references
7680 ##### Reason
7682 If you have a class with a virtual function, you don't (in general) know which class provided the function to be used.
7684 ##### Example
7686     struct B { int a; virtual int f(); };
7687     struct D : B { int b; int f() override; };
7689     void use(B b)
7690     {
7691         D d;
7692         B b2 = d;   // slice
7693         B b3 = b;
7694     }
7696     void use2()
7697     {
7698         D d;
7699         use(d);   // slice
7700     }
7702 Both `d`s are sliced.
7704 ##### Exception
7706 You can safely access a named polymorphic object in the scope of its definition, just don't slice it.
7708     void use3()
7709     {
7710         D d;
7711         d.f();   // OK
7712     }
7714 ##### Enforcement
7716 Flag all slicing.
7718 ### <a name="Rh-dynamic_cast"></a>C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable
7720 ##### Reason
7722 `dynamic_cast` is checked at run time.
7724 ##### Example
7726     struct B {   // an interface
7727         virtual void f();
7728         virtual void g();
7729     };
7731     struct D : B {   // a wider interface
7732         void f() override;
7733         virtual void h();
7734     };
7736     void user(B* pb)
7737     {
7738         if (D* pd = dynamic_cast<D*>(pb)) {
7739             // ... use D's interface ...
7740         }
7741         else {
7742             // ... make do with B's interface ...
7743         }
7744     }
7746 Use of the other casts can violate type safety and cause the program to access a variable that is actually of type `X` to be accessed as if it were of an unrelated type `Z`:
7748     void user2(B* pb)   // bad
7749     {
7750         D* pd = static_cast<D*>(pb);    // I know that pb really points to a D; trust me
7751         // ... use D's interface ...
7752     }
7754     void user3(B* pb)    // unsafe
7755     {
7756         if (some_condition) {
7757             D* pd = static_cast<D*>(pb);   // I know that pb really points to a D; trust me
7758             // ... use D's interface ...
7759         }
7760         else {
7761             // ... make do with B's interface ...
7762         }
7763     }
7765     void f()
7766     {
7767         B b;
7768         user(&b);   // OK
7769         user2(&b);  // bad error
7770         user3(&b);  // OK *if* the programmer got the some_condition check right
7771     }
7773 ##### Note
7775 Like other casts, `dynamic_cast` is overused.
7776 [Prefer virtual functions to casting](#Rh-use-virtual).
7777 Prefer [static polymorphism](#???) to hierarchy navigation where it is possible (no run-time resolution necessary)
7778 and reasonably convenient.
7780 ##### Note
7782 Some people use `dynamic_cast` where a `typeid` would have been more appropriate;
7783 `dynamic_cast` is a general "is kind of" operation for discovering the best interface to an object,
7784 whereas `typeid` is a "give me the exact type of this object" operation to discover the actual type of an object.
7785 The latter is an inherently simpler operation that ought to be faster.
7786 The latter (`typeid`) is easily hand-crafted if necessary (e.g., if working on a system where RTTI is -- for some reason -- prohibited),
7787 the former (`dynamic_cast`) is far harder to implement correctly in general.
7789 Consider:
7791     struct B {
7792         const char* name {"B"};
7793         // if pb1->id() == pb2->id() *pb1 is the same type as *pb2
7794         virtual const char* id() const { return name; }
7795         // ...
7796     };
7798     struct D : B {
7799         const char* name {"D"};
7800         const char* id() const override { return name; }
7801         // ...
7802     };
7804     void use()
7805     {
7806         B* pb1 = new B;
7807         B* pb2 = new D;
7809         cout << pb1->id(); // "B"
7810         cout << pb2->id(); // "D"
7813         if (pb1->id() == "D") {         // looks innocent
7814             D* pd = static_cast<D*>(pb1);
7815             // ...
7816         }
7817         // ...
7818     }
7820 The result of `pb2->id() == "D"` is actually implementation defined.
7821 We added it to warn of the dangers of home-brew RTTI.
7822 This code may work as expected for years, just to fail on a new machine, new compiler, or a new linker that does not unify character literals.
7824 If you implement your own RTTI, be careful.
7826 ##### Exception
7828 If your implementation provided a really slow `dynamic_cast`, you may have to use a workaround.
7829 However, all workarounds that cannot be statically resolved involve explicit casting (typically `static_cast`) and are error-prone.
7830 You will basically be crafting your own special-purpose `dynamic_cast`.
7831 So, first make sure that your `dynamic_cast` really is as slow as you think it is (there are a fair number of unsupported rumors about)
7832 and that your use of `dynamic_cast` is really performance critical.
7834 We are of the opinion that current implementations of `dynamic_cast` are unnecessarily slow.
7835 For example, under suitable conditions, it is possible to perform a `dynamic_cast` in [fast constant time](http://www.stroustrup.com/fast_dynamic_casting.pdf).
7836 However, compatibility makes changes difficult even if all agree that an effort to optimize is worthwhile.
7838 In very rare cases, if you have measured that the `dynamic_cast` overhead is material, you have other means to statically guarantee that a downcast will succeed (e.g., you are using CRTP carefully), and there is no virtual inheritance involved, consider tactically resorting `static_cast` with a prominent comment and disclaimer summarizing this paragraph and that human attention is needed under maintenance because the type system can't verify correctness. Even so, in our experience such "I know what I'm doing" situations are still a known bug source.
7840 ##### Exception
7842 Consider:
7844     template<typename B>
7845     class Dx : B {
7846         // ...
7847     };
7849 ##### Enforcement
7851 * Flag all uses of `static_cast` for downcasts, including C-style casts that perform a `static_cast`.
7852 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-downcast).
7854 ### <a name="Rh-ref-cast"></a>C.147: Use `dynamic_cast` to a reference type when failure to find the required class is considered an error
7856 ##### Reason
7858 Casting to a reference expresses that you intend to end up with a valid object, so the cast must succeed. `dynamic_cast` will then throw if it does not succeed.
7860 ##### Example
7862     ???
7864 ##### Enforcement
7868 ### <a name="Rh-ptr-cast"></a>C.148: Use `dynamic_cast` to a pointer type when failure to find the required class is considered a valid alternative
7870 ##### Reason
7872 The `dynamic_cast` conversion allows to test whether a pointer is pointing at a polymorphic object that has a given class in its hierarchy. Since failure to find the class merely returns a null value, it can be tested during run time. This allows writing code that can choose alternative paths depending on the results.
7874 Contrast with [C.147](#Rh-ptr-cast), where failure is an error, and should not be used for conditional execution.
7876 ##### Example
7878 The example below describes the `add` function of a `Shape_owner` that takes ownership of constructed `Shape` objects. The objects are also sorted into views, according to their geometric attributes.
7879 In this example, `Shape` does not inherit from `Geometric_attributes`. Only its subclasses do.
7881     void add(Shape* const item)
7882     {
7883       // Ownership is always taken
7884       owned_shapes.emplace_back(item);
7886       // Check the Geometric_attributes and add the shape to none/one/some/all of the views
7888       if (auto even = dynamic_cast<Even_sided*>(item))
7889       {
7890         view_of_evens.emplace_back(even);
7891       }
7893       if (auto trisym = dynamic_cast<Trilaterally_symmetrical*>(item))
7894       {
7895         view_of_trisyms.emplace_back(trisym);
7896       }
7897     }
7899 ##### Notes
7901 A failure to find the required class will cause `dynamic_cast` to return a null value, and de-referencing a null-valued pointer will lead to undefined behavior.
7902 Therefore the result of the `dynamic_cast` should always be treated as if it may contain a null value, and tested.
7904 ##### Enforcement
7906 * (Complex) Unless there is a null test on the result of a `dynamic_cast` of a pointer type, warn upon dereference of the pointer.
7908 ### <a name="Rh-smart"></a>C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`
7910 ##### Reason
7912 Avoid resource leaks.
7914 ##### Example
7916     void use(int i)
7917     {
7918         auto p = new int {7};           // bad: initialize local pointers with new
7919         auto q = make_unique<int>(9);   // ok: guarantee the release of the memory-allocated for 9
7920         if (0 < i) return;              // maybe return and leak
7921         delete p;                       // too late
7922     }
7924 ##### Enforcement
7926 * Flag initialization of a naked pointer with the result of a `new`
7927 * Flag `delete` of local variable
7929 ### <a name="Rh-make_unique"></a>C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s
7931 ##### Reason
7933  `make_unique` gives a more concise statement of the construction.
7934 It also ensures exception safety in complex expressions.
7936 ##### Example
7938     unique_ptr<Foo> p {new<Foo>{7}};   // OK: but repetitive
7940     auto q = make_unique<Foo>(7);      // Better: no repetition of Foo
7942     // Not exception-safe: the compiler may interleave the computations of arguments as follows:
7943     //
7944     // 1. allocate memory for Foo,
7945     // 2. construct Foo,
7946     // 3. call bar,
7947     // 4. construct unique_ptr<Foo>.
7948     //
7949     // If bar throws, Foo will not be destroyed, and the memory-allocated for it will leak.
7950     f(unique_ptr<Foo>(new Foo()), bar());
7952     // Exception-safe: calls to functions are never interleaved.
7953     f(make_unique<Foo>(), bar());
7955 ##### Enforcement
7957 * Flag the repetitive usage of template specialization list `<Foo>`
7958 * Flag variables declared to be `unique_ptr<Foo>`
7960 ### <a name="Rh-make_shared"></a>C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s
7962 ##### Reason
7964  `make_shared` gives a more concise statement of the construction.
7965 It also gives an opportunity to eliminate a separate allocation for the reference counts, by placing the `shared_ptr`'s use counts next to its object.
7967 ##### Example
7969     void test() {
7970         // OK: but repetitive; and separate allocations for the Bar and shared_ptr's use count
7971         shared_ptr<Bar> p {new<Bar>{7}};
7973         auto q = make_shared<Bar>(7);   // Better: no repetition of Bar; one object
7974     }
7976 ##### Enforcement
7978 * Flag the repetitive usage of template specialization list`<Bar>`
7979 * Flag variables declared to be `shared_ptr<Bar>`
7981 ### <a name="Rh-array"></a>C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base
7983 ##### Reason
7985 Subscripting the resulting base pointer will lead to invalid object access and probably to memory corruption.
7987 ##### Example
7989     struct B { int x; };
7990     struct D : B { int y; };
7992     void use(B*);
7994     D a[] = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};
7995     B* p = a;     // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
7996     p[1].x = 7;   // overwrite D[0].y
7998     use(a);       // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
8000 ##### Enforcement
8002 * Flag all combinations of array decay and base to derived conversions.
8003 * Pass an array as a `span` rather than as a pointer, and don't let the array name suffer a derived-to-base conversion before getting into the `span`
8006 ### <a name="Rh-use-virtual"></a>C.153: Prefer virtual function to casting
8008 ##### Reason
8010 A virtual function call is safe, whereas casting is error-prone.
8011 A virtual function call reaches the most derived function, whereas a cast may reach an intermediate class and therefore
8012 give a wrong result (especially as a hierarchy is modified during maintenance).
8014 ##### Example
8016     ???
8018 ##### Enforcement
8020 See [C.146](#Rh-dynamic_cast) and ???
8022 ## <a name="SS-overload"></a>C.over: Overloading and overloaded operators
8024 You can overload ordinary functions, template functions, and operators.
8025 You cannot overload function objects.
8027 Overload rule summary:
8029 * [C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage](#Ro-conventional)
8030 * [C.161: Use nonmember functions for symmetric operators](#Ro-symmetric)
8031 * [C.162: Overload operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent)
8032 * [C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent-2)
8033 * [C.164: Avoid implicit conversion operators](#Ro-conversion)
8034 * [C.165: Use `using` for customization points](#Ro-custom)
8035 * [C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references](#Ro-address-of)
8036 * [C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning](#Ro-overload)
8037 * [C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands](#Ro-namespace)
8038 * [C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda](#Ro-lambda)
8040 ### <a name="Ro-conventional"></a>C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage
8042 ##### Reason
8044 Minimize surprises.
8046 ##### Example
8048     class X {
8049     public:
8050         // ...
8051         X& operator=(const X&); // member function defining assignment
8052         friend bool operator==(const X&, const X&); // == needs access to representation
8053                                                     // after a = b we have a == b
8054         // ...
8055     };
8057 Here, the conventional semantics is maintained: [Copies compare equal](#SS-copy).
8059 ##### Example, bad
8061     X operator+(X a, X b) { return a.v - b.v; }   // bad: makes + subtract
8063 ##### Note
8065 Nonmember operators should be either friends or defined in [the same namespace as their operands](#Ro-namespace).
8066 [Binary operators should treat their operands equivalently](#Ro-symmetric).
8068 ##### Enforcement
8070 Possibly impossible.
8072 ### <a name="Ro-symmetric"></a>C.161: Use nonmember functions for symmetric operators
8074 ##### Reason
8076 If you use member functions, you need two.
8077 Unless you use a nonmember function for (say) `==`, `a == b` and `b == a` will be subtly different.
8079 ##### Example
8081     bool operator==(Point a, Point b) { return a.x == b.x && a.y == b.y; }
8083 ##### Enforcement
8085 Flag member operator functions.
8087 ### <a name="Ro-equivalent"></a>C.162: Overload operations that are roughly equivalent
8089 ##### Reason
8091 Having different names for logically equivalent operations on different argument types is confusing, leads to encoding type information in function names, and inhibits generic programming.
8093 ##### Example
8095 Consider:
8097     void print(int a);
8098     void print(int a, int base);
8099     void print(const string&);
8101 These three functions all print their arguments (appropriately). Conversely:
8103     void print_int(int a);
8104     void print_based(int a, int base);
8105     void print_string(const string&);
8107 These three functions all print their arguments (appropriately). Adding to the name just introduced verbosity and inhibits generic code.
8109 ##### Enforcement
8113 ### <a name="Ro-equivalent-2"></a>C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent
8115 ##### Reason
8117 Having the same name for logically different functions is confusing and leads to errors when using generic programming.
8119 ##### Example
8121 Consider:
8123     void open_gate(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8124     void fopen(const char* name, const char* mode);   // open file
8126 The two operations are fundamentally different (and unrelated) so it is good that their names differ. Conversely:
8128     void open(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8129     void open(const char* name, const char* mode ="r");   // open file
8131 The two operations are still fundamentally different (and unrelated) but the names have been reduced to their (common) minimum, opening opportunities for confusion.
8132 Fortunately, the type system will catch many such mistakes.
8134 ##### Note
8136 Be particularly careful about common and popular names, such as `open`, `move`, `+`, and `==`.
8138 ##### Enforcement
8142 ### <a name="Ro-conversion"></a>C.164: Avoid implicit conversion operators
8144 ##### Reason
8146 Implicit conversions can be essential (e.g., `double` to `int`) but often cause surprises (e.g., `String` to C-style string).
8148 ##### Note
8150 Prefer explicitly named conversions until a serious need is demonstrated.
8151 By "serious need" we mean a reason that is fundamental in the application domain (such as an integer to complex number conversion)
8152 and frequently needed. Do not introduce implicit conversions (through conversion operators or non-`explicit` constructors)
8153 just to gain a minor convenience.
8155 ##### Example
8157     struct S1 {
8158         string s;
8159         // ...
8160         operator char*() { return s.data(); }  // BAD, likely to cause surprises
8161     };
8163     struct S2 {
8164         string s;
8165         // ...
8166         explicit operator char*() { return s.data(); }
8167     };
8169     void f(S1 s1, S2 s2)
8170     {
8171         char* x1 = s1;     // OK, but can cause surprises in many contexts
8172         char* x2 = s2;     // error (and that's usually a good thing)
8173         char* x3 = static_cast<char*>(s2); // we can be explicit (on your head be it)
8174     }
8176 The surprising and potentially damaging implicit conversion can occur in arbitrarily hard-to spot contexts, e.g.,
8178     S1 ff();
8180     char* g()
8181     {
8182         return ff();
8183     }
8185 The string returned by `ff()` is destroyed before the returned pointer into it can be used.
8187 ##### Enforcement
8189 Flag all conversion operators.
8191 ### <a name="Ro-custom"></a>C.165: Use `using` for customization points
8193 ##### Reason
8195 To find function objects and functions defined in a separate namespace to "customize" a common function.
8197 ##### Example
8199 Consider `swap`. It is a general (standard-library) function with a definition that will work for just about any type.
8200 However, it is desirable to define specific `swap()`s for specific types.
8201 For example, the general `swap()` will copy the elements of two `vector`s being swapped, whereas a good specific implementation will not copy elements at all.
8203     namespace N {
8204         My_type X { /* ... */ };
8205         void swap(X&, X&);   // optimized swap for N::X
8206         // ...
8207     }
8209     void f1(N::X& a, N::X& b)
8210     {
8211         std::swap(a, b);   // probably not what we wanted: calls std::swap()
8212     }
8214 The `std::swap()` in `f1()` does exactly what we asked it to do: it calls the `swap()` in namespace `std`.
8215 Unfortunately, that's probably not what we wanted.
8216 How do we get `N::X` considered?
8218     void f2(N::X& a, N::X& b)
8219     {
8220         swap(a, b);   // calls N::swap
8221     }
8223 But that may not be what we wanted for generic code.
8224 There, we typically want the specific function if it exists and the general function if not.
8225 This is done by including the general function in the lookup for the function:
8227     void f3(N::X& a, N::X& b)
8228     {
8229         using std::swap;  // make std::swap available
8230         swap(a, b);        // calls N::swap if it exists, otherwise std::swap
8231     }
8233 ##### Enforcement
8235 Unlikely, except for known customization points, such as `swap`.
8236 The problem is that the unqualified and qualified lookups both have uses.
8238 ### <a name="Ro-address-of"></a>C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references
8240 ##### Reason
8242 The `&` operator is fundamental in C++.
8243 Many parts of the C++ semantics assumes its default meaning.
8245 ##### Example
8247     class Ptr { // a somewhat smart pointer
8248         Ptr(X* pp) :p(pp) { /* check */ }
8249         X* operator->() { /* check */ return p; }
8250         X operator[](int i);
8251         X operator*();
8252     private:
8253         T* p;
8254     };
8256     class X {
8257         Ptr operator&() { return Ptr{this}; }
8258         // ...
8259     };
8261 ##### Note
8263 If you "mess with" operator `&` be sure that its definition has matching meanings for `->`, `[]`, `*`, and `.` on the result type.
8264 Note that operator `.` currently cannot be overloaded so a perfect system is impossible.
8265 We hope to remedy that: <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4477.pdf>.
8266 Note that `std::addressof()` always yields a built-in pointer.
8268 ##### Enforcement
8270 Tricky. Warn if `&` is user-defined without also defining `->` for the result type.
8272 ### <a name="Ro-overload"></a>C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning
8274 ##### Reason
8276 Readability. Convention. Reusability. Support for generic code
8278 ##### Example
8280     void cout_my_class(const My_class& c) // confusing, not conventional,not generic
8281     {
8282         std::cout << /* class members here */;
8283     }
8285     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const my_class& c) // OK
8286     {
8287         return os << /* class members here */;
8288     }
8290 By itself, `cout_my_class` would be OK, but it is not usable/composable with code that rely on the `<<` convention for output:
8292     My_class var { /* ... */ };
8293     // ...
8294     cout << "var = " << var << '\n';
8296 ##### Note
8298 There are strong and vigorous conventions for the meaning most operators, such as
8300 * comparisons (`==`, `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`),
8301 * arithmetic operations (`+`, `-`, `*`, `/`, and `%`)
8302 * access operations (`.`, `->`, unary `*`, and `[]`)
8303 * assignment (`=`)
8305 Don't define those unconventionally and don't invent your own names for them.
8307 ##### Enforcement
8309 Tricky. Requires semantic insight.
8311 ### <a name="Ro-namespace"></a>C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands
8313 ##### Reason
8315 Readability.
8316 Ability for find operators using ADL.
8317 Avoiding inconsistent definition in different namespaces
8319 ##### Example
8321     struct S { };
8322     bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8323     S s;
8325     bool x = (s == s);
8327 This is what a default `==` would do, if we had such defaults.
8329 ##### Example
8331     namespace N {
8332         struct S { };
8333         bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8334     }
8336     N::S s;
8338     bool x = (s == s);  // finds N::operator==() by ADL
8340 ##### Example, bad
8342     struct S { };
8343     S s;
8345     namespace N {
8346         S::operator!(S a) { return true; }
8347         S not_s = !s;
8348     }
8350     namespace M {
8351         S::operator!(S a) { return false; }
8352         S not_s = !s;
8353     }
8355 Here, the meaning of `!s` differs in `N` and `M`.
8356 This can be most confusing.
8357 Remove the definition of `namespace M` and the confusion is replaced by an opportunity to make the mistake.
8359 ##### Note
8361 If a binary operator is defined for two types that are defined in different namespaces, you cannot follow this rule.
8362 For example:
8364     Vec::Vector operator*(const Vec::Vector&, const Mat::Matrix&);
8366 This may be something best avoided.
8368 ##### See also
8370 This is a special case of the rule that [helper functions should be defined in the same namespace as their class](#Rc-helper).
8372 ##### Enforcement
8374 * Flag operator definitions that are not it the namespace of their operands
8376 ### <a name="Ro-lambda"></a>C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda
8378 ##### Reason
8380 You cannot overload by defining two different lambdas with the same name.
8382 ##### Example
8384     void f(int);
8385     void f(double);
8386     auto f = [](char);   // error: cannot overload variable and function
8388     auto g = [](int) { /* ... */ };
8389     auto g = [](double) { /* ... */ };   // error: cannot overload variables
8391     auto h = [](auto) { /* ... */ };   // OK
8393 ##### Enforcement
8395 The compiler catches the attempt to overload a lambda.
8397 ## <a name="SS-union"></a>C.union: Unions
8399 A `union` is a `struct` where all members start at the same address so that it can hold only one member at a time.
8400 A `union` does not keep track of which member is stored so the programmer has to get it right;
8401 this is inherently error-prone, but there are ways to compensate.
8403 A type that is a `union` plus an indicator of which member is currently held is called a *tagged union*, a *discriminated union*, or a *variant*.
8405 Union rule summary:
8407 * [C.180: Use `union`s to save Memory](#Ru-union)
8408 * [C.181: Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8409 * [C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions](#Ru-anonymous)
8410 * [C.183: Don't use a `union` for type punning](#Ru-pun)
8411 * ???
8413 ### <a name="Ru-union"></a>C.180: Use `union`s to save memory
8415 ##### Reason
8417 A `union` allows a single piece of memory to be used for different types of objects at different times.
8418 Consequently, it can be used to save memory when we have several objects that are never used at the same time.
8420 ##### Example
8422     union Value {
8423         int x;
8424         double d;
8425     };
8427     Value v = { 123 };  // now v holds an int
8428     cout << v.x << '\n';    // write 123
8429     v.d = 987.654;  // now v holds a double
8430     cout << v.d << '\n';    // write 987.654
8432 But heed the warning: [Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8434 ##### Example
8436     // Short-string optimization
8438     constexpr size_t buffer_size = 16; // Slightly larger than the size of a pointer
8440     class Immutable_string {
8441     public:
8442         Immutable_string(const char* str) :
8443             size(strlen(str))
8444         {
8445             if (size < buffer_size)
8446                 strcpy_s(string_buffer, buffer_size, str);
8447             else {
8448                 string_ptr = new char[size + 1];
8449                 strcpy_s(string_ptr, size + 1, str);
8450             }
8451         }
8453         ~Immutable_string()
8454         {
8455             if (size >= buffer_size)
8456                 delete string_ptr;
8457         }
8459         const char* get_str() const
8460         {
8461             return (size < buffer_size) ? string_buffer : string_ptr;
8462         }
8464     private:
8465         // If the string is short enough, we store the string itself
8466         // instead of a pointer to the string.
8467         union {
8468             char* string_ptr;
8469             char string_buffer[buffer_size];
8470         };
8472         const size_t size;
8473     };
8475 ##### Enforcement
8479 ### <a name="Ru-naked"></a>C.181: Avoid "naked" `union`s
8481 ##### Reason
8483 A *naked union* is a union without an associated indicator which member (if any) it holds,
8484 so that the programmer has to keep track.
8485 Naked unions are a source of type errors.
8487 ##### Example, bad
8489     union Value {
8490         int x;
8491         double d;
8492     };
8494     Value v;
8495     v.d = 987.654;  // v holds a double
8497 So far, so good, but we can easily misuse the `union`:
8499     cout << v.x << '\n';    // BAD, undefined behavior: v holds a double, but we read it as an int
8501 Note that the type error happened without any explicit cast.
8502 When we tested that program the last value printed was `1683627180` which it the integer value for the bit pattern for `987.654`.
8503 What we have here is an "invisible" type error that happens to give a result that could easily look innocent.
8505 And, talking about "invisible", this code produced no output:
8507     v.x = 123;
8508     cout << v.d << '\n';    // BAD: undefined behavior
8510 ##### Alternative
8512 Wrap a `union` in a class together with a type field.
8514 The soon-to-be-standard `variant` type (to be found in `<variant>`) does that for you:
8516     variant<int, double> v;
8517     v = 123;        // v holds an int
8518     int x = get<int>(v);
8519     v = 123.456;    // v holds a double
8520     w = get<double>(v);
8522 ##### Enforcement
8526 ### <a name="Ru-anonymous"></a>C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions
8528 ##### Reason
8530 A well-designed tagged union is type safe.
8531 An *anonymous* union simplifies the definition of a class with a (tag, union) pair.
8533 ##### Example
8535 This example is mostly borrowed from TC++PL4 pp216-218.
8536 You can look there for an explanation.
8538 The code is somewhat elaborate.
8539 Handling a type with user-defined assignment and destructor is tricky.
8540 Saving programmers from having to write such code is one reason for including `variant` in the standard.
8542     class Value { // two alternative representations represented as a union
8543     private:
8544         enum class Tag { number, text };
8545         Tag type; // discriminant
8547         union { // representation (note: anonymous union)
8548             int i;
8549             string s; // string has default constructor, copy operations, and destructor
8550         };
8551     public:
8552         struct Bad_entry { }; // used for exceptions
8554         ~Value();
8555         Value& operator=(const Value&);   // necessary because of the string variant
8556         Value(const Value&);
8557         // ...
8558         int number() const;
8559         string text() const;
8561         void set_number(int n);
8562         void set_text(const string&);
8563         // ...
8564     };
8566     int Value::number() const
8567     {
8568         if (type != Tag::number) throw Bad_entry{};
8569         return i;
8570     }
8572     string Value::text() const
8573     {
8574         if (type != Tag::text) throw Bad_entry{};
8575         return s;
8576     }
8578     void Value::set_number(int n)
8579     {
8580         if (type == Tag::text) {
8581             s.~string();      // explicitly destroy string
8582             type = Tag::number;
8583         }
8584         i = n;
8585     }
8587     void Value::set_text(const string& ss)
8588     {
8589         if (type == Tag::text)
8590             s = ss;
8591         else {
8592             new(&s) string{ss};   // placement new: explicitly construct string
8593             type = Tag::text;
8594         }
8595     }
8597     Value& Value::operator=(const Value& e)   // necessary because of the string variant
8598     {
8599         if (type == Tag::text && e.type == Tag::text) {
8600             s = e.s;    // usual string assignment
8601             return *this;
8602         }
8604         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8606         switch (e.type) {
8607         case Tag::number:
8608             i = e.i;
8609             break;
8610         case Tag::text:
8611             new(&s)(e.s);   // placement new: explicit construct
8612             type = e.type;
8613         }
8615         return *this;
8616     }
8618     Value::~Value()
8619     {
8620         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8621     }
8623 ##### Enforcement
8627 ### <a name="Ru-pun"></a>C.183: Don't use a `union` for type punning
8629 ##### Reason
8631 It is undefined behavior to read a `union` member with a different type from the one with which it was written.
8632 Such punning is invisible, or at least harder to spot than using a named cast.
8633 Type punning using a `union` is a source of errors.
8635 ##### Example, bad
8637     union Pun {
8638         int x;
8639         unsigned char c[sizeof(int)];
8640     };
8642 The idea of `Pun` is to be able to look at the character representation of an `int`.
8644     void bad(Pun& u)
8645     {
8646         u.x = 'x';
8647         cout << u.c[0] << '\n';     // undefined behavior
8648     }
8650 If you wanted to see the bytes of an `int`, use a (named) cast:
8652     void if_you_must_pun(int& x)
8653     {
8654         auto p = reinterpret_cast<unsigned char*>(&x);
8655         cout << p[0] << '\n';     // OK; better
8656         // ...
8657     }
8659 Accessing the result of an `reinterpret_cast` to a different type from the objects declared type is defined behavior (even though `reinterpret_cast` is discouraged),
8660 but at least we can see that something tricky is going on.
8662 ##### Note
8664 Unfortunately, `union`s are commonly used for type punning.
8665 We don't consider "sometimes, it works as expected" a strong argument.
8667 C++17 introduced a distinct type `std::byte` to facilitate operations on raw object representation.  Use that type instead of `unsigned char` or `char` for these operations.
8669 ##### Enforcement
8675 # <a name="S-enum"></a>Enum: Enumerations
8677 Enumerations are used to define sets of integer values and for defining types for such sets of values.
8678 There are two kind of enumerations, "plain" `enum`s and `class enum`s.
8680 Enumeration rule summary:
8682 * [Enum.1: Prefer enumerations over macros](#Renum-macro)
8683 * [Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants](#Renum-set)
8684 * [Enum.3: Prefer `enum class`es over "plain" `enum`s](#Renum-class)
8685 * [Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use](#Renum-oper)
8686 * [Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators](#Renum-caps)
8687 * [Enum.6: Avoid unnamed enumerations](#Renum-unnamed)
8688 * [Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary](#Renum-underlying)
8689 * [Enum.8: Specify enumerator values only when necessary](#Renum-value)
8691 ### <a name="Renum-macro"></a>Enum.1: Prefer enumerations over macros
8693 ##### Reason
8695 Macros do not obey scope and type rules. Also, macro names are removed during preprocessing and so usually don't appear in tools like debuggers.
8697 ##### Example
8699 First some bad old code:
8701     // webcolors.h (third party header)
8702     #define RED   0xFF0000
8703     #define GREEN 0x00FF00
8704     #define BLUE  0x0000FF
8706     // productinfo.h
8707     // The following define product subtypes based on color
8708     #define RED    0
8709     #define PURPLE 1
8710     #define BLUE   2
8712     int webby = BLUE;   // webby == 2; probably not what was desired
8714 Instead use an `enum`:
8716     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8717     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8719     int webby = blue;   // error: be specific
8720     Web_color webby = Web_color::blue;
8722 We used an `enum class` to avoid name clashes.
8724 ##### Enforcement
8726 Flag macros that define integer values.
8729 ### <a name="Renum-set"></a>Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants
8731 ##### Reason
8733 An enumeration shows the enumerators to be related and can be a named type.
8737 ##### Example
8739     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8742 ##### Note
8744 Switching on an enumeration is common and the compiler can warn against unusual patterns of case labels. For example:
8746     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8748     void print(Product_info inf)
8749     {
8750         switch (inf) {
8751         case Product_info::red: cout << "red"; break;
8752         case Product_info::purple: cout << "purple"; break;
8753         }
8754     }
8756 Such off-by-one switch`statements are often the results of an added enumerator and insufficient testing.
8758 ##### Enforcement
8760 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover most but not all enumerators of an enumeration.
8761 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover a few enumerators of an enumeration, but has no `default`.
8764 ### <a name="Renum-class"></a>Enum.3: Prefer class enums over "plain" enums
8766 ##### Reason
8768 To minimize surprises: traditional enums convert to int too readily.
8770 ##### Example
8772     void Print_color(int color);
8774     enum Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8775     enum Product_info { Red = 0, Purple = 1, Blue = 2 };
8777     Web_color webby = Web_color::blue;
8779     // Clearly at least one of these calls is buggy.
8780     Print_color(webby);
8781     Print_color(Product_info::Blue);
8783 Instead use an `enum class`:
8785     void Print_color(int color);
8787     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8788     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8790     Web_color webby = Web_color::blue;
8791     Print_color(webby);  // Error: cannot convert Web_color to int.
8792     Print_color(Product_info::Red);  // Error: cannot convert Product_info to int.
8794 ##### Enforcement
8796 (Simple) Warn on any non-class `enum` definition.
8798 ### <a name="Renum-oper"></a>Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use
8800 ##### Reason
8802 Convenience of use and avoidance of errors.
8804 ##### Example
8806     enum Day { mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun };
8808     Day& operator++(Day& d)
8809     {
8810         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : static_cast<Day>(static_cast<int>(d)+1);
8811     }
8813     Day today = Day::sat;
8814     Day tomorrow = ++today;
8816 The use of a `static_cast` is not pretty, but
8818     Day& operator++(Day& d)
8819     {
8820         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : Day{++d};    // error
8821     }
8823 is an infinite recursion, and writing it without a cast, using a `switch` on all cases is long-winded.
8826 ##### Enforcement
8828 Flag repeated expressions cast back into an enumeration.
8831 ### <a name="Renum-caps"></a>Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators
8833 ##### Reason
8835 Avoid clashes with macros.
8837 ##### Example, bad
8839      // webcolors.h (third party header)
8840     #define RED   0xFF0000
8841     #define GREEN 0x00FF00
8842     #define BLUE  0x0000FF
8844     // productinfo.h
8845     // The following define product subtypes based on color
8847     enum class Product_info { RED, PURPLE, BLUE };   // syntax error
8849 ##### Enforcement
8851 Flag ALL_CAPS enumerators.
8853 ### <a name="Renum-unnamed"></a>Enum.6: Avoid unnamed enumerations
8855 ##### Reason
8857 If you can't name an enumeration, the values are not related
8859 ##### Example, bad
8861     enum { red = 0xFF0000, scale = 4, is_signed = 1 };
8863 Such code is not uncommon in code written before there were convenient alternative ways of specifying integer constants.
8865 ##### Alternative
8867 Use `constexpr` values instead. For example:
8869     constexpr int red = 0xFF0000;
8870     constexpr short scale = 4;
8871     constexpr bool is_signed = true;
8873 ##### Enforcement
8875 Flag unnamed enumerations.
8878 ### <a name="Renum-underlying"></a>Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary
8880 ##### Reason
8882 The default is the easiest to read and write.
8883 `int` is the default integer type.
8884 `int` is compatible with C `enum`s.
8886 ##### Example
8888     enum class Direction : char { n, s, e, w,
8889                                   ne, nw, se, sw };  // underlying type saves space
8891     enum class Web_color : int32_t { red   = 0xFF0000,
8892                                      green = 0x00FF00,
8893                                      blue  = 0x0000FF };  // underlying type is redundant
8895 ##### Note
8897 Specifying the underlying type is necessary in forward declarations of enumerations:
8899     enum Flags : char;
8901     void f(Flags);
8903     // ....
8905     enum flags : char { /* ... */ };
8908 ##### Enforcement
8910 ????
8913 ### <a name="Renum-value"></a>Enum.8: Specify enumerator values only when necessary
8915 ##### Reason
8917 It's the simplest.
8918 It avoids duplicate enumerator values.
8919 The default gives a consecutive set of values that is good for `switch`-statement implementations.
8921 ##### Example
8923     enum class Col1 { red, yellow, blue };
8924     enum class Col2 { red = 1, yellow = 2, blue = 2 }; // typo
8925     enum class Month { jan = 1, feb, mar, apr, may, jun,
8926                        jul, august, sep, oct, nov, dec }; // starting with 1 is conventional
8927     enum class Base_flag { dec = 1, oct = dec << 1, hex = dec << 2 }; // set of bits
8929 Specifying values is necessary to match conventional values (e.g., `Month`)
8930 and where consecutive values are undesirable (e.g., to get separate bits as in `Base_flag`).
8932 ##### Enforcement
8934 * Flag duplicate enumerator values
8935 * Flag explicitly specified all-consecutive enumerator values
8938 # <a name="S-resource"></a>R: Resource management
8940 This section contains rules related to resources.
8941 A resource is anything that must be acquired and (explicitly or implicitly) released, such as memory, file handles, sockets, and locks.
8942 The reason it must be released is typically that it can be in short supply, so even delayed release may do harm.
8943 The fundamental aim is to ensure that we don't leak any resources and that we don't hold a resource longer than we need to.
8944 An entity that is responsible for releasing a resource is called an owner.
8946 There are a few cases where leaks can be acceptable or even optimal:
8947 If you are writing a program that simply produces an output based on an input and the amount of memory needed is proportional to the size of the input, the optimal strategy (for performance and ease of programming) is sometimes simply never to delete anything.
8948 If you have enough memory to handle your largest input, leak away, but be sure to give a good error message if you are wrong.
8949 Here, we ignore such cases.
8951 * Resource management rule summary:
8953   * [R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)](#Rr-raii)
8954   * [R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)](#Rr-use-ptr)
8955   * [R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning](#Rr-ptr)
8956   * [R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning](#Rr-ref)
8957   * [R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily](#Rr-scoped)
8958   * [R.6: Avoid non-`const` global variables](#Rr-global)
8960 * Allocation and deallocation rule summary:
8962   * [R.10: Avoid `malloc()` and `free()`](#Rr-mallocfree)
8963   * [R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly](#Rr-newdelete)
8964   * [R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object](#Rr-immediate-alloc)
8965   * [R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement](#Rr-single-alloc)
8966   * [R.14: ??? array vs. pointer parameter](#Rr-ap)
8967   * [R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs](#Rr-pair)
8969 * <a name="Rr-summary-smartptrs"></a>Smart pointer rule summary:
8971   * [R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership](#Rr-owner)
8972   * [R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership](#Rr-unique)
8973   * [R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s](#Rr-make_shared)
8974   * [R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s](#Rr-make_unique)
8975   * [R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s](#Rr-weak_ptr)
8976   * [R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics](#Rr-smartptrparam)
8977   * [R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`](#Rr-smart)
8978   * [R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`](#Rr-uniqueptrparam)
8979   * [R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the `widget`](#Rr-reseat)
8980   * [R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner](#Rr-sharedptrparam-owner)
8981   * [R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer](#Rr-sharedptrparam)
8982   * [R.36: Take a `const shared_ptr<widget>&` parameter to express that it might retain a reference count to the object ???](#Rr-sharedptrparam-const)
8983   * [R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer](#Rr-smartptrget)
8985 ### <a name="Rr-raii"></a>R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)
8987 ##### Reason
8989 To avoid leaks and the complexity of manual resource management.
8990 C++'s language-enforced constructor/destructor symmetry mirrors the symmetry inherent in resource acquire/release function pairs such as `fopen`/`fclose`, `lock`/`unlock`, and `new`/`delete`.
8991 Whenever you deal with a resource that needs paired acquire/release function calls, encapsulate that resource in an object that enforces pairing for you -- acquire the resource in its constructor, and release it in its destructor.
8993 ##### Example, bad
8995 Consider:
8997     void send(X* x, cstring_span destination)
8998     {
8999         auto port = open_port(destination);
9000         my_mutex.lock();
9001         // ...
9002         send(port, x);
9003         // ...
9004         my_mutex.unlock();
9005         close_port(port);
9006         delete x;
9007     }
9009 In this code, you have to remember to `unlock`, `close_port`, and `delete` on all paths, and do each exactly once.
9010 Further, if any of the code marked `...` throws an exception, then `x` is leaked and `my_mutex` remains locked.
9012 ##### Example
9014 Consider:
9016     void send(unique_ptr<X> x, cstring_span destination)  // x owns the X
9017     {
9018         Port port{destination};            // port owns the PortHandle
9019         lock_guard<mutex> guard{my_mutex}; // guard owns the lock
9020         // ...
9021         send(port, x);
9022         // ...
9023     } // automatically unlocks my_mutex and deletes the pointer in x
9025 Now all resource cleanup is automatic, performed once on all paths whether or not there is an exception. As a bonus, the function now advertises that it takes over ownership of the pointer.
9027 What is `Port`? A handy wrapper that encapsulates the resource:
9029     class Port {
9030         PortHandle port;
9031     public:
9032         Port(cstring_span destination) : port{open_port(destination)} { }
9033         ~Port() { close_port(port); }
9034         operator PortHandle() { return port; }
9036         // port handles can't usually be cloned, so disable copying and assignment if necessary
9037         Port(const Port&) = delete;
9038         Port& operator=(const Port&) = delete;
9039     };
9041 ##### Note
9043 Where a resource is "ill-behaved" in that it isn't represented as a class with a destructor, wrap it in a class or use [`finally`](#Re-finally)
9045 **See also**: [RAII](#Rr-raii)
9047 ### <a name="Rr-use-ptr"></a>R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)
9049 ##### Reason
9051 Arrays are best represented by a container type (e.g., `vector` (owning)) or a `span` (non-owning).
9052 Such containers and views hold sufficient information to do range checking.
9054 ##### Example, bad
9056     void f(int* p, int n)   // n is the number of elements in p[]
9057     {
9058         // ...
9059         p[2] = 7;   // bad: subscript raw pointer
9060         // ...
9061     }
9063 The compiler does not read comments, and without reading other code you do not know whether `p` really points to `n` elements.
9064 Use a `span` instead.
9066 ##### Example
9068     void g(int* p, int fmt)   // print *p using format #fmt
9069     {
9070         // ... uses *p and p[0] only ...
9071     }
9073 ##### Exception
9075 C-style strings are passed as single pointers to a zero-terminated sequence of characters.
9076 Use `zstring` rather than `char*` to indicate that you rely on that convention.
9078 ##### Note
9080 Many current uses of pointers to a single element could be references.
9081 However, where `nullptr` is a possible value, a reference may not be a reasonable alternative.
9083 ##### Enforcement
9085 * Flag pointer arithmetic (including `++`) on a pointer that is not part of a container, view, or iterator.
9086   This rule would generate a huge number of false positives if applied to an older code base.
9087 * Flag array names passed as simple pointers
9089 ### <a name="Rr-ptr"></a>R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning
9091 ##### Reason
9093 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw pointers are non-owning.
9094 We want owning pointers identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9096 ##### Example
9098     void f()
9099     {
9100         int* p1 = new int{7};           // bad: raw owning pointer
9101         auto p2 = make_unique<int>(7);  // OK: the int is owned by a unique pointer
9102         // ...
9103     }
9105 The `unique_ptr` protects against leaks by guaranteeing the deletion of its object (even in the presence of exceptions). The `T*` does not.
9107 ##### Example
9109     template<typename T>
9110     class X {
9111         // ...
9112     public:
9113         T* p;   // bad: it is unclear whether p is owning or not
9114         T* q;   // bad: it is unclear whether q is owning or not
9115     };
9117 We can fix that problem by making ownership explicit:
9119     template<typename T>
9120     class X2 {
9121         // ...
9122     public:
9123         owner<T*> p;  // OK: p is owning
9124         T* q;         // OK: q is not owning
9125     };
9127 ##### Exception
9129 A major class of exception is legacy code, especially code that must remain compilable as C or interface with C and C-style C++ through ABIs.
9130 The fact that there are billions of lines of code that violate this rule against owning `T*`s cannot be ignored.
9131 We'd love to see program transformation tools turning 20-year-old "legacy" code into shiny modern code,
9132 we encourage the development, deployment and use of such tools,
9133 we hope the guidelines will help the development of such tools,
9134 and we even contributed (and contribute) to the research and development in this area.
9135 However, it will take time: "legacy code" is generated faster than we can renovate old code, and so it will be for a few years.
9137 This code cannot all be rewritten (ever assuming good code transformation software), especially not soon.
9138 This problem cannot be solved (at scale) by transforming all owning pointers to `unique_ptr`s and `shared_ptr`s,
9139 partly because we need/use owning "raw pointers" as well as simple pointers in the implementation of our fundamental resource handles.
9140 For example, common `vector` implementations have one owning pointer and two non-owning pointers.
9141 Many ABIs (and essentially all interfaces to C code) use `T*`s, some of them owning.
9142 Some interfaces cannot be simply annotated with `owner` because they need to remain compilable as C
9143 (although this would be a rare good use for a macro, that expands to `owner` in C++ mode only).
9145 ##### Note
9147 `owner<T*>` has no default semantics beyond `T*`. It can be used without changing any code using it and without affecting ABIs.
9148 It is simply a indicator to programmers and analysis tools.
9149 For example, if an `owner<T*>` is a member of a class, that class better have a destructor that `delete`s it.
9151 ##### Example, bad
9153 Returning a (raw) pointer imposes a lifetime management uncertainty on the caller; that is, who deletes the pointed-to object?
9155     Gadget* make_gadget(int n)
9156     {
9157         auto p = new Gadget{n};
9158         // ...
9159         return p;
9160     }
9162     void caller(int n)
9163     {
9164         auto p = make_gadget(n);   // remember to delete p
9165         // ...
9166         delete p;
9167     }
9169 In addition to suffering from the problem from [leak](#???), this adds a spurious allocation and deallocation operation, and is needlessly verbose. If Gadget is cheap to move out of a function (i.e., is small or has an efficient move operation), just return it "by value" (see ["out" return values](#Rf-out)):
9171     Gadget make_gadget(int n)
9172     {
9173         Gadget g{n};
9174         // ...
9175         return g;
9176     }
9178 ##### Note
9180 This rule applies to factory functions.
9182 ##### Note
9184 If pointer semantics are required (e.g., because the return type needs to refer to a base class of a class hierarchy (an interface)), return a "smart pointer."
9186 ##### Enforcement
9188 * (Simple) Warn on `delete` of a raw pointer that is not an `owner<T>`.
9189 * (Moderate) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner<T>` pointer on every code path.
9190 * (Simple) Warn if the return value of `new` is assigned to a raw pointer.
9191 * (Simple) Warn if a function returns an object that was allocated within the function but has a move constructor.
9192   Suggest considering returning it by value instead.
9194 ### <a name="Rr-ref"></a>R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning
9196 ##### Reason
9198 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw references are non-owning.
9199 We want owners identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9201 ##### Example
9203     void f()
9204     {
9205         int& r = *new int{7};  // bad: raw owning reference
9206         // ...
9207         delete &r;             // bad: violated the rule against deleting raw pointers
9208     }
9210 **See also**: [The raw pointer rule](#Rr-ptr)
9212 ##### Enforcement
9214 See [the raw pointer rule](#Rr-ptr)
9216 ### <a name="Rr-scoped"></a>R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily
9218 ##### Reason
9220 A scoped object is a local object, a global object, or a member.
9221 This implies that there is no separate allocation and deallocation cost in excess of that already used for the containing scope or object.
9222 The members of a scoped object are themselves scoped and the scoped object's constructor and destructor manage the members' lifetimes.
9224 ##### Example
9226 The following example is inefficient (because it has unnecessary allocation and deallocation), vulnerable to exception throws and returns in the `...` part (leading to leaks), and verbose:
9228     void f(int n)
9229     {
9230         auto p = new Gadget{n};
9231         // ...
9232         delete p;
9233     }
9235 Instead, use a local variable:
9237     void f(int n)
9238     {
9239         Gadget g{n};
9240         // ...
9241     }
9243 ##### Enforcement
9245 * (Moderate) Warn if an object is allocated and then deallocated on all paths within a function. Suggest it should be a local `auto` stack object instead.
9246 * (Simple) Warn if a local `Unique_ptr` or `Shared_ptr` is not moved, copied, reassigned or `reset` before its lifetime ends.
9248 ### <a name="Rr-global"></a>R.6: Avoid non-`const` global variables
9250 ##### Reason
9252 Global variables can be accessed from everywhere so they can introduce surprising dependencies between apparently unrelated objects.
9253 They are a notable source of errors.
9255 **Warning**: The initialization of global objects is not totally ordered.
9256 If you use a global object initialize it with a constant.
9257 Note that it is possible to get undefined initialization order even for `const` objects.
9259 ##### Exception
9261 A global object is often better than a singleton.
9263 ##### Exception
9265 An immutable (`const`) global does not introduce the problems we try to avoid by banning global objects.
9267 ##### Enforcement
9269 (??? NM: Obviously we can warn about non-`const` statics ... do we want to?)
9271 ## <a name="SS-alloc"></a>R.alloc: Allocation and deallocation
9273 ### <a name="Rr-mallocfree"></a>R.10: Avoid `malloc()` and `free()`
9275 ##### Reason
9277  `malloc()` and `free()` do not support construction and destruction, and do not mix well with `new` and `delete`.
9279 ##### Example
9281     class Record {
9282         int id;
9283         string name;
9284         // ...
9285     };
9287     void use()
9288     {
9289         // p1 may be nullptr
9290         // *p1 is not initialized; in particular,
9291         // that string isn't a string, but a string-sized bag of bits
9292         Record* p1 = static_cast<Record*>(malloc(sizeof(Record)));
9294         auto p2 = new Record;
9296         // unless an exception is thrown, *p2 is default initialized
9297         auto p3 = new(nothrow) Record;
9298         // p3 may be nullptr; if not, *p3 is default initialized
9300         // ...
9302         delete p1;    // error: cannot delete object allocated by malloc()
9303         free(p2);    // error: cannot free() object allocated by new
9304     }
9306 In some implementations that `delete` and that `free()` might work, or maybe they will cause run-time errors.
9308 ##### Exception
9310 There are applications and sections of code where exceptions are not acceptable.
9311 Some of the best such examples are in life-critical hard-real-time code.
9312 Beware that many bans on exception use are based on superstition (bad)
9313 or by concerns for older code bases with unsystematic resource management (unfortunately, but sometimes necessary).
9314 In such cases, consider the `nothrow` versions of `new`.
9316 ##### Enforcement
9318 Flag explicit use of `malloc` and `free`.
9320 ### <a name="Rr-newdelete"></a>R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly
9322 ##### Reason
9324 The pointer returned by `new` should belong to a resource handle (that can call `delete`).
9325 If the pointer returned by `new` is assigned to a plain/naked pointer, the object can be leaked.
9327 ##### Note
9329 In a large program, a naked `delete` (that is a `delete` in application code, rather than part of code devoted to resource management)
9330 is a likely bug: if you have N `delete`s, how can you be certain that you don't need N+1 or N-1?
9331 The bug may be latent: it may emerge only during maintenance.
9332 If you have a naked `new`, you probably need a naked `delete` somewhere, so you probably have a bug.
9334 ##### Enforcement
9336 (Simple) Warn on any explicit use of `new` and `delete`. Suggest using `make_unique` instead.
9338 ### <a name="Rr-immediate-alloc"></a>R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object
9340 ##### Reason
9342 If you don't, an exception or a return may lead to a leak.
9344 ##### Example, bad
9346     void f(const string& name)
9347     {
9348         FILE* f = fopen(name, "r");            // open the file
9349         vector<char> buf(1024);
9350         auto _ = finally([f] { fclose(f); });  // remember to close the file
9351         // ...
9352     }
9354 The allocation of `buf` may fail and leak the file handle.
9356 ##### Example
9358     void f(const string& name)
9359     {
9360         ifstream f{name};   // open the file
9361         vector<char> buf(1024);
9362         // ...
9363     }
9365 The use of the file handle (in `ifstream`) is simple, efficient, and safe.
9367 ##### Enforcement
9369 * Flag explicit allocations used to initialize pointers (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9371 ### <a name="Rr-single-alloc"></a>R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement
9373 ##### Reason
9375 If you perform two explicit resource allocations in one statement, you could leak resources because the order of evaluation of many subexpressions, including function arguments, is unspecified.
9377 ##### Example
9379     void fun(shared_ptr<Widget> sp1, shared_ptr<Widget> sp2);
9381 This `fun` can be called like this:
9383     // BAD: potential leak
9384     fun(shared_ptr<Widget>(new Widget(a, b)), shared_ptr<Widget>(new Widget(c, d)));
9386 This is exception-unsafe because the compiler may reorder the two expressions building the function's two arguments.
9387 In particular, the compiler can interleave execution of the two expressions:
9388 Memory allocation (by calling `operator new`) could be done first for both objects, followed by attempts to call the two `Widget` constructors.
9389 If one of the constructor calls throws an exception, then the other object's memory will never be released!
9391 This subtle problem has a simple solution: Never perform more than one explicit resource allocation in a single expression statement.
9392 For example:
9394     shared_ptr<Widget> sp1(new Widget(a, b)); // Better, but messy
9395     fun(sp1, new Widget(c, d));
9397 The best solution is to avoid explicit allocation entirely use factory functions that return owning objects:
9399     fun(make_shared<Widget>(a, b), make_shared<Widget>(c, d)); // Best
9401 Write your own factory wrapper if there is not one already.
9403 ##### Enforcement
9405 * Flag expressions with multiple explicit resource allocations (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9407 ### <a name="Rr-ap"></a>R.14: ??? array vs. pointer parameter
9409 ##### Reason
9411 An array decays to a pointer, thereby losing its size, opening the opportunity for range errors.
9413 ##### Example
9415     ??? what do we recommend: f(int*[]) or f(int**) ???
9417 **Alternative**: Use `span` to preserve size information.
9419 ##### Enforcement
9421 Flag `[]` parameters.
9423 ### <a name="Rr-pair"></a>R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs
9425 ##### Reason
9427 Otherwise you get mismatched operations and chaos.
9429 ##### Example
9431     class X {
9432         // ...
9433         void* operator new(size_t s);
9434         void operator delete(void*);
9435         // ...
9436     };
9438 ##### Note
9440 If you want memory that cannot be deallocated, `=delete` the deallocation operation.
9441 Don't leave it undeclared.
9443 ##### Enforcement
9445 Flag incomplete pairs.
9447 ## <a name="SS-smart"></a>R.smart: Smart pointers
9449 ### <a name="Rr-owner"></a>R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership
9451 ##### Reason
9453 They can prevent resource leaks.
9455 ##### Example
9457 Consider:
9459     void f()
9460     {
9461         X x;
9462         X* p1 { new X };              // see also ???
9463         unique_ptr<T> p2 { new X };   // unique ownership; see also ???
9464         shared_ptr<T> p3 { new X };   // shared ownership; see also ???
9465         auto p4 = make_unique<X>();   // unique_ownership, preferable to the explicit use "new"
9466         auto p5 = make_shared<X>();   // shared ownership, preferable to the explicit use "new"
9467     }
9469 This will leak the object used to initialize `p1` (only).
9471 ##### Enforcement
9473 (Simple) Warn if the return value of `new` or a function call with return value of pointer type is assigned to a raw pointer.
9475 ### <a name="Rr-unique"></a>R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership
9477 ##### Reason
9479 A `unique_ptr` is conceptually simpler and more predictable (you know when destruction happens) and faster (you don't implicitly maintain a use count).
9481 ##### Example, bad
9483 This needlessly adds and maintains a reference count.
9485     void f()
9486     {
9487         shared_ptr<Base> base = make_shared<Derived>();
9488         // use base locally, without copying it -- refcount never exceeds 1
9489     } // destroy base
9491 ##### Example
9493 This is more efficient:
9495     void f()
9496     {
9497         unique_ptr<Base> base = make_unique<Derived>();
9498         // use base locally
9499     } // destroy base
9501 ##### Enforcement
9503 (Simple) Warn if a function uses a `Shared_ptr` with an object allocated within the function, but never returns the `Shared_ptr` or passes it to a function requiring a `Shared_ptr&`. Suggest using `unique_ptr` instead.
9505 ### <a name="Rr-make_shared"></a>R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s
9507 ##### Reason
9509 If you first make an object and then give it to a `shared_ptr` constructor, you (most likely) do one more allocation (and later deallocation) than if you use `make_shared()` because the reference counts must be allocated separately from the object.
9511 ##### Example
9513 Consider:
9515     shared_ptr<X> p1 { new X{2} }; // bad
9516     auto p = make_shared<X>(2);    // good
9518 The `make_shared()` version mentions `X` only once, so it is usually shorter (as well as faster) than the version with the explicit `new`.
9520 ##### Enforcement
9522 (Simple) Warn if a `shared_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_shared`.
9524 ### <a name="Rr-make_unique"></a>R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s
9526 ##### Reason
9528 For convenience and consistency with `shared_ptr`.
9530 ##### Note
9532 `make_unique()` is C++14, but widely available (as well as simple to write).
9534 ##### Enforcement
9536 (Simple) Warn if a `unique_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_unique`.
9538 ### <a name="Rr-weak_ptr"></a>R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s
9540 ##### Reason
9542  `shared_ptr`'s rely on use counting and the use count for a cyclic structure never goes to zero, so we need a mechanism to
9543 be able to destroy a cyclic structure.
9545 ##### Example
9547     #include <memory>
9549     class bar;
9551     class foo
9552     {
9553     public:
9554       explicit foo(const std::shared_ptr<bar>& forward_reference)
9555         : forward_reference_(forward_reference)
9556       { }
9557     private:
9558       std::shared_ptr<bar> forward_reference_;
9559     };
9561     class bar
9562     {
9563     public:
9564       explicit bar(const std::weak_ptr<foo>& back_reference)
9565         : back_reference_(back_reference)
9566       { }
9567       void do_something()
9568       {
9569         if (auto shared_back_reference = back_reference_.lock()) {
9570           // Use *shared_back_reference
9571         }
9572       }
9573     private:
9574       std::weak_ptr<foo> back_reference_;
9575     };
9577 ##### Note
9579  ??? (HS: A lot of people say "to break cycles", while I think "temporary shared ownership" is more to the point.)
9580 ???(BS: breaking cycles is what you must do; temporarily sharing ownership is how you do it.
9581 You could "temporarily share ownership" simply by using another `shared_ptr`.)
9583 ##### Enforcement
9585 ??? probably impossible. If we could statically detect cycles, we wouldn't need `weak_ptr`
9587 ### <a name="Rr-smartptrparam"></a>R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics
9589 ##### Reason
9591 Accepting a smart pointer to a `widget` is wrong if the function just needs the `widget` itself.
9592 It should be able to accept any `widget` object, not just ones whose lifetimes are managed by a particular kind of smart pointer.
9593 A function that does not manipulate lifetime should take raw pointers or references instead.
9595 ##### Example, bad
9597     // callee
9598     void f(shared_ptr<widget>& w)
9599     {
9600         // ...
9601         use(*w); // only use of w -- the lifetime is not used at all
9602         // ...
9603     };
9605     // caller
9606     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
9607     f(my_widget);
9609     widget stack_widget;
9610     f(stack_widget); // error
9612 ##### Example, good
9614     // callee
9615     void f(widget& w)
9616     {
9617         // ...
9618         use(w);
9619         // ...
9620     };
9622     // caller
9623     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
9624     f(*my_widget);
9626     widget stack_widget;
9627     f(stack_widget); // ok -- now this works
9629 ##### Enforcement
9631 * (Simple) Warn if a function takes a parameter of a smart pointer type (that overloads `operator->` or `operator*`) that is copyable but the function only calls any of: `operator*`, `operator->` or `get()`.
9632   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
9633 * Flag a parameter of a smart pointer type (a type that overloads `operator->` or `operator*`) that is copyable/movable but never copied/moved from in the function body, and that is never modified, and that is not passed along to another function that could do so. That means the ownership semantics are not used.
9634   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
9636 ### <a name="Rr-smart"></a>R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`
9638 ##### Reason
9640 The rules in the following section also work for other kinds of third-party and custom smart pointers and are very useful for diagnosing common smart pointer errors that cause performance and correctness problems.
9641 You want the rules to work on all the smart pointers you use.
9643 Any type (including primary template or specialization) that overloads unary `*` and `->` is considered a smart pointer:
9645 * If it is copyable, it is recognized as a reference-counted `shared_ptr`.
9646 * If it is not copyable, it is recognized as a unique `unique_ptr`.
9648 ##### Example
9650     // use Boost's intrusive_ptr
9651     #include <boost/intrusive_ptr.hpp>
9652     void f(boost::intrusive_ptr<widget> p)  // error under rule 'sharedptrparam'
9653     {
9654         p->foo();
9655     }
9657     // use Microsoft's CComPtr
9658     #include <atlbase.h>
9659     void f(CComPtr<widget> p)               // error under rule 'sharedptrparam'
9660     {
9661         p->foo();
9662     }
9664 Both cases are an error under the [`sharedptrparam` guideline](#Rr-smartptrparam):
9665 `p` is a `Shared_ptr`, but nothing about its sharedness is used here and passing it by value is a silent pessimization;
9666 these functions should accept a smart pointer only if they need to participate in the widget's lifetime management. Otherwise they should accept a `widget*`, if it can be `nullptr`. Otherwise, and ideally, the function should accept a `widget&`.
9667 These smart pointers match the `Shared_ptr` concept, so these guideline enforcement rules work on them out of the box and expose this common pessimization.
9669 ### <a name="Rr-uniqueptrparam"></a>R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`
9671 ##### Reason
9673 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's ownership transfer.
9675 ##### Example
9677     void sink(unique_ptr<widget>); // takes ownership of the widget
9679     void uses(widget*);            // just uses the widget
9681 ##### Example, bad
9683     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9685 ##### Enforcement
9687 * (Simple) Warn if a function takes a `Unique_ptr<T>` parameter by lvalue reference and does not either assign to it or call `reset()` on it on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9688 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Unique_ptr<T>` parameter by reference to `const`. Suggest taking a `const T*` or `const T&` instead.
9690 ### <a name="Rr-reseat"></a>R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the`widget`
9692 ##### Reason
9694 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's reseating semantics.
9696 ##### Note
9698 "reseat" means "making a pointer or a smart pointer refer to a different object."
9700 ##### Example
9702     void reseat(unique_ptr<widget>&); // "will" or "might" reseat pointer
9704 ##### Example, bad
9706     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9708 ##### Enforcement
9710 * (Simple) Warn if a function takes a `Unique_ptr<T>` parameter by lvalue reference and does not either assign to it or call `reset()` on it on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9711 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Unique_ptr<T>` parameter by reference to `const`. Suggest taking a `const T*` or `const T&` instead.
9713 ### <a name="Rr-sharedptrparam-owner"></a>R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner
9715 ##### Reason
9717 This makes the function's ownership sharing explicit.
9719 ##### Example, good
9721     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9723     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9725     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9727 ##### Enforcement
9729 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` parameter by lvalue reference and does not either assign to it or call `reset()` on it on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9730 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_ptr` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9731 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9733 ### <a name="Rr-sharedptrparam"></a>R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer
9735 ##### Reason
9737 This makes the function's reseating explicit.
9739 ##### Note
9741 "reseat" means "making a reference or a smart pointer refer to a different object."
9743 ##### Example, good
9745     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9747     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9749     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9751 ##### Enforcement
9753 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` parameter by lvalue reference and does not either assign to it or call `reset()` on it on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9754 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_ptr` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9755 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9757 ### <a name="Rr-sharedptrparam-const"></a>R.36: Take a `const shared_ptr<widget>&` parameter to express that it might retain a reference count to the object ???
9759 ##### Reason
9761 This makes the function's ??? explicit.
9763 ##### Example, good
9765     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9767     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9769     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9771 ##### Enforcement
9773 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` parameter by lvalue reference and does not either assign to it or call `reset()` on it on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9774 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_ptr` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9775 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_ptr<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9777 ### <a name="Rr-smartptrget"></a>R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer
9779 ##### Reason
9781 Violating this rule is the number one cause of losing reference counts and finding yourself with a dangling pointer.
9782 Functions should prefer to pass raw pointers and references down call chains.
9783 At the top of the call tree where you obtain the raw pointer or reference from a smart pointer that keeps the object alive.
9784 You need to be sure that the smart pointer cannot inadvertently be reset or reassigned from within the call tree below.
9786 ##### Note
9788 To do this, sometimes you need to take a local copy of a smart pointer, which firmly keeps the object alive for the duration of the function and the call tree.
9790 ##### Example
9792 Consider this code:
9794     // global (static or heap), or aliased local ...
9795     shared_ptr<widget> g_p = ...;
9797     void f(widget& w)
9798     {
9799         g();
9800         use(w);  // A
9801     }
9803     void g()
9804     {
9805         g_p = ...; // oops, if this was the last shared_ptr to that widget, destroys the widget
9806     }
9808 The following should not pass code review:
9810     void my_code()
9811     {
9812         // BAD: passing pointer or reference obtained from a nonlocal smart pointer
9813         //      that could be inadvertently reset somewhere inside f or it callees
9814         f(*g_p);
9816         // BAD: same reason, just passing it as a "this" pointer
9817          g_p->func();
9818     }
9820 The fix is simple -- take a local copy of the pointer to "keep a ref count" for your call tree:
9822     void my_code()
9823     {
9824         // cheap: 1 increment covers this entire function and all the call trees below us
9825         auto pin = g_p;
9827         // GOOD: passing pointer or reference obtained from a local unaliased smart pointer
9828         f(*pin);
9830         // GOOD: same reason
9831         pin->func();
9832     }
9834 ##### Enforcement
9836 * (Simple) Warn if a pointer or reference obtained from a smart pointer variable (`Unique_ptr` or `Shared_ptr`) that is nonlocal, or that is local but potentially aliased, is used in a function call. If the smart pointer is a `Shared_ptr` then suggest taking a local copy of the smart pointer and obtain a pointer or reference from that instead.
9838 # <a name="S-expr"></a>ES: Expressions and statements
9840 Expressions and statements are the lowest and most direct way of expressing actions and computation. Declarations in local scopes are statements.
9842 For naming, commenting, and indentation rules, see [NL: Naming and layout](#S-naming).
9844 General rules:
9846 * [ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"](#Res-lib)
9847 * [ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features](#Res-abstr)
9849 Declaration rules:
9851 * [ES.5: Keep scopes small](#Res-scope)
9852 * [ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope](#Res-cond)
9853 * [ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and nonlocal names longer](#Res-name-length)
9854 * [ES.8: Avoid similar-looking names](#Res-name-similar)
9855 * [ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names](#Res-not-CAPS)
9856 * [ES.10: Declare one name (only) per declaration](#Res-name-one)
9857 * [ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names](#Res-auto)
9858 * [ES.12: Do not reuse names in nested scopes](#Res-reuse)
9859 * [ES.20: Always initialize an object](#Res-always)
9860 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
9861 * [ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with](#Res-init)
9862 * [ES.23: Prefer the `{}`-initializer syntax](#Res-list)
9863 * [ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers](#Res-unique)
9864 * [ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on](#Res-const)
9865 * [ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
9866 * [ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack](#Res-stack)
9867 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
9868 * [ES.30: Don't use macros for program text manipulation](#Res-macros)
9869 * [ES.31: Don't use macros for constants or "functions"](#Res-macros2)
9870 * [ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names](#Res-ALL_CAPS)
9871 * [ES.33: If you must use macros, give them unique names](#Res-MACROS)
9872 * [ES.34: Don't define a (C-style) variadic function](#Res-ellipses)
9874 Expression rules:
9876 * [ES.40: Avoid complicated expressions](#Res-complicated)
9877 * [ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize](#Res-parens)
9878 * [ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward](#Res-ptr)
9879 * [ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation](#Res-order)
9880 * [ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments](#Res-order-fct)
9881 * [ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants](#Res-magic)
9882 * [ES.46: Avoid narrowing conversions](#Res-narrowing)
9883 * [ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`](#Res-nullptr)
9884 * [ES.48: Avoid casts](#Res-casts)
9885 * [ES.49: If you must use a cast, use a named cast](#Res-casts-named)
9886 * [ES.50: Don't cast away `const`](#Res-casts-const)
9887 * [ES.55: Avoid the need for range checking](#Res-range-checking)
9888 * [ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope](#Res-move)
9889 * [ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions](#Res-new)
9890 * [ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`](#Res-del)
9891 * [ES.62: Don't compare pointers into different arrays](#Res-arr2)
9892 * [ES.63: Don't slice](#Res-slice)
9893 * [ES.64: Use the `T{e}`notation for construction](#Res-construct)
9894 * [ES.65: Don't dereference an invalid pointer](#Res-deref)
9896 Statement rules:
9898 * [ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice](#Res-switch-if)
9899 * [ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice](#Res-for-range)
9900 * [ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable](#Res-for-while)
9901 * [ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable](#Res-while-for)
9902 * [ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement](#Res-for-init)
9903 * [ES.75: Avoid `do`-statements](#Res-do)
9904 * [ES.76: Avoid `goto`](#Res-goto)
9905 * [ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops](#Res-continue)
9906 * [ES.78: Always end a non-empty `case` with a `break`](#Res-break)
9907 * [ES.79: Use `default` to handle common cases (only)](#Res-default)
9908 * [ES.84: Don't (try to) declare a local variable with no name](#Res-noname)
9909 * [ES.85: Make empty statements visible](#Res-empty)
9910 * [ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops](#Res-loop-counter)
9911 * [ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions](#Res-if)
9913 Arithmetic rules:
9915 * [ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic](#Res-mix)
9916 * [ES.101: Use unsigned types for bit manipulation](#Res-unsigned)
9917 * [ES.102: Use signed types for arithmetic](#Res-signed)
9918 * [ES.103: Don't overflow](#Res-overflow)
9919 * [ES.104: Don't underflow](#Res-underflow)
9920 * [ES.105: Don't divide by zero](#Res-zero)
9921 * [ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`](#Res-nonnegative)
9922 * [ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`](#Res-subscripts)
9924 ### <a name="Res-lib"></a>ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"
9926 ##### Reason
9928 Code using a library can be much easier to write than code working directly with language features, much shorter, tend to be of a higher level of abstraction, and the library code is presumably already tested.
9929 The ISO C++ Standard Library is among the most widely known and best tested libraries.
9930 It is available as part of all C++ Implementations.
9932 ##### Example
9934     auto sum = accumulate(begin(a), end(a), 0.0);   // good
9936 a range version of `accumulate` would be even better:
9938     auto sum = accumulate(v, 0.0); // better
9940 but don't hand-code a well-known algorithm:
9942     int max = v.size();   // bad: verbose, purpose unstated
9943     double sum = 0.0;
9944     for (int i = 0; i < max; ++i)
9945         sum = sum + v[i];
9947 ##### Exception
9949 Large parts of the standard library rely on dynamic allocation (free store). These parts, notably the containers but not the algorithms, are unsuitable for some hard-real-time and embedded applications. In such cases, consider providing/using similar facilities, e.g.,  a standard-library-style container implemented using a pool allocator.
9951 ##### Enforcement
9953 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
9955 ### <a name="Res-abstr"></a>ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features
9957 ##### Reason
9959 A "suitable abstraction" (e.g., library or class) is closer to the application concepts than the bare language, leads to shorter and clearer code, and is likely to be better tested.
9961 ##### Example
9963     vector<string> read1(istream& is)   // good
9964     {
9965         vector<string> res;
9966         for (string s; is >> s;)
9967             res.push_back(s);
9968         return res;
9969     }
9971 The more traditional and lower-level near-equivalent is longer, messier, harder to get right, and most likely slower:
9973     char** read2(istream& is, int maxelem, int maxstring, int* nread)   // bad: verbose and incomplete
9974     {
9975         auto res = new char*[maxelem];
9976         int elemcount = 0;
9977         while (is && elemcount < maxelem) {
9978             auto s = new char[maxstring];
9979             is.read(s, maxstring);
9980             res[elemcount++] = s;
9981         }
9982         nread = &elemcount;
9983         return res;
9984     }
9986 Once the checking for overflow and error handling has been added that code gets quite messy, and there is the problem remembering to `delete` the returned pointer and the C-style strings that array contains.
9988 ##### Enforcement
9990 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
9992 ## ES.dcl: Declarations
9994 A declaration is a statement. A declaration introduces a name into a scope and may cause the construction of a named object.
9996 ### <a name="Res-scope"></a>ES.5: Keep scopes small
9998 ##### Reason
10000 Readability. Minimize resource retention. Avoid accidental misuse of value.
10002 **Alternative formulation**: Don't declare a name in an unnecessarily large scope.
10004 ##### Example
10006     void use()
10007     {
10008         int i;    // bad: i is needlessly accessible after loop
10009         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
10010         // no intended use of i here
10011         for (int i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }  // good: i is local to for-loop
10013         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {  // good: pc is local to if-statement
10014             // ... deal with Circle ...
10015         }
10016         else {
10017             // ... handle error ...
10018         }
10019     }
10021 ##### Example, bad
10023     void use(const string& name)
10024     {
10025         string fn = name + ".txt";
10026         ifstream is {fn};
10027         Record r;
10028         is >> r;
10029         // ... 200 lines of code without intended use of fn or is ...
10030     }
10032 This function is by most measure too long anyway, but the point is that the resources used by `fn` and the file handle held by `is`
10033 are retained for much longer than needed and that unanticipated use of `is` and `fn` could happen later in the function.
10034 In this case, it might be a good idea to factor out the read:
10036     Record load_record(const string& name)
10037     {
10038         string fn = name + ".txt";
10039         ifstream is {fn};
10040         Record r;
10041         is >> r;
10042         return r;
10043     }
10045     void use(const string& name)
10046     {
10047         Record r = load_record(name);
10048         // ... 200 lines of code ...
10049     }
10051 ##### Enforcement
10053 * Flag loop variable declared outside a loop and not used after the loop
10054 * Flag when expensive resources, such as file handles and locks are not used for N-lines (for some suitable N)
10056 ### <a name="Res-cond"></a>ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope
10058 ##### Reason
10060 Readability. Minimize resource retention.
10062 ##### Example
10064     void use()
10065     {
10066         for (string s; cin >> s;)
10067             v.push_back(s);
10069         for (int i = 0; i < 20; ++i) {   // good: i is local to for-loop
10070             // ...
10071         }
10073         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {   // good: pc is local to if-statement
10074             // ... deal with Circle ...
10075         }
10076         else {
10077             // ... handle error ...
10078         }
10079     }
10081 ##### Enforcement
10083 * Flag loop variables declared before the loop and not used after the loop
10084 * (hard) Flag loop variables declared before the loop and used after the loop for an unrelated purpose.
10086 ##### C++17 example
10088 Note: C++17 also adds `if` and `switch` initializer statements. These require C++17 support.
10090     map<int, string> mymap;
10092     if (auto result = mymap.insert(value); result.second) {
10093         // insert succeeded, and result is valid for this block
10094         use(result.first);  // ok
10095         // ...
10096     } // result is destroyed here
10098 ##### C++17 enforcement (if using a C++17 compiler)
10100 * Flag selection/loop variables declared before the body and not used after the body
10101 * (hard) Flag selection/loop variables declared before the body and used after the body for an unrelated purpose.
10105 ### <a name="Res-name-length"></a>ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and nonlocal names longer
10107 ##### Reason
10109 Readability. Lowering the chance of clashes between unrelated non-local names.
10111 ##### Example
10113 Conventional short, local names increase readability:
10115     template<typename T>    // good
10116     void print(ostream& os, const vector<T>& v)
10117     {
10118         for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)
10119             os << v[i] << '\n';
10120     }
10122 An index is conventionally called `i` and there is no hint about the meaning of the vector in this generic function, so `v` is as good name as any. Compare
10124     template<typename Element_type>   // bad: verbose, hard to read
10125     void print(ostream& target_stream, const vector<Element_type>& current_vector)
10126     {
10127         for (gsl::index current_element_index = 0;
10128              current_element_index < current_vector.size();
10129              ++current_element_index
10130         )
10131         target_stream << current_vector[current_element_index] << '\n';
10132     }
10134 Yes, it is a caricature, but we have seen worse.
10136 ##### Example
10138 Unconventional and short non-local names obscure code:
10140     void use1(const string& s)
10141     {
10142         // ...
10143         tt(s);   // bad: what is tt()?
10144         // ...
10145     }
10147 Better, give non-local entities readable names:
10149     void use1(const string& s)
10150     {
10151         // ...
10152         trim_tail(s);   // better
10153         // ...
10154     }
10156 Here, there is a chance that the reader knows what `trim_tail` means and that the reader can remember it after looking it up.
10158 ##### Example, bad
10160 Argument names of large functions are de facto non-local and should be meaningful:
10162     void complicated_algorithm(vector<Record>& vr, const vector<int>& vi, map<string, int>& out)
10163     // read from events in vr (marking used Records) for the indices in
10164     // vi placing (name, index) pairs into out
10165     {
10166         // ... 500 lines of code using vr, vi, and out ...
10167     }
10169 We recommend keeping functions short, but that rule isn't universally adhered to and naming should reflect that.
10171 ##### Enforcement
10173 Check length of local and non-local names. Also take function length into account.
10175 ### <a name="Res-name-similar"></a>ES.8: Avoid similar-looking names
10177 ##### Reason
10179 Code clarity and readability. Too-similar names slow down comprehension and increase the likelihood of error.
10181 ##### Example; bad
10183     if (readable(i1 + l1 + ol + o1 + o0 + ol + o1 + I0 + l0)) surprise();
10185 ##### Example; bad
10187 Do not declare a non-type with the same name as a type in the same scope. This removes the need to disambiguate with a keyword such as `struct` or `enum`. It also removes a source of errors, as `struct X` can implicitly declare `X` if lookup fails.
10189     struct foo { int n; };
10190     struct foo foo();       // BAD, foo is a type already in scope
10191     struct foo x = foo();   // requires disambiguation
10193 ##### Exception
10195 Antique header files might declare non-types and types with the same name in the same scope.
10197 ##### Enforcement
10199 * Check names against a list of known confusing letter and digit combinations.
10200 * Flag a declaration of a variable, function, or enumerator that hides a class or enumeration declared in the same scope.
10202 ### <a name="Res-not-CAPS"></a>ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names
10204 ##### Reason
10206 Such names are commonly used for macros. Thus, `ALL_CAPS` name are vulnerable to unintended macro substitution.
10208 ##### Example
10210     // somewhere in some header:
10211     #define NE !=
10213     // somewhere else in some other header:
10214     enum Coord { N, NE, NW, S, SE, SW, E, W };
10216     // somewhere third in some poor programmer's .cpp:
10217     switch (direction) {
10218     case N:
10219         // ...
10220     case NE:
10221         // ...
10222     // ...
10223     }
10225 ##### Note
10227 Do not use `ALL_CAPS` for constants just because constants used to be macros.
10229 ##### Enforcement
10231 Flag all uses of ALL CAPS. For older code, accept ALL CAPS for macro names and flag all non-ALL-CAPS macro names.
10233 ### <a name="Res-name-one"></a>ES.10: Declare one name (only) per declaration
10235 ##### Reason
10237 One-declaration-per line increases readability and avoids mistakes related to
10238 the C/C++ grammar. It also leaves room for a more descriptive end-of-line
10239 comment.
10241 ##### Example, bad
10243     char *p, c, a[7], *pp[7], **aa[10];   // yuck!
10245 ##### Exception
10247 A function declaration can contain several function argument declarations.
10249 ##### Exception
10251 A structured binding (C++17) is specifically designed to introduce several variables:
10253     auto [iter, inserted] = m.insert_or_assign(k, val);
10254     if (inserted) { /* new entry was inserted */ }
10256 ##### Example
10258     template <class InputIterator, class Predicate>
10259     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10261 or better using concepts:
10263     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10265 ##### Example
10267     double scalbn(double x, int n);   // OK: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10271     double scalbn(    // better: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10272         double x,     // base value
10273         int n         // exponent
10274     );
10278     // better: base * pow(FLT_RADIX, exponent); FLT_RADIX is usually 2
10279     double scalbn(double base, int exponent);
10281 ##### Example
10283     int a = 7, b = 9, c, d = 10, e = 3;
10285 In a long list of declarators is is easy to overlook an uninitialized variable.
10287 ##### Enforcement
10289 Flag variable and constant declarations with multiple declarators (e.g., `int* p, q;`)
10291 ### <a name="Res-auto"></a>ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names
10293 ##### Reason
10295 * Simple repetition is tedious and error-prone.
10296 * When you use `auto`, the name of the declared entity is in a fixed position in the declaration, increasing readability.
10297 * In a template function declaration the return type can be a member type.
10299 ##### Example
10301 Consider:
10303     auto p = v.begin();   // vector<int>::iterator
10304     auto h = t.future();
10305     auto q = make_unique<int[]>(s);
10306     auto f = [](int x){ return x + 10; };
10308 In each case, we save writing a longish, hard-to-remember type that the compiler already knows but a programmer could get wrong.
10310 ##### Example
10312     template<class T>
10313     auto Container<T>::first() -> Iterator;   // Container<T>::Iterator
10315 ##### Exception
10317 Avoid `auto` for initializer lists and in cases where you know exactly which type you want and where an initializer might require conversion.
10319 ##### Example
10321     auto lst = { 1, 2, 3 };   // lst is an initializer list
10322     auto x{1};   // x is an int (in C++17; initializer_list in C++11)
10324 ##### Note
10326 When concepts become available, we can (and should) be more specific about the type we are deducing:
10328     // ...
10329     ForwardIterator p = algo(x, y, z);
10331 ##### Example (C++17)
10333     auto [ quotient, remainder ] = div(123456, 73);   // break out the members of the div_t result
10335 ##### Enforcement
10337 Flag redundant repetition of type names in a declaration.
10339 ### <a name="Res-reuse"></a>ES.12: Do not reuse names in nested scopes
10341 ##### Reason
10343 It is easy to get confused about which variable is used.
10344 Can cause maintenance problems.
10346 ##### Example, bad
10348     int d = 0;
10349     // ...
10350     if (cond) {
10351         // ...
10352         d = 9;
10353         // ...
10354     }
10355     else {
10356         // ...
10357         int d = 7;
10358         // ...
10359         d = value_to_be_returned;
10360         // ...
10361     }
10363     return d;
10365 If this is a large `if`-statement, it is easy to overlook that a new `d` has been introduced in the inner scope.
10366 This is a known source of bugs.
10367 Sometimes such reuse of a name in an inner scope is called "shadowing".
10369 ##### Note
10371 Shadowing is primarily a problem when functions are too large and too complex.
10373 ##### Example
10375 Shadowing of function arguments in the outermost block is disallowed by the language:
10377     void f(int x)
10378     {
10379         int x = 4;  // error: reuse of function argument name
10381         if (x) {
10382             int x = 7;  // allowed, but bad
10383             // ...
10384         }
10385     }
10387 ##### Example, bad
10389 Reuse of a member name as a local variable can also be a problem:
10391     struct S {
10392         int m;
10393         void f(int x);
10394     };
10396     void S::f(int x)
10397     {
10398         m = 7;    // assign to member
10399         if (x) {
10400             int m = 9;
10401             // ...
10402             m = 99; // assign to member
10403             // ...
10404         }
10405     }
10407 ##### Exception
10409 We often reuse function names from a base class in a derived class:
10411     struct B {
10412         void f(int);
10413     };
10415     struct D : B {
10416         void f(double);
10417         using B::f;
10418     };
10420 This is error-prone.
10421 For example, had we forgotten the using declaration, a call `d.f(1)` would not have found the `int` version of `f`.
10423 ??? Do we need a specific rule about shadowing/hiding in class hierarchies?
10425 ##### Enforcement
10427 * Flag reuse of a name in nested local scopes
10428 * Flag reuse of a member name as a local variable in a member function
10429 * Flag reuse of a global name as a local variable or a member name
10430 * Flag reuse of a base class member name in a derived class (except for function names)
10432 ### <a name="Res-always"></a>ES.20: Always initialize an object
10434 ##### Reason
10436 Avoid used-before-set errors and their associated undefined behavior.
10437 Avoid problems with comprehension of complex initialization.
10438 Simplify refactoring.
10440 ##### Example
10442     void use(int arg)
10443     {
10444         int i;   // bad: uninitialized variable
10445         // ...
10446         i = 7;   // initialize i
10447     }
10449 No, `i = 7` does not initialize `i`; it assigns to it. Also, `i` can be read in the `...` part. Better:
10451     void use(int arg)   // OK
10452     {
10453         int i = 7;   // OK: initialized
10454         string s;    // OK: default initialized
10455         // ...
10456     }
10458 ##### Note
10460 The *always initialize* rule is deliberately stronger than the *an object must be set before used* language rule.
10461 The latter, more relaxed rule, catches the technical bugs, but:
10463 * It leads to less readable code
10464 * It encourages people to declare names in greater than necessary scopes
10465 * It leads to harder to read code
10466 * It leads to logic bugs by encouraging complex code
10467 * It hampers refactoring
10469 The *always initialize* rule is a style rule aimed to improve maintainability as well as a rule protecting against used-before-set errors.
10471 ##### Example
10473 Here is an example that is often considered to demonstrate the need for a more relaxed rule for initialization
10475     widget i;    // "widget" a type that's expensive to initialize, possibly a large POD
10476     widget j;
10478     if (cond) {  // bad: i and j are initialized "late"
10479         i = f1();
10480         j = f2();
10481     }
10482     else {
10483         i = f3();
10484         j = f4();
10485     }
10487 This cannot trivially be rewritten to initialize `i` and `j` with initializers.
10488 Note that for types with a default constructor, attempting to postpone initialization simply leads to a default initialization followed by an assignment.
10489 A popular reason for such examples is "efficiency", but a compiler that can detect whether we made a used-before-set error can also eliminate any redundant double initialization.
10491 Assuming that there is a logical connection between `i` and `j`, that connection should probably be expressed in code:
10493     pair<widget, widget> make_related_widgets(bool x)
10494     {
10495         return (x) ? {f1(), f2()} : {f3(), f4() };
10496     }
10498     auto [i, j] = make_related_widgets(cond);    // C++17
10500 ##### Note
10502 Complex initialization has been popular with clever programmers for decades.
10503 It has also been a major source of errors and complexity.
10504 Many such errors are introduced during maintenance years after the initial implementation.
10506 ##### Example
10508 This rule covers member variables.
10510     class X {
10511     public:
10512         X(int i, int ci) : m2{i}, cm2{ci} {}
10513         // ...
10515     private:
10516         int m1 = 7;
10517         int m2;
10518         int m3;
10520         const int cm1 = 7;
10521         const int cm2;
10522         const int cm3;
10523     };
10525 The compiler will flag the uninitialized `cm3` because it is a `const`, but it will not catch the lack of initialization of `m3`.
10526 Usually, a rare spurious member initialization is worth the absence of errors from lack of initialization and often an optimizer
10527 can eliminate a redundant initialization (e.g., an initialization that occurs immediately before an assignment).
10529 ##### Exception
10531 If you are declaring an object that is just about to be initialized from input, initializing it would cause a double initialization.
10532 However, beware that this may leave uninitialized data beyond the input -- and that has been a fertile source of errors and security breaches:
10534     constexpr int max = 8 * 1024;
10535     int buf[max];         // OK, but suspicious: uninitialized
10536     f.read(buf, max);
10538 The cost of initializing that array could be significant in some situations.
10539 However, such examples do tend to leave uninitialized variables accessible, so they should be treated with suspicion.
10541     constexpr int max = 8 * 1024;
10542     int buf[max] = {};   // zero all elements; better in some situations
10543     f.read(buf, max);
10545 When feasible use a library function that is known not to overflow. For example:
10547     string s;   // s is default initialized to ""
10548     cin >> s;   // s expands to hold the string
10550 Don't consider simple variables that are targets for input operations exceptions to this rule:
10552     int i;   // bad
10553     // ...
10554     cin >> i;
10556 In the not uncommon case where the input target and the input operation get separated (as they should not) the possibility of used-before-set opens up.
10558     int i2 = 0;   // better, assuming that zero is an acceptable value for i2
10559     // ...
10560     cin >> i2;
10562 A good optimizer should know about input operations and eliminate the redundant operation.
10564 ##### Example
10566 Using a value representing "uninitialized" is a symptom of a problem and not a solution:
10568     widget i = uninit;  // bad
10569     widget j = uninit;
10571     // ...
10572     use(i);         // possibly used before set
10573     // ...
10575     if (cond) {     // bad: i and j are initialized "late"
10576         i = f1();
10577         j = f2();
10578     }
10579     else {
10580         i = f3();
10581         j = f4();
10582     }
10584 Now the compiler cannot even simply detect a used-before-set. Further, we've introduced complexity in the state space for widget: which operations are valid on an `uninit` widget and which are not?
10586 ##### Note
10588 Sometimes, a lambda can be used as an initializer to avoid an uninitialized variable:
10590     error_code ec;
10591     Value v = [&] {
10592         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10593         ec = p.first;
10594         return p.second;
10595     }();
10597 or maybe:
10599     Value v = [] {
10600         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10601         if (p.first) throw Bad_value{p.first};
10602         return p.second;
10603     }();
10605 **See also**: [ES.28](#Res-lambda-init)
10607 ##### Enforcement
10609 * Flag every uninitialized variable.
10610   Don't flag variables of user-defined types with default constructors.
10611 * Check that an uninitialized buffer is written into *immediately* after declaration.
10612   Passing an uninitialized variable as a reference to non-`const` argument can be assumed to be a write into the variable.
10614 ### <a name="Res-introduce"></a>ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it
10616 ##### Reason
10618 Readability. To limit the scope in which the variable can be used.
10620 ##### Example
10622     int x = 7;
10623     // ... no use of x here ...
10624     ++x;
10626 ##### Enforcement
10628 Flag declarations that are distant from their first use.
10630 ### <a name="Res-init"></a>ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with
10632 ##### Reason
10634 Readability. Limit the scope in which a variable can be used. Don't risk used-before-set. Initialization is often more efficient than assignment.
10636 ##### Example, bad
10638     string s;
10639     // ... no use of s here ...
10640     s = "what a waste";
10642 ##### Example, bad
10644     SomeLargeType var;   // ugly CaMeLcAsEvArIaBlE
10646     if (cond)   // some non-trivial condition
10647         Set(&var);
10648     else if (cond2 || !cond3) {
10649         var = Set2(3.14);
10650     }
10651     else {
10652         var = 0;
10653         for (auto& e : something)
10654             var += e;
10655     }
10657     // use var; that this isn't done too early can be enforced statically with only control flow
10659 This would be fine if there was a default initialization for `SomeLargeType` that wasn't too expensive.
10660 Otherwise, a programmer might very well wonder if every possible path through the maze of conditions has been covered.
10661 If not, we have a "use before set" bug. This is a maintenance trap.
10663 For initializers of moderate complexity, including for `const` variables, consider using a lambda to express the initializer; see [ES.28](#Res-lambda-init).
10665 ##### Enforcement
10667 * Flag declarations with default initialization that are assigned to before they are first read.
10668 * Flag any complicated computation after an uninitialized variable and before its use.
10670 ### <a name="Res-list"></a>ES.23: Prefer the `{}` initializer syntax
10672 ##### Reason
10674 The rules for `{}` initialization are simpler, more general, less ambiguous, and safer than for other forms of initialization.
10676 ##### Example
10678     int x {f(99)};
10679     vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
10681 ##### Exception
10683 For containers, there is a tradition for using `{...}` for a list of elements and `(...)` for sizes:
10685     vector<int> v1(10);    // vector of 10 elements with the default value 0
10686     vector<int> v2 {10};   // vector of 1 element with the value 10
10688 ##### Note
10690 `{}`-initializers do not allow narrowing conversions (and that is usually a good thing).
10692 ##### Example
10694     int x {7.9};   // error: narrowing
10695     int y = 7.9;   // OK: y becomes 7. Hope for a compiler warning
10696     int z = gsl::narrow_cast<int>(7.9);  // OK: you asked for it
10698 ##### Note
10700 `{}` initialization can be used for all initialization; other forms of initialization can't:
10702     auto p = new vector<int> {1, 2, 3, 4, 5};   // initialized vector
10703     D::D(int a, int b) :m{a, b} {   // member initializer (e.g., m might be a pair)
10704         // ...
10705     };
10706     X var {};   // initialize var to be empty
10707     struct S {
10708         int m {7};   // default initializer for a member
10709         // ...
10710     };
10712 For that reason, `{}`-initialization is often called "uniform initialization"
10713 (though there unfortunately are a few irregularities left).
10715 ##### Note
10717 Initialization of a variable declared using `auto` with a single value, e.g., `{v}`, had surprising results until C++17.
10718 The C++17 rules are somewhat less surprising:
10720     auto x1 {7};        // x1 is an int with the value 7
10721     auto x2 = {7};  // x2 is an initializer_list<int> with an element 7
10723     auto x11 {7, 8};    // error: two initializers
10724     auto x22 = {7, 8};  // x22 is an initializer_list<int> with elements 7 and 8
10726 Use `={...}` if you really want an `initializer_list<T>`
10728     auto fib10 = {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55};   // fib10 is a list
10730 ##### Note
10732 `={}` gives copy initialization whereas `{}` gives direct initialization.
10733 Like the distinction between copy-initialization and direct-initialization itself, this can lead to surprises.
10734 `{}` accepts `explicit` constructors; `={}` does not`. For example:
10736     struct Z { explicit Z() {} };
10738     Z z1{};     // OK: direct initialization, so we use explicit constructor
10739     Z z2 = {};  // error: copy initialization, so we cannot use the explicit constructor
10741 Use plain `{}`-initialization unless you specifically wants to disable explicit constructors.
10743 ##### Note
10745 Old habits die hard, so this rule is hard to apply consistently, especially as there are so many cases where `=` is innocent.
10747 ##### Example
10749     template<typename T>
10750     void f()
10751     {
10752         T x1(1);    // T initialized with 1
10753         T x0();     // bad: function declaration (often a mistake)
10755         T y1 {1};   // T initialized with 1
10756         T y0 {};    // default initialized T
10757         // ...
10758     }
10760 **See also**: [Discussion](#???)
10762 ##### Enforcement
10764 Tricky.
10766 * Don't flag uses of `=` for simple initializers.
10767 * Look for `=` after `auto` has been seen.
10769 ### <a name="Res-unique"></a>ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers
10771 ##### Reason
10773 Using `std::unique_ptr` is the simplest way to avoid leaks. It is reliable, it
10774 makes the type system do much of the work to validate ownership safety, it
10775 increases readability, and it has zero or near zero run-time cost.
10777 ##### Example
10779     void use(bool leak)
10780     {
10781         auto p1 = make_unique<int>(7);   // OK
10782         int* p2 = new int{7};            // bad: might leak
10783         // ... no assignment to p2 ...
10784         if (leak) return;
10785         // ... no assignment to p2 ...
10786         vector<int> v(7);
10787         v.at(7) = 0;                    // exception thrown
10788         // ...
10789     }
10791 If `leak == true` the object pointed to by `p2` is leaked and the object pointed to by `p1` is not.
10792 The same is the case when `at()` throws.
10794 ##### Enforcement
10796 Look for raw pointers that are targets of `new`, `malloc()`, or functions that may return such pointers.
10798 ### <a name="Res-const"></a>ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on
10800 ##### Reason
10802 That way you can't change the value by mistake. That way may offer the compiler optimization opportunities.
10804 ##### Example
10806     void f(int n)
10807     {
10808         const int bufmax = 2 * n + 2;  // good: we can't change bufmax by accident
10809         int xmax = n;                  // suspicious: is xmax intended to change?
10810         // ...
10811     }
10813 ##### Enforcement
10815 Look to see if a variable is actually mutated, and flag it if
10816 not. Unfortunately, it may be impossible to detect when a non-`const` was not
10817 *intended* to vary (vs when it merely did not vary).
10819 ### <a name="Res-recycle"></a>ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes
10821 ##### Reason
10823 Readability and safety.
10825 ##### Example, bad
10827     void use()
10828     {
10829         int i;
10830         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
10831         for (i = 0; i < 200; ++i) { /* ... */ } // bad: i recycled
10832     }
10834 ##### Note
10836 As an optimization, you may want to reuse a buffer as a scratch pad, but even then prefer to limit the variable's scope as much as possible and be careful not to cause bugs from data left in a recycled buffer as this is a common source of security bugs.
10838     void write_to_file() {
10839         std::string buffer;             // to avoid reallocations on every loop iteration
10840         for (auto& o : objects)
10841         {
10842             // First part of the work.
10843             generate_first_String(buffer, o);
10844             write_to_file(buffer);
10846             // Second part of the work.
10847             generate_second_string(buffer, o);
10848             write_to_file(buffer);
10850             // etc...
10851         }
10852     }
10854 ##### Enforcement
10856 Flag recycled variables.
10858 ### <a name="Res-stack"></a>ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack
10860 ##### Reason
10862 They are readable and don't implicitly convert to pointers.
10863 They are not confused with non-standard extensions of built-in arrays.
10865 ##### Example, bad
10867     const int n = 7;
10868     int m = 9;
10870     void f()
10871     {
10872         int a1[n];
10873         int a2[m];   // error: not ISO C++
10874         // ...
10875     }
10877 ##### Note
10879 The definition of `a1` is legal C++ and has always been.
10880 There is a lot of such code.
10881 It is error-prone, though, especially when the bound is non-local.
10882 Also, it is a "popular" source of errors (buffer overflow, pointers from array decay, etc.).
10883 The definition of `a2` is C but not C++ and is considered a security risk
10885 ##### Example
10887     const int n = 7;
10888     int m = 9;
10890     void f()
10891     {
10892         array<int, n> a1;
10893         stack_array<int> a2(m);
10894         // ...
10895     }
10897 ##### Enforcement
10899 * Flag arrays with non-constant bounds (C-style VLAs)
10900 * Flag arrays with non-local constant bounds
10902 ### <a name="Res-lambda-init"></a>ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables
10904 ##### Reason
10906 It nicely encapsulates local initialization, including cleaning up scratch variables needed only for the initialization, without needing to create a needless nonlocal yet nonreusable function. It also works for variables that should be `const` but only after some initialization work.
10908 ##### Example, bad
10910     widget x;   // should be const, but:
10911     for (auto i = 2; i <= N; ++i) {          // this could be some
10912         x += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
10913     }                                        // needed to initialize x
10914     // from here, x should be const, but we can't say so in code in this style
10916 ##### Example, good
10918     const widget x = [&]{
10919         widget val;                                // assume that widget has a default constructor
10920         for (auto i = 2; i <= N; ++i) {            // this could be some
10921             val += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
10922         }                                          // needed to initialize x
10923         return val;
10924     }();
10926 ##### Example
10928     string var = [&]{
10929         if (!in) return "";   // default
10930         string s;
10931         for (char c : in >> c)
10932             s += toupper(c);
10933         return s;
10934     }(); // note ()
10936 If at all possible, reduce the conditions to a simple set of alternatives (e.g., an `enum`) and don't mix up selection and initialization.
10938 ##### Enforcement
10940 Hard. At best a heuristic. Look for an uninitialized variable followed by a loop assigning to it.
10942 ### <a name="Res-macros"></a>ES.30: Don't use macros for program text manipulation
10944 ##### Reason
10946 Macros are a major source of bugs.
10947 Macros don't obey the usual scope and type rules.
10948 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
10949 Macros complicate tool building.
10951 ##### Example, bad
10953     #define Case break; case   /* BAD */
10955 This innocuous-looking macro makes a single lower case `c` instead of a `C` into a bad flow-control bug.
10957 ##### Note
10959 This rule does not ban the use of macros for "configuration control" use in `#ifdef`s, etc.
10961 In the future, modules are likely to eliminate the need for macros in configuration control.
10963 ##### Note
10965 This rule is meant to also discourage use of `#` for stringification and `##` for concatenation.
10966 As usual for macros, there are uses that are "mostly harmless", but even these can create problems for tools,
10967 such as auto completers, static analyzers, and debuggers.
10968 Often the desire to use fancy macros is a sign of an overly complex design.
10969 Also, `#` and `##` encourages the definition and use of macros:
10971     #define CAT(a, b) a ## b
10972     #define STRINGIFY(a) #a
10974     void f(int x, int y)
10975     {
10976         string CAT(x, y) = "asdf";   // BAD: hard for tools to handle (and ugly)
10977         string sx2 = STRINGIFY(x);
10978         // ...
10979     }
10981 There are workarounds for low-level string manipulation using macros. For example:
10983     string s = "asdf" "lkjh";   // ordinary string literal concatenation
10985     enum E { a, b };
10987     template<int x>
10988     constexpr const char* stringify()
10989     {
10990         switch (x) {
10991         case a: return "a";
10992         case b: return "b";
10993         }
10994     }
10996     void f(int x, int y)
10997     {
10998         string sx = stringify<x>();
10999         // ...
11000     }
11002 This is not as convenient as a macro to define, but as easy to use, has zero overhead, and is typed and scoped.
11004 In the future, static reflection is likely to eliminate the last needs for the preprocessor for program text manipulation.
11006 ##### Enforcement
11008 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
11010 ### <a name="Res-macros2"></a>ES.31: Don't use macros for constants or "functions"
11012 ##### Reason
11014 Macros are a major source of bugs.
11015 Macros don't obey the usual scope and type rules.
11016 Macros don't obey the usual rules for argument passing.
11017 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
11018 Macros complicate tool building.
11020 ##### Example, bad
11022     #define PI 3.14
11023     #define SQUARE(a, b) (a * b)
11025 Even if we hadn't left a well-known bug in `SQUARE` there are much better behaved alternatives; for example:
11027     constexpr double pi = 3.14;
11028     template<typename T> T square(T a, T b) { return a * b; }
11030 ##### Enforcement
11032 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
11034 ### <a name="Res-ALL_CAPS"></a>ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names
11036 ##### Reason
11038 Convention. Readability. Distinguishing macros.
11040 ##### Example
11042     #define forever for (;;)   /* very BAD */
11044     #define FOREVER for (;;)   /* Still evil, but at least visible to humans */
11046 ##### Enforcement
11048 Scream when you see a lower case macro.
11050 ### <a name="Res-MACROS"></a>ES.33: If you must use macros, give them unique names
11052 ##### Reason
11054 Macros do not obey scope rules.
11056 ##### Example
11058     #define MYCHAR        /* BAD, will eventually clash with someone else's MYCHAR*/
11060     #define ZCORP_CHAR    /* Still evil, but less likely to clash */
11062 ##### Note
11064 Avoid macros if you can: [ES.30](#Res-macros), [ES.31](#Res-macros2), and [ES.32](#Res-ALL_CAPS).
11065 However, there are billions of lines of code littered with macros and a long tradition for using and overusing macros.
11066 If you are forced to use macros, use long names and supposedly unique prefixes (e.g., your organization's name) to lower the likelihood of a clash.
11068 ##### Enforcement
11070 Warn against short macro names.
11072 ### <a name="Res-ellipses"></a> ES.34: Don't define a (C-style) variadic function
11074 ##### Reason
11076 Not type safe.
11077 Requires messy cast-and-macro-laden code to get working right.
11079 ##### Example
11081     #include <cstdarg>
11083     // "severity" followed by a zero-terminated list of char*s; write the C-style strings to cerr
11084     void error(int severity ...)
11085     {
11086         va_list ap;             // a magic type for holding arguments
11087         va_start(ap, severity); // arg startup: "severity" is the first argument of error()
11089         for (;;) {
11090             // treat the next var as a char*; no checking: a cast in disguise
11091             char* p = va_arg(ap, char*);
11092             if (!p) break;
11093             cerr << p << ' ';
11094         }
11096         va_end(ap);             // arg cleanup (don't forget this)
11098         cerr << '\n';
11099         if (severity) exit(severity);
11100     }
11102     void use()
11103     {
11104         error(7, "this", "is", "an", "error", nullptr);
11105         error(7); // crash
11106         error(7, "this", "is", "an", "error");  // crash
11107         const char* is = "is";
11108         string an = "an";
11109         error(7, "this", "is", an, "error"); // crash
11110     }
11112 **Alternative**: Overloading. Templates. Variadic templates.
11113     #include <iostream>
11115     void error(int severity)
11116     {
11117         std::cerr << '\n';
11118         std::exit(severity);
11119     }
11121     template <typename T, typename... Ts>
11122     constexpr void error(int severity, T head, Ts... tail)
11123     {
11124         std::cerr << head;
11125         error(severity, tail...);
11126     }
11128     void use()
11129     {
11130         error(7); // No crash!
11131         error(5, "this", "is", "not", "an", "error"); // No crash!
11133         std::string an = "an";
11134         error(7, "this", "is", "not", an, "error"); // No crash!
11136         error(5, "oh", "no", nullptr); // Compile error! No need for nullptr.
11137     }
11140 ##### Note
11142 This is basically the way `printf` is implemented.
11144 ##### Enforcement
11146 * Flag definitions of C-style variadic functions.
11147 * Flag `#include <cstdarg>` and `#include <stdarg.h>`
11150 ## ES.expr: Expressions
11152 Expressions manipulate values.
11154 ### <a name="Res-complicated"></a>ES.40: Avoid complicated expressions
11156 ##### Reason
11158 Complicated expressions are error-prone.
11160 ##### Example
11162     // bad: assignment hidden in subexpression
11163     while ((c = getc()) != -1)
11165     // bad: two non-local variables assigned in a sub-expressions
11166     while ((cin >> c1, cin >> c2), c1 == c2)
11168     // better, but possibly still too complicated
11169     for (char c1, c2; cin >> c1 >> c2 && c1 == c2;)
11171     // OK: if i and j are not aliased
11172     int x = ++i + ++j;
11174     // OK: if i != j and i != k
11175     v[i] = v[j] + v[k];
11177     // bad: multiple assignments "hidden" in subexpressions
11178     x = a + (b = f()) + (c = g()) * 7;
11180     // bad: relies on commonly misunderstood precedence rules
11181     x = a & b + c * d && e ^ f == 7;
11183     // bad: undefined behavior
11184     x = x++ + x++ + ++x;
11186 Some of these expressions are unconditionally bad (e.g., they rely on undefined behavior). Others are simply so complicated and/or unusual that even good programmers could misunderstand them or overlook a problem when in a hurry.
11188 ##### Note
11190 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation
11191 (left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified; [see ES.43](#Res-order)),
11192 but that doesn't change the fact that complicated expressions are potentially confusing.
11194 ##### Note
11196 A programmer should know and use the basic rules for expressions.
11198 ##### Example
11200     x = k * y + z;             // OK
11202     auto t1 = k * y;           // bad: unnecessarily verbose
11203     x = t1 + z;
11205     if (0 <= x && x < max)   // OK
11207     auto t1 = 0 <= x;        // bad: unnecessarily verbose
11208     auto t2 = x < max;
11209     if (t1 && t2)            // ...
11211 ##### Enforcement
11213 Tricky. How complicated must an expression be to be considered complicated? Writing computations as statements with one operation each is also confusing. Things to consider:
11215 * side effects: side effects on multiple non-local variables (for some definition of non-local) can be suspect, especially if the side effects are in separate subexpressions
11216 * writes to aliased variables
11217 * more than N operators (and what should N be?)
11218 * reliance of subtle precedence rules
11219 * uses undefined behavior (can we catch all undefined behavior?)
11220 * implementation defined behavior?
11221 * ???
11223 ### <a name="Res-parens"></a>ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize
11225 ##### Reason
11227 Avoid errors. Readability. Not everyone has the operator table memorized.
11229 ##### Example
11231     const unsigned int flag = 2;
11232     unsigned int a = flag;
11234     if (a & flag != 0)  // bad: means a&(flag != 0)
11236 Note: We recommend that programmers know their precedence table for the arithmetic operations, the logical operations, but consider mixing bitwise logical operations with other operators in need of parentheses.
11238     if ((a & flag) != 0)  // OK: works as intended
11240 ##### Note
11242 You should know enough not to need parentheses for:
11244     if (a < 0 || a <= max) {
11245         // ...
11246     }
11248 ##### Enforcement
11250 * Flag combinations of bitwise-logical operators and other operators.
11251 * Flag assignment operators not as the leftmost operator.
11252 * ???
11254 ### <a name="Res-ptr"></a>ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward
11256 ##### Reason
11258 Complicated pointer manipulation is a major source of errors.
11260 ##### Note
11262 Use `gsl::span` instead.
11263 Pointers should [only refer to single objects](#Ri-array).
11264 Pointer arithmetic is fragile and easy to get wrong, the source of many, many bad bugs and security violations.
11265 `span` is a bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11266 Access into an array with known bounds using a constant as a subscript can be validated by the compiler.
11268 ##### Example, bad
11270     void f(int* p, int count)
11271     {
11272         if (count < 2) return;
11274         int* q = p + 1;    // BAD
11276         ptrdiff_t d;
11277         int n;
11278         d = (p - &n);      // OK
11279         d = (q - p);       // OK
11281         int n = *p++;      // BAD
11283         if (count < 6) return;
11285         p[4] = 1;          // BAD
11287         p[count - 1] = 2;  // BAD
11289         use(&p[0], 3);     // BAD
11290     }
11292 ##### Example, good
11294     void f(span<int> a) // BETTER: use span in the function declaration
11295     {
11296         if (a.size() < 2) return;
11298         int n = a[0];      // OK
11300         span<int> q = a.subspan(1); // OK
11302         if (a.size() < 6) return;
11304         a[4] = 1;          // OK
11306         a[a.size() - 1] = 2;  // OK
11308         use(a.data(), 3);  // OK
11309     }
11311 ##### Note
11313 Subscripting with a variable is difficult for both tools and humans to validate as safe.
11314 `span` is a run-time bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11315 `at()` is another alternative that ensures single accesses are bounds-checked.
11316 If iterators are needed to access an array, use the iterators from a `span` constructed over the array.
11318 ##### Example, bad
11320     void f(array<int, 10> a, int pos)
11321     {
11322         a[pos / 2] = 1; // BAD
11323         a[pos - 1] = 2; // BAD
11324         a[-1] = 3;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11325         a[10] = 4;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11326     }
11328 ##### Example, good
11330 Use a `span`:
11332     void f1(span<int, 10> a, int pos) // A1: Change parameter type to use span
11333     {
11334         a[pos / 2] = 1; // OK
11335         a[pos - 1] = 2; // OK
11336     }
11338     void f2(array<int, 10> arr, int pos) // A2: Add local span and use that
11339     {
11340         span<int> a = {arr, pos};
11341         a[pos / 2] = 1; // OK
11342         a[pos - 1] = 2; // OK
11343     }
11345 Use a `at()`:
11347     void f3(array<int, 10> a, int pos) // ALTERNATIVE B: Use at() for access
11348     {
11349         at(a, pos / 2) = 1; // OK
11350         at(a, pos - 1) = 2; // OK
11351     }
11353 ##### Example, bad
11355     void f()
11356     {
11357         int arr[COUNT];
11358         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11359             arr[i] = i; // BAD, cannot use non-constant indexer
11360     }
11362 ##### Example, good
11364 Use a `span`:
11366     void f1()
11367     {
11368         int arr[COUNT];
11369         span<int> av = arr;
11370         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11371             av[i] = i;
11372     }
11374 Use a `span` and range-`for`:
11376     void f1a()
11377     {
11378          int arr[COUNT];
11379          span<int, COUNT> av = arr;
11380          int i = 0;
11381          for (auto& e : av)
11382              e = i++;
11383     }
11385 Use `at()` for access:
11387     void f2()
11388     {
11389         int arr[COUNT];
11390         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11391             at(arr, i) = i;
11392     }
11394 Use a range-`for`:
11396     void f3()
11397     {
11398         int arr[COUNT];
11399         for (auto& e : arr)
11400              e = i++;
11401     }
11403 ##### Note
11405 Tooling can offer rewrites of array accesses that involve dynamic index expressions to use `at()` instead:
11407     static int a[10];
11409     void f(int i, int j)
11410     {
11411         a[i + j] = 12;      // BAD, could be rewritten as ...
11412         at(a, i + j) = 12;  // OK -- bounds-checked
11413     }
11415 ##### Example
11417 Turning an array into a pointer (as the language does essentially always) removes opportunities for checking, so avoid it
11419     void g(int* p);
11421     void f()
11422     {
11423         int a[5];
11424         g(a);        // BAD: are we trying to pass an array?
11425         g(&a[0]);    // OK: passing one object
11426     }
11428 If you want to pass an array, say so:
11430     void g(int* p, size_t length);  // old (dangerous) code
11432     void g1(span<int> av); // BETTER: get g() changed.
11434     void f2()
11435     {
11436         int a[5];
11437         span<int> av = a;
11439         g(av.data(), av.size());   // OK, if you have no choice
11440         g1(a);                     // OK -- no decay here, instead use implicit span ctor
11441     }
11443 ##### Enforcement
11445 * Flag any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
11446 * Flag any indexing expression on an expression or variable of array type (either static array or `std::array`) where the indexer is not a compile-time constant expression with a value between `0` or and the upper bound of the array.
11447 * Flag any expression that would rely on implicit conversion of an array type to a pointer type.
11449 This rule is part of the [bounds-safety profile](#SS-bounds).
11452 ### <a name="Res-order"></a>ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation
11454 ##### Reason
11456 You have no idea what such code does. Portability.
11457 Even if it does something sensible for you, it may do something different on another compiler (e.g., the next release of your compiler) or with a different optimizer setting.
11459 ##### Note
11461 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation:
11462 left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified.
11464 However, remember that your code may be compiled with a pre-C++17 compiler (e.g., through cut-and-paste) so don't be too clever.
11466 ##### Example
11468     v[i] = ++i;   //  the result is undefined
11470 A good rule of thumb is that you should not read a value twice in an expression where you write to it.
11472 ##### Enforcement
11474 Can be detected by a good analyzer.
11476 ### <a name="Res-order-fct"></a>ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments
11478 ##### Reason
11480 Because that order is unspecified.
11482 ##### Note
11484 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation, but the order of evaluation of function arguments is still unspecified.
11486 ##### Example
11488     int i = 0;
11489     f(++i, ++i);
11491 The call will most likely be `f(0, 1)` or `f(1, 0)`, but you don't know which.
11492 Technically, the behavior is undefined.
11493 In C++17, this code does not have undefined behavior, but it is still not specified which argument is evaluated first.
11495 ##### Example
11497 Overloaded operators can lead to order of evaluation problems:
11499     f1()->m(f2());          // m(f1(), f2())
11500     cout << f1() << f2();   // operator<<(operator<<(cout, f1()), f2())
11502 In C++17, these examples work as expected (left to right) and assignments are evaluated right to left (just as ='s binding is right-to-left)
11504     f1() = f2();    // undefined behavior in C++14; in C++17, f2() is evaluated before f1()
11506 ##### Enforcement
11508 Can be detected by a good analyzer.
11510 ### <a name="Res-magic"></a>ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants
11512 ##### Reason
11514 Unnamed constants embedded in expressions are easily overlooked and often hard to understand:
11516 ##### Example
11518     for (int m = 1; m <= 12; ++m)   // don't: magic constant 12
11519         cout << month[m] << '\n';
11521 No, we don't all know that there are 12 months, numbered 1..12, in a year. Better:
11523     // months are indexed 1..12
11524     constexpr int first_month = 1;
11525     constexpr int last_month = 12;
11527     for (int m = first_month; m <= last_month; ++m)   // better
11528         cout << month[m] << '\n';
11530 Better still, don't expose constants:
11532     for (auto m : month)
11533         cout << m << '\n';
11535 ##### Enforcement
11537 Flag literals in code. Give a pass to `0`, `1`, `nullptr`, `\n`, `""`, and others on a positive list.
11539 ### <a name="Res-narrowing"></a>ES.46: Avoid lossy (narrowing, truncating) arithmetic conversions
11541 ##### Reason
11543 A narrowing conversion destroys information, often unexpectedly so.
11545 ##### Example, bad
11547 A key example is basic narrowing:
11549     double d = 7.9;
11550     int i = d;    // bad: narrowing: i becomes 7
11551     i = (int) d;  // bad: we're going to claim this is still not explicit enough
11553     void f(int x, long y, double d)
11554     {
11555         char c1 = x;   // bad: narrowing
11556         char c2 = y;   // bad: narrowing
11557         char c3 = d;   // bad: narrowing
11558     }
11560 ##### Note
11562 The guidelines support library offers a `narrow_cast` operation for specifying that narrowing is acceptable and a `narrow` ("narrow if") that throws an exception if a narrowing would throw away information:
11564     i = narrow_cast<int>(d);   // OK (you asked for it): narrowing: i becomes 7
11565     i = narrow<int>(d);        // OK: throws narrowing_error
11567 We also include lossy arithmetic casts, such as from a negative floating point type to an unsigned integral type:
11569     double d = -7.9;
11570     unsigned u = 0;
11572     u = d;                          // BAD
11573     u = narrow_cast<unsigned>(d);   // OK (you asked for it): u becomes 0
11574     u = narrow<unsigned>(d);        // OK: throws narrowing_error
11576 ##### Enforcement
11578 A good analyzer can detect all narrowing conversions. However, flagging all narrowing conversions will lead to a lot of false positives. Suggestions:
11580 * flag all floating-point to integer conversions (maybe only `float`->`char` and `double`->`int`. Here be dragons! we need data)
11581 * flag all `long`->`char` (I suspect `int`->`char` is very common. Here be dragons! we need data)
11582 * consider narrowing conversions for function arguments especially suspect
11584 ### <a name="Res-nullptr"></a>ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`
11586 ##### Reason
11588 Readability. Minimize surprises: `nullptr` cannot be confused with an
11589 `int`. `nullptr` also has a well-specified (very restrictive) type, and thus
11590 works in more scenarios where type deduction might do the wrong thing on `NULL`
11591 or `0`.
11593 ##### Example
11595 Consider:
11597     void f(int);
11598     void f(char*);
11599     f(0);         // call f(int)
11600     f(nullptr);   // call f(char*)
11602 ##### Enforcement
11604 Flag uses of `0` and `NULL` for pointers. The transformation may be helped by simple program transformation.
11606 ### <a name="Res-casts"></a>ES.48: Avoid casts
11608 ##### Reason
11610 Casts are a well-known source of errors. Make some optimizations unreliable.
11612 ##### Example, bad
11614     double d = 2;
11615     auto p = (long*)&d;
11616     auto q = (long long*)&d;
11617     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11619 What would you think this fragment prints? The result is at best implementation defined. I got
11621     2 0 4611686018427387904
11623 Adding
11625     *q = 666;
11626     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11628 I got
11630     3.29048e-321 666 666
11632 Surprised? I'm just glad I didn't crash the program.
11634 ##### Note
11636 Programmers who write casts typically assume that they know what they are doing,
11637 or that writing a cast makes the program "easier to read".
11638 In fact, they often disable the general rules for using values.
11639 Overload resolution and template instantiation usually pick the right function if there is a right function to pick.
11640 If there is not, maybe there ought to be, rather than applying a local fix (cast).
11642 ##### Note
11644 Casts are necessary in a systems programming language.  For example, how else
11645 would we get the address of a device register into a pointer?  However, casts
11646 are seriously overused as well as a major source of errors.
11648 ##### Note
11650 If you feel the need for a lot of casts, there may be a fundamental design problem.
11652 ##### Exception
11654 Casting to `(void)` is the Standard-sanctioned way to turn off `[[nodiscard]]` warnings. If you are calling a function with a `[[nodiscard]]` return and you deliberately want to discard the result, first think hard about whether that is really a good idea (there is usually a good reason the author of the function or of the return type used `[[nodiscard]]` in the first place), but if you still think it's appropriate and your code reviewer agrees, write `(void)` to turn off the warning.
11656 ##### Alternatives
11658 Casts are widely (mis) used. Modern C++ has rules and constructs that eliminate the need for casts in many contexts, such as
11660 * Use templates
11661 * Use `std::variant`
11662 * Rely on the well-defined, safe, implicit conversions between pointer types
11664 ##### Enforcement
11666 * Force the elimination of C-style casts, except on a function with a `[[nodiscard]]` return
11667 * Warn if there are many functional style casts (there is an obvious problem in quantifying 'many')
11668 * The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast`.
11669 * Warn against [identity casts](#Pro-type-identitycast) between pointer types, where the source and target types are the same (#Pro-type-identitycast)
11670 * Warn if a pointer cast could be [implicit](#Pro-type-implicitpointercast)
11672 ### <a name="Res-casts-named"></a>ES.49: If you must use a cast, use a named cast
11674 ##### Reason
11676 Readability. Error avoidance.
11677 Named casts are more specific than a C-style or functional cast, allowing the compiler to catch some errors.
11679 The named casts are:
11681 * `static_cast`
11682 * `const_cast`
11683 * `reinterpret_cast`
11684 * `dynamic_cast`
11685 * `std::move`         // `move(x)` is an rvalue reference to `x`
11686 * `std::forward`      // `forward(x)` is an rvalue reference to `x`
11687 * `gsl::narrow_cast`  // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
11688 * `gsl::narrow`       // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` or it throws `narrowing_error`
11690 ##### Example
11692     class B { /* ... */ };
11693     class D { /* ... */ };
11695     template<typename D> D* upcast(B* pb)
11696     {
11697         D* pd0 = pb;                        // error: no implicit conversion from B* to D*
11698         D* pd1 = (D*)pb;                    // legal, but what is done?
11699         D* pd2 = static_cast<D*>(pb);       // error: D is not derived from B
11700         D* pd3 = reinterpret_cast<D*>(pb);  // OK: on your head be it!
11701         D* pd4 = dynamic_cast<D*>(pb);      // OK: return nullptr
11702         // ...
11703     }
11705 The example was synthesized from real-world bugs where `D` used to be derived from `B`, but someone refactored the hierarchy.
11706 The C-style cast is dangerous because it can do any kind of conversion, depriving us of any protection from mistakes (now or in the future).
11708 ##### Note
11710 When converting between types with no information loss (e.g. from `float` to
11711 `double` or `int64` from `int32`), brace initialization may be used instead.
11713     double d {some_float};
11714     int64_t i {some_int32};
11716 This makes it clear that the type conversion was intended and also prevents
11717 conversions between types that might result in loss of precision. (It is a
11718 compilation error to try to initialize a `float` from a `double` in this fashion,
11719 for example.)
11721 ##### Note
11723 `reinterpret_cast` can be essential, but the essential uses (e.g., turning a machine address into pointer) are not type safe:
11725     auto p = reinterpret_cast<Device_register>(0x800);  // inherently dangerous
11728 ##### Enforcement
11730 * Flag C-style and functional casts.
11731 * The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast`.
11732 * The [type profile](#Pro-type-arithmeticcast) warns when using `static_cast` between arithmetic types.
11734 ### <a name="Res-casts-const"></a>ES.50: Don't cast away `const`
11736 ##### Reason
11738 It makes a lie out of `const`.
11739 If the variable is actually declared `const`, the result of "casting away `const`" is undefined behavior.
11741 ##### Example, bad
11743     void f(const int& i)
11744     {
11745         const_cast<int&>(i) = 42;   // BAD
11746     }
11748     static int i = 0;
11749     static const int j = 0;
11751     f(i); // silent side effect
11752     f(j); // undefined behavior
11754 ##### Example
11756 Sometimes, you may be tempted to resort to `const_cast` to avoid code duplication, such as when two accessor functions that differ only in `const`-ness have similar implementations. For example:
11758     class Bar;
11760     class Foo {
11761     public:
11762         // BAD, duplicates logic
11763         Bar& get_bar() {
11764             /* complex logic around getting a non-const reference to my_bar */
11765         }
11767         const Bar& get_bar() const {
11768             /* same complex logic around getting a const reference to my_bar */
11769         }
11770     private:
11771         Bar my_bar;
11772     };
11774 Instead, prefer to share implementations. Normally, you can just have the non-`const` function call the `const` function. However, when there is complex logic this can lead to the following pattern that still resorts to a `const_cast`:
11776     class Foo {
11777     public:
11778         // not great, non-const calls const version but resorts to const_cast
11779         Bar& get_bar() {
11780             return const_cast<Bar&>(static_cast<const Foo&>(*this).get_bar());
11781         }
11782         const Bar& get_bar() const {
11783             /* the complex logic around getting a const reference to my_bar */
11784         }
11785     private:
11786         Bar my_bar;
11787     };
11789 Although this pattern is safe when applied correctly, because the caller must have had a non-`const` object to begin with, it's not ideal because the safety is hard to enforce automatically as a checker rule.
11791 Instead, prefer to put the common code in a common helper function -- and make it a template so that it deduces `const`. This doesn't use any `const_cast` at all:
11793     class Foo {
11794     public:                         // good
11795               Bar& get_bar()       { return get_bar_impl(*this); }
11796         const Bar& get_bar() const { return get_bar_impl(*this); }
11797     private:
11798         Bar my_bar;
11800         template<class T>           // good, deduces whether T is const or non-const
11801         static auto get_bar_impl(T& t) -> decltype(t.get_bar())
11802             { /* the complex logic around getting a possibly-const reference to my_bar */ }
11803     };
11805 ##### Exception
11807 You may need to cast away `const` when calling `const`-incorrect functions.
11808 Prefer to wrap such functions in inline `const`-correct wrappers to encapsulate the cast in one place.
11810 ##### Example
11812 Sometimes, "cast away `const`" is to allow the updating of some transient information of an otherwise immutable object.
11813 Examples are caching, memoization, and precomputation.
11814 Such examples are often handled as well or better using `mutable` or an indirection than with a `const_cast`.
11816 Consider keeping previously computed results around for a costly operation:
11818     int compute(int x); // compute a value for x; assume this to be costly
11820     class Cache {   // some type implementing a cache for an int->int operation
11821     public:
11822         pair<bool, int> find(int x) const;   // is there a value for x?
11823         void set(int x, int v);             // make y the value for x
11824         // ...
11825     private:
11826         // ...
11827     };
11829     class X {
11830     public:
11831         int get_val(int x)
11832         {
11833             auto p = cache.find(x);
11834             if (p.first) return p.second;
11835             int val = compute(x);
11836             cache.set(x, val); // insert value for x
11837             return val;
11838         }
11839         // ...
11840     private:
11841         Cache cache;
11842     };
11844 Here, `get_val()` is logically constant, so we would like to make it a `const` member.
11845 To do this we still need to mutate `cache`, so people sometimes resort to a `const_cast`:
11847     class X {   // Suspicious solution based on casting
11848     public:
11849         int get_val(int x) const
11850         {
11851             auto p = cache.find(x);
11852             if (p.first) return p.second;
11853             int val = compute(x);
11854             const_cast<Cache&>(cache).set(x, val);   // ugly
11855             return val;
11856         }
11857         // ...
11858     private:
11859         Cache cache;
11860     };
11862 Fortunately, there is a better solution:
11863 State that `cache` is mutable even for a `const` object:
11865     class X {   // better solution
11866     public:
11867         int get_val(int x) const
11868         {
11869             auto p = cache.find(x);
11870             if (p.first) return p.second;
11871             int val = compute(x);
11872             cache.set(x, val);
11873             return val;
11874         }
11875         // ...
11876     private:
11877         mutable Cache cache;
11878     };
11880 An alternative solution would to store a pointer to the `cache`:
11882     class X {   // OK, but slightly messier solution
11883     public:
11884         int get_val(int x) const
11885         {
11886             auto p = cache->find(x);
11887             if (p.first) return p.second;
11888             int val = compute(x);
11889             cache->set(x, val);
11890             return val;
11891         }
11892         // ...
11893     private:
11894         unique_ptr<Cache> cache;
11895     };
11897 That solution is the most flexible, but requires explicit construction and destruction of `*cache`
11898 (most likely in the constructor and destructor of `X`).
11900 In any variant, we must guard against data races on the `cache` in multi-threaded code, possibly using a `std::mutex`.
11902 ##### Enforcement
11904 * Flag `const_cast`s.
11905 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-constcast) for the related Profile.
11907 ### <a name="Res-range-checking"></a>ES.55: Avoid the need for range checking
11909 ##### Reason
11911 Constructs that cannot overflow do not overflow (and usually run faster):
11913 ##### Example
11915     for (auto& x : v)      // print all elements of v
11916         cout << x << '\n';
11918     auto p = find(v, x);   // find x in v
11920 ##### Enforcement
11922 Look for explicit range checks and heuristically suggest alternatives.
11924 ### <a name="Res-move"></a>ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope
11926 ##### Reason
11928 We move, rather than copy, to avoid duplication and for improved performance.
11930 A move typically leaves behind an empty object ([C.64](#Rc-move-semantic)), which can be surprising or even dangerous, so we try to avoid moving from lvalues (they might be accessed later).
11932 ##### Notes
11934 Moving is done implicitly when the source is an rvalue (e.g., value in a `return` treatment or a function result), so don't pointlessly complicate code in those cases by writing `move` explicitly. Instead, write short functions that return values, and both the function's return and the caller's accepting of the return will be optimized naturally.
11936 In general, following the guidelines in this document (including not making variables' scopes needlessly large, writing short functions that return values, returning local variables) help eliminate most need for explicit `std::move`.
11938 Explicit `move` is needed to explicitly move an object to another scope, notably to pass it to a "sink" function and in the implementations of the move operations themselves (move constructor, move assignment operator) and swap operations.
11940 ##### Example, bad
11942     void sink(X&& x);   // sink takes ownership of x
11944     void user()
11945     {
11946         X x;
11947         // error: cannot bind an lvalue to a rvalue reference
11948         sink(x);
11949         // OK: sink takes the contents of x, x must now be assumed to be empty
11950         sink(std::move(x));
11952         // ...
11954         // probably a mistake
11955         use(x);
11956     }
11958 Usually, a `std::move()` is used as an argument to a `&&` parameter.
11959 And after you do that, assume the object has been moved from (see [C.64](#Rc-move-semantic)) and don't read its state again until you first set it to a new value.
11961     void f() {
11962         string s1 = "supercalifragilisticexpialidocious";
11964         string s2 = s1;             // ok, takes a copy
11965         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");  // ok
11967         // bad, if you want to keep using s1's value
11968         string s3 = move(s1);
11970         // bad, assert will likely fail, s1 likely changed
11971         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");
11972     }
11974 ##### Example
11976     void sink(unique_ptr<widget> p);  // pass ownership of p to sink()
11978     void f() {
11979         auto w = make_unique<widget>();
11980         // ...
11981         sink(std::move(w));               // ok, give to sink()
11982         // ...
11983         sink(w);    // Error: unique_ptr is carefully designed so that you cannot copy it
11984     }
11986 ##### Notes
11988 `std::move()` is a cast to `&&` in disguise; it doesn't itself move anything, but marks a named object as a candidate that can be moved from.
11989 The language already knows the common cases where objects can be moved from, especially when returning values from functions, so don't complicate code with redundant `std::move()`'s.
11991 Never write `std::move()` just because you've heard "it's more efficient."
11992 In general, don't believe claims of "efficiency" without data (???).
11993 In general, don't complicate your code without reason (??)
11995 ##### Example, bad
11997     vector<int> make_vector() {
11998         vector<int> result;
11999         // ... load result with data
12000         return std::move(result);       // bad; just write "return result;"
12001     }
12003 Never write `return move(local_variable);`, because the language already knows the variable is a move candidate.
12004 Writing `move` in this code won't help, and can actually be detrimental because on some compilers it interferes with RVO (the return value optimization) by creating an additional reference alias to the local variable.
12007 ##### Example, bad
12009     vector<int> v = std::move(make_vector());   // bad; the std::move is entirely redundant
12011 Never write `move` on a returned value such as `x = move(f());` where `f` returns by value.
12012 The language already knows that a returned value is a temporary object that can be moved from.
12014 ##### Example
12016     void mover(X&& x) {
12017         call_something(std::move(x));         // ok
12018         call_something(std::forward<X>(x));   // bad, don't std::forward an rvalue reference
12019         call_something(x);                    // suspicious, why not std::move?
12020     }
12022     template<class T>
12023     void forwarder(T&& t) {
12024         call_something(std::move(t));         // bad, don't std::move a forwarding reference
12025         call_something(std::forward<T>(t));   // ok
12026         call_something(t);                    // suspicious, why not std::forward?
12027     }
12029 ##### Enforcement
12031 * Flag use of `std::move(x)` where `x` is an rvalue or the language will already treat it as an rvalue, including `return std::move(local_variable);` and `std::move(f())` on a function that returns by value.
12032 * Flag functions taking an `S&&` parameter if there is no `const S&` overload to take care of lvalues.
12033 * Flag a `std::move`s argument passed to a parameter, except when the parameter type is one of the following: an `X&&` rvalue reference; a `T&&` forwarding reference where `T` is a template parameter type; or by value and the type is move-only.
12034 * Flag when `std::move` is applied to a forwarding reference (`T&&` where `T` is a template parameter type). Use `std::forward` instead.
12035 * Flag when `std::move` is applied to other than an rvalue reference. (More general case of the previous rule to cover the non-forwarding cases.)
12036 * Flag when `std::forward` is applied to an rvalue reference (`X&&` where `X` is a concrete type). Use `std::move` instead.
12037 * Flag when `std::forward` is applied to other than a forwarding reference. (More general case of the previous rule to cover the non-moving cases.)
12038 * Flag when an object is potentially moved from and the next operation is a `const` operation; there should first be an intervening non-`const` operation, ideally assignment, to first reset the object's value.
12040 ### <a name="Res-new"></a>ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions
12042 ##### Reason
12044 Direct resource management in application code is error-prone and tedious.
12046 ##### Note
12048 also known as "No naked `new`!"
12050 ##### Example, bad
12052     void f(int n)
12053     {
12054         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12055         // ...
12056         delete[] p;
12057     }
12059 There can be code in the `...` part that causes the `delete` never to happen.
12061 **See also**: [R: Resource management](#S-resource)
12063 ##### Enforcement
12065 Flag naked `new`s and naked `delete`s.
12067 ### <a name="Res-del"></a>ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`
12069 ##### Reason
12071 That's what the language requires and mistakes can lead to resource release errors and/or memory corruption.
12073 ##### Example, bad
12075     void f(int n)
12076     {
12077         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12078         // ...
12079         delete p;   // error: just delete the object p, rather than delete the array p[]
12080     }
12082 ##### Note
12084 This example not only violates the [no naked `new` rule](#Res-new) as in the previous example, it has many more problems.
12086 ##### Enforcement
12088 * if the `new` and the `delete` is in the same scope, mistakes can be flagged.
12089 * if the `new` and the `delete` are in a constructor/destructor pair, mistakes can be flagged.
12091 ### <a name="Res-arr2"></a>ES.62: Don't compare pointers into different arrays
12093 ##### Reason
12095 The result of doing so is undefined.
12097 ##### Example, bad
12099     void f(int n)
12100     {
12101         int a1[7];
12102         int a2[9];
12103         if (&a1[5] < &a2[7]) {}       // bad: undefined
12104         if (0 < &a1[5] - &a2[7]) {}   // bad: undefined
12105     }
12107 ##### Note
12109 This example has many more problems.
12111 ##### Enforcement
12115 ### <a name="Res-slice"></a>ES.63: Don't slice
12117 ##### Reason
12119 Slicing -- that is, copying only part of an object using assignment or initialization -- most often leads to errors because
12120 the object was meant to be considered as a whole.
12121 In the rare cases where the slicing was deliberate the code can be surprising.
12123 ##### Example
12125     class Shape { /* ... */ };
12126     class Circle : public Shape { /* ... */ Point c; int r; };
12128     Circle c {{0, 0}, 42};
12129     Shape s {c};    // copy Shape part of Circle
12131 The result will be meaningless because the center and radius will not be copied from `c` into `s`.
12132 The first defense against this is to [define the base class `Shape` not to allow this](#Rc-copy-virtual).
12134 ##### Alternative
12136 If you mean to slice, define an explicit operation to do so.
12137 This saves readers from confusion.
12138 For example:
12140     class Smiley : public Circle {
12141         public:
12142         Circle copy_circle();
12143         // ...
12144     };
12146     Smiley sm { /* ... */ };
12147     Circle c1 {sm};  // ideally prevented by the definition of Circle
12148     Circle c2 {sm.copy_circle()};
12150 ##### Enforcement
12152 Warn against slicing.
12154 ### <a name="Res-construct"></a>ES.64: Use the `T{e}`notation for construction
12156 ##### Reason
12158 The `T{e}` construction syntax makes it explicit that construction is desired.
12159 The `T{e}` construction syntax doesn't allow narrowing.
12160 `T{e}` is the only safe and general expression for constructing a value of type `T` from an expression `e`.
12161 The casts notations `T(e)` and `(T)e` are neither safe nor general.
12163 ##### Example
12165 For built-in types, the construction notation protects against narrowing and reinterpretation
12167     void use(char ch, int i, double d, char* p, long long lng)
12168     {
12169         int x1 = int{ch};     // OK, but redundant
12170         int x2 = int{d};      // error: double->int narrowing; use a cast if you need to
12171         int x3 = int{p};      // error: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12172         int x4 = int{lng};    // error: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12174         int y1 = int(ch);     // OK, but redundant
12175         int y2 = int(d);      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12176         int y3 = int(p);      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12177         int y4 = int(lng);    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12179         int z1 = (int)ch;     // OK, but redundant
12180         int z2 = (int)d;      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12181         int z3 = (int)p;      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12182         int z4 = (int)lng;    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12183     }
12185 The integer to/from pointer conversions are implementation defined when using the `T(e)` or `(T)e` notations, and non-portable
12186 between platforms with different integer and pointer sizes.
12188 ##### Note
12190 [Avoid casts](#Res-casts) (explicit type conversion) and if you must [prefer named casts](#Res-casts-named).
12192 ##### Note
12194 When unambiguous, the `T` can be left out of `T{e}`.
12196     complex<double> f(complex<double>);
12198     auto z = f({2*pi, 1});
12200 ##### Note
12202 The construction notation is the most general [initializer notation](#Res-list).
12204 ##### Exception
12206 `std::vector` and other containers were defined before we had `{}` as a notation for construction.
12207 Consider:
12209     vector<string> vs {10};                           // ten empty strings
12210     vector<int> vi1 {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};  // ten elements 1..10
12211     vector<int> vi2 {10};                             // one element with the value 10
12213 How do we get a `vector` of 10 default initialized `int`s?
12215     vector<int> v3(10); // ten elements with value 0
12217 The use of `()` rather than `{}` for number of elements is conventional (going back to the early 1980s), hard to change, but still
12218 a design error: for a container where the element type can be confused with the number of elements, we have an ambiguity that
12219 must be resolved.
12220 The conventional resolution is to interpret `{10}` as a list of one element and use `(10)` to distinguish a size.
12222 This mistake need not be repeated in new code.
12223 We can define a type to represent the number of elements:
12225     struct Count { int n; };
12227     template<typename T>
12228     class Vector {
12229     public:
12230         Vector(Count n);                     // n default-initialized elements
12231         Vector(initializer_list<T> init);    // init.size() elements
12232         // ...
12233     };
12235     Vector<int> v1{10};
12236     Vector<int> v2{Count{10}};
12237     Vector<Count> v3{Count{10}};    // yes, there is still a very minor problem
12239 The main problem left is to find a suitable name for `Count`.
12241 ##### Enforcement
12243 Flag the C-style `(T)e` and functional-style `T(e)` casts.
12246 ### <a name="Res-deref"></a>ES.65: Don't dereference an invalid pointer
12248 ##### Reason
12250 Dereferencing an invalid pointer, such as `nullptr`, is undefined behavior, typically leading to immediate crashes,
12251 wrong results, or memory corruption.
12253 ##### Note
12255 This rule is an obvious and well-known language rule, but can be hard to follow.
12256 It takes good coding style, library support, and static analysis to eliminate violations without major overhead.
12257 This is a major part of the discussion of [C++'s resource- and type-safety model](#Stroustrup15).
12259 **See also**:
12261 * Use [RAII](#Rr-raii) to avoid lifetime problems.
12262 * Use [unique_ptr](#Rf-unique_ptr) to avoid lifetime problems.
12263 * Use [shared_ptr](#Rf-shared_ptr) to avoid lifetime problems.
12264 * Use [references](#Rf-ptr-ref) when `nullptr` isn't a possibility.
12265 * Use [not_null](#Rf-not_null) to catch unexpected `nullptr` early.
12266 * Use the [bounds profile](#SS-bounds) to avoid range errors.
12269 ##### Example
12271     void f()
12272     {
12273         int x = 0;
12274         int* p = &x;
12276         if (condition()) {
12277             int y = 0;
12278             p = &y;
12279         } // invalidates p
12281         *p = 42;            // BAD, p might be invalid if the branch was taken
12282     }
12284 To resolve the problem, either extend the lifetime of the object the pointer is intended to refer to, or shorten the lifetime of the pointer (move the dereference to before the pointed-to object's lifetime ends).
12286     void f1()
12287     {
12288         int x = 0;
12289         int* p = &x;
12291         int y = 0;
12292         if (condition()) {
12293             p = &y;
12294         }
12296         *p = 42;            // OK, p points to x or y and both are still in scope
12297     }
12299 Unfortunately, most invalid pointer problems are harder to spot and harder to fix.
12301 ##### Example
12303     void f(int* p)
12304     {
12305         int x = *p; // BAD: how do we know that p is valid?
12306     }
12308 There is a huge amount of such code.
12309 Most works -- after lots of testing -- but in isolation it is impossible to tell whether `p` could be the `nullptr`.
12310 Consequently, this is also a major source of errors.
12311 There are many approaches to dealing with this potential problem:
12313     void f1(int* p) // deal with nullptr
12314     {
12315         if (!p) {
12316             // deal with nullptr (allocate, return, throw, make p point to something, whatever
12317         }
12318         int x = *p;
12319     }
12321 There are two potential problems with testing for `nullptr`:
12323 * it is not always obvious what to do what to do if we find `nullptr`
12324 * the test can be redundant and/or relatively expensive
12325 * it is not obvious if the test is to protect against a violation or part of the required logic.
12328     void f2(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12329     {
12330         assert(p);
12331         int x = *p;
12332     }
12334 This would carry a cost only when the assertion checking was enabled and would give a compiler/analyzer useful information.
12335 This would work even better if/when C++ gets direct support for contracts:
12337     void f3(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12338         [[expects: p]]
12339     {
12340         int x = *p;
12341     }
12343 Alternatively, we could use `gsl::not_null` to ensure that `p` is not the `nullptr`.
12345     void f(not_null<int*> p)
12346     {
12347         int x = *p;
12348     }
12350 These remedies take care of `nullptr` only.
12351 Remember that there are other ways of getting an invalid pointer.
12353 ##### Example
12355     void f(int* p)  // old code, doesn't use owner
12356     {
12357         delete p;
12358     }
12360     void g()        // old code: uses naked new
12361     {
12362         auto q = new int{7};
12363         f(q);
12364         int x = *q; // BAD: dereferences invalid pointer
12365     }
12367 ##### Example
12369     void f()
12370     {
12371         vector<int> v(10);
12372         int* p = &v[5];
12373         v.push_back(99); // could reallocate v's elements
12374         int x = *p; // BAD: dereferences potentially invalid pointer
12375     }
12377 ##### Enforcement
12379 This rule is part of the [lifetime safety profile](#SS-lifetime)
12381 * Flag a dereference of a pointer that points to an object that has gone out of scope
12382 * Flag a dereference of a pointer that may have been invalidated by assigning a `nullptr`
12383 * Flag a dereference of a pointer that may have been invalidated by a `delete`
12384 * Flag a dereference to a pointer to a container element that may have been invalidated by dereference
12387 ## ES.stmt: Statements
12389 Statements control the flow of control (except for function calls and exception throws, which are expressions).
12391 ### <a name="Res-switch-if"></a>ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice
12393 ##### Reason
12395 * Readability.
12396 * Efficiency: A `switch` compares against constants and is usually better optimized than a series of tests in an `if`-`then`-`else` chain.
12397 * A `switch` enables some heuristic consistency checking. For example, have all values of an `enum` been covered? If not, is there a `default`?
12399 ##### Example
12401     void use(int n)
12402     {
12403         switch (n) {   // good
12404         case 0:
12405             // ...
12406             break;
12407         case 7:
12408             // ...
12409             break;
12410         default:
12411             // ...
12412             break;
12413         }
12414     }
12416 rather than:
12418     void use2(int n)
12419     {
12420         if (n == 0)   // bad: if-then-else chain comparing against a set of constants
12421             // ...
12422         else if (n == 7)
12423             // ...
12424     }
12426 ##### Enforcement
12428 Flag `if`-`then`-`else` chains that check against constants (only).
12430 ### <a name="Res-for-range"></a>ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice
12432 ##### Reason
12434 Readability. Error prevention. Efficiency.
12436 ##### Example
12438     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)   // bad
12439             cout << v[i] << '\n';
12441     for (auto p = v.begin(); p != v.end(); ++p)   // bad
12442         cout << *p << '\n';
12444     for (auto& x : v)    // OK
12445         cout << x << '\n';
12447     for (gsl::index i = 1; i < v.size(); ++i) // touches two elements: can't be a range-for
12448         cout << v[i] + v[i - 1] << '\n';
12450     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) // possible side effect: can't be a range-for
12451         cout << f(v, &v[i]) << '\n';
12453     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) { // body messes with loop variable: can't be a range-for
12454         if (i % 2 == 0)
12455             continue;   // skip even elements
12456         else
12457             cout << v[i] << '\n';
12458     }
12460 A human or a good static analyzer may determine that there really isn't a side effect on `v` in `f(v, &v[i])` so that the loop can be rewritten.
12462 "Messing with the loop variable" in the body of a loop is typically best avoided.
12464 ##### Note
12466 Don't use expensive copies of the loop variable of a range-`for` loop:
12468     for (string s : vs) // ...
12470 This will copy each elements of `vs` into `s`. Better:
12472     for (string& s : vs) // ...
12474 Better still, if the loop variable isn't modified or copied:
12476     for (const string& s : vs) // ...
12478 ##### Enforcement
12480 Look at loops, if a traditional loop just looks at each element of a sequence, and there are no side effects on what it does with the elements, rewrite the loop to a ranged-`for` loop.
12482 ### <a name="Res-for-while"></a>ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable
12484 ##### Reason
12486 Readability: the complete logic of the loop is visible "up front". The scope of the loop variable can be limited.
12488 ##### Example
12490     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i++) {
12491         // do work
12492     }
12494 ##### Example, bad
12496     int i = 0;
12497     while (i < vec.size()) {
12498         // do work
12499         i++;
12500     }
12502 ##### Enforcement
12506 ### <a name="Res-while-for"></a>ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable
12508 ##### Reason
12510 Readability.
12512 ##### Example
12514     int events = 0;
12515     for (; wait_for_event(); ++events) {  // bad, confusing
12516         // ...
12517     }
12519 The "event loop" is misleading because the `events` counter has nothing to do with the loop condition (`wait_for_event()`).
12520 Better
12522     int events = 0;
12523     while (wait_for_event()) {      // better
12524         ++events;
12525         // ...
12526     }
12528 ##### Enforcement
12530 Flag actions in `for`-initializers and `for`-increments that do not relate to the `for`-condition.
12532 ### <a name="Res-for-init"></a>ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement
12534 ##### Reason
12536 Limit the loop variable visibility to the scope of the loop.
12537 Avoid using the loop variable for other purposes after the loop.
12539 ##### Example
12541     for (int i = 0; i < 100; ++i) {   // GOOD: i var is visible only inside the loop
12542         // ...
12543     }
12545 ##### Example, don't
12547     int j;                            // BAD: j is visible outside the loop
12548     for (j = 0; j < 100; ++j) {
12549         // ...
12550     }
12551     // j is still visible here and isn't needed
12553 **See also**: [Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
12555 ##### Example
12557     for (string s; cin >> s; ) {
12558         cout << s << '\n';
12559     }
12561 ##### Enforcement
12563 Warn when a variable modified inside the `for`-statement is declared outside the loop and not being used outside the loop.
12565 **Discussion**: Scoping the loop variable to the loop body also helps code optimizers greatly. Recognizing that the induction variable
12566 is only accessible in the loop body unblocks optimizations such as hoisting, strength reduction, loop-invariant code motion, etc.
12568 ### <a name="Res-do"></a>ES.75: Avoid `do`-statements
12570 ##### Reason
12572 Readability, avoidance of errors.
12573 The termination condition is at the end (where it can be overlooked) and the condition is not checked the first time through.
12575 ##### Example
12577     int x;
12578     do {
12579         cin >> x;
12580         // ...
12581     } while (x < 0);
12583 ##### Note
12585 Yes, there are genuine examples where a `do`-statement is a clear statement of a solution, but also many bugs.
12587 ##### Enforcement
12589 Flag `do`-statements.
12591 ### <a name="Res-goto"></a>ES.76: Avoid `goto`
12593 ##### Reason
12595 Readability, avoidance of errors. There are better control structures for humans; `goto` is for machine generated code.
12597 ##### Exception
12599 Breaking out of a nested loop.
12600 In that case, always jump forwards.
12602     for (int i = 0; i < imax; ++i)
12603         for (int j = 0; j < jmax; ++j) {
12604             if (a[i][j] > elem_max) goto finished;
12605             // ...
12606         }
12607     finished:
12608     // ...
12610 ##### Example, bad
12612 There is a fair amount of use of the C goto-exit idiom:
12614     void f()
12615     {
12616         // ...
12617             goto exit;
12618         // ...
12619             goto exit;
12620         // ...
12621     exit:
12622         // ... common cleanup code ...
12623     }
12625 This is an ad-hoc simulation of destructors.
12626 Declare your resources with handles with destructors that clean up.
12627 If for some reason you cannot handle all cleanup with destructors for the variables used,
12628 consider `gsl::finally()` as a cleaner and more reliable alternative to `goto exit`
12630 ##### Enforcement
12632 * Flag `goto`. Better still flag all `goto`s that do not jump from a nested loop to the statement immediately after a nest of loops.
12634 ### <a name="Res-continue"></a>ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops
12636 ##### Reason
12638  In a non-trivial loop body, it is easy to overlook a `break` or a `continue`.
12640  A `break` in a loop has a dramatically different meaning than a `break` in a `switch`-statement
12641  (and you can have `switch`-statement in a loop and a loop in a `switch`-case).
12643 ##### Example
12645     ???
12647 ##### Alternative
12649 Often, a loop that requires a `break` is a good candidate for a function (algorithm), in which case the `break` becomes a `return`.
12651     ???
12653 Often. a loop that uses `continue` can equivalently and as clearly be expressed by an `if`-statement.
12655     ???
12657 ##### Note
12659 If you really need to break out a loop, a `break` is typically better than alternatives such as [modifying the loop variable](#Res-loop-counter) or a [`goto`](#Res-goto):
12662 ##### Enforcement
12666 ### <a name="Res-break"></a>ES.78: Always end a non-empty `case` with a `break`
12668 ##### Reason
12670  Accidentally leaving out a `break` is a fairly common bug.
12671  A deliberate fallthrough is a maintenance hazard.
12673 ##### Example
12675     switch (eventType) {
12676     case Information:
12677         update_status_bar();
12678         break;
12679     case Warning:
12680         write_event_log();
12681         // Bad - implicit fallthrough
12682     case Error:
12683         display_error_window();
12684         break;
12685     }
12687 It is easy to overlook the fallthrough. Be explicit:
12689     switch (eventType) {
12690     case Information:
12691         update_status_bar();
12692         break;
12693     case Warning:
12694         write_event_log();
12695         // fallthrough
12696     case Error:
12697         display_error_window();
12698         break;
12699     }
12701 In C++17, use a `[[fallthrough]]` annotation:
12703     switch (eventType) {
12704     case Information:
12705         update_status_bar();
12706         break;
12707     case Warning:
12708         write_event_log();
12709         [[fallthrough]];        // C++17
12710     case Error:
12711         display_error_window();
12712         break;
12713     }
12715 ##### Note
12717 Multiple case labels of a single statement is OK:
12719     switch (x) {
12720     case 'a':
12721     case 'b':
12722     case 'f':
12723         do_something(x);
12724         break;
12725     }
12727 ##### Enforcement
12729 Flag all fallthroughs from non-empty `case`s.
12731 ### <a name="Res-default"></a>ES.79: Use `default` to handle common cases (only)
12733 ##### Reason
12735  Code clarity.
12736  Improved opportunities for error detection.
12738 ##### Example
12740     enum E { a, b, c , d };
12742     void f1(E x)
12743     {
12744         switch (x) {
12745         case a:
12746             do_something();
12747             break;
12748         case b:
12749             do_something_else();
12750             break;
12751         default:
12752             take_the_default_action();
12753             break;
12754         }
12755     }
12757 Here it is clear that there is a default action and that cases `a` and `b` are special.
12759 ##### Example
12761 But what if there is no default action and you mean to handle only specific cases?
12762 In that case, have an empty default or else it is impossible to know if you meant to handle all cases:
12764     void f2(E x)
12765     {
12766         switch (x) {
12767         case a:
12768             do_something();
12769             break;
12770         case b:
12771             do_something_else();
12772             break;
12773         default:
12774             // do nothing for the rest of the cases
12775             break;
12776         }
12777     }
12779 If you leave out the `default`, a maintainer and/or a compiler may reasonably assume that you intended to handle all cases:
12781     void f2(E x)
12782     {
12783         switch (x) {
12784         case a:
12785             do_something();
12786             break;
12787         case b:
12788         case c:
12789             do_something_else();
12790             break;
12791         }
12792     }
12794 Did you forget case `d` or deliberately leave it out?
12795 Forgetting a case typically happens when a case is added to an enumeration and the person doing so fails to add it to every
12796 switch over the enumerators.
12798 ##### Enforcement
12800 Flag `switch`-statements over an enumeration that don't handle all enumerators and do not have a `default`.
12801 This may yield too many false positives in some code bases; if so, flag only `switch`es that handle most but not all cases
12802 (that was the strategy of the very first C++ compiler).
12804 ### <a name="Res-noname"></a>ES.84: Don't (try to) declare a local variable with no name
12806 ##### Reason
12808 There is no such thing.
12809 What looks to a human like a variable without a name is to the compiler a statement consisting of a temporary that immediately goes out of scope.
12810 To avoid unpleasant surprises.
12812 ##### Example, bad
12814     void f()
12815     {
12816         lock<mutex>{mx};   // Bad
12817         // ...
12818     }
12820 This declares an unnamed `lock` object that immediately goes out of scope at the point of the semicolon.
12821 This is not an uncommon mistake.
12822 In particular, this particular example can lead to hard-to find race conditions.
12823 There are exceedingly clever uses of this "idiom", but they are far rarer than the mistakes.
12825 ##### Note
12827 Unnamed function arguments are fine.
12829 ##### Enforcement
12831 Flag statements that are just a temporary
12833 ### <a name="Res-empty"></a>ES.85: Make empty statements visible
12835 ##### Reason
12837 Readability.
12839 ##### Example
12841     for (i = 0; i < max; ++i);   // BAD: the empty statement is easily overlooked
12842     v[i] = f(v[i]);
12844     for (auto x : v) {           // better
12845         // nothing
12846     }
12847     v[i] = f(v[i]);
12849 ##### Enforcement
12851 Flag empty statements that are not blocks and don't contain comments.
12853 ### <a name="Res-loop-counter"></a>ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops
12855 ##### Reason
12857 The loop control up front should enable correct reasoning about what is happening inside the loop. Modifying loop counters in both the iteration-expression and inside the body of the loop is a perennial source of surprises and bugs.
12859 ##### Example
12861     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12862         // no updates to i -- ok
12863     }
12865     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12866         //
12867         if (/* something */) ++i; // BAD
12868         //
12869     }
12871     bool skip = false;
12872     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12873         if (skip) { skip = false; continue; }
12874         //
12875         if (/* something */) skip = true;  // Better: using two variable for two concepts.
12876         //
12877     }
12879 ##### Enforcement
12881 Flag variables that are potentially updated (have a non-`const` use) in both the loop control iteration-expression and the loop body.
12884 ### <a name="Res-if"></a>ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions
12886 ##### Reason
12888 Doing so avoids verbosity and eliminates some opportunities for mistakes.
12889 Helps make style consistent and conventional.
12891 ##### Example
12893 By definition, a condition in an `if`-statement, `while`-statement, or a `for`-statement selects between `true` and `false`.
12894 A numeric value is compared to `0` and a pointer value to `nullptr`.
12896     // These all mean "if `p` is not `nullptr`"
12897     if (p) { ... }            // good
12898     if (p != 0) { ... }       // redundant `!=0`; bad: don't use 0 for pointers
12899     if (p != nullptr) { ... } // redundant `!=nullptr`, not recommended
12901 Often, `if (p)` is read as "if `p` is valid" which is a direct expression of the programmers intent,
12902 whereas `if (p != nullptr)` would be a long-winded workaround.
12904 ##### Example
12906 This rule is especially useful when a declaration is used as a condition
12908     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps)) { ... } // execute is ps points to a kind of Circle, good
12910     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps); pc != nullptr) { ... } // not recommended
12912 ##### Example
12914 Note that implicit conversions to bool are applied in conditions.
12915 For example:
12917     for (string s; cin >> s; ) v.push_back(s);
12919 This invokes `istream`'s `operator bool()`.
12921 ##### Note
12923 Explicit comparison of an integer to `0` is in general not redundant.
12924 The reason is that (as opposed to pointers and Booleans) an integer often has more than two reasonable values.
12925 Furthermore `0` (zero) is often used to indicate success.
12926 Consequently, it is best to be specific about the comparison.
12928     void f(int i)
12929     {
12930         if (i)            // suspect
12931         // ...
12932         if (i == success) // possibly better
12933         // ...
12934     }
12936 Always remember that an integer can have more than two values.
12938 ##### Example, bad
12940 It has been noted that
12942     if(strcmp(p1, p2)) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
12944 is a common beginners error.
12945 If you use C-style strings, you must know the `<cstring>` functions well.
12946 Being verbose and writing
12948     if(strcmp(p1, p2) != 0) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
12950 would not in itself save you.
12952 ##### Note
12954 The opposite condition is most easily expressed using a negation:
12956     // These all mean "if `p` is `nullptr`"
12957     if (!p) { ... }           // good
12958     if (p == 0) { ... }       // redundant `== 0`; bad: don't use `0` for pointers
12959     if (p == nullptr) { ... } // redundant `== nullptr`, not recommended
12961 ##### Enforcement
12963 Easy, just check for redundant use of `!=` and `==` in conditions.
12967 ## <a name="SS-numbers"></a>Arithmetic
12969 ### <a name="Res-mix"></a>ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic
12971 ##### Reason
12973 Avoid wrong results.
12975 ##### Example
12977     int x = -3;
12978     unsigned int y = 7;
12980     cout << x - y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967286
12981     cout << x + y << '\n';  // unsigned result: 4
12982     cout << x * y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967275
12984 It is harder to spot the problem in more realistic examples.
12986 ##### Note
12988 Unfortunately, C++ uses signed integers for array subscripts and the standard library uses unsigned integers for container subscripts.
12989 This precludes consistency. Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
12991 ##### Enforcement
12993 * Compilers already know and sometimes warn.
12994 * (To avoid noise) Do not flag on a mixed signed/unsigned comparison where one of the arguments is `sizeof` or a call to container `.size()` and the other is `ptrdiff_t`.
12997 ### <a name="Res-unsigned"></a>ES.101: Use unsigned types for bit manipulation
12999 ##### Reason
13001 Unsigned types support bit manipulation without surprises from sign bits.
13003 ##### Example
13005     unsigned char x = 0b1010'1010;
13006     unsigned char y = ~x;   // y == 0b0101'0101;
13008 ##### Note
13010 Unsigned types can also be useful for modulo arithmetic.
13011 However, if you want modulo arithmetic add
13012 comments as necessary noting the reliance on wraparound behavior, as such code
13013 can be surprising for many programmers.
13015 ##### Enforcement
13017 * Just about impossible in general because of the use of unsigned subscripts in the standard library
13018 * ???
13020 ### <a name="Res-signed"></a>ES.102: Use signed types for arithmetic
13022 ##### Reason
13024 Because most arithmetic is assumed to be signed;
13025 `x - y` yields a negative number when `y > x` except in the rare cases where you really want modulo arithmetic.
13027 ##### Example
13029 Unsigned arithmetic can yield surprising results if you are not expecting it.
13030 This is even more true for mixed signed and unsigned arithmetic.
13032     template<typename T, typename T2>
13033     T subtract(T x, T2 y)
13034     {
13035         return x - y;
13036     }
13038     void test()
13039     {
13040         int s = 5;
13041         unsigned int us = 5;
13042         cout << subtract(s, 7) << '\n';       // -2
13043         cout << subtract(us, 7u) << '\n';     // 4294967294
13044         cout << subtract(s, 7u) << '\n';      // -2
13045         cout << subtract(us, 7) << '\n';      // 4294967294
13046         cout << subtract(s, us + 2) << '\n';  // -2
13047         cout << subtract(us, s + 2) << '\n';  // 4294967294
13048     }
13050 Here we have been very explicit about what's happening,
13051 but if you had seen `us - (s + 2)` or `s += 2; ...; us - s`, would you reliably have suspected that the result would print as `4294967294`?
13053 ##### Exception
13055 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic - add
13056 comments as necessary noting the reliance on overflow behavior, as such code
13057 is going to be surprising for many programmers.
13059 ##### Example
13061 The standard library uses unsigned types for subscripts.
13062 The built-in array uses signed types for subscripts.
13063 This makes surprises (and bugs) inevitable.
13065     int a[10];
13066     for (int i = 0; i < 10; ++i) a[i] = i;
13067     vector<int> v(10);
13068     // compares signed to unsigned; some compilers warn, but we should not
13069     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) v[i] = i;
13071     int a2[-2];         // error: negative size
13073     // OK, but the number of ints (4294967294) is so large that we should get an exception
13074     vector<int> v2(-2);
13076  Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
13078 ##### Enforcement
13080 * Flag mixed signed and unsigned arithmetic
13081 * Flag results of unsigned arithmetic assigned to or printed as signed.
13082 * Flag unsigned literals (e.g. `-2`) used as container subscripts.
13083 * (To avoid noise) Do not flag on a mixed signed/unsigned comparison where one of the arguments is `sizeof` or a call to container `.size()` and the other is `ptrdiff_t`.
13086 ### <a name="Res-overflow"></a>ES.103: Don't overflow
13088 ##### Reason
13090 Overflow usually makes your numeric algorithm meaningless.
13091 Incrementing a value beyond a maximum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13093 ##### Example, bad
13095     int a[10];
13096     a[10] = 7;   // bad
13098     int n = 0;
13099     while (n++ < 10)
13100         a[n - 1] = 9; // bad (twice)
13102 ##### Example, bad
13104     int n = numeric_limits<int>::max();
13105     int m = n + 1;   // bad
13107 ##### Example, bad
13109     int area(int h, int w) { return h * w; }
13111     auto a = area(10'000'000, 100'000'000);   // bad
13113 ##### Exception
13115 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13117 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13119 ##### Enforcement
13123 ### <a name="Res-underflow"></a>ES.104: Don't underflow
13125 ##### Reason
13127 Decrementing a value beyond a minimum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13129 ##### Example, bad
13131     int a[10];
13132     a[-2] = 7;   // bad
13134     int n = 101;
13135     while (n--)
13136         a[n - 1] = 9;   // bad (twice)
13138 ##### Exception
13140 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13142 ##### Enforcement
13146 ### <a name="Res-zero"></a>ES.105: Don't divide by zero
13148 ##### Reason
13150 The result is undefined and probably a crash.
13152 ##### Note
13154 This also applies to `%`.
13156 ##### Example; bad
13158     double divide(int a, int b) {
13159         // BAD, should be checked (e.g., in a precondition)
13160         return a / b;
13161     }
13163 ##### Example; good
13165     double divide(int a, int b) {
13166         // good, address via precondition (and replace with contracts once C++ gets them)
13167         Expects(b != 0);
13168         return a / b;
13169     }
13171     double divide(int a, int b) {
13172         // good, address via check
13173         return b ? a / b : quiet_NaN<double>();
13174     }
13176 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13178 ##### Enforcement
13180 * Flag division by an integral value that could be zero
13183 ### <a name="Res-nonnegative"></a>ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`
13185 ##### Reason
13187 Choosing `unsigned` implies many changes to the usual behavior of integers, including modulo arithmetic,
13188 can suppress warnings related to overflow,
13189 and opens the door for errors related to signed/unsigned mixes.
13190 Using `unsigned` doesn't actually eliminate the possibility of negative values.
13192 ##### Example
13194     unsigned int u1 = -2;   // Valid: the value of u1 is 4294967294
13195     int i1 = -2;
13196     unsigned int u2 = i1;   // Valid: the value of u2 is 4294967294
13197     int i2 = u2;            // Valid: the value of i2 is -2
13199 These problems with such (perfectly legal) constructs are hard to spot in real code and are the source of many real-world errors.
13200 Consider:
13202     unsigned area(unsigned height, unsigned width) { return height*width; } // [see also](#Ri-expects)
13203     // ...
13204     int height;
13205     cin >> height;
13206     auto a = area(height, 2);   // if the input is -2 a becomes 4294967292
13208 Remember that `-1` when assigned to an `unsigned int` becomes the largest `unsigned int`.
13209 Also, since unsigned arithmetic is modulo arithmetic the multiplication didn't overflow, it wrapped around.
13211 ##### Example
13213     unsigned max = 100000;    // "accidental typo", I mean to say 10'000
13214     unsigned short x = 100;
13215     while (x < max) x += 100; // infinite loop
13217 Had `x` been a signed `short`, we could have warned about the undefined behavior upon overflow.
13219 ##### Alternatives
13221 * use signed integers and check for `x >= 0`
13222 * use a positive integer type
13223 * use an integer subrange type
13224 * `Assert(-1 < x)`
13226 For example
13228     struct Positive {
13229         int val;
13230         Positive(int x) :val{x} { Assert(0 < x); }
13231         operator int() { return val; }
13232     };
13234     int f(Positive arg) { return arg; }
13236     int r1 = f(2);
13237     int r2 = f(-2);  // throws
13239 ##### Note
13243 ##### Enforcement
13245 Hard: there is a lot of code using `unsigned` and we don't offer a practical positive number type.
13248 ### <a name="Res-subscripts"></a>ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`
13250 ##### Reason
13252 To avoid signed/unsigned confusion.
13253 To enable better optimization.
13254 To enable better error detection.
13255 To avoid the pitfalls with `auto` and `int`.
13257 ##### Example, bad
13259     vector<int> vec = /*...*/;
13261     for (int i = 0; i < vec.size(); i += 2)                    // may not be big enough
13262         cout << vec[i] << '\n';
13263     for (unsigned i = 0; i < vec.size(); i += 2)               // risk wraparound
13264         cout << vec[i] << '\n';
13265     for (auto i = 0; i < vec.size(); i += 2)                   // may not be big enough
13266         cout << vec[i] << '\n';
13267     for (vector<int>::size_type i = 0; i < vec.size(); i += 2) // verbose
13268         cout << vec[i] << '\n';
13269     for (auto i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                // bug
13270         cout << vec[i] << '\n';
13271     for (int i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                 // may not be big enough
13272         cout << vec[i] << '\n';
13274 ##### Example, good
13276     vector<int> vec = /*...*/;
13278     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i += 2)             // ok
13279         cout << vec[i] << '\n';
13280     for (gsl::index i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)          // ok
13281         cout << vec[i] << '\n';
13283 ##### Note
13285 The built-in array uses signed subscripts.
13286 The standard-library containers use unsigned subscripts.
13287 Thus, no perfect and fully compatible solution is possible (unless and until the standard-library containers change to use signed subscripts someday in the future).
13288 Given the known problems with unsigned and signed/unsigned mixtures, better stick to (signed) integers of a sufficient size, which is guaranteed by `gsl::index`.
13290 ##### Example
13292     template<typename T>
13293     struct My_container {
13294     public:
13295         // ...
13296         T& operator[](gsl::index i);    // not unsigned
13297         // ...
13298     };
13300 ##### Example
13302     ??? demonstrate improved code generation and potential for error detection ???
13304 ##### Alternatives
13306 Alternatives for users
13308 * use algorithms
13309 * use range-for
13310 * use iterators/pointers
13312 ##### Enforcement
13314 * Very tricky as long as the standard-library containers get it wrong.
13315 * (To avoid noise) Do not flag on a mixed signed/unsigned comparison where one of the arguments is `sizeof` or a call to container `.size()` and the other is `ptrdiff_t`.
13320 # <a name="S-performance"></a>Per: Performance
13322 ??? should this section be in the main guide???
13324 This section contains rules for people who need high performance or low-latency.
13325 That is, these are rules that relate to how to use as little time and as few resources as possible to achieve a task in a predictably short time.
13326 The rules in this section are more restrictive and intrusive than what is needed for many (most) applications.
13327 Do not blindly try to follow them in general code: achieving the goals of low latency requires extra work.
13329 Performance rule summary:
13331 * [Per.1: Don't optimize without reason](#Rper-reason)
13332 * [Per.2: Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
13333 * [Per.3: Don't optimize something that's not performance critical](#Rper-critical)
13334 * [Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code](#Rper-simple)
13335 * [Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code](#Rper-low)
13336 * [Per.6: Don't make claims about performance without measurements](#Rper-measure)
13337 * [Per.7: Design to enable optimization](#Rper-efficiency)
13338 * [Per.10: Rely on the static type system](#Rper-type)
13339 * [Per.11: Move computation from run time to compile time](#Rper-Comp)
13340 * [Per.12: Eliminate redundant aliases](#Rper-alias)
13341 * [Per.13: Eliminate redundant indirections](#Rper-indirect)
13342 * [Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations](#Rper-alloc)
13343 * [Per.15: Do not allocate on a critical branch](#Rper-alloc0)
13344 * [Per.16: Use compact data structures](#Rper-compact)
13345 * [Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first](#Rper-struct)
13346 * [Per.18: Space is time](#Rper-space)
13347 * [Per.19: Access memory predictably](#Rper-access)
13348 * [Per.30: Avoid context switches on the critical path](#Rper-context)
13350 ### <a name="Rper-reason"></a>Per.1: Don't optimize without reason
13352 ##### Reason
13354 If there is no need for optimization, the main result of the effort will be more errors and higher maintenance costs.
13356 ##### Note
13358 Some people optimize out of habit or because it's fun.
13362 ### <a name="Rper-Knuth"></a>Per.2: Don't optimize prematurely
13364 ##### Reason
13366 Elaborately optimized code is usually larger and harder to change than unoptimized code.
13370 ### <a name="Rper-critical"></a>Per.3: Don't optimize something that's not performance critical
13372 ##### Reason
13374 Optimizing a non-performance-critical part of a program has no effect on system performance.
13376 ##### Note
13378 If your program spends most of its time waiting for the web or for a human, optimization of in-memory computation is probably useless.
13380 Put another way: If your program spends 4% of its processing time doing
13381 computation A and 40% of its time doing computation B, a 50% improvement on A is
13382 only as impactful as a 5% improvement on B. (If you don't even know how much
13383 time is spent on A or B, see <a href="#Rper-reason">Per.1</a> and <a
13384 href="#Rper-Knuth">Per.2</a>.)
13386 ### <a name="Rper-simple"></a>Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code
13388 ##### Reason
13390 Simple code can be very fast. Optimizers sometimes do marvels with simple code
13392 ##### Example, good
13394     // clear expression of intent, fast execution
13396     vector<uint8_t> v(100000);
13398     for (auto& c : v)
13399         c = ~c;
13401 ##### Example, bad
13403     // intended to be faster, but is actually slower
13405     vector<uint8_t> v(100000);
13407     for (size_t i = 0; i < v.size(); i += sizeof(uint64_t))
13408     {
13409         uint64_t& quad_word = *reinterpret_cast<uint64_t*>(&v[i]);
13410         quad_word = ~quad_word;
13411     }
13413 ##### Note
13419 ### <a name="Rper-low"></a>Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code
13421 ##### Reason
13423 Low-level code sometimes inhibits optimizations. Optimizers sometimes do marvels with high-level code.
13425 ##### Note
13431 ### <a name="Rper-measure"></a>Per.6: Don't make claims about performance without measurements
13433 ##### Reason
13435 The field of performance is littered with myth and bogus folklore.
13436 Modern hardware and optimizers defy naive assumptions; even experts are regularly surprised.
13438 ##### Note
13440 Getting good performance measurements can be hard and require specialized tools.
13442 ##### Note
13444 A few simple microbenchmarks using Unix `time` or the standard-library `<chrono>` can help dispel the most obvious myths.
13445 If you can't measure your complete system accurately, at least try to measure a few of your key operations and algorithms.
13446 A profiler can help tell you which parts of your system are performance critical.
13447 Often, you will be surprised.
13451 ### <a name="Rper-efficiency"></a>Per.7: Design to enable optimization
13453 ##### Reason
13455 Because we often need to optimize the initial design.
13456 Because a design that ignore the possibility of later improvement is hard to change.
13458 ##### Example
13460 From the C (and C++) standard:
13462     void qsort (void* base, size_t num, size_t size, int (*compar)(const void*, const void*));
13464 When did you even want to sort memory?
13465 Really, we sort sequences of elements, typically stored in containers.
13466 A call to `qsort` throws away much useful information (e.g., the element type), forces the user to repeat information
13467 already known (e.g., the element size), and forces the user to write extra code (e.g., a function to compare `double`s).
13468 This implies added work for the programmer, is error-prone, and deprives the compiler of information needed for optimization.
13470     double data[100];
13471     // ... fill a ...
13473     // 100 chunks of memory of sizeof(double) starting at
13474     // address data using the order defined by compare_doubles
13475     qsort(data, 100, sizeof(double), compare_doubles);
13477 From the point of view of interface design is that `qsort` throws away useful information.
13479 We can do better (in C++98)
13481     template<typename Iter>
13482         void sort(Iter b, Iter e);  // sort [b:e)
13484     sort(data, data + 100);
13486 Here, we use the compiler's knowledge about the size of the array, the type of elements, and how to compare `double`s.
13488 With C++11 plus [concepts](#SS-concepts), we can do better still
13490     // Sortable specifies that c must be a
13491     // random-access sequence of elements comparable with <
13492     void sort(Sortable& c);
13494     sort(c);
13496 The key is to pass sufficient information for a good implementation to be chosen.
13497 In this, the `sort` interfaces shown here still have a weakness:
13498 They implicitly rely on the element type having less-than (`<`) defined.
13499 To complete the interface, we need a second version that accepts a comparison criteria:
13501     // compare elements of c using p
13502     void sort(Sortable& c, Predicate<Value_type<Sortable>> p);
13504 The standard-library specification of `sort` offers those two versions,
13505 but the semantics is expressed in English rather than code using concepts.
13507 ##### Note
13509 Premature optimization is said to be [the root of all evil](#Rper-Knuth), but that's not a reason to despise performance.
13510 It is never premature to consider what makes a design amenable to improvement, and improved performance is a commonly desired improvement.
13511 Aim to build a set of habits that by default results in efficient, maintainable, and optimizable code.
13512 In particular, when you write a function that is not a one-off implementation detail, consider
13514 * Information passing:
13515 Prefer clean [interfaces](#S-interfaces) carrying sufficient information for later improvement of implementation.
13516 Note that information flows into and out of an implementation through the interfaces we provide.
13517 * Compact data: By default, [use compact data](#Rper-compact), such as `std::vector` and [access it in a systematic fashion](#Rper-access).
13518 If you think you need a linked structure, try to craft the interface so that this structure isn't seen by users.
13519 * Function argument passing and return:
13520 Distinguish between mutable and non-mutable data.
13521 Don't impose a resource management burden on your users.
13522 Don't impose spurious run-time indirections on your users.
13523 Use [conventional ways](#Rf-conventional) of passing information through an interface;
13524 unconventional and/or "optimized" ways of passing data can seriously complicate later reimplementation.
13525 * Abstraction:
13526 Don't overgeneralize; a design that tries to cater for every possible use (and misuse) and defers every design decision for later
13527 (using compile-time or run-time indirections) is usually a complicated, bloated, hard-to-understand mess.
13528 Generalize from concrete examples, preserving performance as we generalize.
13529 Do not generalize based on mere speculation about future needs.
13530 The ideal is zero-overhead generalization.
13531 * Libraries:
13532 Use libraries with good interfaces.
13533 If no library is available build one yourself and imitate the interface style from a good library.
13534 The [standard library](#S-stdlib) is a good first place to look for inspiration.
13535 * Isolation:
13536 Isolate your code from messy and/or old-style code by providing an interface of your choosing to it.
13537 This is sometimes called "providing a wrapper" for the useful/necessary but messy code.
13538 Don't let bad designs "bleed into" your code.
13540 ##### Example
13542 Consider:
13544     template <class ForwardIterator, class T>
13545     bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13547 `binary_search(begin(c), end(c), 7)` will tell you whether `7` is in `c` or not.
13548 However, it will not tell you where that `7` is or whether there are more than one `7`.
13550 Sometimes, just passing the minimal amount of information back (here, `true` or `false`) is sufficient, but a good interface passes
13551 needed information back to the caller. Therefore, the standard library also offers
13553     template <class ForwardIterator, class T>
13554     ForwardIterator lower_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13556 `lower_bound` returns an iterator to the first match if any, otherwise to the first element greater than `val`, or `last` if no such element is found.
13558 However, `lower_bound` still doesn't return enough information for all uses, so the standard library also offers
13560     template <class ForwardIterator, class T>
13561     pair<ForwardIterator, ForwardIterator>
13562     equal_range(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13564 `equal_range` returns a `pair` of iterators specifying the first and one beyond last match.
13566     auto r = equal_range(begin(c), end(c), 7);
13567     for (auto p = r.first(); p != r.second(), ++p)
13568         cout << *p << '\n';
13570 Obviously, these three interfaces are implemented by the same basic code.
13571 They are simply three ways of presenting the basic binary search algorithm to users,
13572 ranging from the simplest ("make simple things simple!")
13573 to returning complete, but not always needed, information ("don't hide useful information").
13574 Naturally, crafting such a set of interfaces requires experience and domain knowledge.
13576 ##### Note
13578 Do not simply craft the interface to match the first implementation and the first use case you think of.
13579 Once your first initial implementation is complete, review it; once you deploy it, mistakes will be hard to remedy.
13581 ##### Note
13583 A need for efficiency does not imply a need for [low-level code](#Rper-low).
13584 High-level code does not imply slow or bloated.
13586 ##### Note
13588 Things have costs.
13589 Don't be paranoid about costs (modern computers really are very fast),
13590 but have a rough idea of the order of magnitude of cost of what you use.
13591 For example, have a rough idea of the cost of
13592 a memory access,
13593 a function call,
13594 a string comparison,
13595 a system call,
13596 a disk access,
13597 and a message through a network.
13599 ##### Note
13601 If you can only think of one implementation, you probably don't have something for which you can devise a stable interface.
13602 Maybe, it is just an implementation detail - not every piece of code needs a stable interface - but pause and consider.
13603 One question that can be useful is
13604 "what interface would be needed if this operation should be implemented using multiple threads? be vectorized?"
13606 ##### Note
13608 This rule does not contradict the [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth) rule.
13609 It complements it encouraging developers enable later - appropriate and non-premature - optimization, if and where needed.
13611 ##### Enforcement
13613 Tricky.
13614 Maybe looking for `void*` function arguments will find examples of interfaces that hinder later optimization.
13616 ### <a name="Rper-type"></a>Per.10: Rely on the static type system
13618 ##### Reason
13620 Type violations, weak types (e.g. `void*`s), and low-level code (e.g., manipulation of sequences as individual bytes) make the job of the optimizer much harder. Simple code often optimizes better than hand-crafted complex code.
13624 ### <a name="Rper-Comp"></a>Per.11: Move computation from run time to compile time
13626 ##### Reason
13628 To decrease code size and run time.
13629 To avoid data races by using constants.
13630 To catch errors at compile time (and thus eliminate the need for error-handling code).
13632 ##### Example
13634     double square(double d) { return d*d; }
13635     static double s2 = square(2);    // old-style: dynamic initialization
13637     constexpr double ntimes(double d, int n)   // assume 0 <= n
13638     {
13639             double m = 1;
13640             while (n--) m *= d;
13641             return m;
13642     }
13643     constexpr double s3 {ntimes(2, 3)};  // modern-style: compile-time initialization
13645 Code like the initialization of `s2` isn't uncommon, especially for initialization that's a bit more complicated than `square()`.
13646 However, compared to the initialization of `s3` there are two problems:
13648 * we suffer the overhead of a function call at run time
13649 * `s2` just might be accessed by another thread before the initialization happens.
13651 Note: you can't have a data race on a constant.
13653 ##### Example
13655 Consider a popular technique for providing a handle for storing small objects in the handle itself and larger ones on the heap.
13657     constexpr int on_stack_max = 20;
13659     template<typename T>
13660     struct Scoped {     // store a T in Scoped
13661             // ...
13662         T obj;
13663     };
13665     template<typename T>
13666     struct On_heap {    // store a T on the free store
13667             // ...
13668             T* objp;
13669     };
13671     template<typename T>
13672     using Handle = typename std::conditional<(sizeof(T) <= on_stack_max),
13673                         Scoped<T>,      // first alternative
13674                         On_heap<T>      // second alternative
13675                    >::type;
13677     void f()
13678     {
13679         Handle<double> v1;                   // the double goes on the stack
13680         Handle<std::array<double, 200>> v2;  // the array goes on the free store
13681         // ...
13682     }
13684 Assume that `Scoped` and `On_heap` provide compatible user interfaces.
13685 Here we compute the optimal type to use at compile time.
13686 There are similar techniques for selecting the optimal function to call.
13688 ##### Note
13690 The ideal is {not} to try execute everything at compile time.
13691 Obviously, most computations depend on inputs so they can't be moved to compile time,
13692 but beyond that logical constraint is the fact that complex compile-time computation can seriously increase compile times
13693 and complicate debugging.
13694 It is even possible to slow down code by compile-time computation.
13695 This is admittedly rare, but by factoring out a general computation into separate optimal sub-calculations it is possible to render the instruction cache less effective.
13697 ##### Enforcement
13699 * Look for simple functions that might be constexpr (but are not).
13700 * Look for functions called with all constant-expression arguments.
13701 * Look for macros that could be constexpr.
13703 ### <a name="Rper-alias"></a>Per.12: Eliminate redundant aliases
13707 ### <a name="Rper-indirect"></a>Per.13: Eliminate redundant indirections
13711 ### <a name="Rper-alloc"></a>Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations
13715 ### <a name="Rper-alloc0"></a>Per.15: Do not allocate on a critical branch
13719 ### <a name="Rper-compact"></a>Per.16: Use compact data structures
13721 ##### Reason
13723 Performance is typically dominated by memory access times.
13727 ### <a name="Rper-struct"></a>Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first
13731 ### <a name="Rper-space"></a>Per.18: Space is time
13733 ##### Reason
13735 Performance is typically dominated by memory access times.
13739 ### <a name="Rper-access"></a>Per.19: Access memory predictably
13741 ##### Reason
13743 Performance is very sensitive to cache performance and cache algorithms favor simple (usually linear) access to adjacent data.
13745 ##### Example
13747     int matrix[rows][cols];
13749     // bad
13750     for (int c = 0; c < cols; ++c)
13751         for (int r = 0; r < rows; ++r)
13752             sum += matrix[r][c];
13754     // good
13755     for (int r = 0; r < rows; ++r)
13756         for (int c = 0; c < cols; ++c)
13757             sum += matrix[r][c];
13759 ### <a name="Rper-context"></a>Per.30: Avoid context switches on the critical path
13763 # <a name="S-concurrency"></a>CP: Concurrency and parallelism
13765 We often want our computers to do many tasks at the same time (or at least make them appear to do them at the same time).
13766 The reasons for doing so varies (e.g., wanting to wait for many events using only a single processor, processing many data streams simultaneously, or utilizing many hardware facilities)
13767 and so does the basic facilities for expressing concurrency and parallelism.
13768 Here, we articulate a few general principles and rules for using the ISO standard C++ facilities for expressing basic concurrency and parallelism.
13770 The core machine support for concurrent and parallel programming is the thread.
13771 Threads allow you to run multiple instances of your program independently, while sharing
13772 the same memory. Concurrent programming is tricky for many reasons, most
13773 importantly that it is undefined behavior to read data in one thread after it
13774 was written by another thread, if there is no proper synchronization between
13775 those threads. Making existing single-threaded code execute concurrently can be
13776 as trivial as adding `std::async` or `std::thread` strategically, or it can
13777 necessitate a full rewrite, depending on whether the original code was written
13778 in a thread-friendly way.
13780 The concurrency/parallelism rules in this document are designed with three goals
13781 in mind:
13783 * To help you write code that is amenable to being used in a threaded
13784   environment
13785 * To show clean, safe ways to use the threading primitives offered by the
13786   standard library
13787 * To offer guidance on what to do when concurrency and parallelism aren't giving
13788   you the performance gains you need
13790 It is also important to note that concurrency in C++ is an unfinished
13791 story. C++11 introduced many core concurrency primitives, C++14 and C++17 improved on
13792 them, and it seems that there is much interest in making the writing of
13793 concurrent programs in C++ even easier. We expect some of the library-related
13794 guidance here to change significantly over time.
13796 This section needs a lot of work (obviously).
13797 Please note that we start with rules for relative non-experts.
13798 Real experts must wait a bit;
13799 contributions are welcome,
13800 but please think about the majority of programmers who are struggling to get their concurrent programs correct and performant.
13802 Concurrency and parallelism rule summary:
13804 * [CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program](#Rconc-multi)
13805 * [CP.2: Avoid data races](#Rconc-races)
13806 * [CP.3: Minimize explicit sharing of writable data](#Rconc-data)
13807 * [CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads](#Rconc-task)
13808 * [CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization](#Rconc-volatile)
13809 * [CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code](#Rconc-tools)
13811 **See also**:
13813 * [CP.con: Concurrency](#SScp-con)
13814 * [CP.par: Parallelism](#SScp-par)
13815 * [CP.mess: Message passing](#SScp-mess)
13816 * [CP.vec: Vectorization](#SScp-vec)
13817 * [CP.free: Lock-free programming](#SScp-free)
13818 * [CP.etc: Etc. concurrency rules](#SScp-etc)
13820 ### <a name="Rconc-multi"></a>CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program
13822 ##### Reason
13824 It is hard to be certain that concurrency isn't used now or will be sometime in the future.
13825 Code gets reused.
13826 Libraries using threads may be used from some other part of the program.
13827 Note that this applies most urgently to library code and least urgently to stand-alone applications.
13828 However, thanks to the magic of cut-and-paste, code fragments can turn up in unexpected places.
13830 ##### Example
13832     double cached_computation(double x)
13833     {
13834         static double cached_x = 0.0;
13835         static double cached_result = COMPUTATION_OF_ZERO;
13836         double result;
13838         if (cached_x == x)
13839             return cached_result;
13840         result = computation(x);
13841         cached_x = x;
13842         cached_result = result;
13843         return result;
13844     }
13846 Although `cached_computation` works perfectly in a single-threaded environment, in a multi-threaded environment the two `static` variables result in data races and thus undefined behavior.
13848 There are several ways that this example could be made safe for a multi-threaded environment:
13850 * Delegate concurrency concerns upwards to the caller.
13851 * Mark the `static` variables as `thread_local` (which might make caching less effective).
13852 * Implement concurrency control, for example, protecting the two `static` variables with a `static` lock (which might reduce performance).
13853 * Have the caller provide the memory to be used for the cache, thereby delegating both memory allocation and concurrency concerns upwards to the caller.
13854 * Refuse to build and/or run in a multi-threaded environment.
13855 * Provide two implementations, one which is used in single-threaded environments and another which is used in multi-threaded environments.
13857 ##### Exception
13859 Code that is never run in a multi-threaded environment.
13861 Be careful: there are many examples where code that was "known" to never run in a multi-threaded program
13862 was run as part of a multi-threaded program. Often years later.
13863 Typically, such programs lead to a painful effort to remove data races.
13864 Therefore, code that is never intended to run in a multi-threaded environment should be clearly labeled as such and ideally come with compile or run-time enforcement mechanisms to catch those usage bugs early.
13866 ### <a name="Rconc-races"></a>CP.2: Avoid data races
13868 ##### Reason
13870 Unless you do, nothing is guaranteed to work and subtle errors will persist.
13872 ##### Note
13874 In a nutshell, if two threads can access the same object concurrently (without synchronization), and at least one is a writer (performing a non-`const` operation), you have a data race.
13875 For further information of how to use synchronization well to eliminate data races, please consult a good book about concurrency.
13877 ##### Example, bad
13879 There are many examples of data races that exist, some of which are running in
13880 production software at this very moment. One very simple example:
13882     int get_id() {
13883       static int id = 1;
13884       return id++;
13885     }
13887 The increment here is an example of a data race. This can go wrong in many ways,
13888 including:
13890 * Thread A loads the value of `id`, the OS context switches A out for some
13891   period, during which other threads create hundreds of IDs. Thread A is then
13892   allowed to run again, and `id` is written back to that location as A's read of
13893   `id` plus one.
13894 * Thread A and B load `id` and increment it simultaneously.  They both get the
13895   same ID.
13897 Local static variables are a common source of data races.
13899 ##### Example, bad:
13901     void f(fstream&  fs, regex pat)
13902     {
13903         array<double, max> buf;
13904         int sz = read_vec(fs, buf, max);            // read from fs into buf
13905         gsl::span<double> s {buf};
13906         // ...
13907         auto h1 = async([&]{ sort(par, s); });     // spawn a task to sort
13908         // ...
13909         auto h2 = async([&]{ return find_all(buf, sz, pat); });   // spawn a task to find matches
13910         // ...
13911     }
13913 Here, we have a (nasty) data race on the elements of `buf` (`sort` will both read and write).
13914 All data races are nasty.
13915 Here, we managed to get a data race on data on the stack.
13916 Not all data races are as easy to spot as this one.
13918 ##### Example, bad:
13920     // code not controlled by a lock
13922     unsigned val;
13924     if (val < 5) {
13925         // ... other thread can change val here ...
13926         switch (val) {
13927         case 0: // ...
13928         case 1: // ...
13929         case 2: // ...
13930         case 3: // ...
13931         case 4: // ...
13932         }
13933     }
13935 Now, a compiler that does not know that `val` can change will  most likely implement that `switch` using a jump table with five entries.
13936 Then, a `val` outside the `[0..4]` range will cause a jump to an address that could be anywhere in the program, and execution would proceed there.
13937 Really, "all bets are off" if you get a data race.
13938 Actually, it can be worse still: by looking at the generated code you may be able to determine where the stray jump will go for a given value;
13939 this can be a security risk.
13941 ##### Enforcement
13943 Some is possible, do at least something.
13944 There are commercial and open-source tools that try to address this problem,
13945 but be aware that solutions have costs and blind spots.
13946 Static tools often have many false positives and run-time tools often have a significant cost.
13947 We hope for better tools.
13948 Using multiple tools can catch more problems than a single one.
13950 There are other ways you can mitigate the chance of data races:
13952 * Avoid global data
13953 * Avoid `static` variables
13954 * More use of value types on the stack (and don't pass pointers around too much)
13955 * More use of immutable data (literals, `constexpr`, and `const`)
13957 ### <a name="Rconc-data"></a>CP.3: Minimize explicit sharing of writable data
13959 ##### Reason
13961 If you don't share writable data, you can't have a data race.
13962 The less sharing you do, the less chance you have to forget to synchronize access (and get data races).
13963 The less sharing you do, the less chance you have to wait on a lock (so performance can improve).
13965 ##### Example
13967     bool validate(const vector<Reading>&);
13968     Graph<Temp_node> temperature_gradiants(const vector<Reading>&);
13969     Image altitude_map(const vector<Reading>&);
13970     // ...
13972     void process_readings(const vector<Reading>& surface_readings)
13973     {
13974         auto h1 = async([&] { if (!validate(surface_readings)) throw Invalid_data{}; });
13975         auto h2 = async([&] { return temperature_gradiants(surface_readings); });
13976         auto h3 = async([&] { return altitude_map(surface_readings); });
13977         // ...
13978         h1.get();
13979         auto v2 = h2.get();
13980         auto v3 = h3.get();
13981         // ...
13982     }
13984 Without those `const`s, we would have to review every asynchronously invoked function for potential data races on `surface_readings`.
13985 Making `surface_readings` be `const` (with respect to this function) allow reasoning using only the function body.
13987 ##### Note
13989 Immutable data can be safely and efficiently shared.
13990 No locking is needed: You can't have a data race on a constant.
13991 See also [CP.mess: Message Passing](#SScp-mess) and [CP.31: prefer pass by value](#Rconc-data-by-value).
13993 ##### Enforcement
13998 ### <a name="Rconc-task"></a>CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads
14000 ##### Reason
14002 A `thread` is an implementation concept, a way of thinking about the machine.
14003 A task is an application notion, something you'd like to do, preferably concurrently with other tasks.
14004 Application concepts are easier to reason about.
14006 ##### Example
14008     void some_fun() {
14009         std::string  msg, msg2;
14010         std::thread publisher([&] { msg = "Hello"; });       // bad: less expressive
14011                                                              //      and more error-prone
14012         auto pubtask = std::async([&] { msg2 = "Hello"; });  // OK
14013         // ...
14014         publisher.join();
14015     }
14017 ##### Note
14019 With the exception of `async()`, the standard-library facilities are low-level, machine-oriented, threads-and-lock level.
14020 This is a necessary foundation, but we have to try to raise the level of abstraction: for productivity, for reliability, and for performance.
14021 This is a potent argument for using higher level, more applications-oriented libraries (if possibly, built on top of standard-library facilities).
14023 ##### Enforcement
14027 ### <a name="Rconc-volatile"></a>CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization
14029 ##### Reason
14031 In C++, unlike some other languages, `volatile` does not provide atomicity, does not synchronize between threads,
14032 and does not prevent instruction reordering (neither compiler nor hardware).
14033 It simply has nothing to do with concurrency.
14035 ##### Example, bad:
14037     int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14039     Pool* use()
14040     {
14041         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14042     }
14044 Here we have a problem:
14045 This is perfectly good code in a single-threaded program, but have two threads execute this and
14046 there is a race condition on `free_slots` so that two threads might get the same value and `free_slots`.
14047 That's (obviously) a bad data race, so people trained in other languages may try to fix it like this:
14049     volatile int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14051     Pool* use()
14052     {
14053         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14054     }
14056 This has no effect on synchronization: The data race is still there!
14058 The C++ mechanism for this is `atomic` types:
14060     atomic<int> free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14062     Pool* use()
14063     {
14064         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14065     }
14067 Now the `--` operation is atomic,
14068 rather than a read-increment-write sequence where another thread might get in-between the individual operations.
14070 ##### Alternative
14072 Use `atomic` types where you might have used `volatile` in some other language.
14073 Use a `mutex` for more complicated examples.
14075 ##### See also
14077 [(rare) proper uses of `volatile`](#Rconc-volatile2)
14079 ### <a name="Rconc-tools"></a>CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code
14081 Experience shows that concurrent code is exceptionally hard to get right
14082 and that compile-time checking, run-time checks, and testing are less effective at finding concurrency errors
14083 than they are at finding errors in sequential code.
14084 Subtle concurrency errors can have dramatically bad effects, including memory corruption and deadlocks.
14086 ##### Example
14088     ???
14090 ##### Note
14092 Thread safety is challenging, often getting the better of experienced programmers: tooling is an important strategy to mitigate those risks.
14093 There are many tools "out there", both commercial and open-source tools, both research and production tools.
14094 Unfortunately people's needs and constraints differ so dramatically that we cannot make specific recommendations,
14095 but we can mention:
14097 * Static enforcement tools: both [clang](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSafetyAnalysis.html)
14098 and some older versions of [GCC](https://gcc.gnu.org/wiki/ThreadSafetyAnnotation)
14099 have some support for static annotation of thread safety properties.
14100 Consistent use of this technique turns many classes of thread-safety errors into compile-time errors.
14101 The annotations are generally local (marking a particular member variable as guarded by a particular mutex),
14102 and are usually easy to learn. However, as with many static tools, it can often present false negatives;
14103 cases that should have been caught but were allowed.
14105 * dynamic enforcement tools: Clang's [Thread Sanitizer](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSanitizer.html) (aka TSAN)
14106 is a powerful example of dynamic tools: it changes the build and execution of your program to add bookkeeping on memory access,
14107 absolutely identifying data races in a given execution of your binary.
14108 The cost for this is both memory (5-10x in most cases) and CPU slowdown (2-20x).
14109 Dynamic tools like this are best when applied to integration tests, canary pushes, or unittests that operate on multiple threads.
14110 Workload matters: When TSAN identifies a problem, it is effectively always an actual data race,
14111 but it can only identify races seen in a given execution.
14113 ##### Enforcement
14115 It is up to an application builder to choose which support tools are valuable for a particular applications.
14117 ## <a name="SScp-con"></a>CP.con: Concurrency
14119 This section focuses on relatively ad-hoc uses of multiple threads communicating through shared data.
14121 * For parallel algorithms, see [parallelism](#SScp-par)
14122 * For inter-task communication without explicit sharing, see [messaging](#SScp-mess)
14123 * For vector parallel code, see [vectorization](#SScp-vec)
14124 * For lock-free programming, see [lock free](#SScp-free)
14126 Concurrency rule summary:
14128 * [CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`](#Rconc-raii)
14129 * [CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es](#Rconc-lock)
14130 * [CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)](#Rconc-unknown)
14131 * [CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container](#Rconc-join)
14132 * [CP.24: Think of a `thread` as a global container](#Rconc-detach)
14133 * [CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`](#Rconc-joining_thread)
14134 * [CP.26: Don't `detach()` a thread](#Rconc-detached_thread)
14135 * [CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer](#Rconc-data-by-value)
14136 * [CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`](#Rconc-shared)
14137 * [CP.40: Minimize context switching](#Rconc-switch)
14138 * [CP.41: Minimize thread creation and destruction](#Rconc-create)
14139 * [CP.42: Don't `wait` without a condition](#Rconc-wait)
14140 * [CP.43: Minimize time spent in a critical section](#Rconc-time)
14141 * [CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s](#Rconc-name)
14142 * [CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible](#Rconc-mutex)
14143 * ??? when to use a spinlock
14144 * ??? when to use `try_lock()`
14145 * ??? when to prefer `lock_guard` over `unique_lock`
14146 * ??? Time multiplexing
14147 * ??? when/how to use `new thread`
14149 ### <a name="Rconc-raii"></a>CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`
14151 ##### Reason
14153 Avoids nasty errors from unreleased locks.
14155 ##### Example, bad
14157     mutex mtx;
14159     void do_stuff()
14160     {
14161         mtx.lock();
14162         // ... do stuff ...
14163         mtx.unlock();
14164     }
14166 Sooner or later, someone will forget the `mtx.unlock()`, place a `return` in the `... do stuff ...`, throw an exception, or something.
14168     mutex mtx;
14170     void do_stuff()
14171     {
14172         unique_lock<mutex> lck {mtx};
14173         // ... do stuff ...
14174     }
14176 ##### Enforcement
14178 Flag calls of member `lock()` and `unlock()`.  ???
14181 ### <a name="Rconc-lock"></a>CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es
14183 ##### Reason
14185 To avoid deadlocks on multiple `mutex`es.
14187 ##### Example
14189 This is asking for deadlock:
14191     // thread 1
14192     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14193     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14195     // thread 2
14196     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14197     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14199 Instead, use `lock()`:
14201     // thread 1
14202     lock(m1, m2);
14203     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14204     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14206     // thread 2
14207     lock(m2, m1);
14208     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14209     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14211 or (better, but C++17 only):
14213     // thread 1
14214     scoped_lock<mutex, mutex> lck1(m1, m2);
14216     // thread 2
14217     scoped_lock<mutex, mutex> lck2(m2, m1);
14219 Here, the writers of `thread1` and `thread2` are still not agreeing on the order of the `mutex`es, but order no longer matters.
14221 ##### Note
14223 In real code, `mutex`es are rarely named to conveniently remind the programmer of an intended relation and intended order of acquisition.
14224 In real code, `mutex`es are not always conveniently acquired on consecutive lines.
14226 In C++17 it's possible to write plain
14228     lock_guard lck1(m1, adopt_lock);
14230 and have the `mutex` type deduced.
14232 ##### Enforcement
14234 Detect the acquisition of multiple `mutex`es.
14235 This is undecidable in general, but catching common simple examples (like the one above) is easy.
14238 ### <a name="Rconc-unknown"></a>CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)
14240 ##### Reason
14242 If you don't know what a piece of code does, you are risking deadlock.
14244 ##### Example
14246     void do_this(Foo* p)
14247     {
14248         lock_guard<mutex> lck {my_mutex};
14249         // ... do something ...
14250         p->act(my_data);
14251         // ...
14252     }
14254 If you don't know what `Foo::act` does (maybe it is a virtual function invoking a derived class member of a class not yet written),
14255 it may call `do_this` (recursively) and cause a deadlock on `my_mutex`.
14256 Maybe it will lock on a different mutex and not return in a reasonable time, causing delays to any code calling `do_this`.
14258 ##### Example
14260 A common example of the "calling unknown code" problem is a call to a function that tries to gain locked access to the same object.
14261 Such problem can often be solved by using a `recursive_mutex`. For example:
14263     recursive_mutex my_mutex;
14265     template<typename Action>
14266     void do_something(Action f)
14267     {
14268         unique_lock<recursive_mutex> lck {my_mutex};
14269         // ... do something ...
14270         f(this);    // f will do something to *this
14271         // ...
14272     }
14274 If, as it is likely, `f()` invokes operations on `*this`, we must make sure that the object's invariant holds before the call.
14276 ##### Enforcement
14278 * Flag calling a virtual function with a non-recursive `mutex` held
14279 * Flag calling a callback with a non-recursive `mutex` held
14282 ### <a name="Rconc-join"></a>CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container
14284 ##### Reason
14286 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14287 If a `thread` joins, we can safely pass pointers to objects in the scope of the `thread` and its enclosing scopes.
14289 ##### Example
14291     void f(int* p)
14292     {
14293         // ...
14294         *p = 99;
14295         // ...
14296     }
14297     int glob = 33;
14299     void some_fct(int* p)
14300     {
14301         int x = 77;
14302         joining_thread t0(f, &x);           // OK
14303         joining_thread t1(f, p);            // OK
14304         joining_thread t2(f, &glob);        // OK
14305         auto q = make_unique<int>(99);
14306         joining_thread t3(f, q.get());      // OK
14307         // ...
14308     }
14310 A `gsl::joining_thread` is a `std::thread` with a destructor that joins and that cannot be `detached()`.
14311 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointer to it.
14312 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14313 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14315 ##### Enforcement
14317 Ensure that `joining_thread`s don't `detach()`.
14318 After that, the usual lifetime and ownership (for local objects) enforcement applies.
14320 ### <a name="Rconc-detach"></a>CP.24: Think of a `thread` as a global container
14322 ##### Reason
14324 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14325 If a `thread` is detached, we can safely pass pointers to static and free store objects (only).
14327 ##### Example
14329     void f(int* p)
14330     {
14331         // ...
14332         *p = 99;
14333         // ...
14334     }
14336     int glob = 33;
14338     void some_fct(int* p)
14339     {
14340         int x = 77;
14341         std::thread t0(f, &x);           // bad
14342         std::thread t1(f, p);            // bad
14343         std::thread t2(f, &glob);        // OK
14344         auto q = make_unique<int>(99);
14345         std::thread t3(f, q.get());      // bad
14346         // ...
14347         t0.detach();
14348         t1.detach();
14349         t2.detach();
14350         t3.detach();
14351         // ...
14352     }
14354 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointers to it.
14355 By "bad" we mean that a `thread` may use a pointer after the pointed-to object is destroyed.
14356 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14357 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14359 ##### Note
14361 Even objects with static storage duration can be problematic if used from detached threads: if the
14362 thread continues until the end of the program, it might be running concurrently with the destruction
14363 of objects with static storage duration, and thus accesses to such objects might race.
14365 ##### Note
14367 This rule is redundant if you [don't `detach()`](#Rconc-detached_thread) and [use `gsl::joining_thread`](#Rconc-joining_thread).
14368 However, converting code to follow those guidelines could be difficult and even impossible for third-party libraries.
14369 In such cases, the rule becomes essential for lifetime safety and type safety.
14372 In general, it is undecidable whether a `detach()` is executed for a `thread`, but simple common cases are easily detected.
14373 If we cannot prove that a `thread` does not `detach()`, we must assume that it does and that it outlives the scope in which it was constructed;
14374 After that, the usual lifetime and ownership (for global objects) enforcement applies.
14376 ##### Enforcement
14378 Flag attempts to pass local variables to a thread that might `detach()`.
14380 ### <a name="Rconc-joining_thread"></a>CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`
14382 ##### Reason
14384 A `joining_thread` is a thread that joins at the end of its scope.
14385 Detached threads are hard to monitor.
14386 It is harder to ensure absence of errors in detached threads (and potentially detached threads)
14388 ##### Example, bad
14390     void f() { std::cout << "Hello "; }
14392     struct F {
14393         void operator()() { std::cout << "parallel world "; }
14394     };
14396     int main()
14397     {
14398         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14399         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14400     }  // spot the bugs
14402 ##### Example
14404     void f() { std::cout << "Hello "; }
14406     struct F {
14407         void operator()() { std::cout << "parallel world "; }
14408     };
14410     int main()
14411     {
14412         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14413         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14415         t1.join();
14416         t2.join();
14417     }  // one bad bug left
14420 ##### Example, bad
14422 The code determining whether to `join()` or `detach()` may be complicated and even decided in the thread of functions called from it or functions called by the function that creates a thread:
14424     void tricky(thread* t, int n)
14425     {
14426         // ...
14427         if (is_odd(n))
14428             t->detach();
14429         // ...
14430     }
14432     void use(int n)
14433     {
14434         thread t { tricky, this, n };
14435         // ...
14436         // ... should I join here? ...
14437     }
14439 This seriously complicates lifetime analysis, and in not too unlikely cases makes lifetime analysis impossible.
14440 This implies that we cannot safely refer to local objects in `use()` from the thread or refer to local objects in the thread from `use()`.
14442 ##### Note
14444 Make "immortal threads" globals, put them in an enclosing scope, or put them on the free store rather than `detach()`.
14445 [don't `detach`](#Rconc-detached_thread).
14447 ##### Note
14449 Because of old code and third party libraries using `std::thread` this rule can be hard to introduce.
14451 ##### Enforcement
14453 Flag uses of `std::thread`:
14455 * Suggest use of `gsl::joining_thread`.
14456 * Suggest ["exporting ownership"](#Rconc-detached_thread) to an enclosing scope if it detaches.
14457 * Seriously warn if it is not obvious whether if joins of detaches.
14459 ### <a name="Rconc-detached_thread"></a>CP.26: Don't `detach()` a thread
14461 ##### Reason
14463 Often, the need to outlive the scope of its creation is inherent in the `thread`s task,
14464 but implementing that idea by `detach` makes it harder to monitor and communicate with the detached thread.
14465 In particular, it is harder (though not impossible) to ensure that the thread completed as expected or lives for as long as expected.
14467 ##### Example
14469     void heartbeat();
14471     void use()
14472     {
14473         std::thread t(heartbeat);             // don't join; heartbeat is meant to run forever
14474         t.detach();
14475         // ...
14476     }
14478 This is a reasonable use of a thread, for which `detach()` is commonly used.
14479 There are problems, though.
14480 How do we monitor the detached thread to see if it is alive?
14481 Something might go wrong with the heartbeat, and losing a heartbeat can be very serious in a system for which it is needed.
14482 So, we need to communicate with the heartbeat thread
14483 (e.g., through a stream of messages or notification events using a `condition_variable`).
14485 An alternative, and usually superior solution is to control its lifetime by placing it in a scope outside its point of creation (or activation).
14486 For example:
14488     void heartbeat();
14490     gsl::joining_thread t(heartbeat);             // heartbeat is meant to run "forever"
14492 This heartbeat will (barring error, hardware problems, etc.) run for as long as the program does.
14494 Sometimes, we need to separate the point of creation from the point of ownership:
14496     void heartbeat();
14498     unique_ptr<gsl::joining_thread> tick_tock {nullptr};
14500     void use()
14501     {
14502         // heartbeat is meant to run as long as tick_tock lives
14503         tick_tock = make_unique<gsl::joining_thread>(heartbeat);
14504         // ...
14505     }
14507 #### Enforcement
14509 Flag `detach()`.
14512 ### <a name="Rconc-data-by-value"></a>CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer
14514 ##### Reason
14516 Copying a small amount of data is cheaper to copy and access than to share it using some locking mechanism.
14517 Copying naturally gives unique ownership (simplifies code) and eliminates the possibility of data races.
14519 ##### Note
14521 Defining "small amount" precisely is impossible.
14523 ##### Example
14525     string modify1(string);
14526     void modify2(string&);
14528     void fct(string& s)
14529     {
14530         auto res = async(modify1, s);
14531         async(modify2, s);
14532     }
14534 The call of `modify1` involves copying two `string` values; the call of `modify2` does not.
14535 On the other hand, the implementation of `modify1` is exactly as we would have written it for single-threaded code,
14536 whereas the implementation of `modify2` will need some form of locking to avoid data races.
14537 If the string is short (say 10 characters), the call of `modify1` can be surprisingly fast;
14538 essentially all the cost is in the `thread` switch. If the string is long (say 1,000,000 characters), copying it twice
14539 is probably not a good idea.
14541 Note that this argument has nothing to do with `async` as such. It applies equally to considerations about whether to use
14542 message passing or shared memory.
14544 ##### Enforcement
14549 ### <a name="Rconc-shared"></a>CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`
14551 ##### Reason
14553 If threads are unrelated (that is, not known to be in the same scope or one within the lifetime of the other)
14554 and they need to share free store memory that needs to be deleted, a `shared_ptr` (or equivalent) is the only
14555 safe way to ensure proper deletion.
14557 ##### Example
14559     ???
14561 ##### Note
14563 * A static object (e.g. a global) can be shared because it is not owned in the sense that some thread is responsible for its deletion.
14564 * An object on free store that is never to be deleted can be shared.
14565 * An object owned by one thread can be safely shared with another as long as that second thread doesn't outlive the owner.
14567 ##### Enforcement
14572 ### <a name="Rconc-switch"></a>CP.40: Minimize context switching
14574 ##### Reason
14576 Context switches are expensive.
14578 ##### Example
14580     ???
14582 ##### Enforcement
14587 ### <a name="Rconc-create"></a>CP.41: Minimize thread creation and destruction
14589 ##### Reason
14591 Thread creation is expensive.
14593 ##### Example
14595     void worker(Message m)
14596     {
14597         // process
14598     }
14600     void master(istream& is)
14601     {
14602         for (Message m; is >> m; )
14603             run_list.push_back(new thread(worker, m));
14604     }
14606 This spawns a `thread` per message, and the `run_list` is presumably managed to destroy those tasks once they are finished.
14608 Instead, we could have a set of pre-created worker threads processing the messages
14610     Sync_queue<Message> work;
14612     void master(istream& is)
14613     {
14614         for (Message m; is >> m; )
14615             work.put(m);
14616     }
14618     void worker()
14619     {
14620         for (Message m; m = work.get(); ) {
14621             // process
14622         }
14623     }
14625     void workers()  // set up worker threads (specifically 4 worker threads)
14626     {
14627         joining_thread w1 {worker};
14628         joining_thread w2 {worker};
14629         joining_thread w3 {worker};
14630         joining_thread w4 {worker};
14631     }
14633 ##### Note
14635 If your system has a good thread pool, use it.
14636 If your system has a good message queue, use it.
14638 ##### Enforcement
14643 ### <a name="Rconc-wait"></a>CP.42: Don't `wait` without a condition
14645 ##### Reason
14647 A `wait` without a condition can miss a wakeup or wake up simply to find that there is no work to do.
14649 ##### Example, bad
14651     std::condition_variable cv;
14652     std::mutex mx;
14654     void thread1()
14655     {
14656         while (true) {
14657             // do some work ...
14658             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14659             cv.notify_one();    // wake other thread
14660         }
14661     }
14663     void thread2()
14664     {
14665         while (true) {
14666             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14667             cv.wait(lock);    // might block forever
14668             // do work ...
14669         }
14670     }
14672 Here, if some other `thread` consumes `thread1`'s notification, `thread2` can wait forever.
14674 ##### Example
14676     template<typename T>
14677     class Sync_queue {
14678     public:
14679         void put(const T& val);
14680         void put(T&& val);
14681         void get(T& val);
14682     private:
14683         mutex mtx;
14684         condition_variable cond;    // this controls access
14685         list<T> q;
14686     };
14688     template<typename T>
14689     void Sync_queue<T>::put(const T& val)
14690     {
14691         lock_guard<mutex> lck(mtx);
14692         q.push_back(val);
14693         cond.notify_one();
14694     }
14696     template<typename T>
14697     void Sync_queue<T>::get(T& val)
14698     {
14699         unique_lock<mutex> lck(mtx);
14700         cond.wait(lck, [this]{ return !q.empty(); });    // prevent spurious wakeup
14701         val = q.front();
14702         q.pop_front();
14703     }
14705 Now if the queue is empty when a thread executing `get()` wakes up (e.g., because another thread has gotten to `get()` before it),
14706 it will immediately go back to sleep, waiting.
14708 ##### Enforcement
14710 Flag all `wait`s without conditions.
14713 ### <a name="Rconc-time"></a>CP.43: Minimize time spent in a critical section
14715 ##### Reason
14717 The less time is spent with a `mutex` taken, the less chance that another `thread` has to wait,
14718 and `thread` suspension and resumption are expensive.
14720 ##### Example
14722     void do_something() // bad
14723     {
14724         unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14725         do0();  // preparation: does not need lock
14726         do1();  // transaction: needs locking
14727         do2();  // cleanup: does not need locking
14728     }
14730 Here, we are holding the lock for longer than necessary:
14731 We should not have taken the lock before we needed it and should have released it again before starting the cleanup.
14732 We could rewrite this to
14734     void do_something() // bad
14735     {
14736         do0();  // preparation: does not need lock
14737         my_lock.lock();
14738         do1();  // transaction: needs locking
14739         my_lock.unlock();
14740         do2();  // cleanup: does not need locking
14741     }
14743 But that compromises safety and violates the [use RAII](#Rconc-raii) rule.
14744 Instead, add a block for the critical section:
14746     void do_something() // OK
14747     {
14748         do0();  // preparation: does not need lock
14749         {
14750             unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14751             do1();  // transaction: needs locking
14752         }
14753         do2();  // cleanup: does not need locking
14754     }
14756 ##### Enforcement
14758 Impossible in general.
14759 Flag "naked" `lock()` and `unlock()`.
14762 ### <a name="Rconc-name"></a>CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s
14764 ##### Reason
14766 An unnamed local objects is a temporary that immediately goes out of scope.
14768 ##### Example
14770     unique_lock<mutex>(m1);
14771     lock_guard<mutex> {m2};
14772     lock(m1, m2);
14774 This looks innocent enough, but it isn't.
14776 ##### Enforcement
14778 Flag all unnamed `lock_guard`s and `unique_lock`s.
14782 ### <a name="Rconc-mutex"></a>CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible
14784 ##### Reason
14786 It should be obvious to a reader that the data is to be guarded and how. This decreases the chance of the wrong mutex being locked, or the mutex not being locked.
14788 Using a `synchronized_value<T>` ensures that the data has a mutex, and the right mutex is locked when the data is accessed.
14789 See the [WG21 proposal](http://wg21.link/p0290)) to add `synchronized_value` to a future TS or revision of the C++ standard.
14791 ##### Example
14793     struct Record {
14794         std::mutex m;   // take this mutex before accessing other members
14795         // ...
14796     };
14798     class MyClass {
14799         struct DataRecord {
14800            // ...
14801         };
14802         synchronized_value<DataRecord> data; // Protect the data with a mutex
14803     };
14805 ##### Enforcement
14807 ??? Possible?
14810 ## <a name="SScp-par"></a>CP.par: Parallelism
14812 By "parallelism" we refer to performing a task (more or less) simultaneously ("in parallel with") on many data items.
14814 Parallelism rule summary:
14816 * ???
14817 * ???
14818 * Where appropriate, prefer the standard-library parallel algorithms
14819 * Use algorithms that are designed for parallelism, not algorithms with unnecessary dependency on linear evaluation
14823 ## <a name="SScp-mess"></a>CP.mess: Message passing
14825 The standard-library facilities are quite low-level, focused on the needs of close-to the hardware critical programming using `thread`s, `mutex`es, `atomic` types, etc.
14826 Most people shouldn't work at this level: it's error-prone and development is slow.
14827 If possible, use a higher level facility: messaging libraries, parallel algorithms, and vectorization.
14828 This section looks at passing messages so that a programmer doesn't have to do explicit synchronization.
14830 Message passing rules summary:
14832 * [CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task](#Rconc-future)
14833 * [CP.61: Use a `async()` to spawn a concurrent task](#Rconc-async)
14834 * message queues
14835 * messaging libraries
14837 ???? should there be a "use X rather than `std::async`" where X is something that would use a better specified thread pool?
14839 ??? Is `std::async` worth using in light of future (and even existing, as libraries) parallelism facilities? What should the guidelines recommend if someone wants to parallelize, e.g., `std::accumulate` (with the additional precondition of commutativity), or merge sort?
14842 ### <a name="Rconc-future"></a>CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task
14844 ##### Reason
14846 A `future` preserves the usual function call return semantics for asynchronous tasks.
14847 The is no explicit locking and both correct (value) return and error (exception) return are handled simply.
14849 ##### Example
14851     ???
14853 ##### Note
14857 ##### Enforcement
14861 ### <a name="Rconc-async"></a>CP.61: Use a `async()` to spawn a concurrent task
14863 ##### Reason
14865 A `future` preserves the usual function call return semantics for asynchronous tasks.
14866 The is no explicit locking and both correct (value) return and error (exception) return are handled simply.
14868 ##### Example
14870     ???
14872 ##### Note
14874 Unfortunately, `async()` is not perfect.
14875 For example, there is no guarantee that a thread pool is used to minimize thread construction.
14876 In fact, most current `async()` implementations don't.
14877 However, `async()` is simple and logically correct so until something better comes along
14878 and unless you really need to optimize for many asynchronous tasks, stick with `async()`.
14880 ##### Enforcement
14885 ## <a name="SScp-vec"></a>CP.vec: Vectorization
14887 Vectorization is a technique for executing a number of tasks concurrently without introducing explicit synchronization.
14888 An operation is simply applied to elements of a data structure (a vector, an array, etc.) in parallel.
14889 Vectorization has the interesting property of often requiring no non-local changes to a program.
14890 However, vectorization works best with simple data structures and with algorithms specifically crafted to enable it.
14892 Vectorization rule summary:
14894 * ???
14895 * ???
14897 ## <a name="SScp-free"></a>CP.free: Lock-free programming
14899 Synchronization using `mutex`es and `condition_variable`s can be relatively expensive.
14900 Furthermore, it can lead to deadlock.
14901 For performance and to eliminate the possibility of deadlock, we sometimes have to use the tricky low-level "lock-free" facilities
14902 that rely on briefly gaining exclusive ("atomic") access to memory.
14903 Lock-free programming is also used to implement higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es.
14905 Lock-free programming rule summary:
14907 * [CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to](#Rconc-lockfree)
14908 * [CP.101: Distrust your hardware/compiler combination](#Rconc-distrust)
14909 * [CP.102: Carefully study the literature](#Rconc-literature)
14910 * how/when to use atomics
14911 * avoid starvation
14912 * use a lock-free data structure rather than hand-crafting specific lock-free access
14913 * [CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization](#Rconc-double)
14914 * [CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking](#Rconc-double-pattern)
14915 * how/when to compare and swap
14918 ### <a name="Rconc-lockfree"></a>CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to
14920 ##### Reason
14922 It's error-prone and requires expert level knowledge of language features, machine architecture, and data structures.
14924 ##### Example, bad
14926     extern atomic<Link*> head;        // the shared head of a linked list
14928     Link* nh = new Link(data, nullptr);    // make a link ready for insertion
14929     Link* h = head.load();                 // read the shared head of the list
14931     do {
14932         if (h->data <= data) break;        // if so, insert elsewhere
14933         nh->next = h;                      // next element is the previous head
14934     } while (!head.compare_exchange_weak(h, nh));    // write nh to head or to h
14936 Spot the bug.
14937 It would be really hard to find through testing.
14938 Read up on the ABA problem.
14940 ##### Exception
14942 [Atomic variables](#???) can be used simply and safely, as long as you are using the sequentially consistent memory model (memory_order_seq_cst), which is the default.
14944 ##### Note
14946 Higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es are implemented using lock-free programming.
14948 **Alternative**: Use lock-free data structures implemented by others as part of some library.
14951 ### <a name="Rconc-distrust"></a>CP.101: Distrust your hardware/compiler combination
14953 ##### Reason
14955 The low-level hardware interfaces used by lock-free programming are among the hardest to implement well and among
14956 the areas where the most subtle portability problems occur.
14957 If you are doing lock-free programming for performance, you need to check for regressions.
14959 ##### Note
14961 Instruction reordering (static and dynamic) makes it hard for us to think effectively at this level (especially if you use relaxed memory models).
14962 Experience, (semi)formal models and model checking can be useful.
14963 Testing - often to an extreme extent - is essential.
14964 "Don't fly too close to the sun."
14966 ##### Enforcement
14968 Have strong rules for re-testing in place that covers any change in hardware, operating system, compiler, and libraries.
14971 ### <a name="Rconc-literature"></a>CP.102: Carefully study the literature
14973 ##### Reason
14975 With the exception of atomics and a few use standard patterns, lock-free programming is really an expert-only topic.
14976 Become an expert before shipping lock-free code for others to use.
14978 ##### References
14980 * Anthony Williams: C++ concurrency in action. Manning Publications.
14981 * Boehm, Adve, You Don't Know Jack About Shared Variables or Memory Models , Communications of the ACM, Feb 2012.
14982 * Boehm, "Threads Basics", HPL TR 2009-259.
14983 * Adve, Boehm, "Memory Models: A Case for Rethinking Parallel Languages and Hardware", Communications of the ACM, August 2010.
14984 * Boehm, Adve, "Foundations of the C++ Concurrency Memory Model", PLDI 08.
14985 * Mark Batty, Scott Owens, Susmit Sarkar, Peter Sewell, and Tjark Weber, "Mathematizing C++ Concurrency", POPL 2011.
14986 * Damian Dechev, Peter Pirkelbauer, and Bjarne Stroustrup: Understanding and Effectively Preventing the ABA Problem in Descriptor-based Lock-free Designs. 13th IEEE Computer Society ISORC 2010 Symposium. May 2010.
14987 * Damian Dechev and Bjarne Stroustrup: Scalable Non-blocking Concurrent Objects for Mission Critical Code. ACM OOPSLA'09. October 2009
14988 * Damian Dechev, Peter Pirkelbauer, Nicolas Rouquette, and Bjarne Stroustrup: Semantically Enhanced Containers for Concurrent Real-Time Systems. Proc. 16th Annual IEEE International Conference and Workshop on the Engineering of Computer Based Systems (IEEE ECBS). April 2009.
14991 ### <a name="Rconc-double"></a>CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization
14993 ##### Reason
14995 Since C++11, static local variables are now initialized in a thread-safe way. When combined with the RAII pattern, static local variables can replace the need for writing your own double-checked locking for initialization. std::call_once can also achieve the same purpose. Use either static local variables of C++11 or std::call_once instead of writing your own double-checked locking for initialization.
14997 ##### Example
14999 Example with std::call_once.
15001     void f()
15002     {
15003         static std::once_flag my_once_flag;
15004         std::call_once(my_once_flag, []()
15005         {
15006             // do this only once
15007         });
15008         // ...
15009     }
15011 Example with thread-safe static local variables of C++11.
15013     void f()
15014     {
15015         // Assuming the compiler is compliant with C++11
15016         static My_class my_object; // Constructor called only once
15017         // ...
15018     }
15020     class My_class
15021     {
15022     public:
15023         My_class()
15024         {
15025             // do this only once
15026         }
15027     };
15029 ##### Enforcement
15031 ??? Is it possible to detect the idiom?
15034 ### <a name="Rconc-double-pattern"></a>CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking
15036 ##### Reason
15038 Double-checked locking is easy to mess up. If you really need to write your own double-checked locking, in spite of the rules [CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization](#Rconc-double) and [CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to](#Rconc-lockfree), then do it in a conventional pattern.
15040 The uses of the double-checked locking pattern that are not in violation of [CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization](#Rconc-double) arise when a non-thread-safe action is both hard and rare, and there exists a fast thread-safe test that can be used to guarantee that the action is not needed, but cannot be used to guarantee the converse.
15042 ##### Example, bad
15044 The use of volatile does not make the first check thread-safe, see also [CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory](#Rconc-volatile2)
15046     mutex action_mutex;
15047     volatile bool action_needed;
15049     if (action_needed) {
15050         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15051         if (action_needed) {
15052             take_action();
15053             action_needed = false;
15054         }
15055     }
15057 ##### Example, good
15059     mutex action_mutex;
15060     atomic<bool> action_needed;
15062     if (action_needed) {
15063         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15064         if (action_needed) {
15065             take_action();
15066             action_needed = false;
15067         }
15068     }
15070 Fine-tuned memory order may be beneficial where acquire load is more efficient than sequentially-consistent load
15072     mutex action_mutex;
15073     atomic<bool> action_needed;
15075     if (action_needed.load(memory_order_acquire)) {
15076         lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15077         if (action_needed.load(memory_order_relaxed)) {
15078             take_action();
15079             action_needed.store(false, memory_order_release);
15080         }
15081     }
15083 ##### Enforcement
15085 ??? Is it possible to detect the idiom?
15088 ## <a name="SScp-etc"></a>CP.etc: Etc. concurrency rules
15090 These rules defy simple categorization:
15092 * [CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory](#Rconc-volatile2)
15093 * [CP.201: ??? Signals](#Rconc-signal)
15095 ### <a name="Rconc-volatile2"></a>CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory
15097 ##### Reason
15099 `volatile` is used to refer to objects that are shared with "non-C++" code or hardware that does not follow the C++ memory model.
15101 ##### Example
15103     const volatile long clock;
15105 This describes a register constantly updated by a clock circuit.
15106 `clock` is `volatile` because its value will change without any action from the C++ program that uses it.
15107 For example, reading `clock` twice will often yield two different values, so the optimizer had better not optimize away the second read in this code:
15109     long t1 = clock;
15110     // ... no use of clock here ...
15111     long t2 = clock;
15113 `clock` is `const` because the program should not try to write to `clock`.
15115 ##### Note
15117 Unless you are writing the lowest level code manipulating hardware directly, consider `volatile` an esoteric feature that is best avoided.
15119 ##### Example
15121 Usually C++ code receives `volatile` memory that is owned Elsewhere (hardware or another language):
15123     int volatile* vi = get_hardware_memory_location();
15124         // note: we get a pointer to someone else's memory here
15125         // volatile says "treat this with extra respect"
15127 Sometimes C++ code allocates the `volatile` memory and shares it with "elsewhere" (hardware or another language) by deliberately escaping a pointer:
15129     static volatile long vl;
15130     please_use_this(&vl);   // escape a reference to this to "elsewhere" (not C++)
15132 ##### Example; bad
15134 `volatile` local variables are nearly always wrong -- how can they be shared with other languages or hardware if they're ephemeral?
15135 The same applies almost as strongly to member variables, for the same reason.
15137     void f() {
15138         volatile int i = 0; // bad, volatile local variable
15139         // etc.
15140     }
15142     class My_type {
15143         volatile int i = 0; // suspicious, volatile member variable
15144         // etc.
15145     };
15147 ##### Note
15149 In C++, unlike in some other languages, `volatile` has [nothing to do with synchronization](#Rconc-volatile).
15151 ##### Enforcement
15153 * Flag `volatile T` local and member variables; almost certainly you intended to use `atomic<T>` instead.
15154 * ???
15156 ### <a name="Rconc-signal"></a>CP.201: ??? Signals
15158 ???UNIX signal handling???. May be worth reminding how little is async-signal-safe, and how to communicate with a signal handler (best is probably "not at all")
15161 # <a name="S-errors"></a>E: Error handling
15163 Error handling involves:
15165 * Detecting an error
15166 * Transmitting information about an error to some handler code
15167 * Preserve the state of a program in a valid state
15168 * Avoid resource leaks
15170 It is not possible to recover from all errors. If recovery from an error is not possible, it is important to quickly "get out" in a well-defined way. A strategy for error handling must be simple, or it becomes a source of even worse errors.  Untested and rarely executed error-handling code is itself the source of many bugs.
15172 The rules are designed to help avoid several kinds of errors:
15174 * Type violations (e.g., misuse of `union`s and casts)
15175 * Resource leaks (including memory leaks)
15176 * Bounds errors
15177 * Lifetime errors (e.g., accessing an object after is has been `delete`d)
15178 * Complexity errors (logical errors made likely by overly complex expression of ideas)
15179 * Interface errors (e.g., an unexpected value is passed through an interface)
15181 Error-handling rule summary:
15183 * [E.1: Develop an error-handling strategy early in a design](#Re-design)
15184 * [E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task](#Re-throw)
15185 * [E.3: Use exceptions for error handling only](#Re-errors)
15186 * [E.4: Design your error-handling strategy around invariants](#Re-design-invariants)
15187 * [E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot](#Re-invariant)
15188 * [E.6: Use RAII to prevent leaks](#Re-raii)
15189 * [E.7: State your preconditions](#Re-precondition)
15190 * [E.8: State your postconditions](#Re-postcondition)
15192 * [E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable](#Re-noexcept)
15193 * [E.13: Never throw while being the direct owner of an object](#Re-never-throw)
15194 * [E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)](#Re-exception-types)
15195 * [E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference](#Re-exception-ref)
15196 * [E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail](#Re-never-fail)
15197 * [E.17: Don't try to catch every exception in every function](#Re-not-always)
15198 * [E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`](#Re-catch)
15199 * [E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available](#Re-finally)
15201 * [E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management](#Re-no-throw-raii)
15202 * [E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast](#Re-no-throw-crash)
15203 * [E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically](#Re-no-throw-codes)
15204 * [E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)](#Re-no-throw)
15206 * [E.30: Don't use exception specifications](#Re-specifications)
15207 * [E.31: Properly order your `catch`-clauses](#Re_catch)
15209 ### <a name="Re-design"></a>E.1: Develop an error-handling strategy early in a design
15211 ##### Reason
15213 A consistent and complete strategy for handling errors and resource leaks is hard to retrofit into a system.
15215 ### <a name="Re-throw"></a>E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task
15217 ##### Reason
15219 To make error handling systematic, robust, and non-repetitive.
15221 ##### Example
15223     struct Foo {
15224         vector<Thing> v;
15225         File_handle f;
15226         string s;
15227     };
15229     void use()
15230     {
15231         Foo bar {{Thing{1}, Thing{2}, Thing{monkey}}, {"my_file", "r"}, "Here we go!"};
15232         // ...
15233     }
15235 Here, `vector` and `string`s constructors may not be able to allocate sufficient memory for their elements, `vector`s constructor may not be able copy the `Thing`s in its initializer list, and `File_handle` may not be able to open the required file.
15236 In each case, they throw an exception for `use()`'s caller to handle.
15237 If `use()` could handle the failure to construct `bar` it can take control using `try`/`catch`.
15238 In either case, `Foo`'s constructor correctly destroys constructed members before passing control to whatever tried to create a `Foo`.
15239 Note that there is no return value that could contain an error code.
15241 The `File_handle` constructor might be defined like this:
15243     File_handle::File_handle(const string& name, const string& mode)
15244         :f{fopen(name.c_str(), mode.c_str())}
15245     {
15246         if (!f)
15247             throw runtime_error{"File_handle: could not open " + name + " as " + mode};
15248     }
15250 ##### Note
15252 It is often said that exceptions are meant to signal exceptional events and failures.
15253 However, that's a bit circular because "what is exceptional?"
15254 Examples:
15256 * A precondition that cannot be met
15257 * A constructor that cannot construct an object (failure to establish its class's [invariant](#Rc-struct))
15258 * An out-of-range error (e.g., `v[v.size()] = 7`)
15259 * Inability to acquire a resource (e.g., the network is down)
15261 In contrast, termination of an ordinary loop is not exceptional.
15262 Unless the loop was meant to be infinite, termination is normal and expected.
15264 ##### Note
15266 Don't use a `throw` as simply an alternative way of returning a value from a function.
15268 ##### Exception
15270 Some systems, such as hard-real-time systems require a guarantee that an action is taken in a (typically short) constant maximum time known before execution starts. Such systems can use exceptions only if there is tool support for accurately predicting the maximum time to recover from a `throw`.
15272 **See also**: [RAII](#Re-raii)
15274 **See also**: [discussion](#Sd-noexcept)
15276 ##### Note
15278 Before deciding that you cannot afford or don't like exception-based error handling, have a look at the [alternatives](#Re-no-throw-raii);
15279 they have their own complexities and problems.
15280 Also, as far as possible, measure before making claims about efficiency.
15282 ### <a name="Re-errors"></a>E.3: Use exceptions for error handling only
15284 ##### Reason
15286 To keep error handling separated from "ordinary code."
15287 C++ implementations tend to be optimized based on the assumption that exceptions are rare.
15289 ##### Example, don't
15291     // don't: exception not used for error handling
15292     int find_index(vector<string>& vec, const string& x)
15293     {
15294         try {
15295             for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); ++i)
15296                 if (vec[i] == x) throw i;  // found x
15297         } catch (int i) {
15298             return i;
15299         }
15300         return -1;   // not found
15301     }
15303 This is more complicated and most likely runs much slower than the obvious alternative.
15304 There is nothing exceptional about finding a value in a `vector`.
15306 ##### Enforcement
15308 Would need to be heuristic.
15309 Look for exception values "leaked" out of `catch` clauses.
15311 ### <a name="Re-design-invariants"></a>E.4: Design your error-handling strategy around invariants
15313 ##### Reason
15315 To use an object it must be in a valid state (defined formally or informally by an invariant) and to recover from an error every object not destroyed must be in a valid state.
15317 ##### Note
15319 An [invariant](#Rc-struct) is logical condition for the members of an object that a constructor must establish for the public member functions to assume.
15321 ##### Enforcement
15325 ### <a name="Re-invariant"></a>E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot
15327 ##### Reason
15329 Leaving an object without its invariant established is asking for trouble.
15330 Not all member functions can be called.
15332 ##### Example
15334     class Vector {  // very simplified vector of doubles
15335         // if elem != nullptr then elem points to sz doubles
15336     public:
15337         Vector() : elem{nullptr}, sz{0}{}
15338         Vector(int s) : elem{new double[s]}, sz{s} { /* initialize elements */ }
15339         ~Vector() { delete [] elem; }
15340         double& operator[](int s) { return elem[s]; }
15341         // ...
15342     private:
15343         owner<double*> elem;
15344         int sz;
15345     };
15347 The class invariant - here stated as a comment - is established by the constructors.
15348 `new` throws if it cannot allocate the required memory.
15349 The operators, notably the subscript operator, relies on the invariant.
15351 **See also**: [If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
15353 ##### Enforcement
15355 Flag classes with `private` state without a constructor (public, protected, or private).
15357 ### <a name="Re-raii"></a>E.6: Use RAII to prevent leaks
15359 ##### Reason
15361 Leaks are typically unacceptable.
15362 Manual resource release is error-prone.
15363 RAII ("Resource Acquisition Is Initialization") is the simplest, most systematic way of preventing leaks.
15365 ##### Example
15367     void f1(int i)   // Bad: possibly leak
15368     {
15369         int* p = new int[12];
15370         // ...
15371         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15372         // ...
15373     }
15375 We could carefully release the resource before the throw:
15377     void f2(int i)   // Clumsy and error-prone: explicit release
15378     {
15379         int* p = new int[12];
15380         // ...
15381         if (i < 17) {
15382             delete[] p;
15383             throw Bad{"in f()", i};
15384         }
15385         // ...
15386     }
15388 This is verbose. In larger code with multiple possible `throw`s explicit releases become repetitive and error-prone.
15390     void f3(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15391     {
15392         auto p = make_unique<int[]>(12);
15393         // ...
15394         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15395         // ...
15396     }
15398 Note that this works even when the `throw` is implicit because it happened in a called function:
15400     void f4(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15401     {
15402         auto p = make_unique<int[]>(12);
15403         // ...
15404         helper(i);   // may throw
15405         // ...
15406     }
15408 Unless you really need pointer semantics, use a local resource object:
15410     void f5(int i)   // OK: resource management done by local object
15411     {
15412         vector<int> v(12);
15413         // ...
15414         helper(i);   // may throw
15415         // ...
15416     }
15418 That's even simpler and safer, and often more efficient.
15420 ##### Note
15422 If there is no obvious resource handle and for some reason defining a proper RAII object/handle is infeasible,
15423 as a last resort, cleanup actions can be represented by a [`final_action`](#Re-finally) object.
15425 ##### Note
15427 But what do we do if we are writing a program where exceptions cannot be used?
15428 First challenge that assumption; there are many anti-exceptions myths around.
15429 We know of only a few good reasons:
15431 * We are on a system so small that the exception support would eat up most of our 2K memory.
15432 * We are in a hard-real-time system and we don't have tools that guarantee us that an exception is handled within the required time.
15433 * We are in a system with tons of legacy code using lots of pointers in difficult-to-understand ways
15434   (in particular without a recognizable ownership strategy) so that exceptions could cause leaks.
15435 * Our implementation of the C++ exception mechanisms is unreasonably poor
15436 (slow, memory consuming, failing to work correctly for dynamically linked libraries, etc.).
15437 Complain to your implementation purveyor; if no user complains, no improvement will happen.
15438 * We get fired if we challenge our manager's ancient wisdom.
15440 Only the first of these reasons is fundamental, so whenever possible, use exceptions to implement RAII, or design your RAII objects to never fail.
15441 When exceptions cannot be used, simulate RAII.
15442 That is, systematically check that objects are valid after construction and still release all resources in the destructor.
15443 One strategy is to add a `valid()` operation to every resource handle:
15445     void f()
15446     {
15447         vector<string> vs(100);   // not std::vector: valid() added
15448         if (!vs.valid()) {
15449             // handle error or exit
15450         }
15452         ifstream fs("foo");   // not std::ifstream: valid() added
15453         if (!fs.valid()) {
15454             // handle error or exit
15455         }
15457         // ...
15458     } // destructors clean up as usual
15460 Obviously, this increases the size of the code, doesn't allow for implicit propagation of "exceptions" (`valid()` checks), and `valid()` checks can be forgotten.
15461 Prefer to use exceptions.
15463 **See also**: [Use of `noexcept`](#Se-noexcept)
15465 ##### Enforcement
15469 ### <a name="Re-precondition"></a>E.7: State your preconditions
15471 ##### Reason
15473 To avoid interface errors.
15475 **See also**: [precondition rule](#Ri-pre)
15477 ### <a name="Re-postcondition"></a>E.8: State your postconditions
15479 ##### Reason
15481 To avoid interface errors.
15483 **See also**: [postcondition rule](#Ri-post)
15485 ### <a name="Re-noexcept"></a>E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable
15487 ##### Reason
15489 To make error handling systematic, robust, and efficient.
15491 ##### Example
15493     double compute(double d) noexcept
15494     {
15495         return log(sqrt(d <= 0 ? 1 : d));
15496     }
15498 Here, we know that `compute` will not throw because it is composed out of operations that don't throw.
15499 By declaring `compute` to be `noexcept`, we give the compiler and human readers information that can make it easier for them to understand and manipulate `compute`.
15501 ##### Note
15503 Many standard-library functions are `noexcept` including all the standard-library functions "inherited" from the C Standard Library.
15505 ##### Example
15507     vector<double> munge(const vector<double>& v) noexcept
15508     {
15509         vector<double> v2(v.size());
15510         // ... do something ...
15511     }
15513 The `noexcept` here states that I am not willing or able to handle the situation where I cannot construct the local `vector`.
15514 That is, I consider memory exhaustion a serious design error (on par with hardware failures) so that I'm willing to crash the program if it happens.
15516 ##### Note
15518 Do not use traditional [exception-specifications](#Re-specifications).
15520 ##### See also
15522 [discussion](#Sd-noexcept).
15524 ### <a name="Re-never-throw"></a>E.13: Never throw while being the direct owner of an object
15526 ##### Reason
15528 That would be a leak.
15530 ##### Example
15532     void leak(int x)   // don't: may leak
15533     {
15534         auto p = new int{7};
15535         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // may leak *p
15536         // ...
15537         delete p;   // we may never get here
15538     }
15540 One way of avoiding such problems is to use resource handles consistently:
15542     void no_leak(int x)
15543     {
15544         auto p = make_unique<int>(7);
15545         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // will delete *p if necessary
15546         // ...
15547         // no need for delete p
15548     }
15550 Another solution (often better) would be to use a local variable to eliminate explicit use of pointers:
15552     void no_leak_simplified(int x)
15553     {
15554         vector<int> v(7);
15555         // ...
15556     }
15558 ##### Note
15560 If you have local "things" that requires cleanup, but is not represented by an object with a destructor, such cleanup must
15561 also be done before a `throw`.
15562 Sometimes, [`finally()`](#Re-finally) can make such unsystematic cleanup a bit more manageable.
15564 ### <a name="Re-exception-types"></a>E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)
15566 ##### Reason
15568 A user-defined type is unlikely to clash with other people's exceptions.
15570 ##### Example
15572     void my_code()
15573     {
15574         // ...
15575         throw Moonphase_error{};
15576         // ...
15577     }
15579     void your_code()
15580     {
15581         try {
15582             // ...
15583             my_code();
15584             // ...
15585         }
15586         catch(const Bufferpool_exhausted&) {
15587             // ...
15588         }
15589     }
15591 ##### Example, don't
15593     void my_code()     // Don't
15594     {
15595         // ...
15596         throw 7;       // 7 means "moon in the 4th quarter"
15597         // ...
15598     }
15600     void your_code()   // Don't
15601     {
15602         try {
15603             // ...
15604             my_code();
15605             // ...
15606         }
15607         catch(int i) {  // i == 7 means "input buffer too small"
15608             // ...
15609         }
15610     }
15612 ##### Note
15614 The standard-library classes derived from `exception` should be used only as base classes or for exceptions that require only "generic" handling. Like built-in types, their use could clash with other people's use of them.
15616 ##### Example, don't
15618     void my_code()   // Don't
15619     {
15620         // ...
15621         throw runtime_error{"moon in the 4th quarter"};
15622         // ...
15623     }
15625     void your_code()   // Don't
15626     {
15627         try {
15628             // ...
15629             my_code();
15630             // ...
15631         }
15632         catch(const runtime_error&) {   // runtime_error means "input buffer too small"
15633             // ...
15634         }
15635     }
15637 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
15639 ##### Enforcement
15641 Catch `throw` and `catch` of a built-in type. Maybe warn about `throw` and `catch` using a standard-library `exception` type. Obviously, exceptions derived from the `std::exception` hierarchy are fine.
15643 ### <a name="Re-exception-ref"></a>E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference
15645 ##### Reason
15647 To prevent slicing.
15649 ##### Example
15651     void f()
15652     {
15653         try {
15654             // ...
15655         }
15656         catch (exception e) {   // don't: may slice
15657             // ...
15658         }
15659     }
15661 Instead, use a reference:
15663     catch (exception& e) { /* ... */ }
15665 of - typically better still - a `const` reference:
15667     catch (const exception& e) { /* ... */ }
15669 Most handlers do not modify their exception and in general we [recommend use of `const`](#Res-const).
15671 ##### Note
15673 To rethrow a caught exception use `throw;` not `throw e;`. Using `throw e;` would throw a new copy of `e` (sliced to the static type `std::exception`) instead of rethrowing the original exception of type `std::runtime_error`. (But keep [Don't try to catch every exception in every function](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CppCoreGuidelines.md#Re-not-always) and [Minimize the use of explicit `try`/`catch`](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CppCoreGuidelines.md#Re-catch) in mind.)
15675 ##### Enforcement
15677 Flag by-value exceptions if their types are part of a hierarchy (could require whole-program analysis to be perfect).
15679 ### <a name="Re-never-fail"></a>E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail
15681 ##### Reason
15683 We don't know how to write reliable programs if a destructor, a swap, or a memory deallocation fails; that is, if it exits by an exception or simply doesn't perform its required action.
15685 ##### Example, don't
15687     class Connection {
15688         // ...
15689     public:
15690         ~Connection()   // Don't: very bad destructor
15691         {
15692             if (cannot_disconnect()) throw I_give_up{information};
15693             // ...
15694         }
15695     };
15697 ##### Note
15699 Many have tried to write reliable code violating this rule for examples, such as a network connection that "refuses to close".
15700 To the best of our knowledge nobody has found a general way of doing this.
15701 Occasionally, for very specific examples, you can get away with setting some state for future cleanup.
15702 For example, we might put a socket that does not want to close on a "bad socket" list,
15703 to be examined by a regular sweep of the system state.
15704 Every example we have seen of this is error-prone, specialized, and often buggy.
15706 ##### Note
15708 The standard library assumes that destructors, deallocation functions (e.g., `operator delete`), and `swap` do not throw. If they do, basic standard-library invariants are broken.
15710 ##### Note
15712 Deallocation functions, including `operator delete`, must be `noexcept`. `swap` functions must be `noexcept`.
15713 Most destructors are implicitly `noexcept` by default.
15714 Also, [make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept).
15716 ##### Enforcement
15718 Catch destructors, deallocation operations, and `swap`s that `throw`.
15719 Catch such operations that are not `noexcept`.
15721 **See also**: [discussion](#Sd-never-fail)
15723 ### <a name="Re-not-always"></a>E.17: Don't try to catch every exception in every function
15725 ##### Reason
15727 Catching an exception in a function that cannot take a meaningful recovery action leads to complexity and waste.
15728 Let an exception propagate until it reaches a function that can handle it.
15729 Let cleanup actions on the unwinding path be handled by [RAII](#Re-raii).
15731 ##### Example, don't
15733     void f()   // bad
15734     {
15735         try {
15736             // ...
15737         }
15738         catch (...) {
15739             // no action
15740             throw;   // propagate exception
15741         }
15742     }
15744 ##### Enforcement
15746 * Flag nested try-blocks.
15747 * Flag source code files with a too high ratio of try-blocks to functions. (??? Problem: define "too high")
15749 ### <a name="Re-catch"></a>E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`
15751 ##### Reason
15753  `try`/`catch` is verbose and non-trivial uses error-prone.
15754  `try`/`catch` can be a sign of unsystematic and/or low-level resource management or error handling.
15756 ##### Example, Bad
15758     void f(zstring s)
15759     {
15760         Gadget* p;
15761         try {
15762             p = new Gadget(s);
15763             // ...
15764             delete p;
15765         }
15766         catch (Gadget_construction_failure) {
15767             delete p;
15768             throw;
15769         }
15770     }
15772 This code is messy.
15773 There could be a leak from the naked pointer in the `try` block.
15774 Not all exceptions are handled.
15775 `deleting` an object that failed to construct is almost certainly a mistake.
15776 Better:
15778     void f2(zstring s)
15779     {
15780         Gadget g {s};
15781     }
15783 ##### Alternatives
15785 * proper resource handles and [RAII](#Re-raii)
15786 * [`finally`](#Re-finally)
15788 ##### Enforcement
15790 ??? hard, needs a heuristic
15792 ### <a name="Re-finally"></a>E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available
15794 ##### Reason
15796 `finally` is less verbose and harder to get wrong than `try`/`catch`.
15798 ##### Example
15800     void f(int n)
15801     {
15802         void* p = malloc(1, n);
15803         auto _ = finally([p] { free(p); });
15804         // ...
15805     }
15807 ##### Note
15809 `finally` is not as messy as `try`/`catch`, but it is still ad-hoc.
15810 Prefer [proper resource management objects](#Re-raii).
15811 Consider `finally` a last resort.
15813 ##### Note
15815 Use of `finally` is a systematic and reasonably clean alternative to the old [`goto exit;` technique](#Re-no-throw-codes)
15816 for dealing with cleanup where resource management is not systematic.
15818 ##### Enforcement
15820 Heuristic: Detect `goto exit;`
15822 ### <a name="Re-no-throw-raii"></a>E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management
15824 ##### Reason
15826 Even without exceptions, [RAII](#Re-raii) is usually the best and most systematic way of dealing with resources.
15828 ##### Note
15830 Error handling using exceptions is the only complete and systematic way of handling non-local errors in C++.
15831 In particular, non-intrusively signaling failure to construct an object requires an exception.
15832 Signaling errors in a way that cannot be ignored requires exceptions.
15833 If you can't use exceptions, simulate their use as best you can.
15835 A lot of fear of exceptions is misguided.
15836 When used for exceptional circumstances in code that is not littered with pointers and complicated control structures,
15837 exception handling is almost always affordable (in time and space) and almost always leads to better code.
15838 This, of course, assumes a good implementation of the exception handling mechanisms, which is not available on all systems.
15839 There are also cases where the problems above do not apply, but exceptions cannot be used for other reasons.
15840 Some hard-real-time systems are an example: An operation has to be completed within a fixed time with an error or a correct answer.
15841 In the absence of appropriate time estimation tools, this is hard to guarantee for exceptions.
15842 Such systems (e.g. flight control software) typically also ban the use of dynamic (heap) memory.
15844 So, the primary guideline for error handling is "use exceptions and [RAII](#Re-raii)."
15845 This section deals with the cases where you either do not have an efficient implementation of exceptions,
15846 or have such a rat's nest of old-style code
15847 (e.g., lots of pointers, ill-defined ownership, and lots of unsystematic error handling based on tests of error codes)
15848 that it is infeasible to introduce simple and systematic exception handling.
15850 Before condemning exceptions or complaining too much about their cost, consider examples of the use of [error codes](#Re-no-throw-codes).
15851 Consider the cost and complexity of the use of error codes.
15852 If performance is your worry, measure.
15854 ##### Example
15856 Assume you wanted to write
15858     void func(zstring arg)
15859     {
15860         Gadget g {arg};
15861         // ...
15862     }
15864 If the `gadget` isn't correctly constructed, `func` exits with an exception.
15865 If we cannot throw an exception, we can simulate this RAII style of resource handling by adding a `valid()` member function to `Gadget`:
15867     error_indicator func(zstring arg)
15868     {
15869         Gadget g {arg};
15870         if (!g.valid()) return gadget_construction_error;
15871         // ...
15872         return 0;   // zero indicates "good"
15873     }
15875 The problem is of course that the caller now has to remember to test the return value.
15877 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
15879 ##### Enforcement
15881 Possible (only) for specific versions of this idea: e.g., test for systematic test of `valid()` after resource handle construction
15883 ### <a name="Re-no-throw-crash"></a>E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast
15885 ##### Reason
15887 If you can't do a good job at recovering, at least you can get out before too much consequential damage is done.
15889 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
15891 ##### Note
15893 If you cannot be systematic about error handling, consider "crashing" as a response to any error that cannot be handled locally.
15894 That is, if you cannot recover from an error in the context of the function that detected it, call `abort()`, `quick_exit()`,
15895 or a similar function that will trigger some sort of system restart.
15897 In systems where you have lots of processes and/or lots of computers, you need to expect and handle fatal crashes anyway,
15898 say from hardware failures.
15899 In such cases, "crashing" is simply leaving error handling to the next level of the system.
15901 ##### Example
15903     void f(int n)
15904     {
15905         // ...
15906         p = static_cast<X*>(malloc(n, X));
15907         if (!p) abort();     // abort if memory is exhausted
15908         // ...
15909     }
15911 Most programs cannot handle memory exhaustion gracefully anyway. This is roughly equivalent to
15913     void f(int n)
15914     {
15915         // ...
15916         p = new X[n];    // throw if memory is exhausted (by default, terminate)
15917         // ...
15918     }
15920 Typically, it is a good idea to log the reason for the "crash" before exiting.
15922 ##### Enforcement
15924 Awkward
15926 ### <a name="Re-no-throw-codes"></a>E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically
15928 ##### Reason
15930 Systematic use of any error-handling strategy minimizes the chance of forgetting to handle an error.
15932 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
15934 ##### Note
15936 There are several issues to be addressed:
15938 * how do you transmit an error indicator from out of a function?
15939 * how do you release all resources from a function before doing an error exit?
15940 * What do you use as an error indicator?
15942 In general, returning an error indicator implies returning two values: The result and an error indicator.
15943 The error indicator can be part of the object, e.g. an object can have a `valid()` indicator
15944 or a pair of values can be returned.
15946 ##### Example
15948     Gadget make_gadget(int n)
15949     {
15950         // ...
15951     }
15953     void user()
15954     {
15955         Gadget g = make_gadget(17);
15956         if (!g.valid()) {
15957                 // error handling
15958         }
15959         // ...
15960     }
15962 This approach fits with [simulated RAII resource management](#Re-no-throw-raii).
15963 The `valid()` function could return an `error_indicator` (e.g. a member of an `error_indicator` enumeration).
15965 ##### Example
15967 What if we cannot or do not want to modify the `Gadget` type?
15968 In that case, we must return a pair of values.
15969 For example:
15971     std::pair<Gadget, error_indicator> make_gadget(int n)
15972     {
15973         // ...
15974     }
15976     void user()
15977     {
15978         auto r = make_gadget(17);
15979         if (!r.second) {
15980                 // error handling
15981         }
15982         Gadget& g = r.first;
15983         // ...
15984     }
15986 As shown, `std::pair` is a possible return type.
15987 Some people prefer a specific type.
15988 For example:
15990     Gval make_gadget(int n)
15991     {
15992         // ...
15993     }
15995     void user()
15996     {
15997         auto r = make_gadget(17);
15998         if (!r.err) {
15999                 // error handling
16000         }
16001         Gadget& g = r.val;
16002         // ...
16003     }
16005 One reason to prefer a specific return type is to have names for its members, rather than the somewhat cryptic `first` and `second`
16006 and to avoid confusion with other uses of `std::pair`.
16008 ##### Example
16010 In general, you must clean up before an error exit.
16011 This can be messy:
16013     std::pair<int, error_indicator> user()
16014     {
16015         Gadget g1 = make_gadget(17);
16016         if (!g1.valid()) {
16017                 return {0, g1_error};
16018         }
16020         Gadget g2 = make_gadget(17);
16021         if (!g2.valid()) {
16022                 cleanup(g1);
16023                 return {0, g2_error};
16024         }
16026         // ...
16028         if (all_foobar(g1, g2)) {
16029             cleanup(g1);
16030             cleanup(g2);
16031             return {0, foobar_error};
16032         // ...
16034         cleanup(g1);
16035         cleanup(g2);
16036         return {res, 0};
16037     }
16039 Simulating RAII can be non-trivial, especially in functions with multiple resources and multiple possible errors.
16040 A not uncommon technique is to gather cleanup at the end of the function to avoid repetition (note the extra scope around `g2` is undesirable but necessary to make the `goto` version compile):
16042     std::pair<int, error_indicator> user()
16043     {
16044         error_indicator err = 0;
16046         Gadget g1 = make_gadget(17);
16047         if (!g1.valid()) {
16048                 err = g1_error;
16049                 goto exit;
16050         }
16052         {
16053         Gadget g2 = make_gadget(17);
16054         if (!g2.valid()) {
16055                 err = g2_error;
16056                 goto exit;
16057         }
16059         if (all_foobar(g1, g2)) {
16060             err = foobar_error;
16061             goto exit;
16062         }
16063         // ...
16064         }
16066     exit:
16067       if (g1.valid()) cleanup(g1);
16068       if (g2.valid()) cleanup(g2);
16069       return {res, err};
16070     }
16072 The larger the function, the more tempting this technique becomes.
16073 `finally` can [ease the pain a bit](#Re-finally).
16074 Also, the larger the program becomes the harder it is to apply an error-indicator-based error-handling strategy systematically.
16076 We [prefer exception-based error handling](#Re-throw) and recommend [keeping functions short](#Rf-single).
16078 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
16080 **See also**: [Returning multiple values](#Rf-out-multi)
16082 ##### Enforcement
16084 Awkward.
16086 ### <a name="Re-no-throw"></a>E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)
16088 ##### Reason
16090 Global state is hard to manage and it is easy to forget to check it.
16091 When did you last test the return value of `printf()`?
16093 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16095 ##### Example, bad
16097     ???
16099 ##### Note
16101 C-style error handling is based on the global variable `errno`, so it is essentially impossible to avoid this style completely.
16103 ##### Enforcement
16105 Awkward.
16108 ### <a name="Re-specifications"></a>E.30: Don't use exception specifications
16110 ##### Reason
16112 Exception specifications make error handling brittle, impose a run-time cost, and have been removed from the C++ standard.
16114 ##### Example
16116     int use(int arg)
16117         throw(X, Y)
16118     {
16119         // ...
16120         auto x = f(arg);
16121         // ...
16122     }
16124 If `f()` throws an exception different from `X` and `Y` the unexpected handler is invoked, which by default terminates.
16125 That's OK, but say that we have checked that this cannot happen and `f` is changed to throw a new exception `Z`,
16126 we now have a crash on our hands unless we change `use()` (and re-test everything).
16127 The snag is that `f()` may be in a library we do not control and the new exception is not anything that `use()` can do
16128 anything about or is in any way interested in.
16129 We can change `use()` to pass `Z` through, but now `use()`'s callers probably needs to be modified.
16130 This quickly becomes unmanageable.
16131 Alternatively, we can add a `try`-`catch` to `use()` to map `Z` into an acceptable exception.
16132 This too, quickly becomes unmanageable.
16133 Note that changes to the set of exceptions often happens at the lowest level of a system
16134 (e.g., because of changes to a network library or some middleware), so changes "bubble up" through long call chains.
16135 In a large code base, this could mean that nobody could update to a new version of a library until the last user was modified.
16136 If `use()` is part of a library, it may not be possible to update it because a change could affect unknown clients.
16138 The policy of letting exceptions propagate until they reach a function that potentially can handle it has proven itself over the years.
16140 ##### Note
16142 No. This would not be any better had exception specifications been statically enforced.
16143 For example, see [Stroustrup94](#Stroustrup94).
16145 ##### Note
16147 If no exception may be thrown, use [`noexcept`](#Re-noexcept) or its equivalent `throw()`.
16149 ##### Enforcement
16151 Flag every exception specification.
16153 ### <a name="Re_catch"></a>E.31: Properly order your `catch`-clauses
16155 ##### Reason
16157 `catch`-clauses are evaluated in the order they appear and one clause can hide another.
16159 ##### Example
16161     void f()
16162     {
16163         // ...
16164         try {
16165                 // ...
16166         }
16167         catch (Base& b) { /* ... */ }
16168         catch (Derived& d) { /* ... */ }
16169         catch (...) { /* ... */ }
16170         catch (std::exception& e){ /* ... */ }
16171     }
16173 If `Derived`is derived from `Base` the `Derived`-handler will never be invoked.
16174 The "catch everything" handler ensured that the `std::exception`-handler will never be invoked.
16176 ##### Enforcement
16178 Flag all "hiding handlers".
16180 # <a name="S-const"></a>Con: Constants and immutability
16182 You can't have a race condition on a constant.
16183 It is easier to reason about a program when many of the objects cannot change their values.
16184 Interfaces that promises "no change" of objects passed as arguments greatly increase readability.
16186 Constant rule summary:
16188 * [Con.1: By default, make objects immutable](#Rconst-immutable)
16189 * [Con.2: By default, make member functions `const`](#Rconst-fct)
16190 * [Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s](#Rconst-ref)
16191 * [Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction](#Rconst-const)
16192 * [Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time](#Rconst-constexpr)
16194 ### <a name="Rconst-immutable"></a>Con.1: By default, make objects immutable
16196 ##### Reason
16198 Immutable objects are easier to reason about, so make objects non-`const` only when there is a need to change their value.
16199 Prevents accidental or hard-to-notice change of value.
16201 ##### Example
16203     for (const int i : c) cout << i << '\n';    // just reading: const
16205     for (int i : c) cout << i << '\n';          // BAD: just reading
16207 ##### Exception
16209 Function arguments are rarely mutated, but also rarely declared const.
16210 To avoid confusion and lots of false positives, don't enforce this rule for function arguments.
16212     void f(const char* const p); // pedantic
16213     void g(const int i);        // pedantic
16215 Note that function parameter is a local variable so changes to it are local.
16217 ##### Enforcement
16219 * Flag non-`const` variables that are not modified (except for parameters to avoid many false positives)
16221 ### <a name="Rconst-fct"></a>Con.2: By default, make member functions `const`
16223 ##### Reason
16225 A member function should be marked `const` unless it changes the object's observable state.
16226 This gives a more precise statement of design intent, better readability, more errors caught by the compiler, and sometimes more optimization opportunities.
16228 ##### Example; bad
16230     class Point {
16231         int x, y;
16232     public:
16233         int getx() { return x; }    // BAD, should be const as it doesn't modify the object's state
16234         // ...
16235     };
16237     void f(const Point& pt) {
16238         int x = pt.getx();          // ERROR, doesn't compile because getx was not marked const
16239     }
16241 ##### Note
16243 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16244 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16245 A reader of code must assume that a function that takes a "plain" `T*` or `T&` will modify the object referred to.
16246 If it doesn't now, it might do so later without forcing recompilation.
16248 ##### Note
16250 There are code/libraries that are offer functions that declare a`T*` even though
16251 those function do not modify that `T`.
16252 This is a problem for people modernizing code.
16253 You can
16255 * update the library to be `const`-correct; preferred long-term solution
16256 * "cast away `const`"; [best avoided](#Res-casts-const)
16257 * provide a wrapper function
16259 Example:
16261     void f(int* p);   // old code: f() does not modify `*p`
16262     void f(const int* p) { f(const_cast<int*>(p)); } // wrapper
16264 Note that this wrapper solution is a patch that should be used only when the declaration of `f()` cannot be modified,
16265 e.g. because it is in a library that you cannot modify.
16267 ##### Note
16269 A `const` member function can modify the value of an object that is `mutable` or accessed through a pointer member.
16270 A common use is to maintain a cache rather than repeatedly do a complicated computation.
16271 For example, here is a `Date` that caches (mnemonizes) its string representation to simplify repeated uses:
16273     class Date {
16274     public:
16275         // ...
16276         const string& string_ref() const
16277         {
16278             if (string_val == "") compute_string_rep();
16279             return string_val;
16280         }
16281         // ...
16282     private:
16283         void compute_string_rep() const;    // compute string representation and place it in string_val
16284         mutable string string_val;
16285         // ...
16286     };
16288 Another way of saying this is that `const`ness is not transitive.
16289 It is possible for a `const` member function to change the value of `mutable` members and the value of objects accessed
16290 through non-`const` pointers.
16291 It is the job of the class to ensure such mutation is done only when it makes sense according to the semantics (invariants)
16292 it offers to its users.
16294 **See also**: [Pimpl](#Ri-pimpl)
16296 ##### Enforcement
16298 * Flag a member function that is not marked `const`, but that does not perform a non-`const` operation on any member variable.
16300 ### <a name="Rconst-ref"></a>Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s
16302 ##### Reason
16304  To avoid a called function unexpectedly changing the value.
16305  It's far easier to reason about programs when called functions don't modify state.
16307 ##### Example
16309     void f(char* p);        // does f modify *p? (assume it does)
16310     void g(const char* p);  // g does not modify *p
16312 ##### Note
16314 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16315 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16317 ##### Note
16319 [Do not cast away `const`](#Res-casts-const).
16321 ##### Enforcement
16323 * Flag function that does not modify an object passed by  pointer or reference to non-`const`
16324 * Flag a function that (using a cast) modifies an object passed by pointer or reference to `const`
16326 ### <a name="Rconst-const"></a>Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction
16328 ##### Reason
16330  Prevent surprises from unexpectedly changed object values.
16332 ##### Example
16334     void f()
16335     {
16336         int x = 7;
16337         const int y = 9;
16339         for (;;) {
16340             // ...
16341         }
16342         // ...
16343     }
16345 As `x` is not `const`, we must assume that it is modified somewhere in the loop.
16347 ##### Enforcement
16349 * Flag unmodified non-`const` variables.
16351 ### <a name="Rconst-constexpr"></a>Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time
16353 ##### Reason
16355 Better performance, better compile-time checking, guaranteed compile-time evaluation, no possibility of race conditions.
16357 ##### Example
16359     double x = f(2);            // possible run-time evaluation
16360     const double y = f(2);      // possible run-time evaluation
16361     constexpr double z = f(2);  // error unless f(2) can be evaluated at compile time
16363 ##### Note
16365 See F.4.
16367 ##### Enforcement
16369 * Flag `const` definitions with constant expression initializers.
16371 # <a name="S-templates"></a>T: Templates and generic programming
16373 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16374 In C++, generic programming is supported by the `template` language mechanisms.
16376 Arguments to generic functions are characterized by sets of requirements on the argument types and values involved.
16377 In C++, these requirements are expressed by compile-time predicates called concepts.
16379 Templates can also be used for meta-programming; that is, programs that compose code at compile time.
16381 A central notion in generic programming is "concepts"; that is, requirements on template arguments presented as compile-time predicates.
16382 "Concepts" are defined in an ISO Technical specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16383 A draft of a set of standard-library concepts can be found in another ISO TS: [ranges](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf)
16384 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16385 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16386 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16388 Template use rule summary:
16390 * [T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code](#Rt-raise)
16391 * [T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types](#Rt-algo)
16392 * [T.3: Use templates to express containers and ranges](#Rt-cont)
16393 * [T.4: Use templates to express syntax tree manipulation](#Rt-expr)
16394 * [T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs](#Rt-generic-oo)
16396 Concept use rule summary:
16398 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
16399 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
16400 * [T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables](#Rt-auto)
16401 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
16402 * ???
16404 Concept definition rule summary:
16406 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
16407 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
16408 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
16409 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
16410 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
16411 * [T.25: Avoid complementary constraints](#Rt-not)
16412 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
16413 * [T.30: Use concept negation (`!C<T>`) sparingly to express a minor difference](#Rt-not)
16414 * [T.31: Use concept disjunction (`C1<T> || C2<T>`) sparingly to express alternatives](#Rt-or)
16415 * ???
16417 Template interface rule summary:
16419 * [T.40: Use function objects to pass operations to algorithms](#Rt-fo)
16420 * [T.41: Require only essential properties in a template's concepts](#Rt-essential)
16421 * [T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details](#Rt-alias)
16422 * [T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases](#Rt-using)
16423 * [T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)](#Rt-deduce)
16424 * [T.46: Require template arguments to be at least `Regular` or `SemiRegular`](#Rt-regular)
16425 * [T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names](#Rt-visible)
16426 * [T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`](#Rt-concept-def)
16427 * [T.49: Where possible, avoid type-erasure](#Rt-erasure)
16429 Template definition rule summary:
16431 * [T.60: Minimize a template's context dependencies](#Rt-depend)
16432 * [T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)](#Rt-scary)
16433 * [T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class](#Rt-nondependent)
16434 * [T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates](#Rt-specialization)
16435 * [T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of functions](#Rt-tag-dispatch)
16436 * [T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types](#Rt-specialization2)
16437 * [T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities](#Rt-cast)
16438 * [T.69: Inside a template, don't make an unqualified nonmember function call unless you intend it to be a customization point](#Rt-customization)
16440 Template and hierarchy rule summary:
16442 * [T.80: Do not naively templatize a class hierarchy](#Rt-hier)
16443 * [T.81: Do not mix hierarchies and arrays](#Rt-array) // ??? somewhere in "hierarchies"
16444 * [T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable](#Rt-linear)
16445 * [T.83: Do not declare a member function template virtual](#Rt-virtual)
16446 * [T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface](#Rt-abi)
16447 * [T.??: ????](#Rt-???)
16449 Variadic template rule summary:
16451 * [T.100: Use variadic templates when you need a function that takes a variable number of arguments of a variety of types](#Rt-variadic)
16452 * [T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-pass)
16453 * [T.102: ??? How to process arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-process)
16454 * [T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists](#Rt-variadic-not)
16455 * [T.??: ????](#Rt-???)
16457 Metaprogramming rule summary:
16459 * [T.120: Use template metaprogramming only when you really need to](#Rt-metameta)
16460 * [T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts](#Rt-emulate)
16461 * [T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time](#Rt-tmp)
16462 * [T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time](#Rt-fct)
16463 * [T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities](#Rt-std-tmp)
16464 * [T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library](#Rt-lib)
16465 * [T.??: ????](#Rt-???)
16467 Other template rules summary:
16469 * [T.140: Name all operations with potential for reuse](#Rt-name)
16470 * [T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only](#Rt-lambda)
16471 * [T.142: Use template variables to simplify notation](#Rt-var)
16472 * [T.143: Don't write unintentionally nongeneric code](#Rt-nongeneric)
16473 * [T.144: Don't specialize function templates](#Rt-specialize-function)
16474 * [T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`](#Rt-check-class)
16475 * [T.??: ????](#Rt-???)
16477 ## <a name="SS-GP"></a>T.gp: Generic programming
16479 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16481 ### <a name="Rt-raise"></a>T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code
16483 ##### Reason
16485 Generality. Reuse. Efficiency. Encourages consistent definition of user types.
16487 ##### Example, bad
16489 Conceptually, the following requirements are wrong because what we want of `T` is more than just the very low-level concepts of "can be incremented" or "can be added":
16491     template<typename T>
16492         // requires Incrementable<T>
16493     T sum1(vector<T>& v, T s)
16494     {
16495         for (auto x : v) s += x;
16496         return s;
16497     }
16499     template<typename T>
16500         // requires Simple_number<T>
16501     T sum2(vector<T>& v, T s)
16502     {
16503         for (auto x : v) s = s + x;
16504         return s;
16505     }
16507 Assuming that `Incrementable` does not support `+` and `Simple_number` does not support `+=`, we have overconstrained implementers of `sum1` and `sum2`.
16508 And, in this case, missed an opportunity for a generalization.
16510 ##### Example
16512     template<typename T>
16513         // requires Arithmetic<T>
16514     T sum(vector<T>& v, T s)
16515     {
16516         for (auto x : v) s += x;
16517         return s;
16518     }
16520 Assuming that `Arithmetic` requires both `+` and `+=`, we have constrained the user of `sum` to provide a complete arithmetic type.
16521 That is not a minimal requirement, but it gives the implementer of algorithms much needed freedom and ensures that any `Arithmetic` type
16522 can be used for a wide variety of algorithms.
16524 For additional generality and reusability, we could also use a more general `Container` or `Range` concept instead of committing to only one container, `vector`.
16526 ##### Note
16528 If we define a template to require exactly the operations required for a single implementation of a single algorithm
16529 (e.g., requiring just `+=` rather than also `=` and `+`) and only those, we have overconstrained maintainers.
16530 We aim to minimize requirements on template arguments, but the absolutely minimal requirements of an implementation is rarely a meaningful concept.
16532 ##### Note
16534 Templates can be used to express essentially everything (they are Turing complete), but the aim of generic programming (as expressed using templates)
16535 is to efficiently generalize operations/algorithms over a set of types with similar semantic properties.
16537 ##### Note
16539 The `requires` in the comments are uses of `concepts`.
16540 "Concepts" are defined in an ISO Technical specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16541 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16542 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16543 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16545 ##### Enforcement
16547 * Flag algorithms with "overly simple" requirements, such as direct use of specific operators without a concept.
16548 * Do not flag the definition of the "overly simple" concepts themselves; they may simply be building blocks for more useful concepts.
16550 ### <a name="Rt-algo"></a>T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types
16552 ##### Reason
16554 Generality. Minimizing the amount of source code. Interoperability. Reuse.
16556 ##### Example
16558 That's the foundation of the STL. A single `find` algorithm easily works with any kind of input range:
16560     template<typename Iter, typename Val>
16561         // requires Input_iterator<Iter>
16562         //       && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16563     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16564     {
16565         // ...
16566     }
16568 ##### Note
16570 Don't use a template unless you have a realistic need for more than one template argument type.
16571 Don't overabstract.
16573 ##### Enforcement
16575 ??? tough, probably needs a human
16577 ### <a name="Rt-cont"></a>T.3: Use templates to express containers and ranges
16579 ##### Reason
16581 Containers need an element type, and expressing that as a template argument is general, reusable, and type safe.
16582 It also avoids brittle or inefficient workarounds. Convention: That's the way the STL does it.
16584 ##### Example
16586     template<typename T>
16587         // requires Regular<T>
16588     class Vector {
16589         // ...
16590         T* elem;   // points to sz Ts
16591         int sz;
16592     };
16594     Vector<double> v(10);
16595     v[7] = 9.9;
16597 ##### Example, bad
16599     class Container {
16600         // ...
16601         void* elem;   // points to size elements of some type
16602         int sz;
16603     };
16605     Container c(10, sizeof(double));
16606     ((double*) c.elem)[7] = 9.9;
16608 This doesn't directly express the intent of the programmer and hides the structure of the program from the type system and optimizer.
16610 Hiding the `void*` behind macros simply obscures the problems and introduces new opportunities for confusion.
16612 **Exceptions**: If you need an ABI-stable interface, you might have to provide a base implementation and express the (type-safe) template in terms of that.
16613 See [Stable base](#Rt-abi).
16615 ##### Enforcement
16617 * Flag uses of `void*`s and casts outside low-level implementation code
16619 ### <a name="Rt-expr"></a>T.4: Use templates to express syntax tree manipulation
16621 ##### Reason
16623  ???
16625 ##### Example
16627     ???
16629 **Exceptions**: ???
16631 ### <a name="Rt-generic-oo"></a>T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs
16633 ##### Reason
16635 Generic and OO techniques are complementary.
16637 ##### Example
16639 Static helps dynamic: Use static polymorphism to implement dynamically polymorphic interfaces.
16641     class Command {
16642         // pure virtual functions
16643     };
16645     // implementations
16646     template</*...*/>
16647     class ConcreteCommand : public Command {
16648         // implement virtuals
16649     };
16651 ##### Example
16653 Dynamic helps static: Offer a generic, comfortable, statically bound interface, but internally dispatch dynamically, so you offer a uniform object layout.
16654 Examples include type erasure as with `std::shared_ptr`'s deleter (but [don't overuse type erasure](#Rt-erasure)).
16656 ##### Note
16658 In a class template, nonvirtual functions are only instantiated if they're used -- but virtual functions are instantiated every time.
16659 This can bloat code size, and may overconstrain a generic type by instantiating functionality that is never needed.
16660 Avoid this, even though the standard-library facets made this mistake.
16662 ##### See also
16664 * ref ???
16665 * ref ???
16666 * ref ???
16668 ##### Enforcement
16670 See the reference to more specific rules.
16672 ## <a name="SS-concepts"></a>T.concepts: Concept rules
16674 Concepts is a facility for specifying requirements for template arguments.
16675 It is an [ISO technical specification](#Ref-conceptsTS), but currently supported only by GCC.
16676 Concepts are, however, crucial in the thinking about generic programming and the basis of much work on future C++ libraries
16677 (standard and other).
16679 This section assumes concept support
16681 Concept use rule summary:
16683 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
16684 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
16685 * [T.12: Prefer concept names over `auto`](#Rt-auto)
16686 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
16687 * ???
16689 Concept definition rule summary:
16691 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
16692 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
16693 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
16694 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
16695 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
16696 * [T.25: Avoid complimentary constraints](#Rt-not)
16697 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
16698 * ???
16700 ## <a name="SS-concept-use"></a>T.con-use: Concept use
16702 ### <a name="Rt-concepts"></a>T.10: Specify concepts for all template arguments
16704 ##### Reason
16706 Correctness and readability.
16707 The assumed meaning (syntax and semantics) of a template argument is fundamental to the interface of a template.
16708 A concept dramatically improves documentation and error handling for the template.
16709 Specifying concepts for template arguments is a powerful design tool.
16711 ##### Example
16713     template<typename Iter, typename Val>
16714     //    requires Input_iterator<Iter>
16715     //             && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16716     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16717     {
16718         // ...
16719     }
16721 or equivalently and more succinctly:
16723     template<Input_iterator Iter, typename Val>
16724     //    requires Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16725     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16726     {
16727         // ...
16728     }
16730 ##### Note
16732 "Concepts" are defined in an ISO Technical specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16733 A draft of a set of standard-library concepts can be found in another ISO TS: [ranges](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf)
16734 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16735 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16736 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them:
16738     template<typename Iter, typename Val>
16739         requires Input_iterator<Iter>
16740                && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16741     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16742     {
16743         // ...
16744     }
16746 ##### Note
16748 Plain `typename` (or `auto`) is the least constraining concept.
16749 It should be used only rarely when nothing more than "it's a type" can be assumed.
16750 This is typically only needed when (as part of template metaprogramming code) we manipulate pure expression trees, postponing type checking.
16752 **References**: TC++PL4, Palo Alto TR, Sutton
16754 ##### Enforcement
16756 Flag template type arguments without concepts
16758 ### <a name="Rt-std-concepts"></a>T.11: Whenever possible use standard concepts
16760 ##### Reason
16762  "Standard" concepts (as provided by the [GSL](#S-GSL) and the [Ranges TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf), and hopefully soon the ISO standard itself)
16763 saves us the work of thinking up our own concepts, are better thought out than we can manage to do in a hurry, and improves interoperability.
16765 ##### Note
16767 Unless you are creating a new generic library, most of the concepts you need will already be defined by the standard library.
16769 ##### Example (using TS concepts)
16771     template<typename T>
16772         // don't define this: Sortable is in the GSL
16773     concept Ordered_container = Sequence<T> && Random_access<Iterator<T>> && Ordered<Value_type<T>>;
16775     void sort(Ordered_container& s);
16777 This `Ordered_container` is quite plausible, but it is very similar to the `Sortable` concept in the GSL (and the Range TS).
16778 Is it better? Is it right? Does it accurately reflect the standard's requirements for `sort`?
16779 It is better and simpler just to use `Sortable`:
16781     void sort(Sortable& s);   // better
16783 ##### Note
16785 The set of "standard" concepts is evolving as we approach an ISO standard including concepts.
16787 ##### Note
16789 Designing a useful concept is challenging.
16791 ##### Enforcement
16793 Hard.
16795 * Look for unconstrained arguments, templates that use "unusual"/non-standard concepts, templates that use "homebrew" concepts without axioms.
16796 * Develop a concept-discovery tool (e.g., see [an early experiment](http://www.stroustrup.com/sle2010_webversion.pdf)).
16798 ### <a name="Rt-auto"></a>T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables
16800 ##### Reason
16802  `auto` is the weakest concept. Concept names convey more meaning than just `auto`.
16804 ##### Example (using TS concepts)
16806     vector<string> v{ "abc", "xyz" };
16807     auto& x = v.front();     // bad
16808     String& s = v.front();   // good (String is a GSL concept)
16810 ##### Enforcement
16812 * ???
16814 ### <a name="Rt-shorthand"></a>T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts
16816 ##### Reason
16818 Readability. Direct expression of an idea.
16820 ##### Example (using TS concepts)
16822 To say "`T` is `Sortable`":
16824     template<typename T>       // Correct but verbose: "The parameter is
16825     //    requires Sortable<T>   // of type T which is the name of a type
16826     void sort(T&);             // that is Sortable"
16828     template<Sortable T>       // Better (assuming support for concepts): "The parameter is of type T
16829     void sort(T&);             // which is Sortable"
16831     void sort(Sortable&);      // Best (assuming support for concepts): "The parameter is Sortable"
16833 The shorter versions better match the way we speak. Note that many templates don't need to use the `template` keyword.
16835 ##### Note
16837 "Concepts" are defined in an ISO Technical specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16838 A draft of a set of standard-library concepts can be found in another ISO TS: [ranges](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf)
16839 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16840 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16841 If you use a compiler that supports concepts (e.g., GCC 6.1 or later), you can remove the `//`.
16843 ##### Enforcement
16845 * Not feasible in the short term when people convert from the `<typename T>` and `<class T`> notation.
16846 * Later, flag declarations that first introduces a typename and then constrains it with a simple, single-type-argument concept.
16848 ## <a name="SS-concepts-def"></a>T.concepts.def: Concept definition rules
16850 Defining good concepts is non-trivial.
16851 Concepts are meant to represent fundamental concepts in an application domain (hence the name "concepts").
16852 Similarly throwing together a set of syntactic constraints to be used for a the arguments for a single class or algorithm is not what concepts were designed for
16853 and will not give the full benefits of the mechanism.
16855 Obviously, defining concepts will be most useful for code that can use an implementation (e.g., GCC 6.1 or later),
16856 but defining concepts is in itself a useful design technique and help catch conceptual errors and clean up the concepts (sic!) of an implementation.
16858 ### <a name="Rt-low"></a>T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics
16860 ##### Reason
16862 Concepts are meant to express semantic notions, such as "a number", "a range" of elements, and "totally ordered."
16863 Simple constraints, such as "has a `+` operator" and "has a `>` operator" cannot be meaningfully specified in isolation
16864 and should be used only as building blocks for meaningful concepts, rather than in user code.
16866 ##### Example, bad (using TS concepts)
16868     template<typename T>
16869     concept Addable = has_plus<T>;    // bad; insufficient
16871     template<Addable N> auto algo(const N& a, const N& b) // use two numbers
16872     {
16873         // ...
16874         return a + b;
16875     }
16877     int x = 7;
16878     int y = 9;
16879     auto z = algo(x, y);   // z = 16
16881     string xx = "7";
16882     string yy = "9";
16883     auto zz = algo(xx, yy);   // zz = "79"
16885 Maybe the concatenation was expected. More likely, it was an accident. Defining minus equivalently would give dramatically different sets of accepted types.
16886 This `Addable` violates the mathematical rule that addition is supposed to be commutative: `a+b == b+a`.
16888 ##### Note
16890 The ability to specify a meaningful semantics is a defining characteristic of a true concept, as opposed to a syntactic constraint.
16892 ##### Example (using TS concepts)
16894     template<typename T>
16895     // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
16896     concept Number = has_plus<T>
16897                      && has_minus<T>
16898                      && has_multiply<T>
16899                      && has_divide<T>;
16901     template<Number N> auto algo(const N& a, const N& b)
16902     {
16903         // ...
16904         return a + b;
16905     }
16907     int x = 7;
16908     int y = 9;
16909     auto z = algo(x, y);   // z = 16
16911     string xx = "7";
16912     string yy = "9";
16913     auto zz = algo(xx, yy);   // error: string is not a Number
16915 ##### Note
16917 Concepts with multiple operations have far lower chance of accidentally matching a type than a single-operation concept.
16919 ##### Enforcement
16921 * Flag single-operation `concepts` when used outside the definition of other `concepts`.
16922 * Flag uses of `enable_if` that appears to simulate single-operation `concepts`.
16925 ### <a name="Rt-complete"></a>T.21: Require a complete set of operations for a concept
16927 ##### Reason
16929 Ease of comprehension.
16930 Improved interoperability.
16931 Helps implementers and maintainers.
16933 ##### Note
16935 This is a specific variant of the general rule that [a concept must make semantic sense](#Rt-low).
16937 ##### Example, bad (using TS concepts)
16939     template<typename T> concept Subtractable = requires(T a, T, b) { a-b; };
16941 This makes no semantic sense.
16942 You need at least `+` to make `-` meaningful and useful.
16944 Examples of complete sets are
16946 * `Arithmetic`: `+`, `-`, `*`, `/`, `+=`, `-=`, `*=`, `/=`
16947 * `Comparable`: `<`, `>`, `<=`, `>=`, `==`, `!=`
16949 ##### Note
16951 This rule applies whether we use direct language support for concepts or not.
16952 It is a general design rule that even applies to non-templates:
16954     class Minimal {
16955         // ...
16956     };
16958     bool operator==(const Minimal&, const Minimal&);
16959     bool operator<(const Minimal&, const Minimal&);
16961     Minimal operator+(const Minimal&, const Minimal&);
16962     // no other operators
16964     void f(const Minimal& x, const Minimal& y)
16965     {
16966         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
16967         if (x != y) { /* ... */ }       // surprise! error
16969         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
16970         while (x >= y) { /* ... */ }    // surprise! error
16972         x = x + y;          // OK
16973         x += y;             // surprise! error
16974     }
16976 This is minimal, but surprising and constraining for users.
16977 It could even be less efficient.
16979 The rule supports the view that a concept should reflect a (mathematically) coherent set of operations.
16981 ##### Example
16983     class Convenient {
16984         // ...
16985     };
16987     bool operator==(const Convenient&, const Convenient&);
16988     bool operator<(const Convenient&, const Convenient&);
16989     // ... and the other comparison operators ...
16991     Minimal operator+(const Convenient&, const Convenient&);
16992     // .. and the other arithmetic operators ...
16994     void f(const Convenient& x, const Convenient& y)
16995     {
16996         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
16997         if (x != y) { /* ... */ }       // OK
16999         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
17000         while (x >= y) { /* ... */ }    // OK
17002         x = x + y;     // OK
17003         x += y;        // OK
17004     }
17006 It can be a nuisance to define all operators, but not hard.
17007 Ideally, that rule should be language supported by giving you comparison operators by default.
17009 ##### Enforcement
17011 * Flag classes that support "odd" subsets of a set of operators, e.g., `==` but not `!=` or `+` but not `-`.
17012   Yes, `std::string` is "odd", but it's too late to change that.
17015 ### <a name="Rt-axiom"></a>T.22: Specify axioms for concepts
17017 ##### Reason
17019 A meaningful/useful concept has a semantic meaning.
17020 Expressing these semantics in an informal, semi-formal, or formal way makes the concept comprehensible to readers and the effort to express it can catch conceptual errors.
17021 Specifying semantics is a powerful design tool.
17023 ##### Example (using TS concepts)
17025     template<typename T>
17026         // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
17027         // axiom(T a, T b) { a + b == b + a; a - a == 0; a * (b + c) == a * b + a * c; /*...*/ }
17028         concept Number = requires(T a, T b) {
17029             {a + b} -> T;   // the result of a + b is convertible to T
17030             {a - b} -> T;
17031             {a * b} -> T;
17032             {a / b} -> T;
17033         }
17035 ##### Note
17037 This is an axiom in the mathematical sense: something that may be assumed without proof.
17038 In general, axioms are not provable, and when they are the proof is often beyond the capability of a compiler.
17039 An axiom may not be general, but the template writer may assume that it holds for all inputs actually used (similar to a precondition).
17041 ##### Note
17043 In this context axioms are Boolean expressions.
17044 See the [Palo Alto TR](#S-references) for examples.
17045 Currently, C++ does not support axioms (even the ISO Concepts TS), so we have to make do with comments for a longish while.
17046 Once language support is available, the `//` in front of the axiom can be removed
17048 ##### Note
17050 The GSL concepts have well-defined semantics; see the Palo Alto TR and the Ranges TS.
17052 ##### Exception (using TS concepts)
17054 Early versions of a new "concept" still under development will often just define simple sets of constraints without a well-specified semantics.
17055 Finding good semantics can take effort and time.
17056 An incomplete set of constraints can still be very useful:
17058     // balancer for a generic binary tree
17059     template<typename Node> concept bool Balancer = requires(Node* p) {
17060         add_fixup(p);
17061         touch(p);
17062         detach(p);
17063     }
17065 So a `Balancer` must supply at least thee operations on a tree `Node`,
17066 but we are not yet ready to specify detailed semantics because a new kind of balanced tree might require more operations
17067 and the precise general semantics for all nodes is hard to pin down in the early stages of design.
17069 A "concept" that is incomplete or without a well-specified semantics can still be useful.
17070 For example, it allows for some checking during initial experimentation.
17071 However, it should not be assumed to be stable.
17072 Each new use case may require such an incomplete concepts to be improved.
17074 ##### Enforcement
17076 * Look for the word "axiom" in concept definition comments
17078 ### <a name="Rt-refine"></a>T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns.
17080 ##### Reason
17082 Otherwise they cannot be distinguished automatically by the compiler.
17084 ##### Example (using TS concepts)
17086     template<typename I>
17087     concept bool Input_iter = requires(I iter) { ++iter; };
17089     template<typename I>
17090     concept bool Fwd_iter = Input_iter<I> && requires(I iter) { iter++; }
17092 The compiler can determine refinement based on the sets of required operations (here, suffix `++`).
17093 This decreases the burden on implementers of these types since
17094 they do not need any special declarations to "hook into the concept".
17095 If two concepts have exactly the same requirements, they are logically equivalent (there is no refinement).
17097 ##### Enforcement
17099 * Flag a concept that has exactly the same requirements as another already-seen concept (neither is more refined).
17100 To disambiguate them, see [T.24](#Rt-tag).
17102 ### <a name="Rt-tag"></a>T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics.
17104 ##### Reason
17106 Two concepts requiring the same syntax but having different semantics leads to ambiguity unless the programmer differentiates them.
17108 ##### Example (using TS concepts)
17110     template<typename I>    // iterator providing random access
17111     concept bool RA_iter = ...;
17113     template<typename I>    // iterator providing random access to contiguous data
17114     concept bool Contiguous_iter =
17115         RA_iter<I> && is_contiguous<I>::value;  // using is_contiguous trait
17117 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17119 Wrapping a tag class into a concept leads to a simpler expression of this idea:
17121     template<typename I> concept Contiguous = is_contiguous<I>::value;
17123     template<typename I>
17124     concept bool Contiguous_iter = RA_iter<I> && Contiguous<I>;
17126 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17128 ##### Note
17130 Traits can be trait classes or type traits.
17131 These can be user-defined or standard-library ones.
17132 Prefer the standard-library ones.
17134 ##### Enforcement
17136 * The compiler flags ambiguous use of identical concepts.
17137 * Flag the definition of identical concepts.
17139 ### <a name="Rt-not"></a>T.25: Avoid complementary constraints
17141 ##### Reason
17143 Clarity. Maintainability.
17144 Functions with complementary requirements expressed using negation are brittle.
17146 ##### Example (using TS concepts)
17148 Initially, people will try to define functions with complementary requirements:
17150     template<typename T>
17151         requires !C<T>    // bad
17152     void f();
17154     template<typename T>
17155         requires C<T>
17156     void f();
17158 This is better:
17160     template<typename T>   // general template
17161         void f();
17163     template<typename T>   // specialization by concept
17164         requires C<T>
17165     void f();
17167 The compiler will choose the unconstrained template only when `C<T>` is
17168 unsatisfied. If you do not want to (or cannot) define an unconstrained
17169 version of `f()`, then delete it.
17171     template<typename T>
17172     void f() = delete;
17174 The compiler will select the overload and emit an appropriate error.
17176 ##### Note
17178 Complementary constraints are unfortunately common in `enable_if` code:
17180     template<typename T>
17181     enable_if<!C<T>, void>   // bad
17182     f();
17184     template<typename T>
17185     enable_if<C<T>, void>
17186     f();
17189 ##### Note
17191 Complementary requirements on one requirements is sometimes (wrongly) considered manageable.
17192 However, for two or more requirements the number of definitions needs can go up exponentially (2,4,9,16,...):
17194     C1<T> && C2<T>
17195     !C1<T> && C2<T>
17196     C1<T> && !C2<T>
17197     !C1<T> && !C2<T>
17199 Now the opportunities for errors multiply.
17201 ##### Enforcement
17203 * Flag pairs of functions with `C<T>` and `!C<T>` constraints
17205 ### <a name="Rt-use"></a>T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax
17207 ##### Reason
17209 The definition is more readable and corresponds directly to what a user has to write.
17210 Conversions are taken into account. You don't have to remember the names of all the type traits.
17212 ##### Example (using TS concepts)
17214 You might be tempted to define a concept `Equality` like this:
17216     template<typename T> concept Equality = has_equal<T> && has_not_equal<T>;
17218 Obviously, it would be better and easier just to use the standard `EqualityComparable`,
17219 but - just as an example - if you had to define such a concept, prefer:
17221     template<typename T> concept Equality = requires(T a, T b) {
17222         bool == { a == b }
17223         bool == { a != b }
17224         // axiom { !(a == b) == (a != b) }
17225         // axiom { a = b; => a == b }  // => means "implies"
17226     }
17228 as opposed to defining two meaningless concepts `has_equal` and `has_not_equal` just as helpers in the definition of `Equality`.
17229 By "meaningless" we mean that we cannot specify the semantics of `has_equal` in isolation.
17231 ##### Enforcement
17235 ## <a name="SS-temp-interface"></a>Template interfaces
17237 Over the years, programming with templates have suffered from a weak distinction between the interface of a template
17238 and its implementation.
17239 Before concepts, that distinction had no direct language support.
17240 However, the interface to a template is a critical concept - a contract between a user and an implementer - and should be carefully designed.
17242 ### <a name="Rt-fo"></a>T.40: Use function objects to pass operations to algorithms
17244 ##### Reason
17246 Function objects can carry more information through an interface than a "plain" pointer to function.
17247 In general, passing function objects gives better performance than passing pointers to functions.
17249 ##### Example (using TS concepts)
17251     bool greater(double x, double y) { return x > y; }
17252     sort(v, greater);                                    // pointer to function: potentially slow
17253     sort(v, [](double x, double y) { return x > y; });   // function object
17254     sort(v, std::greater<>);                             // function object
17256     bool greater_than_7(double x) { return x > 7; }
17257     auto x = find_if(v, greater_than_7);                 // pointer to function: inflexible
17258     auto y = find_if(v, [](double x) { return x > 7; }); // function object: carries the needed data
17259     auto z = find_if(v, Greater_than<double>(7));        // function object: carries the needed data
17261 You can, of course, generalize those functions using `auto` or (when and where available) concepts. For example:
17263     auto y1 = find_if(v, [](Ordered x) { return x > 7; }); // require an ordered type
17264     auto z1 = find_if(v, [](auto x) { return x > 7; });    // hope that the type has a >
17266 ##### Note
17268 Lambdas generate function objects.
17270 ##### Note
17272 The performance argument depends on compiler and optimizer technology.
17274 ##### Enforcement
17276 * Flag pointer to function template arguments.
17277 * Flag pointers to functions passed as arguments to a template (risk of false positives).
17280 ### <a name="Rt-essential"></a>T.41: Require only essential properties in a template's concepts
17282 ##### Reason
17284 Keep interfaces simple and stable.
17286 ##### Example (using TS concepts)
17288 Consider, a `sort` instrumented with (oversimplified) simple debug support:
17290     void sort(Sortable& s)  // sort sequence s
17291     {
17292         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17293         // ...
17294         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17295     }
17297 Should this be rewritten to:
17299     template<Sortable S>
17300         requires Streamable<S>
17301     void sort(S& s)  // sort sequence s
17302     {
17303         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17304         // ...
17305         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17306     }
17308 After all, there is nothing in `Sortable` that requires `iostream` support.
17309 On the other hand, there is nothing in the fundamental idea of sorting that says anything about debugging.
17311 ##### Note
17313 If we require every operation used to be listed among the requirements, the interface becomes unstable:
17314 Every time we change the debug facilities, the usage data gathering, testing support, error reporting, etc.
17315 The definition of the template would need change and every use of the template would have to be recompiled.
17316 This is cumbersome, and in some environments infeasible.
17318 Conversely, if we use an operation in the implementation that is not guaranteed by concept checking,
17319 we may get a late compile-time error.
17321 By not using concept checking for properties of a template argument that is not considered essential,
17322 we delay checking until instantiation time.
17323 We consider this a worthwhile tradeoff.
17325 Note that using non-local, non-dependent names (such as `debug` and `cerr`) also introduces context dependencies that may lead to "mysterious" errors.
17327 ##### Note
17329 It can be hard to decide which properties of a type is essential and which are not.
17331 ##### Enforcement
17335 ### <a name="Rt-alias"></a>T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details
17337 ##### Reason
17339 Improved readability.
17340 Implementation hiding.
17341 Note that template aliases replace many uses of traits to compute a type.
17342 They can also be used to wrap a trait.
17344 ##### Example
17346     template<typename T, size_t N>
17347     class Matrix {
17348         // ...
17349         using Iterator = typename std::vector<T>::iterator;
17350         // ...
17351     };
17353 This saves the user of `Matrix` from having to know that its elements are stored in a `vector` and also saves the user from repeatedly typing `typename std::vector<T>::`.
17355 ##### Example
17357     template<typename T>
17358     void user(T& c)
17359     {
17360         // ...
17361         typename container_traits<T>::value_type x; // bad, verbose
17362         // ...
17363     }
17365     template<typename T>
17366     using Value_type = typename container_traits<T>::value_type;
17369 This saves the user of `Value_type` from having to know the technique used to implement `value_type`s.
17371     template<typename T>
17372     void user2(T& c)
17373     {
17374         // ...
17375         Value_type<T> x;
17376         // ...
17377     }
17379 ##### Note
17381 A simple, common use could be expressed: "Wrap traits!"
17383 ##### Enforcement
17385 * Flag use of `typename` as a disambiguator outside `using` declarations.
17386 * ???
17388 ### <a name="Rt-using"></a>T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases
17390 ##### Reason
17392 Improved readability: With `using`, the new name comes first rather than being embedded somewhere in a declaration.
17393 Generality: `using` can be used for template aliases, whereas `typedef`s can't easily be templates.
17394 Uniformity: `using` is syntactically similar to `auto`.
17396 ##### Example
17398     typedef int (*PFI)(int);   // OK, but convoluted
17400     using PFI2 = int (*)(int);   // OK, preferred
17402     template<typename T>
17403     typedef int (*PFT)(T);      // error
17405     template<typename T>
17406     using PFT2 = int (*)(T);   // OK
17408 ##### Enforcement
17410 * Flag uses of `typedef`. This will give a lot of "hits" :-(
17412 ### <a name="Rt-deduce"></a>T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)
17414 ##### Reason
17416 Writing the template argument types explicitly can be tedious and unnecessarily verbose.
17418 ##### Example
17420     tuple<int, string, double> t1 = {1, "Hamlet", 3.14};   // explicit type
17421     auto t2 = make_tuple(1, "Ophelia"s, 3.14);         // better; deduced type
17423 Note the use of the `s` suffix to ensure that the string is a `std::string`, rather than a C-style string.
17425 ##### Note
17427 Since you can trivially write a `make_T` function, so could the compiler. Thus, `make_T` functions may become redundant in the future.
17429 ##### Exception
17431 Sometimes there isn't a good way of getting the template arguments deduced and sometimes, you want to specify the arguments explicitly:
17433     vector<double> v = { 1, 2, 3, 7.9, 15.99 };
17434     list<Record*> lst;
17436 ##### Note
17438 Note that C++17 will make this rule redundant by allowing the template arguments to be deduced directly from constructor arguments:
17439 [Template parameter deduction for constructors (Rev. 3)](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0091r1.html).
17440 For example:
17442     tuple t1 = {1, "Hamlet"s, 3.14}; // deduced: tuple<int, string, double>
17444 ##### Enforcement
17446 Flag uses where an explicitly specialized type exactly matches the types of the arguments used.
17448 ### <a name="Rt-regular"></a>T.46: Require template arguments to be at least `Regular` or `SemiRegular`
17450 ##### Reason
17452  Readability.
17453  Preventing surprises and errors.
17454  Most uses support that anyway.
17456 ##### Example
17458     class X {
17459             // ...
17460     public:
17461         explicit X(int);
17462         X(const X&);            // copy
17463         X operator=(const X&);
17464         X(X&&) noexcept;                 // move
17465         X& operator=(X&&) noexcept;
17466         ~X();
17467         // ... no more constructors ...
17468     };
17470     X x {1};    // fine
17471     X y = x;      // fine
17472     std::vector<X> v(10); // error: no default constructor
17474 ##### Note
17476 Semiregular requires default constructible.
17478 ##### Enforcement
17480 * Flag types that are not at least `SemiRegular`.
17482 ### <a name="Rt-visible"></a>T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names
17484 ##### Reason
17486  An unconstrained template argument is a perfect match for anything so such a template can be preferred over more specific types that require minor conversions.
17487  This is particularly annoying/dangerous when ADL is used.
17488  Common names make this problem more likely.
17490 ##### Example
17492     namespace Bad {
17493         struct S { int m; };
17494         template<typename T1, typename T2>
17495         bool operator==(T1, T2) { cout << "Bad\n"; return true; }
17496     }
17498     namespace T0 {
17499         bool operator==(int, Bad::S) { cout << "T0\n"; return true; }  // compare to int
17501         void test()
17502         {
17503             Bad::S bad{ 1 };
17504             vector<int> v(10);
17505             bool b = 1 == bad;
17506             bool b2 = v.size() == bad;
17507         }
17508     }
17510 This prints `T0` and `Bad`.
17512 Now the `==` in `Bad` was designed to cause trouble, but would you have spotted the problem in real code?
17513 The problem is that `v.size()` returns an `unsigned` integer so that a conversion is needed to call the local `==`;
17514 the `==` in `Bad` requires no conversions.
17515 Realistic types, such as the standard-library iterators can be made to exhibit similar anti-social tendencies.
17517 ##### Note
17519 If an unconstrained template is defined in the same namespace as a type,
17520 that unconstrained template can be found by ADL (as happened in the example).
17521 That is, it is highly visible.
17523 ##### Note
17525 This rule should not be necessary, but the committee cannot agree to exclude unconstrained templated from ADL.
17527 Unfortunately this will get many false positives; the standard library violates this widely, by putting many unconstrained templates and types into the single namespace `std`.
17530 ##### Enforcement
17532 Flag templates defined in a namespace where concrete types are also defined (maybe not feasible until we have concepts).
17535 ### <a name="Rt-concept-def"></a>T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`
17537 ##### Reason
17539 Because that's the best we can do without direct concept support.
17540 `enable_if` can be used to conditionally define functions and to select among a set of functions.
17542 ##### Example
17544     enable_if<???>
17546 ##### Note
17548 Beware of [complementary constraints](# T.25).
17549 Faking concept overloading using `enable_if` sometimes forces us to use that error-prone design technique.
17551 ##### Enforcement
17555 ### <a name="Rt-erasure"></a>T.49: Where possible, avoid type-erasure
17557 ##### Reason
17559 Type erasure incurs an extra level of indirection by hiding type information behind a separate compilation boundary.
17561 ##### Example
17563     ???
17565 **Exceptions**: Type erasure is sometimes appropriate, such as for `std::function`.
17567 ##### Enforcement
17572 ##### Note
17575 ## <a name="SS-temp-def"></a>T.def: Template definitions
17577 A template definition (class or function) can contain arbitrary code, so only a comprehensive review of C++ programming techniques would cover this topic.
17578 However, this section focuses on what is specific to template implementation.
17579 In particular, it focuses on a template definition's dependence on its context.
17581 ### <a name="Rt-depend"></a>T.60: Minimize a template's context dependencies
17583 ##### Reason
17585 Eases understanding.
17586 Minimizes errors from unexpected dependencies.
17587 Eases tool creation.
17589 ##### Example
17591     template<typename C>
17592     void sort(C& c)
17593     {
17594         std::sort(begin(c), end(c)); // necessary and useful dependency
17595     }
17597     template<typename Iter>
17598     Iter algo(Iter first, Iter last) {
17599         for (; first != last; ++first) {
17600             auto x = sqrt(*first); // potentially surprising dependency: which sqrt()?
17601             helper(first, x);      // potentially surprising dependency:
17602                                    // helper is chosen based on first and x
17603             TT var = 7;            // potentially surprising dependency: which TT?
17604         }
17605     }
17607 ##### Note
17609 Templates typically appear in header files so their context dependencies are more vulnerable to `#include` order dependencies than functions in `.cpp` files.
17611 ##### Note
17613 Having a template operate only on its arguments would be one way of reducing the number of dependencies to a minimum, but that would generally be unmanageable.
17614 For example, an algorithm usually uses other algorithms and invoke operations that does not exclusively operate on arguments.
17615 And don't get us started on macros!
17617 **See also**: [T.69](#Rt-customization)
17619 ##### Enforcement
17621 ??? Tricky
17623 ### <a name="Rt-scary"></a>T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)
17625 ##### Reason
17627 A member that does not depend on a template parameter cannot be used except for a specific template argument.
17628 This limits use and typically increases code size.
17630 ##### Example, bad
17632     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
17633         // requires Regular<T> && Allocator<A>
17634     class List {
17635     public:
17636         struct Link {   // does not depend on A
17637             T elem;
17638             T* pre;
17639             T* suc;
17640         };
17642         using iterator = Link*;
17644         iterator first() const { return head; }
17646         // ...
17647     private:
17648         Link* head;
17649     };
17651     List<int> lst1;
17652     List<int, My_allocator> lst2;
17654 This looks innocent enough, but now `Link` formally depends on the allocator (even though it doesn't use the allocator). This forces redundant instantiations that can be surprisingly costly in some real-world scenarios.
17655 Typically, the solution is to make what would have been a nested class non-local, with its own minimal set of template parameters.
17657     template<typename T>
17658     struct Link {
17659         T elem;
17660         T* pre;
17661         T* suc;
17662     };
17664     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
17665         // requires Regular<T> && Allocator<A>
17666     class List2 {
17667     public:
17668         using iterator = Link<T>*;
17670         iterator first() const { return head; }
17672         // ...
17673     private:
17674         Link* head;
17675     };
17677     List<int> lst1;
17678     List<int, My_allocator> lst2;
17680 Some people found the idea that the `Link` no longer was hidden inside the list scary, so we named the technique
17681 [SCARY](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/WG21/docs/papers/2009/n2911.pdf).From that academic paper: 
17682 "The acronym SCARY describes assignments and initializations that are Seemingly erroneous (appearing Constrained by conflicting generic parameters), but Actually work with the Right implementation (unconstrained bY the conflict due to minimized dependencies."
17684 ##### Enforcement
17686 * Flag member types that do not depend on every template argument
17687 * Flag member functions that do not depend on every template argument
17689 ### <a name="Rt-nondependent"></a>T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class
17691 ##### Reason
17693  Allow the base class members to be used without specifying template arguments and without template instantiation.
17695 ##### Example
17697     template<typename T>
17698     class Foo {
17699     public:
17700         enum { v1, v2 };
17701         // ...
17702     };
17706     struct Foo_base {
17707         enum { v1, v2 };
17708         // ...
17709     };
17711     template<typename T>
17712     class Foo : public Foo_base {
17713     public:
17714         // ...
17715     };
17717 ##### Note
17719 A more general version of this rule would be
17720 "If a template class member depends on only N template parameters out of M, place it in a base class with only N parameters."
17721 For N == 1, we have a choice of a base class of a class in the surrounding scope as in [T.61](#Rt-scary).
17723 ??? What about constants? class statics?
17725 ##### Enforcement
17727 * Flag ???
17729 ### <a name="Rt-specialization"></a>T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates
17731 ##### Reason
17733 A template defines a general interface.
17734 Specialization offers a powerful mechanism for providing alternative implementations of that interface.
17736 ##### Example
17738     ??? string specialization (==)
17740     ??? representation specialization ?
17742 ##### Note
17746 ##### Enforcement
17750 ### <a name="Rt-tag-dispatch"></a>T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of a function
17752 ##### Reason
17754 * A template defines a general interface.
17755 * Tag dispatch allows us to select implementations based on specific properties of an argument type.
17756 * Performance.
17758 ##### Example
17760 This is a simplified version of `std::copy` (ignoring the possibility of non-contiguous sequences)
17762     struct pod_tag {};
17763     struct non_pod_tag {};
17765     template<class T> struct copy_trait { using tag = non_pod_tag; };   // T is not "plain old data"
17767     template<> struct copy_trait<int> { using tag = pod_tag; };         // int is "plain old data"
17769     template<class Iter>
17770     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, pod_tag)
17771     {
17772         // use memmove
17773     }
17775     template<class Iter>
17776     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, non_pod_tag)
17777     {
17778         // use loop calling copy constructors
17779     }
17781     template<class Itert>
17782     Out copy(Iter first, Iter last, Iter out)
17783     {
17784         return copy_helper(first, last, out, typename copy_trait<Iter>::tag{})
17785     }
17787     void use(vector<int>& vi, vector<int>& vi2, vector<string>& vs, vector<string>& vs2)
17788     {
17789         copy(vi.begin(), vi.end(), vi2.begin()); // uses memmove
17790         copy(vs.begin(), vs.end(), vs2.begin()); // uses a loop calling copy constructors
17791     }
17793 This is a general and powerful technique for compile-time algorithm selection.
17795 ##### Note
17797 When `concept`s become widely available such alternatives can be distinguished directly:
17799     template<class Iter>
17800         requires Pod<Value_type<iter>>
17801     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
17802     {
17803         // use memmove
17804     }
17806     template<class Iter>
17807     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
17808     {
17809         // use loop calling copy constructors
17810     }
17812 ##### Enforcement
17817 ### <a name="Rt-specialization2"></a>T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types
17819 ##### Reason
17821  ???
17823 ##### Example
17825     ???
17827 ##### Enforcement
17831 ### <a name="Rt-cast"></a>T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities
17833 ##### Reason
17835  `()` is vulnerable to grammar ambiguities.
17837 ##### Example
17839     template<typename T, typename U>
17840     void f(T t, U u)
17841     {
17842         T v1(x);    // is v1 a function of a variable?
17843         T v2 {x};   // variable
17844         auto x = T(u);  // construction or cast?
17845     }
17847     f(1, "asdf"); // bad: cast from const char* to int
17849 ##### Enforcement
17851 * flag `()` initializers
17852 * flag function-style casts
17855 ### <a name="Rt-customization"></a>T.69: Inside a template, don't make an unqualified nonmember function call unless you intend it to be a customization point
17857 ##### Reason
17859 * Provide only intended flexibility.
17860 * Avoid vulnerability to accidental environmental changes.
17862 ##### Example
17864 There are three major ways to let calling code customize a template.
17866     template<class T>
17867         // Call a member function
17868     void test1(T t)
17869     {
17870         t.f();    // require T to provide f()
17871     }
17873     template<class T>
17874     void test2(T t)
17875         // Call a nonmember function without qualification
17876     {
17877         f(t);  // require f(/*T*/) be available in caller's scope or in T's namespace
17878     }
17880     template<class T>
17881     void test3(T t)
17882         // Invoke a "trait"
17883     {
17884         test_traits<T>::f(t); // require customizing test_traits<>
17885                               // to get non-default functions/types
17886     }
17888 A trait is usually a type alias to compute a type,
17889 a `constexpr` function to compute a value,
17890 or a traditional traits template to be specialized on the user's type.
17892 ##### Note
17894 If you intend to call your own helper function `helper(t)` with a value `t` that depends on a template type parameter,
17895 put it in a `::detail` namespace and qualify the call as `detail::helper(t);`.
17896 An unqualified call becomes a customization point where any function `helper` in the namespace of `t`'s type can be invoked;
17897 this can cause problems like [unintentionally invoking unconstrained function templates](#Rt-unconstrained-adl).
17900 ##### Enforcement
17902 * In a template, flag an unqualified call to a nonmember function that passes a variable of dependent type when there is a nonmember function of the same name in the template's namespace.
17905 ## <a name="SS-temp-hier"></a>T.temp-hier: Template and hierarchy rules:
17907 Templates are the backbone of C++'s support for generic programming and class hierarchies the backbone of its support
17908 for object-oriented programming.
17909 The two language mechanisms can be used effectively in combination, but a few design pitfalls must be avoided.
17911 ### <a name="Rt-hier"></a>T.80: Do not naively templatize a class hierarchy
17913 ##### Reason
17915 Templating a class hierarchy that has many functions, especially many virtual functions, can lead to code bloat.
17917 ##### Example, bad
17919     template<typename T>
17920     struct Container {         // an interface
17921         virtual T* get(int i);
17922         virtual T* first();
17923         virtual T* next();
17924         virtual void sort();
17925     };
17927     template<typename T>
17928     class Vector : public Container<T> {
17929     public:
17930         // ...
17931     };
17933     Vector<int> vi;
17934     Vector<string> vs;
17936 It is probably a dumb idea to define a `sort` as a member function of a container, but it is not unheard of and it makes a good example of what not to do.
17938 Given this, the compiler cannot know if `vector<int>::sort()` is called, so it must generate code for it.
17939 Similar for `vector<string>::sort()`.
17940 Unless those two functions are called that's code bloat.
17941 Imagine what this would do to a class hierarchy with dozens of member functions and dozens of derived classes with many instantiations.
17943 ##### Note
17945 In many cases you can provide a stable interface by not parameterizing a base;
17946 see ["stable base"](#Rt-abi) and [OO and GP](#Rt-generic-oo)
17948 ##### Enforcement
17950 * Flag virtual functions that depend on a template argument. ??? False positives
17952 ### <a name="Rt-array"></a>T.81: Do not mix hierarchies and arrays
17954 ##### Reason
17956 An array of derived classes can implicitly "decay" to a pointer to a base class with potential disastrous results.
17958 ##### Example
17960 Assume that `Apple` and `Pear` are two kinds of `Fruit`s.
17962     void maul(Fruit* p)
17963     {
17964         *p = Pear{};     // put a Pear into *p
17965         p[1] = Pear{};   // put a Pear into p[1]
17966     }
17968     Apple aa [] = { an_apple, another_apple };   // aa contains Apples (obviously!)
17970     maul(aa);
17971     Apple& a0 = &aa[0];   // a Pear?
17972     Apple& a1 = &aa[1];   // a Pear?
17974 Probably, `aa[0]` will be a `Pear` (without the use of a cast!).
17975 If `sizeof(Apple) != sizeof(Pear)` the access to `aa[1]` will not be aligned to the proper start of an object in the array.
17976 We have a type violation and possibly (probably) a memory corruption.
17977 Never write such code.
17979 Note that `maul()` violates the a [`T*` points to an individual object rule](#Rf-ptr).
17981 **Alternative**: Use a proper (templatized) container:
17983     void maul2(Fruit* p)
17984     {
17985         *p = Pear{};   // put a Pear into *p
17986     }
17988     vector<Apple> va = { an_apple, another_apple };   // va contains Apples (obviously!)
17990     maul2(va);       // error: cannot convert a vector<Apple> to a Fruit*
17991     maul2(&va[0]);   // you asked for it
17993     Apple& a0 = &va[0];   // a Pear?
17995 Note that the assignment in `maul2()` violated the [no-slicing rule](#Res-slice).
17997 ##### Enforcement
17999 * Detect this horror!
18001 ### <a name="Rt-linear"></a>T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable
18003 ##### Reason
18005  ???
18007 ##### Example
18009     ???
18011 ##### Enforcement
18015 ### <a name="Rt-virtual"></a>T.83: Do not declare a member function template virtual
18017 ##### Reason
18019 C++ does not support that.
18020 If it did, vtbls could not be generated until link time.
18021 And in general, implementations must deal with dynamic linking.
18023 ##### Example, don't
18025     class Shape {
18026         // ...
18027         template<class T>
18028         virtual bool intersect(T* p);   // error: template cannot be virtual
18029     };
18031 ##### Note
18033 We need a rule because people keep asking about this
18035 ##### Alternative
18037 Double dispatch, visitors, calculate which function to call
18039 ##### Enforcement
18041 The compiler handles that.
18043 ### <a name="Rt-abi"></a>T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface
18045 ##### Reason
18047 Improve stability of code.
18048 Avoid code bloat.
18050 ##### Example
18052 It could be a base class:
18054     struct Link_base {   // stable
18055         Link_base* suc;
18056         Link_base* pre;
18057     };
18059     template<typename T>   // templated wrapper to add type safety
18060     struct Link : Link_base {
18061         T val;
18062     };
18064     struct List_base {
18065         Link_base* first;   // first element (if any)
18066         int sz;             // number of elements
18067         void add_front(Link_base* p);
18068         // ...
18069     };
18071     template<typename T>
18072     class List : List_base {
18073     public:
18074         void put_front(const T& e) { add_front(new Link<T>{e}); }   // implicit cast to Link_base
18075         T& front() { static_cast<Link<T>*>(first).val; }   // explicit cast back to Link<T>
18076         // ...
18077     };
18079     List<int> li;
18080     List<string> ls;
18082 Now there is only one copy of the operations linking and unlinking elements of a `List`.
18083 The `Link` and `List` classes do nothing but type manipulation.
18085 Instead of using a separate "base" type, another common technique is to specialize for `void` or `void*` and have the general template for `T` be just the safely-encapsulated casts to and from the core `void` implementation.
18087 **Alternative**: Use a [Pimpl](#Ri-pimpl) implementation.
18089 ##### Enforcement
18093 ## <a name="SS-variadic"></a>T.var: Variadic template rules
18097 ### <a name="Rt-variadic"></a>T.100: Use variadic templates when you need a function that takes a variable number of arguments of a variety of types
18099 ##### Reason
18101 Variadic templates is the most general mechanism for that, and is both efficient and type-safe. Don't use C varargs.
18103 ##### Example
18105     ??? printf
18107 ##### Enforcement
18109 * Flag uses of `va_arg` in user code.
18111 ### <a name="Rt-variadic-pass"></a>T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???
18113 ##### Reason
18115  ???
18117 ##### Example
18119     ??? beware of move-only and reference arguments
18121 ##### Enforcement
18125 ### <a name="Rt-variadic-process"></a>T.102: How to process arguments to a variadic template
18127 ##### Reason
18129  ???
18131 ##### Example
18133     ??? forwarding, type checking, references
18135 ##### Enforcement
18139 ### <a name="Rt-variadic-not"></a>T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists
18141 ##### Reason
18143 There are more precise ways of specifying a homogeneous sequence, such as an `initializer_list`.
18145 ##### Example
18147     ???
18149 ##### Enforcement
18153 ## <a name="SS-meta"></a>T.meta: Template metaprogramming (TMP)
18155 Templates provide a general mechanism for compile-time programming.
18157 Metaprogramming is programming where at least one input or one result is a type.
18158 Templates offer Turing-complete (modulo memory capacity) duck typing at compile time.
18159 The syntax and techniques needed are pretty horrendous.
18161 ### <a name="Rt-metameta"></a>T.120: Use template metaprogramming only when you really need to
18163 ##### Reason
18165 Template metaprogramming is hard to get right, slows down compilation, and is often very hard to maintain.
18166 However, there are real-world examples where template metaprogramming provides better performance than any alternative short of expert-level assembly code.
18167 Also, there are real-world examples where template metaprogramming expresses the fundamental ideas better than run-time code.
18168 For example, if you really need AST manipulation at compile time (e.g., for optional matrix operation folding) there may be no other way in C++.
18170 ##### Example, bad
18172     ???
18174 ##### Example, bad
18176     enable_if
18178 Instead, use concepts. But see [How to emulate concepts if you don't have language support](#Rt-emulate).
18180 ##### Example
18182     ??? good
18184 **Alternative**: If the result is a value, rather than a type, use a [`constexpr` function](#Rt-fct).
18186 ##### Note
18188 If you feel the need to hide your template metaprogramming in macros, you have probably gone too far.
18190 ### <a name="Rt-emulate"></a>T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts
18192 ##### Reason
18194 Until concepts become generally available, we need to emulate them using TMP.
18195 Use cases that require concepts (e.g. overloading based on concepts) are among the most common (and simple) uses of TMP.
18197 ##### Example
18199     template<typename Iter>
18200         /*requires*/ enable_if<random_access_iterator<Iter>, void>
18201     advance(Iter p, int n) { p += n; }
18203     template<typename Iter>
18204         /*requires*/ enable_if<forward_iterator<Iter>, void>
18205     advance(Iter p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18207 ##### Note
18209 Such code is much simpler using concepts:
18211     void advance(RandomAccessIterator p, int n) { p += n; }
18213     void advance(ForwardIterator p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18215 ##### Enforcement
18219 ### <a name="Rt-tmp"></a>T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time
18221 ##### Reason
18223 Template metaprogramming is the only directly supported and half-way principled way of generating types at compile time.
18225 ##### Note
18227 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18229 ##### Example
18231     ??? big object / small object optimization
18233 ##### Enforcement
18237 ### <a name="Rt-fct"></a>T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time
18239 ##### Reason
18241 A function is the most obvious and conventional way of expressing the computation of a value.
18242 Often a `constexpr` function implies less compile-time overhead than alternatives.
18244 ##### Note
18246 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18248 ##### Example
18250     template<typename T>
18251         // requires Number<T>
18252     constexpr T pow(T v, int n)   // power/exponential
18253     {
18254         T res = 1;
18255         while (n--) res *= v;
18256         return res;
18257     }
18259     constexpr auto f7 = pow(pi, 7);
18261 ##### Enforcement
18263 * Flag template metaprograms yielding a value. These should be replaced with `constexpr` functions.
18265 ### <a name="Rt-std-tmp"></a>T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities
18267 ##### Reason
18269 Facilities defined in the standard, such as `conditional`, `enable_if`, and `tuple`, are portable and can be assumed to be known.
18271 ##### Example
18273     ???
18275 ##### Enforcement
18279 ### <a name="Rt-lib"></a>T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library
18281 ##### Reason
18283 Getting advanced TMP facilities is not easy and using a library makes you part of a (hopefully supportive) community.
18284 Write your own "advanced TMP support" only if you really have to.
18286 ##### Example
18288     ???
18290 ##### Enforcement
18294 ## <a name="SS-temp-other"></a>Other template rules
18296 ### <a name="Rt-name"></a>T.140: Name all operations with potential for reuse
18298 ##### Reason
18300 Documentation, readability, opportunity for reuse.
18302 ##### Example
18304     struct Rec {
18305         string name;
18306         string addr;
18307         int id;         // unique identifier
18308     };
18310     bool same(const Rec& a, const Rec& b)
18311     {
18312         return a.id == b.id;
18313     }
18315     vector<Rec*> find_id(const string& name);    // find all records for "name"
18317     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18318         [&](Rec& r) {
18319             if (r.name.size() != n.size()) return false; // name to compare to is in n
18320             for (int i = 0; i < r.name.size(); ++i)
18321                 if (tolower(r.name[i]) != tolower(n[i])) return false;
18322             return true;
18323         }
18324     );
18326 There is a useful function lurking here (case insensitive string comparison), as there often is when lambda arguments get large.
18328     bool compare_insensitive(const string& a, const string& b)
18329     {
18330         if (a.size() != b.size()) return false;
18331         for (int i = 0; i < a.size(); ++i) if (tolower(a[i]) != tolower(b[i])) return false;
18332         return true;
18333     }
18335     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18336         [&](Rec& r) { compare_insensitive(r.name, n); }
18337     );
18339 Or maybe (if you prefer to avoid the implicit name binding to n):
18341     auto cmp_to_n = [&n](const string& a) { return compare_insensitive(a, n); };
18343     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18344         [](const Rec& r) { return cmp_to_n(r.name); }
18345     );
18347 ##### Note
18349 whether functions, lambdas, or operators.
18351 ##### Exception
18353 * Lambdas logically used only locally, such as an argument to `for_each` and similar control flow algorithms.
18354 * Lambdas as [initializers](#???)
18356 ##### Enforcement
18358 * (hard) flag similar lambdas
18359 * ???
18361 ### <a name="Rt-lambda"></a>T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only
18363 ##### Reason
18365 That makes the code concise and gives better locality than alternatives.
18367 ##### Example
18369     auto earlyUsersEnd = std::remove_if(users.begin(), users.end(),
18370                                         [](const User &a) { return a.id > 100; });
18373 ##### Exception
18375 Naming a lambda can be useful for clarity even if it is used only once.
18377 ##### Enforcement
18379 * Look for identical and near identical lambdas (to be replaced with named functions or named lambdas).
18381 ### <a name="Rt-var"></a>T.142?: Use template variables to simplify notation
18383 ##### Reason
18385 Improved readability.
18387 ##### Example
18389     ???
18391 ##### Enforcement
18395 ### <a name="Rt-nongeneric"></a>T.143: Don't write unintentionally nongeneric code
18397 ##### Reason
18399 Generality. Reusability. Don't gratuitously commit to details; use the most general facilities available.
18401 ##### Example
18403 Use `!=` instead of `<` to compare iterators; `!=` works for more objects because it doesn't rely on ordering.
18405     for (auto i = first; i < last; ++i) {   // less generic
18406         // ...
18407     }
18409     for (auto i = first; i != last; ++i) {   // good; more generic
18410         // ...
18411     }
18413 Of course, range-`for` is better still where it does what you want.
18415 ##### Example
18417 Use the least-derived class that has the functionality you need.
18419     class Base {
18420     public:
18421         Bar f();
18422         Bar g();
18423     };
18425     class Derived1 : public Base {
18426     public:
18427         Bar h();
18428     };
18430     class Derived2 : public Base {
18431     public:
18432         Bar j();
18433     };
18435     // bad, unless there is a specific reason for limiting to Derived1 objects only
18436     void my_func(Derived1& param)
18437     {
18438         use(param.f());
18439         use(param.g());
18440     }
18442     // good, uses only Base interface so only commit to that
18443     void my_func(Base& param)
18444     {
18445         use(param.f());
18446         use(param.g());
18447     }
18449 ##### Enforcement
18451 * Flag comparison of iterators using `<` instead of `!=`.
18452 * Flag `x.size() == 0` when `x.empty()` or `x.is_empty()` is available. Emptiness works for more containers than size(), because some containers don't know their size or are conceptually of unbounded size.
18453 * Flag functions that take a pointer or reference to a more-derived type but only use functions declared in a base type.
18455 ### <a name="Rt-specialize-function"></a>T.144: Don't specialize function templates
18457 ##### Reason
18459 You can't partially specialize a function template per language rules. You can fully specialize a function template but you almost certainly want to overload instead -- because function template specializations don't participate in overloading, they don't act as you probably wanted. Rarely, you should actually specialize by delegating to a class template that you can specialize properly.
18461 ##### Example
18463     ???
18465 **Exceptions**: If you do have a valid reason to specialize a function template, just write a single function template that delegates to a class template, then specialize the class template (including the ability to write partial specializations).
18467 ##### Enforcement
18469 * Flag all specializations of a function template. Overload instead.
18472 ### <a name="Rt-check-class"></a>T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`
18474 ##### Reason
18476 If you intend for a class to match a concept, verifying that early saves users pain.
18478 ##### Example
18480     class X {
18481     public:
18482         X() = delete;
18483         X(const X&) = default;
18484         X(X&&) = default;
18485         X& operator=(const X&) = default;
18486         // ...
18487     };
18489 Somewhere, possibly in an implementation file, let the compiler check the desired properties of `X`:
18491     static_assert(Default_constructible<X>);    // error: X has no default constructor
18492     static_assert(Copyable<X>);                 // error: we forgot to define X's move constructor
18495 ##### Enforcement
18497 Not feasible.
18499 # <a name="S-cpl"></a>CPL: C-style programming
18501 C and C++ are closely related languages.
18502 They both originate in "Classic C" from 1978 and have evolved in ISO committees since then.
18503 Many attempts have been made to keep them compatible, but neither is a subset of the other.
18505 C rule summary:
18507 * [CPL.1: Prefer C++ to C](#Rcpl-C)
18508 * [CPL.2: If you must use C, use the common subset of C and C++, and compile the C code as C++](#Rcpl-subset)
18509 * [CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces](#Rcpl-interface)
18511 ### <a name="Rcpl-C"></a>CPL.1: Prefer C++ to C
18513 ##### Reason
18515 C++ provides better type checking and more notational support.
18516 It provides better support for high-level programming and often generates faster code.
18518 ##### Example
18520     char ch = 7;
18521     void* pv = &ch;
18522     int* pi = pv;   // not C++
18523     *pi = 999;      // overwrite sizeof(int) bytes near &ch
18525 The rules for implicit casting to and from `void*` in C are subtle and unenforced.
18526 In particular, this example violates a rule against converting to a type with stricter alignment.
18528 ##### Enforcement
18530 Use a C++ compiler.
18532 ### <a name="Rcpl-subset"></a>CPL.2: If you must use C, use the common subset of C and C++, and compile the C code as C++
18534 ##### Reason
18536 That subset can be compiled with both C and C++ compilers, and when compiled as C++ is better type checked than "pure C."
18538 ##### Example
18540     int* p1 = malloc(10 * sizeof(int));                      // not C++
18541     int* p2 = static_cast<int*>(malloc(10 * sizeof(int)));   // not C, C-style C++
18542     int* p3 = new int[10];                                   // not C
18543     int* p4 = (int*) malloc(10 * sizeof(int));               // both C and C++
18545 ##### Enforcement
18547 * Flag if using a build mode that compiles code as C.
18549   * The C++ compiler will enforce that the code is valid C++ unless you use C extension options.
18551 ### <a name="Rcpl-interface"></a>CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces
18553 ##### Reason
18555 C++ is more expressive than C and offers better support for many types of programming.
18557 ##### Example
18559 For example, to use a 3rd party C library or C systems interface, define the low-level interface in the common subset of C and C++ for better type checking.
18560 Whenever possible encapsulate the low-level interface in an interface that follows the C++ guidelines (for better abstraction, memory safety, and resource safety) and use that C++ interface in C++ code.
18562 ##### Example
18564 You can call C from C++:
18566     // in C:
18567     double sqrt(double);
18569     // in C++:
18570     extern "C" double sqrt(double);
18572     sqrt(2);
18574 ##### Example
18576 You can call C++ from C:
18578     // in C:
18579     X call_f(struct Y*, int);
18581     // in C++:
18582     extern "C" X call_f(Y* p, int i)
18583     {
18584         return p->f(i);   // possibly a virtual function call
18585     }
18587 ##### Enforcement
18589 None needed
18591 # <a name="S-source"></a>SF: Source files
18593 Distinguish between declarations (used as interfaces) and definitions (used as implementations).
18594 Use header files to represent interfaces and to emphasize logical structure.
18596 Source file rule summary:
18598 * [SF.1: Use a `.cpp` suffix for code files and `.h` for interface files if your project doesn't already follow another convention](#Rs-file-suffix)
18599 * [SF.2: A `.h` file may not contain object definitions or non-inline function definitions](#Rs-inline)
18600 * [SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files](#Rs-declaration-header)
18601 * [SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file](#Rs-include-order)
18602 * [SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface](#Rs-consistency)
18603 * [SF.6: Use `using namespace` directives for transition, for foundation libraries (such as `std`), or within a local scope (only)](#Rs-using)
18604 * [SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file](#Rs-using-directive)
18605 * [SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files](#Rs-guards)
18606 * [SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files](#Rs-cycles)
18607 * [SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names](#Rs-implicit)
18608 * [SF.11: Header files should be self-contained](#Rs-contained)
18610 * [SF.20: Use `namespace`s to express logical structure](#Rs-namespace)
18611 * [SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header](#Rs-unnamed)
18612 * [SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/nonexported entities](#Rs-unnamed2)
18614 ### <a name="Rs-file-suffix"></a>SF.1: Use a `.cpp` suffix for code files and `.h` for interface files if your project doesn't already follow another convention
18616 ##### Reason
18618 It's a longstanding convention.
18619 But consistency is more important, so if your project uses something else, follow that.
18621 ##### Note
18623 This convention reflects a common use pattern:
18624 Headers are more often shared with C to compile as both C++ and C, which typically uses `.h`,
18625 and it's easier to name all headers `.h` instead of having different extensions for just those headers that are intended to be shared with C.
18626 On the other hand, implementation files are rarely shared with C and so should typically be distinguished from `.c` files,
18627 so it's normally best to name all C++ implementation files something else (such as `.cpp`).
18629 The specific names `.h` and `.cpp` are not required (just recommended as a default) and other names are in widespread use.
18630 Examples are `.hh`, `.C`, and `.cxx`. Use such names equivalently.
18631 In this document, we refer to `.h` and `.cpp` as a shorthand for header and implementation files,
18632 even though the actual extension may be different.
18634 Your IDE (if you use one) may have strong opinions about suffices.
18636 ##### Example
18638     // foo.h:
18639     extern int a;   // a declaration
18640     extern void foo();
18642     // foo.cpp:
18643     int a;   // a definition
18644     void foo() { ++a; }
18646 `foo.h` provides the interface to `foo.cpp`. Global variables are best avoided.
18648 ##### Example, bad
18650     // foo.h:
18651     int a;   // a definition
18652     void foo() { ++a; }
18654 `#include <foo.h>` twice in a program and you get a linker error for two one-definition-rule violations.
18656 ##### Enforcement
18658 * Flag non-conventional file names.
18659 * Check that `.h` and `.cpp` (and equivalents) follow the rules below.
18661 ### <a name="Rs-inline"></a>SF.2: A `.h` file may not contain object definitions or non-inline function definitions
18663 ##### Reason
18665 Including entities subject to the one-definition rule leads to linkage errors.
18667 ##### Example
18669     // file.h:
18670     namespace Foo {
18671         int x = 7;
18672         int xx() { return x+x; }
18673     }
18675     // file1.cpp:
18676     #include <file.h>
18677     // ... more ...
18679      // file2.cpp:
18680     #include <file.h>
18681     // ... more ...
18683 Linking `file1.cpp` and `file2.cpp` will give two linker errors.
18685 **Alternative formulation**: A `.h` file must contain only:
18687 * `#include`s of other `.h` files (possibly with include guards)
18688 * templates
18689 * class definitions
18690 * function declarations
18691 * `extern` declarations
18692 * `inline` function definitions
18693 * `constexpr` definitions
18694 * `const` definitions
18695 * `using` alias definitions
18696 * ???
18698 ##### Enforcement
18700 Check the positive list above.
18702 ### <a name="Rs-declaration-header"></a>SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files
18704 ##### Reason
18706 Maintainability. Readability.
18708 ##### Example, bad
18710     // bar.cpp:
18711     void bar() { cout << "bar\n"; }
18713     // foo.cpp:
18714     extern void bar();
18715     void foo() { bar(); }
18717 A maintainer of `bar` cannot find all declarations of `bar` if its type needs changing.
18718 The user of `bar` cannot know if the interface used is complete and correct. At best, error messages come (late) from the linker.
18720 ##### Enforcement
18722 * Flag declarations of entities in other source files not placed in a `.h`.
18724 ### <a name="Rs-include-order"></a>SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file
18726 ##### Reason
18728 Minimize context dependencies and increase readability.
18730 ##### Example
18732     #include <vector>
18733     #include <algorithm>
18734     #include <string>
18736     // ... my code here ...
18738 ##### Example, bad
18740     #include <vector>
18742     // ... my code here ...
18744     #include <algorithm>
18745     #include <string>
18747 ##### Note
18749 This applies to both `.h` and `.cpp` files.
18751 ##### Note
18753 There is an argument for insulating code from declarations and macros in header files by `#including` headers *after* the code we want to protect
18754 (as in the example labeled "bad").
18755 However
18757 * that only works for one file (at one level): Use that technique in a header included with other headers and the vulnerability reappears.
18758 * a namespace (an "implementation namespace") can protect against many context dependencies.
18759 * full protection and flexibility require modules.
18761 **See also**:
18763 * [Working Draft, Extensions to C++ for Modules](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4592.pdf)
18764 * [Modules, Componentization, and Transition](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0141r0.pdf)
18766 ##### Enforcement
18768 Easy.
18770 ### <a name="Rs-consistency"></a>SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface
18772 ##### Reason
18774 This enables the compiler to do an early consistency check.
18776 ##### Example, bad
18778     // foo.h:
18779     void foo(int);
18780     int bar(long);
18781     int foobar(int);
18783     // foo.cpp:
18784     void foo(int) { /* ... */ }
18785     int bar(double) { /* ... */ }
18786     double foobar(int);
18788 The errors will not be caught until link time for a program calling `bar` or `foobar`.
18790 ##### Example
18792     // foo.h:
18793     void foo(int);
18794     int bar(long);
18795     int foobar(int);
18797     // foo.cpp:
18798     #include <foo.h>
18800     void foo(int) { /* ... */ }
18801     int bar(double) { /* ... */ }
18802     double foobar(int);   // error: wrong return type
18804 The return-type error for `foobar` is now caught immediately when `foo.cpp` is compiled.
18805 The argument-type error for `bar` cannot be caught until link time because of the possibility of overloading, but systematic use of `.h` files increases the likelihood that it is caught earlier by the programmer.
18807 ##### Enforcement
18811 ### <a name="Rs-using"></a>SF.6: Use `using namespace` directives for transition, for foundation libraries (such as `std`), or within a local scope (only)
18813 ##### Reason
18815  `using namespace` can lead to name clashes, so it should be used sparingly.
18816  However, it is not always possible to qualify every name from a namespace in user code (e.g., during transition)
18817  and sometimes a namespace is so fundamental and prevalent in a code base, that consistent qualification would be verbose and distracting.
18819 ##### Example
18821     #include <string>
18822     #include <vector>
18823     #include <iostream>
18824     #include <memory>
18825     #include <algorithm>
18827     using namespace std;
18829     // ...
18831 Here (obviously), the standard library is used pervasively and apparently no other library is used, so requiring `std::` everywhere
18832 could be distracting.
18834 ##### Example
18836 The use of `using namespace std;` leaves the programmer open to a name clash with a name from the standard library
18838     #include <cmath>
18839     using namespace std;
18841     int g(int x)
18842     {
18843         int sqrt = 7;
18844         // ...
18845         return sqrt(x); // error
18846     }
18848 However, this is not particularly likely to lead to a resolution that is not an error and
18849 people who use `using namespace std` are supposed to know about `std` and about this risk.
18851 ##### Note
18853 A `.cpp` file is a form of local scope.
18854 There is little difference in the opportunities for name clashes in an N-line `.cpp` containing a `using namespace X`,
18855 an N-line function containing a `using namespace X`,
18856 and M functions each containing a `using namespace X`with N lines of code in total.
18858 ##### Note
18860 [Don't write `using namespace` in a header file](#Rs-using-directive).
18862 ##### Enforcement
18864 Flag multiple `using namespace` directives for different namespaces in a single source file.
18866 ### <a name="Rs-using-directive"></a>SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file
18868 ##### Reason
18870 Doing so takes away an `#include`r's ability to effectively disambiguate and to use alternatives. It also makes `#include`d headers order-dependent as they may have different meaning when included in different orders.
18872 ##### Example
18874     // bad.h
18875     #include <iostream>
18876     using namespace std; // bad
18878     // user.cpp
18879     #include "bad.h"
18881     bool copy(/*... some parameters ...*/);    // some function that happens to be named copy
18883     int main() {
18884         copy(/*...*/);    // now overloads local ::copy and std::copy, could be ambiguous
18885     }
18887 ##### Enforcement
18889 Flag `using namespace` at global scope in a header file.
18891 ### <a name="Rs-guards"></a>SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files
18893 ##### Reason
18895 To avoid files being `#include`d several times.
18897 In order to avoid include guard collisions, do not just name the guard after the filename.
18898 Be sure to also include a key and good differentiator, such as the name of library or component
18899 the header file is part of.
18901 ##### Example
18903     // file foobar.h:
18904     #ifndef LIBRARY_FOOBAR_H
18905     #define LIBRARY_FOOBAR_H
18906     // ... declarations ...
18907     #endif // LIBRARY_FOOBAR_H
18909 ##### Enforcement
18911 Flag `.h` files without `#include` guards.
18913 ##### Note
18915 Some implementations offer vendor extensions like `#pragma once` as alternative to include guards.
18916 It is not standard and it is not portable.  It injects the hosting machine's filesystem semantics
18917 into your program, in addition to locking you down to a vendor.
18918 Our recommendation is to write in ISO C++: See [rule P.2](#Rp-Cplusplus).
18920 ### <a name="Rs-cycles"></a>SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files
18922 ##### Reason
18924 Cycles complicates comprehension and slows down compilation.
18925 Complicates conversion to use language-supported modules (when they become available).
18927 ##### Note
18929 Eliminate cycles; don't just break them with `#include` guards.
18931 ##### Example, bad
18933     // file1.h:
18934     #include "file2.h"
18936     // file2.h:
18937     #include "file3.h"
18939     // file3.h:
18940     #include "file1.h"
18942 ##### Enforcement
18944 Flag all cycles.
18947 ### <a name="Rs-implicit"></a>SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names
18949 ##### Reason
18951 Avoid surprises.
18952 Avoid having to change `#include`s if an `#include`d header changes.
18953 Avoid accidentally becoming dependent on implementation details and logically separate entities included in a header.
18955 ##### Example
18957     #include <iostream>
18958     using namespace std;
18960     void use()                  // bad
18961     {
18962         string s;
18963         cin >> s;               // fine
18964         getline(cin, s);        // error: getline() not defined
18965         if (s == "surprise") {  // error == not defined
18966             // ...
18967         }
18968     }
18970 `<iostream>` exposes the definition of `std::string` ("why?" makes for a fun trivia question),
18971 but it is not required to do so by transitively including the entire `<string>` header,
18972 resulting in the popular beginner question "why doesn't `getline(cin,s);` work?"
18973 or even an occasional "`string`s cannot be compared with `==`).
18975 The solution is to explicitly `#include <string>`:
18977     #include <iostream>
18978     #include <string>
18979     using namespace std;
18981     void use()
18982     {
18983         string s;
18984         cin >> s;               // fine
18985         getline(cin, s);        // fine
18986         if (s == "surprise") {  // fine
18987             // ...
18988         }
18989     }
18991 ##### Note
18993 Some headers exist exactly to collect a set of consistent declarations from a variety of headers.
18994 For example:
18996     // basic_std_lib.h:
18998     #include <vector>
18999     #include <string>
19000     #include <map>
19001     #include <iostream>
19002     #include <random>
19003     #include <vector>
19005 a user can now get that set of declarations with a single `#include`"
19007     #include "basic_std_lib.h"
19009 This rule against implicit inclusion is not meant to prevent such deliberate aggregation.
19011 ##### Enforcement
19013 Enforcement would require some knowledge about what in a header is meant to be "exported" to users and what is there to enable implementation.
19014 No really good solution is possible until we have modules.
19016 ### <a name="Rs-contained"></a>SF.11: Header files should be self-contained
19018 ##### Reason
19020 Usability, headers should be simple to use and work when included on their own.
19021 Headers should encapsulate the functionality they provide.
19022 Avoid clients of a header having to manage that header's dependencies.
19024 ##### Example
19026     #include "helpers.h"
19027     // helpers.h depends on std::string and includes <string>
19029 ##### Note
19031 Failing to follow this results in difficult to diagnose errors for clients of a header.
19033 ##### Enforcement
19035 A test should verify that the header file itself compiles or that a cpp file which only includes the header file compiles.
19037 ### <a name="Rs-namespace"></a>SF.20: Use `namespace`s to express logical structure
19039 ##### Reason
19041  ???
19043 ##### Example
19045     ???
19047 ##### Enforcement
19051 ### <a name="Rs-unnamed"></a>SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header
19053 ##### Reason
19055 It is almost always a bug to mention an unnamed namespace in a header file.
19057 ##### Example
19059     ???
19061 ##### Enforcement
19063 * Flag any use of an anonymous namespace in a header file.
19065 ### <a name="Rs-unnamed2"></a>SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/nonexported entities
19067 ##### Reason
19069 Nothing external can depend on an entity in a nested unnamed namespace.
19070 Consider putting every definition in an implementation source file in an unnamed namespace unless that is defining an "external/exported" entity.
19072 ##### Example
19074 An API class and its members can't live in an unnamed namespace; but any "helper" class or function that is defined in an implementation source file should be at an unnamed namespace scope.
19076     ???
19078 ##### Enforcement
19080 * ???
19082 # <a name="S-stdlib"></a>SL: The Standard Library
19084 Using only the bare language, every task is tedious (in any language).
19085 Using a suitable library any task can be reasonably simple.
19087 The standard library has steadily grown over the years.
19088 Its description in the standard is now larger than that of the language features.
19089 So, it is likely that this library section of the guidelines will eventually grow in size to equal or exceed all the rest.
19091 << ??? We need another level of rule numbering ??? >>
19093 C++ Standard Library component summary:
19095 * [SL.con: Containers](#SS-con)
19096 * [SL.str: String](#SS-string)
19097 * [SL.io: Iostream](#SS-io)
19098 * [SL.regex: Regex](#SS-regex)
19099 * [SL.chrono: Time](#SS-chrono)
19100 * [SL.C: The C Standard Library](#SS-clib)
19102 Standard-library rule summary:
19104 * [SL.1: Use libraries wherever possible](#Rsl-lib)
19105 * [SL.2: Prefer the standard library to other libraries](#Rsl-sl)
19106 * [SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`](#sl-std)
19107 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19108 * ???
19110 ### <a name="Rsl-lib"></a>SL.1:  Use libraries wherever possible
19112 ##### Reason
19114 Save time. Don't re-invent the wheel.
19115 Don't replicate the work of others.
19116 Benefit from other people's work when they make improvements.
19117 Help other people when you make improvements.
19119 ### <a name="Rsl-sl"></a>SL.2: Prefer the standard library to other libraries
19121 ##### Reason
19123 More people know the standard library.
19124 It is more likely to be stable, well-maintained, and widely available than your own code or most other libraries.
19127 ### <a name="sl-std"></a>SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`
19129 ##### Reason
19131 Adding to `std` may change the meaning of otherwise standards conforming code.
19132 Additions to `std` may clash with future versions of the standard.
19134 ##### Example
19136     ???
19138 ##### Enforcement
19140 Possible, but messy and likely to cause problems with platforms.
19142 ### <a name="sl-safe"></a>SL.4: Use the standard library in a type-safe manner
19144 ##### Reason
19146 Because, obviously, breaking this rule can lead to undefined behavior, memory corruption, and all kinds of other bad errors.
19148 ##### Note
19150 This is a semi-philosophical meta-rule, which needs many supporting concrete rules.
19151 We need it as an umbrella for the more specific rules.
19153 Summary of more specific rules:
19155 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19158 ## <a name="SS-con"></a>SL.con: Containers
19162 Container rule summary:
19164 * [SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array](#Rsl-arrays)
19165 * [SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container](#Rsl-vector)
19166 * [SL.con.3: Avoid bounds errors](#Rsl-bounds)
19167 *  ???
19169 ### <a name="Rsl-arrays"></a>SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array
19171 ##### Reason
19173 C arrays are less safe, and have no advantages over `array` and `vector`.
19174 For a fixed-length array, use `std::array`, which does not degenerate to a pointer when passed to a function and does know its size.
19175 Also, like a built-in array, a stack-allocated `std::array` keeps its elements on the stack.
19176 For a variable-length array, use `std::vector`, which additionally can change its size and handles memory allocation.
19178 ##### Example
19180     int v[SIZE];                        // BAD
19182     std::array<int, SIZE> w;             // ok
19184 ##### Example
19186     int* v = new int[initial_size];     // BAD, owning raw pointer
19187     delete[] v;                         // BAD, manual delete
19189     std::vector<int> w(initial_size);   // ok
19191 ##### Note
19193 Use `gsl::span` for non-owning references into a container.
19195 ##### Note
19197 Comparing the performance of a fixed-sized array allocated on the stack against a `vector` with its elements on the free store is bogus.
19198 You could just as well compare a `std::array` on the stack against the result of a `malloc()` accessed through a pointer.
19199 For most code, even the difference between stack allocation and free-store allocation doesn't matter, but the convenience and safety of `vector` does.
19200 People working with code for which that difference matters are quite capable of choosing between `array` and `vector`.
19202 ##### Enforcement
19204 * Flag declaration of a C array inside a function or class that also declares an STL container (to avoid excessive noisy warnings on legacy non-STL code). To fix: At least change the C array to a `std::array`.
19206 ### <a name="Rsl-vector"></a>SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container
19208 ##### Reason
19210 `vector` and `array` are the only standard containers that offer the fastest general-purpose access (random access, including being vectorization-friendly), the fastest default access pattern (begin-to-end or end-to-begin is prefetcher-friendly), and the lowest space overhead (contiguous layout has zero per-element overhead, which is cache-friendly).
19211 Usually you need to add and remove elements from the container, so use `vector` by default; if you don't need to modify the container's size, use `array`.
19213 Even when other containers seem more suited, such a `map` for O(log N) lookup performance or a `list` for efficient insertion in the middle, a `vector` will usually still perform better for containers up to a few KB in size.
19215 ##### Note
19217 `string` should not be used as a container of individual characters. A `string` is a textual string; if you want a container of characters, use `vector</*char_type*/>` or `array</*char_type*/>` instead.
19219 ##### Exceptions
19221 If you have a good reason to use another container, use that instead. For example:
19223 * If `vector` suits your needs but you don't need the container to be variable size, use `array` instead.
19225 * If you want a dictionary-style lookup container that guarantees O(K) or O(log N) lookups, the container will be larger (more than a few KB) and you perform frequent inserts so that the overhead of maintaining a sorted `vector` is infeasible, go ahead and use an `unordered_map` or `map` instead.
19227 ##### Note
19229 To initialize a vector with a number of elements, use `()`-initialization.
19230 To initialize a vector with a list of elements, use `{}`-initialization.
19232     vector<int> v1(20);  // v1 has 20 elements with the value 0 (vector<int>{})
19233     vector<int> v2 {20}; // v2 has 1 element with the value 20
19235 [Prefer the {}-initializer syntax](#Res-list).
19237 ##### Enforcement
19239 * Flag a `vector` whose size never changes after construction (such as because it's `const` or because no non-`const` functions are called on it). To fix: Use an `array` instead.
19241 ### <a name="Rsl-bounds"></a>SL.con.3: Avoid bounds errors
19243 ##### Reason
19245 Read or write beyond an allocated range of elements typically leads to bad errors, wrong results, crashes, and security violations.
19247 ##### Note
19249 The standard-library functions that apply to ranges of elements all have (or could have) bounds-safe overloads that take `span`.
19250 Standard types such as `vector` can be modified to perform bounds-checks under the bounds profile (in a compatible way, such as by adding contracts), or used with `at()`.
19252 Ideally, the in-bounds guarantee should be statically enforced.
19253 For example:
19255 * a range-`for` cannot loop beyond the range of the container to which it is applied
19256 * a `v.begin(),v.end()` is easily determined to be bounds safe
19258 Such loops are as fast as any unchecked/unsafe equivalent.
19260 Often a simple pre-check can eliminate the need for checking of individual indices.
19261 For example
19263 * for `v.begin(),v.begin()+i` the `i` can easily be checked against `v.size()`
19265 Such loops can be much faster than individually checked element accesses.
19267 ##### Example, bad
19269     void f()
19270     {
19271         array<int, 10> a, b;
19272         memset(a.data(), 0, 10);         // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19273         memcmp(a.data(), b.data(), 10);  // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19274     }
19276 Also, `std::array<>::fill()` or `std::fill()` or even an empty initializer are better candidate than `memset()`.
19278 ##### Example, good
19280     void f()
19281     {
19282         array<int, 10> a, b, c{};       // c is initialized to zero
19283         a.fill(0);
19284         fill(b.begin(), b.end(), 0);    // std::fill()
19285         fill(b, 0);                     // std::fill() + Ranges TS
19287         if ( a == b ) {
19288           // ...
19289         }
19290     }
19292 ##### Example
19294 If code is using an unmodified standard library, then there are still workarounds that enable use of `std::array` and `std::vector` in a bounds-safe manner. Code can call the `.at()` member function on each class, which will result in an `std::out_of_range` exception being thrown. Alternatively, code can call the `at()` free function, which will result in fail-fast (or a customized action) on a bounds violation.
19296     void f(std::vector<int>& v, std::array<int, 12> a, int i)
19297     {
19298         v[0] = a[0];        // BAD
19299         v.at(0) = a[0];     // OK (alternative 1)
19300         at(v, 0) = a[0];    // OK (alternative 2)
19302         v.at(0) = a[i];     // BAD
19303         v.at(0) = a.at(i);  // OK (alternative 1)
19304         v.at(0) = at(a, i); // OK (alternative 2)
19305     }
19307 ##### Enforcement
19309 * Issue a diagnostic for any call to a standard-library function that is not bounds-checked.
19310 ??? insert link to a list of banned functions
19312 This rule is part of the [bounds profile](#SS-bounds).
19314 **TODO Notes**:
19316 * Impact on the standard library will require close coordination with WG21, if only to ensure compatibility even if never standardized.
19317 * We are considering specifying bounds-safe overloads for stdlib (especially C stdlib) functions like `memcmp` and shipping them in the GSL.
19318 * For existing stdlib functions and types like `vector` that are not fully bounds-checked, the goal is for these features to be bounds-checked when called from code with the bounds profile on, and unchecked when called from legacy code, possibly using contracts (concurrently being proposed by several WG21 members).
19322 ## <a name="SS-string"></a>SL.str: String
19324 Text manipulation is a huge topic.
19325 `std::string` doesn't cover all of it.
19326 This section primarily tries to clarify `std::string`'s relation to `char*`, `zstring`, `string_view`, and `gsl::string_span`.
19327 The important issue of non-ASCII character sets and encodings (e.g., `wchar_t`, Unicode, and UTF-8) will be covered elsewhere.
19329 **See also**: [regular expressions](#SS-regex)
19331 Here, we use "sequence of characters" or "string" to refer to a sequence of characters meant to be read as text (somehow, eventually).
19332 We don't consider
19334 String summary:
19336 * [SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences](#Rstr-string)
19337 * [SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::string_span` to refer to character sequences](#Rstr-view)
19338 * [SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters](#Rstr-zstring)
19339 * [SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character](#Rstr-char*)
19340 * [SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters](#Rstr-byte)
19342 * [SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations](#Rstr-locale)
19343 * [SL.str.11: Use `gsl::string_span` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string](#Rstr-span)
19344 * [SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s](#Rstr-s)
19346 **See also**:
19348 * [F.24 span](#Rf-range)
19349 * [F.25 zstring](#Rf-zstring)
19352 ### <a name="Rstr-string"></a>SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences
19354 ##### Reason
19356 `string` correctly handles allocation, ownership, copying, gradual expansion, and offers a variety of useful operations.
19358 ##### Example
19360     vector<string> read_until(const string& terminator)
19361     {
19362         vector<string> res;
19363         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19364             res.push_back(s);
19365         return res;
19366     }
19368 Note how `>>` and `!=` are provided for `string` (as examples of useful operations) and there are no explicit
19369 allocations, deallocations, or range checks (`string` takes care of those).
19371 In C++17, we might use `string_view` as the argument, rather than `const string*` to allow more flexibility to callers:
19373     vector<string> read_until(string_view terminator)   // C++17
19374     {
19375         vector<string> res;
19376         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19377             res.push_back(s);
19378         return res;
19379     }
19381 The `gsl::string_span` is a current alternative offering most of the benefits of `std::string_view` for simple examples:
19383     vector<string> read_until(string_span terminator)
19384     {
19385         vector<string> res;
19386         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19387             res.push_back(s);
19388         return res;
19389     }
19391 ##### Example, bad
19393 Don't use C-style strings for operations that require non-trivial memory management
19395     char* cat(const char* s1, const char* s2)   // beware!
19396         // return s1 + '.' + s2
19397     {
19398         int l1 = strlen(s1);
19399         int l2 = strlen(s2);
19400         char* p = (char*) malloc(l1 + l2 + 2);
19401         strcpy(p, s1, l1);
19402         p[l1] = '.';
19403         strcpy(p + l1 + 1, s2, l2);
19404         p[l1 + l2 + 1] = 0;
19405         return p;
19406     }
19408 Did we get that right?
19409 Will the caller remember to `free()` the returned pointer?
19410 Will this code pass a security review?
19412 ##### Note
19414 Do not assume that `string` is slower than lower-level techniques without measurement and remember than not all code is performance critical.
19415 [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
19417 ##### Enforcement
19421 ### <a name="Rstr-view"></a>SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::string_span` to refer to character sequences
19423 ##### Reason
19425 `std::string_view` or `gsl::string_span` provides simple and (potentially) safe access to character sequences independently of how
19426 those sequences are allocated and stored.
19428 ##### Example
19430     vector<string> read_until(string_span terminator);
19432     void user(zstring p, const string& s, string_span ss)
19433     {
19434         auto v1 = read_until(p);
19435         auto v2 = read_until(s);
19436         auto v3 = read_until(ss);
19437         // ...
19438     }
19440 ##### Note
19442 `std::string_view` (C++17) is read-only.
19444 ##### Enforcement
19448 ### <a name="Rstr-zstring"></a>SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters
19450 ##### Reason
19452 Readability.
19453 Statement of intent.
19454 A plain `char*` can be a pointer to a single character, a pointer to an array of characters, a pointer to a C-style (zero-terminated) string, or even to a small integer.
19455 Distinguishing these alternatives prevents misunderstandings and bugs.
19457 ##### Example
19459     void f1(const char* s); // s is probably a string
19461 All we know is that it is supposed to be the nullptr or point to at least one character
19463     void f1(zstring s);     // s is a C-style string or the nullptr
19464     void f1(czstring s);    // s is a C-style string constant or the nullptr
19465     void f1(std::byte* s);  // s is a pointer to a byte (C++17)
19467 ##### Note
19469 Don't convert a C-style string to `string` unless there is a reason to.
19471 ##### Note
19473 Like any other "plain pointer", a `zstring` should not represent ownership.
19475 ##### Note
19477 There are billions of lines of C++ "out there", most use `char*` and `const char*` without documenting intent.
19478 They are used in a wide variety of ways, including to represent ownership and as generic pointers to memory (instead of `void*`).
19479 It is hard to separate these uses, so this guideline is hard to follow.
19480 This is one of the major sources of bugs in C and C++ programs, so it is worthwhile to follow this guideline wherever feasible..
19482 ##### Enforcement
19484 * Flag uses of `[]` on a `char*`
19485 * Flag uses of `delete` on a `char*`
19486 * Flag uses of `free()` on a `char*`
19488 ### <a name="Rstr-char*"></a>SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character
19490 ##### Reason
19492 The variety of uses of `char*` in current code is a major source of errors.
19494 ##### Example, bad
19496     char arr[] = {'a', 'b', 'c'};
19498     void print(const char* p)
19499     {
19500         cout << p << '\n';
19501     }
19503     void use()
19504     {
19505         print(arr);   // run-time error; potentially very bad
19506     }
19508 The array `arr` is not a C-style string because it is not zero-terminated.
19510 ##### Alternative
19512 See [`zstring`](#Rstr-zstring), [`string`](#Rstr-string), and [`string_span`](#Rstr-view).
19514 ##### Enforcement
19516 * Flag uses of `[]` on a `char*`
19518 ### <a name="Rstr-byte"></a>SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters
19520 ##### Reason
19522 Use of `char*` to represent a pointer to something that is not necessarily a character causes confusion
19523 and disables valuable optimizations.
19525 ##### Example
19527     ???
19529 ##### Note
19531 C++17
19533 ##### Enforcement
19538 ### <a name="Rstr-locale"></a>SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations
19540 ##### Reason
19542 `std::string` supports standard-library [`locale` facilities](#Rstr-locale)
19544 ##### Example
19546     ???
19548 ##### Note
19552 ##### Enforcement
19556 ### <a name="Rstr-span"></a>SL.str.11: Use `gsl::string_span` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string
19558 ##### Reason
19560 `std::string_view` is read-only.
19562 ##### Example
19566 ##### Note
19570 ##### Enforcement
19572 The compiler will flag attempts to write to a `string_view`.
19574 ### <a name="Rstr-s"></a>SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s
19576 ##### Reason
19578 Direct expression of an idea minimizes mistakes.
19580 ##### Example
19582     auto pp1 = make_pair("Tokyo", 9.00);         // {C-style string,double} intended?
19583     pair<string, double> pp2 = {"Tokyo", 9.00};  // a bit verbose
19584     auto pp3 = make_pair("Tokyo"s, 9.00);        // {std::string,double}    // C++14
19585     pair pp4 = {"Tokyo"s, 9.00};                 // {std::string,double}    // C++17
19589 ##### Enforcement
19594 ## <a name="SS-io"></a>SL.io: Iostream
19596 `iostream`s is a type safe, extensible, formatted and unformatted I/O library for streaming I/O.
19597 It supports multiple (and user extensible) buffering strategies and multiple locales.
19598 It can be used for conventional I/O, reading and writing to memory (string streams),
19599 and user-defines extensions, such as streaming across networks (asio: not yet standardized).
19601 Iostream rule summary:
19603 * [SL.io.1: Use character-level input only when you have to](#Rio-low)
19604 * [SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input](#Rio-validate)
19605 * [SL.io.3: Prefer iostreams for I/O](#Rio-streams)
19606 * [SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`](#Rio-sync)
19607 * [SL.io.50: Avoid `endl`](#Rio-endl)
19608 * [???](#???)
19610 ### <a name="Rio-low"></a>SL.io.1: Use character-level input only when you have to
19612 ##### Reason
19614 Unless you genuinely just deal with individual characters, using character-level input leads to the user code performing potentially error-prone
19615 and potentially inefficient composition of tokens out of characters.
19617 ##### Example
19619     char c;
19620     char buf[128];
19621     int i = 0;
19622     while (cin.get(c) && !isspace(c) && i < 128)
19623         buf[i++] = c;
19624     if (i == 128) {
19625         // ... handle too long string ....
19626     }
19628 Better (much simpler and probably faster):
19630     string s;
19631     s.reserve(128);
19632     cin >> s;
19634 and the `reserve(128)` is probably not worthwhile.
19636 ##### Enforcement
19641 ### <a name="Rio-validate"></a>SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input
19643 ##### Reason
19645 Errors are typically best handled as soon as possible.
19646 If input isn't validated, every function must be written to cope with bad data (and that is not practical).
19648 ##### Example
19650     ???
19652 ##### Enforcement
19656 ### <a name="Rio-streams"></a>SL.io.3: Prefer `iostream`s for I/O
19658 ##### Reason
19660 `iostream`s are safe, flexible, and extensible.
19662 ##### Example
19664     // write a complex number:
19665     complex<double> z{ 3, 4 };
19666     cout << z << '\n';
19668 `complex` is a user-defined type and its I/O is defined without modifying the `iostream` library.
19670 ##### Example
19672     // read a file of complex numbers:
19673     for (complex<double> z; cin >> z; )
19674         v.push_back(z);
19676 ##### Exception
19678 ??? performance ???
19680 ##### Discussion: `iostream`s vs. the `printf()` family
19682 It is often (and often correctly) pointed out that the `printf()` family has two advantages compared to `iostream`s:
19683 flexibility of formatting and performance.
19684 This has to be weighed against `iostream`s advantages of extensibility to handle user-defined types, resilient against security violations,
19685 implicit memory management, and `locale` handling.
19687 If you need I/O performance, you can almost always do better than `printf()`.
19689 `gets()` `scanf()` using `s`, and `printf()` using `%s` are security hazards (vulnerable to buffer overflow and generally error-prone).
19690 In C11, they are replaced by `gets_s()`, `scanf_s()`, and `printf_s()` as safer alternatives, but they are still not type safe.
19692 ##### Enforcement
19694 Optionally flag `<cstdio>` and `<stdio.h>`.
19696 ### <a name="Rio-sync"></a>SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`
19698 ##### Reason
19700 Synchronizing `iostreams` with `printf-style` I/O can be costly.
19701 `cin` and `cout` are by default synchronized with `printf`.
19703 ##### Example
19705     int main()
19706     {
19707         ios_base::sync_with_stdio(false);
19708         // ... use iostreams ...
19709     }
19711 ##### Enforcement
19715 ### <a name="Rio-endl"></a>SL.io.50: Avoid `endl`
19717 ##### Reason
19719 The `endl` manipulator is mostly equivalent to `'\n'` and `"\n"`;
19720 as most commonly used it simply slows down output by doing redundant `flush()`s.
19721 This slowdown can be significant compared to `printf`-style output.
19723 ##### Example
19725     cout << "Hello, World!" << endl;    // two output operations and a flush
19726     cout << "Hello, World!\n";          // one output operation and no flush
19728 ##### Note
19730 For `cin`/`cout` (and equivalent) interaction, there is no reason to flush; that's done automatically.
19731 For writing to a file, there is rarely a need to `flush`.
19733 ##### Note
19735 Apart from the (occasionally important) issue of performance,
19736 the choice between `'\n'` and `endl` is almost completely aesthetic.
19738 ## <a name="SS-regex"></a>SL.regex: Regex
19740 `<regex>` is the standard C++ regular expression library.
19741 It supports a variety of regular expression pattern conventions.
19743 ## <a name="SS-chrono"></a>SL.chrono: Time
19745 `<chrono>` (defined in namespace `std::chrono`) provides the notions of `time_point` and `duration` together with functions for
19746 outputting time in various units.
19747 It provides clocks for registering `time_points`.
19749 ## <a name="SS-clib"></a>SL.C: The C Standard Library
19753 C Standard Library rule summary:
19755 * [S.C.1: Don't use setjmp/longjmp](#Rclib-jmp)
19756 * [???](#???)
19757 * [???](#???)
19759 ### <a name="Rclib-jmp"></a>SL.C.1: Don't use setjmp/longjmp
19761 ##### Reason
19763 a `longjmp` ignores destructors, thus invalidating all resource-management strategies relying on RAII
19765 ##### Enforcement
19767 Flag all occurrences of `longjmp`and `setjmp`
19771 # <a name="S-A"></a>A: Architectural ideas
19773 This section contains ideas about higher-level architectural ideas and libraries.
19775 Architectural rule summary:
19777 * [A.1: Separate stable from less stable part of code](#Ra-stable)
19778 * [A.2: Express potentially reusable parts as a library](#Ra-lib)
19779 * [A.4: There should be no cycles among libraries](#?Ra-dag)
19780 * [???](#???)
19781 * [???](#???)
19782 * [???](#???)
19783 * [???](#???)
19784 * [???](#???)
19785 * [???](#???)
19787 ### <a name="Ra-stable"></a>A.1: Separate stable from less stable part of code
19791 ### <a name="Ra-lib"></a>A.2: Express potentially reusable parts as a library
19793 ##### Reason
19795 ##### Note
19797 A library is a collection of declarations and definitions maintained, documented, and shipped together.
19798 A library could be a set of headers (a "header only library") or a set of headers plus a set of object files.
19799 A library can be statically or dynamically linked into a program, or it may be `#include`d
19802 ### <a name="Ra-dag"></a>A.4: There should be no cycles among libraries
19804 ##### Reason
19806 * A cycle implies complication of the build process.
19807 * Cycles are hard to understand and may introduce indeterminism (unspecified behavior).
19809 ##### Note
19811 A library can contain cyclic references in the definition of its components.
19812 For example:
19814     ???
19816 However, a library should not depend on another that depends on it.
19819 # <a name="S-not"></a>NR: Non-Rules and myths
19821 This section contains rules and guidelines that are popular somewhere, but that we deliberately don't recommend.
19822 We know full well that there have been times and places where these rules made sense, and we have used them ourselves at times.
19823 However, in the context of the styles of programming we recommend and support with the guidelines, these "non-rules" would do harm.
19825 Even today, there can be contexts where the rules make sense.
19826 For example, lack of suitable tool support can make exceptions unsuitable in hard-real-time systems,
19827 but please don't blindly trust "common wisdom" (e.g., unsupported statements about "efficiency");
19828 such "wisdom" may be based on decades-old information or experienced from languages with very different properties than C++
19829 (e.g., C or Java).
19831 The positive arguments for alternatives to these non-rules are listed in the rules offered as "Alternatives".
19833 Non-rule summary:
19835 * [NR.1: Don't: All declarations should be at the top of a function](#Rnr-top)
19836 * [NR.2: Don't: Have only a single `return`-statement in a function](#Rnr-single-return)
19837 * [NR.3: Don't: Don't use exceptions](#Rnr-no-exceptions)
19838 * [NR.4: Don't: Place each class declaration in its own source file](#Rnr-lots-of-files)
19839 * [NR.5: Don't: Don't do substantive work in a constructor; instead use two-phase initialization](#Rnr-two-phase-init)
19840 * [NR.6: Don't: Place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`](#Rnr-goto-exit)
19841 * [NR.7: Don't: Make all data members `protected`](#Rnr-protected-data)
19842 * ???
19844 ### <a name="Rnr-top"></a>NR.1: Don't: All declarations should be at the top of a function
19846 ##### Reason (not to follow this rule)
19848 This rule is a legacy of old programming languages that didn't allow initialization of variables and constants after a statement.
19849 This leads to longer programs and more errors caused by uninitialized and wrongly initialized variables.
19851 ##### Example, bad
19853     int use(int x)
19854     {
19855         int i;
19856         char c;
19857         double d;
19859         // ... some stuff ...
19861         if (x < i) {
19862             // ...
19863             i = f(x, d);
19864         }
19865         if (i < x) {
19866             // ...
19867             i = g(x, c);
19868         }
19869         return i;
19870     }
19872 The larger the distance between the uninitialized variable and its use, the larger the chance of a bug.
19873 Fortunately, compilers catch many "used before set" errors.
19874 Unfortunately, compilers cannot catch all such errors and unfortunately, the bugs aren't always as simple to spot as in this small example.
19877 ##### Alternative
19879 * [Always initialize an object](#Res-always)
19880 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
19882 ### <a name="Rnr-single-return"></a>NR.2: Don't: Have only a single `return`-statement in a function
19884 ##### Reason (not to follow this rule)
19886 The single-return rule can lead to unnecessarily convoluted code and the introduction of extra state variables.
19887 In particular, the single-return rule makes it harder to concentrate error checking at the top of a function.
19889 ##### Example
19891     template<class T>
19892     //  requires Number<T>
19893     string sign(T x)
19894     {
19895         if (x < 0)
19896             return "negative";
19897         else if (x > 0)
19898             return "positive";
19899         return "zero";
19900     }
19902 to use a single return only we would have to do something like
19904     template<class T>
19905     //  requires Number<T>
19906     string sign(T x)        // bad
19907     {
19908         string res;
19909         if (x < 0)
19910             res = "negative";
19911         else if (x > 0)
19912             res = "positive";
19913         else
19914             res = "zero";
19915         return res;
19916     }
19918 This is both longer and likely to be less efficient.
19919 The larger and more complicated the function is, the more painful the workarounds get.
19920 Of course many simple functions will naturally have just one `return` because of their simpler inherent logic.
19922 ##### Example
19924     int index(const char* p)
19925     {
19926         if (!p) return -1;  // error indicator: alternatively "throw nullptr_error{}"
19927         // ... do a lookup to find the index for p
19928         return i;
19929     }
19931 If we applied the rule, we'd get something like
19933     int index2(const char* p)
19934     {
19935         int i;
19936         if (!p)
19937             i = -1;  // error indicator
19938         else {
19939             // ... do a lookup to find the index for p
19940         }
19941         return i;
19942     }
19944 Note that we (deliberately) violated the rule against uninitialized variables because this style commonly leads to that.
19945 Also, this style is a temptation to use the [goto exit](#Rnr-goto-exit) non-rule.
19947 ##### Alternative
19949 * Keep functions short and simple
19950 * Feel free to use multiple `return` statements (and to throw exceptions).
19952 ### <a name="Rnr-no-exceptions"></a>NR.3: Don't: Don't use exceptions
19954 ##### Reason (not to follow this rule)
19956 There seem to be three main reasons given for this non-rule:
19958 * exceptions are inefficient
19959 * exceptions lead to leaks and errors
19960 * exception performance is not predictable
19962 There is no way we can settle this issue to the satisfaction of everybody.
19963 After all, the discussions about exceptions have been going on for 40+ years.
19964 Some languages cannot be used without exceptions, but others do not support them.
19965 This leads to strong traditions for the use and non-use of exceptions, and to heated debates.
19967 However, we can briefly outline why we consider exceptions the best alternative for general-purpose programming
19968 and in the context of these guidelines.
19969 Simple arguments for and against are often inconclusive.
19970 There are specialized applications where exceptions indeed can be inappropriate
19971 (e.g., hard-real-time systems without support for reliable estimates of the cost of handling an exception).
19973 Consider the major objections to exceptions in turn
19975 * Exceptions are inefficient:
19976 Compared to what?
19977 When comparing make sure that the same set of errors are handled and that they are handled equivalently.
19978 In particular, do not compare a program that immediately terminate on seeing an error with a program
19979 that carefully cleans up resources before logging an error.
19980 Yes, some systems have poor exception handling implementations; sometimes, such implementations force us to use
19981 other error-handling approaches, but that's not a fundamental problem with exceptions.
19982 When using an efficiency argument - in any context - be careful that you have good data that actually provides
19983 insight into the problem under discussion.
19984 * Exceptions lead to leaks and errors.
19985 They do not.
19986 If your program is a rat's nest of pointers without an overall strategy for resource management,
19987 you have a problem whatever you do.
19988 If your system consists of a million lines of such code,
19989 you probably will not be able to use exceptions,
19990 but that's a problem with excessive and undisciplined pointer use, rather than with exceptions.
19991 In our opinion, you need RAII to make exception-based error handling simple and safe -- simpler and safer than alternatives.
19992 * Exception performance is not predictable.
19993 If you are in a hard-real-time system where you must guarantee completion of a task in a given time,
19994 you need tools to back up such guarantees.
19995 As far as we know such tools are not available (at least not to most programmers).
19997 Many, possibly most, problems with exceptions stem from historical needs to interact with messy old code.
19999 The fundamental arguments for the use of exceptions are
20001 * They clearly differentiate between erroneous return and ordinary return
20002 * They cannot be forgotten or ignored
20003 * They can be used systematically
20005 Remember
20007 * Exceptions are for reporting errors (in C++; other languages can have different uses for exceptions).
20008 * Exceptions are not for errors that can be handled locally.
20009 * Don't try to catch every exception in every function (that's tedious, clumsy, and leads to slow code).
20010 * Exceptions are not for errors that require instant termination of a module/system after a non-recoverable error.
20012 ##### Example
20014     ???
20016 ##### Alternative
20018 * [RAII](#Re-raii)
20019 * Contracts/assertions: Use GSL's `Expects` and `Ensures` (until we get language support for contracts)
20021 ### <a name="Rnr-lots-of-files"></a>NR.4: Don't: Place each class declaration in its own source file
20023 ##### Reason (not to follow this rule)
20025 The resulting number of files are hard to manage and can slow down compilation.
20026 Individual classes are rarely a good logical unit of maintenance and distribution.
20028 ##### Example
20030     ???
20032 ##### Alternative
20034 * Use namespaces containing logically cohesive sets of classes and functions.
20036 ### <a name="Rnr-two-phase-init"></a>NR.5: Don't: Don't do substantive work in a constructor; instead use two-phase initialization
20038 ##### Reason (not to follow this rule)
20040 Following this rule leads to weaker invariants,
20041 more complicated code (having to deal with semi-constructed objects),
20042 and errors (when we didn't deal correctly with semi-constructed objects consistently).
20044 ##### Example
20046     ???
20048 ##### Alternative
20050 * Always establish a class invariant in a constructor.
20051 * Don't define an object before it is needed.
20053 ### <a name="Rnr-goto-exit"></a>NR.6: Don't: Place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`
20055 ##### Reason (not to follow this rule)
20057 `goto` is error-prone.
20058 This technique is a pre-exception technique for RAII-like resource and error handling.
20060 ##### Example, bad
20062     void do_something(int n)
20063     {
20064         if (n < 100) goto exit;
20065         // ...
20066         int* p = (int*) malloc(n);
20067         // ...
20068         if (some_error) goto_exit;
20069         // ...
20070     exit:
20071         free(p);
20072     }
20074 and spot the bug.
20076 ##### Alternative
20078 * Use exceptions and [RAII](#Re-raii)
20079 * for non-RAII resources, use [`finally`](#Re-finally).
20081 ### <a name="Rnr-protected-data"></a>NR.7: Don't: Make all data members `protected`
20083 ##### Reason (not to follow this rule)
20085 `protected` data is a source of errors.
20086 `protected` data can be manipulated from an unbounded amount of code in various places.
20087 `protected` data is the class hierarchy equivalent to global data.
20089 ##### Example
20091     ???
20093 ##### Alternative
20095 * [Make member data `public` or (preferably) `private`](#Rh-protected)
20098 # <a name="S-references"></a>RF: References
20100 Many coding standards, rules, and guidelines have been written for C++, and especially for specialized uses of C++.
20101 Many
20103 * focus on lower-level issues, such as the spelling of identifiers
20104 * are written by C++ novices
20105 * see "stopping programmers from doing unusual things" as their primary aim
20106 * aim at portability across many compilers (some 10 years old)
20107 * are written to preserve decades old code bases
20108 * aim at a single application domain
20109 * are downright counterproductive
20110 * are ignored (must be ignored by programmers to get their work done well)
20112 A bad coding standard is worse than no coding standard.
20113 However an appropriate set of guidelines are much better than no standards: "Form is liberating."
20115 Why can't we just have a language that allows all we want and disallows all we don't want ("a perfect language")?
20116 Fundamentally, because affordable languages (and their tool chains) also serve people with needs that differ from yours and serve more needs than you have today.
20117 Also, your needs change over time and a general-purpose language is needed to allow you to adapt.
20118 A language that is ideal for today would be overly restrictive tomorrow.
20120 Coding guidelines adapt the use of a language to specific needs.
20121 Thus, there cannot be a single coding style for everybody.
20122 We expect different organizations to provide additions, typically with more restrictions and firmer style rules.
20124 Reference sections:
20126 * [RF.rules: Coding rules](#SS-rules)
20127 * [RF.books: Books with coding guidelines](#SS-books)
20128 * [RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14/C++17)](#SS-Cplusplus)
20129 * [RF.web: Websites](#SS-web)
20130 * [RS.video: Videos about "modern C++"](#SS-vid)
20131 * [RF.man: Manuals](#SS-man)
20132 * [RF.core: Core Guidelines materials](#SS-core)
20134 ## <a name="SS-rules"></a>RF.rules: Coding rules
20136 * [Boost Library Requirements and Guidelines](http://www.boost.org/development/requirements.html).
20137   ???.
20138 * [Bloomberg: BDE C++ Coding](https://github.com/bloomberg/bde/wiki/CodingStandards.pdf).
20139   Has a strong emphasis on code organization and layout.
20140 * Facebook: ???
20141 * [GCC Coding Conventions](https://gcc.gnu.org/codingconventions.html).
20142   C++03 and (reasonably) a bit backwards looking.
20143 * [Google C++ Style Guide](https://google.github.io/styleguide/cppguide.html).
20144   Geared toward C++03 and (also) older code bases. Google experts are now actively collaborating here on helping to improve these Guidelines, and hopefully to merge efforts so these can be a modern common set they could also recommend.
20145 * [JSF++: JOINT STRIKE FIGHTER AIR VEHICLE C++ CODING STANDARDS](http://www.stroustrup.com/JSF-AV-rules.pdf).
20146   Document Number 2RDU00001 Rev C. December 2005.
20147   For flight control software.
20148   For hard-real-time.
20149   This means that it is necessarily very restrictive ("if the program fails somebody dies").
20150   For example, no free store allocation or deallocation may occur after the plane takes off (no memory overflow and no fragmentation allowed).
20151   No exception may be used (because there was no available tool for guaranteeing that an exception would be handled within a fixed short time).
20152   Libraries used have to have been approved for mission critical applications.
20153   Any similarities to this set of guidelines are unsurprising because Bjarne Stroustrup was an author of JSF++.
20154   Recommended, but note its very specific focus.
20155 * [Mozilla Portability Guide](https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Mozilla/C%2B%2B_Portability_Guide).
20156   As the name indicates, this aims for portability across many (old) compilers.
20157   As such, it is restrictive.
20158 * [Geosoft.no: C++ Programming Style Guidelines](http://geosoft.no/development/cppstyle.html).
20159   ???.
20160 * [Possibility.com: C++ Coding Standard](http://www.possibility.com/Cpp/CppCodingStandard.html).
20161   ???.
20162 * [SEI CERT: Secure C++ Coding Standard](https://www.securecoding.cert.org/confluence/pages/viewpage.action?pageId=637).
20163   A very nicely done set of rules (with examples and rationales) done for security-sensitive code.
20164   Many of their rules apply generally.
20165 * [High Integrity C++ Coding Standard](http://www.codingstandard.com/).
20166 * [llvm](http://llvm.org/docs/CodingStandards.html).
20167   Somewhat brief, pre-C++11, and (not unreasonably) adjusted to its domain.
20168 * ???
20170 ## <a name="SS-books"></a>RF.books: Books with coding guidelines
20172 * [Meyers96](#Meyers96) Scott Meyers: *More Effective C++*. Addison-Wesley 1996.
20173 * [Meyers97](#Meyers97) Scott Meyers: *Effective C++, Second Edition*. Addison-Wesley 1997.
20174 * [Meyers01](#Meyers01) Scott Meyers: *Effective STL*. Addison-Wesley 2001.
20175 * [Meyers05](#Meyers05) Scott Meyers: *Effective C++, Third Edition*. Addison-Wesley 2005.
20176 * [Meyers15](#Meyers15) Scott Meyers: *Effective Modern C++*. O'Reilly 2015.
20177 * [SuttAlex05](#SuttAlex05) Sutter and Alexandrescu: *C++ Coding Standards*. Addison-Wesley 2005. More a set of meta-rules than a set of rules. Pre-C++11.
20178 * [Stroustrup05](#Stroustrup05) Bjarne Stroustrup: [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
20179   LCSD05. October 2005.
20180 * [Stroustrup14](#Stroustrup05) Stroustrup: [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
20181   Addison Wesley 2014.
20182   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20183 * [Stroustrup13](#Stroustrup13) Stroustrup: [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html).
20184   Addison Wesley 2013.
20185   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20186 * Stroustrup: [Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
20187   for [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
20188   Mostly low-level naming and layout rules.
20189   Primarily a teaching tool.
20191 ## <a name="SS-Cplusplus"></a>RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14)
20193 * [TC++PL4](http://www.stroustrup.com/4th.html):
20194 A thorough description of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20195 * [Tour++](http://www.stroustrup.com/Tour.html):
20196 An overview of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20197 * [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html):
20198 A textbook for beginners and relative novices.
20200 ## <a name="SS-web"></a>RF.web: Websites
20202 * [isocpp.org](https://isocpp.org)
20203 * [Bjarne Stroustrup's home pages](http://www.stroustrup.com)
20204 * [WG21](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/)
20205 * [Boost](http://www.boost.org)<a name="Boost"></a>
20206 * [Adobe open source](http://www.adobe.com/open-source.html)
20207 * [Poco libraries](http://pocoproject.org/)
20208 * Sutter's Mill?
20209 * ???
20211 ## <a name="SS-vid"></a>RS.video: Videos about "modern C++"
20213 * Bjarne Stroustrup: [C++11 Style](http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/GoingNative-2012/Keynote-Bjarne-Stroustrup-Cpp11-Style). 2012.
20214 * Bjarne Stroustrup: [The Essence of C++: With Examples in C++84, C++98, C++11, and C++14](http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/2013/Opening-Keynote-Bjarne-Stroustrup). 2013
20215 * All the talks from [CppCon '14](https://isocpp.org/blog/2014/11/cppcon-videos-c9)
20216 * Bjarne Stroustrup: [The essence of C++](https://www.youtube.com/watch?v=86xWVb4XIyE) at the University of Edinburgh. 2014.
20217 * Bjarne Stroustrup: [The Evolution of C++ Past, Present and Future](https://www.youtube.com/watch?v=_wzc7a3McOs). CppCon 2016 keynote.
20218 * Bjarne Stroustrup: [Make Simple Tasks Simple!](https://www.youtube.com/watch?v=nesCaocNjtQ). CppCon 2014 keynote.
20219 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20220 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20221 * CppCon 15
20222 * ??? C++ Next
20223 * ??? Meting C++
20224 * ??? more ???
20226 ## <a name="SS-man"></a>RF.man: Manuals
20228 * ISO C++ Standard C++11.
20229 * ISO C++ Standard C++14.
20230 * [ISO C++ Standard C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4606.pdf). Committee Draft.
20231 * [Palo Alto "Concepts" TR](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2012/n3351.pdf).
20232 * [ISO C++ Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
20233 * [WG21 Ranges report](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf). Draft.
20236 ## <a name="SS-core"></a>RF.core: Core Guidelines materials
20238 This section contains materials that has been useful for presenting the core guidelines and the ideas behind them:
20240 * [Our documents directory](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/tree/master/docs)
20241 * Stroustrup, Sutter, and Dos Reis: [A brief introduction to C++'s model for type- and resource-safety](http://www.stroustrup.com/resource-model.pdf). A paper with lots of examples.
20242 * Sergey Zubkov: [a Core Guidelines talk](https://www.youtube.com/watch?v=DyLwdl_6vmU)
20243 and here are the [slides](http://2017.cppconf.ru/talks/sergey-zubkov). In Russian. 2017.
20244 * Neil MacIntosh: [The Guideline Support Library: One Year Later](https://www.youtube.com/watch?v=_GhNnCuaEjo). CppCon 2016.
20245 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote.
20246 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote.
20247 * Peter Sommerlad: [C++ Core Guidelines - Modernize your C++ Code Base](https://www.youtube.com/watch?v=fQ926v4ZzAM). ACCU 2017.
20248 * Bjarne Stroustrup: [No Littering!](https://www.youtube.com/watch?v=01zI9kV4h8c). Bay Area ACCU 2016.
20249 It gives some idea of the ambition level for the Core Guidelines.
20251 Note that slides for CppCon presentations are available (links with the posted videos).
20253 Contributions to this list would be most welcome.
20255 ## <a name="SS-ack"></a>Acknowledgements
20257 Thanks to the many people who contributed rules, suggestions, supporting information, references, etc.:
20259 * Peter Juhl
20260 * Neil MacIntosh
20261 * Axel Naumann
20262 * Andrew Pardoe
20263 * Gabriel Dos Reis
20264 * Zhuang, Jiangang (Jeff)
20265 * Sergey Zubkov
20267 and see the contributor list on the github.
20269 # <a name="S-profile"></a>Pro: Profiles
20271 Ideally, we would follow all of the guidelines.
20272 That would give the cleanest, most regular, least error-prone, and often the fastest code.
20273 Unfortunately, that is usually impossible because we have to fit our code into large code bases and use existing libraries.
20274 Often, such code has been written over decades and does not follow these guidelines.
20275 We must aim for [gradual adoption](#S-modernizing).
20277 Whatever strategy for gradual adoption we adopt, we need to be able to apply sets of related guidelines to address some set
20278 of problems first and leave the rest until later.
20279 A similar idea of "related guidelines" becomes important when some, but not all, guidelines are considered relevant to a code base
20280 or if a set of specialized guidelines is to be applied for a specialized application area.
20281 We call such a set of related guidelines a "profile".
20282 We aim for such a set of guidelines to be coherent so that they together help us reach a specific goal, such as "absence of range errors"
20283 or "static type safety."
20284 Each profile is designed to eliminate a class of errors.
20285 Enforcement of "random" rules in isolation is more likely to be disruptive to a code base than delivering a definite improvement.
20287 A "profile" is a set of deterministic and portably enforceable subset rules (i.e., restrictions) that are designed to achieve a specific guarantee.
20288 "Deterministic" means they require only local analysis and could be implemented in a compiler (though they don't need to be).
20289 "Portably enforceable" means they are like language rules, so programmers can count on different enforcement tools giving the same answer for the same code.
20291 Code written to be warning-free using such a language profile is considered to conform to the profile.
20292 Conforming code is considered to be safe by construction with regard to the safety properties targeted by that profile.
20293 Conforming code will not be the root cause of errors for that property,
20294 although such errors may be introduced into a program by other code, libraries or the external environment.
20295 A profile may also introduce additional library types to ease conformance and encourage correct code.
20297 Profiles summary:
20299 * [Pro.type: Type safety](#SS-type)
20300 * [Pro.bounds: Bounds safety](#SS-bounds)
20301 * [Pro.lifetime: Lifetime safety](#SS-lifetime)
20303 In the future, we expect to define many more profiles and add more checks to existing profiles.
20304 Candidates include:
20306 * narrowing arithmetic promotions/conversions (likely part of a separate safe-arithmetic profile)
20307 * arithmetic cast from negative floating point to unsigned integral type (ditto)
20308 * selected undefined behavior: Start with Gabriel Dos Reis's UB list developed for the WG21 study group
20309 * selected unspecified behavior: Addressing portability concerns.
20310 * `const` violations: Mostly done by compilers already, but we can catch inappropriate casting and underuse of `const`.
20312 Enabling a profile is implementation defined; typically, it is set in the analysis tool used.
20314 To suppress enforcement of a profile check, place a `suppress` annotation on a language contract. For example:
20316     [[suppress(bounds)]] char* raw_find(char* p, int n, char x)    // find x in p[0]..p[n - 1]
20317     {
20318         // ...
20319     }
20321 Now `raw_find()` can scramble memory to its heart's content.
20322 Obviously, suppression should be very rare.
20324 ## <a name="SS-type"></a>Pro.safety: Type-safety profile
20326 This profile makes it easier to construct code that uses types correctly and avoids inadvertent type punning.
20327 It does so by focusing on removing the primary sources of type violations, including unsafe uses of casts and unions.
20329 For the purposes of this section,
20330 type-safety is defined to be the property that a variable is not used in a way that doesn't obey the rules for the type of its definition.
20331 Memory accessed as a type `T` should not be valid memory that actually contains an object of an unrelated type `U`.
20332 Note that the safety is intended to be complete when combined also with [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20334 An implementation of this profile shall recognize the following patterns in source code as non-conforming and issue a diagnostic.
20336 Type safety profile summary:
20338 * <a name="Pro-type-avoidcasts"></a>Type.1: [Avoid casts](#Res-casts):
20339 <a name="Pro-type-reinterpretcast">a. </a>Don't use `reinterpret_cast`; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts) and [prefer named casts](#Res-casts-named).
20340 <a name="Pro-type-arithmeticcast">b. </a>Don't use `static_cast` for arithmetic types; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts) and [prefer named casts](#Res-casts-named).
20341 <a name="Pro-type-identitycast">c. </a>Don't cast between pointer types where the source type and the target type are the same; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts).
20342 <a name="Pro-type-implicitpointercast">d. </a>Don't cast between pointer types when the conversion could be implicit; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts).
20343 * <a name="Pro-type-downcast"></a>Type.2: Don't use `static_cast` to downcast:
20344 [Use `dynamic_cast` instead](#Rh-dynamic_cast).
20345 * <a name="Pro-type-constcast"></a>Type.3: Don't use `const_cast` to cast away `const` (i.e., at all):
20346 [Don't cast away const](#Res-casts-const).
20347 * <a name="Pro-type-cstylecast"></a>Type.4: Don't use C-style `(T)expression` or functional `T(expression)` casts:
20348 Prefer [construction](#Res-construct) or [named casts](#Res-cast-named).
20349 * <a name="Pro-type-init"></a>Type.5: Don't use a variable before it has been initialized:
20350 [always initialize](#Res-always).
20351 * <a name="Pro-type-memberinit"></a>Type.6: Always initialize a member variable:
20352 [always initialize](#Res-always),
20353 possibly using [default constructors](#Rc-default0) or
20354 [default member initializers](#Rc-in-class-initializers).
20355 * <a name="Pro-type-unon"></a>Type.7: Avoid naked union:
20356 [Use `variant` instead](#Ru-naked).
20357 * <a name="Pro-type-varargs"></a>Type.8: Avoid varargs:
20358 [Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs).
20360 ##### Impact
20362 With the type-safety profile you can trust that every operation is applied to a valid object.
20363 Exception may be thrown to indicate errors that cannot be detected statically (at compile time).
20364 Note that this type-safety can be complete only if we also have [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20365 Without those guarantees, a region of memory could be accessed independent of which object, objects, or parts of objects are stored in it.
20368 ## <a name="SS-bounds"></a>Pro.bounds: Bounds safety profile
20370 This profile makes it easier to construct code that operates within the bounds of allocated blocks of memory.
20371 It does so by focusing on removing the primary sources of bounds violations: pointer arithmetic and array indexing.
20372 One of the core features of this profile is to restrict pointers to only refer to single objects, not arrays.
20374 We define bounds-safety to be the property that a program does not use an object to access memory outside of the range that was allocated for it.
20375 Bounds safety is intended to be complete only when combined with [Type safety](#SS-type) and [Lifetime safety](#SS-lifetime),
20376 which cover other unsafe operations that allow bounds violations.
20378 Bounds safety profile summary:
20380 * <a href="Pro-bounds-arithmetic"></a>Bounds.1: Don't use pointer arithmetic. Use `span` instead:
20381 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20382 * <a href="Pro-bounds-arrayindex"></a>Bounds.2: Only index into arrays using constant expressions:
20383 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20384 * <a href="Pro-bounds-decay"></a>Bounds.3: No array-to-pointer decay:
20385 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20386 * <a href="Pro-bounds-stdlib"></a>Bounds.4: Don't use standard-library functions and types that are not bounds-checked:
20387 [Use the standard library in a type-safe manner](#Rsl-bounds).
20389 ##### Impact
20391 Bounds safety implies that access to an object - notably arrays - does not access beyond the object's memory allocation.
20392 This eliminates a large class of insidious and hard-to-find errors, including the (in)famous "buffer overflow" errors.
20393 This closes security loopholes as well as a prominent source of memory corruption (when writing out of bounds).
20394 Even an out-of-bounds access is "just a read", it can lead to invariant violations (when the accessed isn't of the assumed type)
20395 and "mysterious values."
20398 ## <a name="SS-lifetime"></a>Pro.lifetime: Lifetime safety profile
20400 Accessing through a pointer that doesn't point to anything is a major source of errors,
20401 and very hard to avoid in many traditional C or C++ styles of programming.
20402 For example, a pointer may be uninitialized, the `nullptr`, point beyond the range of an array, or to a deleted object.
20404 [See the current design specification here.](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/docs/Lifetime.pdf)
20406 Lifetime safety profile summary:
20408 * <a href="Pro-lifetime-invalid-deref"></a>Lifetime.1: Don't dereference a possibly invalid pointer:
20409 [detect or avoid](#Res-deref).
20411 ##### Impact
20413 Once completely enforced through a combination of style rules, static analysis, and library support, this profile
20415 * eliminates one of the major sources of nasty errors in C++
20416 * eliminates a major source of potential security violations
20417 * improves performance by eliminating redundant "paranoia" checks
20418 * increases confidence in correctness of code
20419 * avoids undefined behavior by enforcing a key C++ language rule
20422 # <a name="S-gsl"></a>GSL: Guidelines support library
20424 The GSL is a small library of facilities designed to support this set of guidelines.
20425 Without these facilities, the guidelines would have to be far more restrictive on language details.
20427 The Core Guidelines support library is defined in namespace `gsl` and the names may be aliases for standard library or other well-known library names. Using the (compile-time) indirection through the `gsl` namespace allows for experimentation and for local variants of the support facilities.
20429 The GSL is header only, and can be found at [GSL: Guidelines support library](https://github.com/Microsoft/GSL).
20430 The support library facilities are designed to be extremely lightweight (zero-overhead) so that they impose no overhead compared to using conventional alternatives.
20431 Where desirable, they can be "instrumented" with additional functionality (e.g., checks) for tasks such as debugging.
20433 These Guidelines assume a `variant` type, but this is not currently in GSL.
20434 Eventually, use [the one voted into C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0088r3.html).
20436 Summary of GSL components:
20438 * [GSL.view: Views](#SS-views)
20439 * [GSL.owner](#SS-ownership)
20440 * [GSL.assert: Assertions](#SS-assertions)
20441 * [GSL.util: Utilities](#SS-utilities)
20442 * [GSL.concept: Concepts](#SS-gsl-concepts)
20444 We plan for a "ISO C++ standard style" semi-formal specification of the GSL.
20446 We rely on the ISO C++ Standard Library and hope for parts of the GSL to be absorbed into the standard library.
20448 ## <a name="SS-views"></a>GSL.view: Views
20450 These types allow the user to distinguish between owning and non-owning pointers and between pointers to a single object and pointers to the first element of a sequence.
20452 These "views" are never owners.
20454 References are never owners (see [R.4](#Rr-ref). Note: References have many opportunities to outlive the objects they refer to (returning a local variable by reference, holding a reference to an element of a vector and doing `push_back`, binding to `std::max(x, y + 1)`, etc. The Lifetime safety profile aims to address those things, but even so `owner<T&>` does not make sense and is discouraged.
20456 The names are mostly ISO standard-library style (lower case and underscore):
20458 * `T*`      // The `T*` is not an owner, may be null; assumed to be pointing to a single element.
20459 * `T&`      // The `T&` is not an owner and can never be a "null reference"; references are always bound to objects.
20461 The "raw-pointer" notation (e.g. `int*`) is assumed to have its most common meaning; that is, a pointer points to an object, but does not own it.
20462 Owners should be converted to resource handles (e.g., `unique_ptr` or `vector<T>`) or marked `owner<T*>`.
20464 * `owner<T*>`   // a `T*` that owns the object pointed/referred to; may be `nullptr`.
20466 `owner` is used to mark owning pointers in code that cannot be upgraded to use proper resource handles.
20467 Reasons for that include:
20469 * Cost of conversion.
20470 * The pointer is used with an ABI.
20471 * The pointer is part of the implementation of a resource handle.
20473 An `owner<T>` differs from a resource handle for a `T` by still requiring an explicit `delete`.
20475 An `owner<T>` is assumed to refer to an object on the free store (heap).
20477 If something is not supposed to be `nullptr`, say so:
20479 * `not_null<T>`   // `T` is usually a pointer type (e.g., `not_null<int*>` and `not_null<owner<Foo*>>`) that may not be `nullptr`.
20480   `T` can be any type for which `==nullptr` is meaningful.
20482 * `span<T>`       // `[p:p+n)`, constructor from `{p, q}` and `{p, n}`; `T` is the pointer type
20483 * `span_p<T>`     // `{p, predicate}` `[p:q)` where `q` is the first element for which `predicate(*p)` is true
20484 * `string_span`   // `span<char>`
20485 * `cstring_span`  // `span<const char>`
20487 A `span<T>` refers to zero or more mutable `T`s unless `T` is a `const` type.
20489 "Pointer arithmetic" is best done within `span`s.
20490 A `char*` that points to more than one `char` but is not a C-style string (e.g., a pointer into an input buffer) should be represented by a `span`.
20492 * `zstring`    // a `char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `char` or `nullptr`
20493 * `czstring`   // a `const char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `const` `char` or `nullptr`
20495 Logically, those last two aliases are not needed, but we are not always logical, and they make the distinction between a pointer to one `char` and a pointer to a C-style string explicit.
20496 A sequence of characters that is not assumed to be zero-terminated should be a `char*`, rather than a `zstring`.
20497 French accent optional.
20499 Use `not_null<zstring>` for C-style strings that cannot be `nullptr`. ??? Do we need a name for `not_null<zstring>`? or is its ugliness a feature?
20501 ## <a name="SS-ownership"></a>GSL.owner: Ownership pointers
20503 * `unique_ptr<T>`     // unique ownership: `std::unique_ptr<T>`
20504 * `shared_ptr<T>`     // shared ownership: `std::shared_ptr<T>` (a counted pointer)
20505 * `stack_array<T>`    // A stack-allocated array. The number of elements are determined at construction and fixed thereafter. The elements are mutable unless `T` is a `const` type.
20506 * `dyn_array<T>`      // ??? needed ??? A heap-allocated array. The number of elements are determined at construction and fixed thereafter.
20507   The elements are mutable unless `T` is a `const` type. Basically a `span` that allocates and owns its elements.
20509 ## <a name="SS-assertions"></a>GSL.assert: Assertions
20511 * `Expects`     // precondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
20512                 // `Expects(p)` terminates the program unless `p == true`
20513                 // `Expect` in under control of some options (enforcement, error message, alternatives to terminate)
20514 * `Ensures`     // postcondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
20516 These assertions are currently macros (yuck!) and must appear in function definitions (only)
20517 pending standard committee decisions on contracts and assertion syntax.
20518 See [the contract proposal](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0380r1.pdf); using the attribute syntax,
20519 for example, `Expects(p)` will become `[[expects: p]]`.
20521 ## <a name="SS-utilities"></a>GSL.util: Utilities
20523 * `finally`        // `finally(f)` makes a `final_action{f}` with a destructor that invokes `f`
20524 * `narrow_cast`    // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
20525 * `narrow`         // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` or it throws `narrowing_error`
20526 * `[[implicit]]`   // "Marker" to put on single-argument constructors to explicitly make them non-explicit.
20527 * `move_owner`     // `p = move_owner(q)` means `p = q` but ???
20528 * `joining_thread` // a RAII style version of `std::thread` that joins.
20529 * `index`          // a type to use for all container and array indexing (currently an alias for `ptrdiff_t`)
20531 ## <a name="SS-gsl-concepts"></a>GSL.concept: Concepts
20533 These concepts (type predicates) are borrowed from
20534 Andrew Sutton's Origin library,
20535 the Range proposal,
20536 and the ISO WG21 Palo Alto TR.
20537 They are likely to be very similar to what will become part of the ISO C++ standard.
20538 The notation is that of the ISO WG21 [Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
20539 Most of the concepts below are defined in [the Ranges TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf).
20541 * `Range`
20542 * `String`   // ???
20543 * `Number`   // ???
20544 * `Sortable`
20545 * `Pointer`  // A type with `*`, `->`, `==`, and default construction (default construction is assumed to set the singular "null" value); see [smart pointers](#SS-gsl-smartptrconcepts)
20546 * `Unique_ptr`  // A type that matches `Pointer`, has move (not copy), and matches the Lifetime profile criteria for a `unique` owner type; see [smart pointers](#SS-gsl-smartptrconcepts)
20547 * `Shared_ptr`   // A type that matches `Pointer`, has copy, and matches the Lifetime profile criteria for a `shared` owner type; see [smart pointers](#SS-gsl-smartptrconcepts)
20548 * `EqualityComparable`   // ???Must we suffer CaMelcAse???
20549 * `Convertible`
20550 * `Common`
20551 * `Boolean`
20552 * `Integral`
20553 * `SignedIntegral`
20554 * `SemiRegular` // ??? Copyable?
20555 * `Regular`
20556 * `TotallyOrdered`
20557 * `Function`
20558 * `RegularFunction`
20559 * `Predicate`
20560 * `Relation`
20561 * ...
20563 ### <a name="SS-gsl-smartptrconcepts"></a>GSL.ptr: Smart pointer concepts
20565 See [Lifetime paper](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/docs/Lifetime.pdf).
20567 # <a name="S-naming"></a>NL: Naming and layout rules
20569 Consistent naming and layout are helpful.
20570 If for no other reason because it minimizes "my style is better than your style" arguments.
20571 However, there are many, many, different styles around and people are passionate about them (pro and con).
20572 Also, most real-world projects includes code from many sources, so standardizing on a single style for all code is often impossible.
20573 After many requests for guidance from users, we present a set of rules that you might use if you have no better ideas, but the real aim is consistency, rather than any particular rule set.
20574 IDEs and tools can help (as well as hinder).
20576 Naming and layout rules:
20578 * [NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code](#Rl-comments)
20579 * [NL.2: State intent in comments](#Rl-comments-intent)
20580 * [NL.3: Keep comments crisp](#Rl-comments-crisp)
20581 * [NL.4: Maintain a consistent indentation style](#Rl-indent)
20582 * [NL.5: Avoid encoding type information in names](#Rl-name-type)
20583 * [NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope](#Rl-name-length)
20584 * [NL.8: Use a consistent naming style](#Rl-name)
20585 * [NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only](#Rl-all-caps)
20586 * [NL.10: Prefer `underscore_style` names](#Rl-camel)
20587 * [NL.11: Make literals readable](#Rl-literals)
20588 * [NL.15: Use spaces sparingly](#Rl-space)
20589 * [NL.16: Use a conventional class member declaration order](#Rl-order)
20590 * [NL.17: Use K&R-derived layout](#Rl-knr)
20591 * [NL.18: Use C++-style declarator layout](#Rl-ptr)
20592 * [NL.19: Avoid names that are easily misread](#Rl-misread)
20593 * [NL.20: Don't place two statements on the same line](#Rl-stmt)
20594 * [NL.21: Declare one name (only) per declaration](#Rl-dcl)
20595 * [NL.25: Don't use `void` as an argument type](#Rl-void)
20596 * [NL.26: Use conventional `const` notation](#Rl-const)
20598 Most of these rules are aesthetic and programmers hold strong opinions.
20599 IDEs also tend to have defaults and a range of alternatives.
20600 These rules are suggested defaults to follow unless you have reasons not to.
20602 We have had comments to the effect that naming and layout are so personal and/or arbitrary that we should not try to "legislate" them.
20603 We are not "legislating" (see the previous paragraph).
20604 However, we have had many requests for a set of naming and layout conventions to use when there are no external constraints.
20606 More specific and detailed rules are easier to enforce.
20608 These rules bear a strong resemblance to the recommendations in the [PPP Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
20609 written in support of Stroustrup's [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
20611 ### <a name="Rl-comments"></a>NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code
20613 ##### Reason
20615 Compilers do not read comments.
20616 Comments are less precise than code.
20617 Comments are not updated as consistently as code.
20619 ##### Example, bad
20621     auto x = m * v1 + vv;   // multiply m with v1 and add the result to vv
20623 ##### Enforcement
20625 Build an AI program that interprets colloquial English text and see if what is said could be better expressed in C++.
20627 ### <a name="Rl-comments-intent"></a>NL.2: State intent in comments
20629 ##### Reason
20631 Code says what is done, not what is supposed to be done. Often intent can be stated more clearly and concisely than the implementation.
20633 ##### Example
20635     void stable_sort(Sortable& c)
20636         // sort c in the order determined by <, keep equal elements (as defined by ==) in
20637         // their original relative order
20638     {
20639         // ... quite a few lines of non-trivial code ...
20640     }
20642 ##### Note
20644 If the comment and the code disagree, both are likely to be wrong.
20646 ### <a name="Rl-comments-crisp"></a>NL.3: Keep comments crisp
20648 ##### Reason
20650 Verbosity slows down understanding and makes the code harder to read by spreading it around in the source file.
20652 ##### Note
20654 Use intelligible English.
20655 I may be fluent in Danish, but most programmers are not; the maintainers of my code may not be.
20656 Avoid SMS lingo and watch your grammar, punctuation, and capitalization.
20657 Aim for professionalism, not "cool."
20659 ##### Enforcement
20661 not possible.
20663 ### <a name="Rl-indent"></a>NL.4: Maintain a consistent indentation style
20665 ##### Reason
20667 Readability. Avoidance of "silly mistakes."
20669 ##### Example, bad
20671     int i;
20672     for (i = 0; i < max; ++i); // bug waiting to happen
20673     if (i == j)
20674         return i;
20676 ##### Note
20678 Always indenting the statement after `if (...)`, `for (...)`, and `while (...)` is usually a good idea:
20680     if (i < 0) error("negative argument");
20682     if (i < 0)
20683         error("negative argument");
20685 ##### Enforcement
20687 Use a tool.
20689 ### <a name="Rl-name-type"></a>NL.5: Avoid encoding type information in names
20691 ##### Rationale
20693 If names reflect types rather than functionality, it becomes hard to change the types used to provide that functionality.
20694 Also, if the type of a variable is changed, code using it will have to be modified.
20695 Minimize unintentional conversions.
20697 ##### Example, bad
20699     void print_int(int i);
20700     void print_string(const char*);
20702     print_int(1);          // repetitive, manual type matching
20703     print_string("xyzzy"); // repetitive, manual type matching
20705 ##### Example, good
20707     void print(int i);
20708     void print(string_view);    // also works on any string-like sequence
20710     print(1);              // clear, automatic type matching
20711     print("xyzzy");        // clear, automatic type matching
20713 ##### Note
20715 Names with types encoded are either verbose or cryptic.
20717     printS  // print a std::string
20718     prints  // print a C-style string
20719     printi  // print an int
20721 Requiring techniques like Hungarian notation to encode a type in a name is needed in C, but is generally unnecessary and actively harmful in a strongly statically-typed language like C++, because the annotations get out of date (the warts are just like comments and rot just like them) and they interfere with good use of the language (use the same name and overload resolution instead).
20723 ##### Note
20725 Some styles use very general (not type-specific) prefixes to denote the general use of a variable.
20727     auto p = new User();
20728     auto p = make_unique<User>();
20729     // note: "p" is not being used to say "raw pointer to type User,"
20730     //       just generally to say "this is an indirection"
20732     auto cntHits = calc_total_of_hits(/*...*/);
20733     // note: "cnt" is not being used to encode a type,
20734     //       just generally to say "this is a count of something"
20736 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
20738 ##### Note
20740 Some styles distinguishes members from local variable, and/or from global variable.
20742     struct S {
20743         int m_;
20744         S(int m) :m_{abs(m)} { }
20745     };
20747 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
20749 ##### Note
20751 Like C++, some styles distinguishes types from non-types.
20752 For example, by capitalizing type names, but not the names of functions and variables.
20754     typename<typename T>
20755     class HashTable {   // maps string to T
20756         // ...
20757     };
20759     HashTable<int> index;
20761 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
20763 ### <a name="Rl-name-length"></a>NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope
20765 **Rationale**: The larger the scope the greater the chance of confusion and of an unintended name clash.
20767 ##### Example
20769     double sqrt(double x);   // return the square root of x; x must be non-negative
20771     int length(const char* p);  // return the number of characters in a zero-terminated C-style string
20773     int length_of_string(const char zero_terminated_array_of_char[])    // bad: verbose
20775     int g;      // bad: global variable with a cryptic name
20777     int open;   // bad: global variable with a short, popular name
20779 The use of `p` for pointer and `x` for a floating-point variable is conventional and non-confusing in a restricted scope.
20781 ##### Enforcement
20785 ### <a name="Rl-name"></a>NL.8: Use a consistent naming style
20787 **Rationale**: Consistence in naming and naming style increases readability.
20789 ##### Note
20791 There are many styles and when you use multiple libraries, you can't follow all their different conventions.
20792 Choose a "house style", but leave "imported" libraries with their original style.
20794 ##### Example
20796 ISO Standard, use lower case only and digits, separate words with underscores:
20798 * `int`
20799 * `vector`
20800 * `my_map`
20802 Avoid double underscores `__`.
20804 ##### Example
20806 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
20807 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
20809 * `int`
20810 * `vector`
20811 * `My_map`
20813 ##### Example
20815 CamelCase: capitalize each word in a multi-word identifier:
20817 * `int`
20818 * `vector`
20819 * `MyMap`
20820 * `myMap`
20822 Some conventions capitalize the first letter, some don't.
20824 ##### Note
20826 Try to be consistent in your use of acronyms and lengths of identifiers:
20828     int mtbf {12};
20829     int mean_time_between_failures {12}; // make up your mind
20831 ##### Enforcement
20833 Would be possible except for the use of libraries with varying conventions.
20835 ### <a name="Rl-all-caps"></a>NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only
20837 ##### Reason
20839 To avoid confusing macros with names that obey scope and type rules.
20841 ##### Example
20843     void f()
20844     {
20845         const int SIZE{1000};  // Bad, use 'size' instead
20846         int v[SIZE];
20847     }
20849 ##### Note
20851 This rule applies to non-macro symbolic constants:
20853     enum bad { BAD, WORSE, HORRIBLE }; // BAD
20855 ##### Enforcement
20857 * Flag macros with lower-case letters
20858 * Flag `ALL_CAPS` non-macro names
20860 ### <a name="Rl-camel"></a>NL.10: Prefer `underscore_style` names
20862 ##### Reason
20864 The use of underscores to separate parts of a name is the original C and C++ style and used in the C++ Standard Library.
20866 ##### Note
20868 This rule is a default to use only if you have a choice.
20869 Often, you don't have a choice and must follow an established style for [consistency](#Rl-name).
20870 The need for consistency beats personal taste.
20872 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
20873 Thus rule was added after many requests for guidance.
20875 ##### Example
20877 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
20878 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
20880 * `int`
20881 * `vector`
20882 * `My_map`
20884 ##### Enforcement
20886 Impossible.
20888 ### <a name="Rl-space"></a>NL.15: Use spaces sparingly
20890 ##### Reason
20892 Too much space makes the text larger and distracts.
20894 ##### Example, bad
20896     #include < map >
20898     int main(int argc, char * argv [ ])
20899     {
20900         // ...
20901     }
20903 ##### Example
20905     #include <map>
20907     int main(int argc, char* argv[])
20908     {
20909         // ...
20910     }
20912 ##### Note
20914 Some IDEs have their own opinions and add distracting space.
20916 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
20917 Thus rule was added after many requests for guidance.
20919 ##### Note
20921 We value well-placed whitespace as a significant help for readability. Just don't overdo it.
20923 ### <a name="Rl-literals"></a>NL.11: Make literals readable
20925 ##### Reason
20927 Readability.
20929 ##### Example
20931 Use digit separators to avoid long strings of digits
20933     auto c = 299'792'458; // m/s2
20934     auto q2 = 0b0000'1111'0000'0000;
20935     auto ss_number = 123'456'7890;
20937 ##### Example
20939 Use literal suffixes where clarification is needed
20941     auto hello = "Hello!"s; // a std::string
20942     auto world = "world";   // a C-style string
20943     auto interval = 100ms;  // using <chrono>
20945 ##### Note
20947 Literals should not be sprinkled all over the code as ["magic constants"](#Res-magic),
20948 but it is still a good idea to make them readable where they are defined.
20949 It is easy to make a typo in a long string of integers.
20951 ##### Enforcement
20953 Flag long digit sequences. The trouble is to define "long"; maybe 7.
20955 ### <a name="Rl-order"></a>NL.16: Use a conventional class member declaration order
20957 ##### Reason
20959 A conventional order of members improves readability.
20961 When declaring a class use the following order
20963 * types: classes, enums, and aliases (`using`)
20964 * constructors, assignments, destructor
20965 * functions
20966 * data
20968 Use the `public` before `protected` before `private` order.
20970 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
20971 Thus rule was added after many requests for guidance.
20973 ##### Example
20975     class X {
20976     public:
20977         // interface
20978     protected:
20979         // unchecked function for use by derived class implementations
20980     private:
20981         // implementation details
20982     };
20984 ##### Example
20986 Sometimes, the default order of members conflicts with a desire to separate the public interface from implementation details.
20987 In such cases, private types and functions can be placed with private data.
20989     class X {
20990     public:
20991         // interface
20992     protected:
20993         // unchecked function for use by derived class implementations
20994     private:
20995         // implementation details (types, functions, and data)
20996     };
20998 ##### Example, bad
21000 Avoid multiple blocks of declarations of one access (e.g., `public`) dispersed among blocks of declarations with different access (e.g. `private`).
21002     class X {   // bad
21003     public:
21004         void f();
21005     public:
21006         int g();
21007         // ...
21008     };
21010 The use of macros to declare groups of members often leads to violation of any ordering rules.
21011 However, macros obscures what is being expressed anyway.
21013 ##### Enforcement
21015 Flag departures from the suggested order. There will be a lot of old code that doesn't follow this rule.
21017 ### <a name="Rl-knr"></a>NL.17: Use K&R-derived layout
21019 ##### Reason
21021 This is the original C and C++ layout. It preserves vertical space well. It distinguishes different language constructs (such as functions and classes) well.
21023 ##### Note
21025 In the context of C++, this style is often called "Stroustrup".
21027 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21028 Thus rule was added after many requests for guidance.
21030 ##### Example
21032     struct Cable {
21033         int x;
21034         // ...
21035     };
21037     double foo(int x)
21038     {
21039         if (0 < x) {
21040             // ...
21041         }
21043         switch (x) {
21044         case 0:
21045             // ...
21046             break;
21047         case amazing:
21048             // ...
21049             break;
21050         default:
21051             // ...
21052             break;
21053         }
21055         if (0 < x)
21056             ++x;
21058         if (x < 0)
21059             something();
21060         else
21061             something_else();
21063         return some_value;
21064     }
21066 Note the space between `if` and `(`
21068 ##### Note
21070 Use separate lines for each statement, the branches of an `if`, and the body of a `for`.
21072 ##### Note
21074 The `{` for a `class` and a `struct` is *not* on a separate line, but the `{` for a function is.
21076 ##### Note
21078 Capitalize the names of your user-defined types to distinguish them from standards-library types.
21080 ##### Note
21082 Do not capitalize function names.
21084 ##### Enforcement
21086 If you want enforcement, use an IDE to reformat.
21088 ### <a name="Rl-ptr"></a>NL.18: Use C++-style declarator layout
21090 ##### Reason
21092 The C-style layout emphasizes use in expressions and grammar, whereas the C++-style emphasizes types.
21093 The use in expressions argument doesn't hold for references.
21095 ##### Example
21097     T& operator[](size_t);   // OK
21098     T &operator[](size_t);   // just strange
21099     T & operator[](size_t);   // undecided
21101 ##### Note
21103 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21104 Thus rule was added after many requests for guidance.
21106 ##### Enforcement
21108 Impossible in the face of history.
21111 ### <a name="Rl-misread"></a>NL.19: Avoid names that are easily misread
21113 ##### Reason
21115 Readability.
21116 Not everyone has screens and printers that make it easy to distinguish all characters.
21117 We easily confuse similarly spelled and slightly misspelled words.
21119 ##### Example
21121     int oO01lL = 6; // bad
21123     int splunk = 7;
21124     int splonk = 8; // bad: splunk and splonk are easily confused
21126 ##### Enforcement
21130 ### <a name="Rl-stmt"></a>NL.20: Don't place two statements on the same line
21132 ##### Reason
21134 Readability.
21135 It is really easy to overlook a statement when there is more on a line.
21137 ##### Example
21139     int x = 7; char* p = 29;    // don't
21140     int x = 7; f(x);  ++x;      // don't
21142 ##### Enforcement
21144 Easy.
21146 ### <a name="Rl-dcl"></a>NL.21: Declare one name (only) per declaration
21148 ##### Reason
21150 Readability.
21151 Minimizing confusion with the declarator syntax.
21153 ##### Note
21155 For details, see [ES.10](#Res-name-one).
21158 ### <a name="Rl-void"></a>NL.25: Don't use `void` as an argument type
21160 ##### Reason
21162 It's verbose and only needed where C compatibility matters.
21164 ##### Example
21166     void f(void);   // bad
21168     void g();       // better
21170 ##### Note
21172 Even Dennis Ritchie deemed `void f(void)` an abomination.
21173 You can make an argument for that abomination in C when function prototypes were rare so that banning:
21175     int f();
21176     f(1, 2, "weird but valid C89");   // hope that f() is defined int f(a, b, c) char* c; { /* ... */ }
21178 would have caused major problems, but not in the 21st century and in C++.
21180 ### <a name="Rl-const"></a>NL.26: Use conventional `const` notation
21182 ##### Reason
21184 Conventional notation is more familiar to more programmers.
21185 Consistency in large code bases.
21187 ##### Example
21189     const int x = 7;    // OK
21190     int const y = 9;    // bad
21192     const int *const p = nullptr;   // OK, constant pointer to constant int
21193     int const *const p = nullptr;   // bad, constant pointer to constant int
21195 ##### Note
21197 We are well aware that you could claim the "bad" examples more logical than the ones marked "OK",
21198 but they also confuse more people, especially novices relying on teaching material using the far more common, conventional OK style.
21200 As ever, remember that the aim of these naming and layout rules is consistency and that aesthetics vary immensely.
21202 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21203 Thus rule was added after many requests for guidance.
21205 ##### Enforcement
21207 Flag `const` used as a suffix for a type.
21209 # <a name="S-faq"></a>FAQ: Answers to frequently asked questions
21211 This section covers answers to frequently asked questions about these guidelines.
21213 ### <a name="Faq-aims"></a>FAQ.1: What do these guidelines aim to achieve?
21215 See the <a href="#S-abstract">top of this page</a>. This is an open-source project to maintain modern authoritative guidelines for writing C++ code using the current C++ Standard (as of this writing, C++14). The guidelines are designed to be modern, machine-enforceable wherever possible, and open to contributions and forking so that organizations can easily incorporate them into their own corporate coding guidelines.
21217 ### <a name="Faq-announced"></a>FAQ.2: When and where was this work first announced?
21219 It was announced by [Bjarne Stroustrup in his CppCon 2015 opening keynote, "Writing Good C++14"](https://isocpp.org/blog/2015/09/stroustrup-cppcon15-keynote). See also the [accompanying isocpp.org blog post](https://isocpp.org/blog/2015/09/bjarne-stroustrup-announces-cpp-core-guidelines), and for the rationale of the type and memory safety guidelines see [Herb Sutter's follow-up CppCon 2015 talk, "Writing Good C++14 ... By Default"](https://isocpp.org/blog/2015/09/sutter-cppcon15-day2plenary).
21221 ### <a name="Faq-maintainers"></a>FAQ.3: Who are the authors and maintainers of these guidelines?
21223 The initial primary authors and maintainers are Bjarne Stroustrup and Herb Sutter, and the guidelines so far were developed with contributions from experts at CERN, Microsoft, Morgan Stanley, and several other organizations. At the time of their release, the guidelines are in a "0.6" state, and contributions are welcome. As Stroustrup said in his announcement: "We need help!"
21225 ### <a name="Faq-contribute"></a>FAQ.4: How can I contribute?
21227 See [CONTRIBUTING.md](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CONTRIBUTING.md). We appreciate volunteer help!
21229 ### <a name="Faq-maintainer"></a>FAQ.5: How can I become an editor/maintainer?
21231 By contributing a lot first and having the consistent quality of your contributions recognized. See [CONTRIBUTING.md](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CONTRIBUTING.md). We appreciate volunteer help!
21233 ### <a name="Faq-iso"></a>FAQ.6: Have these guidelines been approved by the ISO C++ standards committee? Do they represent the consensus of the committee?
21235 No. These guidelines are outside the standard. They are intended to serve the standard, and be maintained as current guidelines about how to use the current Standard C++ effectively. We aim to keep them in sync with the standard as that is evolved by the committee.
21237 ### <a name="Faq-isocpp"></a>FAQ.7: If these guidelines are not approved by the committee, why are they under `github.com/isocpp`?
21239 Because `isocpp` is the Standard C++ Foundation; the committee's repositories are under [github.com/*cplusplus*](https://github.com/cplusplus). Some neutral organization has to own the copyright and license to make it clear this is not being dominated by any one person or vendor. The natural entity is the Foundation, which exists to promote the use and up-to-date understanding of modern Standard C++ and the work of the committee. This follows the same pattern that isocpp.org did for the [C++ FAQ](https://isocpp.org/faq), which was initially the work of Bjarne Stroustrup, Marshall Cline, and Herb Sutter and contributed to the open project in the same way.
21241 ### <a name="Faq-cpp98"></a>FAQ.8: Will there be a C++98 version of these Guidelines? a C++11 version?
21243 No. These guidelines are about how to best use Standard C++14 (and, if you have an implementation available, the Concepts Technical Specification) and write code assuming you have a modern conforming compiler.
21245 ### <a name="Faq-language-extensions"></a>FAQ.9: Do these guidelines propose new language features?
21247 No. These guidelines are about how to best use Standard C++14 + the Concepts Technical Specification, and they limit themselves to recommending only those features.
21249 ### <a name="Faq-markdown"></a>FAQ.10: What version of Markdown do these guidelines use?
21251 These coding standards are written using [CommonMark](http://commonmark.org), and `<a>` HTML anchors.
21253 We are considering the following extensions from [GitHub Flavored Markdown (GFM)](https://help.github.com/articles/github-flavored-markdown/):
21255 * fenced code blocks (consistently using indented vs. fenced is under discussion)
21256 * tables (none yet but we'll likely need them, and this is a GFM extension)
21258 Avoid other HTML tags and other extensions.
21260 Note: We are not yet consistent with this style.
21262 ### <a name="Faq-gsl"></a>FAQ.50: What is the GSL (guidelines support library)?
21264 The GSL is the small set of types and aliases specified in these guidelines. As of this writing, their specification herein is too sparse; we plan to add a WG21-style interface specification to ensure that different implementations agree, and to propose as a contribution for possible standardization, subject as usual to whatever the committee decides to accept/improve/alter/reject.
21266 ### <a name="Faq-msgsl"></a>FAQ.51: Is [github.com/Microsoft/GSL](https://github.com/Microsoft/GSL) the GSL?
21268 No. That is just a first implementation contributed by Microsoft. Other implementations by other vendors are encouraged, as are forks of and contributions to that implementation. As of this writing one week into the public project, at least one GPLv3 open-source implementation already exists. We plan to produce a WG21-style interface specification to ensure that different implementations agree.
21270 ### <a name="Faq-gsl-implementation"></a>FAQ.52: Why not supply an actual GSL implementation in/with these guidelines?
21272 We are reluctant to bless one particular implementation because we do not want to make people think there is only one, and inadvertently stifle parallel implementations. And if these guidelines included an actual implementation, then whoever contributed it could be mistakenly seen as too influential. We prefer to follow the long-standing approach of the committee, namely to specify interfaces, not implementations. But at the same time we want at least one implementation available; we hope for many.
21274 ### <a name="Faq-boost"></a>FAQ.53: Why weren't the GSL types proposed through Boost?
21276 Because we want to use them immediately, and because they are temporary in that we want to retire them as soon as types that fill the same needs exist in the standard library.
21278 ### <a name="Faq-gsl-iso"></a>FAQ.54: Has the GSL (guidelines support library) been approved by the ISO C++ standards committee?
21280 No. The GSL exists only to supply a few types and aliases that are not currently in the standard library. If the committee decides on standardized versions (of these or other types that fill the same need) then they can be removed from the GSL.
21282 ### <a name="Faq-gsl-string-view"></a>FAQ.55: If you're using the standard types where available, why is the GSL `string_span` different from the `string_view` in the Library Fundamentals 1 Technical Specification and C++17 Working Paper? Why not just use the committee-approved `string_view`?
21284 The consensus on the taxonomy of views for the C++ Standard Library was that "view" means "read-only", and "span" means "read/write". The read-only `string_view` was the first such component to complete the standardization process, while `span` and `string_span` are currently being considered for standardization.
21286 ### <a name="Faq-gsl-owner"></a>FAQ.56: Is `owner` the same as the proposed `observer_ptr`?
21288 No. `owner` owns, is an alias, and can be applied to any indirection type. The main intent of `observer_ptr` is to signify a *non*-owning pointer.
21290 ### <a name="Faq-gsl-stack-array"></a>FAQ.57: Is `stack_array` the same as the standard `array`?
21292 No. `stack_array` is guaranteed to be allocated on the stack. Although a `std::array` contains its storage directly inside itself, the `array` object can be put anywhere, including the heap.
21294 ### <a name="Faq-gsl-dyn-array"></a>FAQ.58: Is `dyn_array` the same as `vector` or the proposed `dynarray`?
21296 No. `dyn_array` is not resizable, and is a safe way to refer to a heap-allocated fixed-size array. Unlike `vector`, it is intended to replace array-`new[]`. Unlike the `dynarray` that has been proposed in the committee, this does not anticipate compiler/language magic to somehow allocate it on the stack when it is a member of an object that is allocated on the stack; it simply refers to a "dynamic" or heap-based array.
21298 ### <a name="Faq-gsl-expects"></a>FAQ.59: Is `Expects` the same as `assert`?
21300 No. It is a placeholder for language support for contract preconditions.
21302 ### <a name="Faq-gsl-ensures"></a>FAQ.60: Is `Ensures` the same as `assert`?
21304 No. It is a placeholder for language support for contract postconditions.
21306 # <a name="S-libraries"></a>Appendix A: Libraries
21308 This section lists recommended libraries, and explicitly recommends a few.
21310 ??? Suitable for the general guide? I think not ???
21312 # <a name="S-modernizing"></a>Appendix B: Modernizing code
21314 Ideally, we follow all rules in all code.
21315 Realistically, we have to deal with a lot of old code:
21317 * application code written before the guidelines were formulated or known
21318 * libraries written to older/different standards
21319 * code written under "unusual" constraints
21320 * code that we just haven't gotten around to modernizing
21322 If we have a million lines of new code, the idea of "just changing it all at once" is typically unrealistic.
21323 Thus, we need a way of gradually modernizing a code base.
21325 Upgrading older code to modern style can be a daunting task.
21326 Often, the old code is both a mess (hard to understand) and working correctly (for the current range of uses).
21327 Typically, the original programmer is not around and the test cases incomplete.
21328 The fact that the code is a mess dramatically increases the effort needed to make any change and the risk of introducing errors.
21329 Often, messy old code runs unnecessarily slowly because it requires outdated compilers and cannot take advantage of modern hardware.
21330 In many cases, automated "modernizer"-style tool support would be required for major upgrade efforts.
21332 The purpose of modernizing code is to simplify adding new functionality, to ease maintenance, and to increase performance (throughput or latency), and to better utilize modern hardware.
21333 Making code "look pretty" or "follow modern style" are not by themselves reasons for change.
21334 There are risks implied by every change and costs (including the cost of lost opportunities) implied by having an outdated code base.
21335 The cost reductions must outweigh the risks.
21337 But how?
21339 There is no one approach to modernizing code.
21340 How best to do it depends on the code, the pressure for updates, the backgrounds of the developers, and the available tool.
21341 Here are some (very general) ideas:
21343 * The ideal is "just upgrade everything." That gives the most benefits for the shortest total time.
21344   In most circumstances, it is also impossible.
21345 * We could convert a code base module for module, but any rules that affects interfaces (especially ABIs), such as [use `span`](#SS-views), cannot be done on a per-module basis.
21346 * We could convert code "bottom up" starting with the rules we estimate will give the greatest benefits and/or the least trouble in a given code base.
21347 * We could start by focusing on the interfaces, e.g., make sure that no resources are lost and no pointer is misused.
21348   This would be a set of changes across the whole code base, but would most likely have huge benefits.
21349   Afterwards, code hidden behind those interfaces can be gradually modernized without affecting other code.
21351 Whichever way you choose, please note that the most advantages come with the highest conformance to the guidelines.
21352 The guidelines are not a random set of unrelated rules where you can randomly pick and choose with an expectation of success.
21354 We would dearly love to hear about experience and about tools used.
21355 Modernization can be much faster, simpler, and safer when supported with analysis tools and even code transformation tools.
21357 # <a name="S-discussion"></a>Appendix C: Discussion
21359 This section contains follow-up material on rules and sets of rules.
21360 In particular, here we present further rationale, longer examples, and discussions of alternatives.
21362 ### <a name="Sd-order"></a>Discussion: Define and initialize member variables in the order of member declaration
21364 Member variables are always initialized in the order they are declared in the class definition, so write them in that order in the constructor initialization list. Writing them in a different order just makes the code confusing because it won't run in the order you see, and that can make it hard to see order-dependent bugs.
21366     class Employee {
21367         string email, first, last;
21368     public:
21369         Employee(const char* firstName, const char* lastName);
21370         // ...
21371     };
21373     Employee::Employee(const char* firstName, const char* lastName)
21374       : first(firstName),
21375         last(lastName),
21376         // BAD: first and last not yet constructed
21377         email(first + "." + last + "@acme.com")
21378     {}
21380 In this example, `email` will be constructed before `first` and `last` because it is declared first. That means its constructor will attempt to use `first` and `last` too soon -- not just before they are set to the desired values, but before they are constructed at all.
21382 If the class definition and the constructor body are in separate files, the long-distance influence that the order of member variable declarations has over the constructor's correctness will be even harder to spot.
21384 **References**:
21386 [\[Cline99\]](#Cline99) §22.03-11, [\[Dewhurst03\]](#Dewhurst03) §52-53, [\[Koenig97\]](#Koenig97) §4, [\[Lakos96\]](#Lakos96) §10.3.5, [\[Meyers97\]](#Meyers97) §13, [\[Murray93\]](#Murray93) §2.1.3, [\[Sutter00\]](#Sutter00) §47
21388 ### <a name="Sd-init"></a>Discussion: Use of `=`, `{}`, and `()` as initializers
21392 ### <a name="Sd-factory"></a>Discussion: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
21394 If your design wants virtual dispatch into a derived class from a base class constructor or destructor for functions like `f` and `g`, you need other techniques, such as a post-constructor -- a separate member function the caller must invoke to complete initialization, which can safely call `f` and `g` because in member functions virtual calls behave normally. Some techniques for this are shown in the References. Here's a non-exhaustive list of options:
21396 * *Pass the buck:* Just document that user code must call the post-initialization function right after constructing an object.
21397 * *Post-initialize lazily:* Do it during the first call of a member function. A Boolean flag in the base class tells whether or not post-construction has taken place yet.
21398 * *Use virtual base class semantics:* Language rules dictate that the constructor most-derived class decides which base constructor will be invoked; you can use that to your advantage. (See [\[Taligent94\]](#Taligent94).)
21399 * *Use a factory function:* This way, you can easily force a mandatory invocation of a post-constructor function.
21401 Here is an example of the last option:
21403     class B {
21404     public:
21405         B() { /* ... */ f(); /* ... */ }   // BAD: see Item 49.1
21407         virtual void f() = 0;
21409         // ...
21410     };
21412     class B {
21413     protected:
21414         B() { /* ... */ }
21415         virtual void post_initialize()    // called right after construction
21416             { /* ... */ f(); /* ... */ }   // GOOD: virtual dispatch is safe
21417     public:
21418         virtual void f() = 0;
21420         template<class T>
21421         static shared_ptr<T> create()    // interface for creating objects
21422         {
21423             auto p = make_shared<T>();
21424             p->post_initialize();
21425             return p;
21426         }
21427     };
21430     class D : public B {                 // some derived class
21431     public:
21432         void f() override { /* ...  */ };
21434     protected:
21435         D() {}
21437         template<class T>
21438         friend shared_ptr<T> B::Create();
21439     };
21441     shared_ptr<D> p = D::Create<D>();    // creating a D object
21443 This design requires the following discipline:
21445 * Derived classes such as `D` must not expose a public constructor. Otherwise, `D`'s users could create `D` objects that don't invoke `PostInitialize`.
21446 * Allocation is limited to `operator new`. `B` can, however, override `new` (see Items 45 and 46).
21447 * `D` must define a constructor with the same parameters that `B` selected. Defining several overloads of `Create` can assuage this problem, however; and the overloads can even be templated on the argument types.
21449 If the requirements above are met, the design guarantees that `PostInitialize` has been called for any fully constructed `B`-derived object. `PostInitialize` doesn't need to be virtual; it can, however, invoke virtual functions freely.
21451 In summary, no post-construction technique is perfect. The worst techniques dodge the whole issue by simply asking the caller to invoke the post-constructor manually. Even the best require a different syntax for constructing objects (easy to check at compile time) and/or cooperation from derived class authors (impossible to check at compile time).
21453 **References**: [\[Alexandrescu01\]](#Alexandrescu01) §3, [\[Boost\]](#Boost), [\[Dewhurst03\]](#Dewhurst03) §75, [\[Meyers97\]](#Meyers97) §46, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §15.4.3, [\[Taligent94\]](#Taligent94)
21455 ### <a name="Sd-dtor"></a>Discussion: Make base class destructors public and virtual, or protected and nonvirtual
21457 Should destruction behave virtually? That is, should destruction through a pointer to a `base` class be allowed? If yes, then `base`'s destructor must be public in order to be callable, and virtual otherwise calling it results in undefined behavior. Otherwise, it should be protected so that only derived classes can invoke it in their own destructors, and nonvirtual since it doesn't need to behave virtually virtual.
21459 ##### Example
21461 The common case for a base class is that it's intended to have publicly derived classes, and so calling code is just about sure to use something like a `shared_ptr<base>`:
21463     class Base {
21464     public:
21465         ~Base();                   // BAD, not virtual
21466         virtual ~Base();           // GOOD
21467         // ...
21468     };
21470     class Derived : public Base { /* ... */ };
21472     {
21473         unique_ptr<Base> pb = make_unique<Derived>();
21474         // ...
21475     } // ~pb invokes correct destructor only when ~Base is virtual
21477 In rarer cases, such as policy classes, the class is used as a base class for convenience, not for polymorphic behavior. It is recommended to make those destructors protected and nonvirtual:
21479     class My_policy {
21480     public:
21481         virtual ~My_policy();      // BAD, public and virtual
21482     protected:
21483         ~My_policy();              // GOOD
21484         // ...
21485     };
21487     template<class Policy>
21488     class customizable : Policy { /* ... */ }; // note: private inheritance
21490 ##### Note
21492 This simple guideline illustrates a subtle issue and reflects modern uses of inheritance and object-oriented design principles.
21494 For a base class `Base`, calling code might try to destroy derived objects through pointers to `Base`, such as when using a `unique_ptr<Base>`. If `Base`'s destructor is public and nonvirtual (the default), it can be accidentally called on a pointer that actually points to a derived object, in which case the behavior of the attempted deletion is undefined. This state of affairs has led older coding standards to impose a blanket requirement that all base class destructors must be virtual. This is overkill (even if it is the common case); instead, the rule should be to make base class destructors virtual if and only if they are public.
21496 To write a base class is to define an abstraction (see Items 35 through 37). Recall that for each member function participating in that abstraction, you need to decide:
21498 * Whether it should behave virtually or not.
21499 * Whether it should be publicly available to all callers using a pointer to `Base` or else be a hidden internal implementation detail.
21501 As described in Item 39, for a normal member function, the choice is between allowing it to be called via a pointer to `Base` nonvirtually (but possibly with virtual behavior if it invokes virtual functions, such as in the NVI or Template Method patterns), virtually, or not at all. The NVI pattern is a technique to avoid public virtual functions.
21503 Destruction can be viewed as just another operation, albeit with special semantics that make nonvirtual calls dangerous or wrong. For a base class destructor, therefore, the choice is between allowing it to be called via a pointer to `Base` virtually or not at all; "nonvirtually" is not an option. Hence, a base class destructor is virtual if it can be called (i.e., is public), and nonvirtual otherwise.
21505 Note that the NVI pattern cannot be applied to the destructor because constructors and destructors cannot make deep virtual calls. (See Items 39 and 55.)
21507 Corollary: When writing a base class, always write a destructor explicitly, because the implicitly generated one is public and nonvirtual. You can always `=default` the implementation if the default body is fine and you're just writing the function to give it the proper visibility and virtuality.
21509 ##### Exception
21511 Some component architectures (e.g., COM and CORBA) don't use a standard deletion mechanism, and foster different protocols for object disposal. Follow the local patterns and idioms, and adapt this guideline as appropriate.
21513 Consider also this rare case:
21515 * `B` is both a base class and a concrete class that can be instantiated by itself, and so the destructor must be public for `B` objects to be created and destroyed.
21516 * Yet `B` also has no virtual functions and is not meant to be used polymorphically, and so although the destructor is public it does not need to be virtual.
21518 Then, even though the destructor has to be public, there can be great pressure to not make it virtual because as the first virtual function it would incur all the run-time type overhead when the added functionality should never be needed.
21520 In this rare case, you could make the destructor public and nonvirtual but clearly document that further-derived objects must not be used polymorphically as `B`'s. This is what was done with `std::unary_function`.
21522 In general, however, avoid concrete base classes (see Item 35). For example, `unary_function` is a bundle-of-typedefs that was never intended to be instantiated standalone. It really makes no sense to give it a public destructor; a better design would be to follow this Item's advice and give it a protected nonvirtual destructor.
21524 **References**: [\[C++CS\]](#CplusplusCS) Item 50, [\[Cargill92\]](#Cargill92) pp. 77-79, 207, [\[Cline99\]](#Cline99) §21.06, 21.12-13, [\[Henricson97\]](#Henricson97) pp. 110-114, [\[Koenig97\]](#Koenig97) Chapters 4, 11, [\[Meyers97\]](#Meyers97) §14, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §12.4.2, [\[Sutter02\]](#Sutter02) §27, [\[Sutter04\]](#Sutter04) §18
21526 ### <a name="Sd-noexcept"></a>Discussion: Usage of noexcept
21530 ### <a name="Sd-never-fail"></a>Discussion: Destructors, deallocation, and swap must never fail
21532 Never allow an error to be reported from a destructor, a resource deallocation function (e.g., `operator delete`), or a `swap` function using `throw`. It is nearly impossible to write useful code if these operations can fail, and even if something does go wrong it nearly never makes any sense to retry. Specifically, types whose destructors may throw an exception are flatly forbidden from use with the C++ Standard Library. Most destructors are now implicitly `noexcept` by default.
21534 ##### Example
21536     class Nefarious {
21537     public:
21538         Nefarious()  { /* code that could throw */ }   // ok
21539         ~Nefarious() { /* code that could throw */ }   // BAD, should not throw
21540         // ...
21541     };
21543 1. `Nefarious` objects are hard to use safely even as local variables:
21546         void test(string& s)
21547         {
21548             Nefarious n;          // trouble brewing
21549             string copy = s;      // copy the string
21550         } // destroy copy and then n
21552     Here, copying `s` could throw, and if that throws and if `n`'s destructor then also throws, the program will exit via `std::terminate` because two exceptions can't be propagated simultaneously.
21554 2. Classes with `Nefarious` members or bases are also hard to use safely, because their destructors must invoke `Nefarious`' destructor, and are similarly poisoned by its poor behavior:
21557         class Innocent_bystander {
21558             Nefarious member;     // oops, poisons the enclosing class's destructor
21559             // ...
21560         };
21562         void test(string& s)
21563         {
21564             Innocent_bystander i; // more trouble brewing
21565             string copy2 = s;      // copy the string
21566         } // destroy copy and then i
21568     Here, if constructing `copy2` throws, we have the same problem because `i`'s destructor now also can throw, and if so we'll invoke `std::terminate`.
21570 3. You can't reliably create global or static `Nefarious` objects either:
21573         static Nefarious n;       // oops, any destructor exception can't be caught
21575 4. You can't reliably create arrays of `Nefarious`:
21578         void test()
21579         {
21580             std::array<Nefarious, 10> arr; // this line can std::terminate(!)
21581         }
21583     The behavior of arrays is undefined in the presence of destructors that throw because there is no reasonable rollback behavior that could ever be devised. Just think: What code can the compiler generate for constructing an `arr` where, if the fourth object's constructor throws, the code has to give up and in its cleanup mode tries to call the destructors of the already-constructed objects ... and one or more of those destructors throws? There is no satisfactory answer.
21585 5. You can't use `Nefarious` objects in standard containers:
21588         std::vector<Nefarious> vec(10);   // this line can std::terminate()
21590     The standard library forbids all destructors used with it from throwing. You can't store `Nefarious` objects in standard containers or use them with any other part of the standard library.
21592 ##### Note
21594 These are key functions that must not fail because they are necessary for the two key operations in transactional programming: to back out work if problems are encountered during processing, and to commit work if no problems occur. If there's no way to safely back out using no-fail operations, then no-fail rollback is impossible to implement. If there's no way to safely commit state changes using a no-fail operation (notably, but not limited to, `swap`), then no-fail commit is impossible to implement.
21596 Consider the following advice and requirements found in the C++ Standard:
21598 > If a destructor called during stack unwinding exits with an exception, terminate is called (15.5.1). So destructors should generally catch exceptions and not let them propagate out of the destructor. --[\[C++03\]](#Cplusplus03) §15.2(3)
21600 > No destructor operation defined in the C++ Standard Library (including the destructor of any type that is used to instantiate a standard-library template) will throw an exception. --[\[C++03\]](#Cplusplus03) §17.4.4.8(3)
21602 Deallocation functions, including specifically overloaded `operator delete` and `operator delete[]`, fall into the same category, because they too are used during cleanup in general, and during exception handling in particular, to back out of partial work that needs to be undone.
21603 Besides destructors and deallocation functions, common error-safety techniques rely also on `swap` operations never failing -- in this case, not because they are used to implement a guaranteed rollback, but because they are used to implement a guaranteed commit. For example, here is an idiomatic implementation of `operator=` for a type `T` that performs copy construction followed by a call to a no-fail `swap`:
21605     T& T::operator=(const T& other) {
21606         auto temp = other;
21607         swap(temp);
21608         return *this;
21609     }
21611 (See also Item 56. ???)
21613 Fortunately, when releasing a resource, the scope for failure is definitely smaller. If using exceptions as the error reporting mechanism, make sure such functions handle all exceptions and other errors that their internal processing might generate. (For exceptions, simply wrap everything sensitive that your destructor does in a `try/catch(...)` block.) This is particularly important because a destructor might be called in a crisis situation, such as failure to allocate a system resource (e.g., memory, files, locks, ports, windows, or other system objects).
21615 When using exceptions as your error handling mechanism, always document this behavior by declaring these functions `noexcept`. (See Item 75.)
21617 **References**: [\[C++CS\]](#CplusplusCS) Item 51; [\[C++03\]](#Cplusplus03) §15.2(3), §17.4.4.8(3), [\[Meyers96\]](#Meyers96) §11, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §14.4.7, §E.2-4, [\[Sutter00\]](#Sutter00) §8, §16, [\[Sutter02\]](#Sutter02) §18-19
21619 ## <a name="Sd-consistent"></a>Define Copy, move, and destroy consistently
21621 ##### Reason
21623  ???
21625 ##### Note
21627 If you define a copy constructor, you must also define a copy assignment operator.
21629 ##### Note
21631 If you define a move constructor, you must also define a move assignment operator.
21633 ##### Example
21635     class X {
21636         // ...
21637     public:
21638         X(const X&) { /* stuff */ }
21640         // BAD: failed to also define a copy assignment operator
21642         X(x&&) noexcept { /* stuff */ }
21644         // BAD: failed to also define a move assignment operator
21645     };
21647     X x1;
21648     X x2 = x1; // ok
21649     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
21651 If you define a destructor, you should not use the compiler-generated copy or move operation; you probably need to define or suppress copy and/or move.
21653     class X {
21654         HANDLE hnd;
21655         // ...
21656     public:
21657         ~X() { /* custom stuff, such as closing hnd */ }
21658         // suspicious: no mention of copying or moving -- what happens to hnd?
21659     };
21661     X x1;
21662     X x2 = x1; // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
21663     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
21665 If you define copying, and any base or member has a type that defines a move operation, you should also define a move operation.
21667     class X {
21668         string s; // defines more efficient move operations
21669         // ... other data members ...
21670     public:
21671         X(const X&) { /* stuff */ }
21672         X& operator=(const X&) { /* stuff */ }
21674         // BAD: failed to also define a move construction and move assignment
21675         // (why wasn't the custom "stuff" repeated here?)
21676     };
21678     X test()
21679     {
21680         X local;
21681         // ...
21682         return local;  // pitfall: will be inefficient and/or do the wrong thing
21683     }
21685 If you define any of the copy constructor, copy assignment operator, or destructor, you probably should define the others.
21687 ##### Note
21689 If you need to define any of these five functions, it means you need it to do more than its default behavior -- and the five are asymmetrically interrelated. Here's how:
21691 * If you write/disable either of the copy constructor or the copy assignment operator, you probably need to do the same for the other: If one does "special" work, probably so should the other because the two functions should have similar effects. (See Item 53, which expands on this point in isolation.)
21692 * If you explicitly write the copying functions, you probably need to write the destructor: If the "special" work in the copy constructor is to allocate or duplicate some resource (e.g., memory, file, socket), you need to deallocate it in the destructor.
21693 * If you explicitly write the destructor, you probably need to explicitly write or disable copying: If you have to write a non-trivial destructor, it's often because you need to manually release a resource that the object held. If so, it is likely that those resources require careful duplication, and then you need to pay attention to the way objects are copied and assigned, or disable copying completely.
21695 In many cases, holding properly encapsulated resources using RAII "owning" objects can eliminate the need to write these operations yourself. (See Item 13.)
21697 Prefer compiler-generated (including `=default`) special members; only these can be classified as "trivial", and at least one major standard library vendor heavily optimizes for classes having trivial special members. This is likely to become common practice.
21699 **Exceptions**: When any of the special functions are declared only to make them nonpublic or virtual, but without special semantics, it doesn't imply that the others are needed.
21700 In rare cases, classes that have members of strange types (such as reference members) are an exception because they have peculiar copy semantics.
21701 In a class holding a reference, you likely need to write the copy constructor and the assignment operator, but the default destructor already does the right thing. (Note that using a reference member is almost always wrong.)
21703 **References**: [\[C++CS\]](#CplusplusCS) Item 52; [\[Cline99\]](#Cline99) §30.01-14, [\[Koenig97\]](#Koenig97) §4, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §5.5, §10.4, [\[SuttHysl04b\]](#SuttHysl04b)
21705 Resource management rule summary:
21707 * [Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource](#Cr-safety)
21708 * [Never throw while holding a resource not owned by a handle](#Cr-never)
21709 * [A "raw" pointer or reference is never a resource handle](#Cr-raw)
21710 * [Never let a pointer outlive the object it points to](#Cr-outlive)
21711 * [Use templates to express containers (and other resource handles)](#Cr-templates)
21712 * [Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)](#Cr-value-return)
21713 * [If a class is a resource handle, it needs a constructor, a destructor, and copy and/or move operations](#Cr-handle)
21714 * [If a class is a container, give it an initializer-list constructor](#Cr-list)
21716 ### <a name="Cr-safety"></a>Discussion: Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource
21718 ##### Reason
21720 Prevent leaks. Leaks can lead to performance degradation, mysterious error, system crashes, and security violations.
21722 **Alternative formulation**: Have every resource represented as an object of some class managing its lifetime.
21724 ##### Example
21726     template<class T>
21727     class Vector {
21728     // ...
21729     private:
21730         T* elem;   // sz elements on the free store, owned by the class object
21731         int sz;
21732     };
21734 This class is a resource handle. It manages the lifetime of the `T`s. To do so, `Vector` must define or delete [the set of special operations](???) (constructors, a destructor, etc.).
21736 ##### Example
21738     ??? "odd" non-memory resource ???
21740 ##### Enforcement
21742 The basic technique for preventing leaks is to have every resource owned by a resource handle with a suitable destructor. A checker can find "naked `new`s". Given a list of C-style allocation functions (e.g., `fopen()`), a checker can also find uses that are not managed by a resource handle. In general, "naked pointers" can be viewed with suspicion, flagged, and/or analyzed. A complete list of resources cannot be generated without human input (the definition of "a resource" is necessarily too general), but a tool can be "parameterized" with a resource list.
21744 ### <a name="Cr-never"></a>Discussion: Never throw while holding a resource not owned by a handle
21746 ##### Reason
21748 That would be a leak.
21750 ##### Example
21752     void f(int i)
21753     {
21754         FILE* f = fopen("a file", "r");
21755         ifstream is { "another file" };
21756         // ...
21757         if (i == 0) return;
21758         // ...
21759         fclose(f);
21760     }
21762 If `i == 0` the file handle for `a file` is leaked. On the other hand, the `ifstream` for `another file` will correctly close its file (upon destruction). If you must use an explicit pointer, rather than a resource handle with specific semantics, use a `unique_ptr` or a `shared_ptr` with a custom deleter:
21764     void f(int i)
21765     {
21766         unique_ptr<FILE, int(*)(FILE*)> f(fopen("a file", "r"), fclose);
21767         // ...
21768         if (i == 0) return;
21769         // ...
21770     }
21772 Better:
21774     void f(int i)
21775     {
21776         ifstream input {"a file"};
21777         // ...
21778         if (i == 0) return;
21779         // ...
21780     }
21782 ##### Enforcement
21784 A checker must consider all "naked pointers" suspicious.
21785 A checker probably must rely on a human-provided list of resources.
21786 For starters, we know about the standard-library containers, `string`, and smart pointers.
21787 The use of `span` and `string_span` should help a lot (they are not resource handles).
21789 ### <a name="Cr-raw"></a>Discussion: A "raw" pointer or reference is never a resource handle
21791 ##### Reason
21793 To be able to distinguish owners from views.
21795 ##### Note
21797 This is independent of how you "spell" pointer: `T*`, `T&`, `Ptr<T>` and `Range<T>` are not owners.
21799 ### <a name="Cr-outlive"></a>Discussion: Never let a pointer outlive the object it points to
21801 ##### Reason
21803 To avoid extremely hard-to-find errors. Dereferencing such a pointer is undefined behavior and could lead to violations of the type system.
21805 ##### Example
21807     string* bad()   // really bad
21808     {
21809         vector<string> v = { "This", "will", "cause", "trouble", "!" };
21810         // leaking a pointer into a destroyed member of a destroyed object (v)
21811         return &v[0];
21812     }
21814     void use()
21815     {
21816         string* p = bad();
21817         vector<int> xx = {7, 8, 9};
21818         // undefined behavior: x may not be the string "This"
21819         string x = *p;
21820         // undefined behavior: we don't know what (if anything) is allocated a location p
21821         *p = "Evil!";
21822     }
21824 The `string`s of `v` are destroyed upon exit from `bad()` and so is `v` itself. The returned pointer points to unallocated memory on the free store. This memory (pointed into by `p`) may have been reallocated by the time `*p` is executed. There may be no `string` to read and a write through `p` could easily corrupt objects of unrelated types.
21826 ##### Enforcement
21828 Most compilers already warn about simple cases and has the information to do more. Consider any pointer returned from a function suspect. Use containers, resource handles, and views (e.g., `span` known not to be resource handles) to lower the number of cases to be examined. For starters, consider every class with a destructor as resource handle.
21830 ### <a name="Cr-templates"></a>Discussion: Use templates to express containers (and other resource handles)
21832 ##### Reason
21834 To provide statically type-safe manipulation of elements.
21836 ##### Example
21838     template<typename T> class Vector {
21839         // ...
21840         T* elem;   // point to sz elements of type T
21841         int sz;
21842     };
21844 ### <a name="Cr-value-return"></a>Discussion: Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)
21846 ##### Reason
21848 To simplify code and eliminate a need for explicit memory management. To bring an object into a surrounding scope, thereby extending its lifetime.
21850 **See also**: [F.20, the general item about "out" output values](#Rf-out)
21852 ##### Example
21854     vector<int> get_large_vector()
21855     {
21856         return ...;
21857     }
21859     auto v = get_large_vector(); //  return by value is ok, most modern compilers will do copy elision
21861 ##### Exception
21863 See the Exceptions in [F.20](#Rf-out).
21865 ##### Enforcement
21867 Check for pointers and references returned from functions and see if they are assigned to resource handles (e.g., to a `unique_ptr`).
21869 ### <a name="Cr-handle"></a>Discussion: If a class is a resource handle, it needs a constructor, a destructor, and copy and/or move operations
21871 ##### Reason
21873 To provide complete control of the lifetime of the resource. To provide a coherent set of operations on the resource.
21875 ##### Example
21877     ??? Messing with pointers
21879 ##### Note
21881 If all members are resource handles, rely on the default special operations where possible.
21883     template<typename T> struct Named {
21884         string name;
21885         T value;
21886     };
21888 Now `Named` has a default constructor, a destructor, and efficient copy and move operations, provided `T` has.
21890 ##### Enforcement
21892 In general, a tool cannot know if a class is a resource handle. However, if a class has some of [the default operations](#SS-ctor), it should have all, and if a class has a member that is a resource handle, it should be considered as resource handle.
21894 ### <a name="Cr-list"></a>Discussion: If a class is a container, give it an initializer-list constructor
21896 ##### Reason
21898 It is common to need an initial set of elements.
21900 ##### Example
21902     template<typename T> class Vector {
21903     public:
21904         Vector(std::initializer_list<T>);
21905         // ...
21906     };
21908     Vector<string> vs { "Nygaard", "Ritchie" };
21910 ##### Enforcement
21912 When is a class a container? ???
21914 # <a name="S-tools"></a>Appendix D: Supporting tools
21916 This section contains a list of tools that directly support adoption of the C++ Core Guidelines. This list is not intended to be an exhaustive list of tools
21917 that are helpful in writing good C++ code. If a tool is designed specifically to support and links to the C++ Core Guidelines it is a candidate for inclusion.
21919 ### <a name="St-clangtidy"></a>Tools: [Clang-tidy](http://clang.llvm.org/extra/clang-tidy/checks/list.html)
21921 Clang-tidy has a set of rules that specifically enforce the C++ Core Guidelines. These rules are named in the pattern `cppcoreguidelines-*`.
21923 ### <a name="St-cppcorecheck"></a>Tools: [CppCoreCheck](https://docs.microsoft.com/en-us/visualstudio/code-quality/using-the-cpp-core-guidelines-checkers)
21925 The Microsoft compiler's C++ code analysis contains a set of rules specifically aimed at enforcement of the C++ Core Guidelines.
21927 # <a name="S-glossary"></a>Glossary
21929 A relatively informal definition of terms used in the guidelines
21930 (based of the glossary in [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html))
21932 More information on many topics about C++ can be found on the [Standard C++ Foundation](https://isocpp.org)'s site.
21934 * *ABI*: Application Binary Interface, a specification for a specific hardware platform combined with the operating system. Contrast with API.
21935 * *abstract class*: a class that cannot be directly used to create objects; often used to define an interface to derived classes.
21936   A class is made abstract by having a pure virtual function or only protected constructors.
21937 * *abstraction*: a description of something that selectively and deliberately ignores (hides) details (e.g., implementation details); selective ignorance.
21938 * *address*: a value that allows us to find an object in a computer's memory.
21939 * *algorithm*: a procedure or formula for solving a problem; a finite series of computational steps to produce a result.
21940 * *alias*: an alternative way of referring to an object; often a name, pointer, or reference.
21941 * *API*: Application Programming Interface, a set of functions that form the communication between various software components. Contrast with ABI.
21942 * *application*: a program or a collection of programs that is considered an entity by its users.
21943 * *approximation*: something (e.g., a value or a design) that is close to the perfect or ideal (value or design).
21944   Often an approximation is a result of trade-offs among ideals.
21945 * *argument*: a value passed to a function or a template, in which it is accessed through a parameter.
21946 * *array*: a homogeneous sequence of elements, usually numbered, e.g., `[0:max)`.
21947 * *assertion*: a statement inserted into a program to state (assert) that something must always be true at this point in the program.
21948 * *base class*: a class used as the base of a class hierarchy. Typically a base class has one or more virtual functions.
21949 * *bit*: the basic unit of information in a computer. A bit can have the value 0 or the value 1.
21950 * *bug*: an error in a program.
21951 * *byte*: the basic unit of addressing in most computers. Typically, a byte holds 8 bits.
21952 * *class*: a user-defined type that may contain data members, function members, and member types.
21953 * *code*: a program or a part of a program; ambiguously used for both source code and object code.
21954 * *compiler*: a program that turns source code into object code.
21955 * *complexity*: a hard-to-precisely-define notion or measure of the difficulty of constructing a solution to a problem or of the solution itself.
21956   Sometimes complexity is used to (simply) mean an estimate of the number of operations needed to execute an algorithm.
21957 * *computation*: the execution of some code, usually taking some input and producing some output.
21958 * *concept*: (1) a notion, and idea; (2) a set of requirements, usually for a template argument.
21959 * *concrete class*: class for which objects can be created using usual construction syntax (e.g., on the stack) and the resulting object behaves much like an `int` as it comes to copying, comparison, and such
21960 (as opposed to a base class in a hierarchy).
21961 * *constant*: a value that cannot be changed (in a given scope); not mutable.
21962 * *constructor*: an operation that initializes ("constructs") an object.
21963   Typically a constructor establishes an invariant and often acquires resources needed for an object to be used (which are then typically released by a destructor).
21964 * *container*: an object that holds elements (other objects).
21965 * *copy*: an operation that makes two object have values that compare equal. See also move.
21966 * *correctness*: a program or a piece of a program is correct if it meets its specification.
21967   Unfortunately, a specification can be incomplete or inconsistent, or can fail to meet users' reasonable expectations.
21968   Thus, to produce acceptable code, we sometimes have to do more than just follow the formal specification.
21969 * *cost*: the expense (e.g., in programmer time, run time, or space) of producing a program or of executing it.
21970   Ideally, cost should be a function of complexity.
21971 * *customization point*: ???
21972 * *data*: values used in a computation.
21973 * *debugging*: the act of searching for and removing errors from a program; usually far less systematic than testing.
21974 * *declaration*: the specification of a name with its type in a program.
21975 * *definition*: a declaration of an entity that supplies all information necessary to complete a program using the entity.
21976   Simplified definition: a declaration that allocates memory.
21977 * *derived class*: a class derived from one or more base classes.
21978 * *design*: an overall description of how a piece of software should operate to meet its specification.
21979 * *destructor*: an operation that is implicitly invoked (called) when an object is destroyed (e.g., at the end of a scope). Often, it releases resources.
21980 * *encapsulation*: protecting something meant to be private (e.g., implementation details) from unauthorized access.
21981 * *error*: a mismatch between reasonable expectations of program behavior (often expressed as a requirement or a users' guide) and what a program actually does.
21982 * *executable*: a program ready to be run (executed) on a computer.
21983 * *feature creep*: a tendency to add excess functionality to a program "just in case."
21984 * *file*: a container of permanent information in a computer.
21985 * *floating-point number*: a computer's approximation of a real number, such as 7.93 and 10.78e-3.
21986 * *function*: a named unit of code that can be invoked (called) from different parts of a program; a logical unit of computation.
21987 * *generic programming*: a style of programming focused on the design and efficient implementation of algorithms.
21988   A generic algorithm will work for all argument types that meet its requirements. In C++, generic programming typically uses templates.
21989 * *global variable*: technically, a named object in namespace scope.
21990 * *handle*: a class that allows access to another through a member pointer or reference. See also resource, copy, move.
21991 * *header*: a file containing declarations used to share interfaces between parts of a program.
21992 * *hiding*: the act of preventing a piece of information from being directly seen or accessed.
21993   For example, a name from a nested (inner) scope can prevent that same name from an outer (enclosing) scope from being directly used.
21994 * *ideal*: the perfect version of something we are striving for. Usually we have to make trade-offs and settle for an approximation.
21995 * *implementation*: (1) the act of writing and testing code; (2) the code that implements a program.
21996 * *infinite loop*: a loop where the termination condition never becomes true. See iteration.
21997 * *infinite recursion*: a recursion that doesn't end until the machine runs out of memory to hold the calls.
21998   In reality, such recursion is never infinite but is terminated by some hardware error.
21999 * *information hiding*: the act of separating interface and implementation, thus hiding implementation details not meant for the user's attention and providing an abstraction.
22000 * *initialize*: giving an object its first (initial) value.
22001 * *input*: values used by a computation (e.g., function arguments and characters typed on a keyboard).
22002 * *integer*: a whole number, such as 42 and -99.
22003 * *interface*: a declaration or a set of declarations specifying how a piece of code (such as a function or a class) can be called.
22004 * *invariant*: something that must be always true at a given point (or points) of a program; typically used to describe the state (set of values) of an object or the state of a loop before entry into the repeated statement.
22005 * *iteration*: the act of repeatedly executing a piece of code; see recursion.
22006 * *iterator*: an object that identifies an element of a sequence.
22007 * *ISO*: International Organization for Standardization. The C++ language is an ISO standard, ISO/IEC 14882. More information at [iso.org](http://iso.org).
22008 * *library*: a collection of types, functions, classes, etc. implementing a set of facilities (abstractions) meant to be potentially used as part of more that one program.
22009 * *lifetime*: the time from the initialization of an object until it becomes unusable (goes out of scope, is deleted, or the program terminates).
22010 * *linker*: a program that combines object code files and libraries into an executable program.
22011 * *literal*: a notation that directly specifies a value, such as 12 specifying the integer value "twelve."
22012 * *loop*: a piece of code executed repeatedly; in C++, typically a for-statement or a `while`-statement.
22013 * *move*: an operation that transfers a value from one object to another leaving behind a value representing "empty." See also copy.
22014 * *mutable*: changeable; the opposite of immutable, constant, and invariable.
22015 * *object*: (1) an initialized region of memory of a known type which holds a value of that type; (2) a region of memory.
22016 * *object code*: output from a compiler intended as input for a linker (for the linker to produce executable code).
22017 * *object file*: a file containing object code.
22018 * *object-oriented programming*: (OOP) a style of programming focused on the design and use of classes and class hierarchies.
22019 * *operation*: something that can perform some action, such as a function and an operator.
22020 * *output*: values produced by a computation (e.g., a function result or lines of characters written on a screen).
22021 * *overflow*: producing a value that cannot be stored in its intended target.
22022 * *overload*: defining two functions or operators with the same name but different argument (operand) types.
22023 * *override*: defining a function in a derived class with the same name and argument types as a virtual function in the base class, thus making the function callable through the interface defined by the base class.
22024 * *owner*: an object responsible for releasing a resource.
22025 * *paradigm*: a somewhat pretentious term for design or programming style; often used with the (erroneous) implication that there exists a paradigm that is superior to all others.
22026 * *parameter*: a declaration of an explicit input to a function or a template. When called, a function can access the arguments passed through the names of its parameters.
22027 * *pointer*: (1) a value used to identify a typed object in memory; (2) a variable holding such a value.
22028 * *post-condition*: a condition that must hold upon exit from a piece of code, such as a function or a loop.
22029 * *pre-condition*: a condition that must hold upon entry into a piece of code, such as a function or a loop.
22030 * *program*: code (possibly with associated data) that is sufficiently complete to be executed by a computer.
22031 * *programming*: the art of expressing solutions to problems as code.
22032 * *programming language*: a language for expressing programs.
22033 * *pseudo code*: a description of a computation written in an informal notation rather than a programming language.
22034 * *pure virtual function*: a virtual function that must be overridden in a derived class.
22035 * *RAII*: ("Resource Acquisition Is Initialization") a basic technique for resource management based on scopes.
22036 * *range*: a sequence of values that can be described by a start point and an end point. For example, `[0:5)` means the values 0, 1, 2, 3, and 4.
22037 * *recursion*: the act of a function calling itself; see also iteration.
22038 * *reference*: (1) a value describing the location of a typed value in memory; (2) a variable holding such a value.
22039 * *regular expression*: a notation for patterns in character strings.
22040 * *regular*: a type that behaves similarly to built-in types like `int` and can be compared with `==`.
22041 In particular, an object of a regular type can be copied and the result of a copy is a separate object that compares equal to the original. See also *semiregular type*.
22042 * *requirement*: (1) a description of the desired behavior of a program or part of a program; (2) a description of the assumptions a function or template makes of its arguments.
22043 * *resource*: something that is acquired and must later be released, such as a file handle, a lock, or memory. See also handle, owner.
22044 * *rounding*: conversion of a value to the mathematically nearest value of a less precise type.
22045 * *RTTI*: Run-Time Type Information. ???
22046 * *scope*: the region of program text (source code) in which a name can be referred to.
22047 * *semiregular*: a type that behaves roughly like an built-in type like `int`, but possibly without a `==` operator. See also *regular type*.
22048 * *sequence*: elements that can be visited in a linear order.
22049 * *software*: a collection of pieces of code and associated data; often used interchangeably with program.
22050 * *source code*: code as produced by a programmer and (in principle) readable by other programmers.
22051 * *source file*: a file containing source code.
22052 * *specification*: a description of what a piece of code should do.
22053 * *standard*: an officially agreed upon definition of something, such as a programming language.
22054 * *state*: a set of values.
22055 * *STL*: the containers, iterators, and algorithms part of the standard library.
22056 * *string*: a sequence of characters.
22057 * *style*: a set of techniques for programming leading to a consistent use of language features; sometimes used in a very restricted sense to refer just to low-level rules for naming and appearance of code.
22058 * *subtype*: derived type; a type that has all the properties of a type and possibly more.
22059 * *supertype*: base type; a type that has a subset of the properties of a type.
22060 * *system*: (1) a program or a set of programs for performing a task on a computer; (2) a shorthand for "operating system", that is, the fundamental execution environment and tools for a computer.
22061 * *TS*: [Technical Specification](https://www.iso.org/deliverables-all.html?type=ts), A Technical Specification addresses work still under technical development, or where it is believed that there will be a future, but not immediate, possibility of agreement on an International Standard. A Technical Specification is published for immediate use, but it also provides a means to obtain feedback. The aim is that it will eventually be transformed and republished as an International Standard.
22062 * *template*: a class or a function parameterized by one or more types or (compile-time) values; the basic C++ language construct supporting generic programming.
22063 * *testing*: a systematic search for errors in a program.
22064 * *trade-off*: the result of balancing several design and implementation criteria.
22065 * *truncation*: loss of information in a conversion from a type into another that cannot exactly represent the value to be converted.
22066 * *type*: something that defines a set of possible values and a set of operations for an object.
22067 * *uninitialized*: the (undefined) state of an object before it is initialized.
22068 * *unit*: (1) a standard measure that gives meaning to a value (e.g., km for a distance); (2) a distinguished (e.g., named) part of a larger whole.
22069 * *use case*: a specific (typically simple) use of a program meant to test its functionality and demonstrate its purpose.
22070 * *value*: a set of bits in memory interpreted according to a type.
22071 * *variable*: a named object of a given type; contains a value unless uninitialized.
22072 * *virtual function*: a member function that can be overridden in a derived class.
22073 * *word*: a basic unit of memory in a computer, often the unit used to hold an integer.
22075 # <a name="S-unclassified"></a>To-do: Unclassified proto-rules
22077 This is our to-do list.
22078 Eventually, the entries will become rules or parts of rules.
22079 Alternatively, we will decide that no change is needed and delete the entry.
22081 * No long-distance friendship
22082 * Should physical design (what's in a file) and large-scale design (libraries, groups of libraries) be addressed?
22083 * Namespaces
22084 * Avoid using directives in the global scope (except for std, and other "fundamental" namespaces (e.g. experimental))
22085 * How granular should namespaces be? All classes/functions designed to work together and released together (as defined in Sutter/Alexandrescu) or something narrower or wider?
22086 * Should there be inline namespaces (à la `std::literals::*_literals`)?
22087 * Avoid implicit conversions
22088 * Const member functions should be thread safe ... aka, but I don't really change the variable, just assign it a value the first time it's called ... argh
22089 * Always initialize variables, use initialization lists for member variables.
22090 * Anyone writing a public interface which takes or returns `void*` should have their toes set on fire. That one has been a personal favorite of mine for a number of years. :)
22091 * Use `const`-ness wherever possible: member functions, variables and (yippee) `const_iterators`
22092 * Use `auto`
22093 * `(size)` vs. `{initializers}` vs. `{Extent{size}}`
22094 * Don't overabstract
22095 * Never pass a pointer down the call stack
22096 * falling through a function bottom
22097 * Should there be guidelines to choose between polymorphisms? YES. classic (virtual functions, reference semantics) vs. Sean Parent style (value semantics, type-erased, kind of like `std::function`)  vs. CRTP/static? YES Perhaps even vs. tag dispatch?
22098 * should virtual calls be banned from ctors/dtors in your guidelines? YES. A lot of people ban them, even though I think it's a big strength of C++ that they are ??? -preserving (D disappointed me so much when it went the Java way). WHAT WOULD BE A GOOD EXAMPLE?
22099 * Speaking of lambdas, what would weigh in on the decision between lambdas and (local?) classes in algorithm calls and other callback scenarios?
22100 * And speaking of `std::bind`, Stephen T. Lavavej criticizes it so much I'm starting to wonder if it is indeed going to fade away in future. Should lambdas be recommended instead?
22101 * What to do with leaks out of temporaries? : `p = (s1 + s2).c_str();`
22102 * pointer/iterator invalidation leading to dangling pointers:
22104         void bad()
22105         {
22106             int* p = new int[700];
22107             int* q = &p[7];
22108             delete p;
22110             vector<int> v(700);
22111             int* q2 = &v[7];
22112             v.resize(900);
22114             // ... use q and q2 ...
22115         }
22117 * LSP
22118 * private inheritance vs/and membership
22119 * avoid static class members variables (race conditions, almost-global variables)
22121 * Use RAII lock guards (`lock_guard`, `unique_lock`, `shared_lock`), never call `mutex.lock` and `mutex.unlock` directly (RAII)
22122 * Prefer non-recursive locks (often used to work around bad reasoning, overhead)
22123 * Join your threads! (because of `std::terminate` in destructor if not joined or detached ... is there a good reason to detach threads?) -- ??? could support library provide a RAII wrapper for `std::thread`?
22124 * If two or more mutexes must be acquired at the same time, use `std::lock` (or another deadlock avoidance algorithm?)
22125 * When using a `condition_variable`, always protect the condition by a mutex (atomic bool whose value is set outside of the mutex is wrong!), and use the same mutex for the condition variable itself.
22126 * Never use `atomic_compare_exchange_strong` with `std::atomic<user-defined-struct>` (differences in padding matter, while `compare_exchange_weak` in a loop converges to stable padding)
22127 * individual `shared_future` objects are not thread-safe: two threads cannot wait on the same `shared_future` object (they can wait on copies of a `shared_future` that refer to the same shared state)
22128 * individual `shared_ptr` objects are not thread-safe: different threads can call non-`const` member functions on *different* `shared_ptr`s that refer to the same shared object, but one thread cannot call a non-`const` member function of a `shared_ptr` object while another thread accesses that same `shared_ptr` object (if you need that, consider `atomic_shared_ptr` instead)
22130 * rules for arithmetic
22132 # Bibliography
22134 * <a name="Abrahams01"></a>
22135   \[Abrahams01]:  D. Abrahams. [Exception-Safety in Generic Components](http://www.boost.org/community/exception_safety.html).
22136 * <a name="Alexandrescu01"></a>
22137   \[Alexandrescu01]:  A. Alexandrescu. Modern C++ Design (Addison-Wesley, 2001).
22138 * <a name="Cplusplus03"></a>
22139   \[C++03]:           ISO/IEC 14882:2003(E), Programming Languages — C++ (updated ISO and ANSI C++ Standard including the contents of (C++98) plus errata corrections).
22140 * <a name="CplusplusCS"></a>
22141   \[C++CS]:           ???
22142 * <a name="Cargill92"></a>
22143   \[Cargill92]:       T. Cargill. C++ Programming Style (Addison-Wesley, 1992).
22144 * <a name="Cline99"></a>
22145   \[Cline99]:         M. Cline, G. Lomow, and M. Girou. C++ FAQs (2ndEdition) (Addison-Wesley, 1999).
22146 * <a name="Dewhurst03"></a>
22147   \[Dewhurst03]:      S. Dewhurst. C++ Gotchas (Addison-Wesley, 2003).
22148 * <a name="Henricson97"></a>
22149   \[Henricson97]:     M. Henricson and E. Nyquist. Industrial Strength C++ (Prentice Hall, 1997).
22150 * <a name="Koenig97"></a>
22151   \[Koenig97]:        A. Koenig and B. Moo. Ruminations on C++ (Addison-Wesley, 1997).
22152 * <a name="Lakos96"></a>
22153   \[Lakos96]:         J. Lakos. Large-Scale C++ Software Design (Addison-Wesley, 1996).
22154 * <a name="Meyers96"></a>
22155   \[Meyers96]:        S. Meyers. More Effective C++ (Addison-Wesley, 1996).
22156 * <a name="Meyers97"></a>
22157   \[Meyers97]:        S. Meyers. Effective C++ (2nd Edition) (Addison-Wesley, 1997).
22158 * <a name="Meyers15"></a>
22159   \[Meyers15]:        S. Meyers. Effective Modern C++ (O'Reilly, 2015).
22160 * <a name="Murray93"></a>
22161   \[Murray93]:        R. Murray. C++ Strategies and Tactics (Addison-Wesley, 1993).
22162 * <a name="Stroustrup94"></a>
22163   \[Stroustrup94]:    B. Stroustrup. The Design and Evolution of C++ (Addison-Wesley, 1994).
22164 * <a name="Stroustrup00"></a>
22165   \[Stroustrup00]:    B. Stroustrup. The C++ Programming Language (Special 3rdEdition) (Addison-Wesley, 2000).
22166 * <a name="Stroustrup05"></a>
22167   \[Stroustrup05]:    B. Stroustrup. [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
22168 * <a name="Stroustrup13"></a>
22169   \[Stroustrup13]:    B. Stroustrup. [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html). Addison Wesley 2013.
22170 * <a name="Stroustrup14"></a>
22171   \[Stroustrup14]:    B. Stroustrup. [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
22172   Addison Wesley 2014.
22173 * <a name="Stroustrup15"></a>
22174   \[Stroustrup15]:    B. Stroustrup, Herb Sutter, and G. Dos Reis: [A brief introduction to C++'s model for type- and resource-safety](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/docs/Introduction%20to%20type%20and%20resource%20safety.pdf).
22175 * <a name="SuttHysl04b"></a>
22176   \[SuttHysl04b]:     H. Sutter and J. Hyslop. "Collecting Shared Objects" (C/C++ Users Journal, 22(8), August 2004).
22177 * <a name="SuttAlex05"></a>
22178   \[SuttAlex05]:      H. Sutter and  A. Alexandrescu. C++ Coding Standards. Addison-Wesley 2005.
22179 * <a name="Sutter00"></a>
22180   \[Sutter00]:        H. Sutter. Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2000).
22181 * <a name="Sutter02"></a>
22182   \[Sutter02]:        H. Sutter. More Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2002).
22183 * <a name="Sutter04"></a>
22184   \[Sutter04]:        H. Sutter. Exceptional C++ Style (Addison-Wesley, 2004).
22185 * <a name="Taligent94"></a>
22186   \[Taligent94]: Taligent's Guide to Designing Programs (Addison-Wesley, 1994).