Updated Mozilla link and Google style guide C++ version note
[CppCoreGuidelines.git] / CppCoreGuidelines.md
blob20df8e713963a4beef81147761ed97288fcadcfb
1 # <a name="main"></a>C++ Core Guidelines
3 August 3, 2020
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 [must 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 might 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 without thinking.
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 bloat".
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 Examples are written to illustrate rules.
404 * Examples are not intended to be production quality or to cover all tutorial dimensions.
405 For example, many examples are language-technical and use names like `f`, `base`, and `x`.
406 * We try to ensure that "good" examples follow the Core Guidelines.
407 * Comments are often illustrating rules where they would be unnecessary and/or distracting in "real code."
408 * We assume knowledge of the standard library. For example, we use plain `vector` rather than `std::vector`.
410 This is not a language manual.
411 It is meant to be helpful, rather than complete, fully accurate on technical details, or a guide to existing code.
412 Recommended information sources can be found in [the references](#S-references).
414 ## <a name="SS-sec"></a>In.sec: Major sections
416 * [In: Introduction](#S-introduction)
417 * [P: Philosophy](#S-philosophy)
418 * [I: Interfaces](#S-interfaces)
419 * [F: Functions](#S-functions)
420 * [C: Classes and class hierarchies](#S-class)
421 * [Enum: Enumerations](#S-enum)
422 * [R: Resource management](#S-resource)
423 * [ES: Expressions and statements](#S-expr)
424 * [Per: Performance](#S-performance)
425 * [CP: Concurrency and parallelism](#S-concurrency)
426 * [E: Error handling](#S-errors)
427 * [Con: Constants and immutability](#S-const)
428 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
429 * [CPL: C-style programming](#S-cpl)
430 * [SF: Source files](#S-source)
431 * [SL: The Standard Library](#S-stdlib)
433 Supporting sections:
435 * [A: Architectural ideas](#S-A)
436 * [NR: Non-Rules and myths](#S-not)
437 * [RF: References](#S-references)
438 * [Pro: Profiles](#S-profile)
439 * [GSL: Guidelines support library](#S-gsl)
440 * [NL: Naming and layout rules](#S-naming)
441 * [FAQ: Answers to frequently asked questions](#S-faq)
442 * [Appendix A: Libraries](#S-libraries)
443 * [Appendix B: Modernizing code](#S-modernizing)
444 * [Appendix C: Discussion](#S-discussion)
445 * [Appendix D: Supporting tools](#S-tools)
446 * [Glossary](#S-glossary)
447 * [To-do: Unclassified proto-rules](#S-unclassified)
449 These sections are not orthogonal.
451 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.
452 The main section abbreviations are also used in rule numbers (e.g., "C.11" for "Make concrete types regular").
454 # <a name="S-philosophy"></a>P: Philosophy
456 The rules in this section are very general.
458 Philosophy rules summary:
460 * [P.1: Express ideas directly in code](#Rp-direct)
461 * [P.2: Write in ISO Standard C++](#Rp-Cplusplus)
462 * [P.3: Express intent](#Rp-what)
463 * [P.4: Ideally, a program should be statically type safe](#Rp-typesafe)
464 * [P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking](#Rp-compile-time)
465 * [P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time](#Rp-run-time)
466 * [P.7: Catch run-time errors early](#Rp-early)
467 * [P.8: Don't leak any resources](#Rp-leak)
468 * [P.9: Don't waste time or space](#Rp-waste)
469 * [P.10: Prefer immutable data to mutable data](#Rp-mutable)
470 * [P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code](#Rp-library)
471 * [P.12: Use supporting tools as appropriate](#Rp-tools)
472 * [P.13: Use support libraries as appropriate](#Rp-lib)
474 Philosophical rules are generally not mechanically checkable.
475 However, individual rules reflecting these philosophical themes are.
476 Without a philosophical basis, the more concrete/specific/checkable rules lack rationale.
478 ### <a name="Rp-direct"></a>P.1: Express ideas directly in code
480 ##### Reason
482 Compilers don't read comments (or design documents) and neither do many programmers (consistently).
483 What is expressed in code has defined semantics and can (in principle) be checked by compilers and other tools.
485 ##### Example
487     class Date {
488     public:
489         Month month() const;  // do
490         int month();          // don't
491         // ...
492     };
494 The first declaration of `month` is explicit about returning a `Month` and about not modifying the state of the `Date` object.
495 The second version leaves the reader guessing and opens more possibilities for uncaught bugs.
497 ##### Example, bad
499 This loop is a restricted form of `std::find`:
501     void f(vector<string>& v)
502     {
503         string val;
504         cin >> val;
505         // ...
506         int index = -1;                    // bad, plus should use gsl::index
507         for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
508             if (v[i] == val) {
509                 index = i;
510                 break;
511             }
512         }
513         // ...
514     }
516 ##### Example, good
518 A much clearer expression of intent would be:
520     void f(vector<string>& v)
521     {
522         string val;
523         cin >> val;
524         // ...
525         auto p = find(begin(v), end(v), val);  // better
526         // ...
527     }
529 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.
531 A C++ programmer should know the basics of the standard library, and use it where appropriate.
532 Any programmer should know the basics of the foundation libraries of the project being worked on, and use them appropriately.
533 Any programmer using these guidelines should know the [guidelines support library](#S-gsl), and use it appropriately.
535 ##### Example
537     change_speed(double s);   // bad: what does s signify?
538     // ...
539     change_speed(2.3);
541 A better approach is to be explicit about the meaning of the double (new speed or delta on old speed?) and the unit used:
543     change_speed(Speed s);    // better: the meaning of s is specified
544     // ...
545     change_speed(2.3);        // error: no unit
546     change_speed(23m / 10s);  // meters per second
548 We could have accepted a plain (unit-less) `double` as a delta, but that would have been error-prone.
549 If we wanted both absolute speed and deltas, we would have defined a `Delta` type.
551 ##### Enforcement
553 Very hard in general.
555 * use `const` consistently (check if member functions modify their object; check if functions modify arguments passed by pointer or reference)
556 * flag uses of casts (casts neuter the type system)
557 * detect code that mimics the standard library (hard)
559 ### <a name="Rp-Cplusplus"></a>P.2: Write in ISO Standard C++
561 ##### Reason
563 This is a set of guidelines for writing ISO Standard C++.
565 ##### Note
567 There are environments where extensions are necessary, e.g., to access system resources.
568 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.
570 Extensions often do not have rigorously defined semantics.  Even extensions that
571 are common and implemented by multiple compilers might have slightly different
572 behaviors and edge case behavior as a direct result of *not* having a rigorous
573 standard definition.  With sufficient use of any such extension, expected
574 portability will be impacted.
576 ##### Note
578 Using valid ISO C++ does not guarantee portability (let alone correctness).
579 Avoid dependence on undefined behavior (e.g., [undefined order of evaluation](#Res-order))
580 and be aware of constructs with implementation defined meaning (e.g., `sizeof(int)`).
582 ##### Note
584 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.
585 In such cases, control their (dis)use with an extension of these Coding Guidelines customized to the specific environment.
587 ##### Enforcement
589 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.
591 ### <a name="Rp-what"></a>P.3: Express intent
593 ##### Reason
595 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.
597 ##### Example
599     gsl::index i = 0;
600     while (i < v.size()) {
601         // ... do something with v[i] ...
602     }
604 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 might or might not be intended. The reader cannot know from just this section of code.
606 Better:
608     for (const auto& x : v) { /* do something with the value of x */ }
610 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:
612     for (auto& x : v) { /* modify x */ }
614 For more details about for-statements, see [ES.71](#Res-for-range).
615 Sometimes better still, use a named algorithm. This example uses the `for_each` from the Ranges TS because it directly expresses the intent:
617     for_each(v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
618     for_each(par, v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
620 The last variant makes it clear that we are not interested in the order in which the elements of `v` are handled.
622 A programmer should be familiar with
624 * [The guidelines support library](#S-gsl)
625 * [The ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
626 * Whatever foundation libraries are used for the current project(s)
628 ##### Note
630 Alternative formulation: Say what should be done, rather than just how it should be done.
632 ##### Note
634 Some language constructs express intent better than others.
636 ##### Example
638 If two `int`s are meant to be the coordinates of a 2D point, say so:
640     draw_line(int, int, int, int);  // obscure
641     draw_line(Point, Point);        // clearer
643 ##### Enforcement
645 Look for common patterns for which there are better alternatives
647 * simple `for` loops vs. range-`for` loops
648 * `f(T*, int)` interfaces vs. `f(span<T>)` interfaces
649 * loop variables in too large a scope
650 * naked `new` and `delete`
651 * functions with many parameters of built-in types
653 There is a huge scope for cleverness and semi-automated program transformation.
655 ### <a name="Rp-typesafe"></a>P.4: Ideally, a program should be statically type safe
657 ##### Reason
659 Ideally, a program would be completely statically (compile-time) type safe.
660 Unfortunately, that is not possible. Problem areas:
662 * unions
663 * casts
664 * array decay
665 * range errors
666 * narrowing conversions
668 ##### Note
670 These areas are sources of serious problems (e.g., crashes and security violations).
671 We try to provide alternative techniques.
673 ##### Enforcement
675 We can ban, restrain, or detect the individual problem categories separately, as required and feasible for individual programs.
676 Always suggest an alternative.
677 For example:
679 * unions -- use `variant` (in C++17)
680 * casts -- minimize their use; templates can help
681 * array decay -- use `span` (from the GSL)
682 * range errors -- use `span`
683 * narrowing conversions -- minimize their use and use `narrow` or `narrow_cast` (from the GSL) where they are necessary
685 ### <a name="Rp-compile-time"></a>P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking
687 ##### Reason
689 Code clarity and performance.
690 You don't need to write error handlers for errors caught at compile time.
692 ##### Example
694     // Int is an alias used for integers
695     int bits = 0;         // don't: avoidable code
696     for (Int i = 1; i; i <<= 1)
697         ++bits;
698     if (bits < 32)
699         cerr << "Int too small\n";
701 This example fails to achieve what it is trying to achieve (because overflow is undefined) and should be replaced with a simple `static_assert`:
703     // Int is an alias used for integers
704     static_assert(sizeof(Int) >= 4);    // do: compile-time check
706 Or better still just use the type system and replace `Int` with `int32_t`.
708 ##### Example
710     void read(int* p, int n);   // read max n integers into *p
712     int a[100];
713     read(a, 1000);    // bad, off the end
715 better
717     void read(span<int> r); // read into the range of integers r
719     int a[100];
720     read(a);        // better: let the compiler figure out the number of elements
722 **Alternative formulation**: Don't postpone to run time what can be done well at compile time.
724 ##### Enforcement
726 * Look for pointer arguments.
727 * Look for run-time checks for range violations.
729 ### <a name="Rp-run-time"></a>P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time
731 ##### Reason
733 Leaving hard-to-detect errors in a program is asking for crashes and bad results.
735 ##### Note
737 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).
739 ##### Example, bad
741     // separately compiled, possibly dynamically loaded
742     extern void f(int* p);
744     void g(int n)
745     {
746         // bad: the number of elements is not passed to f()
747         f(new int[n]);
748     }
750 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.
752 ##### Example, bad
754 We can of course pass the number of elements along with the pointer:
756     // separately compiled, possibly dynamically loaded
757     extern void f2(int* p, int n);
759     void g2(int n)
760     {
761         f2(new int[n], m);  // bad: a wrong number of elements can be passed to f()
762     }
764 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.
766 Also, it is implicit that `f2()` is supposed to `delete` its argument (or did the caller make a second mistake?).
768 ##### Example, bad
770 The standard library resource management pointers fail to pass the size when they point to an object:
772     // separately compiled, possibly dynamically loaded
773     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
774     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
775     extern void f3(unique_ptr<int[]>, int n);
777     void g3(int n)
778     {
779         f3(make_unique<int[]>(n), m);    // bad: pass ownership and size separately
780     }
782 ##### Example
784 We need to pass the pointer and the number of elements as an integral object:
786     extern void f4(vector<int>&);   // separately compiled, possibly dynamically loaded
787     extern void f4(span<int>);      // separately compiled, possibly dynamically loaded
788                                     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
789                                     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
791     void g3(int n)
792     {
793         vector<int> v(n);
794         f4(v);                     // pass a reference, retain ownership
795         f4(span<int>{v});          // pass a view, retain ownership
796     }
798 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.
800 ##### Example
802 How do we transfer both ownership and all information needed for validating use?
804     vector<int> f5(int n)    // OK: move
805     {
806         vector<int> v(n);
807         // ... initialize v ...
808         return v;
809     }
811     unique_ptr<int[]> f6(int n)    // bad: loses n
812     {
813         auto p = make_unique<int[]>(n);
814         // ... initialize *p ...
815         return p;
816     }
818     owner<int*> f7(int n)    // bad: loses n and we might forget to delete
819     {
820         owner<int*> p = new int[n];
821         // ... initialize *p ...
822         return p;
823     }
825 ##### Example
827 * ???
828 * show how possible checks are avoided by interfaces that pass polymorphic base classes around, when they actually know what they need?
829   Or strings as "free-style" options
831 ##### Enforcement
833 * Flag (pointer, count)-style interfaces (this will flag a lot of examples that can't be fixed for compatibility reasons)
834 * ???
836 ### <a name="Rp-early"></a>P.7: Catch run-time errors early
838 ##### Reason
840 Avoid "mysterious" crashes.
841 Avoid errors leading to (possibly unrecognized) wrong results.
843 ##### Example
845     void increment1(int* p, int n)    // bad: error-prone
846     {
847         for (int i = 0; i < n; ++i) ++p[i];
848     }
850     void use1(int m)
851     {
852         const int n = 10;
853         int a[n] = {};
854         // ...
855         increment1(a, m);   // maybe typo, maybe m <= n is supposed
856                             // but assume that m == 20
857         // ...
858     }
860 Here we made a small error in `use1` that will lead to corrupted data or a crash.
861 The (pointer, count)-style interface leaves `increment1()` with no realistic way of defending itself against out-of-range errors.
862 If we could check subscripts for out of range access, then the error would not be discovered until `p[10]` was accessed.
863 We could check earlier and improve the code:
865     void increment2(span<int> p)
866     {
867         for (int& x : p) ++x;
868     }
870     void use2(int m)
871     {
872         const int n = 10;
873         int a[n] = {};
874         // ...
875         increment2({a, m});    // maybe typo, maybe m <= n is supposed
876         // ...
877     }
879 Now, `m <= n` can be checked at the point of call (early) rather than later.
880 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):
882     void use3(int m)
883     {
884         const int n = 10;
885         int a[n] = {};
886         // ...
887         increment2(a);   // the number of elements of a need not be repeated
888         // ...
889     }
891 ##### Example, bad
893 Don't repeatedly check the same value. Don't pass structured data as strings:
895     Date read_date(istream& is);    // read date from istream
897     Date extract_date(const string& s);    // extract date from string
899     void user1(const string& date)    // manipulate date
900     {
901         auto d = extract_date(date);
902         // ...
903     }
905     void user2()
906     {
907         Date d = read_date(cin);
908         // ...
909         user1(d.to_string());
910         // ...
911     }
913 The date is validated twice (by the `Date` constructor) and passed as a character string (unstructured data).
915 ##### Example
917 Excess checking can be costly.
918 There are cases where checking early is inefficient because you might never need the value, or might 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)`).
920     class Jet {    // Physics says: e * e < x * x + y * y + z * z
921         float x;
922         float y;
923         float z;
924         float e;
925     public:
926         Jet(float x, float y, float z, float e)
927             :x(x), y(y), z(z), e(e)
928         {
929             // Should I check here that the values are physically meaningful?
930         }
932         float m() const
933         {
934             // Should I handle the degenerate case here?
935             return sqrt(x * x + y * y + z * z - e * e);
936         }
938         ???
939     };
941 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.
945 ##### Enforcement
947 * Look at pointers and arrays: Do range-checking early and not repeatedly
948 * Look at conversions: Eliminate or mark narrowing conversions
949 * Look for unchecked values coming from input
950 * Look for structured data (objects of classes with invariants) being converted into strings
951 * ???
953 ### <a name="Rp-leak"></a>P.8: Don't leak any resources
955 ##### Reason
957 Even a slow growth in resources will, over time, exhaust the availability of those resources.
958 This is particularly important for long-running programs, but is an essential piece of responsible programming behavior.
960 ##### Example, bad
962     void f(char* name)
963     {
964         FILE* input = fopen(name, "r");
965         // ...
966         if (something) return;   // bad: if something == true, a file handle is leaked
967         // ...
968         fclose(input);
969     }
971 Prefer [RAII](#Rr-raii):
973     void f(char* name)
974     {
975         ifstream input {name};
976         // ...
977         if (something) return;   // OK: no leak
978         // ...
979     }
981 **See also**: [The resource management section](#S-resource)
983 ##### Note
985 A leak is colloquially "anything that isn't cleaned up."
986 The more important classification is "anything that can no longer be cleaned up."
987 For example, allocating an object on the heap and then losing the last pointer that points to that allocation.
988 This rule should not be taken as requiring that allocations within long-lived objects must be returned during program shutdown.
989 For example, relying on system guaranteed cleanup such as file closing and memory deallocation upon process shutdown can simplify code.
990 However, relying on abstractions that implicitly clean up can be as simple, and often safer.
992 ##### Note
994 Enforcing [the lifetime safety profile](#SS-lifetime) eliminates leaks.
995 When combined with resource safety provided by [RAII](#Rr-raii), it eliminates the need for "garbage collection" (by generating no garbage).
996 Combine this with enforcement of [the type and bounds profiles](#SS-force) and you get complete type- and resource-safety, guaranteed by tools.
998 ##### Enforcement
1000 * Look at pointers: Classify them into non-owners (the default) and owners.
1001   Where feasible, replace owners with standard-library resource handles (as in the example above).
1002   Alternatively, mark an owner as such using `owner` from [the GSL](#S-gsl).
1003 * Look for naked `new` and `delete`
1004 * Look for known resource allocating functions returning raw pointers (such as `fopen`, `malloc`, and `strdup`)
1006 ### <a name="Rp-waste"></a>P.9: Don't waste time or space
1008 ##### Reason
1010 This is C++.
1012 ##### Note
1014 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.
1015 "Another benefit of striving for efficiency is that the process forces you to understand the problem in more depth." - Alex Stepanov
1017 ##### Example, bad
1019     struct X {
1020         char ch;
1021         int i;
1022         string s;
1023         char ch2;
1025         X& operator=(const X& a);
1026         X(const X&);
1027     };
1029     X waste(const char* p)
1030     {
1031         if (!p) throw Nullptr_error{};
1032         int n = strlen(p);
1033         auto buf = new char[n];
1034         if (!buf) throw Allocation_error{};
1035         for (int i = 0; i < n; ++i) buf[i] = p[i];
1036         // ... manipulate buffer ...
1037         X x;
1038         x.ch = 'a';
1039         x.s = string(n);    // give x.s space for *p
1040         for (gsl::index i = 0; i < x.s.size(); ++i) x.s[i] = buf[i];  // copy buf into x.s
1041         delete[] buf;
1042         return x;
1043     }
1045     void driver()
1046     {
1047         X x = waste("Typical argument");
1048         // ...
1049     }
1051 Yes, this is a caricature, but we have seen every individual mistake in production code, and worse.
1052 Note that the layout of `X` guarantees that at least 6 bytes (and most likely more) are wasted.
1053 The spurious definition of copy operations disables move semantics so that the return operation is slow
1054 (please note that the Return Value Optimization, RVO, is not guaranteed here).
1055 The use of `new` and `delete` for `buf` is redundant; if we really needed a local string, we should use a local `string`.
1056 There are several more performance bugs and gratuitous complication.
1058 ##### Example, bad
1060     void lower(zstring s)
1061     {
1062         for (int i = 0; i < strlen(s); ++i) s[i] = tolower(s[i]);
1063     }
1065 This is actually an example from production code.
1066 We can see that in our condition we have `i < strlen(s)`. This expression will be evaluated on every iteration of the loop, which means that `strlen` must walk through string every loop to discover its length. While the string contents are changing, it's assumed that `toLower` will not affect the length of the string, so it's better to cache the length outside the loop and not incur that cost each iteration.
1068 ##### Note
1070 An individual example of waste is rarely significant, and where it is significant, it is typically easily eliminated by an expert.
1071 However, waste spread liberally across a code base can easily be significant and experts are not always as available as we would like.
1072 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.
1073 After that, we can look at waste related to algorithms and requirements, but that is beyond the scope of these guidelines.
1075 ##### Enforcement
1077 Many more specific rules aim at the overall goals of simplicity and elimination of gratuitous waste.
1079 * Flag an unused return value from a user-defined non-defaulted postfix `operator++` or `operator--` function. Prefer using the prefix form instead. (Note: "User-defined non-defaulted" is intended to reduce noise. Review this enforcement if it's still too noisy in practice.)
1082 ### <a name="Rp-mutable"></a>P.10: Prefer immutable data to mutable data
1084 ##### Reason
1086 It is easier to reason about constants than about variables.
1087 Something immutable cannot change unexpectedly.
1088 Sometimes immutability enables better optimization.
1089 You can't have a data race on a constant.
1091 See [Con: Constants and immutability](#S-const)
1093 ### <a name="Rp-library"></a>P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code
1095 ##### Reason
1097 Messy code is more likely to hide bugs and harder to write.
1098 A good interface is easier and safer to use.
1099 Messy, low-level code breeds more such code.
1101 ##### Example
1103     int sz = 100;
1104     int* p = (int*) malloc(sizeof(int) * sz);
1105     int count = 0;
1106     // ...
1107     for (;;) {
1108         // ... read an int into x, exit loop if end of file is reached ...
1109         // ... check that x is valid ...
1110         if (count == sz)
1111             p = (int*) realloc(p, sizeof(int) * sz * 2);
1112         p[count++] = x;
1113         // ...
1114     }
1116 This is low-level, verbose, and error-prone.
1117 For example, we "forgot" to test for memory exhaustion.
1118 Instead, we could use `vector`:
1120     vector<int> v;
1121     v.reserve(100);
1122     // ...
1123     for (int x; cin >> x; ) {
1124         // ... check that x is valid ...
1125         v.push_back(x);
1126     }
1128 ##### Note
1130 The standards library and the GSL are examples of this philosophy.
1131 For example, instead of messing with the arrays, unions, cast, tricky lifetime issues, `gsl::owner`, etc.,
1132 that are needed to implement key abstractions, such as `vector`, `span`, `lock_guard`, and `future`, we use the libraries
1133 designed and implemented by people with more time and expertise than we usually have.
1134 Similarly, we can and should design and implement more specialized libraries, rather than leaving the users (often ourselves)
1135 with the challenge of repeatedly getting low-level code well.
1136 This is a variant of the [subset of superset principle](#R0) that underlies these guidelines.
1138 ##### Enforcement
1140 * Look for "messy code" such as complex pointer manipulation and casting outside the implementation of abstractions.
1143 ### <a name="Rp-tools"></a>P.12: Use supporting tools as appropriate
1145 ##### Reason
1147 There are many things that are done better "by machine".
1148 Computers don't tire or get bored by repetitive tasks.
1149 We typically have better things to do than repeatedly do routine tasks.
1151 ##### Example
1153 Run a static analyzer to verify that your code follows the guidelines you want it to follow.
1155 ##### Note
1159 * [Static analysis tools](???)
1160 * [Concurrency tools](#Rconc-tools)
1161 * [Testing tools](???)
1163 There are many other kinds of tools, such as source code repositories, build tools, etc.,
1164 but those are beyond the scope of these guidelines.
1166 ##### Note
1168 Be careful not to become dependent on over-elaborate or over-specialized tool chains.
1169 Those can make your otherwise portable code non-portable.
1172 ### <a name="Rp-lib"></a>P.13: Use support libraries as appropriate
1174 ##### Reason
1176 Using a well-designed, well-documented, and well-supported library saves time and effort;
1177 its quality and documentation are likely to be greater than what you could do
1178 if the majority of your time must be spent on an implementation.
1179 The cost (time, effort, money, etc.) of a library can be shared over many users.
1180 A widely used library is more likely to be kept up-to-date and ported to new systems than an individual application.
1181 Knowledge of a widely-used library can save time on other/future projects.
1182 So, if a suitable library exists for your application domain, use it.
1184 ##### Example
1186     std::sort(begin(v), end(v), std::greater<>());
1188 Unless you are an expert in sorting algorithms and have plenty of time,
1189 this is more likely to be correct and to run faster than anything you write for a specific application.
1190 You need a reason not to use the standard library (or whatever foundational libraries your application uses) rather than a reason to use it.
1192 ##### Note
1194 By default use
1196 * The [ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
1197 * The [Guidelines Support Library](#S-gsl)
1199 ##### Note
1201 If no well-designed, well-documented, and well-supported library exists for an important domain,
1202 maybe you should design and implement it, and then use it.
1205 # <a name="S-interfaces"></a>I: Interfaces
1207 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.
1208 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.
1210 Interface rule summary:
1212 * [I.1: Make interfaces explicit](#Ri-explicit)
1213 * [I.2: Avoid non-`const` global variables](#Ri-global)
1214 * [I.3: Avoid singletons](#Ri-singleton)
1215 * [I.4: Make interfaces precisely and strongly typed](#Ri-typed)
1216 * [I.5: State preconditions (if any)](#Ri-pre)
1217 * [I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions](#Ri-expects)
1218 * [I.7: State postconditions](#Ri-post)
1219 * [I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions](#Ri-ensures)
1220 * [I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts](#Ri-concepts)
1221 * [I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task](#Ri-except)
1222 * [I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)](#Ri-raw)
1223 * [I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`](#Ri-nullptr)
1224 * [I.13: Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
1225 * [I.22: Avoid complex initialization of global objects](#Ri-global-init)
1226 * [I.23: Keep the number of function arguments low](#Ri-nargs)
1227 * [I.24: Avoid adjacent parameters of the same type when changing the argument order would change meaning](#Ri-unrelated)
1228 * [I.25: Prefer abstract classes as interfaces to class hierarchies](#Ri-abstract)
1229 * [I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset](#Ri-abi)
1230 * [I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom](#Ri-pimpl)
1231 * [I.30: Encapsulate rule violations](#Ri-encapsulate)
1233 **See also**:
1235 * [F: Functions](#S-functions)
1236 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
1237 * [C.hier: Class hierarchies](#SS-hier)
1238 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
1239 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
1240 * [E: Error handling](#S-errors)
1241 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
1243 ### <a name="Ri-explicit"></a>I.1: Make interfaces explicit
1245 ##### Reason
1247 Correctness. Assumptions not stated in an interface are easily overlooked and hard to test.
1249 ##### Example, bad
1251 Controlling the behavior of a function through a global (namespace scope) variable (a call mode) is implicit and potentially confusing. For example:
1253     int round(double d)
1254     {
1255         return (round_up) ? ceil(d) : d;    // don't: "invisible" dependency
1256     }
1258 It will not be obvious to a caller that the meaning of two calls of `round(7.2)` might give different results.
1260 ##### Exception
1262 Sometimes we control the details of a set of operations by an environment variable, e.g., normal vs. verbose output or debug vs. optimized.
1263 The use of a non-local control is potentially confusing, but controls only implementation details of otherwise fixed semantics.
1265 ##### Example, bad
1267 Reporting through non-local variables (e.g., `errno`) is easily ignored. For example:
1269     // don't: no test of printf's return value
1270     fprintf(connection, "logging: %d %d %d\n", x, y, s);
1272 What if the connection goes down so that no logging output is produced? See I.???.
1274 **Alternative**: Throw an exception. An exception cannot be ignored.
1276 **Alternative formulation**: Avoid passing information across an interface through non-local or implicit state.
1277 Note that non-`const` member functions pass information to other member functions through their object's state.
1279 **Alternative formulation**: An interface should be a function or a set of functions.
1280 Functions can be function templates and sets of functions can be classes or class templates.
1282 ##### Enforcement
1284 * (Simple) A function should not make control-flow decisions based on the values of variables declared at namespace scope.
1285 * (Simple) A function should not write to variables declared at namespace scope.
1287 ### <a name="Ri-global"></a>I.2: Avoid non-`const` global variables
1289 ##### Reason
1291 Non-`const` global variables hide dependencies and make the dependencies subject to unpredictable changes.
1293 ##### Example
1295     struct Data {
1296         // ... lots of stuff ...
1297     } data;            // non-const data
1299     void compute()     // don't
1300     {
1301         // ... use data ...
1302     }
1304     void output()     // don't
1305     {
1306         // ... use data ...
1307     }
1309 Who else might modify `data`?
1311 **Warning**: The initialization of global objects is not totally ordered.
1312 If you use a global object initialize it with a constant.
1313 Note that it is possible to get undefined initialization order even for `const` objects.
1315 ##### Exception
1317 A global object is often better than a singleton.
1319 ##### Note
1321 Global constants are useful.
1323 ##### Note
1325 The rule against global variables applies to namespace scope variables as well.
1327 **Alternative**: If you use global (more generally namespace scope) data to avoid copying, consider passing the data as an object by reference to `const`.
1328 Another solution is to define the data as the state of some object and the operations as member functions.
1330 **Warning**: Beware of data races: If one thread can access non-local data (or data passed by reference) while another thread executes the callee, we can have a data race.
1331 Every pointer or reference to mutable data is a potential data race.
1333 Using global pointers or references to access and change non-const, and otherwise non-global,
1334 data isn't a better alternative to non-const global variables since that doesn't solve the issues of hidden dependencies or potential race conditions.
1336 ##### Note
1338 You cannot have a race condition on immutable data.
1340 **References**: See the [rules for calling functions](#SS-call).
1342 ##### Note
1344 The rule is "avoid", not "don't use." Of course there will be (rare) exceptions, such as `cin`, `cout`, and `cerr`.
1346 ##### Enforcement
1348 (Simple) Report all non-`const` variables declared at namespace scope and global pointers/references to non-const data.
1351 ### <a name="Ri-singleton"></a>I.3: Avoid singletons
1353 ##### Reason
1355 Singletons are basically complicated global objects in disguise.
1357 ##### Example
1359     class Singleton {
1360         // ... lots of stuff to ensure that only one Singleton object is created,
1361         // that it is initialized properly, etc.
1362     };
1364 There are many variants of the singleton idea.
1365 That's part of the problem.
1367 ##### Note
1369 If you don't want a global object to change, declare it `const` or `constexpr`.
1371 ##### Exception
1373 You can use the simplest "singleton" (so simple that it is often not considered a singleton) to get initialization on first use, if any:
1375     X& myX()
1376     {
1377         static X my_x {3};
1378         return my_x;
1379     }
1381 This is one of the most effective solutions to problems related to initialization order.
1382 In a multi-threaded environment, the initialization of the static object does not introduce a race condition
1383 (unless you carelessly access a shared object from within its constructor).
1385 Note that the initialization of a local `static` does not imply a race condition.
1386 However, if the destruction of `X` involves an operation that needs to be synchronized we must use a less simple solution.
1387 For example:
1389     X& myX()
1390     {
1391         static auto p = new X {3};
1392         return *p;  // potential leak
1393     }
1395 Now someone must `delete` that object in some suitably thread-safe way.
1396 That's error-prone, so we don't use that technique unless
1398 * `myX` is in multi-threaded code,
1399 * that `X` object needs to be destroyed (e.g., because it releases a resource), and
1400 * `X`'s destructor's code needs to be synchronized.
1402 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.
1404 ##### Enforcement
1406 Very hard in general.
1408 * Look for classes with names that include `singleton`.
1409 * Look for classes for which only a single object is created (by counting objects or by examining constructors).
1410 * 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.
1412 ### <a name="Ri-typed"></a>I.4: Make interfaces precisely and strongly typed
1414 ##### Reason
1416 Types are the simplest and best documentation, improve legibility due to their well-defined meaning, and are checked at compile time.
1417 Also, precisely typed code is often optimized better.
1419 ##### Example, don't
1421 Consider:
1423     void pass(void* data);    // weak and under qualified type void* is suspicious
1425 Callers are unsure what types are allowed and if the data may
1426 be mutated as `const` is not specified. Note all pointer types
1427 implicitly convert to void*, so it is easy for callers to provide this value.
1429 The callee must `static_cast` data to an unverified type to use it.
1430 That is error-prone and verbose.
1432 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.
1434 **Alternative**: Often, a template parameter can eliminate the `void*` turning it into a `T*` or `T&`.
1435 For generic code these `T`s can be general or concept constrained template parameters.
1437 ##### Example, bad
1439 Consider:
1441     draw_rect(100, 200, 100, 500); // what do the numbers specify?
1443     draw_rect(p.x, p.y, 10, 20); // what units are 10 and 20 in?
1445 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?
1447 Comments and parameter names can help, but we could be explicit:
1449     void draw_rectangle(Point top_left, Point bottom_right);
1450     void draw_rectangle(Point top_left, Size height_width);
1452     draw_rectangle(p, Point{10, 20});  // two corners
1453     draw_rectangle(p, Size{10, 20});   // one corner and a (height, width) pair
1455 Obviously, we cannot catch all errors through the static type system
1456 (e.g., the fact that a first argument is supposed to be a top-left point is left to convention (naming and comments)).
1458 ##### Example, bad
1460 Consider:
1462     set_settings(true, false, 42); // what do the numbers specify?
1464 The parameter types and their values do not communicate what settings are being specified or what those values mean.
1466 This design is more explicit, safe and legible:
1468     alarm_settings s{};
1469     s.enabled = true;
1470     s.displayMode = alarm_settings::mode::spinning_light;
1471     s.frequency = alarm_settings::every_10_seconds;
1472     set_settings(s);
1474 For the case of a set of boolean values consider using a flags enum; a pattern that expresses a set of boolean values.
1476     enable_lamp_options(lamp_option::on | lamp_option::animate_state_transitions);
1478 ##### Example, bad
1480 In the following example, it is not clear from the interface what `time_to_blink` means: Seconds? Milliseconds?
1482     void blink_led(int time_to_blink) // bad -- the unit is ambiguous
1483     {
1484         // ...
1485         // do something with time_to_blink
1486         // ...
1487     }
1489     void use()
1490     {
1491         blink_led(2);
1492     }
1494 ##### Example, good
1496 `std::chrono::duration` types helps making the unit of time duration explicit.
1498     void blink_led(milliseconds time_to_blink) // good -- the unit is explicit
1499     {
1500         // ...
1501         // do something with time_to_blink
1502         // ...
1503     }
1505     void use()
1506     {
1507         blink_led(1500ms);
1508     }
1510 The function can also be written in such a way that it will accept any time duration unit.
1512     template<class rep, class period>
1513     void blink_led(duration<rep, period> time_to_blink) // good -- accepts any unit
1514     {
1515         // assuming that millisecond is the smallest relevant unit
1516         auto milliseconds_to_blink = duration_cast<milliseconds>(time_to_blink);
1517         // ...
1518         // do something with milliseconds_to_blink
1519         // ...
1520     }
1522     void use()
1523     {
1524         blink_led(2s);
1525         blink_led(1500ms);
1526     }
1528 ##### Enforcement
1530 * (Simple) Report the use of `void*` as a parameter or return type.
1531 * (Simple) Report the use of more than one `bool` parameter.
1532 * (Hard to do well) Look for functions that use too many primitive type arguments.
1534 ### <a name="Ri-pre"></a>I.5: State preconditions (if any)
1536 ##### Reason
1538 Arguments have meaning that might constrain their proper use in the callee.
1540 ##### Example
1542 Consider:
1544     double sqrt(double x);
1546 Here `x` must be non-negative. The type system cannot (easily and naturally) express that, so we must use other means. For example:
1548     double sqrt(double x); // x must be non-negative
1550 Some preconditions can be expressed as assertions. For example:
1552     double sqrt(double x) { Expects(x >= 0); /* ... */ }
1554 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).
1556 **References**: `Expects()` is described in [GSL](#S-gsl).
1558 ##### Note
1560 Prefer a formal specification of requirements, such as `Expects(p);`.
1561 If that is infeasible, use English text in comments, such as `// the sequence [p:q) is ordered using <`.
1563 ##### Note
1565 Most member functions have as a precondition that some class invariant holds.
1566 That invariant is established by a constructor and must be reestablished upon exit by every member function called from outside the class.
1567 We don't need to mention it for each member function.
1569 ##### Enforcement
1571 (Not enforceable)
1573 **See also**: The rules for passing pointers. ???
1575 ### <a name="Ri-expects"></a>I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions
1577 ##### Reason
1579 To make it clear that the condition is a precondition and to enable tool use.
1581 ##### Example
1583     int area(int height, int width)
1584     {
1585         Expects(height > 0 && width > 0);            // good
1586         if (height <= 0 || width <= 0) my_error();   // obscure
1587         // ...
1588     }
1590 ##### Note
1592 Preconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1593 This can make them hard to distinguish from ordinary code, hard to update, hard to manipulate by tools, and might have the wrong semantics (do you always want to abort in debug mode and check nothing in productions runs?).
1595 ##### Note
1597 Preconditions should be part of the interface rather than part of the implementation,
1598 but we don't yet have the language facilities to do that.
1599 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.
1601 ##### Note
1603 `Expects()` can also be used to check a condition in the middle of an algorithm.
1605 ##### Note
1607 No, using `unsigned` is not a good way to sidestep the problem of [ensuring that a value is non-negative](#Res-nonnegative).
1609 ##### Enforcement
1611 (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.
1613 ### <a name="Ri-post"></a>I.7: State postconditions
1615 ##### Reason
1617 To detect misunderstandings about the result and possibly catch erroneous implementations.
1619 ##### Example, bad
1621 Consider:
1623     int area(int height, int width) { return height * width; }  // bad
1625 Here, we (incautiously) left out the precondition specification, so it is not explicit that height and width must be positive.
1626 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.
1627 Overflow can happen.
1628 Consider using:
1630     int area(int height, int width)
1631     {
1632         auto res = height * width;
1633         Ensures(res > 0);
1634         return res;
1635     }
1637 ##### Example, bad
1639 Consider a famous security bug:
1641     void f()    // problematic
1642     {
1643         char buffer[MAX];
1644         // ...
1645         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1646     }
1648 There was no postcondition stating that the buffer should be cleared and the optimizer eliminated the apparently redundant `memset()` call:
1650     void f()    // better
1651     {
1652         char buffer[MAX];
1653         // ...
1654         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1655         Ensures(buffer[0] == 0);
1656     }
1658 ##### Note
1660 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.
1662 ##### Note
1664 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.
1666 ##### Example
1668 Consider a function that manipulates a `Record`, using a `mutex` to avoid race conditions:
1670     mutex m;
1672     void manipulate(Record& r)    // don't
1673     {
1674         m.lock();
1675         // ... no m.unlock() ...
1676     }
1678 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.
1679 Stating the postcondition would have made it clear:
1681     void manipulate(Record& r)    // postcondition: m is unlocked upon exit
1682     {
1683         m.lock();
1684         // ... no m.unlock() ...
1685     }
1687 The bug is now obvious (but only to a human reading comments).
1689 Better still, use [RAII](#Rr-raii) to ensure that the postcondition ("the lock must be released") is enforced in code:
1691     void manipulate(Record& r)    // best
1692     {
1693         lock_guard<mutex> _ {m};
1694         // ...
1695     }
1697 ##### Note
1699 Ideally, postconditions are stated in the interface/declaration so that users can easily see them.
1700 Only postconditions related to the users can be stated in the interface.
1701 Postconditions related only to internal state belongs in the definition/implementation.
1703 ##### Enforcement
1705 (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check
1706 directly in the general case. Domain specific checkers (like lock-holding
1707 checkers) exist for many toolchains.
1709 ### <a name="Ri-ensures"></a>I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions
1711 ##### Reason
1713 To make it clear that the condition is a postcondition and to enable tool use.
1715 ##### Example
1717     void f()
1718     {
1719         char buffer[MAX];
1720         // ...
1721         memset(buffer, 0, MAX);
1722         Ensures(buffer[0] == 0);
1723     }
1725 ##### Note
1727 Postconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1728 This can make them hard to distinguish from ordinary code, hard to update, hard to manipulate by tools, and might have the wrong semantics.
1730 **Alternative**: Postconditions of the form "this resource must be released" are best expressed by [RAII](#Rr-raii).
1732 ##### Note
1734 Ideally, that `Ensures` should be part of the interface, but that's not easily done.
1735 For now, we place it in the definition (function body).
1736 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.
1738 ##### Enforcement
1740 (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.
1742 ### <a name="Ri-concepts"></a>I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts
1744 ##### Reason
1746 Make the interface precisely specified and compile-time checkable in the (not so distant) future.
1748 ##### Example
1750 Use the C++20 style of requirements specification. For example:
1752     template<typename Iter, typename Val>
1753     // requires InputIterator<Iter> && EqualityComparable<ValueType<Iter>>, Val>
1754     Iter find(Iter first, Iter last, Val v)
1755     {
1756         // ...
1757     }
1759 ##### Note
1761 Soon (in C++20), all compilers will be able to check `requires` clauses once the `//` is removed.
1762 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
1764 **See also**: [Generic programming](#SS-GP) and [concepts](#SS-concepts).
1766 ##### Enforcement
1768 (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).
1770 ### <a name="Ri-except"></a>I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task
1772 ##### Reason
1774 It should not be possible to ignore an error because that could leave the system or a computation in an undefined (or unexpected) state.
1775 This is a major source of errors.
1777 ##### Example
1779     int printf(const char* ...);    // bad: return negative number if output fails
1781     template<class F, class ...Args>
1782     // good: throw system_error if unable to start the new thread
1783     explicit thread(F&& f, Args&&... args);
1785 ##### Note
1787 What is an error?
1789 An error means that the function cannot achieve its advertised purpose (including establishing postconditions).
1790 Calling code that ignores an error could lead to wrong results or undefined systems state.
1791 For example, not being able to connect to a remote server is not by itself an error:
1792 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.
1793 However, if failing to make a connection is considered an error, then a failure should throw an exception.
1795 ##### Exception
1797 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.
1799 ##### Alternative
1801 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:
1803     int val;
1804     int error_code;
1805     tie(val, error_code) = do_something();
1806     if (error_code) {
1807         // ... handle the error or exit ...
1808     }
1809     // ... use val ...
1811 This style unfortunately leads to uninitialized variables.
1812 Since C++17 the "structured bindings" feature can be used to initialize variables directly from the return value:
1814     auto [val, error_code] = do_something();
1815     if (error_code) {
1816         // ... handle the error or exit ...
1817     }
1818     // ... use val ...
1820 ##### Note
1822 We don't consider "performance" a valid reason not to use exceptions.
1824 * Often, explicit error checking and handling consume as much time and space as exception handling.
1825 * Often, cleaner code yields better performance with exceptions (simplifying the tracing of paths through the program and their optimization).
1826 * A good rule for performance critical code is to move checking outside the [critical](#Rper-critical) part of the code.
1827 * In the longer term, more regular code gets better optimized.
1828 * Always carefully [measure](#Rper-measure) before making performance claims.
1830 **See also**: [I.5](#Ri-pre) and [I.7](#Ri-post) for reporting precondition and postcondition violations.
1832 ##### Enforcement
1834 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
1835 * Look for `errno`.
1837 ### <a name="Ri-raw"></a>I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)
1839 ##### Reason
1841 If there is any doubt whether the caller or the callee owns an object, leaks or premature destruction will occur.
1843 ##### Example
1845 Consider:
1847     X* compute(args)    // don't
1848     {
1849         X* res = new X{};
1850         // ...
1851         return res;
1852     }
1854 Who deletes the returned `X`? The problem would be harder to spot if `compute` returned a reference.
1855 Consider returning the result by value (use move semantics if the result is large):
1857     vector<double> compute(args)  // good
1858     {
1859         vector<double> res(10000);
1860         // ...
1861         return res;
1862     }
1864 **Alternative**: [Pass ownership](#Rr-smartptrparam) using a "smart pointer", such as `unique_ptr` (for exclusive ownership) and `shared_ptr` (for shared ownership).
1865 However, that is less elegant and often less efficient than returning the object itself,
1866 so use smart pointers only if reference semantics are needed.
1868 **Alternative**: Sometimes older code can't be modified because of ABI compatibility requirements or lack of resources.
1869 In that case, mark owning pointers using `owner` from the [guidelines support library](#S-gsl):
1871     owner<X*> compute(args)    // It is now clear that ownership is transferred
1872     {
1873         owner<X*> res = new X{};
1874         // ...
1875         return res;
1876     }
1878 This tells analysis tools that `res` is an owner.
1879 That is, its value must be `delete`d or transferred to another owner, as is done here by the `return`.
1881 `owner` is used similarly in the implementation of resource handles.
1883 ##### Note
1885 Every object passed as a raw pointer (or iterator) is assumed to be owned by the
1886 caller, so that its lifetime is handled by the caller. Viewed another way:
1887 ownership transferring APIs are relatively rare compared to pointer-passing APIs,
1888 so the default is "no ownership transfer."
1890 **See also**: [Argument passing](#Rf-conventional), [use of smart pointer arguments](#Rr-smartptrparam), and [value return](#Rf-value-return).
1892 ##### Enforcement
1894 * (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>`.
1895 * (Simple) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner` pointer on every code path.
1896 * (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.
1898 ### <a name="Ri-nullptr"></a>I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`
1900 ##### Reason
1902 To help avoid dereferencing `nullptr` errors.
1903 To improve performance by avoiding redundant checks for `nullptr`.
1905 ##### Example
1907     int length(const char* p);            // it is not clear whether length(nullptr) is valid
1909     length(nullptr);                      // OK?
1911     int length(not_null<const char*> p);  // better: we can assume that p cannot be nullptr
1913     int length(const char* p);            // we must assume that p can be nullptr
1915 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.
1917 ##### Note
1919 `not_null` is defined in the [guidelines support library](#S-gsl).
1921 ##### Note
1923 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*`.
1925     // we can assume that p cannot be nullptr
1926     // we can assume that p points to a zero-terminated array of characters
1927     int length(not_null<zstring> p);
1929 Note: `length()` is, of course, `std::strlen()` in disguise.
1931 ##### Enforcement
1933 * (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`.
1934 * (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`.
1936 ### <a name="Ri-array"></a>I.13: Do not pass an array as a single pointer
1938 ##### Reason
1940  (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.
1942 ##### Example
1944 Consider:
1946     void copy_n(const T* p, T* q, int n); // copy from [p:p+n) to [q:q+n)
1948 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `q`? Then, we overwrite some probably unrelated memory.
1949 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `p`? Then, we read some probably unrelated memory.
1950 Either is undefined behavior and a potentially very nasty bug.
1952 ##### Alternative
1954 Consider using explicit spans:
1956     void copy(span<const T> r, span<T> r2); // copy r to r2
1958 ##### Example, bad
1960 Consider:
1962     void draw(Shape* p, int n);  // poor interface; poor code
1963     Circle arr[10];
1964     // ...
1965     draw(arr, 10);
1967 Passing `10` as the `n` argument might 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.
1969 **Alternative**: Use a support class that ensures that the number of elements is correct and prevents dangerous implicit conversions. For example:
1971     void draw2(span<Circle>);
1972     Circle arr[10];
1973     // ...
1974     draw2(span<Circle>(arr));  // deduce the number of elements
1975     draw2(arr);    // deduce the element type and array size
1977     void draw3(span<Shape>);
1978     draw3(arr);    // error: cannot convert Circle[10] to span<Shape>
1980 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 ???.
1982 ##### Exception
1984 Use `zstring` and `czstring` to represent C-style, zero-terminated strings.
1985 But when doing so, use `std::string_view` or `span<char>` from the [GSL](#S-gsl) to prevent range errors.
1987 ##### Enforcement
1989 * (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.
1990 * (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.
1992 ### <a name="Ri-global-init"></a>I.22: Avoid complex initialization of global objects
1994 ##### Reason
1996 Complex initialization can lead to undefined order of execution.
1998 ##### Example
2000     // file1.c
2002     extern const X x;
2004     const Y y = f(x);   // read x; write y
2006     // file2.c
2008     extern const Y y;
2010     const X x = g(y);   // read y; write x
2012 Since `x` and `y` are in different translation units the order of calls to `f()` and `g()` is undefined;
2013 one will access an uninitialized `const`.
2014 This shows that the order-of-initialization problem for global (namespace scope) objects is not limited to global *variables*.
2016 ##### Note
2018 Order of initialization problems become particularly difficult to handle in concurrent code.
2019 It is usually best to avoid global (namespace scope) objects altogether.
2021 ##### Enforcement
2023 * Flag initializers of globals that call non-`constexpr` functions
2024 * Flag initializers of globals that access `extern` objects
2026 ### <a name="Ri-nargs"></a>I.23: Keep the number of function arguments low
2028 ##### Reason
2030 Having many arguments opens opportunities for confusion. Passing lots of arguments is often costly compared to alternatives.
2032 ##### Discussion
2034 The two most common reasons why functions have too many parameters are:
2036 1. *Missing an abstraction.*
2037    There is an abstraction missing, so that a compound value is being
2038    passed as individual elements instead of as a single object that enforces an invariant.
2039    This not only expands the parameter list, but it leads to errors because the component values
2040    are no longer protected by an enforced invariant.
2042 2. *Violating "one function, one responsibility."*
2043    The function is trying to do more than one job and should probably be refactored.
2045 ##### Example
2047 The standard-library `merge()` is at the limit of what we can comfortably handle:
2049     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator, class Compare>
2050     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2051                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2052                          OutputIterator result, Compare comp);
2054 Note that this is because of problem 1 above -- missing abstraction. Instead of passing a range (abstraction), STL passed iterator pairs (unencapsulated component values).
2056 Here, we have four template arguments and six function arguments.
2057 To simplify the most frequent and simplest uses, the comparison argument can be defaulted to `<`:
2059     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator>
2060     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2061                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2062                          OutputIterator result);
2064 This doesn't reduce the total complexity, but it reduces the surface complexity presented to many users.
2065 To really reduce the number of arguments, we need to bundle the arguments into higher-level abstractions:
2067     template<class InputRange1, class InputRange2, class OutputIterator>
2068     OutputIterator merge(InputRange1 r1, InputRange2 r2, OutputIterator result);
2070 Grouping arguments into "bundles" is a general technique to reduce the number of arguments and to increase the opportunities for checking.
2072 Alternatively, we could use concepts (as defined by the ISO TS) to define the notion of three types that must be usable for merging:
2074     Mergeable{In1, In2, Out}
2075     OutputIterator merge(In1 r1, In2 r2, Out result);
2077 ##### Example
2079 The safety Profiles recommend replacing
2081     void f(int* some_ints, int some_ints_length);  // BAD: C style, unsafe
2083 with
2085     void f(gsl::span<int> some_ints);              // GOOD: safe, bounds-checked
2087 Here, using an abstraction has safety and robustness benefits, and naturally also reduces the number of parameters.
2089 ##### Note
2091 How many parameters are too many? Try to use fewer than four (4) parameters.
2092 There are functions that are best expressed with four individual parameters, but not many.
2094 **Alternative**: Use better abstraction: Group arguments into meaningful objects and pass the objects (by value or by reference).
2096 **Alternative**: Use default arguments or overloads to allow the most common forms of calls to be done with fewer arguments.
2098 ##### Enforcement
2100 * Warn when a function declares two iterators (including pointers) of the same type instead of a range or a view.
2101 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
2103 ### <a name="Ri-unrelated"></a>I.24: Avoid adjacent parameters of the same type when changing the argument order would change meaning
2105 ##### Reason
2107 Adjacent arguments of the same type are easily swapped by mistake.
2109 ##### Example, bad
2111 Consider:
2113     void copy_n(T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2115 This is a nasty variant of a K&R C-style interface. It is easy to reverse the "to" and "from" arguments.
2117 Use `const` for the "from" argument:
2119     void copy_n(const T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2121 ##### Exception
2123 If the order of the parameters is not important, there is no problem:
2125     int max(int a, int b);
2127 ##### Alternative
2129 Don't pass arrays as pointers, pass an object representing a range (e.g., a `span`):
2131     void copy_n(span<const T> p, span<T> q);  // copy from p to q
2133 ##### Alternative
2135 Define a `struct` as the parameter type and name the fields for those parameters accordingly:
2137     struct SystemParams {
2138         string config_file;
2139         string output_path;
2140         seconds timeout;
2141     };
2142     void initialize(SystemParams p);
2144 This tends to make invocations of this clear to future readers, as the parameters
2145 are often filled in by name at the call site.
2147 ##### Enforcement
2149 (Simple) Warn if two consecutive parameters share the same type.
2151 ### <a name="Ri-abstract"></a>I.25: Prefer abstract classes as interfaces to class hierarchies
2153 ##### Reason
2155 Abstract classes are more likely to be stable than base classes with state.
2157 ##### Example, bad
2159 You just knew that `Shape` would turn up somewhere :-)
2161     class Shape {  // bad: interface class loaded with data
2162     public:
2163         Point center() const { return c; }
2164         virtual void draw() const;
2165         virtual void rotate(int);
2166         // ...
2167     private:
2168         Point c;
2169         vector<Point> outline;
2170         Color col;
2171     };
2173 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:
2175     class Shape {    // better: Shape is a pure interface
2176     public:
2177         virtual Point center() const = 0;   // pure virtual functions
2178         virtual void draw() const = 0;
2179         virtual void rotate(int) = 0;
2180         // ...
2181         // ... no data members ...
2182         // ...
2183         virtual ~Shape() = default;
2184     };
2186 ##### Enforcement
2188 (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.
2190 ### <a name="Ri-abi"></a>I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset
2192 ##### Reason
2194 Different compilers implement different binary layouts for classes, exception handling, function names, and other implementation details.
2196 ##### Exception
2198 Common ABIs are emerging on some platforms freeing you from the more draconian restrictions.
2200 ##### Note
2202 If you use a single compiler, you can use full C++ in interfaces. That might require recompilation after an upgrade to a new compiler version.
2204 ##### Enforcement
2206 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2208 ### <a name="Ri-pimpl"></a>I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom
2210 ##### Reason
2212 Because private data members participate in class layout and private member functions participate in overload resolution, changes to those
2213 implementation details require recompilation of all users of a class that uses them. A non-polymorphic interface class holding a pointer to
2214 implementation (Pimpl) can isolate the users of a class from changes in its implementation at the cost of an indirection.
2216 ##### Example
2218 interface (widget.h)
2220     class widget {
2221         class impl;
2222         std::unique_ptr<impl> pimpl;
2223     public:
2224         void draw(); // public API that will be forwarded to the implementation
2225         widget(int); // defined in the implementation file
2226         ~widget();   // defined in the implementation file, where impl is a complete type
2227         widget(widget&&); // defined in the implementation file
2228         widget(const widget&) = delete;
2229         widget& operator=(widget&&); // defined in the implementation file
2230         widget& operator=(const widget&) = delete;
2231     };
2234 implementation (widget.cpp)
2236     class widget::impl {
2237         int n; // private data
2238     public:
2239         void draw(const widget& w) { /* ... */ }
2240         impl(int n) : n(n) {}
2241     };
2242     void widget::draw() { pimpl->draw(*this); }
2243     widget::widget(int n) : pimpl{std::make_unique<impl>(n)} {}
2244     widget::widget(widget&&) = default;
2245     widget::~widget() = default;
2246     widget& widget::operator=(widget&&) = default;
2248 ##### Notes
2250 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.
2252 ##### Enforcement
2254 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2256 ### <a name="Ri-encapsulate"></a>I.30: Encapsulate rule violations
2258 ##### Reason
2260 To keep code simple and safe.
2261 Sometimes, ugly, unsafe, or error-prone techniques are necessary for logical or performance reasons.
2262 If so, keep them local, rather than "infecting" interfaces so that larger groups of programmers have to be aware of the
2263 subtleties.
2264 Implementation complexity should, if at all possible, not leak through interfaces into user code.
2266 ##### Example
2268 Consider a program that, depending on some form of input (e.g., arguments to `main`), should consume input
2269 from a file, from the command line, or from standard input.
2270 We might write
2272     bool owned;
2273     owner<istream*> inp;
2274     switch (source) {
2275     case std_in:        owned = false; inp = &cin;                       break;
2276     case command_line:  owned = true;  inp = new istringstream{argv[2]}; break;
2277     case file:          owned = true;  inp = new ifstream{argv[2]};      break;
2278     }
2279     istream& in = *inp;
2281 This violated the rule [against uninitialized variables](#Res-always),
2282 the rule against [ignoring ownership](#Ri-raw),
2283 and the rule [against magic constants](#Res-magic).
2284 In particular, someone has to remember to somewhere write
2286     if (owned) delete inp;
2288 We could handle this particular example by using `unique_ptr` with a special deleter that does nothing for `cin`,
2289 but that's complicated for novices (who can easily encounter this problem) and the example is an example of a more general
2290 problem where a property that we would like to consider static (here, ownership) needs infrequently be addressed
2291 at run time.
2292 The common, most frequent, and safest examples can be handled statically, so we don't want to add cost and complexity to those.
2293 But we must also cope with the uncommon, less-safe, and necessarily more expensive cases.
2294 Such examples are discussed in [[Str15]](http://www.stroustrup.com/resource-model.pdf).
2296 So, we write a class
2298     class Istream { [[gsl::suppress(lifetime)]]
2299     public:
2300         enum Opt { from_line = 1 };
2301         Istream() { }
2302         Istream(zstring p) : owned{true}, inp{new ifstream{p}} {}            // read from file
2303         Istream(zstring p, Opt) : owned{true}, inp{new istringstream{p}} {}  // read from command line
2304         ~Istream() { if (owned) delete inp; }
2305         operator istream&() { return *inp; }
2306     private:
2307         bool owned = false;
2308         istream* inp = &cin;
2309     };
2311 Now, the dynamic nature of `istream` ownership has been encapsulated.
2312 Presumably, a bit of checking for potential errors would be added in real code.
2314 ##### Enforcement
2316 * Hard, it is hard to decide what rule-breaking code is essential
2317 * Flag rule suppression that enable rule-violations to cross interfaces
2319 # <a name="S-functions"></a>F: Functions
2321 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.
2323 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.
2324 Functions are the most critical part in most interfaces, so see the interface rules.
2326 Function rule summary:
2328 Function definition rules:
2330 * [F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions](#Rf-package)
2331 * [F.2: A function should perform a single logical operation](#Rf-logical)
2332 * [F.3: Keep functions short and simple](#Rf-single)
2333 * [F.4: If a function might have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`](#Rf-constexpr)
2334 * [F.5: If a function is very small and time-critical, declare it inline](#Rf-inline)
2335 * [F.6: If your function might not throw, declare it `noexcept`](#Rf-noexcept)
2336 * [F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers](#Rf-smart)
2337 * [F.8: Prefer pure functions](#Rf-pure)
2338 * [F.9: Unused parameters should be unnamed](#Rf-unused)
2340 Parameter passing expression rules:
2342 * [F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information](#Rf-conventional)
2343 * [F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`](#Rf-in)
2344 * [F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`](#Rf-inout)
2345 * [F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter](#Rf-consume)
2346 * [F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter](#Rf-forward)
2347 * [F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters](#Rf-out)
2348 * [F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple](#Rf-out-multi)
2349 * [F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option](#Rf-ptr-ref)
2351 Parameter passing semantic rules:
2353 * [F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object](#Rf-ptr)
2354 * [F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value](#Rf-nullptr)
2355 * [F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence](#Rf-range)
2356 * [F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string](#Rf-zstring)
2357 * [F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed](#Rf-unique_ptr)
2358 * [F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership](#Rf-shared_ptr)
2360 <a name="Rf-value-return"></a>Value return semantic rules:
2362 * [F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)](#Rf-return-ptr)
2363 * [F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object](#Rf-dangle)
2364 * [F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed](#Rf-return-ref)
2365 * [F.45: Don't return a `T&&`](#Rf-return-ref-ref)
2366 * [F.46: `int` is the return type for `main()`](#Rf-main)
2367 * [F.47: Return `T&` from assignment operators](#Rf-assignment-op)
2368 * [F.48: Don't `return std::move(local)`](#Rf-return-move-local)
2370 Other function rules:
2372 * [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)
2373 * [F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading](#Rf-default-args)
2374 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
2375 * [F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used non-locally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread](#Rf-value-capture)
2376 * [F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)](#Rf-this-capture)
2377 * [F.55: Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs)
2379 Functions have strong similarities to lambdas and function objects.
2381 **See also**: [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
2383 ## <a name="SS-fct-def"></a>F.def: Function definitions
2385 A function definition is a function declaration that also specifies the function's implementation, the function body.
2387 ### <a name="Rf-package"></a>F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions
2389 ##### Reason
2391 Factoring out common code makes code more readable, more likely to be reused, and limit errors from complex code.
2392 If something is a well-specified action, separate it out from its surrounding code and give it a name.
2394 ##### Example, don't
2396     void read_and_print(istream& is)    // read and print an int
2397     {
2398         int x;
2399         if (is >> x)
2400             cout << "the int is " << x << '\n';
2401         else
2402             cerr << "no int on input\n";
2403     }
2405 Almost everything is wrong with `read_and_print`.
2406 It reads, it writes (to a fixed `ostream`), it writes error messages (to a fixed `ostream`), it handles only `int`s.
2407 There is nothing to reuse, logically separate operations are intermingled and local variables are in scope after the end of their logical use.
2408 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
2409 mess could become hard to understand.
2411 ##### Note
2413 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.
2415 ##### Example
2417     sort(a, b, [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); });
2419 Naming that lambda breaks up the expression into its logical parts and provides a strong hint to the meaning of the lambda.
2421     auto lessT = [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); };
2423     sort(a, b, lessT);
2424     find_if(a, b, lessT);
2426 The shortest code is not always the best for performance or maintainability.
2428 ##### Exception
2430 Loop bodies, including lambdas used as loop bodies, rarely need to be named.
2431 However, large loop bodies (e.g., dozens of lines or dozens of pages) can be a problem.
2432 The rule [Keep functions short and simple](#Rf-single) implies "Keep loop bodies short."
2433 Similarly, lambdas used as callback arguments are sometimes non-trivial, yet unlikely to be reusable.
2435 ##### Enforcement
2437 * See [Keep functions short and simple](#Rf-single)
2438 * Flag identical and very similar lambdas used in different places.
2440 ### <a name="Rf-logical"></a>F.2: A function should perform a single logical operation
2442 ##### Reason
2444 A function that performs a single operation is simpler to understand, test, and reuse.
2446 ##### Example
2448 Consider:
2450     void read_and_print()    // bad
2451     {
2452         int x;
2453         cin >> x;
2454         // check for errors
2455         cout << x << "\n";
2456     }
2458 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:
2460     int read(istream& is)    // better
2461     {
2462         int x;
2463         is >> x;
2464         // check for errors
2465         return x;
2466     }
2468     void print(ostream& os, int x)
2469     {
2470         os << x << "\n";
2471     }
2473 These can now be combined where needed:
2475     void read_and_print()
2476     {
2477         auto x = read(cin);
2478         print(cout, x);
2479     }
2481 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:
2483     auto read = [](auto& input, auto& value)    // better
2484     {
2485         input >> value;
2486         // check for errors
2487     };
2489     auto print(auto& output, const auto& value)
2490     {
2491         output << value << "\n";
2492     }
2494 ##### Enforcement
2496 * Consider functions with more than one "out" parameter suspicious. Use return values instead, including `tuple` for multiple return values.
2497 * Consider "large" functions that don't fit on one editor screen suspicious. Consider factoring such a function into smaller well-named suboperations.
2498 * Consider functions with 7 or more parameters suspicious.
2500 ### <a name="Rf-single"></a>F.3: Keep functions short and simple
2502 ##### Reason
2504 Large functions are hard to read, more likely to contain complex code, and more likely to have variables in larger than minimal scopes.
2505 Functions with complex control structures are more likely to be long and more likely to hide logical errors
2507 ##### Example
2509 Consider:
2511     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2512         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2513         // given the two mode flags.
2514     {
2515         double intermediate;
2516         if (flag1 > 0) {
2517             intermediate = func1(val);
2518             if (flag2 % 2)
2519                  intermediate = sqrt(intermediate);
2520         }
2521         else if (flag1 == -1) {
2522             intermediate = func1(-val);
2523             if (flag2 % 2)
2524                  intermediate = sqrt(-intermediate);
2525             flag1 = -flag1;
2526         }
2527         if (abs(flag2) > 10) {
2528             intermediate = func2(intermediate);
2529         }
2530         switch (flag2 / 10) {
2531         case 1: if (flag1 == -1) return finalize(intermediate, 1.171);
2532                 break;
2533         case 2: return finalize(intermediate, 13.1);
2534         default: break;
2535         }
2536         return finalize(intermediate, 0.);
2537     }
2539 This is too complex.
2540 How would you know if all possible alternatives have been correctly handled?
2541 Yes, it breaks other rules also.
2543 We can refactor:
2545     double func1_muon(double val, int flag)
2546     {
2547         // ???
2548     }
2550     double func1_tau(double val, int flag1, int flag2)
2551     {
2552         // ???
2553     }
2555     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2556         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2557         // given the two mode flags.
2558     {
2559         if (flag1 > 0)
2560             return func1_muon(val, flag2);
2561         if (flag1 == -1)
2562             // handled by func1_tau: flag1 = -flag1;
2563             return func1_tau(-val, flag1, flag2);
2564         return 0.;
2565     }
2567 ##### Note
2569 "It doesn't fit on a screen" is often a good practical definition of "far too large."
2570 One-to-five-line functions should be considered normal.
2572 ##### Note
2574 Break large functions up into smaller cohesive and named functions.
2575 Small simple functions are easily inlined where the cost of a function call is significant.
2577 ##### Enforcement
2579 * Flag functions that do not "fit on a screen."
2580   How big is a screen? Try 60 lines by 140 characters; that's roughly the maximum that's comfortable for a book page.
2581 * Flag functions that are too complex. How complex is too complex?
2582   You could use cyclomatic complexity. Try "more than 10 logical path through." Count a simple switch as one path.
2584 ### <a name="Rf-constexpr"></a>F.4: If a function might have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`
2586 ##### Reason
2588  `constexpr` is needed to tell the compiler to allow compile-time evaluation.
2590 ##### Example
2592 The (in)famous factorial:
2594     constexpr int fac(int n)
2595     {
2596         constexpr int max_exp = 17;      // constexpr enables max_exp to be used in Expects
2597         Expects(0 <= n && n < max_exp);  // prevent silliness and overflow
2598         int x = 1;
2599         for (int i = 2; i <= n; ++i) x *= i;
2600         return x;
2601     }
2603 This is C++14.
2604 For C++11, use a recursive formulation of `fac()`.
2606 ##### Note
2608 `constexpr` does not guarantee compile-time evaluation;
2609 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.
2611     constexpr int min(int x, int y) { return x < y ? x : y; }
2613     void test(int v)
2614     {
2615         int m1 = min(-1, 2);            // probably compile-time evaluation
2616         constexpr int m2 = min(-1, 2);  // compile-time evaluation
2617         int m3 = min(-1, v);            // run-time evaluation
2618         constexpr int m4 = min(-1, v);  // error: cannot evaluate at compile time
2619     }
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 might 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 Function templates (including member functions of class templates `A<T>::function()` and member function templates `A::function<T>()`) 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 must 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 might need conditional `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 might be just the right thing to do;
2701 `terminate()` might 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 could 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 could 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.
2727 See also [C.44](#Rc-default00).
2729 ##### Enforcement
2731 * Flag functions that are not `noexcept`, yet cannot throw.
2732 * Flag throwing `swap`, `move`, destructors, and default constructors.
2734 ### <a name="Rf-smart"></a>F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers
2736 ##### Reason
2738 Passing a smart pointer transfers or shares ownership and should only be used when ownership semantics are intended.
2739 A function that does not manipulate lifetime should take raw pointers or references instead.
2741 Passing by smart pointer restricts the use of a function to callers that use smart pointers.
2742 A function that needs a `widget` should be able to accept any `widget` object, not just ones whose lifetimes are managed by a particular kind of smart pointer.
2744 Passing a shared smart pointer (e.g., `std::shared_ptr`) implies a run-time cost.
2746 ##### Example
2748     // accepts any int*
2749     void f(int*);
2751     // can only accept ints for which you want to transfer ownership
2752     void g(unique_ptr<int>);
2754     // can only accept ints for which you are willing to share ownership
2755     void g(shared_ptr<int>);
2757     // doesn't change ownership, but requires a particular ownership of the caller
2758     void h(const unique_ptr<int>&);
2760     // accepts any int
2761     void h(int&);
2763 ##### Example, bad
2765     // callee
2766     void f(shared_ptr<widget>& w)
2767     {
2768         // ...
2769         use(*w); // only use of w -- the lifetime is not used at all
2770         // ...
2771     };
2773     // caller
2774     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
2775     f(my_widget);
2777     widget stack_widget;
2778     f(stack_widget); // error
2780 ##### Example, good
2782     // callee
2783     void f(widget& w)
2784     {
2785         // ...
2786         use(w);
2787         // ...
2788     };
2790     // caller
2791     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
2792     f(*my_widget);
2794     widget stack_widget;
2795     f(stack_widget); // ok -- now this works
2797 ##### Note
2799 We can catch dangling pointers statically, so we don't need to rely on resource management to avoid violations from dangling pointers.
2801 ##### Enforcement
2803 * (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()`.
2804   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
2805 * 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.
2806   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
2808 **see also**:
2810 * [prefer `t*` over `t&` when "no argument" is a valid option](#rf-ptr-ref)
2811 * [smart pointer rule summary](#rr-summary-smartptrs)
2813 ### <a name="Rf-pure"></a>F.8: Prefer pure functions
2815 ##### Reason
2817 Pure functions are easier to reason about, sometimes easier to optimize (and even parallelize), and sometimes can be memoized.
2819 ##### Example
2821     template<class T>
2822     auto square(T t) { return t * t; }
2824 ##### Enforcement
2826 Not possible.
2828 ### <a name="Rf-unused"></a>F.9: Unused parameters should be unnamed
2830 ##### Reason
2832 Readability.
2833 Suppression of unused parameter warnings.
2835 ##### Example
2837     X* find(map<Blob>& m, const string& s, Hint);   // once upon a time, a hint was used
2839 ##### Note
2841 Allowing parameters to be unnamed was introduced in the early 1980 to address this problem.
2843 ##### Enforcement
2845 Flag named unused parameters.
2847 ## <a name="SS-call"></a>F.call: Parameter passing
2849 There are a variety of ways to pass parameters to a function and to return values.
2851 ### <a name="Rf-conventional"></a>F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information
2853 ##### Reason
2855 Using "unusual and clever" techniques causes surprises, slows understanding by other programmers, and encourages bugs.
2856 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 might not be portable.
2858 The following tables summarize the advice in the following Guidelines, F.16-21.
2860 Normal parameter passing:
2862 ![Normal parameter passing table](./param-passing-normal.png "Normal parameter passing")
2864 Advanced parameter passing:
2866 ![Advanced parameter passing table](./param-passing-advanced.png "Advanced parameter passing")
2868 Use the advanced techniques only after demonstrating need, and document that need in a comment.
2870 For passing sequences of characters see [String](#SS-string).
2872 ### <a name="Rf-in"></a>F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`
2874 ##### Reason
2876 Both let the caller know that a function will not modify the argument, and both allow initialization by rvalues.
2878 What is "cheap to copy" depends on the machine architecture, but two or three words (doubles, pointers, references) are usually best passed by value.
2879 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.
2881 ##### Example
2883     void f1(const string& s);  // OK: pass by reference to const; always cheap
2885     void f2(string s);         // bad: potentially expensive
2887     void f3(int x);            // OK: Unbeatable
2889     void f4(const int& x);     // bad: overhead on access in f4()
2891 For advanced uses (only), where you really need to optimize for rvalues passed to "input-only" parameters:
2893 * If the function is going to unconditionally move from the argument, take it by `&&`. See [F.18](#Rf-consume).
2894 * If the function is going to keep a copy of the argument, in addition to passing by `const&` (for lvalues),
2895   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).
2896 * In special cases, such as multiple "input + copy" parameters, consider using perfect forwarding. See [F.19](#Rf-forward).
2898 ##### Example
2900     int multiply(int, int); // just input ints, pass by value
2902     // suffix is input-only but not as cheap as an int, pass by const&
2903     string& concatenate(string&, const string& suffix);
2905     void sink(unique_ptr<widget>);  // input only, and moves ownership of the widget
2907 Avoid "esoteric techniques" such as:
2909 * Passing arguments as `T&&` "for efficiency".
2910   Most rumors about performance advantages from passing by `&&` are false or brittle (but see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
2911 * Returning `const T&` from assignments and similar operations (see [F.47](#Rf-assignment-op).)
2913 ##### Example
2915 Assuming that `Matrix` has move operations (possibly by keeping its elements in a `std::vector`):
2917     Matrix operator+(const Matrix& a, const Matrix& b)
2918     {
2919         Matrix res;
2920         // ... fill res with the sum ...
2921         return res;
2922     }
2924     Matrix x = m1 + m2;  // move constructor
2926     y = m3 + m3;         // move assignment
2928 ##### Notes
2930 The return value optimization doesn't handle the assignment case, but the move assignment does.
2932 A reference can be assumed to refer to a valid object (language rule).
2933 There is no (legitimate) "null reference."
2934 If you need the notion of an optional value, use a pointer, `std::optional`, or a special value used to denote "no value."
2936 ##### Enforcement
2938 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter being passed by value has a size greater than `2 * sizeof(void*)`.
2939   Suggest using a reference to `const` instead.
2940 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter passed by reference to `const` has a size less than `2 * sizeof(void*)`. Suggest passing by value instead.
2941 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter passed by reference to `const` is `move`d.
2943 ### <a name="Rf-inout"></a>F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`
2945 ##### Reason
2947 This makes it clear to callers that the object is assumed to be modified.
2949 ##### Example
2951     void update(Record& r);  // assume that update writes to r
2953 ##### Note
2955 A `T&` argument can pass information into a function as well as out of it.
2956 Thus `T&` could be an in-out-parameter. That can in itself be a problem and a source of errors:
2958     void f(string& s)
2959     {
2960         s = "New York";  // non-obvious error
2961     }
2963     void g()
2964     {
2965         string buffer = ".................................";
2966         f(buffer);
2967         // ...
2968     }
2970 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).
2971 A bad logic error can happen if the writer of `g()` incorrectly assumes the size of the `buffer`.
2973 ##### Enforcement
2975 * (Moderate) ((Foundation)) Warn about functions regarding reference to non-`const` parameters that do *not* write to them.
2976 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a non-`const` parameter being passed by reference is `move`d.
2978 ### <a name="Rf-consume"></a>F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter
2980 ##### Reason
2982 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.
2984 ##### Example
2986     void sink(vector<int>&& v)  // sink takes ownership of whatever the argument owned
2987     {
2988         // usually there might be const accesses of v here
2989         store_somewhere(std::move(v));
2990         // usually no more use of v here; it is moved-from
2991     }
2993 Note that the `std::move(v)` makes it possible for `store_somewhere()` to leave `v` in a moved-from state.
2994 [That could be dangerous](#Rc-move-semantic).
2997 ##### Exception
2999 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.
3001 For example:
3003     template<class T>
3004     void sink(std::unique_ptr<T> p)
3005     {
3006         // use p ... possibly std::move(p) onward somewhere else
3007     }   // p gets destroyed
3009 ##### Enforcement
3011 * Flag all `X&&` parameters (where `X` is not a template type parameter name) where the function body uses them without `std::move`.
3012 * Flag access to moved-from objects.
3013 * Don't conditionally move from objects
3015 ### <a name="Rf-forward"></a>F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter
3017 ##### Reason
3019 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.
3021 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.
3023 ##### Example
3025     template<class F, class... Args>
3026     inline auto invoke(F f, Args&&... args)
3027     {
3028         return f(forward<Args>(args)...);
3029     }
3031     ??? calls ???
3033 ##### Enforcement
3035 * 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.
3037 ### <a name="Rf-out"></a>F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters
3039 ##### Reason
3041 A return value is self-documenting, whereas a `&` could be either in-out or out-only and is liable to be misused.
3043 This includes large objects like standard containers that use implicit move operations for performance and to avoid explicit memory management.
3045 If you have multiple values to return, [use a tuple](#Rf-out-multi) or similar multi-member type.
3047 ##### Example
3049     // OK: return pointers to elements with the value x
3050     vector<const int*> find_all(const vector<int>&, int x);
3052     // Bad: place pointers to elements with value x in-out
3053     void find_all(const vector<int>&, vector<const int*>& out, int x);
3055 ##### Note
3057 A `struct` of many (individually cheap-to-move) elements might be in aggregate expensive to move.
3059 It is not recommended to return a `const` value.
3060 Such older advice is now obsolete; it does not add value, and it interferes with move semantics.
3062     const vector<int> fct();    // bad: that "const" is more trouble than it is worth
3064     vector<int> g(const vector<int>& vx)
3065     {
3066         // ...
3067         fct() = vx;   // prevented by the "const"
3068         // ...
3069         return fct(); // expensive copy: move semantics suppressed by the "const"
3070     }
3072 The argument for adding `const` to a return value is that it prevents (very rare) accidental access to a temporary.
3073 The argument against is prevents (very frequent) use of move semantics.
3075 ##### Exceptions
3077 * For non-value types, such as types in an inheritance hierarchy, return the object by `unique_ptr` or `shared_ptr`.
3078 * 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).
3079 * 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).
3081 ##### Example
3083     struct Package {      // exceptional case: expensive-to-move object
3084         char header[16];
3085         char load[2024 - 16];
3086     };
3088     Package fill();       // Bad: large return value
3089     void fill(Package&);  // OK
3091     int val();            // OK
3092     void val(int&);       // Bad: Is val reading its argument
3094 ##### Enforcement
3096 * 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.
3097 * Flag returning a `const` value. To fix: Remove `const` to return a non-`const` value instead.
3099 ### <a name="Rf-out-multi"></a>F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple
3101 ##### Reason
3103 A return value is self-documenting as an "output-only" value.
3104 Note that C++ does have multiple return values, by convention of using a `tuple` (including `pair`), possibly with the extra convenience of `tie` or structured bindings (C++17) at the call site.
3105 Prefer using a named struct where there are semantics to the returned value. Otherwise, a nameless `tuple` is useful in generic code.
3107 ##### Example
3109     // BAD: output-only parameter documented in a comment
3110     int f(const string& input, /*output only*/ string& output_data)
3111     {
3112         // ...
3113         output_data = something();
3114         return status;
3115     }
3117     // GOOD: self-documenting
3118     tuple<int, string> f(const string& input)
3119     {
3120         // ...
3121         return make_tuple(status, something());
3122     }
3124 C++98's standard library already used this style, because a `pair` is like a two-element `tuple`.
3125 For example, given a `set<string> my_set`, consider:
3127     // C++98
3128     result = my_set.insert("Hello");
3129     if (result.second) do_something_with(result.first);    // workaround
3131 With C++11 we can write this, putting the results directly in existing local variables:
3133     Sometype iter;                                // default initialize if we haven't already
3134     Someothertype success;                        // used these variables for some other purpose
3136     tie(iter, success) = my_set.insert("Hello");   // normal return value
3137     if (success) do_something_with(iter);
3139 With C++17 we are able to use "structured bindings" to declare and initialize the multiple variables:
3141     if (auto [ iter, success ] = my_set.insert("Hello"); success) do_something_with(iter);
3143 ##### Exception
3145 Sometimes, we need to pass an object to a function to manipulate its state.
3146 In such cases, passing the object by reference [`T&`](#Rf-inout) is usually the right technique.
3147 Explicitly passing an in-out parameter back out again as a return value is often not necessary.
3148 For example:
3150     istream& operator>>(istream& is, string& s);    // much like std::operator>>()
3152     for (string s; cin >> s; ) {
3153         // do something with line
3154     }
3156 Here, both `s` and `cin` are used as in-out parameters.
3157 We pass `cin` by (non-`const`) reference to be able to manipulate its state.
3158 We pass `s` to avoid repeated allocations.
3159 By reusing `s` (passed by reference), we allocate new memory only when we need to expand `s`'s capacity.
3160 This technique is sometimes called the "caller-allocated out" pattern and is particularly useful for types,
3161 such as `string` and `vector`, that needs to do free store allocations.
3163 To compare, if we passed out all values as return values, we would something like this:
3165     pair<istream&, string> get_string(istream& is)  // not recommended
3166     {
3167         string s;
3168         is >> s;
3169         return {is, s};
3170     }
3172     for (auto p = get_string(cin); p.first; ) {
3173         // do something with p.second
3174     }
3176 We consider that significantly less elegant with significantly less performance.
3178 For a truly strict reading of this rule (F.21), the exception isn't really an exception because it relies on in-out parameters,
3179 rather than the plain out parameters mentioned in the rule.
3180 However, we prefer to be explicit, rather than subtle.
3182 ##### Note
3184 In many cases, it can be useful to return a specific, user-defined type.
3185 For example:
3187     struct Distance {
3188         int value;
3189         int unit = 1;   // 1 means meters
3190     };
3192     Distance d1 = measure(obj1);        // access d1.value and d1.unit
3193     auto d2 = measure(obj2);            // access d2.value and d2.unit
3194     auto [value, unit] = measure(obj3); // access value and unit; somewhat redundant
3195                                         // to people who know measure()
3196     auto [x, y] = measure(obj4);        // don't; it's likely to be confusing
3198 The overly-generic `pair` and `tuple` should be used only when the value returned represents independent entities rather than an abstraction.
3200 Another example, use a specific type along the lines of `variant<T, error_code>`, rather than using the generic `tuple`.
3202 ##### Enforcement
3204 * Output parameters should be replaced by return values.
3205   An output parameter is one that the function writes to, invokes a non-`const` member function, or passes on as a non-`const`.
3207 ### <a name="Rf-ptr"></a>F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object
3209 ##### Reason
3211 Readability: it makes the meaning of a plain pointer clear.
3212 Enables significant tool support.
3214 ##### Note
3216 In traditional C and C++ code, plain `T*` is used for many weakly-related purposes, such as:
3218 * Identify a (single) object (not to be deleted by this function)
3219 * Point to an object allocated on the free store (and delete it later)
3220 * Hold the `nullptr`
3221 * Identify a C-style string (zero-terminated array of characters)
3222 * Identify an array with a length specified separately
3223 * Identify a location in an array
3225 This makes it hard to understand what the code does and is supposed to do.
3226 It complicates checking and tool support.
3228 ##### Example
3230     void use(int* p, int n, char* s, int* q)
3231     {
3232         p[n - 1] = 666; // Bad: we don't know if p points to n elements;
3233                         // assume it does not or use span<int>
3234         cout << s;      // Bad: we don't know if that s points to a zero-terminated array of char;
3235                         // assume it does not or use zstring
3236         delete q;       // Bad: we don't know if *q is allocated on the free store;
3237                         // assume it does not or use owner
3238     }
3240 better
3242     void use2(span<int> p, zstring s, owner<int*> q)
3243     {
3244         p[p.size() - 1] = 666; // OK, a range error can be caught
3245         cout << s; // OK
3246         delete q;  // OK
3247     }
3249 ##### Note
3251 `owner<T*>` represents ownership, `zstring` represents a C-style string.
3253 **Also**: Assume that a `T*` obtained from a smart pointer to `T` (e.g., `unique_ptr<T>`) points to a single element.
3255 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3257 **See also**: [Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
3259 ##### Enforcement
3261 * (Simple) ((Bounds)) Warn for any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
3263 ### <a name="Rf-nullptr"></a>F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value
3265 ##### Reason
3267 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 might be necessary.
3268 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`.
3270 ##### Example
3272 `not_null<T*>` makes it obvious to a reader (human or machine) that a test for `nullptr` is not necessary before dereference.
3273 Additionally, when debugging, `owner<T*>` and `not_null<T>` can be instrumented to check for correctness.
3275 Consider:
3277     int length(Record* p);
3279 When I call `length(p)` should I check if `p` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3281     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3282     int length(not_null<Record*> p);
3284     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3285     int length(Record* p);
3287 ##### Note
3289 A `not_null<T*>` is assumed not to be the `nullptr`; a `T*` might be the `nullptr`; both can be represented in memory as a `T*` (so no run-time overhead is implied).
3291 ##### Note
3293 `not_null` is not just for built-in pointers. It works for `unique_ptr`, `shared_ptr`, and other pointer-like types.
3295 ##### Enforcement
3297 * (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.
3298 * (Simple) Error if a raw pointer is sometimes dereferenced after first being tested against `nullptr` (or equivalent) within the function and sometimes is not.
3299 * (Simple) Warn if a `not_null` pointer is tested against `nullptr` within a function.
3301 ### <a name="Rf-range"></a>F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence
3303 ##### Reason
3305 Informal/non-explicit ranges are a source of errors.
3307 ##### Example
3309     X* find(span<X> r, const X& v);    // find v in r
3311     vector<X> vec;
3312     // ...
3313     auto p = find({vec.begin(), vec.end()}, X{});  // find X{} in vec
3315 ##### Note
3317 Ranges are extremely common in C++ code. Typically, they are implicit and their correct use is very hard to ensure.
3318 In particular, given a pair of arguments `(p, n)` designating an array `[p:p+n)`,
3319 it is in general impossible to know if there really are `n` elements to access following `*p`.
3320 `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.
3322 ##### Example
3324 A `span` represents a range of elements, but how do we manipulate elements of that range?
3326     void f(span<int> s)
3327     {
3328         // range traversal (guaranteed correct)
3329         for (int x : s) cout << x << '\n';
3331         // C-style traversal (potentially checked)
3332         for (gsl::index i = 0; i < s.size(); ++i) cout << s[i] << '\n';
3334         // random access (potentially checked)
3335         s[7] = 9;
3337         // extract pointers (potentially checked)
3338         std::sort(&s[0], &s[s.size() / 2]);
3339     }
3341 ##### Note
3343 A `span<T>` object does not own its elements and is so small that it can be passed by value.
3345 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.
3347 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3349 ##### Enforcement
3351 (Complex) Warn where accesses to pointer parameters are bounded by other parameters that are integral types and suggest they could use `span` instead.
3353 ### <a name="Rf-zstring"></a>F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string
3355 ##### Reason
3357 C-style strings are ubiquitous. They are defined by convention: zero-terminated arrays of characters.
3358 We must distinguish C-style strings from a pointer to a single character or an old-fashioned pointer to an array of characters.
3360 If you don't need null termination, use `string_view`.
3362 ##### Example
3364 Consider:
3366     int length(const char* p);
3368 When I call `length(s)` should I check if `s` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3370     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3371     int length(zstring p);
3373     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3374     int length(not_null<zstring> p);
3376 ##### Note
3378 `zstring` does not represent ownership.
3380 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3382 ### <a name="Rf-unique_ptr"></a>F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed
3384 ##### Reason
3386 Using `unique_ptr` is the cheapest way to pass a pointer safely.
3388 **See also**: [C.50](#Rc-factory) regarding when to return a `shared_ptr` from a factory.
3390 ##### Example
3392     unique_ptr<Shape> get_shape(istream& is)  // assemble shape from input stream
3393     {
3394         auto kind = read_header(is); // read header and identify the next shape on input
3395         switch (kind) {
3396         case kCircle:
3397             return make_unique<Circle>(is);
3398         case kTriangle:
3399             return make_unique<Triangle>(is);
3400         // ...
3401         }
3402     }
3404 ##### Note
3406 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).
3408 ##### Enforcement
3410 (Simple) Warn if a function returns a locally allocated raw pointer. Suggest using either `unique_ptr` or `shared_ptr` instead.
3412 ### <a name="Rf-shared_ptr"></a>F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership
3414 ##### Reason
3416 Using `std::shared_ptr` is the standard way to represent shared ownership. That is, the last owner deletes the object.
3418 ##### Example
3420     shared_ptr<const Image> im { read_image(somewhere) };
3422     std::thread t0 {shade, args0, top_left, im};
3423     std::thread t1 {shade, args1, top_right, im};
3424     std::thread t2 {shade, args2, bottom_left, im};
3425     std::thread t3 {shade, args3, bottom_right, im};
3427     // detach threads
3428     // last thread to finish deletes the image
3430 ##### Note
3432 Prefer a `unique_ptr` over a `shared_ptr` if there is never more than one owner at a time.
3433 `shared_ptr` is for shared ownership.
3435 Note that pervasive use of `shared_ptr` has a cost (atomic operations on the `shared_ptr`'s reference count have a measurable aggregate cost).
3437 ##### Alternative
3439 Have a single object own the shared object (e.g. a scoped object) and destroy that (preferably implicitly) when all users have completed.
3441 ##### Enforcement
3443 (Not enforceable) This is a too complex pattern to reliably detect.
3445 ### <a name="Rf-ptr-ref"></a>F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option
3447 ##### Reason
3449 A pointer (`T*`) can be a `nullptr` and a reference (`T&`) cannot, there is no valid "null reference".
3450 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.
3452 ##### Example
3454     string zstring_to_string(zstring p) // zstring is a char*; that is a C-style string
3455     {
3456         if (!p) return string{};    // p might be nullptr; remember to check
3457         return string{p};
3458     }
3460     void print(const vector<int>& r)
3461     {
3462         // r refers to a vector<int>; no check needed
3463     }
3465 ##### Note
3467 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;`).
3468 That error is very uncommon.
3470 ##### Note
3472 If you prefer the pointer notation (`->` and/or `*` vs. `.`), `not_null<T*>` provides the same guarantee as `T&`.
3474 ##### Enforcement
3476 * Flag ???
3478 ### <a name="Rf-return-ptr"></a>F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)
3480 ##### Reason
3482 That's what pointers are good for.
3483 Returning a `T*` to transfer ownership is a misuse.
3485 ##### Example
3487     Node* find(Node* t, const string& s)  // find s in a binary tree of Nodes
3488     {
3489         if (!t || t->name == s) return t;
3490         if ((auto p = find(t->left, s))) return p;
3491         if ((auto p = find(t->right, s))) return p;
3492         return nullptr;
3493     }
3495 If it isn't the `nullptr`, the pointer returned by `find` indicates a `Node` holding `s`.
3496 Importantly, that does not imply a transfer of ownership of the pointed-to object to the caller.
3498 ##### Note
3500 Positions can also be transferred by iterators, indices, and references.
3501 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](???).
3503 ##### Note
3505 Do not return a pointer to something that is not in the caller's scope; see [F.43](#Rf-dangle).
3507 **See also**: [discussion of dangling pointer prevention](#???)
3509 ##### Enforcement
3511 * Flag `delete`, `std::free()`, etc. applied to a plain `T*`.
3512 Only owners should be deleted.
3513 * Flag `new`, `malloc()`, etc. assigned to a plain `T*`.
3514 Only owners should be responsible for deletion.
3516 ### <a name="Rf-dangle"></a>F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object
3518 ##### Reason
3520 To avoid the crashes and data corruption that can result from the use of such a dangling pointer.
3522 ##### Example, bad
3524 After the return from a function its local objects no longer exist:
3526     int* f()
3527     {
3528         int fx = 9;
3529         return &fx;  // BAD
3530     }
3532     void g(int* p)   // looks innocent enough
3533     {
3534         int gx;
3535         cout << "*p == " << *p << '\n';
3536         *p = 999;
3537         cout << "gx == " << gx << '\n';
3538     }
3540     void h()
3541     {
3542         int* p = f();
3543         int z = *p;  // read from abandoned stack frame (bad)
3544         g(p);        // pass pointer to abandoned stack frame to function (bad)
3545     }
3547 Here on one popular implementation I got the output:
3549     *p == 999
3550     gx == 999
3552 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`.
3554 * Imagine what would happen if `fx` and `gx` were of different types.
3555 * Imagine what would happen if `fx` or `gx` was a type with an invariant.
3556 * Imagine what would happen if more that dangling pointer was passed around among a larger set of functions.
3557 * Imagine what a cracker could do with that dangling pointer.
3559 Fortunately, most (all?) modern compilers catch and warn against this simple case.
3561 ##### Note
3563 This applies to references as well:
3565     int& f()
3566     {
3567         int x = 7;
3568         // ...
3569         return x;  // Bad: returns reference to object that is about to be destroyed
3570     }
3572 ##### Note
3574 This applies only to non-`static` local variables.
3575 All `static` variables are (as their name indicates) statically allocated, so that pointers to them cannot dangle.
3577 ##### Example, bad
3579 Not all examples of leaking a pointer to a local variable are that obvious:
3581     int* glob;       // global variables are bad in so many ways
3583     template<class T>
3584     void steal(T x)
3585     {
3586         glob = x();  // BAD
3587     }
3589     void f()
3590     {
3591         int i = 99;
3592         steal([&] { return &i; });
3593     }
3595     int main()
3596     {
3597         f();
3598         cout << *glob << '\n';
3599     }
3601 Here I managed to read the location abandoned by the call of `f`.
3602 The pointer stored in `glob` could be used much later and cause trouble in unpredictable ways.
3604 ##### Note
3606 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.
3608 ##### Note
3610 Similar examples can be constructed "leaking" a pointer from an inner scope to an outer one;
3611 such examples are handled equivalently to leaks of pointers out of a function.
3613 A slightly different variant of the problem is placing pointers in a container that outlives the objects pointed to.
3615 **See also**: Another way of getting dangling pointers is [pointer invalidation](#???).
3616 It can be detected/prevented with similar techniques.
3618 ##### Enforcement
3620 * Compilers tend to catch return of reference to locals and could in many cases catch return of pointers to locals.
3621 * Static analysis can catch many common patterns of the use of pointers indicating positions (thus eliminating dangling pointers)
3623 ### <a name="Rf-return-ref"></a>F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed
3625 ##### Reason
3627 The language guarantees that a `T&` refers to an object, so that testing for `nullptr` isn't necessary.
3629 **See also**: The return of a reference must not imply transfer of ownership:
3630 [discussion of dangling pointer prevention](#???) and [discussion of ownership](#???).
3632 ##### Example
3634     class Car
3635     {
3636         array<wheel, 4> w;
3637         // ...
3638     public:
3639         wheel& get_wheel(int i) { Expects(i < w.size()); return w[i]; }
3640         // ...
3641     };
3643     void use()
3644     {
3645         Car c;
3646         wheel& w0 = c.get_wheel(0); // w0 has the same lifetime as c
3647     }
3649 ##### Enforcement
3651 Flag functions where no `return` expression could yield `nullptr`
3653 ### <a name="Rf-return-ref-ref"></a>F.45: Don't return a `T&&`
3655 ##### Reason
3657 It's asking to return a reference to a destroyed temporary object.
3658 A `&&` is a magnet for temporary objects.
3660 ##### Example
3662 A returned rvalue reference goes out of scope at the end of the full expression to which it is returned:
3664     auto&& x = max(0, 1);   // OK, so far
3665     foo(x);                 // Undefined behavior
3667 This kind of use is a frequent source of bugs, often incorrectly reported as a compiler bug.
3668 An implementer of a function should avoid setting such traps for users.
3670 The [lifetime safety profile](#SS-lifetime) will (when completely implemented) catch such problems.
3673 ##### Example
3675 Returning an rvalue reference is fine when the reference to the temporary is being passed "downward" to a callee;
3676 then, the temporary is guaranteed to outlive the function call (see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
3677 However, it's not fine when passing such a reference "upward" to a larger caller scope.
3678 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&&`).
3680 Assume that `F` returns by value:
3682     template<class F>
3683     auto&& wrapper(F f)
3684     {
3685         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3686         return f();          // BAD: returns a reference to a temporary
3687     }
3689 Better:
3691     template<class F>
3692     auto wrapper(F f)
3693     {
3694         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3695         return f();          // OK
3696     }
3699 ##### Exception
3701 `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 `&&`.
3703 ##### Enforcement
3705 Flag any use of `&&` as a return type, except in `std::move` and `std::forward`.
3707 ### <a name="Rf-main"></a>F.46: `int` is the return type for `main()`
3709 ##### Reason
3711 It's a language rule, but violated through "language extensions" so often that it is worth mentioning.
3712 Declaring `main` (the one global `main` of a program) `void` limits portability.
3714 ##### Example
3716         void main() { /* ... */ };  // bad, not C++
3718         int main()
3719         {
3720             std::cout << "This is the way to do it\n";
3721         }
3723 ##### Note
3725 We mention this only because of the persistence of this error in the community.
3727 ##### Enforcement
3729 * The compiler should do it
3730 * If the compiler doesn't do it, let tools flag it
3732 ### <a name="Rf-assignment-op"></a>F.47: Return `T&` from assignment operators
3734 ##### Reason
3736 The convention for operator overloads (especially on value types) is for
3737 `operator=(const T&)` to perform the assignment and then return (non-`const`)
3738 `*this`.  This ensures consistency with standard-library types and follows the
3739 principle of "do as the ints do."
3741 ##### Note
3743 Historically there was some guidance to make the assignment operator return `const T&`.
3744 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.
3746 ##### Example
3748     class Foo
3749     {
3750      public:
3751         ...
3752         Foo& operator=(const Foo& rhs)
3753         {
3754           // Copy members.
3755           ...
3756           return *this;
3757         }
3758     };
3760 ##### Enforcement
3762 This should be enforced by tooling by checking the return type (and return
3763 value) of any assignment operator.
3766 ### <a name="Rf-return-move-local"></a>F.48: Don't `return std::move(local)`
3768 ##### Reason
3770 With guaranteed copy elision, it is now almost always a pessimization to expressly use `std::move` in a return statement.
3772 ##### Example, bad
3774     S f()
3775     {
3776       S result;
3777       return std::move(result);
3778     }
3780 ##### Example, good
3782     S f()
3783     {
3784       S result;
3785       return result;
3786     }
3788 ##### Enforcement
3790 This should be enforced by tooling by checking the return expression .
3793 ### <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)
3795 ##### Reason
3797 Functions can't capture local variables or be defined 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.
3799 ##### Example
3801     // writing a function that should only take an int or a string
3802     // -- overloading is natural
3803     void f(int);
3804     void f(const string&);
3806     // writing a function object that needs to capture local state and appear
3807     // at statement or expression scope -- a lambda is natural
3808     vector<work> v = lots_of_work();
3809     for (int tasknum = 0; tasknum < max; ++tasknum) {
3810         pool.run([=, &v] {
3811             /*
3812             ...
3813             ... process 1 / max - th of v, the tasknum - th chunk
3814             ...
3815             */
3816         });
3817     }
3818     pool.join();
3820 ##### Exception
3822 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.
3824 ##### Enforcement
3826 * 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.
3828 ### <a name="Rf-default-args"></a>F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading
3830 ##### Reason
3832 Default arguments simply provide alternative interfaces to a single implementation.
3833 There is no guarantee that a set of overloaded functions all implement the same semantics.
3834 The use of default arguments can avoid code replication.
3836 ##### Note
3838 There is a choice between using default argument and overloading when the alternatives are from a set of arguments of the same types.
3839 For example:
3841     void print(const string& s, format f = {});
3843 as opposed to
3845     void print(const string& s);  // use default format
3846     void print(const string& s, format f);
3848 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:
3850     void print(const char&);
3851     void print(int);
3852     void print(zstring);
3854 ##### See also
3857 [Default arguments for virtual functions](#Rh-virtual-default-arg)
3859 ##### Enforcement
3861 * Warn on an overload set where the overloads have a common prefix of parameters (e.g., `f(int)`, `f(int, const string&)`, `f(int, const string&, double)`). (Note: Review this enforcement if it's too noisy in practice.)
3863 ### <a name="Rf-reference-capture"></a>F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms
3865 ##### Reason
3867 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.
3869 ##### Discussion
3871 The efficiency consideration is that most types are cheaper to pass by reference than by value.
3873 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.
3875 ##### Note
3877 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.
3879 ##### Example
3881 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 might not be copyable):
3883     std::for_each(begin(sockets), end(sockets), [&message](auto& socket)
3884     {
3885         socket.send(message);
3886     });
3888 ##### Example
3890 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.
3892     void send_packets(buffers& bufs)
3893     {
3894         stage encryptor([](buffer& b) { encrypt(b); });
3895         stage compressor([&](buffer& b) { compress(b); encryptor.process(b); });
3896         stage decorator([&](buffer& b) { decorate(b); compressor.process(b); });
3897         for (auto& b : bufs) { decorator.process(b); }
3898     }  // automatically blocks waiting for pipeline to finish
3900 ##### Enforcement
3902 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.)
3904 ### <a name="Rf-value-capture"></a>F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used non-locally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread
3906 ##### Reason
3908 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.
3910 ##### Example, bad
3912     int local = 42;
3914     // Want a reference to local.
3915     // Note, that after program exits this scope,
3916     // local no longer exists, therefore
3917     // process() call will have undefined behavior!
3918     thread_pool.queue_work([&] { process(local); });
3920 ##### Example, good
3922     int local = 42;
3923     // Want a copy of local.
3924     // Since a copy of local is made, it will
3925     // always be available for the call.
3926     thread_pool.queue_work([=] { process(local); });
3928 ##### Enforcement
3930 * (Simple) Warn when capture-list contains a reference to a locally declared variable
3931 * (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
3933 ### <a name="Rf-this-capture"></a>F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)
3935 ##### Reason
3937 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.
3939 ##### Example
3941     class My_class {
3942         int x = 0;
3943         // ...
3945         void f()
3946         {
3947             int i = 0;
3948             // ...
3950             auto lambda = [=] { use(i, x); };   // BAD: "looks like" copy/value capture
3951             // [&] has identical semantics and copies the this pointer under the current rules
3952             // [=,this] and [&,this] are not much better, and confusing
3954             x = 42;
3955             lambda(); // calls use(0, 42);
3956             x = 43;
3957             lambda(); // calls use(0, 43);
3959             // ...
3961             auto lambda2 = [i, this] { use(i, x); }; // ok, most explicit and least confusing
3963             // ...
3964         }
3965     };
3967 ##### Note
3969 This is under active discussion in standardization, and might 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.
3971 ##### Enforcement
3973 * Flag any lambda capture-list that specifies a default capture and also captures `this` (whether explicitly or via default capture)
3975 ### <a name="F-varargs"></a>F.55: Don't use `va_arg` arguments
3977 ##### Reason
3979 Reading from a `va_arg` assumes that the correct type was actually passed.
3980 Passing to varargs assumes the correct type will be read.
3981 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.
3983 ##### Example
3985     int sum(...)
3986     {
3987         // ...
3988         while (/*...*/)
3989             result += va_arg(list, int); // BAD, assumes it will be passed ints
3990         // ...
3991     }
3993     sum(3, 2); // ok
3994     sum(3.14159, 2.71828); // BAD, undefined
3996     template<class ...Args>
3997     auto sum(Args... args) // GOOD, and much more flexible
3998     {
3999         return (... + args); // note: C++17 "fold expression"
4000     }
4002     sum(3, 2); // ok: 5
4003     sum(3.14159, 2.71828); // ok: ~5.85987
4005 ##### Alternatives
4007 * overloading
4008 * variadic templates
4009 * `variant` arguments
4010 * `initializer_list` (homogeneous)
4012 ##### Note
4014 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.
4016 ##### Enforcement
4018 * Issue a diagnostic for using `va_list`, `va_start`, or `va_arg`.
4019 * 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)]]`.
4021 # <a name="S-class"></a>C: Classes and class hierarchies
4023 A class is a user-defined type, for which a programmer can define the representation, operations, and interfaces.
4024 Class hierarchies are used to organize related classes into hierarchical structures.
4026 Class rule summary:
4028 * [C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)](#Rc-org)
4029 * [C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently](#Rc-struct)
4030 * [C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class](#Rc-interface)
4031 * [C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class](#Rc-member)
4032 * [C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support](#Rc-helper)
4033 * [C.7: Don't define a class or enum and declare a variable of its type in the same statement](#Rc-standalone)
4034 * [C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public](#Rc-class)
4035 * [C.9: Minimize exposure of members](#Rc-private)
4037 Subsections:
4039 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
4040 * [C.ctor: Constructors, assignments, and destructors](#S-ctor)
4041 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
4042 * [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
4043 * [C.hier: Class hierarchies (OOP)](#SS-hier)
4044 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
4045 * [C.union: Unions](#SS-union)
4047 ### <a name="Rc-org"></a>C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)
4049 ##### Reason
4051 Ease of comprehension.
4052 If data is related (for fundamental reasons), that fact should be reflected in code.
4054 ##### Example
4056     void draw(int x, int y, int x2, int y2);  // BAD: unnecessary implicit relationships
4057     void draw(Point from, Point to);          // better
4059 ##### Note
4061 A simple class without virtual functions implies no space or time overhead.
4063 ##### Note
4065 From a language perspective `class` and `struct` differ only in the default visibility of their members.
4067 ##### Enforcement
4069 Probably impossible. Maybe a heuristic looking for data items used together is possible.
4071 ### <a name="Rc-struct"></a>C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently
4073 ##### Reason
4075 Readability.
4076 Ease of comprehension.
4077 The use of `class` alerts the programmer to the need for an invariant.
4078 This is a useful convention.
4080 ##### Note
4082 An invariant is a logical condition for the members of an object that a constructor must establish for the public member functions to assume.
4083 After the invariant is established (typically by a constructor) every member function can be called for the object.
4084 An invariant can be stated informally (e.g., in a comment) or more formally using `Expects`.
4086 If all data members can vary independently of each other, no invariant is possible.
4088 ##### Example
4090     struct Pair {  // the members can vary independently
4091         string name;
4092         int volume;
4093     };
4095 but:
4097     class Date {
4098     public:
4099         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4100         Date(int yy, Month mm, char dd);
4101         // ...
4102     private:
4103         int y;
4104         Month m;
4105         char d;    // day
4106     };
4108 ##### Note
4110 If a class has any `private` data, a user cannot completely initialize an object without the use of a constructor.
4111 Hence, the class definer will provide a constructor and must specify its meaning.
4112 This effectively means the definer need to define an invariant.
4114 **See also**:
4116 * [define a class with private data as `class`](#Rc-class)
4117 * [Prefer to place the interface first in a class](#Rl-order)
4118 * [minimize exposure of members](#Rc-private)
4119 * [Avoid `protected` data](#Rh-protected)
4121 ##### Enforcement
4123 Look for `struct`s with all data private and `class`es with public members.
4125 ### <a name="Rc-interface"></a>C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class
4127 ##### Reason
4129 An explicit distinction between interface and implementation improves readability and simplifies maintenance.
4131 ##### Example
4133     class Date {
4134     public:
4135         Date();
4136         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4137         Date(int yy, Month mm, char dd);
4139         int day() const;
4140         Month month() const;
4141         // ...
4142     private:
4143         // ... some representation ...
4144     };
4146 For example, we can now change the representation of a `Date` without affecting its users (recompilation is likely, though).
4148 ##### Note
4150 Using a class in this way to represent the distinction between interface and implementation is of course not the only way.
4151 For example, we can use a set of declarations of freestanding functions in a namespace, an abstract base class, or a function template with concepts to represent an interface.
4152 The most important issue is to explicitly distinguish between an interface and its implementation "details."
4153 Ideally, and typically, an interface is far more stable than its implementation(s).
4155 ##### Enforcement
4159 ### <a name="Rc-member"></a>C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class
4161 ##### Reason
4163 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.
4165 ##### Example
4167     class Date {
4168         // ... relatively small interface ...
4169     };
4171     // helper functions:
4172     Date next_weekday(Date);
4173     bool operator==(Date, Date);
4175 The "helper functions" have no need for direct access to the representation of a `Date`.
4177 ##### Note
4179 This rule becomes even better if C++ gets ["uniform function call"](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0251r0.pdf).
4181 ##### Exception
4183 The language requires `virtual` functions to be members, and not all `virtual` functions directly access data.
4184 In particular, members of an abstract class rarely do.
4186 Note [multi-methods](https://parasol.tamu.edu/~yuriys/papers/OMM10.pdf).
4188 ##### Exception
4190 The language requires operators `=`, `()`, `[]`, and `->` to be members.
4192 ##### Exception
4194 An overload set could have some members that do not directly access `private` data:
4196     class Foobar {
4197     public:
4198         void foo(long x) { /* manipulate private data */ }
4199         void foo(double x) { foo(std::lround(x)); }
4200         // ...
4201     private:
4202         // ...
4203     };
4205 ##### Exception
4207 Similarly, a set of functions could be designed to be used in a chain:
4209     x.scale(0.5).rotate(45).set_color(Color::red);
4211 Typically, some but not all of such functions directly access `private` data.
4213 ##### Enforcement
4215 * Look for non-`virtual` member functions that do not touch data members directly.
4216 The snag is that many member functions that do not need to touch data members directly do.
4217 * Ignore `virtual` functions.
4218 * Ignore functions that are part of an overload set out of which at least one function accesses `private` members.
4219 * Ignore functions returning `this`.
4221 ### <a name="Rc-helper"></a>C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support
4223 ##### Reason
4225 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.
4226 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.
4228 ##### Example
4230     namespace Chrono { // here we keep time-related services
4232         class Time { /* ... */ };
4233         class Date { /* ... */ };
4235         // helper functions:
4236         bool operator==(Date, Date);
4237         Date next_weekday(Date);
4238         // ...
4239     }
4241 ##### Note
4243 This is especially important for [overloaded operators](#Ro-namespace).
4245 ##### Enforcement
4247 * Flag global functions taking argument types from a single namespace.
4249 ### <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
4251 ##### Reason
4253 Mixing a type definition and the definition of another entity in the same declaration is confusing and unnecessary.
4255 ##### Example, bad
4257     struct Data { /*...*/ } data{ /*...*/ };
4259 ##### Example, good
4261     struct Data { /*...*/ };
4262     Data data{ /*...*/ };
4264 ##### Enforcement
4266 * Flag if the `}` of a class or enumeration definition is not followed by a `;`. The `;` is missing.
4268 ### <a name="Rc-class"></a>C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public
4270 ##### Reason
4272 Readability.
4273 To make it clear that something is being hidden/abstracted.
4274 This is a useful convention.
4276 ##### Example, bad
4278     struct Date {
4279         int d, m;
4281         Date(int i, Month m);
4282         // ... lots of functions ...
4283     private:
4284         int y;  // year
4285     };
4287 There is nothing wrong with this code as far as the C++ language rules are concerned,
4288 but nearly everything is wrong from a design perspective.
4289 The private data is hidden far from the public data.
4290 The data is split in different parts of the class declaration.
4291 Different parts of the data have different access.
4292 All of this decreases readability and complicates maintenance.
4294 ##### Note
4296 Prefer to place the interface first in a class, [see NL.16](#Rl-order).
4298 ##### Enforcement
4300 Flag classes declared with `struct` if there is a `private` or `protected` member.
4302 ### <a name="Rc-private"></a>C.9: Minimize exposure of members
4304 ##### Reason
4306 Encapsulation.
4307 Information hiding.
4308 Minimize the chance of unintended access.
4309 This simplifies maintenance.
4311 ##### Example
4313     template<typename T, typename U>
4314     struct pair {
4315         T a;
4316         U b;
4317         // ...
4318     };
4320 Whatever we do in the `//`-part, an arbitrary user of a `pair` can arbitrarily and independently change its `a` and `b`.
4321 In a large code base, we cannot easily find which code does what to the members of `pair`.
4322 This might be exactly what we want, but if we want to enforce a relation among members, we need to make them `private`
4323 and enforce that relation (invariant) through constructors and member functions.
4324 For example:
4326     class Distance {
4327     public:
4328         // ...
4329         double meters() const { return magnitude*unit; }
4330         void set_unit(double u)
4331         {
4332                 // ... check that u is a factor of 10 ...
4333                 // ... change magnitude appropriately ...
4334                 unit = u;
4335         }
4336         // ...
4337     private:
4338         double magnitude;
4339         double unit;    // 1 is meters, 1000 is kilometers, 0.001 is millimeters, etc.
4340     };
4342 ##### Note
4344 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.
4345 For `public` and `protected` data, that's usually the case.
4347 ##### Example
4349 A class can provide two interfaces to its users.
4350 One for derived classes (`protected`) and one for general users (`public`).
4351 For example, a derived class might be allowed to skip a run-time check because it has already guaranteed correctness:
4353     class Foo {
4354     public:
4355         int bar(int x) { check(x); return do_bar(x); }
4356         // ...
4357     protected:
4358         int do_bar(int x); // do some operation on the data
4359         // ...
4360     private:
4361         // ... data ...
4362     };
4364     class Dir : public Foo {
4365         //...
4366         int mem(int x, int y)
4367         {
4368             /* ... do something ... */
4369             return do_bar(x + y); // OK: derived class can bypass check
4370         }
4371     };
4373     void user(Foo& x)
4374     {
4375         int r1 = x.bar(1);      // OK, will check
4376         int r2 = x.do_bar(2);   // error: would bypass check
4377         // ...
4378     }
4380 ##### Note
4382 [`protected` data is a bad idea](#Rh-protected).
4384 ##### Note
4386 Prefer the order `public` members before `protected` members before `private` members [see](#Rl-order).
4388 ##### Enforcement
4390 * [Flag protected data](#Rh-protected).
4391 * Flag mixtures of `public` and private `data`
4393 ## <a name="SS-concrete"></a>C.concrete: Concrete types
4395 One ideal for a class is to be a regular type.
4396 That means roughly "behaves like an `int`." A concrete type is the simplest kind of class.
4397 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.
4398 If a concrete type has both `=` and `==`, `a = b` should result in `a == b` being `true`.
4399 Concrete classes without assignment and equality can be defined, but they are (and should be) rare.
4400 The C++ built-in types are regular, and so are standard-library classes, such as `string`, `vector`, and `map`.
4401 Concrete types are also often referred to as value types to distinguish them from types used as part of a hierarchy.
4403 Concrete type rule summary:
4405 * [C.10: Prefer concrete types over class hierarchies](#Rc-concrete)
4406 * [C.11: Make concrete types regular](#Rc-regular)
4408 ### <a name="Rc-concrete"></a>C.10: Prefer concrete types over class hierarchies
4410 ##### Reason
4412 A concrete type is fundamentally simpler than a hierarchy:
4413 easier to design, easier to implement, easier to use, easier to reason about, smaller, and faster.
4414 You need a reason (use cases) for using a hierarchy.
4416 ##### Example
4418     class Point1 {
4419         int x, y;
4420         // ... operations ...
4421         // ... no virtual functions ...
4422     };
4424     class Point2 {
4425         int x, y;
4426         // ... operations, some virtual ...
4427         virtual ~Point2();
4428     };
4430     void use()
4431     {
4432         Point1 p11 {1, 2};   // make an object on the stack
4433         Point1 p12 {p11};    // a copy
4435         auto p21 = make_unique<Point2>(1, 2);   // make an object on the free store
4436         auto p22 = p21->clone();                // make a copy
4437         // ...
4438     }
4440 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.
4441 That implies more memory overhead, more allocations and deallocations, and more run-time overhead to perform the resulting indirections.
4443 ##### Note
4445 Concrete types can be stack-allocated and be members of other classes.
4447 ##### Note
4449 The use of indirection is fundamental for run-time polymorphic interfaces.
4450 The allocation/deallocation overhead is not (that's just the most common case).
4451 We can use a base class as the interface of a scoped object of a derived class.
4452 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.
4455 ##### Enforcement
4459 ### <a name="Rc-regular"></a>C.11: Make concrete types regular
4461 ##### Reason
4463 Regular types are easier to understand and reason about than types that are not regular (irregularities requires extra effort to understand and use).
4465 ##### Example
4467     struct Bundle {
4468         string name;
4469         vector<Record> vr;
4470     };
4472     bool operator==(const Bundle& a, const Bundle& b)
4473     {
4474         return a.name == b.name && a.vr == b.vr;
4475     }
4477     Bundle b1 { "my bundle", {r1, r2, r3}};
4478     Bundle b2 = b1;
4479     if (!(b1 == b2)) error("impossible!");
4480     b2.name = "the other bundle";
4481     if (b1 == b2) error("No!");
4483 In particular, if a concrete type has an assignment also give it an equals operator so that `a = b` implies `a == b`.
4485 ##### Note
4487 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.
4488 However, objects of such types typically cannot be copied (instead, they can usually be moved),
4489 so they can't be `regular`; instead, they tend to be `semiregular`.
4490 Often, such types are referred to as "move-only types".
4492 ##### Enforcement
4496 ## <a name="S-ctor"></a>C.ctor: Constructors, assignments, and destructors
4498 These functions control the lifecycle of objects: creation, copy, move, and destruction.
4499 Define constructors to guarantee and simplify initialization of classes.
4501 These are *default operations*:
4503 * a default constructor: `X()`
4504 * a copy constructor: `X(const X&)`
4505 * a copy assignment: `operator=(const X&)`
4506 * a move constructor: `X(X&&)`
4507 * a move assignment: `operator=(X&&)`
4508 * a destructor: `~X()`
4510 By default, the compiler defines each of these operations if it is used, but the default can be suppressed.
4512 The default operations are a set of related operations that together implement the lifecycle semantics of an object.
4513 By default, C++ treats classes as value-like types, but not all types are value-like.
4515 Set of default operations rules:
4517 * [C.20: If you can avoid defining any default operations, do](#Rc-zero)
4518 * [C.21: If you define or `=delete` any copy, move, or destructor function, define or `=delete` them all](#Rc-five)
4519 * [C.22: Make default operations consistent](#Rc-matched)
4521 Destructor rules:
4523 * [C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction](#Rc-dtor)
4524 * [C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor](#Rc-dtor-release)
4525 * [C.32: If a class has a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`), consider whether it might be owning](#Rc-dtor-ptr)
4526 * [C.33: If a class has an owning pointer member, define a destructor](#Rc-dtor-ptr2)
4527 * [C.35: A base class destructor should be either public and virtual, or protected and non-virtual](#Rc-dtor-virtual)
4528 * [C.36: A destructor must not fail](#Rc-dtor-fail)
4529 * [C.37: Make destructors `noexcept`](#Rc-dtor-noexcept)
4531 Constructor rules:
4533 * [C.40: Define a constructor if a class has an invariant](#Rc-ctor)
4534 * [C.41: A constructor should create a fully initialized object](#Rc-complete)
4535 * [C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
4536 * [C.43: Ensure that a copyable (value type) class has a default constructor](#Rc-default0)
4537 * [C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing](#Rc-default00)
4538 * [C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use member initializers instead](#Rc-default)
4539 * [C.46: By default, declare single-argument constructors `explicit`](#Rc-explicit)
4540 * [C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration](#Rc-order)
4541 * [C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers](#Rc-in-class-initializer)
4542 * [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize)
4543 * [C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization](#Rc-factory)
4544 * [C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class](#Rc-delegating)
4545 * [C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization](#Rc-inheriting)
4547 Copy and move rules:
4549 * [C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`](#Rc-copy-assignment)
4550 * [C.61: A copy operation should copy](#Rc-copy-semantic)
4551 * [C.62: Make copy assignment safe for self-assignment](#Rc-copy-self)
4552 * [C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const&`](#Rc-move-assignment)
4553 * [C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state](#Rc-move-semantic)
4554 * [C.65: Make move assignment safe for self-assignment](#Rc-move-self)
4555 * [C.66: Make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept)
4556 * [C.67: A polymorphic class should suppress copying](#Rc-copy-virtual)
4558 Other default operations rules:
4560 * [C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics](#Rc-eqdefault)
4561 * [C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)](#Rc-delete)
4562 * [C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors](#Rc-ctor-virtual)
4563 * [C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function](#Rc-swap)
4564 * [C.84: A `swap` must not fail](#Rc-swap-fail)
4565 * [C.85: Make `swap` `noexcept`](#Rc-swap-noexcept)
4566 * [C.86: Make `==` symmetric with respect of operand types and `noexcept`](#Rc-eq)
4567 * [C.87: Beware of `==` on base classes](#Rc-eq-base)
4568 * [C.89: Make a `hash` `noexcept`](#Rc-hash)
4569 * [C.90: Rely on constructors and assignment operators, not memset and memcpy](#Rc-memset)
4571 ## <a name="SS-defop"></a>C.defop: Default Operations
4573 By default, the language supplies the default operations with their default semantics.
4574 However, a programmer can disable or replace these defaults.
4576 ### <a name="Rc-zero"></a>C.20: If you can avoid defining default operations, do
4578 ##### Reason
4580 It's the simplest and gives the cleanest semantics.
4582 ##### Example
4584     struct Named_map {
4585     public:
4586         // ... no default operations declared ...
4587     private:
4588         string name;
4589         map<int, int> rep;
4590     };
4592     Named_map nm;        // default construct
4593     Named_map nm2 {nm};  // copy construct
4595 Since `std::map` and `string` have all the special functions, no further work is needed.
4597 ##### Note
4599 This is known as "the rule of zero".
4601 ##### Enforcement
4603 (Not enforceable) While not enforceable, a good static analyzer can detect patterns that indicate a possible improvement to meet this rule.
4604 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`.
4606 ### <a name="Rc-five"></a>C.21: If you define or `=delete` any copy, move, or destructor function, define or `=delete` them all
4608 ##### Reason
4610 The semantics of copy, move, and destruction are closely related, so if one needs to be declared, the odds are that others need consideration too.
4612 Declaring any copy/move/destructor function,
4613 even as `=default` or `=delete`, will suppress the implicit declaration
4614 of a move constructor and move assignment operator.
4615 Declaring a move constructor or move assignment operator, even as
4616 `=default` or `=delete`, will cause an implicitly generated copy constructor
4617 or implicitly generated copy assignment operator to be defined as deleted.
4618 So as soon as any of these are declared, the others should
4619 all be declared to avoid unwanted effects like turning all potential moves
4620 into more expensive copies, or making a class move-only.
4622 ##### Example, bad
4624     struct M2 {   // bad: incomplete set of copy/move/destructor operations
4625     public:
4626         // ...
4627         // ... no copy or move operations ...
4628         ~M2() { delete[] rep; }
4629     private:
4630         pair<int, int>* rep;  // zero-terminated set of pairs
4631     };
4633     void use()
4634     {
4635         M2 x;
4636         M2 y;
4637         // ...
4638         x = y;   // the default assignment
4639         // ...
4640     }
4642 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).
4644 ##### Note
4646 This is known as "the rule of five."
4648 ##### Note
4650 If you want a default implementation (while defining another), write `=default` to show you're doing so intentionally for that function.
4651 If you don't want a generated default function, suppress it with `=delete`.
4653 ##### Example, good
4655 When a destructor needs to be declared just to make it `virtual`, it can be
4656 defined as defaulted. To avoid suppressing the implicit move operations
4657 they must also be declared, and then to avoid the class becoming move-only
4658 (and not copyable) the copy operations must be declared:
4660     class AbstractBase {
4661     public:
4662       virtual ~AbstractBase() = default;
4663       AbstractBase(const AbstractBase&) = default;
4664       AbstractBase& operator=(const AbstractBase&) = default;
4665       AbstractBase(AbstractBase&&) = default;
4666       AbstractBase& operator=(AbstractBase&&) = default;
4667     };
4669 Alternatively to prevent slicing as per [C.67](#Rc-copy-virtual),
4670 the copy and move operations can all be deleted:
4672     class ClonableBase {
4673     public:
4674       virtual unique_ptr<ClonableBase> clone() const;
4675       virtual ~ClonableBase() = default;
4676       ClonableBase(const ClonableBase&) = delete;
4677       ClonableBase& operator=(const ClonableBase&) = delete;
4678       ClonableBase(ClonableBase&&) = delete;
4679       ClonableBase& operator=(ClonableBase&&) = delete;
4680     };
4682 Defining only the move operations or only the copy operations would have the
4683 same effect here, but stating the intent explicitly for each special member
4684 makes it more obvious to the reader.
4686 ##### Note
4688 Compilers enforce much of this rule and ideally warn about any violation.
4690 ##### Note
4692 Relying on an implicitly generated copy operation in a class with a destructor is deprecated.
4694 ##### Note
4696 Writing these functions can be error prone.
4697 Note their argument types:
4699     class X {
4700     public:
4701         // ...
4702         virtual ~X() = default;            // destructor (virtual if X is meant to be a base class)
4703         X(const X&) = default;             // copy constructor
4704         X& operator=(const X&) = default;  // copy assignment
4705         X(X&&) = default;                  // move constructor
4706         X& operator=(X&&) = default;       // move assignment
4707     };
4709 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.
4710 To avoid the tedium and the possibility of errors, try to follow the [rule of zero](#Rc-zero).
4712 ##### Enforcement
4714 (Simple) A class should have a declaration (even a `=delete` one) for either all or none of the copy/move/destructor functions.
4716 ### <a name="Rc-matched"></a>C.22: Make default operations consistent
4718 ##### Reason
4720 The default operations are conceptually a matched set. Their semantics are interrelated.
4721 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.
4723 ##### Example, bad
4725     class Silly {   // BAD: Inconsistent copy operations
4726         class Impl {
4727             // ...
4728         };
4729         shared_ptr<Impl> p;
4730     public:
4731         Silly(const Silly& a) : p(make_shared<Impl>()) { *p = *a.p; }   // deep copy
4732         Silly& operator=(const Silly& a) { p = a.p; }   // shallow copy
4733         // ...
4734     };
4736 These operations disagree about copy semantics. This will lead to confusion and bugs.
4738 ##### Enforcement
4740 * (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.
4741 * (Complex) Any member variables written in a copy/move constructor should also be initialized by all other constructors.
4742 * (Complex) If a copy/move constructor performs a deep copy of a member variable, then the destructor should modify the member variable.
4743 * (Complex) If a destructor is modifying a member variable, that member variable should be written in any copy/move constructors or assignment operators.
4745 ## <a name="SS-dtor"></a>C.dtor: Destructors
4747 "Does this class need a destructor?" is a surprisingly insightful design question.
4748 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);
4749 that is, its members can take care of themselves as concerns destruction.
4750 If the answer is "yes", much of the design of the class follows (see [the rule of five](#Rc-five)).
4752 ### <a name="Rc-dtor"></a>C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction
4754 ##### Reason
4756 A destructor is implicitly invoked at the end of an object's lifetime.
4757 If the default destructor is sufficient, use it.
4758 Only define a non-default destructor if a class needs to execute code that is not already part of its members' destructors.
4760 ##### Example
4762     template<typename A>
4763     struct final_action {   // slightly simplified
4764         A act;
4765         final_action(A a) : act{a} {}
4766         ~final_action() { act(); }
4767     };
4769     template<typename A>
4770     final_action<A> finally(A act)   // deduce action type
4771     {
4772         return final_action<A>{act};
4773     }
4775     void test()
4776     {
4777         auto act = finally([] { cout << "Exit test\n"; });  // establish exit action
4778         // ...
4779         if (something) return;   // act done here
4780         // ...
4781     } // act done here
4783 The whole purpose of `final_action` is to get a piece of code (usually a lambda) executed upon destruction.
4785 ##### Note
4787 There are two general categories of classes that need a user-defined destructor:
4789 * A class with a resource that is not already represented as a class with a destructor, e.g., a `vector` or a transaction class.
4790 * A class that exists primarily to execute an action upon destruction, such as a tracer or `final_action`.
4792 ##### Example, bad
4794     class Foo {   // bad; use the default destructor
4795     public:
4796         // ...
4797         ~Foo() { s = ""; i = 0; vi.clear(); }  // clean up
4798     private:
4799         string s;
4800         int i;
4801         vector<int> vi;
4802     };
4804 The default destructor does it better, more efficiently, and can't get it wrong.
4806 ##### Note
4808 If the default destructor is needed, but its generation has been suppressed (e.g., by defining a move constructor), use `=default`.
4810 ##### Enforcement
4812 Look for likely "implicit resources", such as pointers and references. Look for classes with destructors even though all their data members have destructors.
4814 ### <a name="Rc-dtor-release"></a>C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor
4816 ##### Reason
4818 Prevention of resource leaks, especially in error cases.
4820 ##### Note
4822 For resources represented as classes with a complete set of default operations, this happens automatically.
4824 ##### Example
4826     class X {
4827         ifstream f;   // might own a file
4828         // ... no default operations defined or =deleted ...
4829     };
4831 `X`'s `ifstream` implicitly closes any file it might have open upon destruction of its `X`.
4833 ##### Example, bad
4835     class X2 {     // bad
4836         FILE* f;   // might own a file
4837         // ... no default operations defined or =deleted ...
4838     };
4840 `X2` might leak a file handle.
4842 ##### Note
4844 What about a sockets that won't close? A destructor, close, or cleanup operation [should never fail](#Rc-dtor-fail).
4845 If it does nevertheless, we have a problem that has no really good solution.
4846 For starters, the writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
4847 See [discussion](#Sd-never-fail).
4848 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
4849 Many have tried to solve this problem, but no general solution is known.
4850 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
4852 ##### Note
4854 A class can hold pointers and references to objects that it does not own.
4855 Obviously, such objects should not be `delete`d by the class's destructor.
4856 For example:
4858     Preprocessor pp { /* ... */ };
4859     Parser p { pp, /* ... */ };
4860     Type_checker tc { p, /* ... */ };
4862 Here `p` refers to `pp` but does not own it.
4864 ##### Enforcement
4866 * (Simple) If a class has pointer or reference member variables that are owners
4867   (e.g., deemed owners by using `gsl::owner`), then they should be referenced in its destructor.
4868 * (Hard) Determine if pointer or reference member variables are owners when there is no explicit statement of ownership
4869   (e.g., look into the constructors).
4871 ### <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
4873 ##### Reason
4875 There is a lot of code that is non-specific about ownership.
4877 ##### Example
4879     ???
4881 ##### Note
4883 If the `T*` or `T&` is owning, mark it `owning`. If the `T*` is not owning, consider marking it `ptr`.
4884 This will aid documentation and analysis.
4886 ##### Enforcement
4888 Look at the initialization of raw member pointers and member references and see if an allocation is used.
4890 ### <a name="Rc-dtor-ptr2"></a>C.33: If a class has an owning pointer member, define a destructor
4892 ##### Reason
4894 An owned object must be `deleted` upon destruction of the object that owns it.
4896 ##### Example
4898 A pointer member could represent a resource.
4899 [A `T*` should not do so](#Rr-ptr), but in older code, that's common.
4900 Consider a `T*` a possible owner and therefore suspect.
4902     template<typename T>
4903     class Smart_ptr {
4904         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
4905         // ...
4906     public:
4907         // ... no user-defined default operations ...
4908     };
4910     void use(Smart_ptr<int> p1)
4911     {
4912         // error: p2.p leaked (if not nullptr and not owned by some other code)
4913         auto p2 = p1;
4914     }
4916 Note that if you define a destructor, you must define or delete [all default operations](#Rc-five):
4918     template<typename T>
4919     class Smart_ptr2 {
4920         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
4921         // ...
4922     public:
4923         // ... no user-defined copy operations ...
4924         ~Smart_ptr2() { delete p; }  // p is an owner!
4925     };
4927     void use(Smart_ptr2<int> p1)
4928     {
4929         auto p2 = p1;   // error: double deletion
4930     }
4932 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:
4934     template<typename T>
4935     class Smart_ptr3 {
4936         owner<T*> p;   // OK: explicit about ownership of *p
4937         // ...
4938     public:
4939         // ...
4940         // ... copy and move operations ...
4941         ~Smart_ptr3() { delete p; }
4942     };
4944     void use(Smart_ptr3<int> p1)
4945     {
4946         auto p2 = p1;   // OK: no double deletion
4947     }
4949 ##### Note
4951 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.
4953 ##### Note
4955 Why not just require all owning pointers to be "smart pointers"?
4956 That would sometimes require non-trivial code changes and might affect ABIs.
4958 ##### Enforcement
4960 * A class with a pointer data member is suspect.
4961 * A class with an `owner<T>` should define its default operations.
4964 ### <a name="Rc-dtor-virtual"></a>C.35: A base class destructor should be either public and virtual, or protected and non-virtual
4966 ##### Reason
4968 To prevent undefined behavior.
4969 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.
4970 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.
4971 In general, the writer of a base class does not know the appropriate action to be done upon destruction.
4973 ##### Discussion
4975 See [this in the Discussion section](#Sd-dtor).
4977 ##### Example, bad
4979     struct Base {  // BAD: implicitly has a public non-virtual destructor
4980         virtual void f();
4981     };
4983     struct D : Base {
4984         string s {"a resource needing cleanup"};
4985         ~D() { /* ... do some cleanup ... */ }
4986         // ...
4987     };
4989     void use()
4990     {
4991         unique_ptr<Base> p = make_unique<D>();
4992         // ...
4993     } // p's destruction calls ~Base(), not ~D(), which leaks D::s and possibly more
4995 ##### Note
4997 A virtual function defines an interface to derived classes that can be used without looking at the derived classes.
4998 If the interface allows destroying, it should be safe to do so.
5000 ##### Note
5002 A destructor must be non-private or it will prevent using the type:
5004     class X {
5005         ~X();   // private destructor
5006         // ...
5007     };
5009     void use()
5010     {
5011         X a;                        // error: cannot destroy
5012         auto p = make_unique<X>();  // error: cannot destroy
5013     }
5015 ##### Exception
5017 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.
5020 ##### Enforcement
5022 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and non-virtual.
5024 ### <a name="Rc-dtor-fail"></a>C.36: A destructor must not fail
5026 ##### Reason
5028 In general we do not know how to write error-free code if a destructor should fail.
5029 The standard library requires that all classes it deals with have destructors that do not exit by throwing.
5031 ##### Example
5033     class X {
5034     public:
5035         ~X() noexcept;
5036         // ...
5037     };
5039     X::~X() noexcept
5040     {
5041         // ...
5042         if (cannot_release_a_resource) terminate();
5043         // ...
5044     }
5046 ##### Note
5048 Many have tried to devise a fool-proof scheme for dealing with failure in destructors.
5049 None have succeeded to come up with a general scheme.
5050 This can be a real practical problem: For example, what about a socket that won't close?
5051 The writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
5052 See [discussion](#Sd-never-fail).
5053 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
5054 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
5056 ##### Note
5058 Declare a destructor `noexcept`. That will ensure that it either completes normally or terminates the program.
5060 ##### Note
5062 If a resource cannot be released and the program must not fail, try to signal the failure to the rest of the system somehow
5063 (maybe even by modifying some global state and hope something will notice and be able to take care of the problem).
5064 Be fully aware that this technique is special-purpose and error-prone.
5065 Consider the "my connection will not close" example.
5066 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.
5067 The destructor could send a message (somehow) to the responsible part of the system, consider that to have closed the connection, and return normally.
5069 ##### Note
5071 If a destructor uses operations that could fail, it can catch exceptions and in some cases still complete successfully
5072 (e.g., by using a different clean-up mechanism from the one that threw an exception).
5074 ##### Enforcement
5076 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5078 ### <a name="Rc-dtor-noexcept"></a>C.37: Make destructors `noexcept`
5080 ##### Reason
5082  [A destructor must 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.
5084 ##### Note
5086 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.
5088 ##### Example
5090 Not all destructors are noexcept by default; one throwing member poisons the whole class hierarchy
5092     struct X {
5093         Details x;  // happens to have a throwing destructor
5094         // ...
5095         ~X() { }    // implicitly noexcept(false); aka can throw
5096     };
5098 So, if in doubt, declare a destructor noexcept.
5100 ##### Note
5102 Why not then declare all destructors noexcept?
5103 Because that would in many cases -- especially simple cases -- be distracting clutter.
5105 ##### Enforcement
5107 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5109 ## <a name="SS-ctor"></a>C.ctor: Constructors
5111 A constructor defines how an object is initialized (constructed).
5113 ### <a name="Rc-ctor"></a>C.40: Define a constructor if a class has an invariant
5115 ##### Reason
5117 That's what constructors are for.
5119 ##### Example
5121     class Date {  // a Date represents a valid date
5122                   // in the January 1, 1900 to December 31, 2100 range
5123         Date(int dd, int mm, int yy)
5124             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5125         {
5126             if (!is_valid(d, m, y)) throw Bad_date{};  // enforce invariant
5127         }
5128         // ...
5129     private:
5130         int d, m, y;
5131     };
5133 It is often a good idea to express the invariant as an `Ensures` on the constructor.
5135 ##### Note
5137 A constructor can be used for convenience even if a class does not have an invariant. For example:
5139     struct Rec {
5140         string s;
5141         int i {0};
5142         Rec(const string& ss) : s{ss} {}
5143         Rec(int ii) :i{ii} {}
5144     };
5146     Rec r1 {7};
5147     Rec r2 {"Foo bar"};
5149 ##### Note
5151 The C++11 initializer list rule eliminates the need for many constructors. For example:
5153     struct Rec2{
5154         string s;
5155         int i;
5156         Rec2(const string& ss, int ii = 0) :s{ss}, i{ii} {}   // redundant
5157     };
5159     Rec2 r1 {"Foo", 7};
5160     Rec2 r2 {"Bar"};
5162 The `Rec2` constructor is redundant.
5163 Also, the default for `int` would be better done as a [member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5165 **See also**: [construct valid object](#Rc-complete) and [constructor throws](#Rc-throw).
5167 ##### Enforcement
5169 * Flag classes with user-defined copy operations but no constructor (a user-defined copy is a good indicator that the class has an invariant)
5171 ### <a name="Rc-complete"></a>C.41: A constructor should create a fully initialized object
5173 ##### Reason
5175 A constructor establishes the invariant for a class. A user of a class should be able to assume that a constructed object is usable.
5177 ##### Example, bad
5179     class X1 {
5180         FILE* f;   // call init() before any other function
5181         // ...
5182     public:
5183         X1() {}
5184         void init();   // initialize f
5185         void read();   // read from f
5186         // ...
5187     };
5189     void f()
5190     {
5191         X1 file;
5192         file.read();   // crash or bad read!
5193         // ...
5194         file.init();   // too late
5195         // ...
5196     }
5198 Compilers do not read comments.
5200 ##### Exception
5202 If a valid object cannot conveniently be constructed by a constructor, [use a factory function](#Rc-factory).
5204 ##### Enforcement
5206 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5207 * (Unknown) If a constructor has an `Ensures` contract, try to see if it holds as a postcondition.
5209 ##### Note
5211 If a constructor acquires a resource (to create a valid object), that resource should be [released by the destructor](#Rc-dtor-release).
5212 The idiom of having constructors acquire resources and destructors release them is called [RAII](#Rr-raii) ("Resource Acquisition Is Initialization").
5214 ### <a name="Rc-throw"></a>C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception
5216 ##### Reason
5218 Leaving behind an invalid object is asking for trouble.
5220 ##### Example
5222     class X2 {
5223         FILE* f;
5224         // ...
5225     public:
5226         X2(const string& name)
5227             :f{fopen(name.c_str(), "r")}
5228         {
5229             if (!f) throw runtime_error{"could not open" + name};
5230             // ...
5231         }
5233         void read();      // read from f
5234         // ...
5235     };
5237     void f()
5238     {
5239         X2 file {"Zeno"}; // throws if file isn't open
5240         file.read();      // fine
5241         // ...
5242     }
5244 ##### Example, bad
5246     class X3 {     // bad: the constructor leaves a non-valid object behind
5247         FILE* f;   // call is_valid() before any other function
5248         bool valid;
5249         // ...
5250     public:
5251         X3(const string& name)
5252             :f{fopen(name.c_str(), "r")}, valid{false}
5253         {
5254             if (f) valid = true;
5255             // ...
5256         }
5258         bool is_valid() { return valid; }
5259         void read();   // read from f
5260         // ...
5261     };
5263     void f()
5264     {
5265         X3 file {"Heraclides"};
5266         file.read();   // crash or bad read!
5267         // ...
5268         if (file.is_valid()) {
5269             file.read();
5270             // ...
5271         }
5272         else {
5273             // ... handle error ...
5274         }
5275         // ...
5276     }
5278 ##### Note
5280 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.
5281 Leaving behind an invalid object and relying on users to consistently check an `is_valid()` function before use is tedious, error-prone, and inefficient.
5283 ##### Exception
5285 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.
5286 There the `is_valid()` technique must be used. In such cases, check `is_valid()` consistently and immediately to simulate [RAII](#Rr-raii).
5288 ##### Alternative
5290 If you feel tempted to use some "post-constructor initialization" or "two-stage initialization" idiom, try not to do that.
5291 If you really have to, look at [factory functions](#Rc-factory).
5293 ##### Note
5295 One reason people have used `init()` functions rather than doing the initialization work in a constructor has been to avoid code replication.
5296 [Delegating constructors](#Rc-delegating) and [default member initialization](#Rc-in-class-initializer) do that better.
5297 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)
5299 ##### Enforcement
5303 ### <a name="Rc-default0"></a>C.43: Ensure that a copyable (value type) class has a default constructor
5305 ##### Reason
5307 Many language and library facilities rely on default constructors to initialize their elements, e.g. `T a[10]` and `std::vector<T> v(10)`.
5308 A default constructor often simplifies the task of defining a suitable [moved-from state](#???) for a type that is also copyable.
5310 ##### Note
5312 A [value type](#SS-concrete) is a class that is copyable (and usually also comparable).
5313 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).
5315 ##### Example
5317     class Date { // BAD: no default constructor
5318     public:
5319         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5320         // ...
5321     };
5323     vector<Date> vd1(1000);   // default Date needed here
5324     vector<Date> vd2(1000, Date{Month::October, 7, 1885});   // alternative
5326 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.
5327 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.
5329 `Date` is chosen to encourage thought:
5330 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.
5331 `{0, 0, 0}` is not a valid date in most calendar systems, so choosing that would be introducing something like floating-point's `NaN`.
5332 However, most realistic `Date` classes have a "first date" (e.g. January 1, 1970 is popular), so making that the default is usually trivial.
5334     class Date {
5335     public:
5336         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5337         Date() = default; // [See also](#Rc-default)
5338         // ...
5339     private:
5340         int dd = 1;
5341         int mm = 1;
5342         int yyyy = 1970;
5343         // ...
5344     };
5346     vector<Date> vd1(1000);
5348 ##### Note
5350 A class with members that all have default constructors implicitly gets a default constructor:
5352     struct X {
5353         string s;
5354         vector<int> v;
5355     };
5357     X x; // means X{{}, {}}; that is the empty string and the empty vector
5359 Beware that built-in types are not properly default constructed:
5361     struct X {
5362         string s;
5363         int i;
5364     };
5366     void f()
5367     {
5368         X x;    // x.s is initialized to the empty string; x.i is uninitialized
5370         cout << x.s << ' ' << x.i << '\n';
5371         ++x.i;
5372     }
5374 Statically allocated objects of built-in types are by default initialized to `0`, but local built-in variables are not.
5375 Beware that your compiler might default initialize local built-in variables, whereas an optimized build will not.
5376 Thus, code like the example above might appear to work, but it relies on undefined behavior.
5377 Assuming that you want initialization, an explicit default initialization can help:
5379     struct X {
5380         string s;
5381         int i {};   // default initialize (to 0)
5382     };
5384 ##### Notes
5386 Classes that don't have a reasonable default construction are usually not copyable either, so they don't fall under this guideline.
5388 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:
5390     // Shape is an abstract base class, not a copyable value type.
5391     // It might or might not need a default constructor.
5392     struct Shape {
5393         virtual void draw() = 0;
5394         virtual void rotate(int) = 0;
5395         // =delete copy/move functions
5396         // ...
5397     };
5399 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:
5401     // std::lock_guard is not a copyable value type.
5402     // It does not have a default constructor.
5403     lock_guard g {mx};  // guard the mutex mx
5404     lock_guard g2;      // error: guarding nothing
5406 A class that has a "special state" that must be handled separately from other states by member functions or users causes extra work
5407 (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:
5409     // std::ofstream is not a copyable value type.
5410     // It does happen to have a default constructor
5411     // that goes along with a special "not open" state.
5412     ofstream out {"Foobar"};
5413     // ...
5414     out << log(time, transaction);
5416 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.
5418 However, it is preferable to have a default constructor default to a meaningful state such as `std::string`s `""` and `std::vector`s `{}`.
5420 ##### Enforcement
5422 * Flag classes that are copyable by `=` without a default constructor
5423 * Flag classes that are comparable with `==` but not copyable
5426 ### <a name="Rc-default00"></a>C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing
5428 ##### Reason
5430 Being able to set a value to "the default" without operations that might fail simplifies error handling and reasoning about move operations.
5432 ##### Example, problematic
5434     template<typename T>
5435     // elem points to space-elem element allocated using new
5436     class Vector0 {
5437     public:
5438         Vector0() :Vector0{0} {}
5439         Vector0(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5440         // ...
5441     private:
5442         own<T*> elem;
5443         T* space;
5444         T* last;
5445     };
5447 This is nice and general, but setting a `Vector0` to empty after an error involves an allocation, which might fail.
5448 Also, having a default `Vector` represented as `{new T[0], 0, 0}` seems wasteful.
5449 For example, `Vector0<int> v[100]` costs 100 allocations.
5451 ##### Example
5453     template<typename T>
5454     // elem is nullptr or elem points to space-elem element allocated using new
5455     class Vector1 {
5456     public:
5457         // sets the representation to {nullptr, nullptr, nullptr}; doesn't throw
5458         Vector1() noexcept {}
5459         Vector1(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5460         // ...
5461     private:
5462         own<T*> elem = nullptr;
5463         T* space = nullptr;
5464         T* last = nullptr;
5465     };
5467 Using `{nullptr, nullptr, nullptr}` makes `Vector1{}` cheap, but a special case and implies run-time checks.
5468 Setting a `Vector1` to empty after detecting an error is trivial.
5470 ##### Enforcement
5472 * Flag throwing default constructors
5474 ### <a name="Rc-default"></a>C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use in-class member initializers instead
5476 ##### Reason
5478 Using in-class member initializers lets the compiler generate the function for you. The compiler-generated function can be more efficient.
5480 ##### Example, bad
5482     class X1 { // BAD: doesn't use member initializers
5483         string s;
5484         int i;
5485     public:
5486         X1() :s{"default"}, i{1} { }
5487         // ...
5488     };
5490 ##### Example
5492     class X2 {
5493         string s = "default";
5494         int i = 1;
5495     public:
5496         // use compiler-generated default constructor
5497         // ...
5498     };
5500 ##### Enforcement
5502 (Simple) A default constructor should do more than just initialize member variables with constants.
5504 ### <a name="Rc-explicit"></a>C.46: By default, declare single-argument constructors explicit
5506 ##### Reason
5508 To avoid unintended conversions.
5510 ##### Example, bad
5512     class String {
5513     public:
5514         String(int);   // BAD
5515         // ...
5516     };
5518     String s = 10;   // surprise: string of size 10
5520 ##### Exception
5522 If you really want an implicit conversion from the constructor argument type to the class type, don't use `explicit`:
5524     class Complex {
5525     public:
5526         Complex(double d);   // OK: we want a conversion from d to {d, 0}
5527         // ...
5528     };
5530     Complex z = 10.7;   // unsurprising conversion
5532 **See also**: [Discussion of implicit conversions](#Ro-conversion)
5534 ##### Note
5536 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.
5538 ##### Enforcement
5540 (Simple) Single-argument constructors should be declared `explicit`. Good single argument non-`explicit` constructors are rare in most code bases. Warn for all that are not on a "positive list".
5542 ### <a name="Rc-order"></a>C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration
5544 ##### Reason
5546 To minimize confusion and errors. That is the order in which the initialization happens (independent of the order of member initializers).
5548 ##### Example, bad
5550     class Foo {
5551         int m1;
5552         int m2;
5553     public:
5554         Foo(int x) :m2{x}, m1{++x} { }   // BAD: misleading initializer order
5555         // ...
5556     };
5558     Foo x(1); // surprise: x.m1 == x.m2 == 2
5560 ##### Enforcement
5562 (Simple) A member initializer list should mention the members in the same order they are declared.
5564 **See also**: [Discussion](#Sd-order)
5566 ### <a name="Rc-in-class-initializer"></a>C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers
5568 ##### Reason
5570 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.
5572 ##### Example, bad
5574     class X {   // BAD
5575         int i;
5576         string s;
5577         int j;
5578     public:
5579         X() :i{666}, s{"qqq"} { }   // j is uninitialized
5580         X(int ii) :i{ii} {}         // s is "" and j is uninitialized
5581         // ...
5582     };
5584 How would a maintainer know whether `j` was deliberately uninitialized (probably a bad 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.
5586 ##### Example
5588     class X2 {
5589         int i {666};
5590         string s {"qqq"};
5591         int j {0};
5592     public:
5593         X2() = default;        // all members are initialized to their defaults
5594         X2(int ii) :i{ii} {}   // s and j initialized to their defaults
5595         // ...
5596     };
5598 **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:
5600     class X3 {   // BAD: inexplicit, argument passing overhead
5601         int i;
5602         string s;
5603         int j;
5604     public:
5605         X3(int ii = 666, const string& ss = "qqq", int jj = 0)
5606             :i{ii}, s{ss}, j{jj} { }   // all members are initialized to their defaults
5607         // ...
5608     };
5610 ##### Enforcement
5612 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5613 * (Simple) Default arguments to constructors suggest an in-class initializer might be more appropriate.
5615 ### <a name="Rc-initialize"></a>C.49: Prefer initialization to assignment in constructors
5617 ##### Reason
5619 An initialization explicitly states that initialization, rather than assignment, is done and can be more elegant and efficient. Prevents "use before set" errors.
5621 ##### Example, good
5623     class A {   // Good
5624         string s1;
5625     public:
5626         A(czstring p) : s1{p} { }    // GOOD: directly construct (and the C-string is explicitly named)
5627         // ...
5628     };
5630 ##### Example, bad
5632     class B {   // BAD
5633         string s1;
5634     public:
5635         B(const char* p) { s1 = p; }   // BAD: default constructor followed by assignment
5636         // ...
5637     };
5639     class C {   // UGLY, aka very bad
5640         int* p;
5641     public:
5642         C() { cout << *p; p = new int{10}; }   // accidental use before initialized
5643         // ...
5644     };
5646 ##### Example, better still
5648 Instead of those `const char*`s we could use C++17 `std::string_view` or `gsl::span<char>`
5649 as [a more general way to present arguments to a function](#Rstr-view):
5651     class D {   // Good
5652         string s1;
5653     public:
5654         D(string_view v) : s1{v} { }    // GOOD: directly construct
5655         // ...
5656     };
5658 ### <a name="Rc-factory"></a>C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
5660 ##### Reason
5662 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.
5664 ##### Note
5666 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.
5668 ##### Example, bad
5670     class B {
5671     public:
5672         B()
5673         {
5674             /* ... */
5675             f(); // BAD: C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
5676             /* ... */
5677         }
5679         virtual void f() = 0;
5680     };
5682 ##### Example
5684     class B {
5685     protected:
5686         class Token {};
5688     public:
5689         explicit B(Token) { /* ... */ }  // create an imperfectly initialized object
5690         virtual void f() = 0;
5692         template<class T>
5693         static shared_ptr<T> create()    // interface for creating shared objects
5694         {
5695             auto p = make_shared<T>(typename T::Token{});
5696             p->post_initialize();
5697             return p;
5698         }
5700     protected:
5701         virtual void post_initialize()   // called right after construction
5702             { /* ... */ f(); /* ... */ } // GOOD: virtual dispatch is safe
5703     };
5705     class D : public B {                 // some derived class
5706     protected:
5707         class Token {};
5709     public:
5710         explicit D(Token) : B{ B::Token{} } {}
5711         void f() override { /* ...  */ };
5713     protected:
5714         template<class T>
5715         friend shared_ptr<T> B::create();
5716     };
5718     shared_ptr<D> p = D::create<D>();  // creating a D object
5720 `make_shared` requires that the constructor is public. By requiring a protected `Token` the constructor cannot be publicly called anymore, so we avoid an incompletely constructed object escaping into the wild.
5721 By providing the factory function `create()`, we make construction (on the free store) convenient.
5723 ##### Note
5725 Conventional factory functions allocate on the free store, rather than on the stack or in an enclosing object.
5727 **See also**: [Discussion](#Sd-factory)
5729 ### <a name="Rc-delegating"></a>C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class
5731 ##### Reason
5733 To avoid repetition and accidental differences.
5735 ##### Example, bad
5737     class Date {   // BAD: repetitive
5738         int d;
5739         Month m;
5740         int y;
5741     public:
5742         Date(int dd, Month mm, year yy)
5743             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5744             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5746         Date(int dd, Month mm)
5747             :d{dd}, m{mm} y{current_year()}
5748             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5749         // ...
5750     };
5752 The common action gets tedious to write and might accidentally not be common.
5754 ##### Example
5756     class Date2 {
5757         int d;
5758         Month m;
5759         int y;
5760     public:
5761         Date2(int dd, Month mm, year yy)
5762             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5763             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5765         Date2(int dd, Month mm)
5766             :Date2{dd, mm, current_year()} {}
5767         // ...
5768     };
5770 **See also**: If the "repeated action" is a simple initialization, consider [an in-class member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5772 ##### Enforcement
5774 (Moderate) Look for similar constructor bodies.
5776 ### <a name="Rc-inheriting"></a>C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization
5778 ##### Reason
5780 If you need those constructors for a derived class, re-implementing them is tedious and error-prone.
5782 ##### Example
5784 `std::vector` has a lot of tricky constructors, so if I want my own `vector`, I don't want to reimplement them:
5786     class Rec {
5787         // ... data and lots of nice constructors ...
5788     };
5790     class Oper : public Rec {
5791         using Rec::Rec;
5792         // ... no data members ...
5793         // ... lots of nice utility functions ...
5794     };
5796 ##### Example, bad
5798     struct Rec2 : public Rec {
5799         int x;
5800         using Rec::Rec;
5801     };
5803     Rec2 r {"foo", 7};
5804     int val = r.x;   // uninitialized
5806 ##### Enforcement
5808 Make sure that every member of the derived class is initialized.
5810 ## <a name="SS-copy"></a>C.copy: Copy and move
5812 Value types should generally be copyable, but interfaces in a class hierarchy should not.
5813 Resource handles might or might not be copyable.
5814 Types can be defined to move for logical as well as performance reasons.
5816 ### <a name="Rc-copy-assignment"></a>C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`
5818 ##### Reason
5820 It is simple and efficient. If you want to optimize for rvalues, provide an overload that takes a `&&` (see [F.18](#Rf-consume)).
5822 ##### Example
5824     class Foo {
5825     public:
5826         Foo& operator=(const Foo& x)
5827         {
5828             // GOOD: no need to check for self-assignment (other than performance)
5829             auto tmp = x;
5830             swap(tmp); // see C.83
5831             return *this;
5832         }
5833         // ...
5834     };
5836     Foo a;
5837     Foo b;
5838     Foo f();
5840     a = b;    // assign lvalue: copy
5841     a = f();  // assign rvalue: potentially move
5843 ##### Note
5845 The `swap` implementation technique offers the [strong guarantee](#Abrahams01).
5847 ##### Example
5849 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:
5851     template<typename T>
5852     class Vector {
5853     public:
5854         Vector& operator=(const Vector&);
5855         // ...
5856     private:
5857         T* elem;
5858         int sz;
5859     };
5861     Vector& Vector::operator=(const Vector& a)
5862     {
5863         if (a.sz > sz) {
5864             // ... use the swap technique, it can't be bettered ...
5865             return *this;
5866         }
5867         // ... copy sz elements from *a.elem to elem ...
5868         if (a.sz < sz) {
5869             // ... destroy the surplus elements in *this and adjust size ...
5870         }
5871         return *this;
5872     }
5874 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).
5876 **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&)`.
5877 See [copy constructor vs. `clone()`](#Rc-copy-virtual).
5879 ##### Enforcement
5881 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
5882 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
5883 * (Moderate) An assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member assignment operators.
5884   Look at the destructor to determine if the type has pointer semantics or value semantics.
5886 ### <a name="Rc-copy-semantic"></a>C.61: A copy operation should copy
5888 ##### Reason
5890 That is the generally assumed semantics. After `x = y`, we should have `x == y`.
5891 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).
5893 ##### Example
5895     class X {   // OK: value semantics
5896     public:
5897         X();
5898         X(const X&);     // copy X
5899         void modify();   // change the value of X
5900         // ...
5901         ~X() { delete[] p; }
5902     private:
5903         T* p;
5904         int sz;
5905     };
5907     bool operator==(const X& a, const X& b)
5908     {
5909         return a.sz == b.sz && equal(a.p, a.p + a.sz, b.p, b.p + b.sz);
5910     }
5912     X::X(const X& a)
5913         :p{new T[a.sz]}, sz{a.sz}
5914     {
5915         copy(a.p, a.p + sz, p);
5916     }
5918     X x;
5919     X y = x;
5920     if (x != y) throw Bad{};
5921     x.modify();
5922     if (x == y) throw Bad{};   // assume value semantics
5924 ##### Example
5926     class X2 {  // OK: pointer semantics
5927     public:
5928         X2();
5929         X2(const X2&) = default; // shallow copy
5930         ~X2() = default;
5931         void modify();          // change the pointed-to value
5932         // ...
5933     private:
5934         T* p;
5935         int sz;
5936     };
5938     bool operator==(const X2& a, const X2& b)
5939     {
5940         return a.sz == b.sz && a.p == b.p;
5941     }
5943     X2 x;
5944     X2 y = x;
5945     if (x != y) throw Bad{};
5946     x.modify();
5947     if (x != y) throw Bad{};  // assume pointer semantics
5949 ##### Note
5951 Prefer value semantics unless you are building a "smart pointer". Value semantics is the simplest to reason about and what the standard-library facilities expect.
5953 ##### Enforcement
5955 (Not enforceable)
5957 ### <a name="Rc-copy-self"></a>C.62: Make copy assignment safe for self-assignment
5959 ##### Reason
5961 If `x = x` changes the value of `x`, people will be surprised and bad errors will occur (often including leaks).
5963 ##### Example
5965 The standard-library containers handle self-assignment elegantly and efficiently:
5967     std::vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
5968     v = v;
5969     // the value of v is still {3, 1, 4, 1, 5, 9}
5971 ##### Note
5973 The default assignment generated from members that handle self-assignment correctly handles self-assignment.
5975     struct Bar {
5976         vector<pair<int, int>> v;
5977         map<string, int> m;
5978         string s;
5979     };
5981     Bar b;
5982     // ...
5983     b = b;   // correct and efficient
5985 ##### Note
5987 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)).
5989     class Foo {
5990         string s;
5991         int i;
5992     public:
5993         Foo& operator=(const Foo& a);
5994         // ...
5995     };
5997     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // OK, but there is a cost
5998     {
5999         if (this == &a) return *this;
6000         s = a.s;
6001         i = a.i;
6002         return *this;
6003     }
6005 This is obviously safe and apparently efficient.
6006 However, what if we do one self-assignment per million assignments?
6007 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).
6008 Consider:
6010     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // simpler, and probably much better
6011     {
6012         s = a.s;
6013         i = a.i;
6014         return *this;
6015     }
6017 `std::string` is safe for self-assignment and so are `int`. All the cost is carried by the (rare) case of self-assignment.
6019 ##### Enforcement
6021 (Simple) Assignment operators should not contain the pattern `if (this == &a) return *this;` ???
6023 ### <a name="Rc-move-assignment"></a>C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const &`
6025 ##### Reason
6027 It is simple and efficient.
6029 **See**: [The rule for copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6031 ##### Enforcement
6033 Equivalent to what is done for [copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6035 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
6036 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
6037 * (Moderate) A move assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member move assignment operators.
6039 ### <a name="Rc-move-semantic"></a>C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state
6041 ##### Reason
6043 That is the generally assumed semantics.
6044 After `y = std::move(x)` the value of `y` should be the value `x` had and `x` should be in a valid state.
6046 ##### Example
6048     template<typename T>
6049     class X {   // OK: value semantics
6050     public:
6051         X();
6052         X(X&& a) noexcept;  // move X
6053         void modify();     // change the value of X
6054         // ...
6055         ~X() { delete[] p; }
6056     private:
6057         T* p;
6058         int sz;
6059     };
6062     X::X(X&& a)
6063         :p{a.p}, sz{a.sz}  // steal representation
6064     {
6065         a.p = nullptr;     // set to "empty"
6066         a.sz = 0;
6067     }
6069     void use()
6070     {
6071         X x{};
6072         // ...
6073         X y = std::move(x);
6074         x = X{};   // OK
6075     } // OK: x can be destroyed
6077 ##### Note
6079 Ideally, that moved-from should be the default value of the type.
6080 Ensure that unless there is an exceptionally good reason not to.
6081 However, not all types have a default value and for some types establishing the default value can be expensive.
6082 The standard requires only that the moved-from object can be destroyed.
6083 Often, we can easily and cheaply do better: The standard library assumes that it is possible to assign to a moved-from object.
6084 Always leave the moved-from object in some (necessarily specified) valid state.
6086 ##### Note
6088 Unless there is an exceptionally strong reason not to, make `x = std::move(y); y = z;` work with the conventional semantics.
6090 ##### Enforcement
6092 (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.
6094 ### <a name="Rc-move-self"></a>C.65: Make move assignment safe for self-assignment
6096 ##### Reason
6098 If `x = x` changes the value of `x`, people will be surprised and bad errors can 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.
6100 ##### Example
6102     class Foo {
6103         string s;
6104         int i;
6105     public:
6106         Foo& operator=(Foo&& a);
6107         // ...
6108     };
6110     Foo& Foo::operator=(Foo&& a) noexcept  // OK, but there is a cost
6111     {
6112         if (this == &a) return *this;  // this line is redundant
6113         s = std::move(a.s);
6114         i = a.i;
6115         return *this;
6116     }
6118 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.
6120 ##### Note
6122 There is no known general way of avoiding an `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).
6124 ##### Note
6126 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.
6128 ##### Example
6130 Here is a way to move a pointer without a test (imagine it as code in the implementation a move assignment):
6132     // move from other.ptr to this->ptr
6133     T* temp = other.ptr;
6134     other.ptr = nullptr;
6135     delete ptr;
6136     ptr = temp;
6138 ##### Enforcement
6140 * (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`.
6141 * (Not enforceable) Look at the use of standard-library container types (incl. `string`) and consider them safe for ordinary (not life-critical) uses.
6143 ### <a name="Rc-move-noexcept"></a>C.66: Make move operations `noexcept`
6145 ##### Reason
6147 A throwing move violates most people's reasonably assumptions.
6148 A non-throwing move will be used more efficiently by standard-library and language facilities.
6150 ##### Example
6152     template<typename T>
6153     class Vector {
6154     public:
6155         Vector(Vector&& a) noexcept :elem{a.elem}, sz{a.sz} { a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6156         Vector& operator=(Vector&& a) noexcept { elem = a.elem; sz = a.sz; a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6157         // ...
6158     private:
6159         T* elem;
6160         int sz;
6161     };
6163 These operations do not throw.
6165 ##### Example, bad
6167     template<typename T>
6168     class Vector2 {
6169     public:
6170         Vector2(Vector2&& a) { *this = a; }             // just use the copy
6171         Vector2& operator=(Vector2&& a) { *this = a; }  // just use the copy
6172         // ...
6173     private:
6174         T* elem;
6175         int sz;
6176     };
6178 This `Vector2` is not just inefficient, but since a vector copy requires allocation, it can throw.
6180 ##### Enforcement
6182 (Simple) A move operation should be marked `noexcept`.
6184 ### <a name="Rc-copy-virtual"></a>C.67: A polymorphic class should suppress copying
6186 ##### Reason
6188 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.
6190 ##### Example, bad
6192     class B { // BAD: polymorphic base class doesn't suppress copying
6193     public:
6194         virtual char m() { return 'B'; }
6195         // ... nothing about copy operations, so uses default ...
6196     };
6198     class D : public B {
6199     public:
6200         char m() override { return 'D'; }
6201         // ...
6202     };
6204     void f(B& b)
6205     {
6206         auto b2 = b; // oops, slices the object; b2.m() will return 'B'
6207     }
6209     D d;
6210     f(d);
6212 ##### Example
6214     class B { // GOOD: polymorphic class suppresses copying
6215     public:
6216         B(const B&) = delete;
6217         B& operator=(const B&) = delete;
6218         virtual char m() { return 'B'; }
6219         // ...
6220     };
6222     class D : public B {
6223     public:
6224         char m() override { return 'D'; }
6225         // ...
6226     };
6228     void f(B& b)
6229     {
6230         auto b2 = b; // ok, compiler will detect inadvertent copying, and protest
6231     }
6233     D d;
6234     f(d);
6236 ##### Note
6238 If you need to create deep copies of polymorphic objects, use `clone()` functions: see [C.130](#Rh-copy).
6240 ##### Exception
6242 Classes that represent exception objects need both to be polymorphic and copy-constructible.
6244 ##### Enforcement
6246 * Flag a polymorphic class with a non-deleted copy operation.
6247 * Flag an assignment of polymorphic class objects.
6249 ## C.other: Other default operation rules
6251 In addition to the operations for which the language offer default implementations,
6252 there are a few operations that are so foundational that it rules for their definition are needed:
6253 comparisons, `swap`, and `hash`.
6255 ### <a name="Rc-eqdefault"></a>C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics
6257 ##### Reason
6259 The compiler is more likely to get the default semantics right and you cannot implement these functions better than the compiler.
6261 ##### Example
6263     class Tracer {
6264         string message;
6265     public:
6266         Tracer(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6267         ~Tracer() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6269         Tracer(const Tracer&) = default;
6270         Tracer& operator=(const Tracer&) = default;
6271         Tracer(Tracer&&) = default;
6272         Tracer& operator=(Tracer&&) = default;
6273     };
6275 Because we defined the destructor, we must define the copy and move operations. The `= default` is the best and simplest way of doing that.
6277 ##### Example, bad
6279     class Tracer2 {
6280         string message;
6281     public:
6282         Tracer2(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6283         ~Tracer2() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6285         Tracer2(const Tracer2& a) : message{a.message} {}
6286         Tracer2& operator=(const Tracer2& a) { message = a.message; return *this; }
6287         Tracer2(Tracer2&& a) :message{a.message} {}
6288         Tracer2& operator=(Tracer2&& a) { message = a.message; return *this; }
6289     };
6291 Writing out the bodies of the copy and move operations is verbose, tedious, and error-prone. A compiler does it better.
6293 ##### Enforcement
6295 (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
6297 ### <a name="Rc-delete"></a>C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)
6299 ##### Reason
6301 In a few cases, a default operation is not desirable.
6303 ##### Example
6305     class Immortal {
6306     public:
6307         ~Immortal() = delete;   // do not allow destruction
6308         // ...
6309     };
6311     void use()
6312     {
6313         Immortal ugh;   // error: ugh cannot be destroyed
6314         Immortal* p = new Immortal{};
6315         delete p;       // error: cannot destroy *p
6316     }
6318 ##### Example
6320 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:
6322     template<class T, class D = default_delete<T>> class unique_ptr {
6323     public:
6324         // ...
6325         constexpr unique_ptr() noexcept;
6326         explicit unique_ptr(pointer p) noexcept;
6327         // ...
6328         unique_ptr(unique_ptr&& u) noexcept;   // move constructor
6329         // ...
6330         unique_ptr(const unique_ptr&) = delete; // disable copy from lvalue
6331         // ...
6332     };
6334     unique_ptr<int> make();   // make "something" and return it by moving
6336     void f()
6337     {
6338         unique_ptr<int> pi {};
6339         auto pi2 {pi};      // error: no move constructor from lvalue
6340         auto pi3 {make()};  // OK, move: the result of make() is an rvalue
6341     }
6343 Note that deleted functions should be public.
6345 ##### Enforcement
6347 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.
6349 ### <a name="Rc-ctor-virtual"></a>C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
6351 ##### Reason
6353 The function called will be that of the object constructed so far, rather than a possibly overriding function in a derived class.
6354 This can be most confusing.
6355 Worse, a direct or indirect call to an unimplemented pure virtual function from a constructor or destructor results in undefined behavior.
6357 ##### Example, bad
6359     class Base {
6360     public:
6361         virtual void f() = 0;   // not implemented
6362         virtual void g();       // implemented with Base version
6363         virtual void h();       // implemented with Base version
6364         virtual ~Base();        // implemented with Base version
6365     };
6367     class Derived : public Base {
6368     public:
6369         void g() override;   // provide Derived implementation
6370         void h() final;      // provide Derived implementation
6372         Derived()
6373         {
6374             // BAD: attempt to call an unimplemented virtual function
6375             f();
6377             // BAD: will call Derived::g, not dispatch further virtually
6378             g();
6380             // GOOD: explicitly state intent to call only the visible version
6381             Derived::g();
6383             // ok, no qualification needed, h is final
6384             h();
6385         }
6386     };
6388 Note that calling a specific explicitly qualified function is not a virtual call even if the function is `virtual`.
6390 **See also** [factory functions](#Rc-factory) for how to achieve the effect of a call to a derived class function without risking undefined behavior.
6392 ##### Note
6394 There is nothing inherently wrong with calling virtual functions from constructors and destructors.
6395 The semantics of such calls is type safe.
6396 However, experience shows that such calls are rarely needed, easily confuse maintainers, and become a source of errors when used by novices.
6398 ##### Enforcement
6400 * Flag calls of virtual functions from constructors and destructors.
6402 ### <a name="Rc-swap"></a>C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function
6404 ##### Reason
6406 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).
6408 ##### Example, good
6410     class Foo {
6411     public:
6412         void swap(Foo& rhs) noexcept
6413         {
6414             m1.swap(rhs.m1);
6415             std::swap(m2, rhs.m2);
6416         }
6417     private:
6418         Bar m1;
6419         int m2;
6420     };
6422 Providing a non-member `swap` function in the same namespace as your type for callers' convenience.
6424     void swap(Foo& a, Foo& b)
6425     {
6426         a.swap(b);
6427     }
6429 ##### Enforcement
6431 * Non-trivially copyable value types should provide a member swap or a free swap overload.
6432 * (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6434 ### <a name="Rc-swap-fail"></a>C.84: A `swap` function must not fail
6436 ##### Reason
6438  `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.
6440 ##### Example, bad
6442     void swap(My_vector& x, My_vector& y)
6443     {
6444         auto tmp = x;   // copy elements
6445         x = y;
6446         y = tmp;
6447     }
6449 This is not just slow, but if a memory allocation occurs for the elements in `tmp`, this `swap` could throw and would make STL algorithms fail if used with them.
6451 ##### Enforcement
6453 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6455 ### <a name="Rc-swap-noexcept"></a>C.85: Make `swap` `noexcept`
6457 ##### Reason
6459  [A `swap` must not fail](#Rc-swap-fail).
6460 If a `swap` tries to exit with an exception, it's a bad design error and the program had better terminate.
6462 ##### Enforcement
6464 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6466 ### <a name="Rc-eq"></a>C.86: Make `==` symmetric with respect to operand types and `noexcept`
6468 ##### Reason
6470 Asymmetric treatment of operands is surprising and a source of errors where conversions are possible.
6471 `==` is a fundamental operations and programmers should be able to use it without fear of failure.
6473 ##### Example
6475     struct X {
6476         string name;
6477         int number;
6478     };
6480     bool operator==(const X& a, const X& b) noexcept {
6481         return a.name == b.name && a.number == b.number;
6482     }
6484 ##### Example, bad
6486     class B {
6487         string name;
6488         int number;
6489         bool operator==(const B& a) const {
6490             return name == a.name && number == a.number;
6491         }
6492         // ...
6493     };
6495 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6497 ##### Note
6499 If a class has a failure state, like `double`'s `NaN`, there is a temptation to make a comparison against the failure state throw.
6500 The alternative is to make two failure states compare equal and any valid state compare false against the failure state.
6502 ##### Note
6504 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6506 ##### Enforcement
6508 * Flag an `operator==()` for which the argument types differ; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6509 * Flag member `operator==()`s; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6511 ### <a name="Rc-eq-base"></a>C.87: Beware of `==` on base classes
6513 ##### Reason
6515 It is really hard to write a foolproof and useful `==` for a hierarchy.
6517 ##### Example, bad
6519     class B {
6520         string name;
6521         int number;
6522         virtual bool operator==(const B& a) const
6523         {
6524              return name == a.name && number == a.number;
6525         }
6526         // ...
6527     };
6529 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6531     class D : B {
6532         char character;
6533         virtual bool operator==(const D& a) const
6534         {
6535             return name == a.name && number == a.number && character == a.character;
6536         }
6537         // ...
6538     };
6540     B b = ...
6541     D d = ...
6542     b == d;    // compares name and number, ignores d's character
6543     d == b;    // error: no == defined
6544     D d2;
6545     d == d2;   // compares name, number, and character
6546     B& b2 = d2;
6547     b2 == d;   // compares name and number, ignores d2's and d's character
6549 Of course there are ways of making `==` work in a hierarchy, but the naive approaches do not scale
6551 ##### Note
6553 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6555 ##### Enforcement
6557 * Flag a virtual `operator==()`; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6559 ### <a name="Rc-hash"></a>C.89: Make a `hash` `noexcept`
6561 ##### Reason
6563 Users of hashed containers use hash indirectly and don't expect simple access to throw.
6564 It's a standard-library requirement.
6566 ##### Example, bad
6568     template<>
6569     struct hash<My_type> {  // thoroughly bad hash specialization
6570         using result_type = size_t;
6571         using argument_type = My_type;
6573         size_t operator()(const My_type & x) const
6574         {
6575             size_t xs = x.s.size();
6576             if (xs < 4) throw Bad_My_type{};    // "Nobody expects the Spanish inquisition!"
6577             return hash<size_t>()(x.s.size()) ^ trim(x.s);
6578         }
6579     };
6581     int main()
6582     {
6583         unordered_map<My_type, int> m;
6584         My_type mt{ "asdfg" };
6585         m[mt] = 7;
6586         cout << m[My_type{ "asdfg" }] << '\n';
6587     }
6589 If you have to define a `hash` specialization, try simply to let it combine standard-library `hash` specializations with `^` (xor).
6590 That tends to work better than "cleverness" for non-specialists.
6592 ##### Enforcement
6594 * Flag throwing `hash`es.
6596 ### <a name="Rc-memset"></a>C.90: Rely on constructors and assignment operators, not `memset` and `memcpy`
6598 ##### Reason
6600 The standard C++ mechanism to construct an instance of a type is to call its constructor. As specified in guideline [C.41](#Rc-complete): a constructor should create a fully initialized object. No additional initialization, such as by `memcpy`, should be required.
6601 A type will provide a copy constructor and/or copy assignment operator to appropriately make a copy of the class, preserving the type's invariants.  Using memcpy to copy a non-trivially copyable type has undefined behavior.  Frequently this results in slicing, or data corruption.
6603 ##### Example, good
6605     struct base {
6606         virtual void update() = 0;
6607         std::shared_ptr<int> sp;
6608     };
6610     struct derived : public base {
6611         void update() override {}
6612     };
6614 ##### Example, bad
6616     void init(derived& a)
6617     {
6618         memset(&a, 0, sizeof(derived));
6619     }
6621 This is type-unsafe and overwrites the vtable.
6623 ##### Example, bad
6625     void copy(derived& a, derived& b)
6626     {
6627         memcpy(&a, &b, sizeof(derived));
6628     }
6630 This is also type-unsafe and overwrites the vtable.
6632 ##### Enforcement
6634 * Flag passing a non-trivially-copyable type to `memset` or `memcpy`. 
6636 ## <a name="SS-containers"></a>C.con: Containers and other resource handles
6638 A container is an object holding a sequence of objects of some type; `std::vector` is the archetypical container.
6639 A resource handle is a class that owns a resource; `std::vector` is the typical resource handle; its resource is its sequence of elements.
6641 Summary of container rules:
6643 * [C.100: Follow the STL when defining a container](#Rcon-stl)
6644 * [C.101: Give a container value semantics](#Rcon-val)
6645 * [C.102: Give a container move operations](#Rcon-move)
6646 * [C.103: Give a container an initializer list constructor](#Rcon-init)
6647 * [C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty](#Rcon-empty)
6648 * ???
6649 * [C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`](#Rcon-ptr)
6651 **See also**: [Resources](#S-resource)
6654 ### <a name="Rcon-stl"></a>C.100: Follow the STL when defining a container
6656 ##### Reason
6658 The STL containers are familiar to most C++ programmers and a fundamentally sound design.
6660 ##### Note
6662 There are of course other fundamentally sound design styles and sometimes reasons to depart from
6663 the style of the standard library, but in the absence of a solid reason to differ, it is simpler
6664 and easier for both implementers and users to follow the standard.
6666 In particular, `std::vector` and `std::map` provide useful relatively simple models.
6668 ##### Example
6670     // simplified (e.g., no allocators):
6672     template<typename T>
6673     class Sorted_vector {
6674         using value_type = T;
6675         // ... iterator types ...
6677         Sorted_vector() = default;
6678         Sorted_vector(initializer_list<T>);    // initializer-list constructor: sort and store
6679         Sorted_vector(const Sorted_vector&) = default;
6680         Sorted_vector(Sorted_vector&&) = default;
6681         Sorted_vector& operator=(const Sorted_vector&) = default;   // copy assignment
6682         Sorted_vector& operator=(Sorted_vector&&) = default;        // move assignment
6683         ~Sorted_vector() = default;
6685         Sorted_vector(const std::vector<T>& v);   // store and sort
6686         Sorted_vector(std::vector<T>&& v);        // sort and "steal representation"
6688         const T& operator[](int i) const { return rep[i]; }
6689         // no non-const direct access to preserve order
6691         void push_back(const T&);   // insert in the right place (not necessarily at back)
6692         void push_back(T&&);        // insert in the right place (not necessarily at back)
6694         // ... cbegin(), cend() ...
6695     private:
6696         std::vector<T> rep;  // use a std::vector to hold elements
6697     };
6699     template<typename T> bool operator==(const Sorted_vector<T>&, const Sorted_vector<T>&);
6700     template<typename T> bool operator!=(const Sorted_vector<T>&, const Sorted_vector<T>&);
6701     // ...
6703 Here, the STL style is followed, but incompletely.
6704 That's not uncommon.
6705 Provide only as much functionality as makes sense for a specific container.
6706 The key is to define the conventional constructors, assignments, destructors, and iterators
6707 (as meaningful for the specific container) with their conventional semantics.
6708 From that base, the container can be expanded as needed.
6709 Here, special constructors from `std::vector` were added.
6711 ##### Enforcement
6715 ### <a name="Rcon-val"></a>C.101: Give a container value semantics
6717 ##### Reason
6719 Regular objects are simpler to think and reason about than irregular ones.
6720 Familiarity.
6722 ##### Note
6724 If meaningful, make a container `Regular` (the concept).
6725 In particular, ensure that an object compares equal to its copy.
6727 ##### Example
6729     void f(const Sorted_vector<string>& v)
6730     {
6731         Sorted_vector<string> v2 {v};
6732         if (v != v2)
6733             cout << "Behavior against reason and logic.\n";
6734         // ...
6735     }
6737 ##### Enforcement
6741 ### <a name="Rcon-move"></a>C.102: Give a container move operations
6743 ##### Reason
6745 Containers tend to get large; without a move constructor and a copy constructor an object can be
6746 expensive to move around, thus tempting people to pass pointers to it around and getting into
6747 resource management problems.
6749 ##### Example
6751     Sorted_vector<int> read_sorted(istream& is)
6752     {
6753         vector<int> v;
6754         cin >> v;   // assume we have a read operation for vectors
6755         Sorted_vector<int> sv = v;  // sorts
6756         return sv;
6757     }
6759 A user can reasonably assume that returning a standard-like container is cheap.
6761 ##### Enforcement
6765 ### <a name="Rcon-init"></a>C.103: Give a container an initializer list constructor
6767 ##### Reason
6769 People expect to be able to initialize a container with a set of values.
6770 Familiarity.
6772 ##### Example
6774     Sorted_vector<int> sv {1, 3, -1, 7, 0, 0}; // Sorted_vector sorts elements as needed
6776 ##### Enforcement
6780 ### <a name="Rcon-empty"></a>C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty
6782 ##### Reason
6784 To make it `Regular`.
6786 ##### Example
6788     vector<Sorted_sequence<string>> vs(100);    // 100 Sorted_sequences each with the value ""
6790 ##### Enforcement
6794 ### <a name="Rcon-ptr"></a>C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`
6796 ##### Reason
6798 That's what is expected from pointers.
6799 Familiarity.
6801 ##### Example
6803     ???
6805 ##### Enforcement
6809 ## <a name="SS-lambdas"></a>C.lambdas: Function objects and lambdas
6811 A function object is an object supplying an overloaded `()` so that you can call it.
6812 A lambda expression (colloquially often shortened to "a lambda") is a notation for generating a function object.
6813 Function objects should be cheap to copy (and therefore [passed by value](#Rf-in)).
6815 Summary:
6817 * [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)
6818 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
6819 * [F.53: Avoid capturing by reference in lambdas that will be used non-locally, including returned, stored on the heap, or passed to another thread](#Rf-value-capture)
6820 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
6822 ## <a name="SS-hier"></a>C.hier: Class hierarchies (OOP)
6824 A class hierarchy is constructed to represent a set of hierarchically organized concepts (only).
6825 Typically base classes act as interfaces.
6826 There are two major uses for hierarchies, often named implementation inheritance and interface inheritance.
6828 Class hierarchy rule summary:
6830 * [C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)](#Rh-domain)
6831 * [C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class](#Rh-abstract)
6832 * [C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed](#Rh-separation)
6834 Designing rules for classes in a hierarchy summary:
6836 * [C.126: An abstract class typically doesn't need a constructor](#Rh-abstract-ctor)
6837 * [C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor](#Rh-dtor)
6838 * [C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`](#Rh-override)
6839 * [C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance](#Rh-kind)
6840 * [C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of copy construction/assignment](#Rh-copy)
6841 * [C.131: Avoid trivial getters and setters](#Rh-get)
6842 * [C.132: Don't make a function `virtual` without reason](#Rh-virtual)
6843 * [C.133: Avoid `protected` data](#Rh-protected)
6844 * [C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level](#Rh-public)
6845 * [C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces](#Rh-mi-interface)
6846 * [C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes](#Rh-mi-implementation)
6847 * [C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes](#Rh-vbase)
6848 * [C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`](#Rh-using)
6849 * [C.139: Use `final` on classes sparingly](#Rh-final)
6850 * [C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider](#Rh-virtual-default-arg)
6852 Accessing objects in a hierarchy rule summary:
6854 * [C.145: Access polymorphic objects through pointers and references](#Rh-poly)
6855 * [C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable](#Rh-dynamic_cast)
6856 * [C.147: Use `dynamic_cast` to a reference type when failure to find the required class is considered an error](#Rh-ref-cast)
6857 * [C.148: Use `dynamic_cast` to a pointer type when failure to find the required class is considered a valid alternative](#Rh-ptr-cast)
6858 * [C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`](#Rh-smart)
6859 * [C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s](#Rh-make_unique)
6860 * [C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s](#Rh-make_shared)
6861 * [C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base](#Rh-array)
6862 * [C.153: Prefer virtual function to casting](#Rh-use-virtual)
6864 ### <a name="Rh-domain"></a>C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)
6866 ##### Reason
6868 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.
6870 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.
6872 ##### Example
6874     class DrawableUIElement {
6875     public:
6876         virtual void render() const = 0;
6877         // ...
6878     };
6880     class AbstractButton : public DrawableUIElement {
6881     public:
6882         virtual void onClick() = 0;
6883         // ...
6884     };
6886     class PushButton : public AbstractButton {
6887         void render() const override;
6888         void onClick() override;
6889         // ...
6890     };
6892     class Checkbox : public AbstractButton {
6893     // ...
6894     };
6896 ##### Example, bad
6898 Do *not* represent non-hierarchical domain concepts as class hierarchies.
6900     template<typename T>
6901     class Container {
6902     public:
6903         // list operations:
6904         virtual T& get() = 0;
6905         virtual void put(T&) = 0;
6906         virtual void insert(Position) = 0;
6907         // ...
6908         // vector operations:
6909         virtual T& operator[](int) = 0;
6910         virtual void sort() = 0;
6911         // ...
6912         // tree operations:
6913         virtual void balance() = 0;
6914         // ...
6915     };
6917 Here most overriding classes cannot implement most of the functions required in the interface well.
6918 Thus the base class becomes an implementation burden.
6919 Furthermore, the user of `Container` cannot rely on the member functions actually performing meaningful operations reasonably efficiently;
6920 it might throw an exception instead.
6921 Thus users have to resort to run-time checking and/or
6922 not using this (over)general interface in favor of a particular interface found by a run-time type inquiry (e.g., a `dynamic_cast`).
6924 ##### Enforcement
6926 * Look for classes with lots of members that do nothing but throw.
6927 * Flag every use of a non-public 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`.
6929 ### <a name="Rh-abstract"></a>C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class
6931 ##### Reason
6933 A class is more stable (less brittle) if it does not contain data.
6934 Interfaces should normally be composed entirely of public pure virtual functions and a default/empty virtual destructor.
6936 ##### Example
6938     class My_interface {
6939     public:
6940         // ...only pure virtual functions here ...
6941         virtual ~My_interface() {}   // or =default
6942     };
6944 ##### Example, bad
6946     class Goof {
6947     public:
6948         // ...only pure virtual functions here ...
6949         // no virtual destructor
6950     };
6952     class Derived : public Goof {
6953         string s;
6954         // ...
6955     };
6957     void use()
6958     {
6959         unique_ptr<Goof> p {new Derived{"here we go"}};
6960         f(p.get()); // use Derived through the Goof interface
6961         g(p.get()); // use Derived through the Goof interface
6962     } // leak
6964 The `Derived` is `delete`d through its `Goof` interface, so its `string` is leaked.
6965 Give `Goof` a virtual destructor and all is well.
6968 ##### Enforcement
6970 * Warn on any class that contains data members and also has an overridable (non-`final`) virtual function that wasn't inherited from a base class.
6972 ### <a name="Rh-separation"></a>C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed
6974 ##### Reason
6976 Such as on an ABI (link) boundary.
6978 ##### Example
6980     struct Device {
6981         virtual ~Device() = default;
6982         virtual void write(span<const char> outbuf) = 0;
6983         virtual void read(span<char> inbuf) = 0;
6984     };
6986     class D1 : public Device {
6987         // ... data ...
6989         void write(span<const char> outbuf) override;
6990         void read(span<char> inbuf) override;
6991     };
6993     class D2 : public Device {
6994         // ... different data ...
6996         void write(span<const char> outbuf) override;
6997         void read(span<char> inbuf) override;
6998     };
7000 A user can now use `D1`s and `D2`s interchangeably through the interface provided by `Device`.
7001 Furthermore, we can update `D1` and `D2` in ways that are not binary compatible with older versions as long as all access goes through `Device`.
7003 ##### Enforcement
7005     ???
7007 ## C.hierclass: Designing classes in a hierarchy:
7009 ### <a name="Rh-abstract-ctor"></a>C.126: An abstract class typically doesn't need a constructor
7011 ##### Reason
7013 An abstract class typically does not have any data for a constructor to initialize.
7015 ##### Example
7017     ???
7019 ##### Exception
7021 * A base class constructor that does work, such as registering an object somewhere, might need a constructor.
7022 * In extremely rare cases, you might find it reasonable for an abstract class to have a bit of data shared by all derived classes
7023   (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.
7025 ##### Enforcement
7027 Flag abstract classes with constructors.
7029 ### <a name="Rh-dtor"></a>C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor
7031 ##### Reason
7033 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 non-virtual; see [C.35](#Rc-dtor-virtual).
7035 ##### Example, bad
7037     struct B {
7038         virtual int f() = 0;
7039         // ... no user-written destructor, defaults to public non-virtual ...
7040     };
7042     // bad: derived from a class without a virtual destructor
7043     struct D : B {
7044         string s {"default"};
7045     };
7047     void use()
7048     {
7049         unique_ptr<B> p = make_unique<D>();
7050         // ...
7051     } // undefined behavior, might call B::~B only and leak the string
7053 ##### Note
7055 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`.
7057 ##### Enforcement
7059 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and non-virtual.
7060 * Flag `delete` of a class with a virtual function but no virtual destructor.
7062 ### <a name="Rh-override"></a>C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`
7064 ##### Reason
7066 Readability.
7067 Detection of mistakes.
7068 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.
7070 It's simple and clear:
7072 * `virtual` means exactly and only "this is a new virtual function."
7073 * `override` means exactly and only "this is a non-final overrider."
7074 * `final` means exactly and only "this is a final overrider."
7076 ##### Example, bad
7078     struct B {
7079         void f1(int);
7080         virtual void f2(int) const;
7081         virtual void f3(int);
7082         // ...
7083     };
7085     struct D : B {
7086         void f1(int);        // bad (hope for a warning): D::f1() hides B::f1()
7087         void f2(int) const;  // bad (but conventional and valid): no explicit override
7088         void f3(double);     // bad (hope for a warning): D::f3() hides B::f3()
7089         // ...
7090     };
7092 ##### Example, good
7094     struct Better : B {
7095         void f1(int) override;        // error (caught): Better::f1() hides B::f1()
7096         void f2(int) const override;
7097         void f3(double) override;     // error (caught): Better::f3() hides B::f3()
7098         // ...
7099     };
7101 #### Discussion
7103 We want to eliminate two particular classes of errors:
7105 * **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)
7106 * **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 might have intended to create either a new virtual function or a new non-virtual function)
7108 Note: On a class defined as `final`, it doesn't matter whether you put `override` or `final` on an individual virtual function.
7110 Note: Use `final` on functions sparingly. It does not necessarily lead to optimization, and it precludes further overriding.
7112 ##### Enforcement
7114 * Compare virtual function names in base and derived classes and flag uses of the same name that does not override.
7115 * Flag overrides with neither `override` nor `final`.
7116 * Flag function declarations that use more than one of `virtual`, `override`, and `final`.
7118 ### <a name="Rh-kind"></a>C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance
7120 ##### Reason
7122 Implementation details in an interface make the interface brittle;
7123 that is, make its users vulnerable to having to recompile after changes in the implementation.
7124 Data in a base class increases the complexity of implementing the base and can lead to replication of code.
7126 ##### Note
7128 Definition:
7130 * interface inheritance is the use of inheritance to separate users from implementations,
7131 in particular to allow derived classes to be added and changed without affecting the users of base classes.
7132 * implementation inheritance is the use of inheritance to simplify implementation of new facilities
7133 by making useful operations available for implementers of related new operations (sometimes called "programming by difference").
7135 A pure interface class is simply a set of pure virtual functions; see [I.25](#Ri-abstract).
7137 In early OOP (e.g., in the 1980s and 1990s), implementation inheritance and interface inheritance were often mixed
7138 and bad habits die hard.
7139 Even now, mixtures are not uncommon in old code bases and in old-style teaching material.
7141 The importance of keeping the two kinds of inheritance increases
7143 * with the size of a hierarchy (e.g., dozens of derived classes),
7144 * with the length of time the hierarchy is used (e.g., decades), and
7145 * with the number of distinct organizations in which a hierarchy is used
7146 (e.g., it can be difficult to distribute an update to a base class)
7149 ##### Example, bad
7151     class Shape {   // BAD, mixed interface and implementation
7152     public:
7153         Shape();
7154         Shape(Point ce = {0, 0}, Color co = none): cent{ce}, col {co} { /* ... */}
7156         Point center() const { return cent; }
7157         Color color() const { return col; }
7159         virtual void rotate(int) = 0;
7160         virtual void move(Point p) { cent = p; redraw(); }
7162         virtual void redraw();
7164         // ...
7165     private:
7166         Point cent;
7167         Color col;
7168     };
7170     class Circle : public Shape {
7171     public:
7172         Circle(Point c, int r) : Shape{c}, rad{r} { /* ... */ }
7174         // ...
7175     private:
7176         int rad;
7177     };
7179     class Triangle : public Shape {
7180     public:
7181         Triangle(Point p1, Point p2, Point p3); // calculate center
7182         // ...
7183     };
7185 Problems:
7187 * As the hierarchy grows and more data is added to `Shape`, the constructors get harder to write and maintain.
7188 * Why calculate the center for the `Triangle`? we might never use it.
7189 * Add a data member to `Shape` (e.g., drawing style or canvas)
7190 and all classes derived from `Shape` and all code using `Shape` will need to be reviewed, possibly changed, and probably recompiled.
7192 The implementation of `Shape::move()` is an example of implementation inheritance:
7193 we have defined `move()` once and for all for all derived classes.
7194 The more code there is in such base class member function implementations and the more data is shared by placing it in the base,
7195 the more benefits we gain - and the less stable the hierarchy is.
7197 ##### Example
7199 This Shape hierarchy can be rewritten using interface inheritance:
7201     class Shape {  // pure interface
7202     public:
7203         virtual Point center() const = 0;
7204         virtual Color color() const = 0;
7206         virtual void rotate(int) = 0;
7207         virtual void move(Point p) = 0;
7209         virtual void redraw() = 0;
7211         // ...
7212     };
7214 Note that a pure interface rarely has constructors: there is nothing to construct.
7216     class Circle : public Shape {
7217     public:
7218         Circle(Point c, int r, Color c) : cent{c}, rad{r}, col{c} { /* ... */ }
7220         Point center() const override { return cent; }
7221         Color color() const override { return col; }
7223         // ...
7224     private:
7225         Point cent;
7226         int rad;
7227         Color col;
7228     };
7230 The interface is now less brittle, but there is more work in implementing the member functions.
7231 For example, `center` has to be implemented by every class derived from `Shape`.
7233 ##### Example, dual hierarchy
7235 How can we gain the benefit of stable hierarchies from implementation hierarchies and the benefit of implementation reuse from implementation inheritance?
7236 One popular technique is dual hierarchies.
7237 There are many ways of implementing the idea of dual hierarchies; here, we use a multiple-inheritance variant.
7239 First we devise a hierarchy of interface classes:
7241     class Shape {   // pure interface
7242     public:
7243         virtual Point center() const = 0;
7244         virtual Color color() const = 0;
7246         virtual void rotate(int) = 0;
7247         virtual void move(Point p) = 0;
7249         virtual void redraw() = 0;
7251         // ...
7252     };
7254     class Circle : public virtual Shape {   // pure interface
7255     public:
7256         virtual int radius() = 0;
7257         // ...
7258     };
7260 To make this interface useful, we must provide its implementation classes (here, named equivalently, but in the `Impl` namespace):
7262     class Impl::Shape : public virtual ::Shape { // implementation
7263     public:
7264         // constructors, destructor
7265         // ...
7266         Point center() const override { /* ... */ }
7267         Color color() const override { /* ... */ }
7269         void rotate(int) override { /* ... */ }
7270         void move(Point p) override { /* ... */ }
7272         void redraw() override { /* ... */ }
7274         // ...
7275     };
7277 Now `Shape` is a poor example of a class with an implementation,
7278 but bear with us because this is just a simple example of a technique aimed at more complex hierarchies.
7280     class Impl::Circle : public virtual ::Circle, public Impl::Shape {   // implementation
7281     public:
7282         // constructors, destructor
7284         int radius() override { /* ... */ }
7285         // ...
7286     };
7288 And we could extend the hierarchies by adding a Smiley class (:-)):
7290     class Smiley : public virtual Circle { // pure interface
7291     public:
7292         // ...
7293     };
7295     class Impl::Smiley : public virtual ::Smiley, public Impl::Circle {   // implementation
7296     public:
7297         // constructors, destructor
7298         // ...
7299     }
7301 There are now two hierarchies:
7303 * interface: Smiley -> Circle -> Shape
7304 * implementation: Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7306 Since each implementation is derived from its interface as well as its implementation base class we get a lattice (DAG):
7308     Smiley     ->         Circle     ->  Shape
7309       ^                     ^               ^
7310       |                     |               |
7311     Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7313 As mentioned, this is just one way to construct a dual hierarchy.
7315 The implementation hierarchy can be used directly, rather than through the abstract interface.
7317     void work_with_shape(Shape&);
7319     int user()
7320     {
7321         Impl::Smiley my_smiley{ /* args */ };   // create concrete shape
7322         // ...
7323         my_smiley.some_member();        // use implementation class directly
7324         // ...
7325         work_with_shape(my_smiley);     // use implementation through abstract interface
7326         // ...
7327     }
7329 This can be useful when the implementation class has members that are not offered in the abstract interface
7330 or if direct use of a member offers optimization opportunities (e.g., if an implementation member function is `final`)
7332 ##### Note
7334 Another (related) technique for separating interface and implementation is [Pimpl](#Ri-pimpl).
7336 ##### Note
7338 There is often a choice between offering common functionality as (implemented) base class functions and free-standing functions
7339 (in an implementation namespace).
7340 Base classes gives a shorter notation and easier access to shared data (in the base)
7341 at the cost of the functionality being available only to users of the hierarchy.
7343 ##### Enforcement
7345 * Flag a derived to base conversion to a base with both data and virtual functions
7346 (except for calls from a derived class member to a base class member)
7347 * ???
7350 ### <a name="Rh-copy"></a>C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of copy construction/assignment
7352 ##### Reason
7354 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).
7356 ##### Example
7358     class B {
7359     public:
7360         virtual owner<B*> clone() = 0;
7361         virtual ~B() = default;
7363         B(const B&) = delete;
7364         B& operator=(const B&) = delete;
7365     };
7367     class D : public B {
7368     public:
7369         owner<D*> clone() override;
7370         ~D() override;
7371     };
7373 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).
7377 ### <a name="Rh-get"></a>C.131: Avoid trivial getters and setters
7379 ##### Reason
7381 A trivial getter or setter adds no semantic value; the data item could just as well be `public`.
7383 ##### Example
7385     class Point {   // Bad: verbose
7386         int x;
7387         int y;
7388     public:
7389         Point(int xx, int yy) : x{xx}, y{yy} { }
7390         int get_x() const { return x; }
7391         void set_x(int xx) { x = xx; }
7392         int get_y() const { return y; }
7393         void set_y(int yy) { y = yy; }
7394         // no behavioral member functions
7395     };
7397 Consider making such a class a `struct` -- that is, a behaviorless bunch of variables, all public data and no member functions.
7399     struct Point {
7400         int x {0};
7401         int y {0};
7402     };
7404 Note that we can put default initializers on member variables: [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize).
7406 ##### Note
7408 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.
7410 ##### Enforcement
7412 Flag multiple `get` and `set` member functions that simply access a member without additional semantics.
7414 ### <a name="Rh-virtual"></a>C.132: Don't make a function `virtual` without reason
7416 ##### Reason
7418 Redundant `virtual` increases run-time and object-code size.
7419 A virtual function can be overridden and is thus open to mistakes in a derived class.
7420 A virtual function ensures code replication in a templated hierarchy.
7422 ##### Example, bad
7424     template<class T>
7425     class Vector {
7426     public:
7427         // ...
7428         virtual int size() const { return sz; }   // bad: what good could a derived class do?
7429     private:
7430         T* elem;   // the elements
7431         int sz;    // number of elements
7432     };
7434 This kind of "vector" isn't meant to be used as a base class at all.
7436 ##### Enforcement
7438 * Flag a class with virtual functions but no derived classes.
7439 * Flag a class where all member functions are virtual and have implementations.
7441 ### <a name="Rh-protected"></a>C.133: Avoid `protected` data
7443 ##### Reason
7445 `protected` data is a source of complexity and errors.
7446 `protected` data complicates the statement of invariants.
7447 `protected` data inherently violates the guidance against putting data in base classes, which usually leads to having to deal with virtual inheritance as well.
7449 ##### Example, bad
7451     class Shape {
7452     public:
7453         // ... interface functions ...
7454     protected:
7455         // data for use in derived classes:
7456         Color fill_color;
7457         Color edge_color;
7458         Style st;
7459     };
7461 Now it is up to every derived `Shape` to manipulate the protected data correctly.
7462 This has been popular, but also a major source of maintenance problems.
7463 In a large class hierarchy, the consistent use of protected data is hard to maintain because there can be a lot of code,
7464 spread over a lot of classes.
7465 The set of classes that can touch that data is open: anyone can derive a new class and start manipulating the protected data.
7466 Often, it is not possible to examine the complete set of classes, so any change to the representation of the class becomes infeasible.
7467 There is no enforced invariant for the protected data; it is much like a set of global variables.
7468 The protected data has de facto become global to a large body of code.
7470 ##### Note
7472 Protected data often looks tempting to enable arbitrary improvements through derivation.
7473 Often, what you get is unprincipled changes and errors.
7474 [Prefer `private` data](#Rc-private) with a well-specified and enforced invariant.
7475 Alternative, and often better, [keep data out of any class used as an interface](#Rh-abstract).
7477 ##### Note
7479 Protected member function can be just fine.
7481 ##### Enforcement
7483 Flag classes with `protected` data.
7485 ### <a name="Rh-public"></a>C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level
7487 ##### Reason
7489 Prevention of logical confusion leading to errors.
7490 If the non-`const` data members don't have the same access level, the type is confused about what it's trying to do.
7491 Is it a type that maintains an invariant or simply a collection of values?
7493 ##### Discussion
7495 The core question is: What code is responsible for maintaining a meaningful/correct value for that variable?
7497 There are exactly two kinds of data members:
7499 * A: Ones that don't participate in the object's invariant. Any combination of values for these members is valid.
7500 * 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.
7502 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.
7504 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.
7506 Most classes are either all A or all B:
7508 * *All public*: If you're writing an aggregate bundle-of-variables without an invariant across those variables, then all the variables should be `public`.
7509   [By convention, declare such classes `struct` rather than `class`](#Rc-struct)
7510 * *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.
7512 ##### Exception
7514 Occasionally classes will mix A and B, usually for debug reasons. An encapsulated object might 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`).
7516 ##### Enforcement
7518 Flag any class that has non-`const` data members with different access levels.
7520 ### <a name="Rh-mi-interface"></a>C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces
7522 ##### Reason
7524 Not all classes will necessarily support all interfaces, and not all callers will necessarily want to deal with all operations.
7525 Especially to break apart monolithic interfaces into "aspects" of behavior supported by a given derived class.
7527 ##### Example
7529     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7530         // ...
7531     };
7533 `istream` provides the interface to input operations; `ostream` provides the interface to output operations.
7534 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7536 ##### Note
7538 This is a very common use of inheritance because the need for multiple different interfaces to an implementation is common
7539 and such interfaces are often not easily or naturally organized into a single-rooted hierarchy.
7541 ##### Note
7543 Such interfaces are typically abstract classes.
7545 ##### Enforcement
7549 ### <a name="Rh-mi-implementation"></a>C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes
7551 ##### Reason
7553 Some forms of mixins have state and often operations on that state.
7554 If the operations are virtual the use of inheritance is necessary, if not using inheritance can avoid boilerplate and forwarding.
7556 ##### Example
7558     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7559         // ...
7560     };
7562 `istream` provides the interface to input operations (and some data); `ostream` provides the interface to output operations (and some data).
7563 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7565 ##### Note
7567 This a relatively rare use because implementation can often be organized into a single-rooted hierarchy.
7569 ##### Example
7571 Sometimes, an "implementation attribute" is more like a "mixin" that determine the behavior of an implementation and inject
7572 members to enable the implementation of the policies it requires.
7573 For example, see `std::enable_shared_from_this`
7574 or various bases from boost.intrusive (e.g. `list_base_hook` or `intrusive_ref_counter`).
7576 ##### Enforcement
7580 ### <a name="Rh-vbase"></a>C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes
7582 ##### Reason
7584  Allow separation of shared data and interface.
7585  To avoid all shared data to being put into an ultimate base class.
7587 ##### Example
7589     struct Interface {
7590         virtual void f();
7591         virtual int g();
7592         // ... no data here ...
7593     };
7595     class Utility {  // with data
7596         void utility1();
7597         virtual void utility2();    // customization point
7598     public:
7599         int x;
7600         int y;
7601     };
7603     class Derive1 : public Interface, virtual protected Utility {
7604         // override Interface functions
7605         // Maybe override Utility virtual functions
7606         // ...
7607     };
7609     class Derive2 : public Interface, virtual protected Utility {
7610         // override Interface functions
7611         // Maybe override Utility virtual functions
7612         // ...
7613     };
7615 Factoring out `Utility` makes sense if many derived classes share significant "implementation details."
7618 ##### Note
7620 Obviously, the example is too "theoretical", but it is hard to find a *small* realistic example.
7621 `Interface` is the root of an [interface hierarchy](#Rh-abstract)
7622 and `Utility` is the root of an [implementation hierarchy](#Rh-kind).
7623 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.
7625 ##### Note
7627 Often, linearization of a hierarchy is a better solution.
7629 ##### Enforcement
7631 Flag mixed interface and implementation hierarchies.
7633 ### <a name="Rh-using"></a>C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`
7635 ##### Reason
7637 Without a using declaration, member functions in the derived class hide the entire inherited overload sets.
7639 ##### Example, bad
7641     #include <iostream>
7642     class B {
7643     public:
7644         virtual int f(int i) { std::cout << "f(int): "; return i; }
7645         virtual double f(double d) { std::cout << "f(double): "; return d; }
7646         virtual ~B() = default;
7647     };
7648     class D: public B {
7649     public:
7650         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7651     };
7652     int main()
7653     {
7654         D d;
7655         std::cout << d.f(2) << '\n';   // prints "f(int): 3"
7656         std::cout << d.f(2.3) << '\n'; // prints "f(int): 3"
7657     }
7659 ##### Example, good
7661     class D: public B {
7662     public:
7663         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7664         using B::f; // exposes f(double)
7665     };
7667 ##### Note
7669 This issue affects both virtual and non-virtual member functions
7671 For variadic bases, C++17 introduced a variadic form of the using-declaration,
7673     template<class... Ts>
7674     struct Overloader : Ts... {
7675         using Ts::operator()...; // exposes operator() from every base
7676     };
7678 ##### Enforcement
7680 Diagnose name hiding
7682 ### <a name="Rh-final"></a>C.139: Use `final` on classes sparingly
7684 ##### Reason
7686 Capping a hierarchy with `final` classes is rarely needed for logical reasons and can be damaging to the extensibility of a hierarchy.
7688 ##### Example, bad
7690     class Widget { /* ... */ };
7692     // nobody will ever want to improve My_widget (or so you thought)
7693     class My_widget final : public Widget { /* ... */ };
7695     class My_improved_widget : public My_widget { /* ... */ };  // error: can't do that
7697 ##### Note
7699 Not every class is meant to be a base class.
7700 Most standard-library classes are examples of that (e.g., `std::vector` and `std::string` are not designed to be derived from).
7701 This rule is about using `final` on classes with virtual functions meant to be interfaces for a class hierarchy.
7703 ##### Note
7705 Capping an individual virtual function with `final` is error-prone as `final` can easily be overlooked when defining/overriding a set of functions.
7706 Fortunately, the compiler catches such mistakes: You cannot re-declare/re-open a `final` member in a derived class.
7708 ##### Note
7710 Claims of performance improvements from `final` should be substantiated.
7711 Too often, such claims are based on conjecture or experience with other languages.
7713 There are examples where `final` can be important for both logical and performance reasons.
7714 One example is a performance-critical AST hierarchy in a compiler or language analysis tool.
7715 New derived classes are not added every year and only by library implementers.
7716 However, misuses are (or at least have been) far more common.
7718 ##### Enforcement
7720 Flag uses of `final` on classes.
7723 ### <a name="Rh-virtual-default-arg"></a>C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider
7725 ##### Reason
7727 That can cause confusion: An overrider does not inherit default arguments.
7729 ##### Example, bad
7731     class Base {
7732     public:
7733         virtual int multiply(int value, int factor = 2) = 0;
7734         virtual ~Base() = default;
7735     };
7737     class Derived : public Base {
7738     public:
7739         int multiply(int value, int factor = 10) override;
7740     };
7742     Derived d;
7743     Base& b = d;
7745     b.multiply(10);  // these two calls will call the same function but
7746     d.multiply(10);  // with different arguments and so different results
7748 ##### Enforcement
7750 Flag default arguments on virtual functions if they differ between base and derived declarations.
7752 ## C.hier-access: Accessing objects in a hierarchy
7754 ### <a name="Rh-poly"></a>C.145: Access polymorphic objects through pointers and references
7756 ##### Reason
7758 If you have a class with a virtual function, you don't (in general) know which class provided the function to be used.
7760 ##### Example
7762     struct B { int a; virtual int f(); virtual ~B() = default };
7763     struct D : B { int b; int f() override; };
7765     void use(B b)
7766     {
7767         D d;
7768         B b2 = d;   // slice
7769         B b3 = b;
7770     }
7772     void use2()
7773     {
7774         D d;
7775         use(d);   // slice
7776     }
7778 Both `d`s are sliced.
7780 ##### Exception
7782 You can safely access a named polymorphic object in the scope of its definition, just don't slice it.
7784     void use3()
7785     {
7786         D d;
7787         d.f();   // OK
7788     }
7790 ##### See also
7792 [A polymorphic class should suppress copying](#Rc-copy-virtual)
7794 ##### Enforcement
7796 Flag all slicing.
7798 ### <a name="Rh-dynamic_cast"></a>C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable
7800 ##### Reason
7802 `dynamic_cast` is checked at run time.
7804 ##### Example
7806     struct B {   // an interface
7807         virtual void f();
7808         virtual void g();
7809         virtual ~B();
7810     };
7812     struct D : B {   // a wider interface
7813         void f() override;
7814         virtual void h();
7815     };
7817     void user(B* pb)
7818     {
7819         if (D* pd = dynamic_cast<D*>(pb)) {
7820             // ... use D's interface ...
7821         }
7822         else {
7823             // ... make do with B's interface ...
7824         }
7825     }
7827 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`:
7829     void user2(B* pb)   // bad
7830     {
7831         D* pd = static_cast<D*>(pb);    // I know that pb really points to a D; trust me
7832         // ... use D's interface ...
7833     }
7835     void user3(B* pb)    // unsafe
7836     {
7837         if (some_condition) {
7838             D* pd = static_cast<D*>(pb);   // I know that pb really points to a D; trust me
7839             // ... use D's interface ...
7840         }
7841         else {
7842             // ... make do with B's interface ...
7843         }
7844     }
7846     void f()
7847     {
7848         B b;
7849         user(&b);   // OK
7850         user2(&b);  // bad error
7851         user3(&b);  // OK *if* the programmer got the some_condition check right
7852     }
7854 ##### Note
7856 Like other casts, `dynamic_cast` is overused.
7857 [Prefer virtual functions to casting](#Rh-use-virtual).
7858 Prefer [static polymorphism](#???) to hierarchy navigation where it is possible (no run-time resolution necessary)
7859 and reasonably convenient.
7861 ##### Note
7863 Some people use `dynamic_cast` where a `typeid` would have been more appropriate;
7864 `dynamic_cast` is a general "is kind of" operation for discovering the best interface to an object,
7865 whereas `typeid` is a "give me the exact type of this object" operation to discover the actual type of an object.
7866 The latter is an inherently simpler operation that ought to be faster.
7867 The latter (`typeid`) is easily hand-crafted if necessary (e.g., if working on a system where RTTI is -- for some reason -- prohibited),
7868 the former (`dynamic_cast`) is far harder to implement correctly in general.
7870 Consider:
7872     struct B {
7873         const char* name {"B"};
7874         // if pb1->id() == pb2->id() *pb1 is the same type as *pb2
7875         virtual const char* id() const { return name; }
7876         // ...
7877     };
7879     struct D : B {
7880         const char* name {"D"};
7881         const char* id() const override { return name; }
7882         // ...
7883     };
7885     void use()
7886     {
7887         B* pb1 = new B;
7888         B* pb2 = new D;
7890         cout << pb1->id(); // "B"
7891         cout << pb2->id(); // "D"
7894         if (pb1->id() == "D") {         // looks innocent
7895             D* pd = static_cast<D*>(pb1);
7896             // ...
7897         }
7898         // ...
7899     }
7901 The result of `pb2->id() == "D"` is actually implementation defined.
7902 We added it to warn of the dangers of home-brew RTTI.
7903 This code might work as expected for years, just to fail on a new machine, new compiler, or a new linker that does not unify character literals.
7905 If you implement your own RTTI, be careful.
7907 ##### Exception
7909 If your implementation provided a really slow `dynamic_cast`, you might have to use a workaround.
7910 However, all workarounds that cannot be statically resolved involve explicit casting (typically `static_cast`) and are error-prone.
7911 You will basically be crafting your own special-purpose `dynamic_cast`.
7912 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)
7913 and that your use of `dynamic_cast` is really performance critical.
7915 We are of the opinion that current implementations of `dynamic_cast` are unnecessarily slow.
7916 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).
7917 However, compatibility makes changes difficult even if all agree that an effort to optimize is worthwhile.
7919 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.
7921 ##### Exception
7923 Consider:
7925     template<typename B>
7926     class Dx : B {
7927         // ...
7928     };
7930 ##### Enforcement
7932 * Flag all uses of `static_cast` for downcasts, including C-style casts that perform a `static_cast`.
7933 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-downcast).
7935 ### <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
7937 ##### Reason
7939 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.
7941 ##### Example
7943     ???
7945 ##### Enforcement
7949 ### <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
7951 ##### Reason
7953 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.
7955 Contrast with [C.147](#Rh-ptr-cast), where failure is an error, and should not be used for conditional execution.
7957 ##### Example
7959 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.
7960 In this example, `Shape` does not inherit from `Geometric_attributes`. Only its subclasses do.
7962     void add(Shape* const item)
7963     {
7964       // Ownership is always taken
7965       owned_shapes.emplace_back(item);
7967       // Check the Geometric_attributes and add the shape to none/one/some/all of the views
7969       if (auto even = dynamic_cast<Even_sided*>(item))
7970       {
7971         view_of_evens.emplace_back(even);
7972       }
7974       if (auto trisym = dynamic_cast<Trilaterally_symmetrical*>(item))
7975       {
7976         view_of_trisyms.emplace_back(trisym);
7977       }
7978     }
7980 ##### Notes
7982 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.
7983 Therefore the result of the `dynamic_cast` should always be treated as if it might contain a null value, and tested.
7985 ##### Enforcement
7987 * (Complex) Unless there is a null test on the result of a `dynamic_cast` of a pointer type, warn upon dereference of the pointer.
7989 ### <a name="Rh-smart"></a>C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`
7991 ##### Reason
7993 Avoid resource leaks.
7995 ##### Example
7997     void use(int i)
7998     {
7999         auto p = new int {7};           // bad: initialize local pointers with new
8000         auto q = make_unique<int>(9);   // ok: guarantee the release of the memory-allocated for 9
8001         if (0 < i) return;              // maybe return and leak
8002         delete p;                       // too late
8003     }
8005 ##### Enforcement
8007 * Flag initialization of a naked pointer with the result of a `new`
8008 * Flag `delete` of local variable
8010 ### <a name="Rh-make_unique"></a>C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s
8012 See [R.23](#Rr-make_unique)
8014 ### <a name="Rh-make_shared"></a>C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s
8016 See [R.22](#Rr-make_shared)
8018 ### <a name="Rh-array"></a>C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base
8020 ##### Reason
8022 Subscripting the resulting base pointer will lead to invalid object access and probably to memory corruption.
8024 ##### Example
8026     struct B { int x; };
8027     struct D : B { int y; };
8029     void use(B*);
8031     D a[] = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};
8032     B* p = a;     // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
8033     p[1].x = 7;   // overwrite D[0].y
8035     use(a);       // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
8037 ##### Enforcement
8039 * Flag all combinations of array decay and base to derived conversions.
8040 * 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`
8043 ### <a name="Rh-use-virtual"></a>C.153: Prefer virtual function to casting
8045 ##### Reason
8047 A virtual function call is safe, whereas casting is error-prone.
8048 A virtual function call reaches the most derived function, whereas a cast might reach an intermediate class and therefore
8049 give a wrong result (especially as a hierarchy is modified during maintenance).
8051 ##### Example
8053     ???
8055 ##### Enforcement
8057 See [C.146](#Rh-dynamic_cast) and ???
8059 ## <a name="SS-overload"></a>C.over: Overloading and overloaded operators
8061 You can overload ordinary functions, function templates, and operators.
8062 You cannot overload function objects.
8064 Overload rule summary:
8066 * [C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage](#Ro-conventional)
8067 * [C.161: Use non-member functions for symmetric operators](#Ro-symmetric)
8068 * [C.162: Overload operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent)
8069 * [C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent-2)
8070 * [C.164: Avoid implicit conversion operators](#Ro-conversion)
8071 * [C.165: Use `using` for customization points](#Ro-custom)
8072 * [C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references](#Ro-address-of)
8073 * [C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning](#Ro-overload)
8074 * [C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands](#Ro-namespace)
8075 * [C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda](#Ro-lambda)
8077 ### <a name="Ro-conventional"></a>C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage
8079 ##### Reason
8081 Minimize surprises.
8083 ##### Example
8085     class X {
8086     public:
8087         // ...
8088         X& operator=(const X&); // member function defining assignment
8089         friend bool operator==(const X&, const X&); // == needs access to representation
8090                                                     // after a = b we have a == b
8091         // ...
8092     };
8094 Here, the conventional semantics is maintained: [Copies compare equal](#SS-copy).
8096 ##### Example, bad
8098     X operator+(X a, X b) { return a.v - b.v; }   // bad: makes + subtract
8100 ##### Note
8102 Non-member operators should be either friends or defined in [the same namespace as their operands](#Ro-namespace).
8103 [Binary operators should treat their operands equivalently](#Ro-symmetric).
8105 ##### Enforcement
8107 Possibly impossible.
8109 ### <a name="Ro-symmetric"></a>C.161: Use non-member functions for symmetric operators
8111 ##### Reason
8113 If you use member functions, you need two.
8114 Unless you use a non-member function for (say) `==`, `a == b` and `b == a` will be subtly different.
8116 ##### Example
8118     bool operator==(Point a, Point b) { return a.x == b.x && a.y == b.y; }
8120 ##### Enforcement
8122 Flag member operator functions.
8124 ### <a name="Ro-equivalent"></a>C.162: Overload operations that are roughly equivalent
8126 ##### Reason
8128 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.
8130 ##### Example
8132 Consider:
8134     void print(int a);
8135     void print(int a, int base);
8136     void print(const string&);
8138 These three functions all print their arguments (appropriately). Conversely:
8140     void print_int(int a);
8141     void print_based(int a, int base);
8142     void print_string(const string&);
8144 These three functions all print their arguments (appropriately). Adding to the name just introduced verbosity and inhibits generic code.
8146 ##### Enforcement
8150 ### <a name="Ro-equivalent-2"></a>C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent
8152 ##### Reason
8154 Having the same name for logically different functions is confusing and leads to errors when using generic programming.
8156 ##### Example
8158 Consider:
8160     void open_gate(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8161     void fopen(const char* name, const char* mode);   // open file
8163 The two operations are fundamentally different (and unrelated) so it is good that their names differ. Conversely:
8165     void open(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8166     void open(const char* name, const char* mode ="r");   // open file
8168 The two operations are still fundamentally different (and unrelated) but the names have been reduced to their (common) minimum, opening opportunities for confusion.
8169 Fortunately, the type system will catch many such mistakes.
8171 ##### Note
8173 Be particularly careful about common and popular names, such as `open`, `move`, `+`, and `==`.
8175 ##### Enforcement
8179 ### <a name="Ro-conversion"></a>C.164: Avoid implicit conversion operators
8181 ##### Reason
8183 Implicit conversions can be essential (e.g., `double` to `int`) but often cause surprises (e.g., `String` to C-style string).
8185 ##### Note
8187 Prefer explicitly named conversions until a serious need is demonstrated.
8188 By "serious need" we mean a reason that is fundamental in the application domain (such as an integer to complex number conversion)
8189 and frequently needed. Do not introduce implicit conversions (through conversion operators or non-`explicit` constructors)
8190 just to gain a minor convenience.
8192 ##### Example
8194     struct S1 {
8195         string s;
8196         // ...
8197         operator char*() { return s.data(); }  // BAD, likely to cause surprises
8198     };
8200     struct S2 {
8201         string s;
8202         // ...
8203         explicit operator char*() { return s.data(); }
8204     };
8206     void f(S1 s1, S2 s2)
8207     {
8208         char* x1 = s1;     // OK, but can cause surprises in many contexts
8209         char* x2 = s2;     // error (and that's usually a good thing)
8210         char* x3 = static_cast<char*>(s2); // we can be explicit (on your head be it)
8211     }
8213 The surprising and potentially damaging implicit conversion can occur in arbitrarily hard-to spot contexts, e.g.,
8215     S1 ff();
8217     char* g()
8218     {
8219         return ff();
8220     }
8222 The string returned by `ff()` is destroyed before the returned pointer into it can be used.
8224 ##### Enforcement
8226 Flag all conversion operators.
8228 ### <a name="Ro-custom"></a>C.165: Use `using` for customization points
8230 ##### Reason
8232 To find function objects and functions defined in a separate namespace to "customize" a common function.
8234 ##### Example
8236 Consider `swap`. It is a general (standard-library) function with a definition that will work for just about any type.
8237 However, it is desirable to define specific `swap()`s for specific types.
8238 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.
8240     namespace N {
8241         My_type X { /* ... */ };
8242         void swap(X&, X&);   // optimized swap for N::X
8243         // ...
8244     }
8246     void f1(N::X& a, N::X& b)
8247     {
8248         std::swap(a, b);   // probably not what we wanted: calls std::swap()
8249     }
8251 The `std::swap()` in `f1()` does exactly what we asked it to do: it calls the `swap()` in namespace `std`.
8252 Unfortunately, that's probably not what we wanted.
8253 How do we get `N::X` considered?
8255     void f2(N::X& a, N::X& b)
8256     {
8257         swap(a, b);   // calls N::swap
8258     }
8260 But that might not be what we wanted for generic code.
8261 There, we typically want the specific function if it exists and the general function if not.
8262 This is done by including the general function in the lookup for the function:
8264     void f3(N::X& a, N::X& b)
8265     {
8266         using std::swap;  // make std::swap available
8267         swap(a, b);        // calls N::swap if it exists, otherwise std::swap
8268     }
8270 ##### Enforcement
8272 Unlikely, except for known customization points, such as `swap`.
8273 The problem is that the unqualified and qualified lookups both have uses.
8275 ### <a name="Ro-address-of"></a>C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references
8277 ##### Reason
8279 The `&` operator is fundamental in C++.
8280 Many parts of the C++ semantics assumes its default meaning.
8282 ##### Example
8284     class Ptr { // a somewhat smart pointer
8285         Ptr(X* pp) : p(pp) { /* check */ }
8286         X* operator->() { /* check */ return p; }
8287         X operator[](int i);
8288         X operator*();
8289     private:
8290         T* p;
8291     };
8293     class X {
8294         Ptr operator&() { return Ptr{this}; }
8295         // ...
8296     };
8298 ##### Note
8300 If you "mess with" operator `&` be sure that its definition has matching meanings for `->`, `[]`, `*`, and `.` on the result type.
8301 Note that operator `.` currently cannot be overloaded so a perfect system is impossible.
8302 We hope to remedy that: <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4477.pdf>.
8303 Note that `std::addressof()` always yields a built-in pointer.
8305 ##### Enforcement
8307 Tricky. Warn if `&` is user-defined without also defining `->` for the result type.
8309 ### <a name="Ro-overload"></a>C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning
8311 ##### Reason
8313 Readability. Convention. Reusability. Support for generic code
8315 ##### Example
8317     void cout_my_class(const My_class& c) // confusing, not conventional,not generic
8318     {
8319         std::cout << /* class members here */;
8320     }
8322     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const my_class& c) // OK
8323     {
8324         return os << /* class members here */;
8325     }
8327 By itself, `cout_my_class` would be OK, but it is not usable/composable with code that rely on the `<<` convention for output:
8329     My_class var { /* ... */ };
8330     // ...
8331     cout << "var = " << var << '\n';
8333 ##### Note
8335 There are strong and vigorous conventions for the meaning most operators, such as
8337 * comparisons (`==`, `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`),
8338 * arithmetic operations (`+`, `-`, `*`, `/`, and `%`)
8339 * access operations (`.`, `->`, unary `*`, and `[]`)
8340 * assignment (`=`)
8342 Don't define those unconventionally and don't invent your own names for them.
8344 ##### Enforcement
8346 Tricky. Requires semantic insight.
8348 ### <a name="Ro-namespace"></a>C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands
8350 ##### Reason
8352 Readability.
8353 Ability for find operators using ADL.
8354 Avoiding inconsistent definition in different namespaces
8356 ##### Example
8358     struct S { };
8359     bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8360     S s;
8362     bool x = (s == s);
8364 This is what a default `==` would do, if we had such defaults.
8366 ##### Example
8368     namespace N {
8369         struct S { };
8370         bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8371     }
8373     N::S s;
8375     bool x = (s == s);  // finds N::operator==() by ADL
8377 ##### Example, bad
8379     struct S { };
8380     S s;
8382     namespace N {
8383         S::operator!(S a) { return true; }
8384         S not_s = !s;
8385     }
8387     namespace M {
8388         S::operator!(S a) { return false; }
8389         S not_s = !s;
8390     }
8392 Here, the meaning of `!s` differs in `N` and `M`.
8393 This can be most confusing.
8394 Remove the definition of `namespace M` and the confusion is replaced by an opportunity to make the mistake.
8396 ##### Note
8398 If a binary operator is defined for two types that are defined in different namespaces, you cannot follow this rule.
8399 For example:
8401     Vec::Vector operator*(const Vec::Vector&, const Mat::Matrix&);
8403 This might be something best avoided.
8405 ##### See also
8407 This is a special case of the rule that [helper functions should be defined in the same namespace as their class](#Rc-helper).
8409 ##### Enforcement
8411 * Flag operator definitions that are not in the namespace of their operands
8413 ### <a name="Ro-lambda"></a>C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda
8415 ##### Reason
8417 You cannot overload by defining two different lambdas with the same name.
8419 ##### Example
8421     void f(int);
8422     void f(double);
8423     auto f = [](char);   // error: cannot overload variable and function
8425     auto g = [](int) { /* ... */ };
8426     auto g = [](double) { /* ... */ };   // error: cannot overload variables
8428     auto h = [](auto) { /* ... */ };   // OK
8430 ##### Enforcement
8432 The compiler catches the attempt to overload a lambda.
8434 ## <a name="SS-union"></a>C.union: Unions
8436 A `union` is a `struct` where all members start at the same address so that it can hold only one member at a time.
8437 A `union` does not keep track of which member is stored so the programmer has to get it right;
8438 this is inherently error-prone, but there are ways to compensate.
8440 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*.
8442 Union rule summary:
8444 * [C.180: Use `union`s to save Memory](#Ru-union)
8445 * [C.181: Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8446 * [C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions](#Ru-anonymous)
8447 * [C.183: Don't use a `union` for type punning](#Ru-pun)
8448 * ???
8450 ### <a name="Ru-union"></a>C.180: Use `union`s to save memory
8452 ##### Reason
8454 A `union` allows a single piece of memory to be used for different types of objects at different times.
8455 Consequently, it can be used to save memory when we have several objects that are never used at the same time.
8457 ##### Example
8459     union Value {
8460         int x;
8461         double d;
8462     };
8464     Value v = { 123 };  // now v holds an int
8465     cout << v.x << '\n';    // write 123
8466     v.d = 987.654;  // now v holds a double
8467     cout << v.d << '\n';    // write 987.654
8469 But heed the warning: [Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8471 ##### Example
8473     // Short-string optimization
8475     constexpr size_t buffer_size = 16; // Slightly larger than the size of a pointer
8477     class Immutable_string {
8478     public:
8479         Immutable_string(const char* str) :
8480             size(strlen(str))
8481         {
8482             if (size < buffer_size)
8483                 strcpy_s(string_buffer, buffer_size, str);
8484             else {
8485                 string_ptr = new char[size + 1];
8486                 strcpy_s(string_ptr, size + 1, str);
8487             }
8488         }
8490         ~Immutable_string()
8491         {
8492             if (size >= buffer_size)
8493                 delete[] string_ptr;
8494         }
8496         const char* get_str() const
8497         {
8498             return (size < buffer_size) ? string_buffer : string_ptr;
8499         }
8501     private:
8502         // If the string is short enough, we store the string itself
8503         // instead of a pointer to the string.
8504         union {
8505             char* string_ptr;
8506             char string_buffer[buffer_size];
8507         };
8509         const size_t size;
8510     };
8512 ##### Enforcement
8516 ### <a name="Ru-naked"></a>C.181: Avoid "naked" `union`s
8518 ##### Reason
8520 A *naked union* is a union without an associated indicator which member (if any) it holds,
8521 so that the programmer has to keep track.
8522 Naked unions are a source of type errors.
8524 ##### Example, bad
8526     union Value {
8527         int x;
8528         double d;
8529     };
8531     Value v;
8532     v.d = 987.654;  // v holds a double
8534 So far, so good, but we can easily misuse the `union`:
8536     cout << v.x << '\n';    // BAD, undefined behavior: v holds a double, but we read it as an int
8538 Note that the type error happened without any explicit cast.
8539 When we tested that program the last value printed was `1683627180` which is the integer value for the bit pattern for `987.654`.
8540 What we have here is an "invisible" type error that happens to give a result that could easily look innocent.
8542 And, talking about "invisible", this code produced no output:
8544     v.x = 123;
8545     cout << v.d << '\n';    // BAD: undefined behavior
8547 ##### Alternative
8549 Wrap a `union` in a class together with a type field.
8551 The C++17 `variant` type (found in `<variant>`) does that for you:
8553     variant<int, double> v;
8554     v = 123;        // v holds an int
8555     int x = get<int>(v);
8556     v = 123.456;    // v holds a double
8557     w = get<double>(v);
8559 ##### Enforcement
8563 ### <a name="Ru-anonymous"></a>C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions
8565 ##### Reason
8567 A well-designed tagged union is type safe.
8568 An *anonymous* union simplifies the definition of a class with a (tag, union) pair.
8570 ##### Example
8572 This example is mostly borrowed from TC++PL4 pp216-218.
8573 You can look there for an explanation.
8575 The code is somewhat elaborate.
8576 Handling a type with user-defined assignment and destructor is tricky.
8577 Saving programmers from having to write such code is one reason for including `variant` in the standard.
8579     class Value { // two alternative representations represented as a union
8580     private:
8581         enum class Tag { number, text };
8582         Tag type; // discriminant
8584         union { // representation (note: anonymous union)
8585             int i;
8586             string s; // string has default constructor, copy operations, and destructor
8587         };
8588     public:
8589         struct Bad_entry { }; // used for exceptions
8591         ~Value();
8592         Value& operator=(const Value&);   // necessary because of the string variant
8593         Value(const Value&);
8594         // ...
8595         int number() const;
8596         string text() const;
8598         void set_number(int n);
8599         void set_text(const string&);
8600         // ...
8601     };
8603     int Value::number() const
8604     {
8605         if (type != Tag::number) throw Bad_entry{};
8606         return i;
8607     }
8609     string Value::text() const
8610     {
8611         if (type != Tag::text) throw Bad_entry{};
8612         return s;
8613     }
8615     void Value::set_number(int n)
8616     {
8617         if (type == Tag::text) {
8618             s.~string();      // explicitly destroy string
8619             type = Tag::number;
8620         }
8621         i = n;
8622     }
8624     void Value::set_text(const string& ss)
8625     {
8626         if (type == Tag::text)
8627             s = ss;
8628         else {
8629             new(&s) string{ss};   // placement new: explicitly construct string
8630             type = Tag::text;
8631         }
8632     }
8634     Value& Value::operator=(const Value& e)   // necessary because of the string variant
8635     {
8636         if (type == Tag::text && e.type == Tag::text) {
8637             s = e.s;    // usual string assignment
8638             return *this;
8639         }
8641         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8643         switch (e.type) {
8644         case Tag::number:
8645             i = e.i;
8646             break;
8647         case Tag::text:
8648             new(&s) string(e.s);   // placement new: explicit construct
8649         }
8651         type = e.type;
8652         return *this;
8653     }
8655     Value::~Value()
8656     {
8657         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8658     }
8660 ##### Enforcement
8664 ### <a name="Ru-pun"></a>C.183: Don't use a `union` for type punning
8666 ##### Reason
8668 It is undefined behavior to read a `union` member with a different type from the one with which it was written.
8669 Such punning is invisible, or at least harder to spot than using a named cast.
8670 Type punning using a `union` is a source of errors.
8672 ##### Example, bad
8674     union Pun {
8675         int x;
8676         unsigned char c[sizeof(int)];
8677     };
8679 The idea of `Pun` is to be able to look at the character representation of an `int`.
8681     void bad(Pun& u)
8682     {
8683         u.x = 'x';
8684         cout << u.c[0] << '\n';     // undefined behavior
8685     }
8687 If you wanted to see the bytes of an `int`, use a (named) cast:
8689     void if_you_must_pun(int& x)
8690     {
8691         auto p = reinterpret_cast<unsigned char*>(&x);
8692         cout << p[0] << '\n';     // OK; better
8693         // ...
8694     }
8696 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),
8697 but at least we can see that something tricky is going on.
8699 ##### Note
8701 Unfortunately, `union`s are commonly used for type punning.
8702 We don't consider "sometimes, it works as expected" a conclusive argument.
8704 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.
8706 ##### Enforcement
8712 # <a name="S-enum"></a>Enum: Enumerations
8714 Enumerations are used to define sets of integer values and for defining types for such sets of values.
8715 There are two kind of enumerations, "plain" `enum`s and `class enum`s.
8717 Enumeration rule summary:
8719 * [Enum.1: Prefer enumerations over macros](#Renum-macro)
8720 * [Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants](#Renum-set)
8721 * [Enum.3: Prefer `enum class`es over "plain" `enum`s](#Renum-class)
8722 * [Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use](#Renum-oper)
8723 * [Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators](#Renum-caps)
8724 * [Enum.6: Avoid unnamed enumerations](#Renum-unnamed)
8725 * [Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary](#Renum-underlying)
8726 * [Enum.8: Specify enumerator values only when necessary](#Renum-value)
8728 ### <a name="Renum-macro"></a>Enum.1: Prefer enumerations over macros
8730 ##### Reason
8732 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.
8734 ##### Example
8736 First some bad old code:
8738     // webcolors.h (third party header)
8739     #define RED   0xFF0000
8740     #define GREEN 0x00FF00
8741     #define BLUE  0x0000FF
8743     // productinfo.h
8744     // The following define product subtypes based on color
8745     #define RED    0
8746     #define PURPLE 1
8747     #define BLUE   2
8749     int webby = BLUE;   // webby == 2; probably not what was desired
8751 Instead use an `enum`:
8753     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8754     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8756     int webby = blue;   // error: be specific
8757     Web_color webby = Web_color::blue;
8759 We used an `enum class` to avoid name clashes.
8761 ##### Enforcement
8763 Flag macros that define integer values.
8766 ### <a name="Renum-set"></a>Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants
8768 ##### Reason
8770 An enumeration shows the enumerators to be related and can be a named type.
8774 ##### Example
8776     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8779 ##### Note
8781 Switching on an enumeration is common and the compiler can warn against unusual patterns of case labels. For example:
8783     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8785     void print(Product_info inf)
8786     {
8787         switch (inf) {
8788         case Product_info::red: cout << "red"; break;
8789         case Product_info::purple: cout << "purple"; break;
8790         }
8791     }
8793 Such off-by-one `switch`-statements are often the results of an added enumerator and insufficient testing.
8795 ##### Enforcement
8797 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover most but not all enumerators of an enumeration.
8798 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover a few enumerators of an enumeration, but has no `default`.
8801 ### <a name="Renum-class"></a>Enum.3: Prefer class enums over "plain" enums
8803 ##### Reason
8805 To minimize surprises: traditional enums convert to int too readily.
8807 ##### Example
8809     void Print_color(int color);
8811     enum Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8812     enum Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8814     Web_color webby = Web_color::blue;
8816     // Clearly at least one of these calls is buggy.
8817     Print_color(webby);
8818     Print_color(Product_info::blue);
8820 Instead use an `enum class`:
8822     void Print_color(int color);
8824     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8825     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8827     Web_color webby = Web_color::blue;
8828     Print_color(webby);  // Error: cannot convert Web_color to int.
8829     Print_color(Product_info::red);  // Error: cannot convert Product_info to int.
8831 ##### Enforcement
8833 (Simple) Warn on any non-class `enum` definition.
8835 ### <a name="Renum-oper"></a>Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use
8837 ##### Reason
8839 Convenience of use and avoidance of errors.
8841 ##### Example
8843     enum Day { mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun };
8845     Day& operator++(Day& d)
8846     {
8847         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : static_cast<Day>(static_cast<int>(d)+1);
8848     }
8850     Day today = Day::sat;
8851     Day tomorrow = ++today;
8853 The use of a `static_cast` is not pretty, but
8855     Day& operator++(Day& d)
8856     {
8857         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : Day{++d};    // error
8858     }
8860 is an infinite recursion, and writing it without a cast, using a `switch` on all cases is long-winded.
8863 ##### Enforcement
8865 Flag repeated expressions cast back into an enumeration.
8868 ### <a name="Renum-caps"></a>Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators
8870 ##### Reason
8872 Avoid clashes with macros.
8874 ##### Example, bad
8876      // webcolors.h (third party header)
8877     #define RED   0xFF0000
8878     #define GREEN 0x00FF00
8879     #define BLUE  0x0000FF
8881     // productinfo.h
8882     // The following define product subtypes based on color
8884     enum class Product_info { RED, PURPLE, BLUE };   // syntax error
8886 ##### Enforcement
8888 Flag ALL_CAPS enumerators.
8890 ### <a name="Renum-unnamed"></a>Enum.6: Avoid unnamed enumerations
8892 ##### Reason
8894 If you can't name an enumeration, the values are not related
8896 ##### Example, bad
8898     enum { red = 0xFF0000, scale = 4, is_signed = 1 };
8900 Such code is not uncommon in code written before there were convenient alternative ways of specifying integer constants.
8902 ##### Alternative
8904 Use `constexpr` values instead. For example:
8906     constexpr int red = 0xFF0000;
8907     constexpr short scale = 4;
8908     constexpr bool is_signed = true;
8910 ##### Enforcement
8912 Flag unnamed enumerations.
8915 ### <a name="Renum-underlying"></a>Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary
8917 ##### Reason
8919 The default is the easiest to read and write.
8920 `int` is the default integer type.
8921 `int` is compatible with C `enum`s.
8923 ##### Example
8925     enum class Direction : char { n, s, e, w,
8926                                   ne, nw, se, sw };  // underlying type saves space
8928     enum class Web_color : int32_t { red   = 0xFF0000,
8929                                      green = 0x00FF00,
8930                                      blue  = 0x0000FF };  // underlying type is redundant
8932 ##### Note
8934 Specifying the underlying type is necessary in forward declarations of enumerations:
8936     enum Flags : char;
8938     void f(Flags);
8940     // ....
8942     enum flags : char { /* ... */ };
8945 ##### Enforcement
8947 ????
8950 ### <a name="Renum-value"></a>Enum.8: Specify enumerator values only when necessary
8952 ##### Reason
8954 It's the simplest.
8955 It avoids duplicate enumerator values.
8956 The default gives a consecutive set of values that is good for `switch`-statement implementations.
8958 ##### Example
8960     enum class Col1 { red, yellow, blue };
8961     enum class Col2 { red = 1, yellow = 2, blue = 2 }; // typo
8962     enum class Month { jan = 1, feb, mar, apr, may, jun,
8963                        jul, august, sep, oct, nov, dec }; // starting with 1 is conventional
8964     enum class Base_flag { dec = 1, oct = dec << 1, hex = dec << 2 }; // set of bits
8966 Specifying values is necessary to match conventional values (e.g., `Month`)
8967 and where consecutive values are undesirable (e.g., to get separate bits as in `Base_flag`).
8969 ##### Enforcement
8971 * Flag duplicate enumerator values
8972 * Flag explicitly specified all-consecutive enumerator values
8975 # <a name="S-resource"></a>R: Resource management
8977 This section contains rules related to resources.
8978 A resource is anything that must be acquired and (explicitly or implicitly) released, such as memory, file handles, sockets, and locks.
8979 The reason it must be released is typically that it can be in short supply, so even delayed release might do harm.
8980 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.
8981 An entity that is responsible for releasing a resource is called an owner.
8983 There are a few cases where leaks can be acceptable or even optimal:
8984 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.
8985 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.
8986 Here, we ignore such cases.
8988 * Resource management rule summary:
8990   * [R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)](#Rr-raii)
8991   * [R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)](#Rr-use-ptr)
8992   * [R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning](#Rr-ptr)
8993   * [R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning](#Rr-ref)
8994   * [R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily](#Rr-scoped)
8995   * [R.6: Avoid non-`const` global variables](#Rr-global)
8997 * Allocation and deallocation rule summary:
8999   * [R.10: Avoid `malloc()` and `free()`](#Rr-mallocfree)
9000   * [R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly](#Rr-newdelete)
9001   * [R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object](#Rr-immediate-alloc)
9002   * [R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement](#Rr-single-alloc)
9003   * [R.14: Avoid `[]` parameters, prefer `span`](#Rr-ap)
9004   * [R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs](#Rr-pair)
9006 * <a name="Rr-summary-smartptrs"></a>Smart pointer rule summary:
9008   * [R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership](#Rr-owner)
9009   * [R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership](#Rr-unique)
9010   * [R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s](#Rr-make_shared)
9011   * [R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s](#Rr-make_unique)
9012   * [R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s](#Rr-weak_ptr)
9013   * [R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics](#Rr-smartptrparam)
9014   * [R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`](#Rr-smart)
9015   * [R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`](#Rr-uniqueptrparam)
9016   * [R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the `widget`](#Rr-reseat)
9017   * [R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner](#Rr-sharedptrparam-owner)
9018   * [R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer](#Rr-sharedptrparam)
9019   * [R.36: Take a `const shared_ptr<widget>&` parameter to express that it might retain a reference count to the object ???](#Rr-sharedptrparam-const)
9020   * [R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer](#Rr-smartptrget)
9022 ### <a name="Rr-raii"></a>R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)
9024 ##### Reason
9026 To avoid leaks and the complexity of manual resource management.
9027 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`.
9028 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.
9030 ##### Example, bad
9032 Consider:
9034     void send(X* x, string_view destination)
9035     {
9036         auto port = open_port(destination);
9037         my_mutex.lock();
9038         // ...
9039         send(port, x);
9040         // ...
9041         my_mutex.unlock();
9042         close_port(port);
9043         delete x;
9044     }
9046 In this code, you have to remember to `unlock`, `close_port`, and `delete` on all paths, and do each exactly once.
9047 Further, if any of the code marked `...` throws an exception, then `x` is leaked and `my_mutex` remains locked.
9049 ##### Example
9051 Consider:
9053     void send(unique_ptr<X> x, string_view destination)  // x owns the X
9054     {
9055         Port port{destination};            // port owns the PortHandle
9056         lock_guard<mutex> guard{my_mutex}; // guard owns the lock
9057         // ...
9058         send(port, x);
9059         // ...
9060     } // automatically unlocks my_mutex and deletes the pointer in x
9062 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.
9064 What is `Port`? A handy wrapper that encapsulates the resource:
9066     class Port {
9067         PortHandle port;
9068     public:
9069         Port(string_view destination) : port{open_port(destination)} { }
9070         ~Port() { close_port(port); }
9071         operator PortHandle() { return port; }
9073         // port handles can't usually be cloned, so disable copying and assignment if necessary
9074         Port(const Port&) = delete;
9075         Port& operator=(const Port&) = delete;
9076     };
9078 ##### Note
9080 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)
9082 **See also**: [RAII](#Re-raii)
9084 ### <a name="Rr-use-ptr"></a>R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)
9086 ##### Reason
9088 Arrays are best represented by a container type (e.g., `vector` (owning)) or a `span` (non-owning).
9089 Such containers and views hold sufficient information to do range checking.
9091 ##### Example, bad
9093     void f(int* p, int n)   // n is the number of elements in p[]
9094     {
9095         // ...
9096         p[2] = 7;   // bad: subscript raw pointer
9097         // ...
9098     }
9100 The compiler does not read comments, and without reading other code you do not know whether `p` really points to `n` elements.
9101 Use a `span` instead.
9103 ##### Example
9105     void g(int* p, int fmt)   // print *p using format #fmt
9106     {
9107         // ... uses *p and p[0] only ...
9108     }
9110 ##### Exception
9112 C-style strings are passed as single pointers to a zero-terminated sequence of characters.
9113 Use `zstring` rather than `char*` to indicate that you rely on that convention.
9115 ##### Note
9117 Many current uses of pointers to a single element could be references.
9118 However, where `nullptr` is a possible value, a reference might not be a reasonable alternative.
9120 ##### Enforcement
9122 * Flag pointer arithmetic (including `++`) on a pointer that is not part of a container, view, or iterator.
9123   This rule would generate a huge number of false positives if applied to an older code base.
9124 * Flag array names passed as simple pointers
9126 ### <a name="Rr-ptr"></a>R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning
9128 ##### Reason
9130 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw pointers are non-owning.
9131 We want owning pointers identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9133 ##### Example
9135     void f()
9136     {
9137         int* p1 = new int{7};           // bad: raw owning pointer
9138         auto p2 = make_unique<int>(7);  // OK: the int is owned by a unique pointer
9139         // ...
9140     }
9142 The `unique_ptr` protects against leaks by guaranteeing the deletion of its object (even in the presence of exceptions). The `T*` does not.
9144 ##### Example
9146     template<typename T>
9147     class X {
9148     public:
9149         T* p;   // bad: it is unclear whether p is owning or not
9150         T* q;   // bad: it is unclear whether q is owning or not
9151         // ...
9152     };
9154 We can fix that problem by making ownership explicit:
9156     template<typename T>
9157     class X2 {
9158     public:
9159         owner<T*> p;  // OK: p is owning
9160         T* q;         // OK: q is not owning
9161         // ...
9162     };
9164 ##### Exception
9166 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.
9167 The fact that there are billions of lines of code that violate this rule against owning `T*`s cannot be ignored.
9168 We'd love to see program transformation tools turning 20-year-old "legacy" code into shiny modern code,
9169 we encourage the development, deployment and use of such tools,
9170 we hope the guidelines will help the development of such tools,
9171 and we even contributed (and contribute) to the research and development in this area.
9172 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.
9174 This code cannot all be rewritten (even assuming good code transformation software), especially not soon.
9175 This problem cannot be solved (at scale) by transforming all owning pointers to `unique_ptr`s and `shared_ptr`s,
9176 partly because we need/use owning "raw pointers" as well as simple pointers in the implementation of our fundamental resource handles.
9177 For example, common `vector` implementations have one owning pointer and two non-owning pointers.
9178 Many ABIs (and essentially all interfaces to C code) use `T*`s, some of them owning.
9179 Some interfaces cannot be simply annotated with `owner` because they need to remain compilable as C
9180 (although this would be a rare good use for a macro, that expands to `owner` in C++ mode only).
9182 ##### Note
9184 `owner<T*>` has no default semantics beyond `T*`. It can be used without changing any code using it and without affecting ABIs.
9185 It is simply an indicator to programmers and analysis tools.
9186 For example, if an `owner<T*>` is a member of a class, that class better have a destructor that `delete`s it.
9188 ##### Example, bad
9190 Returning a (raw) pointer imposes a lifetime management uncertainty on the caller; that is, who deletes the pointed-to object?
9192     Gadget* make_gadget(int n)
9193     {
9194         auto p = new Gadget{n};
9195         // ...
9196         return p;
9197     }
9199     void caller(int n)
9200     {
9201         auto p = make_gadget(n);   // remember to delete p
9202         // ...
9203         delete p;
9204     }
9206 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)):
9208     Gadget make_gadget(int n)
9209     {
9210         Gadget g{n};
9211         // ...
9212         return g;
9213     }
9215 ##### Note
9217 This rule applies to factory functions.
9219 ##### Note
9221 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."
9223 ##### Enforcement
9225 * (Simple) Warn on `delete` of a raw pointer that is not an `owner<T>`.
9226 * (Moderate) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner<T>` pointer on every code path.
9227 * (Simple) Warn if the return value of `new` is assigned to a raw pointer.
9228 * (Simple) Warn if a function returns an object that was allocated within the function but has a move constructor.
9229   Suggest considering returning it by value instead.
9231 ### <a name="Rr-ref"></a>R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning
9233 ##### Reason
9235 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw references are non-owning.
9236 We want owners identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9238 ##### Example
9240     void f()
9241     {
9242         int& r = *new int{7};  // bad: raw owning reference
9243         // ...
9244         delete &r;             // bad: violated the rule against deleting raw pointers
9245     }
9247 **See also**: [The raw pointer rule](#Rr-ptr)
9249 ##### Enforcement
9251 See [the raw pointer rule](#Rr-ptr)
9253 ### <a name="Rr-scoped"></a>R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily
9255 ##### Reason
9257 A scoped object is a local object, a global object, or a member.
9258 This implies that there is no separate allocation and deallocation cost in excess of that already used for the containing scope or object.
9259 The members of a scoped object are themselves scoped and the scoped object's constructor and destructor manage the members' lifetimes.
9261 ##### Example
9263 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:
9265     void f(int n)
9266     {
9267         auto p = new Gadget{n};
9268         // ...
9269         delete p;
9270     }
9272 Instead, use a local variable:
9274     void f(int n)
9275     {
9276         Gadget g{n};
9277         // ...
9278     }
9280 ##### Enforcement
9282 * (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.
9283 * (Simple) Warn if a local `Unique_pointer` or `Shared_pointer` is not moved, copied, reassigned or `reset` before its lifetime ends.
9285 ### <a name="Rr-global"></a>R.6: Avoid non-`const` global variables
9287 See [I.2](#Ri-global)
9289 ## <a name="SS-alloc"></a>R.alloc: Allocation and deallocation
9291 ### <a name="Rr-mallocfree"></a>R.10: Avoid `malloc()` and `free()`
9293 ##### Reason
9295  `malloc()` and `free()` do not support construction and destruction, and do not mix well with `new` and `delete`.
9297 ##### Example
9299     class Record {
9300         int id;
9301         string name;
9302         // ...
9303     };
9305     void use()
9306     {
9307         // p1 might be nullptr
9308         // *p1 is not initialized; in particular,
9309         // that string isn't a string, but a string-sized bag of bits
9310         Record* p1 = static_cast<Record*>(malloc(sizeof(Record)));
9312         auto p2 = new Record;
9314         // unless an exception is thrown, *p2 is default initialized
9315         auto p3 = new(nothrow) Record;
9316         // p3 might be nullptr; if not, *p3 is default initialized
9318         // ...
9320         delete p1;    // error: cannot delete object allocated by malloc()
9321         free(p2);    // error: cannot free() object allocated by new
9322     }
9324 In some implementations that `delete` and that `free()` might work, or maybe they will cause run-time errors.
9326 ##### Exception
9328 There are applications and sections of code where exceptions are not acceptable.
9329 Some of the best such examples are in life-critical hard-real-time code.
9330 Beware that many bans on exception use are based on superstition (bad)
9331 or by concerns for older code bases with unsystematic resource management (unfortunately, but sometimes necessary).
9332 In such cases, consider the `nothrow` versions of `new`.
9334 ##### Enforcement
9336 Flag explicit use of `malloc` and `free`.
9338 ### <a name="Rr-newdelete"></a>R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly
9340 ##### Reason
9342 The pointer returned by `new` should belong to a resource handle (that can call `delete`).
9343 If the pointer returned by `new` is assigned to a plain/naked pointer, the object can be leaked.
9345 ##### Note
9347 In a large program, a naked `delete` (that is a `delete` in application code, rather than part of code devoted to resource management)
9348 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?
9349 The bug might be latent: it might emerge only during maintenance.
9350 If you have a naked `new`, you probably need a naked `delete` somewhere, so you probably have a bug.
9352 ##### Enforcement
9354 (Simple) Warn on any explicit use of `new` and `delete`. Suggest using `make_unique` instead.
9356 ### <a name="Rr-immediate-alloc"></a>R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object
9358 ##### Reason
9360 If you don't, an exception or a return might lead to a leak.
9362 ##### Example, bad
9364     void f(const string& name)
9365     {
9366         FILE* f = fopen(name, "r");            // open the file
9367         vector<char> buf(1024);
9368         auto _ = finally([f] { fclose(f); });  // remember to close the file
9369         // ...
9370     }
9372 The allocation of `buf` might fail and leak the file handle.
9374 ##### Example
9376     void f(const string& name)
9377     {
9378         ifstream f{name};   // open the file
9379         vector<char> buf(1024);
9380         // ...
9381     }
9383 The use of the file handle (in `ifstream`) is simple, efficient, and safe.
9385 ##### Enforcement
9387 * Flag explicit allocations used to initialize pointers (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9389 ### <a name="Rr-single-alloc"></a>R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement
9391 ##### Reason
9393 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.
9395 ##### Example
9397     void fun(shared_ptr<Widget> sp1, shared_ptr<Widget> sp2);
9399 This `fun` can be called like this:
9401     // BAD: potential leak
9402     fun(shared_ptr<Widget>(new Widget(a, b)), shared_ptr<Widget>(new Widget(c, d)));
9404 This is exception-unsafe because the compiler might reorder the two expressions building the function's two arguments.
9405 In particular, the compiler can interleave execution of the two expressions:
9406 Memory allocation (by calling `operator new`) could be done first for both objects, followed by attempts to call the two `Widget` constructors.
9407 If one of the constructor calls throws an exception, then the other object's memory will never be released!
9409 This subtle problem has a simple solution: Never perform more than one explicit resource allocation in a single expression statement.
9410 For example:
9412     shared_ptr<Widget> sp1(new Widget(a, b)); // Better, but messy
9413     fun(sp1, new Widget(c, d));
9415 The best solution is to avoid explicit allocation entirely use factory functions that return owning objects:
9417     fun(make_shared<Widget>(a, b), make_shared<Widget>(c, d)); // Best
9419 Write your own factory wrapper if there is not one already.
9421 ##### Enforcement
9423 * Flag expressions with multiple explicit resource allocations (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9425 ### <a name="Rr-ap"></a>R.14: Avoid `[]` parameters, prefer `span`
9427 ##### Reason
9429 An array decays to a pointer, thereby losing its size, opening the opportunity for range errors.
9430 Use `span` to preserve size information.
9432 ##### Example
9434     void f(int[]);          // not recommended
9436     void f(int*);           // not recommended for multiple objects
9437                             // (a pointer should point to a single object, do not subscript)
9439     void f(gsl::span<int>); // good, recommended
9441 ##### Enforcement
9443 Flag `[]` parameters. Use `span` instead.
9445 ### <a name="Rr-pair"></a>R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs
9447 ##### Reason
9449 Otherwise you get mismatched operations and chaos.
9451 ##### Example
9453     class X {
9454         // ...
9455         void* operator new(size_t s);
9456         void operator delete(void*);
9457         // ...
9458     };
9460 ##### Note
9462 If you want memory that cannot be deallocated, `=delete` the deallocation operation.
9463 Don't leave it undeclared.
9465 ##### Enforcement
9467 Flag incomplete pairs.
9469 ## <a name="SS-smart"></a>R.smart: Smart pointers
9471 ### <a name="Rr-owner"></a>R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership
9473 ##### Reason
9475 They can prevent resource leaks.
9477 ##### Example
9479 Consider:
9481     void f()
9482     {
9483         X x;
9484         X* p1 { new X };              // see also ???
9485         unique_ptr<X> p2 { new X };   // unique ownership; see also ???
9486         shared_ptr<X> p3 { new X };   // shared ownership; see also ???
9487         auto p4 = make_unique<X>();   // unique_ownership, preferable to the explicit use "new"
9488         auto p5 = make_shared<X>();   // shared ownership, preferable to the explicit use "new"
9489     }
9491 This will leak the object used to initialize `p1` (only).
9493 ##### Enforcement
9495 (Simple) Warn if the return value of `new` or a function call with return value of pointer type is assigned to a raw pointer.
9497 ### <a name="Rr-unique"></a>R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership
9499 ##### Reason
9501 A `unique_ptr` is conceptually simpler and more predictable (you know when destruction happens) and faster (you don't implicitly maintain a use count).
9503 ##### Example, bad
9505 This needlessly adds and maintains a reference count.
9507     void f()
9508     {
9509         shared_ptr<Base> base = make_shared<Derived>();
9510         // use base locally, without copying it -- refcount never exceeds 1
9511     } // destroy base
9513 ##### Example
9515 This is more efficient:
9517     void f()
9518     {
9519         unique_ptr<Base> base = make_unique<Derived>();
9520         // use base locally
9521     } // destroy base
9523 ##### Enforcement
9525 (Simple) Warn if a function uses a `Shared_pointer` with an object allocated within the function, but never returns the `Shared_pointer` or passes it to a function requiring a `Shared_pointer&`. Suggest using `unique_ptr` instead.
9527 ### <a name="Rr-make_shared"></a>R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s
9529 ##### Reason
9531 `make_shared` gives a more concise statement of the construction.
9532 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.
9534 ##### Example
9536 Consider:
9538     shared_ptr<X> p1 { new X{2} }; // bad
9539     auto p = make_shared<X>(2);    // good
9541 The `make_shared()` version mentions `X` only once, so it is usually shorter (as well as faster) than the version with the explicit `new`.
9543 ##### Enforcement
9545 (Simple) Warn if a `shared_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_shared`.
9547 ### <a name="Rr-make_unique"></a>R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s
9549 ##### Reason
9551 `make_unique` gives a more concise statement of the construction.
9552 It also ensures exception safety in complex expressions.
9554 ##### Example
9556     unique_ptr<Foo> p {new Foo{7}};    // OK: but repetitive
9558     auto q = make_unique<Foo>(7);      // Better: no repetition of Foo
9560 ##### Enforcement
9562 (Simple) Warn if a `unique_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_unique`.
9564 ### <a name="Rr-weak_ptr"></a>R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s
9566 ##### Reason
9568  `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
9569 be able to destroy a cyclic structure.
9571 ##### Example
9573     #include <memory>
9575     class bar;
9577     class foo {
9578     public:
9579       explicit foo(const std::shared_ptr<bar>& forward_reference)
9580         : forward_reference_(forward_reference)
9581       { }
9582     private:
9583       std::shared_ptr<bar> forward_reference_;
9584     };
9586     class bar {
9587     public:
9588       explicit bar(const std::weak_ptr<foo>& back_reference)
9589         : back_reference_(back_reference)
9590       { }
9591       void do_something()
9592       {
9593         if (auto shared_back_reference = back_reference_.lock()) {
9594           // Use *shared_back_reference
9595         }
9596       }
9597     private:
9598       std::weak_ptr<foo> back_reference_;
9599     };
9601 ##### Note
9603  ??? (HS: A lot of people say "to break cycles", while I think "temporary shared ownership" is more to the point.)
9604 ???(BS: breaking cycles is what you must do; temporarily sharing ownership is how you do it.
9605 You could "temporarily share ownership" simply by using another `shared_ptr`.)
9607 ##### Enforcement
9609 ??? probably impossible. If we could statically detect cycles, we wouldn't need `weak_ptr`
9611 ### <a name="Rr-smartptrparam"></a>R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics
9613 See [F.7](#Rf-smart).
9615 ### <a name="Rr-smart"></a>R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`
9617 ##### Reason
9619 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.
9620 You want the rules to work on all the smart pointers you use.
9622 Any type (including primary template or specialization) that overloads unary `*` and `->` is considered a smart pointer:
9624 * If it is copyable, it is recognized as a reference-counted `shared_ptr`.
9625 * If it is not copyable, it is recognized as a unique `unique_ptr`.
9627 ##### Example, bad
9629     // use Boost's intrusive_ptr
9630     #include <boost/intrusive_ptr.hpp>
9631     void f(boost::intrusive_ptr<widget> p)  // error under rule 'sharedptrparam'
9632     {
9633         p->foo();
9634     }
9636     // use Microsoft's CComPtr
9637     #include <atlbase.h>
9638     void f(CComPtr<widget> p)               // error under rule 'sharedptrparam'
9639     {
9640         p->foo();
9641     }
9643 Both cases are an error under the [`sharedptrparam` guideline](#Rr-smartptrparam):
9644 `p` is a `Shared_pointer`, but nothing about its sharedness is used here and passing it by value is a silent pessimization;
9645 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&`.
9646 These smart pointers match the `Shared_pointer` concept, so these guideline enforcement rules work on them out of the box and expose this common pessimization.
9648 ### <a name="Rr-uniqueptrparam"></a>R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`
9650 ##### Reason
9652 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's ownership transfer.
9654 ##### Example
9656     void sink(unique_ptr<widget>); // takes ownership of the widget
9658     void uses(widget*);            // just uses the widget
9660 ##### Example, bad
9662     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9664 ##### Enforcement
9666 * (Simple) Warn if a function takes a `Unique_pointer<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.
9667 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Unique_pointer<T>` parameter by reference to `const`. Suggest taking a `const T*` or `const T&` instead.
9669 ### <a name="Rr-reseat"></a>R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the`widget`
9671 ##### Reason
9673 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's reseating semantics.
9675 ##### Note
9677 "reseat" means "making a pointer or a smart pointer refer to a different object."
9679 ##### Example
9681     void reseat(unique_ptr<widget>&); // "will" or "might" reseat pointer
9683 ##### Example, bad
9685     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9687 ##### Enforcement
9689 * (Simple) Warn if a function takes a `Unique_pointer<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.
9690 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Unique_pointer<T>` parameter by reference to `const`. Suggest taking a `const T*` or `const T&` instead.
9692 ### <a name="Rr-sharedptrparam-owner"></a>R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner
9694 ##### Reason
9696 This makes the function's ownership sharing explicit.
9698 ##### Example, good
9700     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9702     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9704     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9706 ##### Enforcement
9708 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_pointer<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.
9709 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_pointer` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9710 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9712 ### <a name="Rr-sharedptrparam"></a>R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer
9714 ##### Reason
9716 This makes the function's reseating explicit.
9718 ##### Note
9720 "reseat" means "making a reference or a smart pointer refer to a different object."
9722 ##### Example, good
9724     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9726     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9728     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9730 ##### Enforcement
9732 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_pointer<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.
9733 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_pointer` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9734 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9736 ### <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 ???
9738 ##### Reason
9740 This makes the function's ??? explicit.
9742 ##### Example, good
9744     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9746     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9748     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9750 ##### Enforcement
9752 * (Simple) Warn if a function takes a `Shared_pointer<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.
9753 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by value or by reference to `const` and does not copy or move it to another `Shared_pointer` on at least one code path. Suggest taking a `T*` or `T&` instead.
9754 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9756 ### <a name="Rr-smartptrget"></a>R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer
9758 ##### Reason
9760 Violating this rule is the number one cause of losing reference counts and finding yourself with a dangling pointer.
9761 Functions should prefer to pass raw pointers and references down call chains.
9762 At the top of the call tree where you obtain the raw pointer or reference from a smart pointer that keeps the object alive.
9763 You need to be sure that the smart pointer cannot inadvertently be reset or reassigned from within the call tree below.
9765 ##### Note
9767 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.
9769 ##### Example
9771 Consider this code:
9773     // global (static or heap), or aliased local ...
9774     shared_ptr<widget> g_p = ...;
9776     void f(widget& w)
9777     {
9778         g();
9779         use(w);  // A
9780     }
9782     void g()
9783     {
9784         g_p = ...; // oops, if this was the last shared_ptr to that widget, destroys the widget
9785     }
9787 The following should not pass code review:
9789     void my_code()
9790     {
9791         // BAD: passing pointer or reference obtained from a non-local smart pointer
9792         //      that could be inadvertently reset somewhere inside f or its callees
9793         f(*g_p);
9795         // BAD: same reason, just passing it as a "this" pointer
9796         g_p->func();
9797     }
9799 The fix is simple -- take a local copy of the pointer to "keep a ref count" for your call tree:
9801     void my_code()
9802     {
9803         // cheap: 1 increment covers this entire function and all the call trees below us
9804         auto pin = g_p;
9806         // GOOD: passing pointer or reference obtained from a local unaliased smart pointer
9807         f(*pin);
9809         // GOOD: same reason
9810         pin->func();
9811     }
9813 ##### Enforcement
9815 * (Simple) Warn if a pointer or reference obtained from a smart pointer variable (`Unique_pointer` or `Shared_pointer`) that is non-local, or that is local but potentially aliased, is used in a function call. If the smart pointer is a `Shared_pointer` then suggest taking a local copy of the smart pointer and obtain a pointer or reference from that instead.
9817 # <a name="S-expr"></a>ES: Expressions and statements
9819 Expressions and statements are the lowest and most direct way of expressing actions and computation. Declarations in local scopes are statements.
9821 For naming, commenting, and indentation rules, see [NL: Naming and layout](#S-naming).
9823 General rules:
9825 * [ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"](#Res-lib)
9826 * [ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features](#Res-abstr)
9828 Declaration rules:
9830 * [ES.5: Keep scopes small](#Res-scope)
9831 * [ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope](#Res-cond)
9832 * [ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and non-local names longer](#Res-name-length)
9833 * [ES.8: Avoid similar-looking names](#Res-name-similar)
9834 * [ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names](#Res-not-CAPS)
9835 * [ES.10: Declare one name (only) per declaration](#Res-name-one)
9836 * [ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names](#Res-auto)
9837 * [ES.12: Do not reuse names in nested scopes](#Res-reuse)
9838 * [ES.20: Always initialize an object](#Res-always)
9839 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
9840 * [ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with](#Res-init)
9841 * [ES.23: Prefer the `{}`-initializer syntax](#Res-list)
9842 * [ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers](#Res-unique)
9843 * [ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on](#Res-const)
9844 * [ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
9845 * [ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack](#Res-stack)
9846 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
9847 * [ES.30: Don't use macros for program text manipulation](#Res-macros)
9848 * [ES.31: Don't use macros for constants or "functions"](#Res-macros2)
9849 * [ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names](#Res-ALL_CAPS)
9850 * [ES.33: If you must use macros, give them unique names](#Res-MACROS)
9851 * [ES.34: Don't define a (C-style) variadic function](#Res-ellipses)
9853 Expression rules:
9855 * [ES.40: Avoid complicated expressions](#Res-complicated)
9856 * [ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize](#Res-parens)
9857 * [ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward](#Res-ptr)
9858 * [ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation](#Res-order)
9859 * [ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments](#Res-order-fct)
9860 * [ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants](#Res-magic)
9861 * [ES.46: Avoid narrowing conversions](#Res-narrowing)
9862 * [ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`](#Res-nullptr)
9863 * [ES.48: Avoid casts](#Res-casts)
9864 * [ES.49: If you must use a cast, use a named cast](#Res-casts-named)
9865 * [ES.50: Don't cast away `const`](#Res-casts-const)
9866 * [ES.55: Avoid the need for range checking](#Res-range-checking)
9867 * [ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope](#Res-move)
9868 * [ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions](#Res-new)
9869 * [ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`](#Res-del)
9870 * [ES.62: Don't compare pointers into different arrays](#Res-arr2)
9871 * [ES.63: Don't slice](#Res-slice)
9872 * [ES.64: Use the `T{e}`notation for construction](#Res-construct)
9873 * [ES.65: Don't dereference an invalid pointer](#Res-deref)
9875 Statement rules:
9877 * [ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice](#Res-switch-if)
9878 * [ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice](#Res-for-range)
9879 * [ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable](#Res-for-while)
9880 * [ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable](#Res-while-for)
9881 * [ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement](#Res-for-init)
9882 * [ES.75: Avoid `do`-statements](#Res-do)
9883 * [ES.76: Avoid `goto`](#Res-goto)
9884 * [ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops](#Res-continue)
9885 * [ES.78: Don't rely on implicit fallthrough in `switch` statements](#Res-break)
9886 * [ES.79: Use `default` to handle common cases (only)](#Res-default)
9887 * [ES.84: Don't try to declare a local variable with no name](#Res-noname)
9888 * [ES.85: Make empty statements visible](#Res-empty)
9889 * [ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops](#Res-loop-counter)
9890 * [ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions](#Res-if)
9892 Arithmetic rules:
9894 * [ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic](#Res-mix)
9895 * [ES.101: Use unsigned types for bit manipulation](#Res-unsigned)
9896 * [ES.102: Use signed types for arithmetic](#Res-signed)
9897 * [ES.103: Don't overflow](#Res-overflow)
9898 * [ES.104: Don't underflow](#Res-underflow)
9899 * [ES.105: Don't divide by integer zero](#Res-zero)
9900 * [ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`](#Res-nonnegative)
9901 * [ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`](#Res-subscripts)
9903 ### <a name="Res-lib"></a>ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"
9905 ##### Reason
9907 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.
9908 The ISO C++ Standard Library is among the most widely known and best tested libraries.
9909 It is available as part of all C++ implementations.
9911 ##### Example
9913     auto sum = accumulate(begin(a), end(a), 0.0);   // good
9915 a range version of `accumulate` would be even better:
9917     auto sum = accumulate(v, 0.0); // better
9919 but don't hand-code a well-known algorithm:
9921     int max = v.size();   // bad: verbose, purpose unstated
9922     double sum = 0.0;
9923     for (int i = 0; i < max; ++i)
9924         sum = sum + v[i];
9926 ##### Exception
9928 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.
9930 ##### Enforcement
9932 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
9934 ### <a name="Res-abstr"></a>ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features
9936 ##### Reason
9938 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.
9940 ##### Example
9942     vector<string> read1(istream& is)   // good
9943     {
9944         vector<string> res;
9945         for (string s; is >> s;)
9946             res.push_back(s);
9947         return res;
9948     }
9950 The more traditional and lower-level near-equivalent is longer, messier, harder to get right, and most likely slower:
9952     char** read2(istream& is, int maxelem, int maxstring, int* nread)   // bad: verbose and incomplete
9953     {
9954         auto res = new char*[maxelem];
9955         int elemcount = 0;
9956         while (is && elemcount < maxelem) {
9957             auto s = new char[maxstring];
9958             is.read(s, maxstring);
9959             res[elemcount++] = s;
9960         }
9961         nread = &elemcount;
9962         return res;
9963     }
9965 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.
9967 ##### Enforcement
9969 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
9971 ## ES.dcl: Declarations
9973 A declaration is a statement. A declaration introduces a name into a scope and might cause the construction of a named object.
9975 ### <a name="Res-scope"></a>ES.5: Keep scopes small
9977 ##### Reason
9979 Readability. Minimize resource retention. Avoid accidental misuse of value.
9981 **Alternative formulation**: Don't declare a name in an unnecessarily large scope.
9983 ##### Example
9985     void use()
9986     {
9987         int i;    // bad: i is needlessly accessible after loop
9988         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
9989         // no intended use of i here
9990         for (int i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }  // good: i is local to for-loop
9992         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {  // good: pc is local to if-statement
9993             // ... deal with Circle ...
9994         }
9995         else {
9996             // ... handle error ...
9997         }
9998     }
10000 ##### Example, bad
10002     void use(const string& name)
10003     {
10004         string fn = name + ".txt";
10005         ifstream is {fn};
10006         Record r;
10007         is >> r;
10008         // ... 200 lines of code without intended use of fn or is ...
10009     }
10011 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`
10012 are retained for much longer than needed and that unanticipated use of `is` and `fn` could happen later in the function.
10013 In this case, it might be a good idea to factor out the read:
10015     Record load_record(const string& name)
10016     {
10017         string fn = name + ".txt";
10018         ifstream is {fn};
10019         Record r;
10020         is >> r;
10021         return r;
10022     }
10024     void use(const string& name)
10025     {
10026         Record r = load_record(name);
10027         // ... 200 lines of code ...
10028     }
10030 ##### Enforcement
10032 * Flag loop variable declared outside a loop and not used after the loop
10033 * Flag when expensive resources, such as file handles and locks are not used for N-lines (for some suitable N)
10035 ### <a name="Res-cond"></a>ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope
10037 ##### Reason
10039 Readability. Minimize resource retention.
10041 ##### Example
10043     void use()
10044     {
10045         for (string s; cin >> s;)
10046             v.push_back(s);
10048         for (int i = 0; i < 20; ++i) {   // good: i is local to for-loop
10049             // ...
10050         }
10052         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {   // good: pc is local to if-statement
10053             // ... deal with Circle ...
10054         }
10055         else {
10056             // ... handle error ...
10057         }
10058     }
10060 ##### Enforcement
10062 * Flag loop variables declared before the loop and not used after the loop
10063 * (hard) Flag loop variables declared before the loop and used after the loop for an unrelated purpose.
10065 ##### C++17 and C++20 example
10067 Note: C++17 and C++20 also add `if`, `switch`, and range-`for` initializer statements. These require C++17 and C++20 support.
10069     map<int, string> mymap;
10071     if (auto result = mymap.insert(value); result.second) {
10072         // insert succeeded, and result is valid for this block
10073         use(result.first);  // ok
10074         // ...
10075     } // result is destroyed here
10077 ##### C++17 and C++20 enforcement (if using a C++17 or C++20 compiler)
10079 * Flag selection/loop variables declared before the body and not used after the body
10080 * (hard) Flag selection/loop variables declared before the body and used after the body for an unrelated purpose.
10084 ### <a name="Res-name-length"></a>ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and non-local names longer
10086 ##### Reason
10088 Readability. Lowering the chance of clashes between unrelated non-local names.
10090 ##### Example
10092 Conventional short, local names increase readability:
10094     template<typename T>    // good
10095     void print(ostream& os, const vector<T>& v)
10096     {
10097         for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)
10098             os << v[i] << '\n';
10099     }
10101 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
10103     template<typename Element_type>   // bad: verbose, hard to read
10104     void print(ostream& target_stream, const vector<Element_type>& current_vector)
10105     {
10106         for (gsl::index current_element_index = 0;
10107              current_element_index < current_vector.size();
10108              ++current_element_index
10109         )
10110         target_stream << current_vector[current_element_index] << '\n';
10111     }
10113 Yes, it is a caricature, but we have seen worse.
10115 ##### Example
10117 Unconventional and short non-local names obscure code:
10119     void use1(const string& s)
10120     {
10121         // ...
10122         tt(s);   // bad: what is tt()?
10123         // ...
10124     }
10126 Better, give non-local entities readable names:
10128     void use1(const string& s)
10129     {
10130         // ...
10131         trim_tail(s);   // better
10132         // ...
10133     }
10135 Here, there is a chance that the reader knows what `trim_tail` means and that the reader can remember it after looking it up.
10137 ##### Example, bad
10139 Argument names of large functions are de facto non-local and should be meaningful:
10141     void complicated_algorithm(vector<Record>& vr, const vector<int>& vi, map<string, int>& out)
10142     // read from events in vr (marking used Records) for the indices in
10143     // vi placing (name, index) pairs into out
10144     {
10145         // ... 500 lines of code using vr, vi, and out ...
10146     }
10148 We recommend keeping functions short, but that rule isn't universally adhered to and naming should reflect that.
10150 ##### Enforcement
10152 Check length of local and non-local names. Also take function length into account.
10154 ### <a name="Res-name-similar"></a>ES.8: Avoid similar-looking names
10156 ##### Reason
10158 Code clarity and readability. Too-similar names slow down comprehension and increase the likelihood of error.
10160 ##### Example, bad
10162     if (readable(i1 + l1 + ol + o1 + o0 + ol + o1 + I0 + l0)) surprise();
10164 ##### Example, bad
10166 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.
10168     struct foo { int n; };
10169     struct foo foo();       // BAD, foo is a type already in scope
10170     struct foo x = foo();   // requires disambiguation
10172 ##### Exception
10174 Antique header files might declare non-types and types with the same name in the same scope.
10176 ##### Enforcement
10178 * Check names against a list of known confusing letter and digit combinations.
10179 * Flag a declaration of a variable, function, or enumerator that hides a class or enumeration declared in the same scope.
10181 ### <a name="Res-not-CAPS"></a>ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names
10183 ##### Reason
10185 Such names are commonly used for macros. Thus, `ALL_CAPS` name are vulnerable to unintended macro substitution.
10187 ##### Example
10189     // somewhere in some header:
10190     #define NE !=
10192     // somewhere else in some other header:
10193     enum Coord { N, NE, NW, S, SE, SW, E, W };
10195     // somewhere third in some poor programmer's .cpp:
10196     switch (direction) {
10197     case N:
10198         // ...
10199     case NE:
10200         // ...
10201     // ...
10202     }
10204 ##### Note
10206 Do not use `ALL_CAPS` for constants just because constants used to be macros.
10208 ##### Enforcement
10210 Flag all uses of ALL CAPS. For older code, accept ALL CAPS for macro names and flag all non-ALL-CAPS macro names.
10212 ### <a name="Res-name-one"></a>ES.10: Declare one name (only) per declaration
10214 ##### Reason
10216 One declaration per line increases readability and avoids mistakes related to
10217 the C/C++ grammar. It also leaves room for a more descriptive end-of-line
10218 comment.
10220 ##### Example, bad
10222     char *p, c, a[7], *pp[7], **aa[10];   // yuck!
10224 ##### Exception
10226 A function declaration can contain several function argument declarations.
10228 ##### Exception
10230 A structured binding (C++17) is specifically designed to introduce several variables:
10232     auto [iter, inserted] = m.insert_or_assign(k, val);
10233     if (inserted) { /* new entry was inserted */ }
10235 ##### Example
10237     template<class InputIterator, class Predicate>
10238     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10240 or better using concepts:
10242     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10244 ##### Example
10246     double scalbn(double x, int n);   // OK: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10250     double scalbn(    // better: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10251         double x,     // base value
10252         int n         // exponent
10253     );
10257     // better: base * pow(FLT_RADIX, exponent); FLT_RADIX is usually 2
10258     double scalbn(double base, int exponent);
10260 ##### Example
10262     int a = 10, b = 11, c = 12, d, e = 14, f = 15;
10264 In a long list of declarators it is easy to overlook an uninitialized variable.
10266 ##### Enforcement
10268 Flag variable and constant declarations with multiple declarators (e.g., `int* p, q;`)
10270 ### <a name="Res-auto"></a>ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names
10272 ##### Reason
10274 * Simple repetition is tedious and error-prone.
10275 * When you use `auto`, the name of the declared entity is in a fixed position in the declaration, increasing readability.
10276 * In a function template declaration the return type can be a member type.
10278 ##### Example
10280 Consider:
10282     auto p = v.begin();   // vector<int>::iterator
10283     auto h = t.future();
10284     auto q = make_unique<int[]>(s);
10285     auto f = [](int x) { return x + 10; };
10287 In each case, we save writing a longish, hard-to-remember type that the compiler already knows but a programmer could get wrong.
10289 ##### Example
10291     template<class T>
10292     auto Container<T>::first() -> Iterator;   // Container<T>::Iterator
10294 ##### Exception
10296 Avoid `auto` for initializer lists and in cases where you know exactly which type you want and where an initializer might require conversion.
10298 ##### Example
10300     auto lst = { 1, 2, 3 };   // lst is an initializer list
10301     auto x{1};   // x is an int (in C++17; initializer_list in C++11)
10303 ##### Note
10305 When concepts become available, we can (and should) be more specific about the type we are deducing:
10307     // ...
10308     ForwardIterator p = algo(x, y, z);
10310 ##### Example (C++17)
10312     auto [ quotient, remainder ] = div(123456, 73);   // break out the members of the div_t result
10314 ##### Enforcement
10316 Flag redundant repetition of type names in a declaration.
10318 ### <a name="Res-reuse"></a>ES.12: Do not reuse names in nested scopes
10320 ##### Reason
10322 It is easy to get confused about which variable is used.
10323 Can cause maintenance problems.
10325 ##### Example, bad
10327     int d = 0;
10328     // ...
10329     if (cond) {
10330         // ...
10331         d = 9;
10332         // ...
10333     }
10334     else {
10335         // ...
10336         int d = 7;
10337         // ...
10338         d = value_to_be_returned;
10339         // ...
10340     }
10342     return d;
10344 If this is a large `if`-statement, it is easy to overlook that a new `d` has been introduced in the inner scope.
10345 This is a known source of bugs.
10346 Sometimes such reuse of a name in an inner scope is called "shadowing".
10348 ##### Note
10350 Shadowing is primarily a problem when functions are too large and too complex.
10352 ##### Example
10354 Shadowing of function arguments in the outermost block is disallowed by the language:
10356     void f(int x)
10357     {
10358         int x = 4;  // error: reuse of function argument name
10360         if (x) {
10361             int x = 7;  // allowed, but bad
10362             // ...
10363         }
10364     }
10366 ##### Example, bad
10368 Reuse of a member name as a local variable can also be a problem:
10370     struct S {
10371         int m;
10372         void f(int x);
10373     };
10375     void S::f(int x)
10376     {
10377         m = 7;    // assign to member
10378         if (x) {
10379             int m = 9;
10380             // ...
10381             m = 99; // assign to local variable
10382             // ...
10383         }
10384     }
10386 ##### Exception
10388 We often reuse function names from a base class in a derived class:
10390     struct B {
10391         void f(int);
10392     };
10394     struct D : B {
10395         void f(double);
10396         using B::f;
10397     };
10399 This is error-prone.
10400 For example, had we forgotten the using declaration, a call `d.f(1)` would not have found the `int` version of `f`.
10402 ??? Do we need a specific rule about shadowing/hiding in class hierarchies?
10404 ##### Enforcement
10406 * Flag reuse of a name in nested local scopes
10407 * Flag reuse of a member name as a local variable in a member function
10408 * Flag reuse of a global name as a local variable or a member name
10409 * Flag reuse of a base class member name in a derived class (except for function names)
10411 ### <a name="Res-always"></a>ES.20: Always initialize an object
10413 ##### Reason
10415 Avoid used-before-set errors and their associated undefined behavior.
10416 Avoid problems with comprehension of complex initialization.
10417 Simplify refactoring.
10419 ##### Example
10421     void use(int arg)
10422     {
10423         int i;   // bad: uninitialized variable
10424         // ...
10425         i = 7;   // initialize i
10426     }
10428 No, `i = 7` does not initialize `i`; it assigns to it. Also, `i` can be read in the `...` part. Better:
10430     void use(int arg)   // OK
10431     {
10432         int i = 7;   // OK: initialized
10433         string s;    // OK: default initialized
10434         // ...
10435     }
10437 ##### Note
10439 The *always initialize* rule is deliberately stronger than the *an object must be set before used* language rule.
10440 The latter, more relaxed rule, catches the technical bugs, but:
10442 * It leads to less readable code
10443 * It encourages people to declare names in greater than necessary scopes
10444 * It leads to harder to read code
10445 * It leads to logic bugs by encouraging complex code
10446 * It hampers refactoring
10448 The *always initialize* rule is a style rule aimed to improve maintainability as well as a rule protecting against used-before-set errors.
10450 ##### Example
10452 Here is an example that is often considered to demonstrate the need for a more relaxed rule for initialization
10454     widget i;    // "widget" a type that's expensive to initialize, possibly a large POD
10455     widget j;
10457     if (cond) {  // bad: i and j are initialized "late"
10458         i = f1();
10459         j = f2();
10460     }
10461     else {
10462         i = f3();
10463         j = f4();
10464     }
10466 This cannot trivially be rewritten to initialize `i` and `j` with initializers.
10467 Note that for types with a default constructor, attempting to postpone initialization simply leads to a default initialization followed by an assignment.
10468 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.
10470 Assuming that there is a logical connection between `i` and `j`, that connection should probably be expressed in code:
10472     pair<widget, widget> make_related_widgets(bool x)
10473     {
10474         return (x) ? {f1(), f2()} : {f3(), f4() };
10475     }
10477     auto [i, j] = make_related_widgets(cond);    // C++17
10479 If the `make_related_widgets` function is otherwise redundant,
10480 we can eliminate it by using a lambda [ES.28](#Res-lambda-init):
10482     auto [i, j] = [x] { return (x) ? pair{f1(), f2()} : pair{f3(), f4()} }();    // C++17
10484 Using a value representing "uninitialized" is a symptom of a problem and not a solution:
10486     widget i = uninit;  // bad
10487     widget j = uninit;
10489     // ...
10490     use(i);         // possibly used before set
10491     // ...
10493     if (cond) {     // bad: i and j are initialized "late"
10494         i = f1();
10495         j = f2();
10496     }
10497     else {
10498         i = f3();
10499         j = f4();
10500     }
10502 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?
10504 ##### Note
10506 Complex initialization has been popular with clever programmers for decades.
10507 It has also been a major source of errors and complexity.
10508 Many such errors are introduced during maintenance years after the initial implementation.
10510 ##### Example
10512 This rule covers member variables.
10514     class X {
10515     public:
10516         X(int i, int ci) : m2{i}, cm2{ci} {}
10517         // ...
10519     private:
10520         int m1 = 7;
10521         int m2;
10522         int m3;
10524         const int cm1 = 7;
10525         const int cm2;
10526         const int cm3;
10527     };
10529 The compiler will flag the uninitialized `cm3` because it is a `const`, but it will not catch the lack of initialization of `m3`.
10530 Usually, a rare spurious member initialization is worth the absence of errors from lack of initialization and often an optimizer
10531 can eliminate a redundant initialization (e.g., an initialization that occurs immediately before an assignment).
10533 ##### Exception
10535 If you are declaring an object that is just about to be initialized from input, initializing it would cause a double initialization.
10536 However, beware that this might leave uninitialized data beyond the input -- and that has been a fertile source of errors and security breaches:
10538     constexpr int max = 8 * 1024;
10539     int buf[max];         // OK, but suspicious: uninitialized
10540     f.read(buf, max);
10542 The cost of initializing that array could be significant in some situations.
10543 However, such examples do tend to leave uninitialized variables accessible, so they should be treated with suspicion.
10545     constexpr int max = 8 * 1024;
10546     int buf[max] = {};   // zero all elements; better in some situations
10547     f.read(buf, max);
10549 Because of the restrictive initialization rules for arrays and `std::array`, they offer the most compelling examples of the need for this exception.
10551 When feasible use a library function that is known not to overflow. For example:
10553     string s;   // s is default initialized to ""
10554     cin >> s;   // s expands to hold the string
10556 Don't consider simple variables that are targets for input operations exceptions to this rule:
10558     int i;   // bad
10559     // ...
10560     cin >> i;
10562 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.
10564     int i2 = 0;   // better, assuming that zero is an acceptable value for i2
10565     // ...
10566     cin >> i2;
10568 A good optimizer should know about input operations and eliminate the redundant operation.
10571 ##### Note
10573 Sometimes, a lambda can be used as an initializer to avoid an uninitialized variable:
10575     error_code ec;
10576     Value v = [&] {
10577         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10578         ec = p.first;
10579         return p.second;
10580     }();
10582 or maybe:
10584     Value v = [] {
10585         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10586         if (p.first) throw Bad_value{p.first};
10587         return p.second;
10588     }();
10590 **See also**: [ES.28](#Res-lambda-init)
10592 ##### Enforcement
10594 * Flag every uninitialized variable.
10595   Don't flag variables of user-defined types with default constructors.
10596 * Check that an uninitialized buffer is written into *immediately* after declaration.
10597   Passing an uninitialized variable as a reference to non-`const` argument can be assumed to be a write into the variable.
10599 ### <a name="Res-introduce"></a>ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it
10601 ##### Reason
10603 Readability. To limit the scope in which the variable can be used.
10605 ##### Example
10607     int x = 7;
10608     // ... no use of x here ...
10609     ++x;
10611 ##### Enforcement
10613 Flag declarations that are distant from their first use.
10615 ### <a name="Res-init"></a>ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with
10617 ##### Reason
10619 Readability. Limit the scope in which a variable can be used. Don't risk used-before-set. Initialization is often more efficient than assignment.
10621 ##### Example, bad
10623     string s;
10624     // ... no use of s here ...
10625     s = "what a waste";
10627 ##### Example, bad
10629     SomeLargeType var;  // Hard-to-read CaMeLcAsEvArIaBlE
10631     if (cond)   // some non-trivial condition
10632         Set(&var);
10633     else if (cond2 || !cond3) {
10634         var = Set2(3.14);
10635     }
10636     else {
10637         var = 0;
10638         for (auto& e : something)
10639             var += e;
10640     }
10642     // use var; that this isn't done too early can be enforced statically with only control flow
10644 This would be fine if there was a default initialization for `SomeLargeType` that wasn't too expensive.
10645 Otherwise, a programmer might very well wonder if every possible path through the maze of conditions has been covered.
10646 If not, we have a "use before set" bug. This is a maintenance trap.
10648 For initializers of moderate complexity, including for `const` variables, consider using a lambda to express the initializer; see [ES.28](#Res-lambda-init).
10650 ##### Enforcement
10652 * Flag declarations with default initialization that are assigned to before they are first read.
10653 * Flag any complicated computation after an uninitialized variable and before its use.
10655 ### <a name="Res-list"></a>ES.23: Prefer the `{}`-initializer syntax
10657 ##### Reason
10659 Prefer `{}`. The rules for `{}` initialization are simpler, more general, less ambiguous, and safer than for other forms of initialization.
10661 Use `=` only when you are sure that there can be no narrowing conversions. For built-in arithmetic types, use `=` only with `auto`.
10663 Avoid `()` initialization, which allows parsing ambiguities.
10665 ##### Example
10667     int x {f(99)};
10668     int y = x;
10669     vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
10671 ##### Exception
10673 For containers, there is a tradition for using `{...}` for a list of elements and `(...)` for sizes:
10675     vector<int> v1(10);    // vector of 10 elements with the default value 0
10676     vector<int> v2{10};    // vector of 1 element with the value 10
10678     vector<int> v3(1, 2);  // vector of 1 element with the value 2
10679     vector<int> v4{1, 2};  // vector of 2 element with the values 1 and 2
10681 ##### Note
10683 `{}`-initializers do not allow narrowing conversions (and that is usually a good thing) and allow explicit constructors (which is fine, we're intentionally initializing a new variable).
10685 ##### Example
10687     int x {7.9};   // error: narrowing
10688     int y = 7.9;   // OK: y becomes 7. Hope for a compiler warning
10689     int z = gsl::narrow_cast<int>(7.9);  // OK: you asked for it
10691 ##### Note
10693 `{}` initialization can be used for nearly all initialization; other forms of initialization can't:
10695     auto p = new vector<int> {1, 2, 3, 4, 5};   // initialized vector
10696     D::D(int a, int b) :m{a, b} {   // member initializer (e.g., m might be a pair)
10697         // ...
10698     };
10699     X var {};   // initialize var to be empty
10700     struct S {
10701         int m {7};   // default initializer for a member
10702         // ...
10703     };
10705 For that reason, `{}`-initialization is often called "uniform initialization"
10706 (though there unfortunately are a few irregularities left).
10708 ##### Note
10710 Initialization of a variable declared using `auto` with a single value, e.g., `{v}`, had surprising results until C++17.
10711 The C++17 rules are somewhat less surprising:
10713     auto x1 {7};        // x1 is an int with the value 7
10714     auto x2 = {7};      // x2 is an initializer_list<int> with an element 7
10716     auto x11 {7, 8};    // error: two initializers
10717     auto x22 = {7, 8};  // x22 is an initializer_list<int> with elements 7 and 8
10719 Use `={...}` if you really want an `initializer_list<T>`
10721     auto fib10 = {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55};   // fib10 is a list
10723 ##### Note
10725 `={}` gives copy initialization whereas `{}` gives direct initialization.
10726 Like the distinction between copy-initialization and direct-initialization itself, this can lead to surprises.
10727 `{}` accepts `explicit` constructors; `={}` does not. For example:
10729     struct Z { explicit Z() {} };
10731     Z z1{};     // OK: direct initialization, so we use explicit constructor
10732     Z z2 = {};  // error: copy initialization, so we cannot use the explicit constructor
10734 Use plain `{}`-initialization unless you specifically want to disable explicit constructors.
10736 ##### Example
10738     template<typename T>
10739     void f()
10740     {
10741         T x1(1);    // T initialized with 1
10742         T x0();     // bad: function declaration (often a mistake)
10744         T y1 {1};   // T initialized with 1
10745         T y0 {};    // default initialized T
10746         // ...
10747     }
10749 **See also**: [Discussion](#???)
10751 ##### Enforcement
10753 * Flag uses of `=` to initialize arithmetic types where narrowing occurs.
10754 * Flag uses of `()` initialization syntax that are actually declarations. (Many compilers should warn on this already.)
10756 ### <a name="Res-unique"></a>ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers
10758 ##### Reason
10760 Using `std::unique_ptr` is the simplest way to avoid leaks. It is reliable, it
10761 makes the type system do much of the work to validate ownership safety, it
10762 increases readability, and it has zero or near zero run-time cost.
10764 ##### Example
10766     void use(bool leak)
10767     {
10768         auto p1 = make_unique<int>(7);   // OK
10769         int* p2 = new int{7};            // bad: might leak
10770         // ... no assignment to p2 ...
10771         if (leak) return;
10772         // ... no assignment to p2 ...
10773         vector<int> v(7);
10774         v.at(7) = 0;                    // exception thrown
10775         // ...
10776     }
10778 If `leak == true` the object pointed to by `p2` is leaked and the object pointed to by `p1` is not.
10779 The same is the case when `at()` throws.
10781 ##### Enforcement
10783 Look for raw pointers that are targets of `new`, `malloc()`, or functions that might return such pointers.
10785 ### <a name="Res-const"></a>ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on
10787 ##### Reason
10789 That way you can't change the value by mistake. That way might offer the compiler optimization opportunities.
10791 ##### Example
10793     void f(int n)
10794     {
10795         const int bufmax = 2 * n + 2;  // good: we can't change bufmax by accident
10796         int xmax = n;                  // suspicious: is xmax intended to change?
10797         // ...
10798     }
10800 ##### Enforcement
10802 Look to see if a variable is actually mutated, and flag it if
10803 not. Unfortunately, it might be impossible to detect when a non-`const` was not
10804 *intended* to vary (vs when it merely did not vary).
10806 ### <a name="Res-recycle"></a>ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes
10808 ##### Reason
10810 Readability and safety.
10812 ##### Example, bad
10814     void use()
10815     {
10816         int i;
10817         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
10818         for (i = 0; i < 200; ++i) { /* ... */ } // bad: i recycled
10819     }
10821 ##### Note
10823 As an optimization, you might 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.
10825     void write_to_file()
10826     {
10827         std::string buffer;             // to avoid reallocations on every loop iteration
10828         for (auto& o : objects) {
10829             // First part of the work.
10830             generate_first_string(buffer, o);
10831             write_to_file(buffer);
10833             // Second part of the work.
10834             generate_second_string(buffer, o);
10835             write_to_file(buffer);
10837             // etc...
10838         }
10839     }
10841 ##### Enforcement
10843 Flag recycled variables.
10845 ### <a name="Res-stack"></a>ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack
10847 ##### Reason
10849 They are readable and don't implicitly convert to pointers.
10850 They are not confused with non-standard extensions of built-in arrays.
10852 ##### Example, bad
10854     const int n = 7;
10855     int m = 9;
10857     void f()
10858     {
10859         int a1[n];
10860         int a2[m];   // error: not ISO C++
10861         // ...
10862     }
10864 ##### Note
10866 The definition of `a1` is legal C++ and has always been.
10867 There is a lot of such code.
10868 It is error-prone, though, especially when the bound is non-local.
10869 Also, it is a "popular" source of errors (buffer overflow, pointers from array decay, etc.).
10870 The definition of `a2` is C but not C++ and is considered a security risk
10872 ##### Example
10874     const int n = 7;
10875     int m = 9;
10877     void f()
10878     {
10879         array<int, n> a1;
10880         stack_array<int> a2(m);
10881         // ...
10882     }
10884 ##### Enforcement
10886 * Flag arrays with non-constant bounds (C-style VLAs)
10887 * Flag arrays with non-local constant bounds
10889 ### <a name="Res-lambda-init"></a>ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables
10891 ##### Reason
10893 It nicely encapsulates local initialization, including cleaning up scratch variables needed only for the initialization, without needing to create a needless non-local yet non-reusable function. It also works for variables that should be `const` but only after some initialization work.
10895 ##### Example, bad
10897     widget x;   // should be const, but:
10898     for (auto i = 2; i <= N; ++i) {          // this could be some
10899         x += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
10900     }                                        // needed to initialize x
10901     // from here, x should be const, but we can't say so in code in this style
10903 ##### Example, good
10905     const widget x = [&] {
10906         widget val;                                // assume that widget has a default constructor
10907         for (auto i = 2; i <= N; ++i) {            // this could be some
10908             val += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
10909         }                                          // needed to initialize x
10910         return val;
10911     }();
10913 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.
10915 ##### Enforcement
10917 Hard. At best a heuristic. Look for an uninitialized variable followed by a loop assigning to it.
10919 ### <a name="Res-macros"></a>ES.30: Don't use macros for program text manipulation
10921 ##### Reason
10923 Macros are a major source of bugs.
10924 Macros don't obey the usual scope and type rules.
10925 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
10926 Macros complicate tool building.
10928 ##### Example, bad
10930     #define Case break; case   /* BAD */
10932 This innocuous-looking macro makes a single lower case `c` instead of a `C` into a bad flow-control bug.
10934 ##### Note
10936 This rule does not ban the use of macros for "configuration control" use in `#ifdef`s, etc.
10938 In the future, modules are likely to eliminate the need for macros in configuration control.
10940 ##### Note
10942 This rule is meant to also discourage use of `#` for stringification and `##` for concatenation.
10943 As usual for macros, there are uses that are "mostly harmless", but even these can create problems for tools,
10944 such as auto completers, static analyzers, and debuggers.
10945 Often the desire to use fancy macros is a sign of an overly complex design.
10946 Also, `#` and `##` encourages the definition and use of macros:
10948     #define CAT(a, b) a ## b
10949     #define STRINGIFY(a) #a
10951     void f(int x, int y)
10952     {
10953         string CAT(x, y) = "asdf";   // BAD: hard for tools to handle (and ugly)
10954         string sx2 = STRINGIFY(x);
10955         // ...
10956     }
10958 There are workarounds for low-level string manipulation using macros. For example:
10960     string s = "asdf" "lkjh";   // ordinary string literal concatenation
10962     enum E { a, b };
10964     template<int x>
10965     constexpr const char* stringify()
10966     {
10967         switch (x) {
10968         case a: return "a";
10969         case b: return "b";
10970         }
10971     }
10973     void f(int x, int y)
10974     {
10975         string sx = stringify<x>();
10976         // ...
10977     }
10979 This is not as convenient as a macro to define, but as easy to use, has zero overhead, and is typed and scoped.
10981 In the future, static reflection is likely to eliminate the last needs for the preprocessor for program text manipulation.
10983 ##### Enforcement
10985 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
10987 ### <a name="Res-macros2"></a>ES.31: Don't use macros for constants or "functions"
10989 ##### Reason
10991 Macros are a major source of bugs.
10992 Macros don't obey the usual scope and type rules.
10993 Macros don't obey the usual rules for argument passing.
10994 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
10995 Macros complicate tool building.
10997 ##### Example, bad
10999     #define PI 3.14
11000     #define SQUARE(a, b) (a * b)
11002 Even if we hadn't left a well-known bug in `SQUARE` there are much better behaved alternatives; for example:
11004     constexpr double pi = 3.14;
11005     template<typename T> T square(T a, T b) { return a * b; }
11007 ##### Enforcement
11009 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
11011 ### <a name="Res-ALL_CAPS"></a>ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names
11013 ##### Reason
11015 Convention. Readability. Distinguishing macros.
11017 ##### Example
11019     #define forever for (;;)   /* very BAD */
11021     #define FOREVER for (;;)   /* Still evil, but at least visible to humans */
11023 ##### Enforcement
11025 Scream when you see a lower case macro.
11027 ### <a name="Res-MACROS"></a>ES.33: If you must use macros, give them unique names
11029 ##### Reason
11031 Macros do not obey scope rules.
11033 ##### Example
11035     #define MYCHAR        /* BAD, will eventually clash with someone else's MYCHAR*/
11037     #define ZCORP_CHAR    /* Still evil, but less likely to clash */
11039 ##### Note
11041 Avoid macros if you can: [ES.30](#Res-macros), [ES.31](#Res-macros2), and [ES.32](#Res-ALL_CAPS).
11042 However, there are billions of lines of code littered with macros and a long tradition for using and overusing macros.
11043 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.
11045 ##### Enforcement
11047 Warn against short macro names.
11049 ### <a name="Res-ellipses"></a> ES.34: Don't define a (C-style) variadic function
11051 ##### Reason
11053 Not type safe.
11054 Requires messy cast-and-macro-laden code to get working right.
11056 ##### Example
11058     #include <cstdarg>
11060     // "severity" followed by a zero-terminated list of char*s; write the C-style strings to cerr
11061     void error(int severity ...)
11062     {
11063         va_list ap;             // a magic type for holding arguments
11064         va_start(ap, severity); // arg startup: "severity" is the first argument of error()
11066         for (;;) {
11067             // treat the next var as a char*; no checking: a cast in disguise
11068             char* p = va_arg(ap, char*);
11069             if (!p) break;
11070             cerr << p << ' ';
11071         }
11073         va_end(ap);             // arg cleanup (don't forget this)
11075         cerr << '\n';
11076         if (severity) exit(severity);
11077     }
11079     void use()
11080     {
11081         error(7, "this", "is", "an", "error", nullptr);
11082         error(7); // crash
11083         error(7, "this", "is", "an", "error");  // crash
11084         const char* is = "is";
11085         string an = "an";
11086         error(7, "this", "is", an, "error"); // crash
11087     }
11089 **Alternative**: Overloading. Templates. Variadic templates.
11091     #include <iostream>
11093     void error(int severity)
11094     {
11095         std::cerr << '\n';
11096         std::exit(severity);
11097     }
11099     template<typename T, typename... Ts>
11100     constexpr void error(int severity, T head, Ts... tail)
11101     {
11102         std::cerr << head;
11103         error(severity, tail...);
11104     }
11106     void use()
11107     {
11108         error(7); // No crash!
11109         error(5, "this", "is", "not", "an", "error"); // No crash!
11111         std::string an = "an";
11112         error(7, "this", "is", "not", an, "error"); // No crash!
11114         error(5, "oh", "no", nullptr); // Compile error! No need for nullptr.
11115     }
11118 ##### Note
11120 This is basically the way `printf` is implemented.
11122 ##### Enforcement
11124 * Flag definitions of C-style variadic functions.
11125 * Flag `#include <cstdarg>` and `#include <stdarg.h>`
11128 ## ES.expr: Expressions
11130 Expressions manipulate values.
11132 ### <a name="Res-complicated"></a>ES.40: Avoid complicated expressions
11134 ##### Reason
11136 Complicated expressions are error-prone.
11138 ##### Example
11140     // bad: assignment hidden in subexpression
11141     while ((c = getc()) != -1)
11143     // bad: two non-local variables assigned in sub-expressions
11144     while ((cin >> c1, cin >> c2), c1 == c2)
11146     // better, but possibly still too complicated
11147     for (char c1, c2; cin >> c1 >> c2 && c1 == c2;)
11149     // OK: if i and j are not aliased
11150     int x = ++i + ++j;
11152     // OK: if i != j and i != k
11153     v[i] = v[j] + v[k];
11155     // bad: multiple assignments "hidden" in subexpressions
11156     x = a + (b = f()) + (c = g()) * 7;
11158     // bad: relies on commonly misunderstood precedence rules
11159     x = a & b + c * d && e ^ f == 7;
11161     // bad: undefined behavior
11162     x = x++ + x++ + ++x;
11164 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.
11166 ##### Note
11168 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation
11169 (left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified; [see ES.43](#Res-order)),
11170 but that doesn't change the fact that complicated expressions are potentially confusing.
11172 ##### Note
11174 A programmer should know and use the basic rules for expressions.
11176 ##### Example
11178     x = k * y + z;             // OK
11180     auto t1 = k * y;           // bad: unnecessarily verbose
11181     x = t1 + z;
11183     if (0 <= x && x < max)   // OK
11185     auto t1 = 0 <= x;        // bad: unnecessarily verbose
11186     auto t2 = x < max;
11187     if (t1 && t2)            // ...
11189 ##### Enforcement
11191 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:
11193 * 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
11194 * writes to aliased variables
11195 * more than N operators (and what should N be?)
11196 * reliance of subtle precedence rules
11197 * uses undefined behavior (can we catch all undefined behavior?)
11198 * implementation defined behavior?
11199 * ???
11201 ### <a name="Res-parens"></a>ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize
11203 ##### Reason
11205 Avoid errors. Readability. Not everyone has the operator table memorized.
11207 ##### Example
11209     const unsigned int flag = 2;
11210     unsigned int a = flag;
11212     if (a & flag != 0)  // bad: means a&(flag != 0)
11214 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.
11216     if ((a & flag) != 0)  // OK: works as intended
11218 ##### Note
11220 You should know enough not to need parentheses for:
11222     if (a < 0 || a <= max) {
11223         // ...
11224     }
11226 ##### Enforcement
11228 * Flag combinations of bitwise-logical operators and other operators.
11229 * Flag assignment operators not as the leftmost operator.
11230 * ???
11232 ### <a name="Res-ptr"></a>ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward
11234 ##### Reason
11236 Complicated pointer manipulation is a major source of errors.
11238 ##### Note
11240 Use `gsl::span` instead.
11241 Pointers should [only refer to single objects](#Ri-array).
11242 Pointer arithmetic is fragile and easy to get wrong, the source of many, many bad bugs and security violations.
11243 `span` is a bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11244 Access into an array with known bounds using a constant as a subscript can be validated by the compiler.
11246 ##### Example, bad
11248     void f(int* p, int count)
11249     {
11250         if (count < 2) return;
11252         int* q = p + 1;    // BAD
11254         ptrdiff_t d;
11255         int n;
11256         d = (p - &n);      // OK
11257         d = (q - p);       // OK
11259         int n = *p++;      // BAD
11261         if (count < 6) return;
11263         p[4] = 1;          // BAD
11265         p[count - 1] = 2;  // BAD
11267         use(&p[0], 3);     // BAD
11268     }
11270 ##### Example, good
11272     void f(span<int> a) // BETTER: use span in the function declaration
11273     {
11274         if (a.size() < 2) return;
11276         int n = a[0];      // OK
11278         span<int> q = a.subspan(1); // OK
11280         if (a.size() < 6) return;
11282         a[4] = 1;          // OK
11284         a[a.size() - 1] = 2;  // OK
11286         use(a.data(), 3);  // OK
11287     }
11289 ##### Note
11291 Subscripting with a variable is difficult for both tools and humans to validate as safe.
11292 `span` is a run-time bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11293 `at()` is another alternative that ensures single accesses are bounds-checked.
11294 If iterators are needed to access an array, use the iterators from a `span` constructed over the array.
11296 ##### Example, bad
11298     void f(array<int, 10> a, int pos)
11299     {
11300         a[pos / 2] = 1; // BAD
11301         a[pos - 1] = 2; // BAD
11302         a[-1] = 3;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11303         a[10] = 4;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11304     }
11306 ##### Example, good
11308 Use a `span`:
11310     void f1(span<int, 10> a, int pos) // A1: Change parameter type to use span
11311     {
11312         a[pos / 2] = 1; // OK
11313         a[pos - 1] = 2; // OK
11314     }
11316     void f2(array<int, 10> arr, int pos) // A2: Add local span and use that
11317     {
11318         span<int> a = {arr.data(), pos};
11319         a[pos / 2] = 1; // OK
11320         a[pos - 1] = 2; // OK
11321     }
11323 Use `at()`:
11325     void f3(array<int, 10> a, int pos) // ALTERNATIVE B: Use at() for access
11326     {
11327         at(a, pos / 2) = 1; // OK
11328         at(a, pos - 1) = 2; // OK
11329     }
11331 ##### Example, bad
11333     void f()
11334     {
11335         int arr[COUNT];
11336         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11337             arr[i] = i; // BAD, cannot use non-constant indexer
11338     }
11340 ##### Example, good
11342 Use a `span`:
11344     void f1()
11345     {
11346         int arr[COUNT];
11347         span<int> av = arr;
11348         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11349             av[i] = i;
11350     }
11352 Use a `span` and range-`for`:
11354     void f1a()
11355     {
11356          int arr[COUNT];
11357          span<int, COUNT> av = arr;
11358          int i = 0;
11359          for (auto& e : av)
11360              e = i++;
11361     }
11363 Use `at()` for access:
11365     void f2()
11366     {
11367         int arr[COUNT];
11368         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11369             at(arr, i) = i;
11370     }
11372 Use a range-`for`:
11374     void f3()
11375     {
11376         int arr[COUNT];
11377         int i = 0;
11378         for (auto& e : arr)
11379              e = i++;
11380     }
11382 ##### Note
11384 Tooling can offer rewrites of array accesses that involve dynamic index expressions to use `at()` instead:
11386     static int a[10];
11388     void f(int i, int j)
11389     {
11390         a[i + j] = 12;      // BAD, could be rewritten as ...
11391         at(a, i + j) = 12;  // OK -- bounds-checked
11392     }
11394 ##### Example
11396 Turning an array into a pointer (as the language does essentially always) removes opportunities for checking, so avoid it
11398     void g(int* p);
11400     void f()
11401     {
11402         int a[5];
11403         g(a);        // BAD: are we trying to pass an array?
11404         g(&a[0]);    // OK: passing one object
11405     }
11407 If you want to pass an array, say so:
11409     void g(int* p, size_t length);  // old (dangerous) code
11411     void g1(span<int> av); // BETTER: get g() changed.
11413     void f2()
11414     {
11415         int a[5];
11416         span<int> av = a;
11418         g(av.data(), av.size());   // OK, if you have no choice
11419         g1(a);                     // OK -- no decay here, instead use implicit span ctor
11420     }
11422 ##### Enforcement
11424 * Flag any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
11425 * 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` and the upper bound of the array.
11426 * Flag any expression that would rely on implicit conversion of an array type to a pointer type.
11428 This rule is part of the [bounds-safety profile](#SS-bounds).
11431 ### <a name="Res-order"></a>ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation
11433 ##### Reason
11435 You have no idea what such code does. Portability.
11436 Even if it does something sensible for you, it might do something different on another compiler (e.g., the next release of your compiler) or with a different optimizer setting.
11438 ##### Note
11440 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation:
11441 left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified.
11443 However, remember that your code might be compiled with a pre-C++17 compiler (e.g., through cut-and-paste) so don't be too clever.
11445 ##### Example
11447     v[i] = ++i;   //  the result is undefined
11449 A good rule of thumb is that you should not read a value twice in an expression where you write to it.
11451 ##### Enforcement
11453 Can be detected by a good analyzer.
11455 ### <a name="Res-order-fct"></a>ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments
11457 ##### Reason
11459 Because that order is unspecified.
11461 ##### Note
11463 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation, but the order of evaluation of function arguments is still unspecified.
11465 ##### Example
11467     int i = 0;
11468     f(++i, ++i);
11470 The call will most likely be `f(0, 1)` or `f(1, 0)`, but you don't know which.
11471 Technically, the behavior is undefined.
11472 In C++17, this code does not have undefined behavior, but it is still not specified which argument is evaluated first.
11474 ##### Example
11476 Overloaded operators can lead to order of evaluation problems:
11478     f1()->m(f2());          // m(f1(), f2())
11479     cout << f1() << f2();   // operator<<(operator<<(cout, f1()), f2())
11481 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)
11483     f1() = f2();    // undefined behavior in C++14; in C++17, f2() is evaluated before f1()
11485 ##### Enforcement
11487 Can be detected by a good analyzer.
11489 ### <a name="Res-magic"></a>ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants
11491 ##### Reason
11493 Unnamed constants embedded in expressions are easily overlooked and often hard to understand:
11495 ##### Example
11497     for (int m = 1; m <= 12; ++m)   // don't: magic constant 12
11498         cout << month[m] << '\n';
11500 No, we don't all know that there are 12 months, numbered 1..12, in a year. Better:
11502     // months are indexed 1..12
11503     constexpr int first_month = 1;
11504     constexpr int last_month = 12;
11506     for (int m = first_month; m <= last_month; ++m)   // better
11507         cout << month[m] << '\n';
11509 Better still, don't expose constants:
11511     for (auto m : month)
11512         cout << m << '\n';
11514 ##### Enforcement
11516 Flag literals in code. Give a pass to `0`, `1`, `nullptr`, `\n`, `""`, and others on a positive list.
11518 ### <a name="Res-narrowing"></a>ES.46: Avoid lossy (narrowing, truncating) arithmetic conversions
11520 ##### Reason
11522 A narrowing conversion destroys information, often unexpectedly so.
11524 ##### Example, bad
11526 A key example is basic narrowing:
11528     double d = 7.9;
11529     int i = d;    // bad: narrowing: i becomes 7
11530     i = (int) d;  // bad: we're going to claim this is still not explicit enough
11532     void f(int x, long y, double d)
11533     {
11534         char c1 = x;   // bad: narrowing
11535         char c2 = y;   // bad: narrowing
11536         char c3 = d;   // bad: narrowing
11537     }
11539 ##### Note
11541 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:
11543     i = narrow_cast<int>(d);   // OK (you asked for it): narrowing: i becomes 7
11544     i = narrow<int>(d);        // OK: throws narrowing_error
11546 We also include lossy arithmetic casts, such as from a negative floating point type to an unsigned integral type:
11548     double d = -7.9;
11549     unsigned u = 0;
11551     u = d;                          // BAD
11552     u = narrow_cast<unsigned>(d);   // OK (you asked for it): u becomes 4294967289
11553     u = narrow<unsigned>(d);        // OK: throws narrowing_error
11555 ##### Enforcement
11557 A good analyzer can detect all narrowing conversions. However, flagging all narrowing conversions will lead to a lot of false positives. Suggestions:
11559 * Flag all floating-point to integer conversions (maybe only `float`->`char` and `double`->`int`. Here be dragons! we need data).
11560 * Flag all `long`->`char` (I suspect `int`->`char` is very common. Here be dragons! we need data).
11561 * Consider narrowing conversions for function arguments especially suspect.
11563 ### <a name="Res-nullptr"></a>ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`
11565 ##### Reason
11567 Readability. Minimize surprises: `nullptr` cannot be confused with an
11568 `int`. `nullptr` also has a well-specified (very restrictive) type, and thus
11569 works in more scenarios where type deduction might do the wrong thing on `NULL`
11570 or `0`.
11572 ##### Example
11574 Consider:
11576     void f(int);
11577     void f(char*);
11578     f(0);         // call f(int)
11579     f(nullptr);   // call f(char*)
11581 ##### Enforcement
11583 Flag uses of `0` and `NULL` for pointers. The transformation might be helped by simple program transformation.
11585 ### <a name="Res-casts"></a>ES.48: Avoid casts
11587 ##### Reason
11589 Casts are a well-known source of errors. Make some optimizations unreliable.
11591 ##### Example, bad
11593     double d = 2;
11594     auto p = (long*)&d;
11595     auto q = (long long*)&d;
11596     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11598 What would you think this fragment prints? The result is at best implementation defined. I got
11600     2 0 4611686018427387904
11602 Adding
11604     *q = 666;
11605     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11607 I got
11609     3.29048e-321 666 666
11611 Surprised? I'm just glad I didn't crash the program.
11613 ##### Note
11615 Programmers who write casts typically assume that they know what they are doing,
11616 or that writing a cast makes the program "easier to read".
11617 In fact, they often disable the general rules for using values.
11618 Overload resolution and template instantiation usually pick the right function if there is a right function to pick.
11619 If there is not, maybe there ought to be, rather than applying a local fix (cast).
11621 ##### Notes
11623 Casts are necessary in a systems programming language.  For example, how else
11624 would we get the address of a device register into a pointer?  However, casts
11625 are seriously overused as well as a major source of errors.
11627 If you feel the need for a lot of casts, there might be a fundamental design problem.
11629 The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast` and C-style casts.
11631 Never cast to `(void)` to ignore a `[[nodiscard]]`return value.
11632 If you deliberately want to discard such a 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).
11633 If you still think it's appropriate and your code reviewer agrees, use `std::ignore =` to turn off the warning which is simple, portable, and easy to grep.
11635 ##### Alternatives
11637 Casts are widely (mis)used. Modern C++ has rules and constructs that eliminate the need for casts in many contexts, such as
11639 * Use templates
11640 * Use `std::variant`
11641 * Rely on the well-defined, safe, implicit conversions between pointer types
11642 * Use `std::ignore =" to ignore `[[nodiscard]]` values.
11644 ##### Enforcement
11646 * Flag all C-style casts, including to `void`.
11647 * Flag functional style casts using `Type(value)`. Use `Type{value}` instead which is not narrowing. (See [ES.64](#Res-construct).)
11648 * Flag [identity casts](#Pro-type-identitycast) between pointer types, where the source and target types are the same (#Pro-type-identitycast).
11649 * Flag an explicit pointer cast that could be [implicit](#Pro-type-implicitpointercast).
11651 ### <a name="Res-casts-named"></a>ES.49: If you must use a cast, use a named cast
11653 ##### Reason
11655 Readability. Error avoidance.
11656 Named casts are more specific than a C-style or functional cast, allowing the compiler to catch some errors.
11658 The named casts are:
11660 * `static_cast`
11661 * `const_cast`
11662 * `reinterpret_cast`
11663 * `dynamic_cast`
11664 * `std::move`         // `move(x)` is an rvalue reference to `x`
11665 * `std::forward`      // `forward<T>(x)` is an rvalue or an lvalue reference to `x` depending on `T`
11666 * `gsl::narrow_cast`  // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
11667 * `gsl::narrow`       // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` or it throws `narrowing_error`
11669 ##### Example
11671     class B { /* ... */ };
11672     class D { /* ... */ };
11674     template<typename D> D* upcast(B* pb)
11675     {
11676         D* pd0 = pb;                        // error: no implicit conversion from B* to D*
11677         D* pd1 = (D*)pb;                    // legal, but what is done?
11678         D* pd2 = static_cast<D*>(pb);       // error: D is not derived from B
11679         D* pd3 = reinterpret_cast<D*>(pb);  // OK: on your head be it!
11680         D* pd4 = dynamic_cast<D*>(pb);      // OK: return nullptr
11681         // ...
11682     }
11684 The example was synthesized from real-world bugs where `D` used to be derived from `B`, but someone refactored the hierarchy.
11685 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).
11687 ##### Note
11689 When converting between types with no information loss (e.g. from `float` to
11690 `double` or from `int32` to `int64`), brace initialization might be used instead.
11692     double d {some_float};
11693     int64_t i {some_int32};
11695 This makes it clear that the type conversion was intended and also prevents
11696 conversions between types that might result in loss of precision. (It is a
11697 compilation error to try to initialize a `float` from a `double` in this fashion,
11698 for example.)
11700 ##### Note
11702 `reinterpret_cast` can be essential, but the essential uses (e.g., turning a machine address into pointer) are not type safe:
11704     auto p = reinterpret_cast<Device_register>(0x800);  // inherently dangerous
11707 ##### Enforcement
11709 * Flag all C-style casts, including to `void`.
11710 * Flag functional style casts using `Type(value)`. Use `Type{value}` instead which is not narrowing. (See [ES.64](#Res-construct).)
11711 * The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast`.
11712 * The [type profile](#Pro-type-arithmeticcast) warns when using `static_cast` between arithmetic types.
11714 ### <a name="Res-casts-const"></a>ES.50: Don't cast away `const`
11716 ##### Reason
11718 It makes a lie out of `const`.
11719 If the variable is actually declared `const`, modifying it results in undefined behavior.
11721 ##### Example, bad
11723     void f(const int& x)
11724     {
11725         const_cast<int&>(x) = 42;   // BAD
11726     }
11728     static int i = 0;
11729     static const int j = 0;
11731     f(i); // silent side effect
11732     f(j); // undefined behavior
11734 ##### Example
11736 Sometimes, you might 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:
11738     class Bar;
11740     class Foo {
11741     public:
11742         // BAD, duplicates logic
11743         Bar& get_bar()
11744         {
11745             /* complex logic around getting a non-const reference to my_bar */
11746         }
11748         const Bar& get_bar() const
11749         {
11750             /* same complex logic around getting a const reference to my_bar */
11751         }
11752     private:
11753         Bar my_bar;
11754     };
11756 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`:
11758     class Foo {
11759     public:
11760         // not great, non-const calls const version but resorts to const_cast
11761         Bar& get_bar()
11762         {
11763             return const_cast<Bar&>(static_cast<const Foo&>(*this).get_bar());
11764         }
11765         const Bar& get_bar() const
11766         {
11767             /* the complex logic around getting a const reference to my_bar */
11768         }
11769     private:
11770         Bar my_bar;
11771     };
11773 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.
11775 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:
11777     class Foo {
11778     public:                         // good
11779               Bar& get_bar()       { return get_bar_impl(*this); }
11780         const Bar& get_bar() const { return get_bar_impl(*this); }
11781     private:
11782         Bar my_bar;
11784         template<class T>           // good, deduces whether T is const or non-const
11785         static auto& get_bar_impl(T& t)
11786             { /* the complex logic around getting a possibly-const reference to my_bar */ }
11787     };
11789 Note: Don't do large non-dependent work inside a template, which leads to code bloat. For example, a further improvement would be if all or part of `get_bar_impl` can be non-dependent and factored out into a common non-template function, for a potentially big reduction in code size.
11791 ##### Exception
11793 You might need to cast away `const` when calling `const`-incorrect functions.
11794 Prefer to wrap such functions in inline `const`-correct wrappers to encapsulate the cast in one place.
11796 ##### Example
11798 Sometimes, "cast away `const`" is to allow the updating of some transient information of an otherwise immutable object.
11799 Examples are caching, memoization, and precomputation.
11800 Such examples are often handled as well or better using `mutable` or an indirection than with a `const_cast`.
11802 Consider keeping previously computed results around for a costly operation:
11804     int compute(int x); // compute a value for x; assume this to be costly
11806     class Cache {   // some type implementing a cache for an int->int operation
11807     public:
11808         pair<bool, int> find(int x) const;   // is there a value for x?
11809         void set(int x, int v);             // make y the value for x
11810         // ...
11811     private:
11812         // ...
11813     };
11815     class X {
11816     public:
11817         int get_val(int x)
11818         {
11819             auto p = cache.find(x);
11820             if (p.first) return p.second;
11821             int val = compute(x);
11822             cache.set(x, val); // insert value for x
11823             return val;
11824         }
11825         // ...
11826     private:
11827         Cache cache;
11828     };
11830 Here, `get_val()` is logically constant, so we would like to make it a `const` member.
11831 To do this we still need to mutate `cache`, so people sometimes resort to a `const_cast`:
11833     class X {   // Suspicious solution based on casting
11834     public:
11835         int get_val(int x) const
11836         {
11837             auto p = cache.find(x);
11838             if (p.first) return p.second;
11839             int val = compute(x);
11840             const_cast<Cache&>(cache).set(x, val);   // ugly
11841             return val;
11842         }
11843         // ...
11844     private:
11845         Cache cache;
11846     };
11848 Fortunately, there is a better solution:
11849 State that `cache` is mutable even for a `const` object:
11851     class X {   // better solution
11852     public:
11853         int get_val(int x) const
11854         {
11855             auto p = cache.find(x);
11856             if (p.first) return p.second;
11857             int val = compute(x);
11858             cache.set(x, val);
11859             return val;
11860         }
11861         // ...
11862     private:
11863         mutable Cache cache;
11864     };
11866 An alternative solution would be to store a pointer to the `cache`:
11868     class X {   // OK, but slightly messier solution
11869     public:
11870         int get_val(int x) const
11871         {
11872             auto p = cache->find(x);
11873             if (p.first) return p.second;
11874             int val = compute(x);
11875             cache->set(x, val);
11876             return val;
11877         }
11878         // ...
11879     private:
11880         unique_ptr<Cache> cache;
11881     };
11883 That solution is the most flexible, but requires explicit construction and destruction of `*cache`
11884 (most likely in the constructor and destructor of `X`).
11886 In any variant, we must guard against data races on the `cache` in multi-threaded code, possibly using a `std::mutex`.
11888 ##### Enforcement
11890 * Flag `const_cast`s.
11891 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-constcast) for the related Profile.
11893 ### <a name="Res-range-checking"></a>ES.55: Avoid the need for range checking
11895 ##### Reason
11897 Constructs that cannot overflow do not overflow (and usually run faster):
11899 ##### Example
11901     for (auto& x : v)      // print all elements of v
11902         cout << x << '\n';
11904     auto p = find(v, x);   // find x in v
11906 ##### Enforcement
11908 Look for explicit range checks and heuristically suggest alternatives.
11910 ### <a name="Res-move"></a>ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope
11912 ##### Reason
11914 We move, rather than copy, to avoid duplication and for improved performance.
11916 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).
11918 ##### Notes
11920 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.
11922 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`.
11924 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.
11926 ##### Example, bad
11928     void sink(X&& x);   // sink takes ownership of x
11930     void user()
11931     {
11932         X x;
11933         // error: cannot bind an lvalue to a rvalue reference
11934         sink(x);
11935         // OK: sink takes the contents of x, x must now be assumed to be empty
11936         sink(std::move(x));
11938         // ...
11940         // probably a mistake
11941         use(x);
11942     }
11944 Usually, a `std::move()` is used as an argument to a `&&` parameter.
11945 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.
11947     void f()
11948     {
11949         string s1 = "supercalifragilisticexpialidocious";
11951         string s2 = s1;             // ok, takes a copy
11952         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");  // ok
11954         // bad, if you want to keep using s1's value
11955         string s3 = move(s1);
11957         // bad, assert will likely fail, s1 likely changed
11958         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");
11959     }
11961 ##### Example
11963     void sink(unique_ptr<widget> p);  // pass ownership of p to sink()
11965     void f()
11966     {
11967         auto w = make_unique<widget>();
11968         // ...
11969         sink(std::move(w));               // ok, give to sink()
11970         // ...
11971         sink(w);    // Error: unique_ptr is carefully designed so that you cannot copy it
11972     }
11974 ##### Notes
11976 `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.
11977 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.
11979 Never write `std::move()` just because you've heard "it's more efficient."
11980 In general, don't believe claims of "efficiency" without data (???).
11981 In general, don't complicate your code without reason (??).
11982 Never write `std::move()` on a const object, it is silently transformed into a copy (see Item 23 in [Meyers15](#Meyers15))
11984 ##### Example, bad
11986     vector<int> make_vector()
11987     {
11988         vector<int> result;
11989         // ... load result with data
11990         return std::move(result);       // bad; just write "return result;"
11991     }
11993 Never write `return move(local_variable);`, because the language already knows the variable is a move candidate.
11994 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.
11997 ##### Example, bad
11999     vector<int> v = std::move(make_vector());   // bad; the std::move is entirely redundant
12001 Never write `move` on a returned value such as `x = move(f());` where `f` returns by value.
12002 The language already knows that a returned value is a temporary object that can be moved from.
12004 ##### Example
12006     void mover(X&& x)
12007     {
12008         call_something(std::move(x));         // ok
12009         call_something(std::forward<X>(x));   // bad, don't std::forward an rvalue reference
12010         call_something(x);                    // suspicious, why not std::move?
12011     }
12013     template<class T>
12014     void forwarder(T&& t)
12015     {
12016         call_something(std::move(t));         // bad, don't std::move a forwarding reference
12017         call_something(std::forward<T>(t));   // ok
12018         call_something(t);                    // suspicious, why not std::forward?
12019     }
12021 ##### Enforcement
12023 * 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.
12024 * Flag functions taking an `S&&` parameter if there is no `const S&` overload to take care of lvalues.
12025 * Flag a `std::move`s argument passed to a parameter, except when the parameter type is an `X&&` rvalue reference or the type is move-only and the parameter is passed by value.
12026 * Flag when `std::move` is applied to a forwarding reference (`T&&` where `T` is a template parameter type). Use `std::forward` instead.
12027 * Flag when `std::move` is applied to other than an rvalue reference to non-const. (More general case of the previous rule to cover the non-forwarding cases.)
12028 * Flag when `std::forward` is applied to an rvalue reference (`X&&` where `X` is a concrete type). Use `std::move` instead.
12029 * 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.)
12030 * 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.
12032 ### <a name="Res-new"></a>ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions
12034 ##### Reason
12036 Direct resource management in application code is error-prone and tedious.
12038 ##### Note
12040 This is also known as the rule of "No naked `new`!"
12042 ##### Example, bad
12044     void f(int n)
12045     {
12046         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12047         // ...
12048         delete[] p;
12049     }
12051 There can be code in the `...` part that causes the `delete` never to happen.
12053 **See also**: [R: Resource management](#S-resource)
12055 ##### Enforcement
12057 Flag naked `new`s and naked `delete`s.
12059 ### <a name="Res-del"></a>ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`
12061 ##### Reason
12063 That's what the language requires and mistakes can lead to resource release errors and/or memory corruption.
12065 ##### Example, bad
12067     void f(int n)
12068     {
12069         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12070         // ...
12071         delete p;   // error: just delete the object p, rather than delete the array p[]
12072     }
12074 ##### Note
12076 This example not only violates the [no naked `new` rule](#Res-new) as in the previous example, it has many more problems.
12078 ##### Enforcement
12080 * If the `new` and the `delete` are in the same scope, mistakes can be flagged.
12081 * If the `new` and the `delete` are in a constructor/destructor pair, mistakes can be flagged.
12083 ### <a name="Res-arr2"></a>ES.62: Don't compare pointers into different arrays
12085 ##### Reason
12087 The result of doing so is undefined.
12089 ##### Example, bad
12091     void f()
12092     {
12093         int a1[7];
12094         int a2[9];
12095         if (&a1[5] < &a2[7]) {}       // bad: undefined
12096         if (0 < &a1[5] - &a2[7]) {}   // bad: undefined
12097     }
12099 ##### Note
12101 This example has many more problems.
12103 ##### Enforcement
12107 ### <a name="Res-slice"></a>ES.63: Don't slice
12109 ##### Reason
12111 Slicing -- that is, copying only part of an object using assignment or initialization -- most often leads to errors because
12112 the object was meant to be considered as a whole.
12113 In the rare cases where the slicing was deliberate the code can be surprising.
12115 ##### Example
12117     class Shape { /* ... */ };
12118     class Circle : public Shape { /* ... */ Point c; int r; };
12120     Circle c {{0, 0}, 42};
12121     Shape s {c};    // copy construct only the Shape part of Circle
12122     s = c;          // or copy assign only the Shape part of Circle
12124     void assign(const Shape& src, Shape& dest)
12125     {
12126         dest = src;
12127     }
12128     Circle c2 {{1, 1}, 43};
12129     assign(c, c2);   // oops, not the whole state is transferred
12130     assert(c == c2); // if we supply copying, we should also provide comparison,
12131                      // but this will likely return false
12133 The result will be meaningless because the center and radius will not be copied from `c` into `s`.
12134 The first defense against this is to [define the base class `Shape` not to allow this](#Rc-copy-virtual).
12136 ##### Alternative
12138 If you mean to slice, define an explicit operation to do so.
12139 This saves readers from confusion.
12140 For example:
12142     class Smiley : public Circle {
12143         public:
12144         Circle copy_circle();
12145         // ...
12146     };
12148     Smiley sm { /* ... */ };
12149     Circle c1 {sm};  // ideally prevented by the definition of Circle
12150     Circle c2 {sm.copy_circle()};
12152 ##### Enforcement
12154 Warn against slicing.
12156 ### <a name="Res-construct"></a>ES.64: Use the `T{e}`notation for construction
12158 ##### Reason
12160 The `T{e}` construction syntax makes it explicit that construction is desired.
12161 The `T{e}` construction syntax doesn't allow narrowing.
12162 `T{e}` is the only safe and general expression for constructing a value of type `T` from an expression `e`.
12163 The casts notations `T(e)` and `(T)e` are neither safe nor general.
12165 ##### Example
12167 For built-in types, the construction notation protects against narrowing and reinterpretation
12169     void use(char ch, int i, double d, char* p, long long lng)
12170     {
12171         int x1 = int{ch};     // OK, but redundant
12172         int x2 = int{d};      // error: double->int narrowing; use a cast if you need to
12173         int x3 = int{p};      // error: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12174         int x4 = int{lng};    // error: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12176         int y1 = int(ch);     // OK, but redundant
12177         int y2 = int(d);      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12178         int y3 = int(p);      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12179         int y4 = int(lng);    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12181         int z1 = (int)ch;     // OK, but redundant
12182         int z2 = (int)d;      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12183         int z3 = (int)p;      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12184         int z4 = (int)lng;    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12185     }
12187 The integer to/from pointer conversions are implementation defined when using the `T(e)` or `(T)e` notations, and non-portable
12188 between platforms with different integer and pointer sizes.
12190 ##### Note
12192 [Avoid casts](#Res-casts) (explicit type conversion) and if you must [prefer named casts](#Res-casts-named).
12194 ##### Note
12196 When unambiguous, the `T` can be left out of `T{e}`.
12198     complex<double> f(complex<double>);
12200     auto z = f({2*pi, 1});
12202 ##### Note
12204 The construction notation is the most general [initializer notation](#Res-list).
12206 ##### Exception
12208 `std::vector` and other containers were defined before we had `{}` as a notation for construction.
12209 Consider:
12211     vector<string> vs {10};                           // ten empty strings
12212     vector<int> vi1 {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};  // ten elements 1..10
12213     vector<int> vi2 {10};                             // one element with the value 10
12215 How do we get a `vector` of 10 default initialized `int`s?
12217     vector<int> v3(10); // ten elements with value 0
12219 The use of `()` rather than `{}` for number of elements is conventional (going back to the early 1980s), hard to change, but still
12220 a design error: for a container where the element type can be confused with the number of elements, we have an ambiguity that
12221 must be resolved.
12222 The conventional resolution is to interpret `{10}` as a list of one element and use `(10)` to distinguish a size.
12224 This mistake need not be repeated in new code.
12225 We can define a type to represent the number of elements:
12227     struct Count { int n; };
12229     template<typename T>
12230     class Vector {
12231     public:
12232         Vector(Count n);                     // n default-initialized elements
12233         Vector(initializer_list<T> init);    // init.size() elements
12234         // ...
12235     };
12237     Vector<int> v1{10};
12238     Vector<int> v2{Count{10}};
12239     Vector<Count> v3{Count{10}};    // yes, there is still a very minor problem
12241 The main problem left is to find a suitable name for `Count`.
12243 ##### Enforcement
12245 Flag the C-style `(T)e` and functional-style `T(e)` casts.
12248 ### <a name="Res-deref"></a>ES.65: Don't dereference an invalid pointer
12250 ##### Reason
12252 Dereferencing an invalid pointer, such as `nullptr`, is undefined behavior, typically leading to immediate crashes,
12253 wrong results, or memory corruption.
12255 ##### Note
12257 This rule is an obvious and well-known language rule, but can be hard to follow.
12258 It takes good coding style, library support, and static analysis to eliminate violations without major overhead.
12259 This is a major part of the discussion of [C++'s model for type- and resource-safety](#Stroustrup15).
12261 **See also**:
12263 * Use [RAII](#Rr-raii) to avoid lifetime problems.
12264 * Use [unique_ptr](#Rf-unique_ptr) to avoid lifetime problems.
12265 * Use [shared_ptr](#Rf-shared_ptr) to avoid lifetime problems.
12266 * Use [references](#Rf-ptr-ref) when `nullptr` isn't a possibility.
12267 * Use [not_null](#Rf-nullptr) to catch unexpected `nullptr` early.
12268 * Use the [bounds profile](#SS-bounds) to avoid range errors.
12271 ##### Example
12273     void f()
12274     {
12275         int x = 0;
12276         int* p = &x;
12278         if (condition()) {
12279             int y = 0;
12280             p = &y;
12281         } // invalidates p
12283         *p = 42;            // BAD, p might be invalid if the branch was taken
12284     }
12286 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).
12288     void f1()
12289     {
12290         int x = 0;
12291         int* p = &x;
12293         int y = 0;
12294         if (condition()) {
12295             p = &y;
12296         }
12298         *p = 42;            // OK, p points to x or y and both are still in scope
12299     }
12301 Unfortunately, most invalid pointer problems are harder to spot and harder to fix.
12303 ##### Example
12305     void f(int* p)
12306     {
12307         int x = *p; // BAD: how do we know that p is valid?
12308     }
12310 There is a huge amount of such code.
12311 Most works -- after lots of testing -- but in isolation it is impossible to tell whether `p` could be the `nullptr`.
12312 Consequently, this is also a major source of errors.
12313 There are many approaches to dealing with this potential problem:
12315     void f1(int* p) // deal with nullptr
12316     {
12317         if (!p) {
12318             // deal with nullptr (allocate, return, throw, make p point to something, whatever
12319         }
12320         int x = *p;
12321     }
12323 There are two potential problems with testing for `nullptr`:
12325 * it is not always obvious what to do what to do if we find `nullptr`
12326 * the test can be redundant and/or relatively expensive
12327 * it is not obvious if the test is to protect against a violation or part of the required logic.
12329 <!-- comment needed for code block after list -->
12330     void f2(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12331     {
12332         assert(p);
12333         int x = *p;
12334     }
12336 This would carry a cost only when the assertion checking was enabled and would give a compiler/analyzer useful information.
12337 This would work even better if/when C++ gets direct support for contracts:
12339     void f3(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12340         [[expects: p]]
12341     {
12342         int x = *p;
12343     }
12345 Alternatively, we could use `gsl::not_null` to ensure that `p` is not the `nullptr`.
12347     void f(not_null<int*> p)
12348     {
12349         int x = *p;
12350     }
12352 These remedies take care of `nullptr` only.
12353 Remember that there are other ways of getting an invalid pointer.
12355 ##### Example
12357     void f(int* p)  // old code, doesn't use owner
12358     {
12359         delete p;
12360     }
12362     void g()        // old code: uses naked new
12363     {
12364         auto q = new int{7};
12365         f(q);
12366         int x = *q; // BAD: dereferences invalid pointer
12367     }
12369 ##### Example
12371     void f()
12372     {
12373         vector<int> v(10);
12374         int* p = &v[5];
12375         v.push_back(99); // could reallocate v's elements
12376         int x = *p; // BAD: dereferences potentially invalid pointer
12377     }
12379 ##### Enforcement
12381 This rule is part of the [lifetime safety profile](#SS-lifetime)
12383 * Flag a dereference of a pointer that points to an object that has gone out of scope
12384 * Flag a dereference of a pointer that might have been invalidated by assigning a `nullptr`
12385 * Flag a dereference of a pointer that might have been invalidated by a `delete`
12386 * Flag a dereference to a pointer to a container element that might have been invalidated by dereference
12389 ## ES.stmt: Statements
12391 Statements control the flow of control (except for function calls and exception throws, which are expressions).
12393 ### <a name="Res-switch-if"></a>ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice
12395 ##### Reason
12397 * Readability.
12398 * Efficiency: A `switch` compares against constants and is usually better optimized than a series of tests in an `if`-`then`-`else` chain.
12399 * A `switch` enables some heuristic consistency checking. For example, have all values of an `enum` been covered? If not, is there a `default`?
12401 ##### Example
12403     void use(int n)
12404     {
12405         switch (n) {   // good
12406         case 0:
12407             // ...
12408             break;
12409         case 7:
12410             // ...
12411             break;
12412         default:
12413             // ...
12414             break;
12415         }
12416     }
12418 rather than:
12420     void use2(int n)
12421     {
12422         if (n == 0)   // bad: if-then-else chain comparing against a set of constants
12423             // ...
12424         else if (n == 7)
12425             // ...
12426     }
12428 ##### Enforcement
12430 Flag `if`-`then`-`else` chains that check against constants (only).
12432 ### <a name="Res-for-range"></a>ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice
12434 ##### Reason
12436 Readability. Error prevention. Efficiency.
12438 ##### Example
12440     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)   // bad
12441             cout << v[i] << '\n';
12443     for (auto p = v.begin(); p != v.end(); ++p)   // bad
12444         cout << *p << '\n';
12446     for (auto& x : v)    // OK
12447         cout << x << '\n';
12449     for (gsl::index i = 1; i < v.size(); ++i) // touches two elements: can't be a range-for
12450         cout << v[i] + v[i - 1] << '\n';
12452     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) // possible side effect: can't be a range-for
12453         cout << f(v, &v[i]) << '\n';
12455     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) { // body messes with loop variable: can't be a range-for
12456         if (i % 2 == 0)
12457             continue;   // skip even elements
12458         else
12459             cout << v[i] << '\n';
12460     }
12462 A human or a good static analyzer might determine that there really isn't a side effect on `v` in `f(v, &v[i])` so that the loop can be rewritten.
12464 "Messing with the loop variable" in the body of a loop is typically best avoided.
12466 ##### Note
12468 Don't use expensive copies of the loop variable of a range-`for` loop:
12470     for (string s : vs) // ...
12472 This will copy each elements of `vs` into `s`. Better:
12474     for (string& s : vs) // ...
12476 Better still, if the loop variable isn't modified or copied:
12478     for (const string& s : vs) // ...
12480 ##### Enforcement
12482 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.
12484 ### <a name="Res-for-while"></a>ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable
12486 ##### Reason
12488 Readability: the complete logic of the loop is visible "up front". The scope of the loop variable can be limited.
12490 ##### Example
12492     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i++) {
12493         // do work
12494     }
12496 ##### Example, bad
12498     int i = 0;
12499     while (i < vec.size()) {
12500         // do work
12501         i++;
12502     }
12504 ##### Enforcement
12508 ### <a name="Res-while-for"></a>ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable
12510 ##### Reason
12512 Readability.
12514 ##### Example
12516     int events = 0;
12517     for (; wait_for_event(); ++events) {  // bad, confusing
12518         // ...
12519     }
12521 The "event loop" is misleading because the `events` counter has nothing to do with the loop condition (`wait_for_event()`).
12522 Better
12524     int events = 0;
12525     while (wait_for_event()) {      // better
12526         ++events;
12527         // ...
12528     }
12530 ##### Enforcement
12532 Flag actions in `for`-initializers and `for`-increments that do not relate to the `for`-condition.
12534 ### <a name="Res-for-init"></a>ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement
12536 ##### Reason
12538 Limit the loop variable visibility to the scope of the loop.
12539 Avoid using the loop variable for other purposes after the loop.
12541 ##### Example
12543     for (int i = 0; i < 100; ++i) {   // GOOD: i var is visible only inside the loop
12544         // ...
12545     }
12547 ##### Example, don't
12549     int j;                            // BAD: j is visible outside the loop
12550     for (j = 0; j < 100; ++j) {
12551         // ...
12552     }
12553     // j is still visible here and isn't needed
12555 **See also**: [Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
12557 ##### Example
12559     for (string s; cin >> s; ) {
12560         cout << s << '\n';
12561     }
12563 ##### Enforcement
12565 Warn when a variable modified inside the `for`-statement is declared outside the loop and not being used outside the loop.
12567 **Discussion**: Scoping the loop variable to the loop body also helps code optimizers greatly. Recognizing that the induction variable
12568 is only accessible in the loop body unblocks optimizations such as hoisting, strength reduction, loop-invariant code motion, etc.
12570 ### <a name="Res-do"></a>ES.75: Avoid `do`-statements
12572 ##### Reason
12574 Readability, avoidance of errors.
12575 The termination condition is at the end (where it can be overlooked) and the condition is not checked the first time through.
12577 ##### Example
12579     int x;
12580     do {
12581         cin >> x;
12582         // ...
12583     } while (x < 0);
12585 ##### Note
12587 Yes, there are genuine examples where a `do`-statement is a clear statement of a solution, but also many bugs.
12589 ##### Enforcement
12591 Flag `do`-statements.
12593 ### <a name="Res-goto"></a>ES.76: Avoid `goto`
12595 ##### Reason
12597 Readability, avoidance of errors. There are better control structures for humans; `goto` is for machine generated code.
12599 ##### Exception
12601 Breaking out of a nested loop.
12602 In that case, always jump forwards.
12604     for (int i = 0; i < imax; ++i)
12605         for (int j = 0; j < jmax; ++j) {
12606             if (a[i][j] > elem_max) goto finished;
12607             // ...
12608         }
12609     finished:
12610     // ...
12612 ##### Example, bad
12614 There is a fair amount of use of the C goto-exit idiom:
12616     void f()
12617     {
12618         // ...
12619             goto exit;
12620         // ...
12621             goto exit;
12622         // ...
12623     exit:
12624         // ... common cleanup code ...
12625     }
12627 This is an ad-hoc simulation of destructors.
12628 Declare your resources with handles with destructors that clean up.
12629 If for some reason you cannot handle all cleanup with destructors for the variables used,
12630 consider `gsl::finally()` as a cleaner and more reliable alternative to `goto exit`
12632 ##### Enforcement
12634 * 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.
12636 ### <a name="Res-continue"></a>ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops
12638 ##### Reason
12640  In a non-trivial loop body, it is easy to overlook a `break` or a `continue`.
12642  A `break` in a loop has a dramatically different meaning than a `break` in a `switch`-statement
12643  (and you can have `switch`-statement in a loop and a loop in a `switch`-case).
12645 ##### Example
12647     switch(x) {
12648     case 1 :
12649         while (/* some condition */) {
12650             //...
12651         break;
12652         } //Oops! break switch or break while intended?
12653     case 2 :
12654         //...
12655         break;
12656     }
12658 ##### Alternative
12660 Often, a loop that requires a `break` is a good candidate for a function (algorithm), in which case the `break` becomes a `return`.
12662     //Original code: break inside loop
12663     void use1()
12664     {
12665         std::vector<T> vec = {/* initialized with some values */};
12666         T value;
12667         for (const T item : vec) {
12668             if (/* some condition*/) {
12669                 value = item;
12670                 break;
12671             }
12672         }
12673         /* then do something with value */
12674     }
12675     
12676     //BETTER: create a function and return inside loop
12677     T search(const std::vector<T> &vec)
12678     {
12679         for (const T &item : vec) {
12680             if (/* some condition*/) return item;
12681         }
12682         return T(); //default value
12683     }
12684     
12685     void use2()
12686     {
12687         std::vector<T> vec = {/* initialized with some values */};
12688         T value = search(vec);
12689         /* then do something with value */
12690     }
12692 Often, a loop that uses `continue` can equivalently and as clearly be expressed by an `if`-statement.
12694     for (int item : vec) { //BAD
12695         if (item%2 == 0) continue;
12696         if (item == 5) continue;
12697         if (item > 10) continue;
12698         /* do something with item */
12699     }
12700     
12701     for (int item : vec) { //GOOD
12702         if (item%2 != 0 && item != 5 && item <= 10) {
12703             /* do something with item */
12704         }
12705     }
12707 ##### Note
12709 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):
12712 ##### Enforcement
12716 ### <a name="Res-break"></a>ES.78: Don't rely on implicit fallthrough in `switch` statements
12718 ##### Reason
12720 Always end a non-empty `case` with a `break`. Accidentally leaving out a `break` is a fairly common bug.
12721 A deliberate fallthrough can be a maintenance hazard and should be rare and explicit.
12723 ##### Example
12725     switch (eventType) {
12726     case Information:
12727         update_status_bar();
12728         break;
12729     case Warning:
12730         write_event_log();
12731         // Bad - implicit fallthrough
12732     case Error:
12733         display_error_window();
12734         break;
12735     }
12737 Multiple case labels of a single statement is OK:
12739     switch (x) {
12740     case 'a':
12741     case 'b':
12742     case 'f':
12743         do_something(x);
12744         break;
12745     }
12747 Return statements in a case label are also OK:
12748     switch (x) {
12749     case 'a':
12750         return 1;
12751     case 'b':
12752         return 2;
12753     case 'c':
12754         return 3;
12755     }
12757 ##### Exceptions
12759 In rare cases if fallthrough is deemed appropriate, be explicit and use the `[[fallthrough]]` annotation:
12761     switch (eventType) {
12762     case Information:
12763         update_status_bar();
12764         break;
12765     case Warning:
12766         write_event_log();
12767         [[fallthrough]];
12768     case Error:
12769         display_error_window();
12770         break;
12771     }
12773 ##### Note
12775 ##### Enforcement
12777 Flag all implicit fallthroughs from non-empty `case`s.
12780 ### <a name="Res-default"></a>ES.79: Use `default` to handle common cases (only)
12782 ##### Reason
12784  Code clarity.
12785  Improved opportunities for error detection.
12787 ##### Example
12789     enum E { a, b, c , d };
12791     void f1(E x)
12792     {
12793         switch (x) {
12794         case a:
12795             do_something();
12796             break;
12797         case b:
12798             do_something_else();
12799             break;
12800         default:
12801             take_the_default_action();
12802             break;
12803         }
12804     }
12806 Here it is clear that there is a default action and that cases `a` and `b` are special.
12808 ##### Example
12810 But what if there is no default action and you mean to handle only specific cases?
12811 In that case, have an empty default or else it is impossible to know if you meant to handle all cases:
12813     void f2(E x)
12814     {
12815         switch (x) {
12816         case a:
12817             do_something();
12818             break;
12819         case b:
12820             do_something_else();
12821             break;
12822         default:
12823             // do nothing for the rest of the cases
12824             break;
12825         }
12826     }
12828 If you leave out the `default`, a maintainer and/or a compiler might reasonably assume that you intended to handle all cases:
12830     void f2(E x)
12831     {
12832         switch (x) {
12833         case a:
12834             do_something();
12835             break;
12836         case b:
12837         case c:
12838             do_something_else();
12839             break;
12840         }
12841     }
12843 Did you forget case `d` or deliberately leave it out?
12844 Forgetting a case typically happens when a case is added to an enumeration and the person doing so fails to add it to every
12845 switch over the enumerators.
12847 ##### Enforcement
12849 Flag `switch`-statements over an enumeration that don't handle all enumerators and do not have a `default`.
12850 This might yield too many false positives in some code bases; if so, flag only `switch`es that handle most but not all cases
12851 (that was the strategy of the very first C++ compiler).
12853 ### <a name="Res-noname"></a>ES.84: Don't try to declare a local variable with no name
12855 ##### Reason
12857 There is no such thing.
12858 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.
12860 ##### Example, bad
12862     void f()
12863     {
12864         lock<mutex>{mx};   // Bad
12865         // ...
12866     }
12868 This declares an unnamed `lock` object that immediately goes out of scope at the point of the semicolon.
12869 This is not an uncommon mistake.
12870 In particular, this particular example can lead to hard-to find race conditions.
12872 ##### Note
12874 Unnamed function arguments are fine.
12876 ##### Enforcement
12878 Flag statements that are just a temporary.
12880 ### <a name="Res-empty"></a>ES.85: Make empty statements visible
12882 ##### Reason
12884 Readability.
12886 ##### Example
12888     for (i = 0; i < max; ++i);   // BAD: the empty statement is easily overlooked
12889     v[i] = f(v[i]);
12891     for (auto x : v) {           // better
12892         // nothing
12893     }
12894     v[i] = f(v[i]);
12896 ##### Enforcement
12898 Flag empty statements that are not blocks and don't contain comments.
12900 ### <a name="Res-loop-counter"></a>ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops
12902 ##### Reason
12904 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.
12906 ##### Example
12908     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12909         // no updates to i -- ok
12910     }
12912     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12913         //
12914         if (/* something */) ++i; // BAD
12915         //
12916     }
12918     bool skip = false;
12919     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
12920         if (skip) { skip = false; continue; }
12921         //
12922         if (/* something */) skip = true;  // Better: using two variables for two concepts.
12923         //
12924     }
12926 ##### Enforcement
12928 Flag variables that are potentially updated (have a non-`const` use) in both the loop control iteration-expression and the loop body.
12931 ### <a name="Res-if"></a>ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions
12933 ##### Reason
12935 Doing so avoids verbosity and eliminates some opportunities for mistakes.
12936 Helps make style consistent and conventional.
12938 ##### Example
12940 By definition, a condition in an `if`-statement, `while`-statement, or a `for`-statement selects between `true` and `false`.
12941 A numeric value is compared to `0` and a pointer value to `nullptr`.
12943     // These all mean "if `p` is not `nullptr`"
12944     if (p) { ... }            // good
12945     if (p != 0) { ... }       // redundant `!=0`; bad: don't use 0 for pointers
12946     if (p != nullptr) { ... } // redundant `!=nullptr`, not recommended
12948 Often, `if (p)` is read as "if `p` is valid" which is a direct expression of the programmers intent,
12949 whereas `if (p != nullptr)` would be a long-winded workaround.
12951 ##### Example
12953 This rule is especially useful when a declaration is used as a condition
12955     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps)) { ... } // execute if ps points to a kind of Circle, good
12957     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps); pc != nullptr) { ... } // not recommended
12959 ##### Example
12961 Note that implicit conversions to bool are applied in conditions.
12962 For example:
12964     for (string s; cin >> s; ) v.push_back(s);
12966 This invokes `istream`'s `operator bool()`.
12968 ##### Note
12970 Explicit comparison of an integer to `0` is in general not redundant.
12971 The reason is that (as opposed to pointers and Booleans) an integer often has more than two reasonable values.
12972 Furthermore `0` (zero) is often used to indicate success.
12973 Consequently, it is best to be specific about the comparison.
12975     void f(int i)
12976     {
12977         if (i)            // suspect
12978         // ...
12979         if (i == success) // possibly better
12980         // ...
12981     }
12983 Always remember that an integer can have more than two values.
12985 ##### Example, bad
12987 It has been noted that
12989     if(strcmp(p1, p2)) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
12991 is a common beginners error.
12992 If you use C-style strings, you must know the `<cstring>` functions well.
12993 Being verbose and writing
12995     if(strcmp(p1, p2) != 0) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
12997 would not in itself save you.
12999 ##### Note
13001 The opposite condition is most easily expressed using a negation:
13003     // These all mean "if `p` is `nullptr`"
13004     if (!p) { ... }           // good
13005     if (p == 0) { ... }       // redundant `== 0`; bad: don't use `0` for pointers
13006     if (p == nullptr) { ... } // redundant `== nullptr`, not recommended
13008 ##### Enforcement
13010 Easy, just check for redundant use of `!=` and `==` in conditions.
13014 ## <a name="SS-numbers"></a>Arithmetic
13016 ### <a name="Res-mix"></a>ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic
13018 ##### Reason
13020 Avoid wrong results.
13022 ##### Example
13024     int x = -3;
13025     unsigned int y = 7;
13027     cout << x - y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967286
13028     cout << x + y << '\n';  // unsigned result: 4
13029     cout << x * y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967275
13031 It is harder to spot the problem in more realistic examples.
13033 ##### Note
13035 Unfortunately, C++ uses signed integers for array subscripts and the standard library uses unsigned integers for container subscripts.
13036 This precludes consistency. Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
13038 ##### Enforcement
13040 * Compilers already know and sometimes warn.
13041 * (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`.
13044 ### <a name="Res-unsigned"></a>ES.101: Use unsigned types for bit manipulation
13046 ##### Reason
13048 Unsigned types support bit manipulation without surprises from sign bits.
13050 ##### Example
13052     unsigned char x = 0b1010'1010;
13053     unsigned char y = ~x;   // y == 0b0101'0101;
13055 ##### Note
13057 Unsigned types can also be useful for modulo arithmetic.
13058 However, if you want modulo arithmetic add
13059 comments as necessary noting the reliance on wraparound behavior, as such code
13060 can be surprising for many programmers.
13062 ##### Enforcement
13064 * Just about impossible in general because of the use of unsigned subscripts in the standard library
13065 * ???
13067 ### <a name="Res-signed"></a>ES.102: Use signed types for arithmetic
13069 ##### Reason
13071 Because most arithmetic is assumed to be signed;
13072 `x - y` yields a negative number when `y > x` except in the rare cases where you really want modulo arithmetic.
13074 ##### Example
13076 Unsigned arithmetic can yield surprising results if you are not expecting it.
13077 This is even more true for mixed signed and unsigned arithmetic.
13079     template<typename T, typename T2>
13080     T subtract(T x, T2 y)
13081     {
13082         return x - y;
13083     }
13085     void test()
13086     {
13087         int s = 5;
13088         unsigned int us = 5;
13089         cout << subtract(s, 7) << '\n';       // -2
13090         cout << subtract(us, 7u) << '\n';     // 4294967294
13091         cout << subtract(s, 7u) << '\n';      // -2
13092         cout << subtract(us, 7) << '\n';      // 4294967294
13093         cout << subtract(s, us + 2) << '\n';  // -2
13094         cout << subtract(us, s + 2) << '\n';  // 4294967294
13095     }
13097 Here we have been very explicit about what's happening,
13098 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`?
13100 ##### Exception
13102 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic - add
13103 comments as necessary noting the reliance on overflow behavior, as such code
13104 is going to be surprising for many programmers.
13106 ##### Example
13108 The standard library uses unsigned types for subscripts.
13109 The built-in array uses signed types for subscripts.
13110 This makes surprises (and bugs) inevitable.
13112     int a[10];
13113     for (int i = 0; i < 10; ++i) a[i] = i;
13114     vector<int> v(10);
13115     // compares signed to unsigned; some compilers warn, but we should not
13116     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) v[i] = i;
13118     int a2[-2];         // error: negative size
13120     // OK, but the number of ints (4294967294) is so large that we should get an exception
13121     vector<int> v2(-2);
13123  Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
13125 ##### Enforcement
13127 * Flag mixed signed and unsigned arithmetic
13128 * Flag results of unsigned arithmetic assigned to or printed as signed.
13129 * Flag negative literals (e.g. `-2`) used as container subscripts.
13130 * (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`.
13133 ### <a name="Res-overflow"></a>ES.103: Don't overflow
13135 ##### Reason
13137 Overflow usually makes your numeric algorithm meaningless.
13138 Incrementing a value beyond a maximum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13140 ##### Example, bad
13142     int a[10];
13143     a[10] = 7;   // bad, array bounds overflow
13145     for (int n = 0; n <= 10; ++n)
13146         a[n] = 9;   // bad, array bounds overflow
13148 ##### Example, bad
13150     int n = numeric_limits<int>::max();
13151     int m = n + 1;   // bad, numeric overflow
13153 ##### Example, bad
13155     int area(int h, int w) { return h * w; }
13157     auto a = area(10'000'000, 100'000'000);   // bad, numeric overflow
13159 ##### Exception
13161 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13163 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13165 ##### Enforcement
13169 ### <a name="Res-underflow"></a>ES.104: Don't underflow
13171 ##### Reason
13173 Decrementing a value beyond a minimum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13175 ##### Example, bad
13177     int a[10];
13178     a[-2] = 7;   // bad
13180     int n = 101;
13181     while (n--)
13182         a[n - 1] = 9;   // bad (twice)
13184 ##### Exception
13186 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13188 ##### Enforcement
13192 ### <a name="Res-zero"></a>ES.105: Don't divide by integer zero
13194 ##### Reason
13196 The result is undefined and probably a crash.
13198 ##### Note
13200 This also applies to `%`.
13202 ##### Example, bad
13204     int divide(int a, int b)
13205     {
13206         // BAD, should be checked (e.g., in a precondition)
13207         return a / b;
13208     }
13210 ##### Example, good
13212     int divide(int a, int b)
13213     {
13214         // good, address via precondition (and replace with contracts once C++ gets them)
13215         Expects(b != 0);
13216         return a / b;
13217     }
13219     double divide(double a, double b)
13220     {
13221         // good, address via using double instead
13222         return a / b;
13223     }
13225 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13227 ##### Enforcement
13229 * Flag division by an integral value that could be zero
13232 ### <a name="Res-nonnegative"></a>ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`
13234 ##### Reason
13236 Choosing `unsigned` implies many changes to the usual behavior of integers, including modulo arithmetic,
13237 can suppress warnings related to overflow,
13238 and opens the door for errors related to signed/unsigned mixes.
13239 Using `unsigned` doesn't actually eliminate the possibility of negative values.
13241 ##### Example
13243     unsigned int u1 = -2;   // Valid: the value of u1 is 4294967294
13244     int i1 = -2;
13245     unsigned int u2 = i1;   // Valid: the value of u2 is 4294967294
13246     int i2 = u2;            // Valid: the value of i2 is -2
13248 These problems with such (perfectly legal) constructs are hard to spot in real code and are the source of many real-world errors.
13249 Consider:
13251     unsigned area(unsigned height, unsigned width) { return height*width; } // [see also](#Ri-expects)
13252     // ...
13253     int height;
13254     cin >> height;
13255     auto a = area(height, 2);   // if the input is -2 a becomes 4294967292
13257 Remember that `-1` when assigned to an `unsigned int` becomes the largest `unsigned int`.
13258 Also, since unsigned arithmetic is modulo arithmetic the multiplication didn't overflow, it wrapped around.
13260 ##### Example
13262     unsigned max = 100000;    // "accidental typo", I mean to say 10'000
13263     unsigned short x = 100;
13264     while (x < max) x += 100; // infinite loop
13266 Had `x` been a signed `short`, we could have warned about the undefined behavior upon overflow.
13268 ##### Alternatives
13270 * use signed integers and check for `x >= 0`
13271 * use a positive integer type
13272 * use an integer subrange type
13273 * `Assert(-1 < x)`
13275 For example
13277     struct Positive {
13278         int val;
13279         Positive(int x) :val{x} { Assert(0 < x); }
13280         operator int() { return val; }
13281     };
13283     int f(Positive arg) { return arg; }
13285     int r1 = f(2);
13286     int r2 = f(-2);  // throws
13288 ##### Note
13292 ##### Enforcement
13294 See ES.100 Enforcements.
13297 ### <a name="Res-subscripts"></a>ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`
13299 ##### Reason
13301 To avoid signed/unsigned confusion.
13302 To enable better optimization.
13303 To enable better error detection.
13304 To avoid the pitfalls with `auto` and `int`.
13306 ##### Example, bad
13308     vector<int> vec = /*...*/;
13310     for (int i = 0; i < vec.size(); i += 2)                    // might not be big enough
13311         cout << vec[i] << '\n';
13312     for (unsigned i = 0; i < vec.size(); i += 2)               // risk wraparound
13313         cout << vec[i] << '\n';
13314     for (auto i = 0; i < vec.size(); i += 2)                   // might not be big enough
13315         cout << vec[i] << '\n';
13316     for (vector<int>::size_type i = 0; i < vec.size(); i += 2) // verbose
13317         cout << vec[i] << '\n';
13318     for (auto i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                // bug
13319         cout << vec[i] << '\n';
13320     for (int i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                 // might not be big enough
13321         cout << vec[i] << '\n';
13323 ##### Example, good
13325     vector<int> vec = /*...*/;
13327     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i += 2)             // ok
13328         cout << vec[i] << '\n';
13329     for (gsl::index i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)          // ok
13330         cout << vec[i] << '\n';
13332 ##### Note
13334 The built-in array uses signed subscripts.
13335 The standard-library containers use unsigned subscripts.
13336 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).
13337 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`.
13339 ##### Example
13341     template<typename T>
13342     struct My_container {
13343     public:
13344         // ...
13345         T& operator[](gsl::index i);    // not unsigned
13346         // ...
13347     };
13349 ##### Example
13351     ??? demonstrate improved code generation and potential for error detection ???
13353 ##### Alternatives
13355 Alternatives for users
13357 * use algorithms
13358 * use range-for
13359 * use iterators/pointers
13361 ##### Enforcement
13363 * Very tricky as long as the standard-library containers get it wrong.
13364 * (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`.
13369 # <a name="S-performance"></a>Per: Performance
13371 ??? should this section be in the main guide???
13373 This section contains rules for people who need high performance or low-latency.
13374 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.
13375 The rules in this section are more restrictive and intrusive than what is needed for many (most) applications.
13376 Do not naïvely try to follow them in general code: achieving the goals of low latency requires extra work.
13378 Performance rule summary:
13380 * [Per.1: Don't optimize without reason](#Rper-reason)
13381 * [Per.2: Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
13382 * [Per.3: Don't optimize something that's not performance critical](#Rper-critical)
13383 * [Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code](#Rper-simple)
13384 * [Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code](#Rper-low)
13385 * [Per.6: Don't make claims about performance without measurements](#Rper-measure)
13386 * [Per.7: Design to enable optimization](#Rper-efficiency)
13387 * [Per.10: Rely on the static type system](#Rper-type)
13388 * [Per.11: Move computation from run time to compile time](#Rper-Comp)
13389 * [Per.12: Eliminate redundant aliases](#Rper-alias)
13390 * [Per.13: Eliminate redundant indirections](#Rper-indirect)
13391 * [Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations](#Rper-alloc)
13392 * [Per.15: Do not allocate on a critical branch](#Rper-alloc0)
13393 * [Per.16: Use compact data structures](#Rper-compact)
13394 * [Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first](#Rper-struct)
13395 * [Per.18: Space is time](#Rper-space)
13396 * [Per.19: Access memory predictably](#Rper-access)
13397 * [Per.30: Avoid context switches on the critical path](#Rper-context)
13399 ### <a name="Rper-reason"></a>Per.1: Don't optimize without reason
13401 ##### Reason
13403 If there is no need for optimization, the main result of the effort will be more errors and higher maintenance costs.
13405 ##### Note
13407 Some people optimize out of habit or because it's fun.
13411 ### <a name="Rper-Knuth"></a>Per.2: Don't optimize prematurely
13413 ##### Reason
13415 Elaborately optimized code is usually larger and harder to change than unoptimized code.
13419 ### <a name="Rper-critical"></a>Per.3: Don't optimize something that's not performance critical
13421 ##### Reason
13423 Optimizing a non-performance-critical part of a program has no effect on system performance.
13425 ##### Note
13427 If your program spends most of its time waiting for the web or for a human, optimization of in-memory computation is probably useless.
13429 Put another way: If your program spends 4% of its processing time doing
13430 computation A and 40% of its time doing computation B, a 50% improvement on A is
13431 only as impactful as a 5% improvement on B. (If you don't even know how much
13432 time is spent on A or B, see <a href="#Rper-reason">Per.1</a> and <a
13433 href="#Rper-Knuth">Per.2</a>.)
13435 ### <a name="Rper-simple"></a>Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code
13437 ##### Reason
13439 Simple code can be very fast. Optimizers sometimes do marvels with simple code
13441 ##### Example, good
13443     // clear expression of intent, fast execution
13445     vector<uint8_t> v(100000);
13447     for (auto& c : v)
13448         c = ~c;
13450 ##### Example, bad
13452     // intended to be faster, but is often slower
13454     vector<uint8_t> v(100000);
13456     for (size_t i = 0; i < v.size(); i += sizeof(uint64_t)) {
13457         uint64_t& quad_word = *reinterpret_cast<uint64_t*>(&v[i]);
13458         quad_word = ~quad_word;
13459     }
13461 ##### Note
13467 ### <a name="Rper-low"></a>Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code
13469 ##### Reason
13471 Low-level code sometimes inhibits optimizations. Optimizers sometimes do marvels with high-level code.
13473 ##### Note
13479 ### <a name="Rper-measure"></a>Per.6: Don't make claims about performance without measurements
13481 ##### Reason
13483 The field of performance is littered with myth and bogus folklore.
13484 Modern hardware and optimizers defy naive assumptions; even experts are regularly surprised.
13486 ##### Note
13488 Getting good performance measurements can be hard and require specialized tools.
13490 ##### Note
13492 A few simple microbenchmarks using Unix `time` or the standard-library `<chrono>` can help dispel the most obvious myths.
13493 If you can't measure your complete system accurately, at least try to measure a few of your key operations and algorithms.
13494 A profiler can help tell you which parts of your system are performance critical.
13495 Often, you will be surprised.
13499 ### <a name="Rper-efficiency"></a>Per.7: Design to enable optimization
13501 ##### Reason
13503 Because we often need to optimize the initial design.
13504 Because a design that ignores the possibility of later improvement is hard to change.
13506 ##### Example
13508 From the C (and C++) standard:
13510     void qsort (void* base, size_t num, size_t size, int (*compar)(const void*, const void*));
13512 When did you even want to sort memory?
13513 Really, we sort sequences of elements, typically stored in containers.
13514 A call to `qsort` throws away much useful information (e.g., the element type), forces the user to repeat information
13515 already known (e.g., the element size), and forces the user to write extra code (e.g., a function to compare `double`s).
13516 This implies added work for the programmer, is error-prone, and deprives the compiler of information needed for optimization.
13518     double data[100];
13519     // ... fill a ...
13521     // 100 chunks of memory of sizeof(double) starting at
13522     // address data using the order defined by compare_doubles
13523     qsort(data, 100, sizeof(double), compare_doubles);
13525 From the point of view of interface design is that `qsort` throws away useful information.
13527 We can do better (in C++98)
13529     template<typename Iter>
13530         void sort(Iter b, Iter e);  // sort [b:e)
13532     sort(data, data + 100);
13534 Here, we use the compiler's knowledge about the size of the array, the type of elements, and how to compare `double`s.
13536 With C++11 plus [concepts](#SS-concepts), we can do better still
13538     // Sortable specifies that c must be a
13539     // random-access sequence of elements comparable with <
13540     void sort(Sortable& c);
13542     sort(c);
13544 The key is to pass sufficient information for a good implementation to be chosen.
13545 In this, the `sort` interfaces shown here still have a weakness:
13546 They implicitly rely on the element type having less-than (`<`) defined.
13547 To complete the interface, we need a second version that accepts a comparison criteria:
13549     // compare elements of c using p
13550     void sort(Sortable& c, Predicate<Value_type<Sortable>> p);
13552 The standard-library specification of `sort` offers those two versions,
13553 but the semantics is expressed in English rather than code using concepts.
13555 ##### Note
13557 Premature optimization is said to be [the root of all evil](#Rper-Knuth), but that's not a reason to despise performance.
13558 It is never premature to consider what makes a design amenable to improvement, and improved performance is a commonly desired improvement.
13559 Aim to build a set of habits that by default results in efficient, maintainable, and optimizable code.
13560 In particular, when you write a function that is not a one-off implementation detail, consider
13562 * Information passing:
13563 Prefer clean [interfaces](#S-interfaces) carrying sufficient information for later improvement of implementation.
13564 Note that information flows into and out of an implementation through the interfaces we provide.
13565 * Compact data: By default, [use compact data](#Rper-compact), such as `std::vector` and [access it in a systematic fashion](#Rper-access).
13566 If you think you need a linked structure, try to craft the interface so that this structure isn't seen by users.
13567 * Function argument passing and return:
13568 Distinguish between mutable and non-mutable data.
13569 Don't impose a resource management burden on your users.
13570 Don't impose spurious run-time indirections on your users.
13571 Use [conventional ways](#Rf-conventional) of passing information through an interface;
13572 unconventional and/or "optimized" ways of passing data can seriously complicate later reimplementation.
13573 * Abstraction:
13574 Don't overgeneralize; a design that tries to cater for every possible use (and misuse) and defers every design decision for later
13575 (using compile-time or run-time indirections) is usually a complicated, bloated, hard-to-understand mess.
13576 Generalize from concrete examples, preserving performance as we generalize.
13577 Do not generalize based on mere speculation about future needs.
13578 The ideal is zero-overhead generalization.
13579 * Libraries:
13580 Use libraries with good interfaces.
13581 If no library is available build one yourself and imitate the interface style from a good library.
13582 The [standard library](#S-stdlib) is a good first place to look for inspiration.
13583 * Isolation:
13584 Isolate your code from messy and/or old-style code by providing an interface of your choosing to it.
13585 This is sometimes called "providing a wrapper" for the useful/necessary but messy code.
13586 Don't let bad designs "bleed into" your code.
13588 ##### Example
13590 Consider:
13592     template<class ForwardIterator, class T>
13593     bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13595 `binary_search(begin(c), end(c), 7)` will tell you whether `7` is in `c` or not.
13596 However, it will not tell you where that `7` is or whether there are more than one `7`.
13598 Sometimes, just passing the minimal amount of information back (here, `true` or `false`) is sufficient, but a good interface passes
13599 needed information back to the caller. Therefore, the standard library also offers
13601     template<class ForwardIterator, class T>
13602     ForwardIterator lower_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13604 `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.
13606 However, `lower_bound` still doesn't return enough information for all uses, so the standard library also offers
13608     template<class ForwardIterator, class T>
13609     pair<ForwardIterator, ForwardIterator>
13610     equal_range(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13612 `equal_range` returns a `pair` of iterators specifying the first and one beyond last match.
13614     auto r = equal_range(begin(c), end(c), 7);
13615     for (auto p = r.first; p != r.second; ++p)
13616         cout << *p << '\n';
13618 Obviously, these three interfaces are implemented by the same basic code.
13619 They are simply three ways of presenting the basic binary search algorithm to users,
13620 ranging from the simplest ("make simple things simple!")
13621 to returning complete, but not always needed, information ("don't hide useful information").
13622 Naturally, crafting such a set of interfaces requires experience and domain knowledge.
13624 ##### Note
13626 Do not simply craft the interface to match the first implementation and the first use case you think of.
13627 Once your first initial implementation is complete, review it; once you deploy it, mistakes will be hard to remedy.
13629 ##### Note
13631 A need for efficiency does not imply a need for [low-level code](#Rper-low).
13632 High-level code does not imply slow or bloated.
13634 ##### Note
13636 Things have costs.
13637 Don't be paranoid about costs (modern computers really are very fast),
13638 but have a rough idea of the order of magnitude of cost of what you use.
13639 For example, have a rough idea of the cost of
13640 a memory access,
13641 a function call,
13642 a string comparison,
13643 a system call,
13644 a disk access,
13645 and a message through a network.
13647 ##### Note
13649 If you can only think of one implementation, you probably don't have something for which you can devise a stable interface.
13650 Maybe, it is just an implementation detail - not every piece of code needs a stable interface - but pause and consider.
13651 One question that can be useful is
13652 "what interface would be needed if this operation should be implemented using multiple threads? be vectorized?"
13654 ##### Note
13656 This rule does not contradict the [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth) rule.
13657 It complements it encouraging developers enable later - appropriate and non-premature - optimization, if and where needed.
13659 ##### Enforcement
13661 Tricky.
13662 Maybe looking for `void*` function arguments will find examples of interfaces that hinder later optimization.
13664 ### <a name="Rper-type"></a>Per.10: Rely on the static type system
13666 ##### Reason
13668 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.
13672 ### <a name="Rper-Comp"></a>Per.11: Move computation from run time to compile time
13674 ##### Reason
13676 To decrease code size and run time.
13677 To avoid data races by using constants.
13678 To catch errors at compile time (and thus eliminate the need for error-handling code).
13680 ##### Example
13682     double square(double d) { return d*d; }
13683     static double s2 = square(2);    // old-style: dynamic initialization
13685     constexpr double ntimes(double d, int n)   // assume 0 <= n
13686     {
13687             double m = 1;
13688             while (n--) m *= d;
13689             return m;
13690     }
13691     constexpr double s3 {ntimes(2, 3)};  // modern-style: compile-time initialization
13693 Code like the initialization of `s2` isn't uncommon, especially for initialization that's a bit more complicated than `square()`.
13694 However, compared to the initialization of `s3` there are two problems:
13696 * we suffer the overhead of a function call at run time
13697 * `s2` just might be accessed by another thread before the initialization happens.
13699 Note: you can't have a data race on a constant.
13701 ##### Example
13703 Consider a popular technique for providing a handle for storing small objects in the handle itself and larger ones on the heap.
13705     constexpr int on_stack_max = 20;
13707     template<typename T>
13708     struct Scoped {     // store a T in Scoped
13709             // ...
13710         T obj;
13711     };
13713     template<typename T>
13714     struct On_heap {    // store a T on the free store
13715             // ...
13716             T* objp;
13717     };
13719     template<typename T>
13720     using Handle = typename std::conditional<(sizeof(T) <= on_stack_max),
13721                         Scoped<T>,      // first alternative
13722                         On_heap<T>      // second alternative
13723                    >::type;
13725     void f()
13726     {
13727         Handle<double> v1;                   // the double goes on the stack
13728         Handle<std::array<double, 200>> v2;  // the array goes on the free store
13729         // ...
13730     }
13732 Assume that `Scoped` and `On_heap` provide compatible user interfaces.
13733 Here we compute the optimal type to use at compile time.
13734 There are similar techniques for selecting the optimal function to call.
13736 ##### Note
13738 The ideal is {not} to try execute everything at compile time.
13739 Obviously, most computations depend on inputs so they can't be moved to compile time,
13740 but beyond that logical constraint is the fact that complex compile-time computation can seriously increase compile times
13741 and complicate debugging.
13742 It is even possible to slow down code by compile-time computation.
13743 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.
13745 ##### Enforcement
13747 * Look for simple functions that might be constexpr (but are not).
13748 * Look for functions called with all constant-expression arguments.
13749 * Look for macros that could be constexpr.
13751 ### <a name="Rper-alias"></a>Per.12: Eliminate redundant aliases
13755 ### <a name="Rper-indirect"></a>Per.13: Eliminate redundant indirections
13759 ### <a name="Rper-alloc"></a>Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations
13763 ### <a name="Rper-alloc0"></a>Per.15: Do not allocate on a critical branch
13767 ### <a name="Rper-compact"></a>Per.16: Use compact data structures
13769 ##### Reason
13771 Performance is typically dominated by memory access times.
13775 ### <a name="Rper-struct"></a>Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first
13779 ### <a name="Rper-space"></a>Per.18: Space is time
13781 ##### Reason
13783 Performance is typically dominated by memory access times.
13787 ### <a name="Rper-access"></a>Per.19: Access memory predictably
13789 ##### Reason
13791 Performance is very sensitive to cache performance and cache algorithms favor simple (usually linear) access to adjacent data.
13793 ##### Example
13795     int matrix[rows][cols];
13797     // bad
13798     for (int c = 0; c < cols; ++c)
13799         for (int r = 0; r < rows; ++r)
13800             sum += matrix[r][c];
13802     // good
13803     for (int r = 0; r < rows; ++r)
13804         for (int c = 0; c < cols; ++c)
13805             sum += matrix[r][c];
13807 ### <a name="Rper-context"></a>Per.30: Avoid context switches on the critical path
13811 # <a name="S-concurrency"></a>CP: Concurrency and parallelism
13813 We often want our computers to do many tasks at the same time (or at least appear to do them at the same time).
13814 The reasons for doing so vary (e.g., waiting for many events using only a single processor, processing many data streams simultaneously, or utilizing many hardware facilities)
13815 and so do the basic facilities for expressing concurrency and parallelism.
13816 Here, we articulate principles and rules for using the ISO standard C++ facilities for expressing basic concurrency and parallelism.
13818 Threads are the machine-level foundation for concurrent and parallel programming.
13819 Threads allow running multiple sections of a program independently, while sharing
13820 the same memory. Concurrent programming is tricky,
13821 because protecting shared data between threads is easier said than done.
13822 Making existing single-threaded code execute concurrently can be
13823 as trivial as adding `std::async` or `std::thread` strategically, or it can
13824 necessitate a full rewrite, depending on whether the original code was written
13825 in a thread-friendly way.
13827 The concurrency/parallelism rules in this document are designed with three goals
13828 in mind:
13830 * To help in writing code that is amenable to being used in a threaded
13831   environment
13832 * To show clean, safe ways to use the threading primitives offered by the
13833   standard library
13834 * To offer guidance on what to do when concurrency and parallelism aren't giving
13835   the performance gains needed
13837 It is also important to note that concurrency in C++ is an unfinished
13838 story. C++11 introduced many core concurrency primitives, C++14 and C++17 improved on
13839 them, and there is much interest in making the writing of
13840 concurrent programs in C++ even easier. We expect some of the library-related
13841 guidance here to change significantly over time.
13843 This section needs a lot of work (obviously).
13844 Please note that we start with rules for relative non-experts.
13845 Real experts must wait a bit;
13846 contributions are welcome,
13847 but please think about the majority of programmers who are struggling to get their concurrent programs correct and performant.
13849 Concurrency and parallelism rule summary:
13851 * [CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program](#Rconc-multi)
13852 * [CP.2: Avoid data races](#Rconc-races)
13853 * [CP.3: Minimize explicit sharing of writable data](#Rconc-data)
13854 * [CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads](#Rconc-task)
13855 * [CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization](#Rconc-volatile)
13856 * [CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code](#Rconc-tools)
13858 **See also**:
13860 * [CP.con: Concurrency](#SScp-con)
13861 * [CP.par: Parallelism](#SScp-par)
13862 * [CP.mess: Message passing](#SScp-mess)
13863 * [CP.vec: Vectorization](#SScp-vec)
13864 * [CP.free: Lock-free programming](#SScp-free)
13865 * [CP.etc: Etc. concurrency rules](#SScp-etc)
13867 ### <a name="Rconc-multi"></a>CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program
13869 ##### Reason
13871 It's hard to be certain that concurrency isn't used now or won't be used sometime in the future.
13872 Code gets reused.
13873 Libraries not using threads might be used from some other part of a program that does use threads.
13874 Note that this rule applies most urgently to library code and least urgently to stand-alone applications.
13875 However, over time, code fragments can turn up in unexpected places.
13877 ##### Example, bad
13879     double cached_computation(double x)
13880     {
13881         // bad: these statics cause data races in multi-threaded usage
13882         static double cached_x = 0.0;
13883         static double cached_result = COMPUTATION_OF_ZERO;
13885         if (cached_x != x) {
13886             cached_x = x;
13887             cached_result = computation(x);
13888         }
13889         return cached_result;
13890     }
13892 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.
13894 ##### Example, good
13896     struct ComputationCache {
13897         double cached_x = 0.0;
13898         double cached_result = COMPUTATION_OF_ZERO;
13900         double compute(double x) {
13901             if (cached_x != x) {
13902                 cached_x = x;
13903                 cached_result = computation(x);
13904             }
13905             return cached_result;
13906         }
13907     };
13909 Here the cache is stored as member data of a `ComputationCache` object, rather than as shared static state.
13910 This refactoring essentially delegates the concern upward to the caller: a single-threaded program
13911 might still choose to have one global `ComputationCache`, while a multi-threaded program might
13912 have one `ComputationCache` instance per thread, or one per "context" for any definition of "context."
13913 The refactored function no longer attempts to manage the allocation of `cached_x`. In that sense,
13914 this is an application of the Single Responsibility Principle.
13916 In this specific example, refactoring for thread-safety also improved reusability in single-threaded
13917 programs. It's not hard to imagine that a single-threaded program might want two `ComputationCache` instances
13918 for use in different parts of the program, without having them overwrite each other's cached data.
13920 There are several other ways one might add thread-safety to code written for a standard multi-threaded environment
13921 (that is, one where the only form of concurrency is `std::thread`):
13923 * Mark the state variables as `thread_local` instead of `static`.
13924 * Implement concurrency control, for example, protecting access to the two `static` variables with a `static std::mutex`.
13925 * Refuse to build and/or run in a multi-threaded environment.
13926 * Provide two implementations: one for single-threaded environments and another for multi-threaded environments.
13928 ##### Exception
13930 Code that is never run in a multi-threaded environment.
13932 Be careful: there are many examples where code that was "known" to never run in a multi-threaded program
13933 was run as part of a multi-threaded program, often years later.
13934 Typically, such programs lead to a painful effort to remove data races.
13935 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.
13937 ### <a name="Rconc-races"></a>CP.2: Avoid data races
13939 ##### Reason
13941 Unless you do, nothing is guaranteed to work and subtle errors will persist.
13943 ##### Note
13945 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.
13946 For further information of how to use synchronization well to eliminate data races, please consult a good book about concurrency.
13948 ##### Example, bad
13950 There are many examples of data races that exist, some of which are running in
13951 production software at this very moment. One very simple example:
13953     int get_id()
13954     {
13955       static int id = 1;
13956       return id++;
13957     }
13959 The increment here is an example of a data race. This can go wrong in many ways,
13960 including:
13962 * Thread A loads the value of `id`, the OS context switches A out for some
13963   period, during which other threads create hundreds of IDs. Thread A is then
13964   allowed to run again, and `id` is written back to that location as A's read of
13965   `id` plus one.
13966 * Thread A and B load `id` and increment it simultaneously.  They both get the
13967   same ID.
13969 Local static variables are a common source of data races.
13971 ##### Example, bad:
13973     void f(fstream& fs, regex pattern)
13974     {
13975         array<double, max> buf;
13976         int sz = read_vec(fs, buf, max);            // read from fs into buf
13977         gsl::span<double> s {buf};
13978         // ...
13979         auto h1 = async([&] { sort(std::execution::par, s); });     // spawn a task to sort
13980         // ...
13981         auto h2 = async([&] { return find_all(buf, sz, pattern); });   // spawn a task to find matches
13982         // ...
13983     }
13985 Here, we have a (nasty) data race on the elements of `buf` (`sort` will both read and write).
13986 All data races are nasty.
13987 Here, we managed to get a data race on data on the stack.
13988 Not all data races are as easy to spot as this one.
13990 ##### Example, bad:
13992     // code not controlled by a lock
13994     unsigned val;
13996     if (val < 5) {
13997         // ... other thread can change val here ...
13998         switch (val) {
13999         case 0: // ...
14000         case 1: // ...
14001         case 2: // ...
14002         case 3: // ...
14003         case 4: // ...
14004         }
14005     }
14007 Now, a compiler that does not know that `val` can change will  most likely implement that `switch` using a jump table with five entries.
14008 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.
14009 Really, "all bets are off" if you get a data race.
14010 Actually, it can be worse still: by looking at the generated code you might be able to determine where the stray jump will go for a given value;
14011 this can be a security risk.
14013 ##### Enforcement
14015 Some is possible, do at least something.
14016 There are commercial and open-source tools that try to address this problem,
14017 but be aware that solutions have costs and blind spots.
14018 Static tools often have many false positives and run-time tools often have a significant cost.
14019 We hope for better tools.
14020 Using multiple tools can catch more problems than a single one.
14022 There are other ways you can mitigate the chance of data races:
14024 * Avoid global data
14025 * Avoid `static` variables
14026 * More use of value types on the stack (and don't pass pointers around too much)
14027 * More use of immutable data (literals, `constexpr`, and `const`)
14029 ### <a name="Rconc-data"></a>CP.3: Minimize explicit sharing of writable data
14031 ##### Reason
14033 If you don't share writable data, you can't have a data race.
14034 The less sharing you do, the less chance you have to forget to synchronize access (and get data races).
14035 The less sharing you do, the less chance you have to wait on a lock (so performance can improve).
14037 ##### Example
14039     bool validate(const vector<Reading>&);
14040     Graph<Temp_node> temperature_gradiants(const vector<Reading>&);
14041     Image altitude_map(const vector<Reading>&);
14042     // ...
14044     void process_readings(const vector<Reading>& surface_readings)
14045     {
14046         auto h1 = async([&] { if (!validate(surface_readings)) throw Invalid_data{}; });
14047         auto h2 = async([&] { return temperature_gradiants(surface_readings); });
14048         auto h3 = async([&] { return altitude_map(surface_readings); });
14049         // ...
14050         h1.get();
14051         auto v2 = h2.get();
14052         auto v3 = h3.get();
14053         // ...
14054     }
14056 Without those `const`s, we would have to review every asynchronously invoked function for potential data races on `surface_readings`.
14057 Making `surface_readings` be `const` (with respect to this function) allow reasoning using only the function body.
14059 ##### Note
14061 Immutable data can be safely and efficiently shared.
14062 No locking is needed: You can't have a data race on a constant.
14063 See also [CP.mess: Message Passing](#SScp-mess) and [CP.31: prefer pass by value](#Rconc-data-by-value).
14065 ##### Enforcement
14070 ### <a name="Rconc-task"></a>CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads
14072 ##### Reason
14074 A `thread` is an implementation concept, a way of thinking about the machine.
14075 A task is an application notion, something you'd like to do, preferably concurrently with other tasks.
14076 Application concepts are easier to reason about.
14078 ##### Example
14080     void some_fun()
14081     {
14082         std::string msg, msg2;
14083         std::thread publisher([&] { msg = "Hello"; });       // bad: less expressive
14084                                                              //      and more error-prone
14085         auto pubtask = std::async([&] { msg2 = "Hello"; });  // OK
14086         // ...
14087         publisher.join();
14088     }
14090 ##### Note
14092 With the exception of `async()`, the standard-library facilities are low-level, machine-oriented, threads-and-lock level.
14093 This is a necessary foundation, but we have to try to raise the level of abstraction: for productivity, for reliability, and for performance.
14094 This is a potent argument for using higher level, more applications-oriented libraries (if possibly, built on top of standard-library facilities).
14096 ##### Enforcement
14100 ### <a name="Rconc-volatile"></a>CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization
14102 ##### Reason
14104 In C++, unlike some other languages, `volatile` does not provide atomicity, does not synchronize between threads,
14105 and does not prevent instruction reordering (neither compiler nor hardware).
14106 It simply has nothing to do with concurrency.
14108 ##### Example, bad:
14110     int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14112     Pool* use()
14113     {
14114         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14115     }
14117 Here we have a problem:
14118 This is perfectly good code in a single-threaded program, but have two threads execute this and
14119 there is a race condition on `free_slots` so that two threads might get the same value and `free_slots`.
14120 That's (obviously) a bad data race, so people trained in other languages might try to fix it like this:
14122     volatile int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14124     Pool* use()
14125     {
14126         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14127     }
14129 This has no effect on synchronization: The data race is still there!
14131 The C++ mechanism for this is `atomic` types:
14133     atomic<int> free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14135     Pool* use()
14136     {
14137         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14138     }
14140 Now the `--` operation is atomic,
14141 rather than a read-increment-write sequence where another thread might get in-between the individual operations.
14143 ##### Alternative
14145 Use `atomic` types where you might have used `volatile` in some other language.
14146 Use a `mutex` for more complicated examples.
14148 ##### See also
14150 [(rare) proper uses of `volatile`](#Rconc-volatile2)
14152 ### <a name="Rconc-tools"></a>CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code
14154 Experience shows that concurrent code is exceptionally hard to get right
14155 and that compile-time checking, run-time checks, and testing are less effective at finding concurrency errors
14156 than they are at finding errors in sequential code.
14157 Subtle concurrency errors can have dramatically bad effects, including memory corruption and deadlocks.
14159 ##### Example
14161     ???
14163 ##### Note
14165 Thread safety is challenging, often getting the better of experienced programmers: tooling is an important strategy to mitigate those risks.
14166 There are many tools "out there", both commercial and open-source tools, both research and production tools.
14167 Unfortunately people's needs and constraints differ so dramatically that we cannot make specific recommendations,
14168 but we can mention:
14170 * Static enforcement tools: both [clang](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSafetyAnalysis.html)
14171 and some older versions of [GCC](https://gcc.gnu.org/wiki/ThreadSafetyAnnotation)
14172 have some support for static annotation of thread safety properties.
14173 Consistent use of this technique turns many classes of thread-safety errors into compile-time errors.
14174 The annotations are generally local (marking a particular member variable as guarded by a particular mutex),
14175 and are usually easy to learn. However, as with many static tools, it can often present false negatives;
14176 cases that should have been caught but were allowed.
14178 * dynamic enforcement tools: Clang's [Thread Sanitizer](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSanitizer.html) (aka TSAN)
14179 is a powerful example of dynamic tools: it changes the build and execution of your program to add bookkeeping on memory access,
14180 absolutely identifying data races in a given execution of your binary.
14181 The cost for this is both memory (5-10x in most cases) and CPU slowdown (2-20x).
14182 Dynamic tools like this are best when applied to integration tests, canary pushes, or unittests that operate on multiple threads.
14183 Workload matters: When TSAN identifies a problem, it is effectively always an actual data race,
14184 but it can only identify races seen in a given execution.
14186 ##### Enforcement
14188 It is up to an application builder to choose which support tools are valuable for a particular applications.
14190 ## <a name="SScp-con"></a>CP.con: Concurrency
14192 This section focuses on relatively ad-hoc uses of multiple threads communicating through shared data.
14194 * For parallel algorithms, see [parallelism](#SScp-par)
14195 * For inter-task communication without explicit sharing, see [messaging](#SScp-mess)
14196 * For vector parallel code, see [vectorization](#SScp-vec)
14197 * For lock-free programming, see [lock free](#SScp-free)
14199 Concurrency rule summary:
14201 * [CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`](#Rconc-raii)
14202 * [CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es](#Rconc-lock)
14203 * [CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)](#Rconc-unknown)
14204 * [CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container](#Rconc-join)
14205 * [CP.24: Think of a `thread` as a global container](#Rconc-detach)
14206 * [CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`](#Rconc-joining_thread)
14207 * [CP.26: Don't `detach()` a thread](#Rconc-detached_thread)
14208 * [CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer](#Rconc-data-by-value)
14209 * [CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`](#Rconc-shared)
14210 * [CP.40: Minimize context switching](#Rconc-switch)
14211 * [CP.41: Minimize thread creation and destruction](#Rconc-create)
14212 * [CP.42: Don't `wait` without a condition](#Rconc-wait)
14213 * [CP.43: Minimize time spent in a critical section](#Rconc-time)
14214 * [CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s](#Rconc-name)
14215 * [CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible](#Rconc-mutex)
14216 * ??? when to use a spinlock
14217 * ??? when to use `try_lock()`
14218 * ??? when to prefer `lock_guard` over `unique_lock`
14219 * ??? Time multiplexing
14220 * ??? when/how to use `new thread`
14222 ### <a name="Rconc-raii"></a>CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`
14224 ##### Reason
14226 Avoids nasty errors from unreleased locks.
14228 ##### Example, bad
14230     mutex mtx;
14232     void do_stuff()
14233     {
14234         mtx.lock();
14235         // ... do stuff ...
14236         mtx.unlock();
14237     }
14239 Sooner or later, someone will forget the `mtx.unlock()`, place a `return` in the `... do stuff ...`, throw an exception, or something.
14241     mutex mtx;
14243     void do_stuff()
14244     {
14245         unique_lock<mutex> lck {mtx};
14246         // ... do stuff ...
14247     }
14249 ##### Enforcement
14251 Flag calls of member `lock()` and `unlock()`.  ???
14254 ### <a name="Rconc-lock"></a>CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es
14256 ##### Reason
14258 To avoid deadlocks on multiple `mutex`es.
14260 ##### Example
14262 This is asking for deadlock:
14264     // thread 1
14265     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14266     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14268     // thread 2
14269     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14270     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14272 Instead, use `lock()`:
14274     // thread 1
14275     lock(m1, m2);
14276     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14277     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14279     // thread 2
14280     lock(m2, m1);
14281     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14282     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14284 or (better, but C++17 only):
14286     // thread 1
14287     scoped_lock<mutex, mutex> lck1(m1, m2);
14289     // thread 2
14290     scoped_lock<mutex, mutex> lck2(m2, m1);
14292 Here, the writers of `thread1` and `thread2` are still not agreeing on the order of the `mutex`es, but order no longer matters.
14294 ##### Note
14296 In real code, `mutex`es are rarely named to conveniently remind the programmer of an intended relation and intended order of acquisition.
14297 In real code, `mutex`es are not always conveniently acquired on consecutive lines.
14299 In C++17 it's possible to write plain
14301     lock_guard lck1(m1, adopt_lock);
14303 and have the `mutex` type deduced.
14305 ##### Enforcement
14307 Detect the acquisition of multiple `mutex`es.
14308 This is undecidable in general, but catching common simple examples (like the one above) is easy.
14311 ### <a name="Rconc-unknown"></a>CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)
14313 ##### Reason
14315 If you don't know what a piece of code does, you are risking deadlock.
14317 ##### Example
14319     void do_this(Foo* p)
14320     {
14321         lock_guard<mutex> lck {my_mutex};
14322         // ... do something ...
14323         p->act(my_data);
14324         // ...
14325     }
14327 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),
14328 it might call `do_this` (recursively) and cause a deadlock on `my_mutex`.
14329 Maybe it will lock on a different mutex and not return in a reasonable time, causing delays to any code calling `do_this`.
14331 ##### Example
14333 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.
14334 Such problem can often be solved by using a `recursive_mutex`. For example:
14336     recursive_mutex my_mutex;
14338     template<typename Action>
14339     void do_something(Action f)
14340     {
14341         unique_lock<recursive_mutex> lck {my_mutex};
14342         // ... do something ...
14343         f(this);    // f will do something to *this
14344         // ...
14345     }
14347 If, as it is likely, `f()` invokes operations on `*this`, we must make sure that the object's invariant holds before the call.
14349 ##### Enforcement
14351 * Flag calling a virtual function with a non-recursive `mutex` held
14352 * Flag calling a callback with a non-recursive `mutex` held
14355 ### <a name="Rconc-join"></a>CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container
14357 ##### Reason
14359 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14360 If a `thread` joins, we can safely pass pointers to objects in the scope of the `thread` and its enclosing scopes.
14362 ##### Example
14364     void f(int* p)
14365     {
14366         // ...
14367         *p = 99;
14368         // ...
14369     }
14370     int glob = 33;
14372     void some_fct(int* p)
14373     {
14374         int x = 77;
14375         joining_thread t0(f, &x);           // OK
14376         joining_thread t1(f, p);            // OK
14377         joining_thread t2(f, &glob);        // OK
14378         auto q = make_unique<int>(99);
14379         joining_thread t3(f, q.get());      // OK
14380         // ...
14381     }
14383 A `gsl::joining_thread` is a `std::thread` with a destructor that joins and that cannot be `detached()`.
14384 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointer to it.
14385 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14386 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14388 ##### Enforcement
14390 Ensure that `joining_thread`s don't `detach()`.
14391 After that, the usual lifetime and ownership (for local objects) enforcement applies.
14393 ### <a name="Rconc-detach"></a>CP.24: Think of a `thread` as a global container
14395 ##### Reason
14397 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14398 If a `thread` is detached, we can safely pass pointers to static and free store objects (only).
14400 ##### Example
14402     void f(int* p)
14403     {
14404         // ...
14405         *p = 99;
14406         // ...
14407     }
14409     int glob = 33;
14411     void some_fct(int* p)
14412     {
14413         int x = 77;
14414         std::thread t0(f, &x);           // bad
14415         std::thread t1(f, p);            // bad
14416         std::thread t2(f, &glob);        // OK
14417         auto q = make_unique<int>(99);
14418         std::thread t3(f, q.get());      // bad
14419         // ...
14420         t0.detach();
14421         t1.detach();
14422         t2.detach();
14423         t3.detach();
14424         // ...
14425     }
14427 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointers to it.
14428 By "bad" we mean that a `thread` might use a pointer after the pointed-to object is destroyed.
14429 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14430 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14432 ##### Note
14434 Even objects with static storage duration can be problematic if used from detached threads: if the
14435 thread continues until the end of the program, it might be running concurrently with the destruction
14436 of objects with static storage duration, and thus accesses to such objects might race.
14438 ##### Note
14440 This rule is redundant if you [don't `detach()`](#Rconc-detached_thread) and [use `gsl::joining_thread`](#Rconc-joining_thread).
14441 However, converting code to follow those guidelines could be difficult and even impossible for third-party libraries.
14442 In such cases, the rule becomes essential for lifetime safety and type safety.
14445 In general, it is undecidable whether a `detach()` is executed for a `thread`, but simple common cases are easily detected.
14446 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;
14447 After that, the usual lifetime and ownership (for global objects) enforcement applies.
14449 ##### Enforcement
14451 Flag attempts to pass local variables to a thread that might `detach()`.
14453 ### <a name="Rconc-joining_thread"></a>CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`
14455 ##### Reason
14457 A `joining_thread` is a thread that joins at the end of its scope.
14458 Detached threads are hard to monitor.
14459 It is harder to ensure absence of errors in detached threads (and potentially detached threads).
14461 ##### Example, bad
14463     void f() { std::cout << "Hello "; }
14465     struct F {
14466         void operator()() const { std::cout << "parallel world "; }
14467     };
14469     int main()
14470     {
14471         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14472         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14473     }  // spot the bugs
14475 ##### Example
14477     void f() { std::cout << "Hello "; }
14479     struct F {
14480         void operator()() const { std::cout << "parallel world "; }
14481     };
14483     int main()
14484     {
14485         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14486         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14488         t1.join();
14489         t2.join();
14490     }  // one bad bug left
14492 ##### Note
14494 Make "immortal threads" globals, put them in an enclosing scope, or put them on the free store rather than `detach()`.
14495 [Don't `detach`](#Rconc-detached_thread).
14497 ##### Note
14499 Because of old code and third party libraries using `std::thread`, this rule can be hard to introduce.
14501 ##### Enforcement
14503 Flag uses of `std::thread`:
14505 * Suggest use of `gsl::joining_thread` or C++20 `std::jthread`.
14506 * Suggest ["exporting ownership"](#Rconc-detached_thread) to an enclosing scope if it detaches.
14507 * Warn if it is not obvious whether a thread joins or detaches.
14509 ### <a name="Rconc-detached_thread"></a>CP.26: Don't `detach()` a thread
14511 ##### Reason
14513 Often, the need to outlive the scope of its creation is inherent in the `thread`s task,
14514 but implementing that idea by `detach` makes it harder to monitor and communicate with the detached thread.
14515 In particular, it is harder (though not impossible) to ensure that the thread completed as expected or lives for as long as expected.
14517 ##### Example
14519     void heartbeat();
14521     void use()
14522     {
14523         std::thread t(heartbeat);             // don't join; heartbeat is meant to run forever
14524         t.detach();
14525         // ...
14526     }
14528 This is a reasonable use of a thread, for which `detach()` is commonly used.
14529 There are problems, though.
14530 How do we monitor the detached thread to see if it is alive?
14531 Something might go wrong with the heartbeat, and losing a heartbeat can be very serious in a system for which it is needed.
14532 So, we need to communicate with the heartbeat thread
14533 (e.g., through a stream of messages or notification events using a `condition_variable`).
14535 An alternative, and usually superior solution is to control its lifetime by placing it in a scope outside its point of creation (or activation).
14536 For example:
14538     void heartbeat();
14540     gsl::joining_thread t(heartbeat);             // heartbeat is meant to run "forever"
14542 This heartbeat will (barring error, hardware problems, etc.) run for as long as the program does.
14544 Sometimes, we need to separate the point of creation from the point of ownership:
14546     void heartbeat();
14548     unique_ptr<gsl::joining_thread> tick_tock {nullptr};
14550     void use()
14551     {
14552         // heartbeat is meant to run as long as tick_tock lives
14553         tick_tock = make_unique<gsl::joining_thread>(heartbeat);
14554         // ...
14555     }
14557 #### Enforcement
14559 Flag `detach()`.
14562 ### <a name="Rconc-data-by-value"></a>CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer
14564 ##### Reason
14566 Copying a small amount of data is cheaper to copy and access than to share it using some locking mechanism.
14567 Copying naturally gives unique ownership (simplifies code) and eliminates the possibility of data races.
14569 ##### Note
14571 Defining "small amount" precisely is impossible.
14573 ##### Example
14575     string modify1(string);
14576     void modify2(string&);
14578     void fct(string& s)
14579     {
14580         auto res = async(modify1, s);
14581         async(modify2, s);
14582     }
14584 The call of `modify1` involves copying two `string` values; the call of `modify2` does not.
14585 On the other hand, the implementation of `modify1` is exactly as we would have written it for single-threaded code,
14586 whereas the implementation of `modify2` will need some form of locking to avoid data races.
14587 If the string is short (say 10 characters), the call of `modify1` can be surprisingly fast;
14588 essentially all the cost is in the `thread` switch. If the string is long (say 1,000,000 characters), copying it twice
14589 is probably not a good idea.
14591 Note that this argument has nothing to do with `async` as such. It applies equally to considerations about whether to use
14592 message passing or shared memory.
14594 ##### Enforcement
14599 ### <a name="Rconc-shared"></a>CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`
14601 ##### Reason
14603 If threads are unrelated (that is, not known to be in the same scope or one within the lifetime of the other)
14604 and they need to share free store memory that needs to be deleted, a `shared_ptr` (or equivalent) is the only
14605 safe way to ensure proper deletion.
14607 ##### Example
14609     ???
14611 ##### Note
14613 * 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.
14614 * An object on free store that is never to be deleted can be shared.
14615 * An object owned by one thread can be safely shared with another as long as that second thread doesn't outlive the owner.
14617 ##### Enforcement
14622 ### <a name="Rconc-switch"></a>CP.40: Minimize context switching
14624 ##### Reason
14626 Context switches are expensive.
14628 ##### Example
14630     ???
14632 ##### Enforcement
14637 ### <a name="Rconc-create"></a>CP.41: Minimize thread creation and destruction
14639 ##### Reason
14641 Thread creation is expensive.
14643 ##### Example
14645     void worker(Message m)
14646     {
14647         // process
14648     }
14650     void dispatcher(istream& is)
14651     {
14652         for (Message m; is >> m; )
14653             run_list.push_back(new thread(worker, m));
14654     }
14656 This spawns a `thread` per message, and the `run_list` is presumably managed to destroy those tasks once they are finished.
14658 Instead, we could have a set of pre-created worker threads processing the messages
14660     Sync_queue<Message> work;
14662     void dispatcher(istream& is)
14663     {
14664         for (Message m; is >> m; )
14665             work.put(m);
14666     }
14668     void worker()
14669     {
14670         for (Message m; m = work.get(); ) {
14671             // process
14672         }
14673     }
14675     void workers()  // set up worker threads (specifically 4 worker threads)
14676     {
14677         joining_thread w1 {worker};
14678         joining_thread w2 {worker};
14679         joining_thread w3 {worker};
14680         joining_thread w4 {worker};
14681     }
14683 ##### Note
14685 If your system has a good thread pool, use it.
14686 If your system has a good message queue, use it.
14688 ##### Enforcement
14693 ### <a name="Rconc-wait"></a>CP.42: Don't `wait` without a condition
14695 ##### Reason
14697 A `wait` without a condition can miss a wakeup or wake up simply to find that there is no work to do.
14699 ##### Example, bad
14701     std::condition_variable cv;
14702     std::mutex mx;
14704     void thread1()
14705     {
14706         while (true) {
14707             // do some work ...
14708             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14709             cv.notify_one();    // wake other thread
14710         }
14711     }
14713     void thread2()
14714     {
14715         while (true) {
14716             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14717             cv.wait(lock);    // might block forever
14718             // do work ...
14719         }
14720     }
14722 Here, if some other `thread` consumes `thread1`'s notification, `thread2` can wait forever.
14724 ##### Example
14726     template<typename T>
14727     class Sync_queue {
14728     public:
14729         void put(const T& val);
14730         void put(T&& val);
14731         void get(T& val);
14732     private:
14733         mutex mtx;
14734         condition_variable cond;    // this controls access
14735         list<T> q;
14736     };
14738     template<typename T>
14739     void Sync_queue<T>::put(const T& val)
14740     {
14741         lock_guard<mutex> lck(mtx);
14742         q.push_back(val);
14743         cond.notify_one();
14744     }
14746     template<typename T>
14747     void Sync_queue<T>::get(T& val)
14748     {
14749         unique_lock<mutex> lck(mtx);
14750         cond.wait(lck, [this] { return !q.empty(); });    // prevent spurious wakeup
14751         val = q.front();
14752         q.pop_front();
14753     }
14755 Now if the queue is empty when a thread executing `get()` wakes up (e.g., because another thread has gotten to `get()` before it),
14756 it will immediately go back to sleep, waiting.
14758 ##### Enforcement
14760 Flag all `wait`s without conditions.
14763 ### <a name="Rconc-time"></a>CP.43: Minimize time spent in a critical section
14765 ##### Reason
14767 The less time is spent with a `mutex` taken, the less chance that another `thread` has to wait,
14768 and `thread` suspension and resumption are expensive.
14770 ##### Example
14772     void do_something() // bad
14773     {
14774         unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14775         do0();  // preparation: does not need lock
14776         do1();  // transaction: needs locking
14777         do2();  // cleanup: does not need locking
14778     }
14780 Here, we are holding the lock for longer than necessary:
14781 We should not have taken the lock before we needed it and should have released it again before starting the cleanup.
14782 We could rewrite this to
14784     void do_something() // bad
14785     {
14786         do0();  // preparation: does not need lock
14787         my_lock.lock();
14788         do1();  // transaction: needs locking
14789         my_lock.unlock();
14790         do2();  // cleanup: does not need locking
14791     }
14793 But that compromises safety and violates the [use RAII](#Rconc-raii) rule.
14794 Instead, add a block for the critical section:
14796     void do_something() // OK
14797     {
14798         do0();  // preparation: does not need lock
14799         {
14800             unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14801             do1();  // transaction: needs locking
14802         }
14803         do2();  // cleanup: does not need locking
14804     }
14806 ##### Enforcement
14808 Impossible in general.
14809 Flag "naked" `lock()` and `unlock()`.
14812 ### <a name="Rconc-name"></a>CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s
14814 ##### Reason
14816 An unnamed local objects is a temporary that immediately goes out of scope.
14818 ##### Example
14820     unique_lock<mutex>(m1);
14821     lock_guard<mutex> {m2};
14822     lock(m1, m2);
14824 This looks innocent enough, but it isn't.
14826 ##### Enforcement
14828 Flag all unnamed `lock_guard`s and `unique_lock`s.
14832 ### <a name="Rconc-mutex"></a>CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible
14834 ##### Reason
14836 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.
14838 Using a `synchronized_value<T>` ensures that the data has a mutex, and the right mutex is locked when the data is accessed.
14839 See the [WG21 proposal](http://wg21.link/p0290) to add `synchronized_value` to a future TS or revision of the C++ standard.
14841 ##### Example
14843     struct Record {
14844         std::mutex m;   // take this mutex before accessing other members
14845         // ...
14846     };
14848     class MyClass {
14849         struct DataRecord {
14850            // ...
14851         };
14852         synchronized_value<DataRecord> data; // Protect the data with a mutex
14853     };
14855 ##### Enforcement
14857 ??? Possible?
14860 ## <a name="SScp-par"></a>CP.par: Parallelism
14862 By "parallelism" we refer to performing a task (more or less) simultaneously ("in parallel with") on many data items.
14864 Parallelism rule summary:
14866 * ???
14867 * ???
14868 * Where appropriate, prefer the standard-library parallel algorithms
14869 * Use algorithms that are designed for parallelism, not algorithms with unnecessary dependency on linear evaluation
14873 ## <a name="SScp-mess"></a>CP.mess: Message passing
14875 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.
14876 Most people shouldn't work at this level: it's error-prone and development is slow.
14877 If possible, use a higher level facility: messaging libraries, parallel algorithms, and vectorization.
14878 This section looks at passing messages so that a programmer doesn't have to do explicit synchronization.
14880 Message passing rules summary:
14882 * [CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task](#Rconc-future)
14883 * [CP.61: Use `async()` to spawn concurrent tasks](#Rconc-async)
14884 * message queues
14885 * messaging libraries
14887 ???? should there be a "use X rather than `std::async`" where X is something that would use a better specified thread pool?
14889 ??? 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?
14892 ### <a name="Rconc-future"></a>CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task
14894 ##### Reason
14896 A `future` preserves the usual function call return semantics for asynchronous tasks.
14897 There is no explicit locking and both correct (value) return and error (exception) return are handled simply.
14899 ##### Example
14901     ???
14903 ##### Note
14907 ##### Enforcement
14911 ### <a name="Rconc-async"></a>CP.61: Use `async()` to spawn concurrent tasks
14913 ##### Reason
14915 Similar to [R.12](#Rr-immediate-alloc), which tells you to avoid raw owning pointers, you should
14916 also avoid raw threads and raw promises where possible. Use a factory function such as `std::async`,
14917 which handles spawning or reusing a thread without exposing raw threads to your own code.
14919 ##### Example
14921     int read_value(const std::string& filename)
14922     {
14923         std::ifstream in(filename);
14924         in.exceptions(std::ifstream::failbit);
14925         int value;
14926         in >> value;
14927         return value;
14928     }
14930     void async_example()
14931     {
14932         try {
14933             std::future<int> f1 = std::async(read_value, "v1.txt");
14934             std::future<int> f2 = std::async(read_value, "v2.txt");
14935             std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
14936         } catch (const std::ios_base::failure& fail) {
14937             // handle exception here
14938         }
14939     }
14941 ##### Note
14943 Unfortunately, `std::async` is not perfect. For example, it doesn't use a thread pool,
14944 which means that it might fail due to resource exhaustion, rather than queuing up your tasks
14945 to be executed later. However, even if you cannot use `std::async`, you should prefer to
14946 write your own `future`-returning factory function, rather than using raw promises.
14948 ##### Example (bad)
14950 This example shows two different ways to succeed at using `std::future`, but to fail
14951 at avoiding raw `std::thread` management.
14953     void async_example()
14954     {
14955         std::promise<int> p1;
14956         std::future<int> f1 = p1.get_future();
14957         std::thread t1([p1 = std::move(p1)]() mutable {
14958             p1.set_value(read_value("v1.txt"));
14959         });
14960         t1.detach(); // evil
14962         std::packaged_task<int()> pt2(read_value, "v2.txt");
14963         std::future<int> f2 = pt2.get_future();
14964         std::thread(std::move(pt2)).detach();
14966         std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
14967     }
14969 ##### Example (good)
14971 This example shows one way you could follow the general pattern set by
14972 `std::async`, in a context where `std::async` itself was unacceptable for
14973 use in production.
14975     void async_example(WorkQueue& wq)
14976     {
14977         std::future<int> f1 = wq.enqueue([]() {
14978             return read_value("v1.txt");
14979         });
14980         std::future<int> f2 = wq.enqueue([]() {
14981             return read_value("v2.txt");
14982         });
14983         std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
14984     }
14986 Any threads spawned to execute the code of `read_value` are hidden behind
14987 the call to `WorkQueue::enqueue`. The user code deals only with `future`
14988 objects, never with raw `thread`, `promise`, or `packaged_task` objects.
14990 ##### Enforcement
14995 ## <a name="SScp-vec"></a>CP.vec: Vectorization
14997 Vectorization is a technique for executing a number of tasks concurrently without introducing explicit synchronization.
14998 An operation is simply applied to elements of a data structure (a vector, an array, etc.) in parallel.
14999 Vectorization has the interesting property of often requiring no non-local changes to a program.
15000 However, vectorization works best with simple data structures and with algorithms specifically crafted to enable it.
15002 Vectorization rule summary:
15004 * ???
15005 * ???
15007 ## <a name="SScp-free"></a>CP.free: Lock-free programming
15009 Synchronization using `mutex`es and `condition_variable`s can be relatively expensive.
15010 Furthermore, it can lead to deadlock.
15011 For performance and to eliminate the possibility of deadlock, we sometimes have to use the tricky low-level "lock-free" facilities
15012 that rely on briefly gaining exclusive ("atomic") access to memory.
15013 Lock-free programming is also used to implement higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es.
15015 Lock-free programming rule summary:
15017 * [CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to](#Rconc-lockfree)
15018 * [CP.101: Distrust your hardware/compiler combination](#Rconc-distrust)
15019 * [CP.102: Carefully study the literature](#Rconc-literature)
15020 * how/when to use atomics
15021 * avoid starvation
15022 * use a lock-free data structure rather than hand-crafting specific lock-free access
15023 * [CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization](#Rconc-double)
15024 * [CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking](#Rconc-double-pattern)
15025 * how/when to compare and swap
15028 ### <a name="Rconc-lockfree"></a>CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to
15030 ##### Reason
15032 It's error-prone and requires expert level knowledge of language features, machine architecture, and data structures.
15034 ##### Example, bad
15036     extern atomic<Link*> head;        // the shared head of a linked list
15038     Link* nh = new Link(data, nullptr);    // make a link ready for insertion
15039     Link* h = head.load();                 // read the shared head of the list
15041     do {
15042         if (h->data <= data) break;        // if so, insert elsewhere
15043         nh->next = h;                      // next element is the previous head
15044     } while (!head.compare_exchange_weak(h, nh));    // write nh to head or to h
15046 Spot the bug.
15047 It would be really hard to find through testing.
15048 Read up on the ABA problem.
15050 ##### Exception
15052 [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.
15054 ##### Note
15056 Higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es are implemented using lock-free programming.
15058 **Alternative**: Use lock-free data structures implemented by others as part of some library.
15061 ### <a name="Rconc-distrust"></a>CP.101: Distrust your hardware/compiler combination
15063 ##### Reason
15065 The low-level hardware interfaces used by lock-free programming are among the hardest to implement well and among
15066 the areas where the most subtle portability problems occur.
15067 If you are doing lock-free programming for performance, you need to check for regressions.
15069 ##### Note
15071 Instruction reordering (static and dynamic) makes it hard for us to think effectively at this level (especially if you use relaxed memory models).
15072 Experience, (semi)formal models and model checking can be useful.
15073 Testing - often to an extreme extent - is essential.
15074 "Don't fly too close to the sun."
15076 ##### Enforcement
15078 Have strong rules for re-testing in place that covers any change in hardware, operating system, compiler, and libraries.
15081 ### <a name="Rconc-literature"></a>CP.102: Carefully study the literature
15083 ##### Reason
15085 With the exception of atomics and a few use standard patterns, lock-free programming is really an expert-only topic.
15086 Become an expert before shipping lock-free code for others to use.
15088 ##### References
15090 * Anthony Williams: C++ concurrency in action. Manning Publications.
15091 * Boehm, Adve, You Don't Know Jack About Shared Variables or Memory Models , Communications of the ACM, Feb 2012.
15092 * Boehm, "Threads Basics", HPL TR 2009-259.
15093 * Adve, Boehm, "Memory Models: A Case for Rethinking Parallel Languages and Hardware", Communications of the ACM, August 2010.
15094 * Boehm, Adve, "Foundations of the C++ Concurrency Memory Model", PLDI 08.
15095 * Mark Batty, Scott Owens, Susmit Sarkar, Peter Sewell, and Tjark Weber, "Mathematizing C++ Concurrency", POPL 2011.
15096 * 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.
15097 * Damian Dechev and Bjarne Stroustrup: Scalable Non-blocking Concurrent Objects for Mission Critical Code. ACM OOPSLA'09. October 2009
15098 * 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.
15101 ### <a name="Rconc-double"></a>CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization
15103 ##### Reason
15105 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.
15107 ##### Example
15109 Example with std::call_once.
15111     void f()
15112     {
15113         static std::once_flag my_once_flag;
15114         std::call_once(my_once_flag, []()
15115         {
15116             // do this only once
15117         });
15118         // ...
15119     }
15121 Example with thread-safe static local variables of C++11.
15123     void f()
15124     {
15125         // Assuming the compiler is compliant with C++11
15126         static My_class my_object; // Constructor called only once
15127         // ...
15128     }
15130     class My_class
15131     {
15132     public:
15133         My_class()
15134         {
15135             // do this only once
15136         }
15137     };
15139 ##### Enforcement
15141 ??? Is it possible to detect the idiom?
15144 ### <a name="Rconc-double-pattern"></a>CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking
15146 ##### Reason
15148 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.
15150 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.
15152 ##### Example, bad
15154 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)
15156     mutex action_mutex;
15157     volatile bool action_needed;
15159     if (action_needed) {
15160         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15161         if (action_needed) {
15162             take_action();
15163             action_needed = false;
15164         }
15165     }
15167 ##### Example, good
15169     mutex action_mutex;
15170     atomic<bool> action_needed;
15172     if (action_needed) {
15173         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15174         if (action_needed) {
15175             take_action();
15176             action_needed = false;
15177         }
15178     }
15180 Fine-tuned memory order might be beneficial where acquire load is more efficient than sequentially-consistent load
15182     mutex action_mutex;
15183     atomic<bool> action_needed;
15185     if (action_needed.load(memory_order_acquire)) {
15186         lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15187         if (action_needed.load(memory_order_relaxed)) {
15188             take_action();
15189             action_needed.store(false, memory_order_release);
15190         }
15191     }
15193 ##### Enforcement
15195 ??? Is it possible to detect the idiom?
15198 ## <a name="SScp-etc"></a>CP.etc: Etc. concurrency rules
15200 These rules defy simple categorization:
15202 * [CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory](#Rconc-volatile2)
15203 * [CP.201: ??? Signals](#Rconc-signal)
15205 ### <a name="Rconc-volatile2"></a>CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory
15207 ##### Reason
15209 `volatile` is used to refer to objects that are shared with "non-C++" code or hardware that does not follow the C++ memory model.
15211 ##### Example
15213     const volatile long clock;
15215 This describes a register constantly updated by a clock circuit.
15216 `clock` is `volatile` because its value will change without any action from the C++ program that uses it.
15217 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:
15219     long t1 = clock;
15220     // ... no use of clock here ...
15221     long t2 = clock;
15223 `clock` is `const` because the program should not try to write to `clock`.
15225 ##### Note
15227 Unless you are writing the lowest level code manipulating hardware directly, consider `volatile` an esoteric feature that is best avoided.
15229 ##### Example
15231 Usually C++ code receives `volatile` memory that is owned elsewhere (hardware or another language):
15233     int volatile* vi = get_hardware_memory_location();
15234         // note: we get a pointer to someone else's memory here
15235         // volatile says "treat this with extra respect"
15237 Sometimes C++ code allocates the `volatile` memory and shares it with "elsewhere" (hardware or another language) by deliberately escaping a pointer:
15239     static volatile long vl;
15240     please_use_this(&vl);   // escape a reference to this to "elsewhere" (not C++)
15242 ##### Example, bad
15244 `volatile` local variables are nearly always wrong -- how can they be shared with other languages or hardware if they're ephemeral?
15245 The same applies almost as strongly to member variables, for the same reason.
15247     void f()
15248     {
15249         volatile int i = 0; // bad, volatile local variable
15250         // etc.
15251     }
15253     class My_type {
15254         volatile int i = 0; // suspicious, volatile member variable
15255         // etc.
15256     };
15258 ##### Note
15260 In C++, unlike in some other languages, `volatile` has [nothing to do with synchronization](#Rconc-volatile).
15262 ##### Enforcement
15264 * Flag `volatile T` local and member variables; almost certainly you intended to use `atomic<T>` instead.
15265 * ???
15267 ### <a name="Rconc-signal"></a>CP.201: ??? Signals
15269 ???UNIX signal handling???. Might be worth reminding how little is async-signal-safe, and how to communicate with a signal handler (best is probably "not at all")
15272 # <a name="S-errors"></a>E: Error handling
15274 Error handling involves:
15276 * Detecting an error
15277 * Transmitting information about an error to some handler code
15278 * Preserving a valid state of the program
15279 * Avoiding resource leaks
15281 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.
15283 The rules are designed to help avoid several kinds of errors:
15285 * Type violations (e.g., misuse of `union`s and casts)
15286 * Resource leaks (including memory leaks)
15287 * Bounds errors
15288 * Lifetime errors (e.g., accessing an object after is has been `delete`d)
15289 * Complexity errors (logical errors made likely by overly complex expression of ideas)
15290 * Interface errors (e.g., an unexpected value is passed through an interface)
15292 Error-handling rule summary:
15294 * [E.1: Develop an error-handling strategy early in a design](#Re-design)
15295 * [E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task](#Re-throw)
15296 * [E.3: Use exceptions for error handling only](#Re-errors)
15297 * [E.4: Design your error-handling strategy around invariants](#Re-design-invariants)
15298 * [E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot](#Re-invariant)
15299 * [E.6: Use RAII to prevent leaks](#Re-raii)
15300 * [E.7: State your preconditions](#Re-precondition)
15301 * [E.8: State your postconditions](#Re-postcondition)
15303 * [E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable](#Re-noexcept)
15304 * [E.13: Never throw while being the direct owner of an object](#Re-never-throw)
15305 * [E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)](#Re-exception-types)
15306 * [E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference](#Re-exception-ref)
15307 * [E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail](#Re-never-fail)
15308 * [E.17: Don't try to catch every exception in every function](#Re-not-always)
15309 * [E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`](#Re-catch)
15310 * [E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available](#Re-finally)
15312 * [E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management](#Re-no-throw-raii)
15313 * [E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast](#Re-no-throw-crash)
15314 * [E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically](#Re-no-throw-codes)
15315 * [E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)](#Re-no-throw)
15317 * [E.30: Don't use exception specifications](#Re-specifications)
15318 * [E.31: Properly order your `catch`-clauses](#Re_catch)
15320 ### <a name="Re-design"></a>E.1: Develop an error-handling strategy early in a design
15322 ##### Reason
15324 A consistent and complete strategy for handling errors and resource leaks is hard to retrofit into a system.
15326 ### <a name="Re-throw"></a>E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task
15328 ##### Reason
15330 To make error handling systematic, robust, and non-repetitive.
15332 ##### Example
15334     struct Foo {
15335         vector<Thing> v;
15336         File_handle f;
15337         string s;
15338     };
15340     void use()
15341     {
15342         Foo bar {{Thing{1}, Thing{2}, Thing{monkey}}, {"my_file", "r"}, "Here we go!"};
15343         // ...
15344     }
15346 Here, `vector` and `string`s constructors might not be able to allocate sufficient memory for their elements, `vector`s constructor might not be able copy the `Thing`s in its initializer list, and `File_handle` might not be able to open the required file.
15347 In each case, they throw an exception for `use()`'s caller to handle.
15348 If `use()` could handle the failure to construct `bar` it can take control using `try`/`catch`.
15349 In either case, `Foo`'s constructor correctly destroys constructed members before passing control to whatever tried to create a `Foo`.
15350 Note that there is no return value that could contain an error code.
15352 The `File_handle` constructor might be defined like this:
15354     File_handle::File_handle(const string& name, const string& mode)
15355         : f{fopen(name.c_str(), mode.c_str())}
15356     {
15357         if (!f)
15358             throw runtime_error{"File_handle: could not open " + name + " as " + mode};
15359     }
15361 ##### Note
15363 It is often said that exceptions are meant to signal exceptional events and failures.
15364 However, that's a bit circular because "what is exceptional?"
15365 Examples:
15367 * A precondition that cannot be met
15368 * A constructor that cannot construct an object (failure to establish its class's [invariant](#Rc-struct))
15369 * An out-of-range error (e.g., `v[v.size()] = 7`)
15370 * Inability to acquire a resource (e.g., the network is down)
15372 In contrast, termination of an ordinary loop is not exceptional.
15373 Unless the loop was meant to be infinite, termination is normal and expected.
15375 ##### Note
15377 Don't use a `throw` as simply an alternative way of returning a value from a function.
15379 ##### Exception
15381 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`.
15383 **See also**: [RAII](#Re-raii)
15385 **See also**: [discussion](#Sd-noexcept)
15387 ##### Note
15389 Before deciding that you cannot afford or don't like exception-based error handling, have a look at the [alternatives](#Re-no-throw-raii);
15390 they have their own complexities and problems.
15391 Also, as far as possible, measure before making claims about efficiency.
15393 ### <a name="Re-errors"></a>E.3: Use exceptions for error handling only
15395 ##### Reason
15397 To keep error handling separated from "ordinary code."
15398 C++ implementations tend to be optimized based on the assumption that exceptions are rare.
15400 ##### Example, don't
15402     // don't: exception not used for error handling
15403     int find_index(vector<string>& vec, const string& x)
15404     {
15405         try {
15406             for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); ++i)
15407                 if (vec[i] == x) throw i;  // found x
15408         }
15409         catch (int i) {
15410             return i;
15411         }
15412         return -1;   // not found
15413     }
15415 This is more complicated and most likely runs much slower than the obvious alternative.
15416 There is nothing exceptional about finding a value in a `vector`.
15418 ##### Enforcement
15420 Would need to be heuristic.
15421 Look for exception values "leaked" out of `catch` clauses.
15423 ### <a name="Re-design-invariants"></a>E.4: Design your error-handling strategy around invariants
15425 ##### Reason
15427 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.
15429 ##### Note
15431 An [invariant](#Rc-struct) is a logical condition for the members of an object that a constructor must establish for the public member functions to assume.
15433 ##### Enforcement
15437 ### <a name="Re-invariant"></a>E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot
15439 ##### Reason
15441 Leaving an object without its invariant established is asking for trouble.
15442 Not all member functions can be called.
15444 ##### Example
15446     class Vector {  // very simplified vector of doubles
15447         // if elem != nullptr then elem points to sz doubles
15448     public:
15449         Vector() : elem{nullptr}, sz{0}{}
15450         Vector(int s) : elem{new double[s]}, sz{s} { /* initialize elements */ }
15451         ~Vector() { delete [] elem; }
15452         double& operator[](int s) { return elem[s]; }
15453         // ...
15454     private:
15455         owner<double*> elem;
15456         int sz;
15457     };
15459 The class invariant - here stated as a comment - is established by the constructors.
15460 `new` throws if it cannot allocate the required memory.
15461 The operators, notably the subscript operator, relies on the invariant.
15463 **See also**: [If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
15465 ##### Enforcement
15467 Flag classes with `private` state without a constructor (public, protected, or private).
15469 ### <a name="Re-raii"></a>E.6: Use RAII to prevent leaks
15471 ##### Reason
15473 Leaks are typically unacceptable.
15474 Manual resource release is error-prone.
15475 RAII ("Resource Acquisition Is Initialization") is the simplest, most systematic way of preventing leaks.
15477 ##### Example
15479     void f1(int i)   // Bad: possible leak
15480     {
15481         int* p = new int[12];
15482         // ...
15483         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15484         // ...
15485     }
15487 We could carefully release the resource before the throw:
15489     void f2(int i)   // Clumsy and error-prone: explicit release
15490     {
15491         int* p = new int[12];
15492         // ...
15493         if (i < 17) {
15494             delete[] p;
15495             throw Bad{"in f()", i};
15496         }
15497         // ...
15498     }
15500 This is verbose. In larger code with multiple possible `throw`s explicit releases become repetitive and error-prone.
15502     void f3(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15503     {
15504         auto p = make_unique<int[]>(12);
15505         // ...
15506         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15507         // ...
15508     }
15510 Note that this works even when the `throw` is implicit because it happened in a called function:
15512     void f4(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15513     {
15514         auto p = make_unique<int[]>(12);
15515         // ...
15516         helper(i);   // might throw
15517         // ...
15518     }
15520 Unless you really need pointer semantics, use a local resource object:
15522     void f5(int i)   // OK: resource management done by local object
15523     {
15524         vector<int> v(12);
15525         // ...
15526         helper(i);   // might throw
15527         // ...
15528     }
15530 That's even simpler and safer, and often more efficient.
15532 ##### Note
15534 If there is no obvious resource handle and for some reason defining a proper RAII object/handle is infeasible,
15535 as a last resort, cleanup actions can be represented by a [`final_action`](#Re-finally) object.
15537 ##### Note
15539 But what do we do if we are writing a program where exceptions cannot be used?
15540 First challenge that assumption; there are many anti-exceptions myths around.
15541 We know of only a few good reasons:
15543 * We are on a system so small that the exception support would eat up most of our 2K memory.
15544 * 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.
15545 * We are in a system with tons of legacy code using lots of pointers in difficult-to-understand ways
15546   (in particular without a recognizable ownership strategy) so that exceptions could cause leaks.
15547 * Our implementation of the C++ exception mechanisms is unreasonably poor
15548 (slow, memory consuming, failing to work correctly for dynamically linked libraries, etc.).
15549 Complain to your implementation purveyor; if no user complains, no improvement will happen.
15550 * We get fired if we challenge our manager's ancient wisdom.
15552 Only the first of these reasons is fundamental, so whenever possible, use exceptions to implement RAII, or design your RAII objects to never fail.
15553 When exceptions cannot be used, simulate RAII.
15554 That is, systematically check that objects are valid after construction and still release all resources in the destructor.
15555 One strategy is to add a `valid()` operation to every resource handle:
15557     void f()
15558     {
15559         vector<string> vs(100);   // not std::vector: valid() added
15560         if (!vs.valid()) {
15561             // handle error or exit
15562         }
15564         ifstream fs("foo");   // not std::ifstream: valid() added
15565         if (!fs.valid()) {
15566             // handle error or exit
15567         }
15569         // ...
15570     } // destructors clean up as usual
15572 Obviously, this increases the size of the code, doesn't allow for implicit propagation of "exceptions" (`valid()` checks), and `valid()` checks can be forgotten.
15573 Prefer to use exceptions.
15575 **See also**: [Use of `noexcept`](#Re-noexcept)
15577 ##### Enforcement
15581 ### <a name="Re-precondition"></a>E.7: State your preconditions
15583 ##### Reason
15585 To avoid interface errors.
15587 **See also**: [precondition rule](#Ri-pre)
15589 ### <a name="Re-postcondition"></a>E.8: State your postconditions
15591 ##### Reason
15593 To avoid interface errors.
15595 **See also**: [postcondition rule](#Ri-post)
15597 ### <a name="Re-noexcept"></a>E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable
15599 ##### Reason
15601 To make error handling systematic, robust, and efficient.
15603 ##### Example
15605     double compute(double d) noexcept
15606     {
15607         return log(sqrt(d <= 0 ? 1 : d));
15608     }
15610 Here, we know that `compute` will not throw because it is composed out of operations that don't throw.
15611 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`.
15613 ##### Note
15615 Many standard-library functions are `noexcept` including all the standard-library functions "inherited" from the C Standard Library.
15617 ##### Example
15619     vector<double> munge(const vector<double>& v) noexcept
15620     {
15621         vector<double> v2(v.size());
15622         // ... do something ...
15623     }
15625 The `noexcept` here states that I am not willing or able to handle the situation where I cannot construct the local `vector`.
15626 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.
15628 ##### Note
15630 Do not use traditional [exception-specifications](#Re-specifications).
15632 ##### See also
15634 [discussion](#Sd-noexcept).
15636 ### <a name="Re-never-throw"></a>E.13: Never throw while being the direct owner of an object
15638 ##### Reason
15640 That would be a leak.
15642 ##### Example
15644     void leak(int x)   // don't: might leak
15645     {
15646         auto p = new int{7};
15647         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // might leak *p
15648         // ...
15649         delete p;   // we might never get here
15650     }
15652 One way of avoiding such problems is to use resource handles consistently:
15654     void no_leak(int x)
15655     {
15656         auto p = make_unique<int>(7);
15657         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // will delete *p if necessary
15658         // ...
15659         // no need for delete p
15660     }
15662 Another solution (often better) would be to use a local variable to eliminate explicit use of pointers:
15664     void no_leak_simplified(int x)
15665     {
15666         vector<int> v(7);
15667         // ...
15668     }
15670 ##### Note
15672 If you have local "things" that requires cleanup, but is not represented by an object with a destructor, such cleanup must
15673 also be done before a `throw`.
15674 Sometimes, [`finally()`](#Re-finally) can make such unsystematic cleanup a bit more manageable.
15676 ### <a name="Re-exception-types"></a>E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)
15678 ##### Reason
15680 A user-defined type is unlikely to clash with other people's exceptions.
15682 ##### Example
15684     void my_code()
15685     {
15686         // ...
15687         throw Moonphase_error{};
15688         // ...
15689     }
15691     void your_code()
15692     {
15693         try {
15694             // ...
15695             my_code();
15696             // ...
15697         }
15698         catch(const Bufferpool_exhausted&) {
15699             // ...
15700         }
15701     }
15703 ##### Example, don't
15705     void my_code()     // Don't
15706     {
15707         // ...
15708         throw 7;       // 7 means "moon in the 4th quarter"
15709         // ...
15710     }
15712     void your_code()   // Don't
15713     {
15714         try {
15715             // ...
15716             my_code();
15717             // ...
15718         }
15719         catch(int i) {  // i == 7 means "input buffer too small"
15720             // ...
15721         }
15722     }
15724 ##### Note
15726 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.
15728 ##### Example, don't
15730     void my_code()   // Don't
15731     {
15732         // ...
15733         throw runtime_error{"moon in the 4th quarter"};
15734         // ...
15735     }
15737     void your_code()   // Don't
15738     {
15739         try {
15740             // ...
15741             my_code();
15742             // ...
15743         }
15744         catch(const runtime_error&) {   // runtime_error means "input buffer too small"
15745             // ...
15746         }
15747     }
15749 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
15751 ##### Enforcement
15753 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.
15755 ### <a name="Re-exception-ref"></a>E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference
15757 ##### Reason
15759 To prevent slicing.
15761 ##### Example
15763     void f()
15764     {
15765         try {
15766             // ...
15767         }
15768         catch (exception e) {   // don't: might slice
15769             // ...
15770         }
15771     }
15773 Instead, use a reference:
15775     catch (exception& e) { /* ... */ }
15777 or - typically better still - a `const` reference:
15779     catch (const exception& e) { /* ... */ }
15781 Most handlers do not modify their exception and in general we [recommend use of `const`](#Res-const).
15783 ##### Note
15785 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](#Re-not-always) and [Minimize the use of explicit `try`/`catch`](#Re-catch) in mind.)
15787 ##### Enforcement
15789 Flag by-value exceptions if their types are part of a hierarchy (could require whole-program analysis to be perfect).
15791 ### <a name="Re-never-fail"></a>E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail
15793 ##### Reason
15795 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.
15797 ##### Example, don't
15799     class Connection {
15800         // ...
15801     public:
15802         ~Connection()   // Don't: very bad destructor
15803         {
15804             if (cannot_disconnect()) throw I_give_up{information};
15805             // ...
15806         }
15807     };
15809 ##### Note
15811 Many have tried to write reliable code violating this rule for examples, such as a network connection that "refuses to close".
15812 To the best of our knowledge nobody has found a general way of doing this.
15813 Occasionally, for very specific examples, you can get away with setting some state for future cleanup.
15814 For example, we might put a socket that does not want to close on a "bad socket" list,
15815 to be examined by a regular sweep of the system state.
15816 Every example we have seen of this is error-prone, specialized, and often buggy.
15818 ##### Note
15820 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.
15822 ##### Note
15824 Deallocation functions, including `operator delete`, must be `noexcept`. `swap` functions must be `noexcept`.
15825 Most destructors are implicitly `noexcept` by default.
15826 Also, [make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept).
15828 ##### Enforcement
15830 Catch destructors, deallocation operations, and `swap`s that `throw`.
15831 Catch such operations that are not `noexcept`.
15833 **See also**: [discussion](#Sd-never-fail)
15835 ### <a name="Re-not-always"></a>E.17: Don't try to catch every exception in every function
15837 ##### Reason
15839 Catching an exception in a function that cannot take a meaningful recovery action leads to complexity and waste.
15840 Let an exception propagate until it reaches a function that can handle it.
15841 Let cleanup actions on the unwinding path be handled by [RAII](#Re-raii).
15843 ##### Example, don't
15845     void f()   // bad
15846     {
15847         try {
15848             // ...
15849         }
15850         catch (...) {
15851             // no action
15852             throw;   // propagate exception
15853         }
15854     }
15856 ##### Enforcement
15858 * Flag nested try-blocks.
15859 * Flag source code files with a too high ratio of try-blocks to functions. (??? Problem: define "too high")
15861 ### <a name="Re-catch"></a>E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`
15863 ##### Reason
15865  `try`/`catch` is verbose and non-trivial uses are error-prone.
15866  `try`/`catch` can be a sign of unsystematic and/or low-level resource management or error handling.
15868 ##### Example, Bad
15870     void f(zstring s)
15871     {
15872         Gadget* p;
15873         try {
15874             p = new Gadget(s);
15875             // ...
15876             delete p;
15877         }
15878         catch (Gadget_construction_failure) {
15879             delete p;
15880             throw;
15881         }
15882     }
15884 This code is messy.
15885 There could be a leak from the naked pointer in the `try` block.
15886 Not all exceptions are handled.
15887 `deleting` an object that failed to construct is almost certainly a mistake.
15888 Better:
15890     void f2(zstring s)
15891     {
15892         Gadget g {s};
15893     }
15895 ##### Alternatives
15897 * proper resource handles and [RAII](#Re-raii)
15898 * [`finally`](#Re-finally)
15900 ##### Enforcement
15902 ??? hard, needs a heuristic
15904 ### <a name="Re-finally"></a>E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available
15906 ##### Reason
15908 `finally` is less verbose and harder to get wrong than `try`/`catch`.
15910 ##### Example
15912     void f(int n)
15913     {
15914         void* p = malloc(n);
15915         auto _ = finally([p] { free(p); });
15916         // ...
15917     }
15919 ##### Note
15921 `finally` is not as messy as `try`/`catch`, but it is still ad-hoc.
15922 Prefer [proper resource management objects](#Re-raii).
15923 Consider `finally` a last resort.
15925 ##### Note
15927 Use of `finally` is a systematic and reasonably clean alternative to the old [`goto exit;` technique](#Re-no-throw-codes)
15928 for dealing with cleanup where resource management is not systematic.
15930 ##### Enforcement
15932 Heuristic: Detect `goto exit;`
15934 ### <a name="Re-no-throw-raii"></a>E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management
15936 ##### Reason
15938 Even without exceptions, [RAII](#Re-raii) is usually the best and most systematic way of dealing with resources.
15940 ##### Note
15942 Error handling using exceptions is the only complete and systematic way of handling non-local errors in C++.
15943 In particular, non-intrusively signaling failure to construct an object requires an exception.
15944 Signaling errors in a way that cannot be ignored requires exceptions.
15945 If you can't use exceptions, simulate their use as best you can.
15947 A lot of fear of exceptions is misguided.
15948 When used for exceptional circumstances in code that is not littered with pointers and complicated control structures,
15949 exception handling is almost always affordable (in time and space) and almost always leads to better code.
15950 This, of course, assumes a good implementation of the exception handling mechanisms, which is not available on all systems.
15951 There are also cases where the problems above do not apply, but exceptions cannot be used for other reasons.
15952 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.
15953 In the absence of appropriate time estimation tools, this is hard to guarantee for exceptions.
15954 Such systems (e.g. flight control software) typically also ban the use of dynamic (heap) memory.
15956 So, the primary guideline for error handling is "use exceptions and [RAII](#Re-raii)."
15957 This section deals with the cases where you either do not have an efficient implementation of exceptions,
15958 or have such a rat's nest of old-style code
15959 (e.g., lots of pointers, ill-defined ownership, and lots of unsystematic error handling based on tests of error codes)
15960 that it is infeasible to introduce simple and systematic exception handling.
15962 Before condemning exceptions or complaining too much about their cost, consider examples of the use of [error codes](#Re-no-throw-codes).
15963 Consider the cost and complexity of the use of error codes.
15964 If performance is your worry, measure.
15966 ##### Example
15968 Assume you wanted to write
15970     void func(zstring arg)
15971     {
15972         Gadget g {arg};
15973         // ...
15974     }
15976 If the `gadget` isn't correctly constructed, `func` exits with an exception.
15977 If we cannot throw an exception, we can simulate this RAII style of resource handling by adding a `valid()` member function to `Gadget`:
15979     error_indicator func(zstring arg)
15980     {
15981         Gadget g {arg};
15982         if (!g.valid()) return gadget_construction_error;
15983         // ...
15984         return 0;   // zero indicates "good"
15985     }
15987 The problem is of course that the caller now has to remember to test the return value.
15989 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
15991 ##### Enforcement
15993 Possible (only) for specific versions of this idea: e.g., test for systematic test of `valid()` after resource handle construction
15995 ### <a name="Re-no-throw-crash"></a>E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast
15997 ##### Reason
15999 If you can't do a good job at recovering, at least you can get out before too much consequential damage is done.
16001 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16003 ##### Note
16005 If you cannot be systematic about error handling, consider "crashing" as a response to any error that cannot be handled locally.
16006 That is, if you cannot recover from an error in the context of the function that detected it, call `abort()`, `quick_exit()`,
16007 or a similar function that will trigger some sort of system restart.
16009 In systems where you have lots of processes and/or lots of computers, you need to expect and handle fatal crashes anyway,
16010 say from hardware failures.
16011 In such cases, "crashing" is simply leaving error handling to the next level of the system.
16013 ##### Example
16015     void f(int n)
16016     {
16017         // ...
16018         p = static_cast<X*>(malloc(n * sizeof(X)));
16019         if (!p) abort();     // abort if memory is exhausted
16020         // ...
16021     }
16023 Most programs cannot handle memory exhaustion gracefully anyway. This is roughly equivalent to
16025     void f(int n)
16026     {
16027         // ...
16028         p = new X[n];    // throw if memory is exhausted (by default, terminate)
16029         // ...
16030     }
16032 Typically, it is a good idea to log the reason for the "crash" before exiting.
16034 ##### Enforcement
16036 Awkward
16038 ### <a name="Re-no-throw-codes"></a>E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically
16040 ##### Reason
16042 Systematic use of any error-handling strategy minimizes the chance of forgetting to handle an error.
16044 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16046 ##### Note
16048 There are several issues to be addressed:
16050 * How do you transmit an error indicator from out of a function?
16051 * How do you release all resources from a function before doing an error exit?
16052 * What do you use as an error indicator?
16054 In general, returning an error indicator implies returning two values: The result and an error indicator.
16055 The error indicator can be part of the object, e.g. an object can have a `valid()` indicator
16056 or a pair of values can be returned.
16058 ##### Example
16060     Gadget make_gadget(int n)
16061     {
16062         // ...
16063     }
16065     void user()
16066     {
16067         Gadget g = make_gadget(17);
16068         if (!g.valid()) {
16069                 // error handling
16070         }
16071         // ...
16072     }
16074 This approach fits with [simulated RAII resource management](#Re-no-throw-raii).
16075 The `valid()` function could return an `error_indicator` (e.g. a member of an `error_indicator` enumeration).
16077 ##### Example
16079 What if we cannot or do not want to modify the `Gadget` type?
16080 In that case, we must return a pair of values.
16081 For example:
16083     std::pair<Gadget, error_indicator> make_gadget(int n)
16084     {
16085         // ...
16086     }
16088     void user()
16089     {
16090         auto r = make_gadget(17);
16091         if (!r.second) {
16092                 // error handling
16093         }
16094         Gadget& g = r.first;
16095         // ...
16096     }
16098 As shown, `std::pair` is a possible return type.
16099 Some people prefer a specific type.
16100 For example:
16102     Gval make_gadget(int n)
16103     {
16104         // ...
16105     }
16107     void user()
16108     {
16109         auto r = make_gadget(17);
16110         if (!r.err) {
16111                 // error handling
16112         }
16113         Gadget& g = r.val;
16114         // ...
16115     }
16117 One reason to prefer a specific return type is to have names for its members, rather than the somewhat cryptic `first` and `second`
16118 and to avoid confusion with other uses of `std::pair`.
16120 ##### Example
16122 In general, you must clean up before an error exit.
16123 This can be messy:
16125     std::pair<int, error_indicator> user()
16126     {
16127         Gadget g1 = make_gadget(17);
16128         if (!g1.valid()) {
16129             return {0, g1_error};
16130         }
16132         Gadget g2 = make_gadget(31);
16133         if (!g2.valid()) {
16134             cleanup(g1);
16135             return {0, g2_error};
16136         }
16138         // ...
16140         if (all_foobar(g1, g2)) {
16141             cleanup(g2);
16142             cleanup(g1);
16143             return {0, foobar_error};
16144         }
16146         // ...
16148         cleanup(g2);
16149         cleanup(g1);
16150         return {res, 0};
16151     }
16153 Simulating RAII can be non-trivial, especially in functions with multiple resources and multiple possible errors.
16154 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):
16156     std::pair<int, error_indicator> user()
16157     {
16158         error_indicator err = 0;
16159         int res = 0;
16161         Gadget g1 = make_gadget(17);
16162         if (!g1.valid()) {
16163             err = g1_error;
16164             goto g1_exit;
16165         }
16167         {
16168             Gadget g2 = make_gadget(31);
16169             if (!g2.valid()) {
16170                 err = g2_error;
16171                 goto g2_exit;
16172             }
16174             if (all_foobar(g1, g2)) {
16175                 err = foobar_error;
16176                 goto g2_exit;
16177             }
16179             // ...
16181         g2_exit:
16182             if (g2.valid()) cleanup(g2);
16183         }
16185     g1_exit:
16186         if (g1.valid()) cleanup(g1);
16187         return {res, err};
16188     }
16190 The larger the function, the more tempting this technique becomes.
16191 `finally` can [ease the pain a bit](#Re-finally).
16192 Also, the larger the program becomes the harder it is to apply an error-indicator-based error-handling strategy systematically.
16194 We [prefer exception-based error handling](#Re-throw) and recommend [keeping functions short](#Rf-single).
16196 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
16198 **See also**: [Returning multiple values](#Rf-out-multi)
16200 ##### Enforcement
16202 Awkward.
16204 ### <a name="Re-no-throw"></a>E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)
16206 ##### Reason
16208 Global state is hard to manage and it is easy to forget to check it.
16209 When did you last test the return value of `printf()`?
16211 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16213 ##### Example, bad
16215     int last_err;
16217     void f(int n)
16218     {
16219         // ...
16220         p = static_cast<X*>(malloc(n * sizeof(X)));
16221         if (!p) last_err = -1;     // error if memory is exhausted
16222         // ...
16223     }
16225 ##### Note
16227 C-style error handling is based on the global variable `errno`, so it is essentially impossible to avoid this style completely.
16229 ##### Enforcement
16231 Awkward.
16234 ### <a name="Re-specifications"></a>E.30: Don't use exception specifications
16236 ##### Reason
16238 Exception specifications make error handling brittle, impose a run-time cost, and have been removed from the C++ standard.
16240 ##### Example
16242     int use(int arg)
16243         throw(X, Y)
16244     {
16245         // ...
16246         auto x = f(arg);
16247         // ...
16248     }
16250 If `f()` throws an exception different from `X` and `Y` the unexpected handler is invoked, which by default terminates.
16251 That's OK, but say that we have checked that this cannot happen and `f` is changed to throw a new exception `Z`,
16252 we now have a crash on our hands unless we change `use()` (and re-test everything).
16253 The snag is that `f()` might be in a library we do not control and the new exception is not anything that `use()` can do
16254 anything about or is in any way interested in.
16255 We can change `use()` to pass `Z` through, but now `use()`'s callers probably needs to be modified.
16256 This quickly becomes unmanageable.
16257 Alternatively, we can add a `try`-`catch` to `use()` to map `Z` into an acceptable exception.
16258 This too, quickly becomes unmanageable.
16259 Note that changes to the set of exceptions often happens at the lowest level of a system
16260 (e.g., because of changes to a network library or some middleware), so changes "bubble up" through long call chains.
16261 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.
16262 If `use()` is part of a library, it might not be possible to update it because a change could affect unknown clients.
16264 The policy of letting exceptions propagate until they reach a function that potentially can handle it has proven itself over the years.
16266 ##### Note
16268 No. This would not be any better had exception specifications been statically enforced.
16269 For example, see [Stroustrup94](#Stroustrup94).
16271 ##### Note
16273 If no exception can be thrown, use [`noexcept`](#Re-noexcept).
16275 ##### Enforcement
16277 Flag every exception specification.
16279 ### <a name="Re_catch"></a>E.31: Properly order your `catch`-clauses
16281 ##### Reason
16283 `catch`-clauses are evaluated in the order they appear and one clause can hide another.
16285 ##### Example
16287     void f()
16288     {
16289         // ...
16290         try {
16291                 // ...
16292         }
16293         catch (Base& b) { /* ... */ }
16294         catch (Derived& d) { /* ... */ }
16295         catch (...) { /* ... */ }
16296         catch (std::exception& e) { /* ... */ }
16297     }
16299 If `Derived`is derived from `Base` the `Derived`-handler will never be invoked.
16300 The "catch everything" handler ensured that the `std::exception`-handler will never be invoked.
16302 ##### Enforcement
16304 Flag all "hiding handlers".
16306 # <a name="S-const"></a>Con: Constants and immutability
16308 You can't have a race condition on a constant.
16309 It is easier to reason about a program when many of the objects cannot change their values.
16310 Interfaces that promises "no change" of objects passed as arguments greatly increase readability.
16312 Constant rule summary:
16314 * [Con.1: By default, make objects immutable](#Rconst-immutable)
16315 * [Con.2: By default, make member functions `const`](#Rconst-fct)
16316 * [Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s](#Rconst-ref)
16317 * [Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction](#Rconst-const)
16318 * [Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time](#Rconst-constexpr)
16320 ### <a name="Rconst-immutable"></a>Con.1: By default, make objects immutable
16322 ##### Reason
16324 Immutable objects are easier to reason about, so make objects non-`const` only when there is a need to change their value.
16325 Prevents accidental or hard-to-notice change of value.
16327 ##### Example
16329     for (const int i : c) cout << i << '\n';    // just reading: const
16331     for (int i : c) cout << i << '\n';          // BAD: just reading
16333 ##### Exception
16335 Function arguments are rarely mutated, but also rarely declared const.
16336 To avoid confusion and lots of false positives, don't enforce this rule for function arguments.
16338     void f(const char* const p); // pedantic
16339     void g(const int i);        // pedantic
16341 Note that function parameter is a local variable so changes to it are local.
16343 ##### Enforcement
16345 * Flag non-`const` variables that are not modified (except for parameters to avoid many false positives)
16347 ### <a name="Rconst-fct"></a>Con.2: By default, make member functions `const`
16349 ##### Reason
16351 A member function should be marked `const` unless it changes the object's observable state.
16352 This gives a more precise statement of design intent, better readability, more errors caught by the compiler, and sometimes more optimization opportunities.
16354 ##### Example, bad
16356     class Point {
16357         int x, y;
16358     public:
16359         int getx() { return x; }    // BAD, should be const as it doesn't modify the object's state
16360         // ...
16361     };
16363     void f(const Point& pt)
16364     {
16365         int x = pt.getx();          // ERROR, doesn't compile because getx was not marked const
16366     }
16368 ##### Note
16370 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16371 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16372 A reader of code must assume that a function that takes a "plain" `T*` or `T&` will modify the object referred to.
16373 If it doesn't now, it might do so later without forcing recompilation.
16375 ##### Note
16377 There are code/libraries that offer functions that declare a`T*` even though
16378 those function do not modify that `T`.
16379 This is a problem for people modernizing code.
16380 You can
16382 * update the library to be `const`-correct; preferred long-term solution
16383 * "cast away `const`"; [best avoided](#Res-casts-const)
16384 * provide a wrapper function
16386 Example:
16388     void f(int* p);   // old code: f() does not modify `*p`
16389     void f(const int* p) { f(const_cast<int*>(p)); } // wrapper
16391 Note that this wrapper solution is a patch that should be used only when the declaration of `f()` cannot be modified,
16392 e.g. because it is in a library that you cannot modify.
16394 ##### Note
16396 A `const` member function can modify the value of an object that is `mutable` or accessed through a pointer member.
16397 A common use is to maintain a cache rather than repeatedly do a complicated computation.
16398 For example, here is a `Date` that caches (memoizes) its string representation to simplify repeated uses:
16400     class Date {
16401     public:
16402         // ...
16403         const string& string_ref() const
16404         {
16405             if (string_val == "") compute_string_rep();
16406             return string_val;
16407         }
16408         // ...
16409     private:
16410         void compute_string_rep() const;    // compute string representation and place it in string_val
16411         mutable string string_val;
16412         // ...
16413     };
16415 Another way of saying this is that `const`ness is not transitive.
16416 It is possible for a `const` member function to change the value of `mutable` members and the value of objects accessed
16417 through non-`const` pointers.
16418 It is the job of the class to ensure such mutation is done only when it makes sense according to the semantics (invariants)
16419 it offers to its users.
16421 **See also**: [Pimpl](#Ri-pimpl)
16423 ##### Enforcement
16425 * Flag a member function that is not marked `const`, but that does not perform a non-`const` operation on any member variable.
16427 ### <a name="Rconst-ref"></a>Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s
16429 ##### Reason
16431  To avoid a called function unexpectedly changing the value.
16432  It's far easier to reason about programs when called functions don't modify state.
16434 ##### Example
16436     void f(char* p);        // does f modify *p? (assume it does)
16437     void g(const char* p);  // g does not modify *p
16439 ##### Note
16441 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16442 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16444 ##### Note
16446 [Do not cast away `const`](#Res-casts-const).
16448 ##### Enforcement
16450 * Flag function that does not modify an object passed by  pointer or reference to non-`const`
16451 * Flag a function that (using a cast) modifies an object passed by pointer or reference to `const`
16453 ### <a name="Rconst-const"></a>Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction
16455 ##### Reason
16457  Prevent surprises from unexpectedly changed object values.
16459 ##### Example
16461     void f()
16462     {
16463         int x = 7;
16464         const int y = 9;
16466         for (;;) {
16467             // ...
16468         }
16469         // ...
16470     }
16472 As `x` is not `const`, we must assume that it is modified somewhere in the loop.
16474 ##### Enforcement
16476 * Flag unmodified non-`const` variables.
16478 ### <a name="Rconst-constexpr"></a>Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time
16480 ##### Reason
16482 Better performance, better compile-time checking, guaranteed compile-time evaluation, no possibility of race conditions.
16484 ##### Example
16486     double x = f(2);            // possible run-time evaluation
16487     const double y = f(2);      // possible run-time evaluation
16488     constexpr double z = f(2);  // error unless f(2) can be evaluated at compile time
16490 ##### Note
16492 See F.4.
16494 ##### Enforcement
16496 * Flag `const` definitions with constant expression initializers.
16498 # <a name="S-templates"></a>T: Templates and generic programming
16500 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16501 In C++, generic programming is supported by the `template` language mechanisms.
16503 Arguments to generic functions are characterized by sets of requirements on the argument types and values involved.
16504 In C++, these requirements are expressed by compile-time predicates called concepts.
16506 Templates can also be used for meta-programming; that is, programs that compose code at compile time.
16508 A central notion in generic programming is "concepts"; that is, requirements on template arguments presented as compile-time predicates.
16509 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16510 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).
16511 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16512 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16513 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16515 Template use rule summary:
16517 * [T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code](#Rt-raise)
16518 * [T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types](#Rt-algo)
16519 * [T.3: Use templates to express containers and ranges](#Rt-cont)
16520 * [T.4: Use templates to express syntax tree manipulation](#Rt-expr)
16521 * [T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs](#Rt-generic-oo)
16523 Concept use rule summary:
16525 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
16526 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
16527 * [T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables](#Rt-auto)
16528 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
16529 * ???
16531 Concept definition rule summary:
16533 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
16534 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
16535 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
16536 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
16537 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
16538 * [T.25: Avoid complementary constraints](#Rt-not)
16539 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
16540 * [T.30: Use concept negation (`!C<T>`) sparingly to express a minor difference](#Rt-???)
16541 * [T.31: Use concept disjunction (`C1<T> || C2<T>`) sparingly to express alternatives](#Rt-???)
16542 * ???
16544 Template interface rule summary:
16546 * [T.40: Use function objects to pass operations to algorithms](#Rt-fo)
16547 * [T.41: Require only essential properties in a template's concepts](#Rt-essential)
16548 * [T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details](#Rt-alias)
16549 * [T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases](#Rt-using)
16550 * [T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)](#Rt-deduce)
16551 * [T.46: Require template arguments to be at least `Regular` or `SemiRegular`](#Rt-regular)
16552 * [T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names](#Rt-visible)
16553 * [T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`](#Rt-concept-def)
16554 * [T.49: Where possible, avoid type-erasure](#Rt-erasure)
16556 Template definition rule summary:
16558 * [T.60: Minimize a template's context dependencies](#Rt-depend)
16559 * [T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)](#Rt-scary)
16560 * [T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class](#Rt-nondependent)
16561 * [T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates](#Rt-specialization)
16562 * [T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of functions](#Rt-tag-dispatch)
16563 * [T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types](#Rt-specialization2)
16564 * [T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities](#Rt-cast)
16565 * [T.69: Inside a template, don't make an unqualified non-member function call unless you intend it to be a customization point](#Rt-customization)
16567 Template and hierarchy rule summary:
16569 * [T.80: Do not naively templatize a class hierarchy](#Rt-hier)
16570 * [T.81: Do not mix hierarchies and arrays](#Rt-array) // ??? somewhere in "hierarchies"
16571 * [T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable](#Rt-linear)
16572 * [T.83: Do not declare a member function template virtual](#Rt-virtual)
16573 * [T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface](#Rt-abi)
16574 * [T.??: ????](#Rt-???)
16576 Variadic template rule summary:
16578 * [T.100: Use variadic templates when you need a function that takes a variable number of arguments of a variety of types](#Rt-variadic)
16579 * [T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-pass)
16580 * [T.102: ??? How to process arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-process)
16581 * [T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists](#Rt-variadic-not)
16582 * [T.??: ????](#Rt-???)
16584 Metaprogramming rule summary:
16586 * [T.120: Use template metaprogramming only when you really need to](#Rt-metameta)
16587 * [T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts](#Rt-emulate)
16588 * [T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time](#Rt-tmp)
16589 * [T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time](#Rt-fct)
16590 * [T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities](#Rt-std-tmp)
16591 * [T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library](#Rt-lib)
16592 * [T.??: ????](#Rt-???)
16594 Other template rules summary:
16596 * [T.140: Name all operations with potential for reuse](#Rt-name)
16597 * [T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only](#Rt-lambda)
16598 * [T.142: Use template variables to simplify notation](#Rt-var)
16599 * [T.143: Don't write unintentionally non-generic code](#Rt-non-generic)
16600 * [T.144: Don't specialize function templates](#Rt-specialize-function)
16601 * [T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`](#Rt-check-class)
16602 * [T.??: ????](#Rt-???)
16604 ## <a name="SS-GP"></a>T.gp: Generic programming
16606 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16608 ### <a name="Rt-raise"></a>T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code
16610 ##### Reason
16612 Generality. Reuse. Efficiency. Encourages consistent definition of user types.
16614 ##### Example, bad
16616 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":
16618     template<typename T>
16619         // requires Incrementable<T>
16620     T sum1(vector<T>& v, T s)
16621     {
16622         for (auto x : v) s += x;
16623         return s;
16624     }
16626     template<typename T>
16627         // requires Simple_number<T>
16628     T sum2(vector<T>& v, T s)
16629     {
16630         for (auto x : v) s = s + x;
16631         return s;
16632     }
16634 Assuming that `Incrementable` does not support `+` and `Simple_number` does not support `+=`, we have overconstrained implementers of `sum1` and `sum2`.
16635 And, in this case, missed an opportunity for a generalization.
16637 ##### Example
16639     template<typename T>
16640         // requires Arithmetic<T>
16641     T sum(vector<T>& v, T s)
16642     {
16643         for (auto x : v) s += x;
16644         return s;
16645     }
16647 Assuming that `Arithmetic` requires both `+` and `+=`, we have constrained the user of `sum` to provide a complete arithmetic type.
16648 That is not a minimal requirement, but it gives the implementer of algorithms much needed freedom and ensures that any `Arithmetic` type
16649 can be used for a wide variety of algorithms.
16651 For additional generality and reusability, we could also use a more general `Container` or `Range` concept instead of committing to only one container, `vector`.
16653 ##### Note
16655 If we define a template to require exactly the operations required for a single implementation of a single algorithm
16656 (e.g., requiring just `+=` rather than also `=` and `+`) and only those, we have overconstrained maintainers.
16657 We aim to minimize requirements on template arguments, but the absolutely minimal requirements of an implementation is rarely a meaningful concept.
16659 ##### Note
16661 Templates can be used to express essentially everything (they are Turing complete), but the aim of generic programming (as expressed using templates)
16662 is to efficiently generalize operations/algorithms over a set of types with similar semantic properties.
16664 ##### Note
16666 The `requires` in the comments are uses of `concepts`.
16667 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16668 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16669 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16670 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16672 ##### Enforcement
16674 * Flag algorithms with "overly simple" requirements, such as direct use of specific operators without a concept.
16675 * Do not flag the definition of the "overly simple" concepts themselves; they might simply be building blocks for more useful concepts.
16677 ### <a name="Rt-algo"></a>T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types
16679 ##### Reason
16681 Generality. Minimizing the amount of source code. Interoperability. Reuse.
16683 ##### Example
16685 That's the foundation of the STL. A single `find` algorithm easily works with any kind of input range:
16687     template<typename Iter, typename Val>
16688         // requires Input_iterator<Iter>
16689         //       && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16690     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16691     {
16692         // ...
16693     }
16695 ##### Note
16697 Don't use a template unless you have a realistic need for more than one template argument type.
16698 Don't overabstract.
16700 ##### Enforcement
16702 ??? tough, probably needs a human
16704 ### <a name="Rt-cont"></a>T.3: Use templates to express containers and ranges
16706 ##### Reason
16708 Containers need an element type, and expressing that as a template argument is general, reusable, and type safe.
16709 It also avoids brittle or inefficient workarounds. Convention: That's the way the STL does it.
16711 ##### Example
16713     template<typename T>
16714         // requires Regular<T>
16715     class Vector {
16716         // ...
16717         T* elem;   // points to sz Ts
16718         int sz;
16719     };
16721     Vector<double> v(10);
16722     v[7] = 9.9;
16724 ##### Example, bad
16726     class Container {
16727         // ...
16728         void* elem;   // points to size elements of some type
16729         int sz;
16730     };
16732     Container c(10, sizeof(double));
16733     ((double*) c.elem)[7] = 9.9;
16735 This doesn't directly express the intent of the programmer and hides the structure of the program from the type system and optimizer.
16737 Hiding the `void*` behind macros simply obscures the problems and introduces new opportunities for confusion.
16739 **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.
16740 See [Stable base](#Rt-abi).
16742 ##### Enforcement
16744 * Flag uses of `void*`s and casts outside low-level implementation code
16746 ### <a name="Rt-expr"></a>T.4: Use templates to express syntax tree manipulation
16748 ##### Reason
16750  ???
16752 ##### Example
16754     ???
16756 **Exceptions**: ???
16758 ### <a name="Rt-generic-oo"></a>T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs
16760 ##### Reason
16762 Generic and OO techniques are complementary.
16764 ##### Example
16766 Static helps dynamic: Use static polymorphism to implement dynamically polymorphic interfaces.
16768     class Command {
16769         // pure virtual functions
16770     };
16772     // implementations
16773     template</*...*/>
16774     class ConcreteCommand : public Command {
16775         // implement virtuals
16776     };
16778 ##### Example
16780 Dynamic helps static: Offer a generic, comfortable, statically bound interface, but internally dispatch dynamically, so you offer a uniform object layout.
16781 Examples include type erasure as with `std::shared_ptr`'s deleter (but [don't overuse type erasure](#Rt-erasure)).
16783     #include <memory>
16785     class Object {
16786     public:
16787         template<typename T>
16788         Object(T&& obj)
16789             : concept_(std::make_shared<ConcreteCommand<T>>(std::forward<T>(obj))) {}
16791         int get_id() const { return concept_->get_id(); }
16793     private:
16794         struct Command {
16795             virtual ~Command() {}
16796             virtual int get_id() const = 0;
16797         };
16799         template<typename T>
16800         struct ConcreteCommand final : Command {
16801             ConcreteCommand(T&& obj) noexcept : object_(std::forward<T>(obj)) {}
16802             int get_id() const final { return object_.get_id(); }
16804         private:
16805             T object_;
16806         };
16808         std::shared_ptr<Command> concept_;
16809     };
16811     class Bar {
16812     public:
16813         int get_id() const { return 1; }
16814     };
16816     struct Foo {
16817     public:
16818         int get_id() const { return 2; }
16819     };
16821     Object o(Bar{});
16822     Object o2(Foo{});
16824 ##### Note
16826 In a class template, non-virtual functions are only instantiated if they're used -- but virtual functions are instantiated every time.
16827 This can bloat code size, and might overconstrain a generic type by instantiating functionality that is never needed.
16828 Avoid this, even though the standard-library facets made this mistake.
16830 ##### See also
16832 * ref ???
16833 * ref ???
16834 * ref ???
16836 ##### Enforcement
16838 See the reference to more specific rules.
16840 ## <a name="SS-concepts"></a>T.concepts: Concept rules
16842 Concepts is a facility for specifying requirements for template arguments.
16843 It is an [ISO Technical Specification](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf), but currently supported only by GCC.
16844 Concepts are, however, crucial in the thinking about generic programming and the basis of much work on future C++ libraries
16845 (standard and other).
16847 This section assumes concept support
16849 Concept use rule summary:
16851 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
16852 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
16853 * [T.12: Prefer concept names over `auto`](#Rt-auto)
16854 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
16855 * ???
16857 Concept definition rule summary:
16859 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
16860 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
16861 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
16862 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
16863 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
16864 * [T.25: Avoid complimentary constraints](#Rt-not)
16865 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
16866 * ???
16868 ## <a name="SS-concept-use"></a>T.con-use: Concept use
16870 ### <a name="Rt-concepts"></a>T.10: Specify concepts for all template arguments
16872 ##### Reason
16874 Correctness and readability.
16875 The assumed meaning (syntax and semantics) of a template argument is fundamental to the interface of a template.
16876 A concept dramatically improves documentation and error handling for the template.
16877 Specifying concepts for template arguments is a powerful design tool.
16879 ##### Example
16881     template<typename Iter, typename Val>
16882     //    requires Input_iterator<Iter>
16883     //             && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16884     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16885     {
16886         // ...
16887     }
16889 or equivalently and more succinctly:
16891     template<Input_iterator Iter, typename Val>
16892     //    requires Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16893     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16894     {
16895         // ...
16896     }
16898 ##### Note
16900 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16901 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)
16902 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16903 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16904 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them:
16906     template<typename Iter, typename Val>
16907         requires Input_iterator<Iter>
16908                && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16909     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16910     {
16911         // ...
16912     }
16914 ##### Note
16916 Plain `typename` (or `auto`) is the least constraining concept.
16917 It should be used only rarely when nothing more than "it's a type" can be assumed.
16918 This is typically only needed when (as part of template metaprogramming code) we manipulate pure expression trees, postponing type checking.
16920 **References**: TC++PL4, Palo Alto TR, Sutton
16922 ##### Enforcement
16924 Flag template type arguments without concepts
16926 ### <a name="Rt-std-concepts"></a>T.11: Whenever possible use standard concepts
16928 ##### Reason
16930  "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)
16931 save us the work of thinking up our own concepts, are better thought out than we can manage to do in a hurry, and improve interoperability.
16933 ##### Note
16935 Unless you are creating a new generic library, most of the concepts you need will already be defined by the standard library.
16937 ##### Example (using TS concepts)
16939     template<typename T>
16940         // don't define this: Sortable is in the GSL
16941     concept Ordered_container = Sequence<T> && Random_access<Iterator<T>> && Ordered<Value_type<T>>;
16943     void sort(Ordered_container& s);
16945 This `Ordered_container` is quite plausible, but it is very similar to the `Sortable` concept in the GSL (and the Range TS).
16946 Is it better? Is it right? Does it accurately reflect the standard's requirements for `sort`?
16947 It is better and simpler just to use `Sortable`:
16949     void sort(Sortable& s);   // better
16951 ##### Note
16953 The set of "standard" concepts is evolving as we approach an ISO standard including concepts.
16955 ##### Note
16957 Designing a useful concept is challenging.
16959 ##### Enforcement
16961 Hard.
16963 * Look for unconstrained arguments, templates that use "unusual"/non-standard concepts, templates that use "homebrew" concepts without axioms.
16964 * Develop a concept-discovery tool (e.g., see [an early experiment](http://www.stroustrup.com/sle2010_webversion.pdf)).
16966 ### <a name="Rt-auto"></a>T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables
16968 ##### Reason
16970  `auto` is the weakest concept. Concept names convey more meaning than just `auto`.
16972 ##### Example (using TS concepts)
16974     vector<string> v{ "abc", "xyz" };
16975     auto& x = v.front();     // bad
16976     String& s = v.front();   // good (String is a GSL concept)
16978 ##### Enforcement
16980 * ???
16982 ### <a name="Rt-shorthand"></a>T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts
16984 ##### Reason
16986 Readability. Direct expression of an idea.
16988 ##### Example (using TS concepts)
16990 To say "`T` is `Sortable`":
16992     template<typename T>       // Correct but verbose: "The parameter is
16993     //    requires Sortable<T>   // of type T which is the name of a type
16994     void sort(T&);             // that is Sortable"
16996     template<Sortable T>       // Better (assuming support for concepts): "The parameter is of type T
16997     void sort(T&);             // which is Sortable"
16999     void sort(Sortable&);      // Best (assuming support for concepts): "The parameter is Sortable"
17001 The shorter versions better match the way we speak. Note that many templates don't need to use the `template` keyword.
17003 ##### Note
17005 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
17006 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)
17007 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
17008 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
17009 If you use a compiler that supports concepts (e.g., GCC 6.1 or later), you can remove the `//`.
17011 ##### Enforcement
17013 * Not feasible in the short term when people convert from the `<typename T>` and `<class T`> notation.
17014 * Later, flag declarations that first introduce a typename and then constrain it with a simple, single-type-argument concept.
17016 ## <a name="SS-concepts-def"></a>T.concepts.def: Concept definition rules
17018 Defining good concepts is non-trivial.
17019 Concepts are meant to represent fundamental concepts in an application domain (hence the name "concepts").
17020 Similarly throwing together a set of syntactic constraints to be used for the arguments for a single class or algorithm is not what concepts were designed for
17021 and will not give the full benefits of the mechanism.
17023 Obviously, defining concepts will be most useful for code that can use an implementation (e.g., GCC 6.1 or later),
17024 but defining concepts is in itself a useful design technique and help catch conceptual errors and clean up the concepts (sic!) of an implementation.
17026 ### <a name="Rt-low"></a>T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics
17028 ##### Reason
17030 Concepts are meant to express semantic notions, such as "a number", "a range" of elements, and "totally ordered."
17031 Simple constraints, such as "has a `+` operator" and "has a `>` operator" cannot be meaningfully specified in isolation
17032 and should be used only as building blocks for meaningful concepts, rather than in user code.
17034 ##### Example, bad (using TS concepts)
17036     template<typename T>
17037     concept Addable = has_plus<T>;    // bad; insufficient
17039     template<Addable N> auto algo(const N& a, const N& b) // use two numbers
17040     {
17041         // ...
17042         return a + b;
17043     }
17045     int x = 7;
17046     int y = 9;
17047     auto z = algo(x, y);   // z = 16
17049     string xx = "7";
17050     string yy = "9";
17051     auto zz = algo(xx, yy);   // zz = "79"
17053 Maybe the concatenation was expected. More likely, it was an accident. Defining minus equivalently would give dramatically different sets of accepted types.
17054 This `Addable` violates the mathematical rule that addition is supposed to be commutative: `a+b == b+a`.
17056 ##### Note
17058 The ability to specify a meaningful semantics is a defining characteristic of a true concept, as opposed to a syntactic constraint.
17060 ##### Example (using TS concepts)
17062     template<typename T>
17063     // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
17064     concept Number = has_plus<T>
17065                      && has_minus<T>
17066                      && has_multiply<T>
17067                      && has_divide<T>;
17069     template<Number N> auto algo(const N& a, const N& b)
17070     {
17071         // ...
17072         return a + b;
17073     }
17075     int x = 7;
17076     int y = 9;
17077     auto z = algo(x, y);   // z = 16
17079     string xx = "7";
17080     string yy = "9";
17081     auto zz = algo(xx, yy);   // error: string is not a Number
17083 ##### Note
17085 Concepts with multiple operations have far lower chance of accidentally matching a type than a single-operation concept.
17087 ##### Enforcement
17089 * Flag single-operation `concepts` when used outside the definition of other `concepts`.
17090 * Flag uses of `enable_if` that appears to simulate single-operation `concepts`.
17093 ### <a name="Rt-complete"></a>T.21: Require a complete set of operations for a concept
17095 ##### Reason
17097 Ease of comprehension.
17098 Improved interoperability.
17099 Helps implementers and maintainers.
17101 ##### Note
17103 This is a specific variant of the general rule that [a concept must make semantic sense](#Rt-low).
17105 ##### Example, bad (using TS concepts)
17107     template<typename T> concept Subtractable = requires(T a, T, b) { a-b; };
17109 This makes no semantic sense.
17110 You need at least `+` to make `-` meaningful and useful.
17112 Examples of complete sets are
17114 * `Arithmetic`: `+`, `-`, `*`, `/`, `+=`, `-=`, `*=`, `/=`
17115 * `Comparable`: `<`, `>`, `<=`, `>=`, `==`, `!=`
17117 ##### Note
17119 This rule applies whether we use direct language support for concepts or not.
17120 It is a general design rule that even applies to non-templates:
17122     class Minimal {
17123         // ...
17124     };
17126     bool operator==(const Minimal&, const Minimal&);
17127     bool operator<(const Minimal&, const Minimal&);
17129     Minimal operator+(const Minimal&, const Minimal&);
17130     // no other operators
17132     void f(const Minimal& x, const Minimal& y)
17133     {
17134         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
17135         if (x != y) { /* ... */ }       // surprise! error
17137         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
17138         while (x >= y) { /* ... */ }    // surprise! error
17140         x = x + y;          // OK
17141         x += y;             // surprise! error
17142     }
17144 This is minimal, but surprising and constraining for users.
17145 It could even be less efficient.
17147 The rule supports the view that a concept should reflect a (mathematically) coherent set of operations.
17149 ##### Example
17151     class Convenient {
17152         // ...
17153     };
17155     bool operator==(const Convenient&, const Convenient&);
17156     bool operator<(const Convenient&, const Convenient&);
17157     // ... and the other comparison operators ...
17159     Minimal operator+(const Convenient&, const Convenient&);
17160     // .. and the other arithmetic operators ...
17162     void f(const Convenient& x, const Convenient& y)
17163     {
17164         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
17165         if (x != y) { /* ... */ }       // OK
17167         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
17168         while (x >= y) { /* ... */ }    // OK
17170         x = x + y;     // OK
17171         x += y;        // OK
17172     }
17174 It can be a nuisance to define all operators, but not hard.
17175 Ideally, that rule should be language supported by giving you comparison operators by default.
17177 ##### Enforcement
17179 * Flag classes that support "odd" subsets of a set of operators, e.g., `==` but not `!=` or `+` but not `-`.
17180   Yes, `std::string` is "odd", but it's too late to change that.
17183 ### <a name="Rt-axiom"></a>T.22: Specify axioms for concepts
17185 ##### Reason
17187 A meaningful/useful concept has a semantic meaning.
17188 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.
17189 Specifying semantics is a powerful design tool.
17191 ##### Example (using TS concepts)
17193     template<typename T>
17194         // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
17195         // axiom(T a, T b) { a + b == b + a; a - a == 0; a * (b + c) == a * b + a * c; /*...*/ }
17196         concept Number = requires(T a, T b) {
17197             {a + b} -> T;   // the result of a + b is convertible to T
17198             {a - b} -> T;
17199             {a * b} -> T;
17200             {a / b} -> T;
17201         }
17203 ##### Note
17205 This is an axiom in the mathematical sense: something that can be assumed without proof.
17206 In general, axioms are not provable, and when they are the proof is often beyond the capability of a compiler.
17207 An axiom might not be general, but the template writer can assume that it holds for all inputs actually used (similar to a precondition).
17209 ##### Note
17211 In this context axioms are Boolean expressions.
17212 See the [Palo Alto TR](#S-references) for examples.
17213 Currently, C++ does not support axioms (even the ISO Concepts TS), so we have to make do with comments for a longish while.
17214 Once language support is available, the `//` in front of the axiom can be removed
17216 ##### Note
17218 The GSL concepts have well-defined semantics; see the Palo Alto TR and the Ranges TS.
17220 ##### Exception (using TS concepts)
17222 Early versions of a new "concept" still under development will often just define simple sets of constraints without a well-specified semantics.
17223 Finding good semantics can take effort and time.
17224 An incomplete set of constraints can still be very useful:
17226     // balancer for a generic binary tree
17227     template<typename Node> concept bool Balancer = requires(Node* p) {
17228         add_fixup(p);
17229         touch(p);
17230         detach(p);
17231     }
17233 So a `Balancer` must supply at least thee operations on a tree `Node`,
17234 but we are not yet ready to specify detailed semantics because a new kind of balanced tree might require more operations
17235 and the precise general semantics for all nodes is hard to pin down in the early stages of design.
17237 A "concept" that is incomplete or without a well-specified semantics can still be useful.
17238 For example, it allows for some checking during initial experimentation.
17239 However, it should not be assumed to be stable.
17240 Each new use case might require such an incomplete concept to be improved.
17242 ##### Enforcement
17244 * Look for the word "axiom" in concept definition comments
17246 ### <a name="Rt-refine"></a>T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns.
17248 ##### Reason
17250 Otherwise they cannot be distinguished automatically by the compiler.
17252 ##### Example (using TS concepts)
17254     template<typename I>
17255     concept bool Input_iter = requires(I iter) { ++iter; };
17257     template<typename I>
17258     concept bool Fwd_iter = Input_iter<I> && requires(I iter) { iter++; }
17260 The compiler can determine refinement based on the sets of required operations (here, suffix `++`).
17261 This decreases the burden on implementers of these types since
17262 they do not need any special declarations to "hook into the concept".
17263 If two concepts have exactly the same requirements, they are logically equivalent (there is no refinement).
17265 ##### Enforcement
17267 * Flag a concept that has exactly the same requirements as another already-seen concept (neither is more refined).
17268 To disambiguate them, see [T.24](#Rt-tag).
17270 ### <a name="Rt-tag"></a>T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics.
17272 ##### Reason
17274 Two concepts requiring the same syntax but having different semantics leads to ambiguity unless the programmer differentiates them.
17276 ##### Example (using TS concepts)
17278     template<typename I>    // iterator providing random access
17279     concept bool RA_iter = ...;
17281     template<typename I>    // iterator providing random access to contiguous data
17282     concept bool Contiguous_iter =
17283         RA_iter<I> && is_contiguous<I>::value;  // using is_contiguous trait
17285 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17287 Wrapping a tag class into a concept leads to a simpler expression of this idea:
17289     template<typename I> concept Contiguous = is_contiguous<I>::value;
17291     template<typename I>
17292     concept bool Contiguous_iter = RA_iter<I> && Contiguous<I>;
17294 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17296 ##### Note
17298 Traits can be trait classes or type traits.
17299 These can be user-defined or standard-library ones.
17300 Prefer the standard-library ones.
17302 ##### Enforcement
17304 * The compiler flags ambiguous use of identical concepts.
17305 * Flag the definition of identical concepts.
17307 ### <a name="Rt-not"></a>T.25: Avoid complementary constraints
17309 ##### Reason
17311 Clarity. Maintainability.
17312 Functions with complementary requirements expressed using negation are brittle.
17314 ##### Example (using TS concepts)
17316 Initially, people will try to define functions with complementary requirements:
17318     template<typename T>
17319         requires !C<T>    // bad
17320     void f();
17322     template<typename T>
17323         requires C<T>
17324     void f();
17326 This is better:
17328     template<typename T>   // general template
17329         void f();
17331     template<typename T>   // specialization by concept
17332         requires C<T>
17333     void f();
17335 The compiler will choose the unconstrained template only when `C<T>` is
17336 unsatisfied. If you do not want to (or cannot) define an unconstrained
17337 version of `f()`, then delete it.
17339     template<typename T>
17340     void f() = delete;
17342 The compiler will select the overload and emit an appropriate error.
17344 ##### Note
17346 Complementary constraints are unfortunately common in `enable_if` code:
17348     template<typename T>
17349     enable_if<!C<T>, void>   // bad
17350     f();
17352     template<typename T>
17353     enable_if<C<T>, void>
17354     f();
17357 ##### Note
17359 Complementary requirements on one requirements is sometimes (wrongly) considered manageable.
17360 However, for two or more requirements the number of definitions needs can go up exponentially (2,4,8,16,...):
17362     C1<T> && C2<T>
17363     !C1<T> && C2<T>
17364     C1<T> && !C2<T>
17365     !C1<T> && !C2<T>
17367 Now the opportunities for errors multiply.
17369 ##### Enforcement
17371 * Flag pairs of functions with `C<T>` and `!C<T>` constraints
17373 ### <a name="Rt-use"></a>T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax
17375 ##### Reason
17377 The definition is more readable and corresponds directly to what a user has to write.
17378 Conversions are taken into account. You don't have to remember the names of all the type traits.
17380 ##### Example (using TS concepts)
17382 You might be tempted to define a concept `Equality` like this:
17384     template<typename T> concept Equality = has_equal<T> && has_not_equal<T>;
17386 Obviously, it would be better and easier just to use the standard `EqualityComparable`,
17387 but - just as an example - if you had to define such a concept, prefer:
17389     template<typename T> concept Equality = requires(T a, T b) {
17390         bool == { a == b }
17391         bool == { a != b }
17392         // axiom { !(a == b) == (a != b) }
17393         // axiom { a = b; => a == b }  // => means "implies"
17394     }
17396 as opposed to defining two meaningless concepts `has_equal` and `has_not_equal` just as helpers in the definition of `Equality`.
17397 By "meaningless" we mean that we cannot specify the semantics of `has_equal` in isolation.
17399 ##### Enforcement
17403 ## <a name="SS-temp-interface"></a>Template interfaces
17405 Over the years, programming with templates have suffered from a weak distinction between the interface of a template
17406 and its implementation.
17407 Before concepts, that distinction had no direct language support.
17408 However, the interface to a template is a critical concept - a contract between a user and an implementer - and should be carefully designed.
17410 ### <a name="Rt-fo"></a>T.40: Use function objects to pass operations to algorithms
17412 ##### Reason
17414 Function objects can carry more information through an interface than a "plain" pointer to function.
17415 In general, passing function objects gives better performance than passing pointers to functions.
17417 ##### Example (using TS concepts)
17419     bool greater(double x, double y) { return x > y; }
17420     sort(v, greater);                                    // pointer to function: potentially slow
17421     sort(v, [](double x, double y) { return x > y; });   // function object
17422     sort(v, std::greater<>);                             // function object
17424     bool greater_than_7(double x) { return x > 7; }
17425     auto x = find_if(v, greater_than_7);                 // pointer to function: inflexible
17426     auto y = find_if(v, [](double x) { return x > 7; }); // function object: carries the needed data
17427     auto z = find_if(v, Greater_than<double>(7));        // function object: carries the needed data
17429 You can, of course, generalize those functions using `auto` or (when and where available) concepts. For example:
17431     auto y1 = find_if(v, [](Ordered x) { return x > 7; }); // require an ordered type
17432     auto z1 = find_if(v, [](auto x) { return x > 7; });    // hope that the type has a >
17434 ##### Note
17436 Lambdas generate function objects.
17438 ##### Note
17440 The performance argument depends on compiler and optimizer technology.
17442 ##### Enforcement
17444 * Flag pointer to function template arguments.
17445 * Flag pointers to functions passed as arguments to a template (risk of false positives).
17448 ### <a name="Rt-essential"></a>T.41: Require only essential properties in a template's concepts
17450 ##### Reason
17452 Keep interfaces simple and stable.
17454 ##### Example (using TS concepts)
17456 Consider, a `sort` instrumented with (oversimplified) simple debug support:
17458     void sort(Sortable& s)  // sort sequence s
17459     {
17460         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17461         // ...
17462         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17463     }
17465 Should this be rewritten to:
17467     template<Sortable S>
17468         requires Streamable<S>
17469     void sort(S& s)  // sort sequence s
17470     {
17471         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17472         // ...
17473         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17474     }
17476 After all, there is nothing in `Sortable` that requires `iostream` support.
17477 On the other hand, there is nothing in the fundamental idea of sorting that says anything about debugging.
17479 ##### Note
17481 If we require every operation used to be listed among the requirements, the interface becomes unstable:
17482 Every time we change the debug facilities, the usage data gathering, testing support, error reporting, etc.,
17483 the definition of the template would need change and every use of the template would have to be recompiled.
17484 This is cumbersome, and in some environments infeasible.
17486 Conversely, if we use an operation in the implementation that is not guaranteed by concept checking,
17487 we might get a late compile-time error.
17489 By not using concept checking for properties of a template argument that is not considered essential,
17490 we delay checking until instantiation time.
17491 We consider this a worthwhile tradeoff.
17493 Note that using non-local, non-dependent names (such as `debug` and `cerr`) also introduces context dependencies that might lead to "mysterious" errors.
17495 ##### Note
17497 It can be hard to decide which properties of a type are essential and which are not.
17499 ##### Enforcement
17503 ### <a name="Rt-alias"></a>T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details
17505 ##### Reason
17507 Improved readability.
17508 Implementation hiding.
17509 Note that template aliases replace many uses of traits to compute a type.
17510 They can also be used to wrap a trait.
17512 ##### Example
17514     template<typename T, size_t N>
17515     class Matrix {
17516         // ...
17517         using Iterator = typename std::vector<T>::iterator;
17518         // ...
17519     };
17521 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>::`.
17523 ##### Example
17525     template<typename T>
17526     void user(T& c)
17527     {
17528         // ...
17529         typename container_traits<T>::value_type x; // bad, verbose
17530         // ...
17531     }
17533     template<typename T>
17534     using Value_type = typename container_traits<T>::value_type;
17537 This saves the user of `Value_type` from having to know the technique used to implement `value_type`s.
17539     template<typename T>
17540     void user2(T& c)
17541     {
17542         // ...
17543         Value_type<T> x;
17544         // ...
17545     }
17547 ##### Note
17549 A simple, common use could be expressed: "Wrap traits!"
17551 ##### Enforcement
17553 * Flag use of `typename` as a disambiguator outside `using` declarations.
17554 * ???
17556 ### <a name="Rt-using"></a>T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases
17558 ##### Reason
17560 Improved readability: With `using`, the new name comes first rather than being embedded somewhere in a declaration.
17561 Generality: `using` can be used for template aliases, whereas `typedef`s can't easily be templates.
17562 Uniformity: `using` is syntactically similar to `auto`.
17564 ##### Example
17566     typedef int (*PFI)(int);   // OK, but convoluted
17568     using PFI2 = int (*)(int);   // OK, preferred
17570     template<typename T>
17571     typedef int (*PFT)(T);      // error
17573     template<typename T>
17574     using PFT2 = int (*)(T);   // OK
17576 ##### Enforcement
17578 * Flag uses of `typedef`. This will give a lot of "hits" :-(
17580 ### <a name="Rt-deduce"></a>T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)
17582 ##### Reason
17584 Writing the template argument types explicitly can be tedious and unnecessarily verbose.
17586 ##### Example
17588     tuple<int, string, double> t1 = {1, "Hamlet", 3.14};   // explicit type
17589     auto t2 = make_tuple(1, "Ophelia"s, 3.14);         // better; deduced type
17591 Note the use of the `s` suffix to ensure that the string is a `std::string`, rather than a C-style string.
17593 ##### Note
17595 Since you can trivially write a `make_T` function, so could the compiler. Thus, `make_T` functions might become redundant in the future.
17597 ##### Exception
17599 Sometimes there isn't a good way of getting the template arguments deduced and sometimes, you want to specify the arguments explicitly:
17601     vector<double> v = { 1, 2, 3, 7.9, 15.99 };
17602     list<Record*> lst;
17604 ##### Note
17606 Note that C++17 will make this rule redundant by allowing the template arguments to be deduced directly from constructor arguments:
17607 [Template parameter deduction for constructors (Rev. 3)](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0091r1.html).
17608 For example:
17610     tuple t1 = {1, "Hamlet"s, 3.14}; // deduced: tuple<int, string, double>
17612 ##### Enforcement
17614 Flag uses where an explicitly specialized type exactly matches the types of the arguments used.
17616 ### <a name="Rt-regular"></a>T.46: Require template arguments to be at least `Regular` or `SemiRegular`
17618 ##### Reason
17620  Readability.
17621  Preventing surprises and errors.
17622  Most uses support that anyway.
17624 ##### Example
17626     class X {
17627     public:
17628         explicit X(int);
17629         X(const X&);            // copy
17630         X operator=(const X&);
17631         X(X&&) noexcept;                 // move
17632         X& operator=(X&&) noexcept;
17633         ~X();
17634         // ... no more constructors ...
17635     };
17637     X x {1};    // fine
17638     X y = x;      // fine
17639     std::vector<X> v(10); // error: no default constructor
17641 ##### Note
17643 Semiregular requires default constructible.
17645 ##### Enforcement
17647 * Flag types that are not at least `SemiRegular`.
17649 ### <a name="Rt-visible"></a>T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names
17651 ##### Reason
17653  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.
17654  This is particularly annoying/dangerous when ADL is used.
17655  Common names make this problem more likely.
17657 ##### Example
17659     namespace Bad {
17660         struct S { int m; };
17661         template<typename T1, typename T2>
17662         bool operator==(T1, T2) { cout << "Bad\n"; return true; }
17663     }
17665     namespace T0 {
17666         bool operator==(int, Bad::S) { cout << "T0\n"; return true; }  // compare to int
17668         void test()
17669         {
17670             Bad::S bad{ 1 };
17671             vector<int> v(10);
17672             bool b = 1 == bad;
17673             bool b2 = v.size() == bad;
17674         }
17675     }
17677 This prints `T0` and `Bad`.
17679 Now the `==` in `Bad` was designed to cause trouble, but would you have spotted the problem in real code?
17680 The problem is that `v.size()` returns an `unsigned` integer so that a conversion is needed to call the local `==`;
17681 the `==` in `Bad` requires no conversions.
17682 Realistic types, such as the standard-library iterators can be made to exhibit similar anti-social tendencies.
17684 ##### Note
17686 If an unconstrained template is defined in the same namespace as a type,
17687 that unconstrained template can be found by ADL (as happened in the example).
17688 That is, it is highly visible.
17690 ##### Note
17692 This rule should not be necessary, but the committee cannot agree to exclude unconstrained templated from ADL.
17694 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`.
17697 ##### Enforcement
17699 Flag templates defined in a namespace where concrete types are also defined (maybe not feasible until we have concepts).
17702 ### <a name="Rt-concept-def"></a>T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`
17704 ##### Reason
17706 Because that's the best we can do without direct concept support.
17707 `enable_if` can be used to conditionally define functions and to select among a set of functions.
17709 ##### Example
17711     template<typename T>
17712     enable_if_t<is_integral_v<T>>
17713     f(T v)
17714     {
17715         // ...
17716     }
17718     // Equivalent to:
17719     template<Integral T>
17720     void f(T v)
17721     {
17722         // ...
17723     }
17725 ##### Note
17727 Beware of [complementary constraints](#Rt-not).
17728 Faking concept overloading using `enable_if` sometimes forces us to use that error-prone design technique.
17730 ##### Enforcement
17734 ### <a name="Rt-erasure"></a>T.49: Where possible, avoid type-erasure
17736 ##### Reason
17738 Type erasure incurs an extra level of indirection by hiding type information behind a separate compilation boundary.
17740 ##### Example
17742     ???
17744 **Exceptions**: Type erasure is sometimes appropriate, such as for `std::function`.
17746 ##### Enforcement
17751 ##### Note
17754 ## <a name="SS-temp-def"></a>T.def: Template definitions
17756 A template definition (class or function) can contain arbitrary code, so only a comprehensive review of C++ programming techniques would cover this topic.
17757 However, this section focuses on what is specific to template implementation.
17758 In particular, it focuses on a template definition's dependence on its context.
17760 ### <a name="Rt-depend"></a>T.60: Minimize a template's context dependencies
17762 ##### Reason
17764 Eases understanding.
17765 Minimizes errors from unexpected dependencies.
17766 Eases tool creation.
17768 ##### Example
17770     template<typename C>
17771     void sort(C& c)
17772     {
17773         std::sort(begin(c), end(c)); // necessary and useful dependency
17774     }
17776     template<typename Iter>
17777     Iter algo(Iter first, Iter last)
17778     {
17779         for (; first != last; ++first) {
17780             auto x = sqrt(*first); // potentially surprising dependency: which sqrt()?
17781             helper(first, x);      // potentially surprising dependency:
17782                                    // helper is chosen based on first and x
17783             TT var = 7;            // potentially surprising dependency: which TT?
17784         }
17785     }
17787 ##### Note
17789 Templates typically appear in header files so their context dependencies are more vulnerable to `#include` order dependencies than functions in `.cpp` files.
17791 ##### Note
17793 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.
17794 For example, algorithms usually use other algorithms and invoke operations that do not exclusively operate on arguments.
17795 And don't get us started on macros!
17797 **See also**: [T.69](#Rt-customization)
17799 ##### Enforcement
17801 ??? Tricky
17803 ### <a name="Rt-scary"></a>T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)
17805 ##### Reason
17807 A member that does not depend on a template parameter cannot be used except for a specific template argument.
17808 This limits use and typically increases code size.
17810 ##### Example, bad
17812     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
17813         // requires Regular<T> && Allocator<A>
17814     class List {
17815     public:
17816         struct Link {   // does not depend on A
17817             T elem;
17818             T* pre;
17819             T* suc;
17820         };
17822         using iterator = Link*;
17824         iterator first() const { return head; }
17826         // ...
17827     private:
17828         Link* head;
17829     };
17831     List<int> lst1;
17832     List<int, My_allocator> lst2;
17834 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.
17835 Typically, the solution is to make what would have been a nested class non-local, with its own minimal set of template parameters.
17837     template<typename T>
17838     struct Link {
17839         T elem;
17840         T* pre;
17841         T* suc;
17842     };
17844     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
17845         // requires Regular<T> && Allocator<A>
17846     class List2 {
17847     public:
17848         using iterator = Link<T>*;
17850         iterator first() const { return head; }
17852         // ...
17853     private:
17854         Link* head;
17855     };
17857     List<int> lst1;
17858     List<int, My_allocator> lst2;
17860 Some people found the idea that the `Link` no longer was hidden inside the list scary, so we named the technique
17861 [SCARY](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/WG21/docs/papers/2009/n2911.pdf). From that academic paper:
17862 "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)."
17864 ##### Enforcement
17866 * Flag member types that do not depend on every template argument
17867 * Flag member functions that do not depend on every template argument
17869 ### <a name="Rt-nondependent"></a>T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class
17871 ##### Reason
17873  Allow the base class members to be used without specifying template arguments and without template instantiation.
17875 ##### Example
17877     template<typename T>
17878     class Foo {
17879     public:
17880         enum { v1, v2 };
17881         // ...
17882     };
17886     struct Foo_base {
17887         enum { v1, v2 };
17888         // ...
17889     };
17891     template<typename T>
17892     class Foo : public Foo_base {
17893     public:
17894         // ...
17895     };
17897 ##### Note
17899 A more general version of this rule would be
17900 "If a class template member depends on only N template parameters out of M, place it in a base class with only N parameters."
17901 For N == 1, we have a choice of a base class of a class in the surrounding scope as in [T.61](#Rt-scary).
17903 ??? What about constants? class statics?
17905 ##### Enforcement
17907 * Flag ???
17909 ### <a name="Rt-specialization"></a>T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates
17911 ##### Reason
17913 A template defines a general interface.
17914 Specialization offers a powerful mechanism for providing alternative implementations of that interface.
17916 ##### Example
17918     ??? string specialization (==)
17920     ??? representation specialization ?
17922 ##### Note
17926 ##### Enforcement
17930 ### <a name="Rt-tag-dispatch"></a>T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of a function
17932 ##### Reason
17934 * A template defines a general interface.
17935 * Tag dispatch allows us to select implementations based on specific properties of an argument type.
17936 * Performance.
17938 ##### Example
17940 This is a simplified version of `std::copy` (ignoring the possibility of non-contiguous sequences)
17942     struct pod_tag {};
17943     struct non_pod_tag {};
17945     template<class T> struct copy_trait { using tag = non_pod_tag; };   // T is not "plain old data"
17947     template<> struct copy_trait<int> { using tag = pod_tag; };         // int is "plain old data"
17949     template<class Iter>
17950     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, pod_tag)
17951     {
17952         // use memmove
17953     }
17955     template<class Iter>
17956     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, non_pod_tag)
17957     {
17958         // use loop calling copy constructors
17959     }
17961     template<class Iter>
17962     Out copy(Iter first, Iter last, Iter out)
17963     {
17964         return copy_helper(first, last, out, typename copy_trait<Iter>::tag{})
17965     }
17967     void use(vector<int>& vi, vector<int>& vi2, vector<string>& vs, vector<string>& vs2)
17968     {
17969         copy(vi.begin(), vi.end(), vi2.begin()); // uses memmove
17970         copy(vs.begin(), vs.end(), vs2.begin()); // uses a loop calling copy constructors
17971     }
17973 This is a general and powerful technique for compile-time algorithm selection.
17975 ##### Note
17977 When `concept`s become widely available such alternatives can be distinguished directly:
17979     template<class Iter>
17980         requires Pod<Value_type<iter>>
17981     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
17982     {
17983         // use memmove
17984     }
17986     template<class Iter>
17987     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
17988     {
17989         // use loop calling copy constructors
17990     }
17992 ##### Enforcement
17997 ### <a name="Rt-specialization2"></a>T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types
17999 ##### Reason
18001  ???
18003 ##### Example
18005     ???
18007 ##### Enforcement
18011 ### <a name="Rt-cast"></a>T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities
18013 ##### Reason
18015  `()` is vulnerable to grammar ambiguities.
18017 ##### Example
18019     template<typename T, typename U>
18020     void f(T t, U u)
18021     {
18022         T v1(x);    // is v1 a function or a variable?
18023         T v2 {x};   // variable
18024         auto x = T(u);  // construction or cast?
18025     }
18027     f(1, "asdf"); // bad: cast from const char* to int
18029 ##### Enforcement
18031 * flag `()` initializers
18032 * flag function-style casts
18035 ### <a name="Rt-customization"></a>T.69: Inside a template, don't make an unqualified non-member function call unless you intend it to be a customization point
18037 ##### Reason
18039 * Provide only intended flexibility.
18040 * Avoid vulnerability to accidental environmental changes.
18042 ##### Example
18044 There are three major ways to let calling code customize a template.
18046     template<class T>
18047         // Call a member function
18048     void test1(T t)
18049     {
18050         t.f();    // require T to provide f()
18051     }
18053     template<class T>
18054     void test2(T t)
18055         // Call a non-member function without qualification
18056     {
18057         f(t);  // require f(/*T*/) be available in caller's scope or in T's namespace
18058     }
18060     template<class T>
18061     void test3(T t)
18062         // Invoke a "trait"
18063     {
18064         test_traits<T>::f(t); // require customizing test_traits<>
18065                               // to get non-default functions/types
18066     }
18068 A trait is usually a type alias to compute a type,
18069 a `constexpr` function to compute a value,
18070 or a traditional traits template to be specialized on the user's type.
18072 ##### Note
18074 If you intend to call your own helper function `helper(t)` with a value `t` that depends on a template type parameter,
18075 put it in a `::detail` namespace and qualify the call as `detail::helper(t);`.
18076 An unqualified call becomes a customization point where any function `helper` in the namespace of `t`'s type can be invoked;
18077 this can cause problems like [unintentionally invoking unconstrained function templates](#Rt-visible).
18080 ##### Enforcement
18082 * In a template, flag an unqualified call to a non-member function that passes a variable of dependent type when there is a non-member function of the same name in the template's namespace.
18085 ## <a name="SS-temp-hier"></a>T.temp-hier: Template and hierarchy rules:
18087 Templates are the backbone of C++'s support for generic programming and class hierarchies the backbone of its support
18088 for object-oriented programming.
18089 The two language mechanisms can be used effectively in combination, but a few design pitfalls must be avoided.
18091 ### <a name="Rt-hier"></a>T.80: Do not naively templatize a class hierarchy
18093 ##### Reason
18095 Templating a class hierarchy that has many functions, especially many virtual functions, can lead to code bloat.
18097 ##### Example, bad
18099     template<typename T>
18100     struct Container {         // an interface
18101         virtual T* get(int i);
18102         virtual T* first();
18103         virtual T* next();
18104         virtual void sort();
18105     };
18107     template<typename T>
18108     class Vector : public Container<T> {
18109     public:
18110         // ...
18111     };
18113     Vector<int> vi;
18114     Vector<string> vs;
18116 It is probably a bad 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.
18118 Given this, the compiler cannot know if `vector<int>::sort()` is called, so it must generate code for it.
18119 Similar for `vector<string>::sort()`.
18120 Unless those two functions are called that's code bloat.
18121 Imagine what this would do to a class hierarchy with dozens of member functions and dozens of derived classes with many instantiations.
18123 ##### Note
18125 In many cases you can provide a stable interface by not parameterizing a base;
18126 see ["stable base"](#Rt-abi) and [OO and GP](#Rt-generic-oo)
18128 ##### Enforcement
18130 * Flag virtual functions that depend on a template argument. ??? False positives
18132 ### <a name="Rt-array"></a>T.81: Do not mix hierarchies and arrays
18134 ##### Reason
18136 An array of derived classes can implicitly "decay" to a pointer to a base class with potential disastrous results.
18138 ##### Example
18140 Assume that `Apple` and `Pear` are two kinds of `Fruit`s.
18142     void maul(Fruit* p)
18143     {
18144         *p = Pear{};     // put a Pear into *p
18145         p[1] = Pear{};   // put a Pear into p[1]
18146     }
18148     Apple aa [] = { an_apple, another_apple };   // aa contains Apples (obviously!)
18150     maul(aa);
18151     Apple& a0 = &aa[0];   // a Pear?
18152     Apple& a1 = &aa[1];   // a Pear?
18154 Probably, `aa[0]` will be a `Pear` (without the use of a cast!).
18155 If `sizeof(Apple) != sizeof(Pear)` the access to `aa[1]` will not be aligned to the proper start of an object in the array.
18156 We have a type violation and possibly (probably) a memory corruption.
18157 Never write such code.
18159 Note that `maul()` violates the a [`T*` points to an individual object rule](#Rf-ptr).
18161 **Alternative**: Use a proper (templatized) container:
18163     void maul2(Fruit* p)
18164     {
18165         *p = Pear{};   // put a Pear into *p
18166     }
18168     vector<Apple> va = { an_apple, another_apple };   // va contains Apples (obviously!)
18170     maul2(va);       // error: cannot convert a vector<Apple> to a Fruit*
18171     maul2(&va[0]);   // you asked for it
18173     Apple& a0 = &va[0];   // a Pear?
18175 Note that the assignment in `maul2()` violated the [no-slicing rule](#Res-slice).
18177 ##### Enforcement
18179 * Detect this horror!
18181 ### <a name="Rt-linear"></a>T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable
18183 ##### Reason
18185  ???
18187 ##### Example
18189     ???
18191 ##### Enforcement
18195 ### <a name="Rt-virtual"></a>T.83: Do not declare a member function template virtual
18197 ##### Reason
18199 C++ does not support that.
18200 If it did, vtbls could not be generated until link time.
18201 And in general, implementations must deal with dynamic linking.
18203 ##### Example, don't
18205     class Shape {
18206         // ...
18207         template<class T>
18208         virtual bool intersect(T* p);   // error: template cannot be virtual
18209     };
18211 ##### Note
18213 We need a rule because people keep asking about this
18215 ##### Alternative
18217 Double dispatch, visitors, calculate which function to call
18219 ##### Enforcement
18221 The compiler handles that.
18223 ### <a name="Rt-abi"></a>T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface
18225 ##### Reason
18227 Improve stability of code.
18228 Avoid code bloat.
18230 ##### Example
18232 It could be a base class:
18234     struct Link_base {   // stable
18235         Link_base* suc;
18236         Link_base* pre;
18237     };
18239     template<typename T>   // templated wrapper to add type safety
18240     struct Link : Link_base {
18241         T val;
18242     };
18244     struct List_base {
18245         Link_base* first;   // first element (if any)
18246         int sz;             // number of elements
18247         void add_front(Link_base* p);
18248         // ...
18249     };
18251     template<typename T>
18252     class List : List_base {
18253     public:
18254         void put_front(const T& e) { add_front(new Link<T>{e}); }   // implicit cast to Link_base
18255         T& front() { static_cast<Link<T>*>(first).val; }   // explicit cast back to Link<T>
18256         // ...
18257     };
18259     List<int> li;
18260     List<string> ls;
18262 Now there is only one copy of the operations linking and unlinking elements of a `List`.
18263 The `Link` and `List` classes do nothing but type manipulation.
18265 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.
18267 **Alternative**: Use a [Pimpl](#Ri-pimpl) implementation.
18269 ##### Enforcement
18273 ## <a name="SS-variadic"></a>T.var: Variadic template rules
18277 ### <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
18279 ##### Reason
18281 Variadic templates is the most general mechanism for that, and is both efficient and type-safe. Don't use C varargs.
18283 ##### Example
18285     ??? printf
18287 ##### Enforcement
18289 * Flag uses of `va_arg` in user code.
18291 ### <a name="Rt-variadic-pass"></a>T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???
18293 ##### Reason
18295  ???
18297 ##### Example
18299     ??? beware of move-only and reference arguments
18301 ##### Enforcement
18305 ### <a name="Rt-variadic-process"></a>T.102: How to process arguments to a variadic template
18307 ##### Reason
18309  ???
18311 ##### Example
18313     ??? forwarding, type checking, references
18315 ##### Enforcement
18319 ### <a name="Rt-variadic-not"></a>T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists
18321 ##### Reason
18323 There are more precise ways of specifying a homogeneous sequence, such as an `initializer_list`.
18325 ##### Example
18327     ???
18329 ##### Enforcement
18333 ## <a name="SS-meta"></a>T.meta: Template metaprogramming (TMP)
18335 Templates provide a general mechanism for compile-time programming.
18337 Metaprogramming is programming where at least one input or one result is a type.
18338 Templates offer Turing-complete (modulo memory capacity) duck typing at compile time.
18339 The syntax and techniques needed are pretty horrendous.
18341 ### <a name="Rt-metameta"></a>T.120: Use template metaprogramming only when you really need to
18343 ##### Reason
18345 Template metaprogramming is hard to get right, slows down compilation, and is often very hard to maintain.
18346 However, there are real-world examples where template metaprogramming provides better performance than any alternative short of expert-level assembly code.
18347 Also, there are real-world examples where template metaprogramming expresses the fundamental ideas better than run-time code.
18348 For example, if you really need AST manipulation at compile time (e.g., for optional matrix operation folding) there might be no other way in C++.
18350 ##### Example, bad
18352     ???
18354 ##### Example, bad
18356     enable_if
18358 Instead, use concepts. But see [How to emulate concepts if you don't have language support](#Rt-emulate).
18360 ##### Example
18362     ??? good
18364 **Alternative**: If the result is a value, rather than a type, use a [`constexpr` function](#Rt-fct).
18366 ##### Note
18368 If you feel the need to hide your template metaprogramming in macros, you have probably gone too far.
18370 ### <a name="Rt-emulate"></a>T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts
18372 ##### Reason
18374 Until concepts become generally available, we need to emulate them using TMP.
18375 Use cases that require concepts (e.g. overloading based on concepts) are among the most common (and simple) uses of TMP.
18377 ##### Example
18379     template<typename Iter>
18380         /*requires*/ enable_if<random_access_iterator<Iter>, void>
18381     advance(Iter p, int n) { p += n; }
18383     template<typename Iter>
18384         /*requires*/ enable_if<forward_iterator<Iter>, void>
18385     advance(Iter p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18387 ##### Note
18389 Such code is much simpler using concepts:
18391     void advance(RandomAccessIterator p, int n) { p += n; }
18393     void advance(ForwardIterator p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18395 ##### Enforcement
18399 ### <a name="Rt-tmp"></a>T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time
18401 ##### Reason
18403 Template metaprogramming is the only directly supported and half-way principled way of generating types at compile time.
18405 ##### Note
18407 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18409 ##### Example
18411     ??? big object / small object optimization
18413 ##### Enforcement
18417 ### <a name="Rt-fct"></a>T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time
18419 ##### Reason
18421 A function is the most obvious and conventional way of expressing the computation of a value.
18422 Often a `constexpr` function implies less compile-time overhead than alternatives.
18424 ##### Note
18426 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18428 ##### Example
18430     template<typename T>
18431         // requires Number<T>
18432     constexpr T pow(T v, int n)   // power/exponential
18433     {
18434         T res = 1;
18435         while (n--) res *= v;
18436         return res;
18437     }
18439     constexpr auto f7 = pow(pi, 7);
18441 ##### Enforcement
18443 * Flag template metaprograms yielding a value. These should be replaced with `constexpr` functions.
18445 ### <a name="Rt-std-tmp"></a>T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities
18447 ##### Reason
18449 Facilities defined in the standard, such as `conditional`, `enable_if`, and `tuple`, are portable and can be assumed to be known.
18451 ##### Example
18453     ???
18455 ##### Enforcement
18459 ### <a name="Rt-lib"></a>T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library
18461 ##### Reason
18463 Getting advanced TMP facilities is not easy and using a library makes you part of a (hopefully supportive) community.
18464 Write your own "advanced TMP support" only if you really have to.
18466 ##### Example
18468     ???
18470 ##### Enforcement
18474 ## <a name="SS-temp-other"></a>Other template rules
18476 ### <a name="Rt-name"></a>T.140: Name all operations with potential for reuse
18478 ##### Reason
18480 Documentation, readability, opportunity for reuse.
18482 ##### Example
18484     struct Rec {
18485         string name;
18486         string addr;
18487         int id;         // unique identifier
18488     };
18490     bool same(const Rec& a, const Rec& b)
18491     {
18492         return a.id == b.id;
18493     }
18495     vector<Rec*> find_id(const string& name);    // find all records for "name"
18497     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18498         [&](Rec& r) {
18499             if (r.name.size() != n.size()) return false; // name to compare to is in n
18500             for (int i = 0; i < r.name.size(); ++i)
18501                 if (tolower(r.name[i]) != tolower(n[i])) return false;
18502             return true;
18503         }
18504     );
18506 There is a useful function lurking here (case insensitive string comparison), as there often is when lambda arguments get large.
18508     bool compare_insensitive(const string& a, const string& b)
18509     {
18510         if (a.size() != b.size()) return false;
18511         for (int i = 0; i < a.size(); ++i) if (tolower(a[i]) != tolower(b[i])) return false;
18512         return true;
18513     }
18515     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18516         [&](Rec& r) { compare_insensitive(r.name, n); }
18517     );
18519 Or maybe (if you prefer to avoid the implicit name binding to n):
18521     auto cmp_to_n = [&n](const string& a) { return compare_insensitive(a, n); };
18523     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18524         [](const Rec& r) { return cmp_to_n(r.name); }
18525     );
18527 ##### Note
18529 whether functions, lambdas, or operators.
18531 ##### Exception
18533 * Lambdas logically used only locally, such as an argument to `for_each` and similar control flow algorithms.
18534 * Lambdas as [initializers](#???)
18536 ##### Enforcement
18538 * (hard) flag similar lambdas
18539 * ???
18541 ### <a name="Rt-lambda"></a>T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only
18543 ##### Reason
18545 That makes the code concise and gives better locality than alternatives.
18547 ##### Example
18549     auto earlyUsersEnd = std::remove_if(users.begin(), users.end(),
18550                                         [](const User &a) { return a.id > 100; });
18553 ##### Exception
18555 Naming a lambda can be useful for clarity even if it is used only once.
18557 ##### Enforcement
18559 * Look for identical and near identical lambdas (to be replaced with named functions or named lambdas).
18561 ### <a name="Rt-var"></a>T.142?: Use template variables to simplify notation
18563 ##### Reason
18565 Improved readability.
18567 ##### Example
18569     ???
18571 ##### Enforcement
18575 ### <a name="Rt-non-generic"></a>T.143: Don't write unintentionally non-generic code
18577 ##### Reason
18579 Generality. Reusability. Don't gratuitously commit to details; use the most general facilities available.
18581 ##### Example
18583 Use `!=` instead of `<` to compare iterators; `!=` works for more objects because it doesn't rely on ordering.
18585     for (auto i = first; i < last; ++i) {   // less generic
18586         // ...
18587     }
18589     for (auto i = first; i != last; ++i) {   // good; more generic
18590         // ...
18591     }
18593 Of course, range-`for` is better still where it does what you want.
18595 ##### Example
18597 Use the least-derived class that has the functionality you need.
18599     class Base {
18600     public:
18601         Bar f();
18602         Bar g();
18603     };
18605     class Derived1 : public Base {
18606     public:
18607         Bar h();
18608     };
18610     class Derived2 : public Base {
18611     public:
18612         Bar j();
18613     };
18615     // bad, unless there is a specific reason for limiting to Derived1 objects only
18616     void my_func(Derived1& param)
18617     {
18618         use(param.f());
18619         use(param.g());
18620     }
18622     // good, uses only Base interface so only commit to that
18623     void my_func(Base& param)
18624     {
18625         use(param.f());
18626         use(param.g());
18627     }
18629 ##### Enforcement
18631 * Flag comparison of iterators using `<` instead of `!=`.
18632 * 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.
18633 * Flag functions that take a pointer or reference to a more-derived type but only use functions declared in a base type.
18635 ### <a name="Rt-specialize-function"></a>T.144: Don't specialize function templates
18637 ##### Reason
18639 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.
18641 ##### Example
18643     ???
18645 **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).
18647 ##### Enforcement
18649 * Flag all specializations of a function template. Overload instead.
18652 ### <a name="Rt-check-class"></a>T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`
18654 ##### Reason
18656 If you intend for a class to match a concept, verifying that early saves users pain.
18658 ##### Example
18660     class X {
18661     public:
18662         X() = delete;
18663         X(const X&) = default;
18664         X(X&&) = default;
18665         X& operator=(const X&) = default;
18666         // ...
18667     };
18669 Somewhere, possibly in an implementation file, let the compiler check the desired properties of `X`:
18671     static_assert(Default_constructible<X>);    // error: X has no default constructor
18672     static_assert(Copyable<X>);                 // error: we forgot to define X's move constructor
18675 ##### Enforcement
18677 Not feasible.
18679 # <a name="S-cpl"></a>CPL: C-style programming
18681 C and C++ are closely related languages.
18682 They both originate in "Classic C" from 1978 and have evolved in ISO committees since then.
18683 Many attempts have been made to keep them compatible, but neither is a subset of the other.
18685 C rule summary:
18687 * [CPL.1: Prefer C++ to C](#Rcpl-C)
18688 * [CPL.2: If you must use C, use the common subset of C and C++, and compile the C code as C++](#Rcpl-subset)
18689 * [CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces](#Rcpl-interface)
18691 ### <a name="Rcpl-C"></a>CPL.1: Prefer C++ to C
18693 ##### Reason
18695 C++ provides better type checking and more notational support.
18696 It provides better support for high-level programming and often generates faster code.
18698 ##### Example
18700     char ch = 7;
18701     void* pv = &ch;
18702     int* pi = pv;   // not C++
18703     *pi = 999;      // overwrite sizeof(int) bytes near &ch
18705 The rules for implicit casting to and from `void*` in C are subtle and unenforced.
18706 In particular, this example violates a rule against converting to a type with stricter alignment.
18708 ##### Enforcement
18710 Use a C++ compiler.
18712 ### <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++
18714 ##### Reason
18716 That subset can be compiled with both C and C++ compilers, and when compiled as C++ is better type checked than "pure C."
18718 ##### Example
18720     int* p1 = malloc(10 * sizeof(int));                      // not C++
18721     int* p2 = static_cast<int*>(malloc(10 * sizeof(int)));   // not C, C-style C++
18722     int* p3 = new int[10];                                   // not C
18723     int* p4 = (int*) malloc(10 * sizeof(int));               // both C and C++
18725 ##### Enforcement
18727 * Flag if using a build mode that compiles code as C.
18729   * The C++ compiler will enforce that the code is valid C++ unless you use C extension options.
18731 ### <a name="Rcpl-interface"></a>CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces
18733 ##### Reason
18735 C++ is more expressive than C and offers better support for many types of programming.
18737 ##### Example
18739 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.
18740 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.
18742 ##### Example
18744 You can call C from C++:
18746     // in C:
18747     double sqrt(double);
18749     // in C++:
18750     extern "C" double sqrt(double);
18752     sqrt(2);
18754 ##### Example
18756 You can call C++ from C:
18758     // in C:
18759     X call_f(struct Y*, int);
18761     // in C++:
18762     extern "C" X call_f(Y* p, int i)
18763     {
18764         return p->f(i);   // possibly a virtual function call
18765     }
18767 ##### Enforcement
18769 None needed
18771 # <a name="S-source"></a>SF: Source files
18773 Distinguish between declarations (used as interfaces) and definitions (used as implementations).
18774 Use header files to represent interfaces and to emphasize logical structure.
18776 Source file rule summary:
18778 * [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)
18779 * [SF.2: A `.h` file must not contain object definitions or non-inline function definitions](#Rs-inline)
18780 * [SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files](#Rs-declaration-header)
18781 * [SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file](#Rs-include-order)
18782 * [SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface](#Rs-consistency)
18783 * [SF.6: Use `using namespace` directives for transition, for foundation libraries (such as `std`), or within a local scope (only)](#Rs-using)
18784 * [SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file](#Rs-using-directive)
18785 * [SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files](#Rs-guards)
18786 * [SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files](#Rs-cycles)
18787 * [SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names](#Rs-implicit)
18788 * [SF.11: Header files should be self-contained](#Rs-contained)
18789 * [SF.12: Prefer the quoted form of `#include` for files relative to the including file and the angle bracket form everywhere else](#Rs-incform)
18791 * [SF.20: Use `namespace`s to express logical structure](#Rs-namespace)
18792 * [SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header](#Rs-unnamed)
18793 * [SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/non-exported entities](#Rs-unnamed2)
18795 ### <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
18797 ##### Reason
18799 It's a longstanding convention.
18800 But consistency is more important, so if your project uses something else, follow that.
18802 ##### Note
18804 This convention reflects a common use pattern:
18805 Headers are more often shared with C to compile as both C++ and C, which typically uses `.h`,
18806 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.
18807 On the other hand, implementation files are rarely shared with C and so should typically be distinguished from `.c` files,
18808 so it's normally best to name all C++ implementation files something else (such as `.cpp`).
18810 The specific names `.h` and `.cpp` are not required (just recommended as a default) and other names are in widespread use.
18811 Examples are `.hh`, `.C`, and `.cxx`. Use such names equivalently.
18812 In this document, we refer to `.h` and `.cpp` as a shorthand for header and implementation files,
18813 even though the actual extension might be different.
18815 Your IDE (if you use one) might have strong opinions about suffixes.
18817 ##### Example
18819     // foo.h:
18820     extern int a;   // a declaration
18821     extern void foo();
18823     // foo.cpp:
18824     int a;   // a definition
18825     void foo() { ++a; }
18827 `foo.h` provides the interface to `foo.cpp`. Global variables are best avoided.
18829 ##### Example, bad
18831     // foo.h:
18832     int a;   // a definition
18833     void foo() { ++a; }
18835 `#include <foo.h>` twice in a program and you get a linker error for two one-definition-rule violations.
18837 ##### Enforcement
18839 * Flag non-conventional file names.
18840 * Check that `.h` and `.cpp` (and equivalents) follow the rules below.
18842 ### <a name="Rs-inline"></a>SF.2: A `.h` file must not contain object definitions or non-inline function definitions
18844 ##### Reason
18846 Including entities subject to the one-definition rule leads to linkage errors.
18848 ##### Example
18850     // file.h:
18851     namespace Foo {
18852         int x = 7;
18853         int xx() { return x+x; }
18854     }
18856     // file1.cpp:
18857     #include <file.h>
18858     // ... more ...
18860      // file2.cpp:
18861     #include <file.h>
18862     // ... more ...
18864 Linking `file1.cpp` and `file2.cpp` will give two linker errors.
18866 **Alternative formulation**: A `.h` file must contain only:
18868 * `#include`s of other `.h` files (possibly with include guards)
18869 * templates
18870 * class definitions
18871 * function declarations
18872 * `extern` declarations
18873 * `inline` function definitions
18874 * `constexpr` definitions
18875 * `const` definitions
18876 * `using` alias definitions
18877 * ???
18879 ##### Enforcement
18881 Check the positive list above.
18883 ### <a name="Rs-declaration-header"></a>SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files
18885 ##### Reason
18887 Maintainability. Readability.
18889 ##### Example, bad
18891     // bar.cpp:
18892     void bar() { cout << "bar\n"; }
18894     // foo.cpp:
18895     extern void bar();
18896     void foo() { bar(); }
18898 A maintainer of `bar` cannot find all declarations of `bar` if its type needs changing.
18899 The user of `bar` cannot know if the interface used is complete and correct. At best, error messages come (late) from the linker.
18901 ##### Enforcement
18903 * Flag declarations of entities in other source files not placed in a `.h`.
18905 ### <a name="Rs-include-order"></a>SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file
18907 ##### Reason
18909 Minimize context dependencies and increase readability.
18911 ##### Example
18913     #include <vector>
18914     #include <algorithm>
18915     #include <string>
18917     // ... my code here ...
18919 ##### Example, bad
18921     #include <vector>
18923     // ... my code here ...
18925     #include <algorithm>
18926     #include <string>
18928 ##### Note
18930 This applies to both `.h` and `.cpp` files.
18932 ##### Note
18934 There is an argument for insulating code from declarations and macros in header files by `#including` headers *after* the code we want to protect
18935 (as in the example labeled "bad").
18936 However
18938 * that only works for one file (at one level): Use that technique in a header included with other headers and the vulnerability reappears.
18939 * a namespace (an "implementation namespace") can protect against many context dependencies.
18940 * full protection and flexibility require modules.
18942 **See also**:
18944 * [Working Draft, Extensions to C++ for Modules](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4592.pdf)
18945 * [Modules, Componentization, and Transition](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0141r0.pdf)
18947 ##### Enforcement
18949 Easy.
18951 ### <a name="Rs-consistency"></a>SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface
18953 ##### Reason
18955 This enables the compiler to do an early consistency check.
18957 ##### Example, bad
18959     // foo.h:
18960     void foo(int);
18961     int bar(long);
18962     int foobar(int);
18964     // foo.cpp:
18965     void foo(int) { /* ... */ }
18966     int bar(double) { /* ... */ }
18967     double foobar(int);
18969 The errors will not be caught until link time for a program calling `bar` or `foobar`.
18971 ##### Example
18973     // foo.h:
18974     void foo(int);
18975     int bar(long);
18976     int foobar(int);
18978     // foo.cpp:
18979     #include <foo.h>
18981     void foo(int) { /* ... */ }
18982     int bar(double) { /* ... */ }
18983     double foobar(int);   // error: wrong return type
18985 The return-type error for `foobar` is now caught immediately when `foo.cpp` is compiled.
18986 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.
18988 ##### Enforcement
18992 ### <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)
18994 ##### Reason
18996  `using namespace` can lead to name clashes, so it should be used sparingly.
18997  However, it is not always possible to qualify every name from a namespace in user code (e.g., during transition)
18998  and sometimes a namespace is so fundamental and prevalent in a code base, that consistent qualification would be verbose and distracting.
19000 ##### Example
19002     #include <string>
19003     #include <vector>
19004     #include <iostream>
19005     #include <memory>
19006     #include <algorithm>
19008     using namespace std;
19010     // ...
19012 Here (obviously), the standard library is used pervasively and apparently no other library is used, so requiring `std::` everywhere
19013 could be distracting.
19015 ##### Example
19017 The use of `using namespace std;` leaves the programmer open to a name clash with a name from the standard library
19019     #include <cmath>
19020     using namespace std;
19022     int g(int x)
19023     {
19024         int sqrt = 7;
19025         // ...
19026         return sqrt(x); // error
19027     }
19029 However, this is not particularly likely to lead to a resolution that is not an error and
19030 people who use `using namespace std` are supposed to know about `std` and about this risk.
19032 ##### Note
19034 A `.cpp` file is a form of local scope.
19035 There is little difference in the opportunities for name clashes in an N-line `.cpp` containing a `using namespace X`,
19036 an N-line function containing a `using namespace X`,
19037 and M functions each containing a `using namespace X`with N lines of code in total.
19039 ##### Note
19041 [Don't write `using namespace` in a header file](#Rs-using-directive).
19043 ##### Enforcement
19045 Flag multiple `using namespace` directives for different namespaces in a single source file.
19047 ### <a name="Rs-using-directive"></a>SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file
19049 ##### Reason
19051 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 might have different meaning when included in different orders.
19053 ##### Example
19055     // bad.h
19056     #include <iostream>
19057     using namespace std; // bad
19059     // user.cpp
19060     #include "bad.h"
19062     bool copy(/*... some parameters ...*/);    // some function that happens to be named copy
19064     int main()
19065     {
19066         copy(/*...*/);    // now overloads local ::copy and std::copy, could be ambiguous
19067     }
19069 ##### Note
19071 An exception is `using namespace std::literals;`. This is necessary to use string literals
19072 in header files and given [the rules](http://eel.is/c++draft/over.literal) - users are required
19073 to name their own UDLs `operator""_x` - they will not collide with the standard library.
19075 ##### Enforcement
19077 Flag `using namespace` at global scope in a header file.
19079 ### <a name="Rs-guards"></a>SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files
19081 ##### Reason
19083 To avoid files being `#include`d several times.
19085 In order to avoid include guard collisions, do not just name the guard after the filename.
19086 Be sure to also include a key and good differentiator, such as the name of library or component
19087 the header file is part of.
19089 ##### Example
19091     // file foobar.h:
19092     #ifndef LIBRARY_FOOBAR_H
19093     #define LIBRARY_FOOBAR_H
19094     // ... declarations ...
19095     #endif // LIBRARY_FOOBAR_H
19097 ##### Enforcement
19099 Flag `.h` files without `#include` guards.
19101 ##### Note
19103 Some implementations offer vendor extensions like `#pragma once` as alternative to include guards.
19104 It is not standard and it is not portable.  It injects the hosting machine's filesystem semantics
19105 into your program, in addition to locking you down to a vendor.
19106 Our recommendation is to write in ISO C++: See [rule P.2](#Rp-Cplusplus).
19108 ### <a name="Rs-cycles"></a>SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files
19110 ##### Reason
19112 Cycles complicate comprehension and slow down compilation. They also
19113 complicate conversion to use language-supported modules (when they become
19114 available).
19116 ##### Note
19118 Eliminate cycles; don't just break them with `#include` guards.
19120 ##### Example, bad
19122     // file1.h:
19123     #include "file2.h"
19125     // file2.h:
19126     #include "file3.h"
19128     // file3.h:
19129     #include "file1.h"
19131 ##### Enforcement
19133 Flag all cycles.
19136 ### <a name="Rs-implicit"></a>SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names
19138 ##### Reason
19140 Avoid surprises.
19141 Avoid having to change `#include`s if an `#include`d header changes.
19142 Avoid accidentally becoming dependent on implementation details and logically separate entities included in a header.
19144 ##### Example, bad
19146     #include <iostream>
19147     using namespace std;
19149     void use()
19150     {
19151         string s;
19152         cin >> s;               // fine
19153         getline(cin, s);        // error: getline() not defined
19154         if (s == "surprise") {  // error == not defined
19155             // ...
19156         }
19157     }
19159 `<iostream>` exposes the definition of `std::string` ("why?" makes for a fun trivia question),
19160 but it is not required to do so by transitively including the entire `<string>` header,
19161 resulting in the popular beginner question "why doesn't `getline(cin,s);` work?"
19162 or even an occasional "`string`s cannot be compared with `==`).
19164 The solution is to explicitly `#include <string>`:
19166 ##### Example, good
19168     #include <iostream>
19169     #include <string>
19170     using namespace std;
19172     void use()
19173     {
19174         string s;
19175         cin >> s;               // fine
19176         getline(cin, s);        // fine
19177         if (s == "surprise") {  // fine
19178             // ...
19179         }
19180     }
19182 ##### Note
19184 Some headers exist exactly to collect a set of consistent declarations from a variety of headers.
19185 For example:
19187     // basic_std_lib.h:
19189     #include <string>
19190     #include <map>
19191     #include <iostream>
19192     #include <random>
19193     #include <vector>
19195 a user can now get that set of declarations with a single `#include`"
19197     #include "basic_std_lib.h"
19199 This rule against implicit inclusion is not meant to prevent such deliberate aggregation.
19201 ##### Enforcement
19203 Enforcement would require some knowledge about what in a header is meant to be "exported" to users and what is there to enable implementation.
19204 No really good solution is possible until we have modules.
19206 ### <a name="Rs-contained"></a>SF.11: Header files should be self-contained
19208 ##### Reason
19210 Usability, headers should be simple to use and work when included on their own.
19211 Headers should encapsulate the functionality they provide.
19212 Avoid clients of a header having to manage that header's dependencies.
19214 ##### Example
19216     #include "helpers.h"
19217     // helpers.h depends on std::string and includes <string>
19219 ##### Note
19221 Failing to follow this results in difficult to diagnose errors for clients of a header.
19223 ##### Note
19225 A header should include all its dependencies. Be careful about using relative paths because C++ implementations diverge on their meaning.
19227 ##### Enforcement
19229 A test should verify that the header file itself compiles or that a cpp file which only includes the header file compiles.
19231 ### <a name="Rs-incform"></a>SF.12: Prefer the quoted form of `#include` for files relative to the including file and the angle bracket form everywhere else
19233 ##### Reason
19235 The [standard](http://eel.is/c++draft/cpp.include) provides flexibility for compilers to implement
19236 the two forms of `#include` selected using the angle (`<>`) or quoted (`""`) syntax. Vendors take
19237 advantage of this and use different search algorithms and methods for specifying the include path.
19239 Nevertheless, the guidance is to use the quoted form for including files that exist at a relative path to the file containing the `#include` statement (from within the same component or project) and to use the angle bracket form everywhere else, where possible. This encourages being clear about the locality of the file relative to files that include it, or scenarios where the different search algorithm is required. It makes it easy to understand at a glance whether a header is being included from a local relative file versus a standard library header or a header from the alternate search path (e.g. a header from another library or a common set of includes).
19241 ##### Example
19243     // foo.cpp:
19244     #include <string>                // From the standard library, requires the <> form
19245     #include <some_library/common.h> // A file that is not locally relative, included from another library; use the <> form
19246     #include "foo.h"                 // A file locally relative to foo.cpp in the same project, use the "" form
19247     #include "foo_utils/utils.h"     // A file locally relative to foo.cpp in the same project, use the "" form
19248     #include <component_b/bar.h>     // A file in the same project located via a search path, use the <> form
19250 ##### Note
19252 Failing to follow this results in difficult to diagnose errors due to picking up the wrong file by incorrectly specifying the scope when it is included. For example, in a typical case where the `#include ""` search algorithm might search for a file existing at a local relative path first, then using this form to refer to a file that is not locally relative could mean that if a file ever comes into existence at the local relative path (e.g. the including file is moved to a new location), it will now be found ahead of the previous include file and the set of includes will have been changed in an unexpected way.
19254 Library creators should put their headers in a folder and have clients include those files using the relative path `#include <some_library/common.h>`
19256 ##### Enforcement
19258 A test should identify headers referenced via `""` could be referenced with `<>`.
19260 ### <a name="Rs-namespace"></a>SF.20: Use `namespace`s to express logical structure
19262 ##### Reason
19264  ???
19266 ##### Example
19268     ???
19270 ##### Enforcement
19274 ### <a name="Rs-unnamed"></a>SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header
19276 ##### Reason
19278 It is almost always a bug to mention an unnamed namespace in a header file.
19280 ##### Example
19282     ???
19284 ##### Enforcement
19286 * Flag any use of an anonymous namespace in a header file.
19288 ### <a name="Rs-unnamed2"></a>SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/non-exported entities
19290 ##### Reason
19292 Nothing external can depend on an entity in a nested unnamed namespace.
19293 Consider putting every definition in an implementation source file in an unnamed namespace unless that is defining an "external/exported" entity.
19295 ##### Example
19297 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.
19299     ???
19301 ##### Enforcement
19303 * ???
19305 # <a name="S-stdlib"></a>SL: The Standard Library
19307 Using only the bare language, every task is tedious (in any language).
19308 Using a suitable library any task can be reasonably simple.
19310 The standard library has steadily grown over the years.
19311 Its description in the standard is now larger than that of the language features.
19312 So, it is likely that this library section of the guidelines will eventually grow in size to equal or exceed all the rest.
19314 << ??? We need another level of rule numbering ??? >>
19316 C++ Standard Library component summary:
19318 * [SL.con: Containers](#SS-con)
19319 * [SL.str: String](#SS-string)
19320 * [SL.io: Iostream](#SS-io)
19321 * [SL.regex: Regex](#SS-regex)
19322 * [SL.chrono: Time](#SS-chrono)
19323 * [SL.C: The C Standard Library](#SS-clib)
19325 Standard-library rule summary:
19327 * [SL.1: Use libraries wherever possible](#Rsl-lib)
19328 * [SL.2: Prefer the standard library to other libraries](#Rsl-sl)
19329 * [SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`](#sl-std)
19330 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19331 * ???
19333 ### <a name="Rsl-lib"></a>SL.1:  Use libraries wherever possible
19335 ##### Reason
19337 Save time. Don't re-invent the wheel.
19338 Don't replicate the work of others.
19339 Benefit from other people's work when they make improvements.
19340 Help other people when you make improvements.
19342 ### <a name="Rsl-sl"></a>SL.2: Prefer the standard library to other libraries
19344 ##### Reason
19346 More people know the standard library.
19347 It is more likely to be stable, well-maintained, and widely available than your own code or most other libraries.
19350 ### <a name="sl-std"></a>SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`
19352 ##### Reason
19354 Adding to `std` might change the meaning of otherwise standards conforming code.
19355 Additions to `std` might clash with future versions of the standard.
19357 ##### Example
19359     ???
19361 ##### Enforcement
19363 Possible, but messy and likely to cause problems with platforms.
19365 ### <a name="sl-safe"></a>SL.4: Use the standard library in a type-safe manner
19367 ##### Reason
19369 Because, obviously, breaking this rule can lead to undefined behavior, memory corruption, and all kinds of other bad errors.
19371 ##### Note
19373 This is a semi-philosophical meta-rule, which needs many supporting concrete rules.
19374 We need it as an umbrella for the more specific rules.
19376 Summary of more specific rules:
19378 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19381 ## <a name="SS-con"></a>SL.con: Containers
19385 Container rule summary:
19387 * [SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array](#Rsl-arrays)
19388 * [SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container](#Rsl-vector)
19389 * [SL.con.3: Avoid bounds errors](#Rsl-bounds)
19390 * [SL.con.4: don't use `memset` or `memcpy` for arguments that are not trivially-copyable](#Rsl-copy)
19392 ### <a name="Rsl-arrays"></a>SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array
19394 ##### Reason
19396 C arrays are less safe, and have no advantages over `array` and `vector`.
19397 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.
19398 Also, like a built-in array, a stack-allocated `std::array` keeps its elements on the stack.
19399 For a variable-length array, use `std::vector`, which additionally can change its size and handles memory allocation.
19401 ##### Example
19403     int v[SIZE];                        // BAD
19405     std::array<int, SIZE> w;             // ok
19407 ##### Example
19409     int* v = new int[initial_size];     // BAD, owning raw pointer
19410     delete[] v;                         // BAD, manual delete
19412     std::vector<int> w(initial_size);   // ok
19414 ##### Note
19416 Use `gsl::span` for non-owning references into a container.
19418 ##### Note
19420 Comparing the performance of a fixed-sized array allocated on the stack against a `vector` with its elements on the free store is bogus.
19421 You could just as well compare a `std::array` on the stack against the result of a `malloc()` accessed through a pointer.
19422 For most code, even the difference between stack allocation and free-store allocation doesn't matter, but the convenience and safety of `vector` does.
19423 People working with code for which that difference matters are quite capable of choosing between `array` and `vector`.
19425 ##### Enforcement
19427 * 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`.
19429 ### <a name="Rsl-vector"></a>SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container
19431 ##### Reason
19433 `vector` and `array` are the only standard containers that offer the following advantages:
19435 * the fastest general-purpose access (random access, including being vectorization-friendly);
19436 * the fastest default access pattern (begin-to-end or end-to-begin is prefetcher-friendly);
19437 * the lowest space overhead (contiguous layout has zero per-element overhead, which is cache-friendly).
19439 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`.
19441 Even when other containers seem more suited, such as `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.
19443 ##### Note
19445 `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.
19447 ##### Exceptions
19449 If you have a good reason to use another container, use that instead. For example:
19451 * If `vector` suits your needs but you don't need the container to be variable size, use `array` instead.
19453 * 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.
19455 ##### Note
19457 To initialize a vector with a number of elements, use `()`-initialization.
19458 To initialize a vector with a list of elements, use `{}`-initialization.
19460     vector<int> v1(20);  // v1 has 20 elements with the value 0 (vector<int>{})
19461     vector<int> v2 {20}; // v2 has 1 element with the value 20
19463 [Prefer the {}-initializer syntax](#Res-list).
19465 ##### Enforcement
19467 * 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.
19469 ### <a name="Rsl-bounds"></a>SL.con.3: Avoid bounds errors
19471 ##### Reason
19473 Read or write beyond an allocated range of elements typically leads to bad errors, wrong results, crashes, and security violations.
19475 ##### Note
19477 The standard-library functions that apply to ranges of elements all have (or could have) bounds-safe overloads that take `span`.
19478 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()`.
19480 Ideally, the in-bounds guarantee should be statically enforced.
19481 For example:
19483 * a range-`for` cannot loop beyond the range of the container to which it is applied
19484 * a `v.begin(),v.end()` is easily determined to be bounds safe
19486 Such loops are as fast as any unchecked/unsafe equivalent.
19488 Often a simple pre-check can eliminate the need for checking of individual indices.
19489 For example
19491 * for `v.begin(),v.begin()+i` the `i` can easily be checked against `v.size()`
19493 Such loops can be much faster than individually checked element accesses.
19495 ##### Example, bad
19497     void f()
19498     {
19499         array<int, 10> a, b;
19500         memset(a.data(), 0, 10);         // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19501         memcmp(a.data(), b.data(), 10);  // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19502     }
19504 Also, `std::array<>::fill()` or `std::fill()` or even an empty initializer are better candidate than `memset()`.
19506 ##### Example, good
19508     void f()
19509     {
19510         array<int, 10> a, b, c{};       // c is initialized to zero
19511         a.fill(0);
19512         fill(b.begin(), b.end(), 0);    // std::fill()
19513         fill(b, 0);                     // std::fill() + Ranges TS
19515         if ( a == b ) {
19516           // ...
19517         }
19518     }
19520 ##### Example
19522 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.
19524     void f(std::vector<int>& v, std::array<int, 12> a, int i)
19525     {
19526         v[0] = a[0];        // BAD
19527         v.at(0) = a[0];     // OK (alternative 1)
19528         at(v, 0) = a[0];    // OK (alternative 2)
19530         v.at(0) = a[i];     // BAD
19531         v.at(0) = a.at(i);  // OK (alternative 1)
19532         v.at(0) = at(a, i); // OK (alternative 2)
19533     }
19535 ##### Enforcement
19537 * Issue a diagnostic for any call to a standard-library function that is not bounds-checked.
19538 ??? insert link to a list of banned functions
19540 This rule is part of the [bounds profile](#SS-bounds).
19543 ### <a name="Rsl-copy"></a>SL.con.4: don't use `memset` or `memcpy` for arguments that are not trivially-copyable
19545 ##### Reason
19547 Doing so messes the semantics of the objects (e.g., by overwriting a `vptr`).
19549 ##### Note
19551 Similarly for (w)memset, (w)memcpy, (w)memmove, and (w)memcmp
19553 ##### Example
19555     struct base {
19556         virtual void update() = 0;
19557     };
19559     struct derived : public base {
19560         void update() override {}
19561     };
19564     void f(derived& a, derived& b) // goodbye v-tables
19565     {
19566         memset(&a, 0, sizeof(derived));
19567         memcpy(&a, &b, sizeof(derived));
19568         memcmp(&a, &b, sizeof(derived));
19569     }
19571 Instead, define proper default initialization, copy, and comparison functions
19573     void g(derived& a, derived& b)
19574     {
19575         a = {};    // default initialize
19576         b = a;     // copy
19577         if (a == b) do_something(a, b);
19578     }
19580 ##### Enforcement
19582 * Flag the use of those functions for types that are not trivially copyable
19584 **TODO Notes**:
19586 * Impact on the standard library will require close coordination with WG21, if only to ensure compatibility even if never standardized.
19587 * We are considering specifying bounds-safe overloads for stdlib (especially C stdlib) functions like `memcmp` and shipping them in the GSL.
19588 * 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).
19592 ## <a name="SS-string"></a>SL.str: String
19594 Text manipulation is a huge topic.
19595 `std::string` doesn't cover all of it.
19596 This section primarily tries to clarify `std::string`'s relation to `char*`, `zstring`, `string_view`, and `gsl::span<char>`.
19597 The important issue of non-ASCII character sets and encodings (e.g., `wchar_t`, Unicode, and UTF-8) will be covered elsewhere.
19599 **See also**: [regular expressions](#SS-regex)
19601 Here, we use "sequence of characters" or "string" to refer to a sequence of characters meant to be read as text (somehow, eventually).
19602 We don't consider ???
19604 String summary:
19606 * [SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences](#Rstr-string)
19607 * [SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::span<char>` to refer to character sequences](#Rstr-view)
19608 * [SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters](#Rstr-zstring)
19609 * [SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character](#Rstr-char*)
19610 * [SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters](#Rstr-byte)
19612 * [SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations](#Rstr-locale)
19613 * [SL.str.11: Use `gsl::span<char>` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string](#Rstr-span)
19614 * [SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s](#Rstr-s)
19616 **See also**:
19618 * [F.24 span](#Rf-range)
19619 * [F.25 zstring](#Rf-zstring)
19622 ### <a name="Rstr-string"></a>SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences
19624 ##### Reason
19626 `string` correctly handles allocation, ownership, copying, gradual expansion, and offers a variety of useful operations.
19628 ##### Example
19630     vector<string> read_until(const string& terminator)
19631     {
19632         vector<string> res;
19633         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19634             res.push_back(s);
19635         return res;
19636     }
19638 Note how `>>` and `!=` are provided for `string` (as examples of useful operations) and there are no explicit
19639 allocations, deallocations, or range checks (`string` takes care of those).
19641 In C++17, we might use `string_view` as the argument, rather than `const string&` to allow more flexibility to callers:
19643     vector<string> read_until(string_view terminator)   // C++17
19644     {
19645         vector<string> res;
19646         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19647             res.push_back(s);
19648         return res;
19649     }
19651 ##### Example, bad
19653 Don't use C-style strings for operations that require non-trivial memory management
19655     char* cat(const char* s1, const char* s2)   // beware!
19656         // return s1 + '.' + s2
19657     {
19658         int l1 = strlen(s1);
19659         int l2 = strlen(s2);
19660         char* p = (char*) malloc(l1 + l2 + 2);
19661         strcpy(p, s1, l1);
19662         p[l1] = '.';
19663         strcpy(p + l1 + 1, s2, l2);
19664         p[l1 + l2 + 1] = 0;
19665         return p;
19666     }
19668 Did we get that right?
19669 Will the caller remember to `free()` the returned pointer?
19670 Will this code pass a security review?
19672 ##### Note
19674 Do not assume that `string` is slower than lower-level techniques without measurement and remember that not all code is performance critical.
19675 [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
19677 ##### Enforcement
19681 ### <a name="Rstr-view"></a>SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::span<char>` to refer to character sequences
19683 ##### Reason
19685 `std::string_view` or `gsl::span<char>` provides simple and (potentially) safe access to character sequences independently of how
19686 those sequences are allocated and stored.
19688 ##### Example
19690     vector<string> read_until(string_view terminator);
19692     void user(zstring p, const string& s, string_view ss)
19693     {
19694         auto v1 = read_until(p);
19695         auto v2 = read_until(s);
19696         auto v3 = read_until(ss);
19697         // ...
19698     }
19700 ##### Note
19702 `std::string_view` (C++17) is read-only.
19704 ##### Enforcement
19708 ### <a name="Rstr-zstring"></a>SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters
19710 ##### Reason
19712 Readability.
19713 Statement of intent.
19714 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.
19715 Distinguishing these alternatives prevents misunderstandings and bugs.
19717 ##### Example
19719     void f1(const char* s); // s is probably a string
19721 All we know is that it is supposed to be the nullptr or point to at least one character
19723     void f1(zstring s);     // s is a C-style string or the nullptr
19724     void f1(czstring s);    // s is a C-style string constant or the nullptr
19725     void f1(std::byte* s);  // s is a pointer to a byte (C++17)
19727 ##### Note
19729 Don't convert a C-style string to `string` unless there is a reason to.
19731 ##### Note
19733 Like any other "plain pointer", a `zstring` should not represent ownership.
19735 ##### Note
19737 There are billions of lines of C++ "out there", most use `char*` and `const char*` without documenting intent.
19738 They are used in a wide variety of ways, including to represent ownership and as generic pointers to memory (instead of `void*`).
19739 It is hard to separate these uses, so this guideline is hard to follow.
19740 This is one of the major sources of bugs in C and C++ programs, so it is worthwhile to follow this guideline wherever feasible..
19742 ##### Enforcement
19744 * Flag uses of `[]` on a `char*`
19745 * Flag uses of `delete` on a `char*`
19746 * Flag uses of `free()` on a `char*`
19748 ### <a name="Rstr-char*"></a>SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character
19750 ##### Reason
19752 The variety of uses of `char*` in current code is a major source of errors.
19754 ##### Example, bad
19756     char arr[] = {'a', 'b', 'c'};
19758     void print(const char* p)
19759     {
19760         cout << p << '\n';
19761     }
19763     void use()
19764     {
19765         print(arr);   // run-time error; potentially very bad
19766     }
19768 The array `arr` is not a C-style string because it is not zero-terminated.
19770 ##### Alternative
19772 See [`zstring`](#Rstr-zstring), [`string`](#Rstr-string), and [`string_view`](#Rstr-view).
19774 ##### Enforcement
19776 * Flag uses of `[]` on a `char*`
19778 ### <a name="Rstr-byte"></a>SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters
19780 ##### Reason
19782 Use of `char*` to represent a pointer to something that is not necessarily a character causes confusion
19783 and disables valuable optimizations.
19785 ##### Example
19787     ???
19789 ##### Note
19791 C++17
19793 ##### Enforcement
19798 ### <a name="Rstr-locale"></a>SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations
19800 ##### Reason
19802 `std::string` supports standard-library [`locale` facilities](#Rstr-locale)
19804 ##### Example
19806     ???
19808 ##### Note
19812 ##### Enforcement
19816 ### <a name="Rstr-span"></a>SL.str.11: Use `gsl::span<char>` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string
19818 ##### Reason
19820 `std::string_view` is read-only.
19822 ##### Example
19826 ##### Note
19830 ##### Enforcement
19832 The compiler will flag attempts to write to a `string_view`.
19834 ### <a name="Rstr-s"></a>SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s
19836 ##### Reason
19838 Direct expression of an idea minimizes mistakes.
19840 ##### Example
19842     auto pp1 = make_pair("Tokyo", 9.00);         // {C-style string,double} intended?
19843     pair<string, double> pp2 = {"Tokyo", 9.00};  // a bit verbose
19844     auto pp3 = make_pair("Tokyo"s, 9.00);        // {std::string,double}    // C++14
19845     pair pp4 = {"Tokyo"s, 9.00};                 // {std::string,double}    // C++17
19849 ##### Enforcement
19854 ## <a name="SS-io"></a>SL.io: Iostream
19856 `iostream`s is a type safe, extensible, formatted and unformatted I/O library for streaming I/O.
19857 It supports multiple (and user extensible) buffering strategies and multiple locales.
19858 It can be used for conventional I/O, reading and writing to memory (string streams),
19859 and user-defines extensions, such as streaming across networks (asio: not yet standardized).
19861 Iostream rule summary:
19863 * [SL.io.1: Use character-level input only when you have to](#Rio-low)
19864 * [SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input](#Rio-validate)
19865 * [SL.io.3: Prefer iostreams for I/O](#Rio-streams)
19866 * [SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`](#Rio-sync)
19867 * [SL.io.50: Avoid `endl`](#Rio-endl)
19868 * [???](#???)
19870 ### <a name="Rio-low"></a>SL.io.1: Use character-level input only when you have to
19872 ##### Reason
19874 Unless you genuinely just deal with individual characters, using character-level input leads to the user code performing potentially error-prone
19875 and potentially inefficient composition of tokens out of characters.
19877 ##### Example
19879     char c;
19880     char buf[128];
19881     int i = 0;
19882     while (cin.get(c) && !isspace(c) && i < 128)
19883         buf[i++] = c;
19884     if (i == 128) {
19885         // ... handle too long string ....
19886     }
19888 Better (much simpler and probably faster):
19890     string s;
19891     s.reserve(128);
19892     cin >> s;
19894 and the `reserve(128)` is probably not worthwhile.
19896 ##### Enforcement
19901 ### <a name="Rio-validate"></a>SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input
19903 ##### Reason
19905 Errors are typically best handled as soon as possible.
19906 If input isn't validated, every function must be written to cope with bad data (and that is not practical).
19908 ##### Example
19910     ???
19912 ##### Enforcement
19916 ### <a name="Rio-streams"></a>SL.io.3: Prefer `iostream`s for I/O
19918 ##### Reason
19920 `iostream`s are safe, flexible, and extensible.
19922 ##### Example
19924     // write a complex number:
19925     complex<double> z{ 3, 4 };
19926     cout << z << '\n';
19928 `complex` is a user-defined type and its I/O is defined without modifying the `iostream` library.
19930 ##### Example
19932     // read a file of complex numbers:
19933     for (complex<double> z; cin >> z; )
19934         v.push_back(z);
19936 ##### Exception
19938 ??? performance ???
19940 ##### Discussion: `iostream`s vs. the `printf()` family
19942 It is often (and often correctly) pointed out that the `printf()` family has two advantages compared to `iostream`s:
19943 flexibility of formatting and performance.
19944 This has to be weighed against `iostream`s advantages of extensibility to handle user-defined types, resilient against security violations,
19945 implicit memory management, and `locale` handling.
19947 If you need I/O performance, you can almost always do better than `printf()`.
19949 `gets()`, `scanf()` using `%s`, and `printf()` using `%s` are security hazards (vulnerable to buffer overflow and generally error-prone).
19950 C11 defines some "optional extensions" that do extra checking of their arguments.
19951 If present in your C library, `gets_s()`, `scanf_s()`, and `printf_s()` might be safer alternatives, but they are still not type safe.
19953 ##### Enforcement
19955 Optionally flag `<cstdio>` and `<stdio.h>`.
19957 ### <a name="Rio-sync"></a>SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`
19959 ##### Reason
19961 Synchronizing `iostreams` with `printf-style` I/O can be costly.
19962 `cin` and `cout` are by default synchronized with `printf`.
19964 ##### Example
19966     int main()
19967     {
19968         ios_base::sync_with_stdio(false);
19969         // ... use iostreams ...
19970     }
19972 ##### Enforcement
19976 ### <a name="Rio-endl"></a>SL.io.50: Avoid `endl`
19978 ##### Reason
19980 The `endl` manipulator is mostly equivalent to `'\n'` and `"\n"`;
19981 as most commonly used it simply slows down output by doing redundant `flush()`s.
19982 This slowdown can be significant compared to `printf`-style output.
19984 ##### Example
19986     cout << "Hello, World!" << endl;    // two output operations and a flush
19987     cout << "Hello, World!\n";          // one output operation and no flush
19989 ##### Note
19991 For `cin`/`cout` (and equivalent) interaction, there is no reason to flush; that's done automatically.
19992 For writing to a file, there is rarely a need to `flush`.
19994 ##### Note
19996 Apart from the (occasionally important) issue of performance,
19997 the choice between `'\n'` and `endl` is almost completely aesthetic.
19999 ## <a name="SS-regex"></a>SL.regex: Regex
20001 `<regex>` is the standard C++ regular expression library.
20002 It supports a variety of regular expression pattern conventions.
20004 ## <a name="SS-chrono"></a>SL.chrono: Time
20006 `<chrono>` (defined in namespace `std::chrono`) provides the notions of `time_point` and `duration` together with functions for
20007 outputting time in various units.
20008 It provides clocks for registering `time_points`.
20010 ## <a name="SS-clib"></a>SL.C: The C Standard Library
20014 C Standard Library rule summary:
20016 * [S.C.1: Don't use setjmp/longjmp](#Rclib-jmp)
20017 * [???](#???)
20018 * [???](#???)
20020 ### <a name="Rclib-jmp"></a>SL.C.1: Don't use setjmp/longjmp
20022 ##### Reason
20024 a `longjmp` ignores destructors, thus invalidating all resource-management strategies relying on RAII
20026 ##### Enforcement
20028 Flag all occurrences of `longjmp`and `setjmp`
20032 # <a name="S-A"></a>A: Architectural ideas
20034 This section contains ideas about higher-level architectural ideas and libraries.
20036 Architectural rule summary:
20038 * [A.1: Separate stable code from less stable code](#Ra-stable)
20039 * [A.2: Express potentially reusable parts as a library](#Ra-lib)
20040 * [A.4: There should be no cycles among libraries](#Ra-dag)
20041 * [???](#???)
20042 * [???](#???)
20043 * [???](#???)
20044 * [???](#???)
20045 * [???](#???)
20046 * [???](#???)
20048 ### <a name="Ra-stable"></a>A.1: Separate stable code from less stable code
20050 Isolating less stable code facilitates its unit testing, interface improvement, refactoring, and eventual deprecation.
20052 ### <a name="Ra-lib"></a>A.2: Express potentially reusable parts as a library
20054 ##### Reason
20056 ##### Note
20058 A library is a collection of declarations and definitions maintained, documented, and shipped together.
20059 A library could be a set of headers (a "header-only library") or a set of headers plus a set of object files.
20060 You can statically or dynamically link a library into a program, or you can `#include` a header-only library.
20063 ### <a name="Ra-dag"></a>A.4: There should be no cycles among libraries
20065 ##### Reason
20067 * A cycle complicates the build process.
20068 * Cycles are hard to understand and might introduce indeterminism (unspecified behavior).
20070 ##### Note
20072 A library can contain cyclic references in the definition of its components.
20073 For example:
20075     ???
20077 However, a library should not depend on another that depends on it.
20080 # <a name="S-not"></a>NR: Non-Rules and myths
20082 This section contains rules and guidelines that are popular somewhere, but that we deliberately don't recommend.
20083 We know full well that there have been times and places where these rules made sense, and we have used them ourselves at times.
20084 However, in the context of the styles of programming we recommend and support with the guidelines, these "non-rules" would do harm.
20086 Even today, there can be contexts where the rules make sense.
20087 For example, lack of suitable tool support can make exceptions unsuitable in hard-real-time systems,
20088 but please don't naïvely trust "common wisdom" (e.g., unsupported statements about "efficiency");
20089 such "wisdom" might be based on decades-old information or experienced from languages with very different properties than C++
20090 (e.g., C or Java).
20092 The positive arguments for alternatives to these non-rules are listed in the rules offered as "Alternatives".
20094 Non-rule summary:
20096 * [NR.1: Don't insist that all declarations should be at the top of a function](#Rnr-top)
20097 * [NR.2: Don't insist to have only a single `return`-statement in a function](#Rnr-single-return)
20098 * [NR.3: Don't avoid exceptions](#Rnr-no-exceptions)
20099 * [NR.4: Don't insist on placing each class declaration in its own source file](#Rnr-lots-of-files)
20100 * [NR.5: Don't use two-phase initialization](#Rnr-two-phase-init)
20101 * [NR.6: Don't place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`](#Rnr-goto-exit)
20102 * [NR.7: Don't make all data members `protected`](#Rnr-protected-data)
20103 * ???
20105 ### <a name="Rnr-top"></a>NR.1: Don't insist that all declarations should be at the top of a function
20107 ##### Reason
20109 The "all declarations on top" rule is a legacy of old programming languages that didn't allow initialization of variables and constants after a statement.
20110 This leads to longer programs and more errors caused by uninitialized and wrongly initialized variables.
20112 ##### Example, bad
20114     int use(int x)
20115     {
20116         int i;
20117         char c;
20118         double d;
20120         // ... some stuff ...
20122         if (x < i) {
20123             // ...
20124             i = f(x, d);
20125         }
20126         if (i < x) {
20127             // ...
20128             i = g(x, c);
20129         }
20130         return i;
20131     }
20133 The larger the distance between the uninitialized variable and its use, the larger the chance of a bug.
20134 Fortunately, compilers catch many "used before set" errors.
20135 Unfortunately, compilers cannot catch all such errors and unfortunately, the bugs aren't always as simple to spot as in this small example.
20138 ##### Alternative
20140 * [Always initialize an object](#Res-always)
20141 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
20143 ### <a name="Rnr-single-return"></a>NR.2: Don't insist to have only a single `return`-statement in a function
20145 ##### Reason
20147 The single-return rule can lead to unnecessarily convoluted code and the introduction of extra state variables.
20148 In particular, the single-return rule makes it harder to concentrate error checking at the top of a function.
20150 ##### Example
20152     template<class T>
20153     //  requires Number<T>
20154     string sign(T x)
20155     {
20156         if (x < 0)
20157             return "negative";
20158         else if (x > 0)
20159             return "positive";
20160         return "zero";
20161     }
20163 to use a single return only we would have to do something like
20165     template<class T>
20166     //  requires Number<T>
20167     string sign(T x)        // bad
20168     {
20169         string res;
20170         if (x < 0)
20171             res = "negative";
20172         else if (x > 0)
20173             res = "positive";
20174         else
20175             res = "zero";
20176         return res;
20177     }
20179 This is both longer and likely to be less efficient.
20180 The larger and more complicated the function is, the more painful the workarounds get.
20181 Of course many simple functions will naturally have just one `return` because of their simpler inherent logic.
20183 ##### Example
20185     int index(const char* p)
20186     {
20187         if (!p) return -1;  // error indicator: alternatively "throw nullptr_error{}"
20188         // ... do a lookup to find the index for p
20189         return i;
20190     }
20192 If we applied the rule, we'd get something like
20194     int index2(const char* p)
20195     {
20196         int i;
20197         if (!p)
20198             i = -1;  // error indicator
20199         else {
20200             // ... do a lookup to find the index for p
20201         }
20202         return i;
20203     }
20205 Note that we (deliberately) violated the rule against uninitialized variables because this style commonly leads to that.
20206 Also, this style is a temptation to use the [goto exit](#Rnr-goto-exit) non-rule.
20208 ##### Alternative
20210 * Keep functions short and simple
20211 * Feel free to use multiple `return` statements (and to throw exceptions).
20213 ### <a name="Rnr-no-exceptions"></a>NR.3: Don't avoid exceptions
20215 ##### Reason
20217 There seem to be four main reasons given for not using exceptions:
20219 * exceptions are inefficient
20220 * exceptions lead to leaks and errors
20221 * exception performance is not predictable
20222 * the exception-handling run-time support takes up too much space
20224 There is no way we can settle this issue to the satisfaction of everybody.
20225 After all, the discussions about exceptions have been going on for 40+ years.
20226 Some languages cannot be used without exceptions, but others do not support them.
20227 This leads to strong traditions for the use and non-use of exceptions, and to heated debates.
20229 However, we can briefly outline why we consider exceptions the best alternative for general-purpose programming
20230 and in the context of these guidelines.
20231 Simple arguments for and against are often inconclusive.
20232 There are specialized applications where exceptions indeed can be inappropriate
20233 (e.g., hard-real-time systems without support for reliable estimates of the cost of handling an exception).
20235 Consider the major objections to exceptions in turn
20237 * Exceptions are inefficient:
20238 Compared to what?
20239 When comparing make sure that the same set of errors are handled and that they are handled equivalently.
20240 In particular, do not compare a program that immediately terminate on seeing an error with a program
20241 that carefully cleans up resources before logging an error.
20242 Yes, some systems have poor exception handling implementations; sometimes, such implementations force us to use
20243 other error-handling approaches, but that's not a fundamental problem with exceptions.
20244 When using an efficiency argument - in any context - be careful that you have good data that actually provides
20245 insight into the problem under discussion.
20246 * Exceptions lead to leaks and errors.
20247 They do not.
20248 If your program is a rat's nest of pointers without an overall strategy for resource management,
20249 you have a problem whatever you do.
20250 If your system consists of a million lines of such code,
20251 you probably will not be able to use exceptions,
20252 but that's a problem with excessive and undisciplined pointer use, rather than with exceptions.
20253 In our opinion, you need RAII to make exception-based error handling simple and safe -- simpler and safer than alternatives.
20254 * Exception performance is not predictable.
20255 If you are in a hard-real-time system where you must guarantee completion of a task in a given time,
20256 you need tools to back up such guarantees.
20257 As far as we know such tools are not available (at least not to most programmers).
20258 * the exception-handling run-time support takes up too much space
20259 This can be the case in small (usually embedded systems).
20260 However, before abandoning exceptions consider what space consistent error-handling using error-codes would require
20261 and what failure to catch an error would cost.
20263 Many, possibly most, problems with exceptions stem from historical needs to interact with messy old code.
20265 The fundamental arguments for the use of exceptions are
20267 * They clearly differentiate between erroneous return and ordinary return
20268 * They cannot be forgotten or ignored
20269 * They can be used systematically
20271 Remember
20273 * Exceptions are for reporting errors (in C++; other languages can have different uses for exceptions).
20274 * Exceptions are not for errors that can be handled locally.
20275 * Don't try to catch every exception in every function (that's tedious, clumsy, and leads to slow code).
20276 * Exceptions are not for errors that require instant termination of a module/system after a non-recoverable error.
20278 ##### Example
20280     ???
20282 ##### Alternative
20284 * [RAII](#Re-raii)
20285 * Contracts/assertions: Use GSL's `Expects` and `Ensures` (until we get language support for contracts)
20287 ### <a name="Rnr-lots-of-files"></a>NR.4: Don't insist on placing each class declaration in its own source file
20289 ##### Reason
20291 The resulting number of files from placing each class in its own file are hard to manage and can slow down compilation.
20292 Individual classes are rarely a good logical unit of maintenance and distribution.
20294 ##### Example
20296     ???
20298 ##### Alternative
20300 * Use namespaces containing logically cohesive sets of classes and functions.
20302 ### <a name="Rnr-two-phase-init"></a>NR.5: Don't use two-phase initialization
20304 ##### Reason
20306 Splitting initialization into two leads to weaker invariants,
20307 more complicated code (having to deal with semi-constructed objects),
20308 and errors (when we didn't deal correctly with semi-constructed objects consistently).
20310 ##### Example, bad
20312     // Old conventional style: many problems
20314     class Picture
20315     {
20316         int mx;
20317         int my;
20318         char * data;
20319     public:
20320         // main problem: constructor does not fully construct
20321         Picture(int x, int y)
20322         {
20323             mx = x;         // also bad: assignment in constructor body
20324                             // rather than in member initializer
20325             my = y;
20326             data = nullptr; // also bad: constant initialization in constructor
20327                             // rather than in member initializer
20328         }
20330         ~Picture()
20331         {
20332             Cleanup();
20333         }
20335         // ...
20337         // bad: two-phase initialization
20338         bool Init()
20339         {
20340             // invariant checks
20341             if (mx <= 0 || my <= 0) {
20342                 return false;
20343             }
20344             if (data) {
20345                 return false;
20346             }
20347             data = (char*) malloc(mx*my*sizeof(int));   // also bad: owning raw * and malloc
20348             return data != nullptr;
20349         }
20351         // also bad: no reason to make cleanup a separate function
20352         void Cleanup()
20353         {
20354             if (data) free(data);
20355             data = nullptr;
20356         }
20357     };
20359     Picture picture(100, 0); // not ready-to-use picture here
20360     // this will fail..
20361     if (!picture.Init()) {
20362         puts("Error, invalid picture");
20363     }
20364     // now have a invalid picture object instance.
20366 ##### Example, good
20368     class Picture
20369     {
20370         int mx;
20371         int my;
20372         vector<char> data;
20374         static int check_size(int size)
20375         {
20376             // invariant check
20377             Expects(size > 0);
20378             return size;
20379         }
20381     public:
20382         // even better would be a class for a 2D Size as one single parameter
20383         Picture(int x, int y)
20384             : mx(check_size(x))
20385             , my(check_size(y))
20386             // now we know x and y have a valid size
20387             , data(mx * my * sizeof(int)) // will throw std::bad_alloc on error
20388         {
20389             // picture is ready-to-use
20390         }
20392         // compiler generated dtor does the job. (also see C.21)
20394         // ...
20395     };
20397     Picture picture1(100, 100);
20398     // picture is ready-to-use here...
20400     // not a valid size for y,
20401     // default contract violation behavior will call std::terminate then
20402     Picture picture2(100, 0);
20403     // not reach here...
20405 ##### Alternative
20407 * Always establish a class invariant in a constructor.
20408 * Don't define an object before it is needed.
20410 ### <a name="Rnr-goto-exit"></a>NR.6: Don't place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`
20412 ##### Reason
20414 `goto` is error-prone.
20415 This technique is a pre-exception technique for RAII-like resource and error handling.
20417 ##### Example, bad
20419     void do_something(int n)
20420     {
20421         if (n < 100) goto exit;
20422         // ...
20423         int* p = (int*) malloc(n);
20424         // ...
20425         if (some_error) goto_exit;
20426         // ...
20427     exit:
20428         free(p);
20429     }
20431 and spot the bug.
20433 ##### Alternative
20435 * Use exceptions and [RAII](#Re-raii)
20436 * for non-RAII resources, use [`finally`](#Re-finally).
20438 ### <a name="Rnr-protected-data"></a>NR.7: Don't make all data members `protected`
20440 ##### Reason
20442 `protected` data is a source of errors.
20443 `protected` data can be manipulated from an unbounded amount of code in various places.
20444 `protected` data is the class hierarchy equivalent to global data.
20446 ##### Example
20448     ???
20450 ##### Alternative
20452 * [Make member data `public` or (preferably) `private`](#Rh-protected)
20455 # <a name="S-references"></a>RF: References
20457 Many coding standards, rules, and guidelines have been written for C++, and especially for specialized uses of C++.
20458 Many
20460 * focus on lower-level issues, such as the spelling of identifiers
20461 * are written by C++ novices
20462 * see "stopping programmers from doing unusual things" as their primary aim
20463 * aim at portability across many compilers (some 10 years old)
20464 * are written to preserve decades old code bases
20465 * aim at a single application domain
20466 * are downright counterproductive
20467 * are ignored (must be ignored by programmers to get their work done well)
20469 A bad coding standard is worse than no coding standard.
20470 However an appropriate set of guidelines are much better than no standards: "Form is liberating."
20472 Why can't we just have a language that allows all we want and disallows all we don't want ("a perfect language")?
20473 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.
20474 Also, your needs change over time and a general-purpose language is needed to allow you to adapt.
20475 A language that is ideal for today would be overly restrictive tomorrow.
20477 Coding guidelines adapt the use of a language to specific needs.
20478 Thus, there cannot be a single coding style for everybody.
20479 We expect different organizations to provide additions, typically with more restrictions and firmer style rules.
20481 Reference sections:
20483 * [RF.rules: Coding rules](#SS-rules)
20484 * [RF.books: Books with coding guidelines](#SS-books)
20485 * [RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14/C++17)](#SS-Cplusplus)
20486 * [RF.web: Websites](#SS-web)
20487 * [RS.video: Videos about "modern C++"](#SS-vid)
20488 * [RF.man: Manuals](#SS-man)
20489 * [RF.core: Core Guidelines materials](#SS-core)
20491 ## <a name="SS-rules"></a>RF.rules: Coding rules
20493 * [AUTOSAR Guidelines for the use of the C++14 language in critical and safety-related systems v17.10](https://www.autosar.org/fileadmin/user_upload/standards/adaptive/17-10/AUTOSAR_RS_CPP14Guidelines.pdf)
20494 * [Boost Library Requirements and Guidelines](http://www.boost.org/development/requirements.html).
20495   ???.
20496 * [Bloomberg: BDE C++ Coding](https://github.com/bloomberg/bde/wiki/CodingStandards.pdf).
20497   Has a strong emphasis on code organization and layout.
20498 * Facebook: ???
20499 * [GCC Coding Conventions](https://gcc.gnu.org/codingconventions.html).
20500   C++03 and (reasonably) a bit backwards looking.
20501 * [Google C++ Style Guide](https://google.github.io/styleguide/cppguide.html).
20502   Geared toward C++17 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.
20503 * [JSF++: JOINT STRIKE FIGHTER AIR VEHICLE C++ CODING STANDARDS](http://www.stroustrup.com/JSF-AV-rules.pdf).
20504   Document Number 2RDU00001 Rev C. December 2005.
20505   For flight control software.
20506   For hard-real-time.
20507   This means that it is necessarily very restrictive ("if the program fails somebody dies").
20508   For example, no free store allocation or deallocation is allowed to occur after the plane takes off (no memory overflow and no fragmentation allowed).
20509   No exception is allowed to be used (because there was no available tool for guaranteeing that an exception would be handled within a fixed short time).
20510   Libraries used have to have been approved for mission critical applications.
20511   Any similarities to this set of guidelines are unsurprising because Bjarne Stroustrup was an author of JSF++.
20512   Recommended, but note its very specific focus.
20513 * [MISRA C++ 2008: Guidelines for the use of the C++ language in critical systems](https://www.misra.org.uk/Buyonline/tabid/58/Default.aspx).
20514 * [Using C++ in Mozilla Code](https://firefox-source-docs.mozilla.org/code-quality/coding-style/using_cxx_in_firefox_code.html).
20515   As the name indicates, this aims for portability across many (old) compilers.
20516   As such, it is restrictive.
20517 * [Geosoft.no: C++ Programming Style Guidelines](http://geosoft.no/development/cppstyle.html).
20518   ???.
20519 * [Possibility.com: C++ Coding Standard](http://www.possibility.com/Cpp/CppCodingStandard.html).
20520   ???.
20521 * [SEI CERT: Secure C++ Coding Standard](https://www.securecoding.cert.org/confluence/pages/viewpage.action?pageId=637).
20522   A very nicely done set of rules (with examples and rationales) done for security-sensitive code.
20523   Many of their rules apply generally.
20524 * [High Integrity C++ Coding Standard](http://www.codingstandard.com/).
20525 * [llvm](http://llvm.org/docs/CodingStandards.html).
20526   Somewhat brief, based on C++14, and (not unreasonably) adjusted to its domain.
20527 * ???
20529 ## <a name="SS-books"></a>RF.books: Books with coding guidelines
20531 * [Meyers96](#Meyers96) Scott Meyers: *More Effective C++*. Addison-Wesley 1996.
20532 * [Meyers97](#Meyers97) Scott Meyers: *Effective C++, Second Edition*. Addison-Wesley 1997.
20533 * [Meyers01](#Meyers01) Scott Meyers: *Effective STL*. Addison-Wesley 2001.
20534 * [Meyers05](#Meyers05) Scott Meyers: *Effective C++, Third Edition*. Addison-Wesley 2005.
20535 * [Meyers15](#Meyers15) Scott Meyers: *Effective Modern C++*. O'Reilly 2015.
20536 * [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.
20537 * [Stroustrup05](#Stroustrup05) Bjarne Stroustrup: [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
20538   LCSD05. October 2005.
20539 * [Stroustrup14](#Stroustrup05) Stroustrup: [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
20540   Addison Wesley 2014.
20541   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20542 * [Stroustrup13](#Stroustrup13) Stroustrup: [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html).
20543   Addison Wesley 2013.
20544   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20545 * Stroustrup: [Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
20546   for [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
20547   Mostly low-level naming and layout rules.
20548   Primarily a teaching tool.
20550 ## <a name="SS-Cplusplus"></a>RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14)
20552 * [TC++PL4](http://www.stroustrup.com/4th.html):
20553 A thorough description of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20554 * [Tour++](http://www.stroustrup.com/Tour.html):
20555 An overview of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20556 * [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html):
20557 A textbook for beginners and relative novices.
20559 ## <a name="SS-web"></a>RF.web: Websites
20561 * [isocpp.org](https://isocpp.org)
20562 * [Bjarne Stroustrup's home pages](http://www.stroustrup.com)
20563 * [WG21](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/)
20564 * [Boost](http://www.boost.org)<a name="Boost"></a>
20565 * [Adobe open source](http://www.adobe.com/open-source.html)
20566 * [Poco libraries](http://pocoproject.org/)
20567 * Sutter's Mill?
20568 * ???
20570 ## <a name="SS-vid"></a>RS.video: Videos about "modern C++"
20572 * Bjarne Stroustrup: [C++11 Style](http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/GoingNative-2012/Keynote-Bjarne-Stroustrup-Cpp11-Style). 2012.
20573 * 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
20574 * All the talks from [CppCon '14](https://isocpp.org/blog/2014/11/cppcon-videos-c9)
20575 * Bjarne Stroustrup: [The essence of C++](https://www.youtube.com/watch?v=86xWVb4XIyE) at the University of Edinburgh. 2014.
20576 * Bjarne Stroustrup: [The Evolution of C++ Past, Present and Future](https://www.youtube.com/watch?v=_wzc7a3McOs). CppCon 2016 keynote.
20577 * Bjarne Stroustrup: [Make Simple Tasks Simple!](https://www.youtube.com/watch?v=nesCaocNjtQ). CppCon 2014 keynote.
20578 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20579 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20580 * CppCon 15
20581 * ??? C++ Next
20582 * ??? Meting C++
20583 * ??? more ???
20585 ## <a name="SS-man"></a>RF.man: Manuals
20587 * ISO C++ Standard C++11.
20588 * ISO C++ Standard C++14.
20589 * [ISO C++ Standard C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4606.pdf). Committee Draft.
20590 * [Palo Alto "Concepts" TR](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2012/n3351.pdf).
20591 * [ISO C++ Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
20592 * [WG21 Ranges report](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf). Draft.
20595 ## <a name="SS-core"></a>RF.core: Core Guidelines materials
20597 This section contains materials that has been useful for presenting the core guidelines and the ideas behind them:
20599 * [Our documents directory](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/tree/master/docs)
20600 * 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.
20601 * Sergey Zubkov: [a Core Guidelines talk](https://www.youtube.com/watch?v=DyLwdl_6vmU)
20602 and here are the [slides](http://2017.cppconf.ru/talks/sergey-zubkov). In Russian. 2017.
20603 * Neil MacIntosh: [The Guideline Support Library: One Year Later](https://www.youtube.com/watch?v=_GhNnCuaEjo). CppCon 2016.
20604 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote.
20605 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote.
20606 * Peter Sommerlad: [C++ Core Guidelines - Modernize your C++ Code Base](https://www.youtube.com/watch?v=fQ926v4ZzAM). ACCU 2017.
20607 * Bjarne Stroustrup: [No Littering!](https://www.youtube.com/watch?v=01zI9kV4h8c). Bay Area ACCU 2016.
20608 It gives some idea of the ambition level for the Core Guidelines.
20610 Note that slides for CppCon presentations are available (links with the posted videos).
20612 Contributions to this list would be most welcome.
20614 ## <a name="SS-ack"></a>Acknowledgements
20616 Thanks to the many people who contributed rules, suggestions, supporting information, references, etc.:
20618 * Peter Juhl
20619 * Neil MacIntosh
20620 * Axel Naumann
20621 * Andrew Pardoe
20622 * Gabriel Dos Reis
20623 * Zhuang, Jiangang (Jeff)
20624 * Sergey Zubkov
20626 and see the contributor list on the github.
20628 # <a name="S-profile"></a>Pro: Profiles
20630 Ideally, we would follow all of the guidelines.
20631 That would give the cleanest, most regular, least error-prone, and often the fastest code.
20632 Unfortunately, that is usually impossible because we have to fit our code into large code bases and use existing libraries.
20633 Often, such code has been written over decades and does not follow these guidelines.
20634 We must aim for [gradual adoption](#S-modernizing).
20636 Whatever strategy for gradual adoption we adopt, we need to be able to apply sets of related guidelines to address some set
20637 of problems first and leave the rest until later.
20638 A similar idea of "related guidelines" becomes important when some, but not all, guidelines are considered relevant to a code base
20639 or if a set of specialized guidelines is to be applied for a specialized application area.
20640 We call such a set of related guidelines a "profile".
20641 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"
20642 or "static type safety."
20643 Each profile is designed to eliminate a class of errors.
20644 Enforcement of "random" rules in isolation is more likely to be disruptive to a code base than delivering a definite improvement.
20646 A "profile" is a set of deterministic and portably enforceable subset rules (i.e., restrictions) that are designed to achieve a specific guarantee.
20647 "Deterministic" means they require only local analysis and could be implemented in a compiler (though they don't need to be).
20648 "Portably enforceable" means they are like language rules, so programmers can count on different enforcement tools giving the same answer for the same code.
20650 Code written to be warning-free using such a language profile is considered to conform to the profile.
20651 Conforming code is considered to be safe by construction with regard to the safety properties targeted by that profile.
20652 Conforming code will not be the root cause of errors for that property,
20653 although such errors might be introduced into a program by other code, libraries or the external environment.
20654 A profile might also introduce additional library types to ease conformance and encourage correct code.
20656 Profiles summary:
20658 * [Pro.type: Type safety](#SS-type)
20659 * [Pro.bounds: Bounds safety](#SS-bounds)
20660 * [Pro.lifetime: Lifetime safety](#SS-lifetime)
20662 In the future, we expect to define many more profiles and add more checks to existing profiles.
20663 Candidates include:
20665 * narrowing arithmetic promotions/conversions (likely part of a separate safe-arithmetic profile)
20666 * arithmetic cast from negative floating point to unsigned integral type (ditto)
20667 * selected undefined behavior: Start with Gabriel Dos Reis's UB list developed for the WG21 study group
20668 * selected unspecified behavior: Addressing portability concerns.
20669 * `const` violations: Mostly done by compilers already, but we can catch inappropriate casting and underuse of `const`.
20671 Enabling a profile is implementation defined; typically, it is set in the analysis tool used.
20673 To suppress enforcement of a profile check, place a `suppress` annotation on a language contract. For example:
20675     [[suppress(bounds)]] char* raw_find(char* p, int n, char x)    // find x in p[0]..p[n - 1]
20676     {
20677         // ...
20678     }
20680 Now `raw_find()` can scramble memory to its heart's content.
20681 Obviously, suppression should be very rare.
20683 ## <a name="SS-type"></a>Pro.safety: Type-safety profile
20685 This profile makes it easier to construct code that uses types correctly and avoids inadvertent type punning.
20686 It does so by focusing on removing the primary sources of type violations, including unsafe uses of casts and unions.
20688 For the purposes of this section,
20689 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.
20690 Memory accessed as a type `T` should not be valid memory that actually contains an object of an unrelated type `U`.
20691 Note that the safety is intended to be complete when combined also with [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20693 An implementation of this profile shall recognize the following patterns in source code as non-conforming and issue a diagnostic.
20695 Type safety profile summary:
20697 * <a name="Pro-type-avoidcasts"></a>Type.1: [Avoid casts](#Res-casts):
20698 <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).
20699 <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).
20700 <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).
20701 <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).
20702 * <a name="Pro-type-downcast"></a>Type.2: Don't use `static_cast` to downcast:
20703 [Use `dynamic_cast` instead](#Rh-dynamic_cast).
20704 * <a name="Pro-type-constcast"></a>Type.3: Don't use `const_cast` to cast away `const` (i.e., at all):
20705 [Don't cast away const](#Res-casts-const).
20706 * <a name="Pro-type-cstylecast"></a>Type.4: Don't use C-style `(T)expression` or functional `T(expression)` casts:
20707 Prefer [construction](#Res-construct) or [named casts](#Res-casts-named) or `T{expression}`.
20708 * <a name="Pro-type-init"></a>Type.5: Don't use a variable before it has been initialized:
20709 [always initialize](#Res-always).
20710 * <a name="Pro-type-memberinit"></a>Type.6: Always initialize a member variable:
20711 [always initialize](#Res-always),
20712 possibly using [default constructors](#Rc-default0) or
20713 [default member initializers](#Rc-in-class-initializer).
20714 * <a name="Pro-type-unon"></a>Type.7: Avoid naked union:
20715 [Use `variant` instead](#Ru-naked).
20716 * <a name="Pro-type-varargs"></a>Type.8: Avoid varargs:
20717 [Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs).
20719 ##### Impact
20721 With the type-safety profile you can trust that every operation is applied to a valid object.
20722 An exception can be thrown to indicate errors that cannot be detected statically (at compile time).
20723 Note that this type-safety can be complete only if we also have [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20724 Without those guarantees, a region of memory could be accessed independent of which object, objects, or parts of objects are stored in it.
20727 ## <a name="SS-bounds"></a>Pro.bounds: Bounds safety profile
20729 This profile makes it easier to construct code that operates within the bounds of allocated blocks of memory.
20730 It does so by focusing on removing the primary sources of bounds violations: pointer arithmetic and array indexing.
20731 One of the core features of this profile is to restrict pointers to only refer to single objects, not arrays.
20733 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.
20734 Bounds safety is intended to be complete only when combined with [Type safety](#SS-type) and [Lifetime safety](#SS-lifetime),
20735 which cover other unsafe operations that allow bounds violations.
20737 Bounds safety profile summary:
20739 * <a name="Pro-bounds-arithmetic"></a>Bounds.1: Don't use pointer arithmetic. Use `span` instead:
20740 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20741 * <a name="Pro-bounds-arrayindex"></a>Bounds.2: Only index into arrays using constant expressions:
20742 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20743 * <a name="Pro-bounds-decay"></a>Bounds.3: No array-to-pointer decay:
20744 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20745 * <a name="Pro-bounds-stdlib"></a>Bounds.4: Don't use standard-library functions and types that are not bounds-checked:
20746 [Use the standard library in a type-safe manner](#Rsl-bounds).
20748 ##### Impact
20750 Bounds safety implies that access to an object - notably arrays - does not access beyond the object's memory allocation.
20751 This eliminates a large class of insidious and hard-to-find errors, including the (in)famous "buffer overflow" errors.
20752 This closes security loopholes as well as a prominent source of memory corruption (when writing out of bounds).
20753 Even if an out-of-bounds access is "just a read", it can lead to invariant violations (when the accessed isn't of the assumed type)
20754 and "mysterious values."
20757 ## <a name="SS-lifetime"></a>Pro.lifetime: Lifetime safety profile
20759 Accessing through a pointer that doesn't point to anything is a major source of errors,
20760 and very hard to avoid in many traditional C or C++ styles of programming.
20761 For example, a pointer might be uninitialized, the `nullptr`, point beyond the range of an array, or to a deleted object.
20763 [See the current design specification here.](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/docs/Lifetime.pdf)
20765 Lifetime safety profile summary:
20767 * <a name="Pro-lifetime-invalid-deref"></a>Lifetime.1: Don't dereference a possibly invalid pointer:
20768 [detect or avoid](#Res-deref).
20770 ##### Impact
20772 Once completely enforced through a combination of style rules, static analysis, and library support, this profile
20774 * eliminates one of the major sources of nasty errors in C++
20775 * eliminates a major source of potential security violations
20776 * improves performance by eliminating redundant "paranoia" checks
20777 * increases confidence in correctness of code
20778 * avoids undefined behavior by enforcing a key C++ language rule
20781 # <a name="S-gsl"></a>GSL: Guidelines support library
20783 The GSL is a small library of facilities designed to support this set of guidelines.
20784 Without these facilities, the guidelines would have to be far more restrictive on language details.
20786 The Core Guidelines support library is defined in namespace `gsl` and the names might 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.
20788 The GSL is header only, and can be found at [GSL: Guidelines support library](https://github.com/Microsoft/GSL).
20789 The support library facilities are designed to be extremely lightweight (zero-overhead) so that they impose no overhead compared to using conventional alternatives.
20790 Where desirable, they can be "instrumented" with additional functionality (e.g., checks) for tasks such as debugging.
20792 These Guidelines use types from the standard (e.g., C++17) in addition to ones from the GSL.
20793 For example, we assume a `variant` type, but this is not currently in GSL.
20794 Eventually, use [the one voted into C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0088r3.html).
20796 Some of the GSL types listed below might not be supported in the library you use due to technical reasons such as limitations in the current versions of C++.
20797 Therefore, please consult your GSL documentation to find out more.
20799 Summary of GSL components:
20801 * [GSL.view: Views](#SS-views)
20802 * [GSL.owner](#SS-ownership)
20803 * [GSL.assert: Assertions](#SS-assertions)
20804 * [GSL.util: Utilities](#SS-utilities)
20805 * [GSL.concept: Concepts](#SS-gsl-concepts)
20807 We plan for a "ISO C++ standard style" semi-formal specification of the GSL.
20809 We rely on the ISO C++ Standard Library and hope for parts of the GSL to be absorbed into the standard library.
20811 ## <a name="SS-views"></a>GSL.view: Views
20813 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.
20815 These "views" are never owners.
20817 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.
20819 The names are mostly ISO standard-library style (lower case and underscore):
20821 * `T*`      // The `T*` is not an owner, might be null; assumed to be pointing to a single element.
20822 * `T&`      // The `T&` is not an owner and can never be a "null reference"; references are always bound to objects.
20824 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.
20825 Owners should be converted to resource handles (e.g., `unique_ptr` or `vector<T>`) or marked `owner<T*>`.
20827 * `owner<T*>`   // a `T*` that owns the object pointed/referred to; might be `nullptr`.
20829 `owner` is used to mark owning pointers in code that cannot be upgraded to use proper resource handles.
20830 Reasons for that include:
20832 * Cost of conversion.
20833 * The pointer is used with an ABI.
20834 * The pointer is part of the implementation of a resource handle.
20836 An `owner<T>` differs from a resource handle for a `T` by still requiring an explicit `delete`.
20838 An `owner<T>` is assumed to refer to an object on the free store (heap).
20840 If something is not supposed to be `nullptr`, say so:
20842 * `not_null<T>`   // `T` is usually a pointer type (e.g., `not_null<int*>` and `not_null<owner<Foo*>>`) that must not be `nullptr`.
20843   `T` can be any type for which `==nullptr` is meaningful.
20845 * `span<T>`       // `[p:p+n)`, constructor from `{p, q}` and `{p, n}`; `T` is the pointer type
20846 * `span_p<T>`     // `{p, predicate}` `[p:q)` where `q` is the first element for which `predicate(*p)` is true
20848 A `span<T>` refers to zero or more mutable `T`s unless `T` is a `const` type.
20850 "Pointer arithmetic" is best done within `span`s.
20851 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`.
20853 * `zstring`    // a `char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `char` or `nullptr`
20854 * `czstring`   // a `const char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `const` `char` or `nullptr`
20856 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.
20857 A sequence of characters that is not assumed to be zero-terminated should be a `char*`, rather than a `zstring`.
20858 French accent optional.
20860 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?
20862 ## <a name="SS-ownership"></a>GSL.owner: Ownership pointers
20864 * `unique_ptr<T>`     // unique ownership: `std::unique_ptr<T>`
20865 * `shared_ptr<T>`     // shared ownership: `std::shared_ptr<T>` (a counted pointer)
20866 * `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.
20867 * `dyn_array<T>`      // ??? needed ??? A heap-allocated array. The number of elements are determined at construction and fixed thereafter.
20868   The elements are mutable unless `T` is a `const` type. Basically a `span` that allocates and owns its elements.
20870 ## <a name="SS-assertions"></a>GSL.assert: Assertions
20872 * `Expects`     // precondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
20873                 // `Expects(p)` terminates the program unless `p == true`
20874                 // `Expect` in under control of some options (enforcement, error message, alternatives to terminate)
20875 * `Ensures`     // postcondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
20877 These assertions are currently macros (yuck!) and must appear in function definitions (only)
20878 pending standard committee decisions on contracts and assertion syntax.
20879 See [the contract proposal](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0380r1.pdf); using the attribute syntax,
20880 for example, `Expects(p)` will become `[[expects: p]]`.
20882 ## <a name="SS-utilities"></a>GSL.util: Utilities
20884 * `finally`        // `finally(f)` makes a `final_action{f}` with a destructor that invokes `f`
20885 * `narrow_cast`    // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
20886 * `narrow`         // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` or it throws `narrowing_error`
20887 * `[[implicit]]`   // "Marker" to put on single-argument constructors to explicitly make them non-explicit.
20888 * `move_owner`     // `p = move_owner(q)` means `p = q` but ???
20889 * `joining_thread` // a RAII style version of `std::thread` that joins.
20890 * `index`          // a type to use for all container and array indexing (currently an alias for `ptrdiff_t`)
20892 ## <a name="SS-gsl-concepts"></a>GSL.concept: Concepts
20894 These concepts (type predicates) are borrowed from
20895 Andrew Sutton's Origin library,
20896 the Range proposal,
20897 and the ISO WG21 Palo Alto TR.
20898 They are likely to be very similar to what will become part of the ISO C++ standard.
20899 The notation is that of the ISO WG21 [Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
20900 Most of the concepts below are defined in [the Ranges TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf).
20902 * `Range`
20903 * `String`   // ???
20904 * `Number`   // ???
20905 * `Sortable`
20906 * `EqualityComparable`
20907 * `Convertible`
20908 * `Common`
20909 * `Boolean`
20910 * `Integral`
20911 * `SignedIntegral`
20912 * `SemiRegular` // ??? Copyable?
20913 * `Regular`
20914 * `TotallyOrdered`
20915 * `Function`
20916 * `RegularFunction`
20917 * `Predicate`
20918 * `Relation`
20919 * ...
20921 ### <a name="SS-gsl-smartptrconcepts"></a>GSL.ptr: Smart pointer concepts
20923 * `Pointer`  // A type with `*`, `->`, `==`, and default construction (default construction is assumed to set the singular "null" value)
20924 * `Unique_pointer`  // A type that matches `Pointer`, is movable, and is not copyable
20925 * `Shared_pointer`   // A type that matches `Pointer`, and is copyable
20927 # <a name="S-naming"></a>NL: Naming and layout rules
20929 Consistent naming and layout are helpful.
20930 If for no other reason because it minimizes "my style is better than your style" arguments.
20931 However, there are many, many, different styles around and people are passionate about them (pro and con).
20932 Also, most real-world projects includes code from many sources, so standardizing on a single style for all code is often impossible.
20933 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.
20934 IDEs and tools can help (as well as hinder).
20936 Naming and layout rules:
20938 * [NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code](#Rl-comments)
20939 * [NL.2: State intent in comments](#Rl-comments-intent)
20940 * [NL.3: Keep comments crisp](#Rl-comments-crisp)
20941 * [NL.4: Maintain a consistent indentation style](#Rl-indent)
20942 * [NL.5: Avoid encoding type information in names](#Rl-name-type)
20943 * [NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope](#Rl-name-length)
20944 * [NL.8: Use a consistent naming style](#Rl-name)
20945 * [NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only](#Rl-all-caps)
20946 * [NL.10: Prefer `underscore_style` names](#Rl-camel)
20947 * [NL.11: Make literals readable](#Rl-literals)
20948 * [NL.15: Use spaces sparingly](#Rl-space)
20949 * [NL.16: Use a conventional class member declaration order](#Rl-order)
20950 * [NL.17: Use K&R-derived layout](#Rl-knr)
20951 * [NL.18: Use C++-style declarator layout](#Rl-ptr)
20952 * [NL.19: Avoid names that are easily misread](#Rl-misread)
20953 * [NL.20: Don't place two statements on the same line](#Rl-stmt)
20954 * [NL.21: Declare one name (only) per declaration](#Rl-dcl)
20955 * [NL.25: Don't use `void` as an argument type](#Rl-void)
20956 * [NL.26: Use conventional `const` notation](#Rl-const)
20958 Most of these rules are aesthetic and programmers hold strong opinions.
20959 IDEs also tend to have defaults and a range of alternatives.
20960 These rules are suggested defaults to follow unless you have reasons not to.
20962 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.
20963 We are not "legislating" (see the previous paragraph).
20964 However, we have had many requests for a set of naming and layout conventions to use when there are no external constraints.
20966 More specific and detailed rules are easier to enforce.
20968 These rules bear a strong resemblance to the recommendations in the [PPP Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
20969 written in support of Stroustrup's [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
20971 ### <a name="Rl-comments"></a>NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code
20973 ##### Reason
20975 Compilers do not read comments.
20976 Comments are less precise than code.
20977 Comments are not updated as consistently as code.
20979 ##### Example, bad
20981     auto x = m * v1 + vv;   // multiply m with v1 and add the result to vv
20983 ##### Enforcement
20985 Build an AI program that interprets colloquial English text and see if what is said could be better expressed in C++.
20987 ### <a name="Rl-comments-intent"></a>NL.2: State intent in comments
20989 ##### Reason
20991 Code says what is done, not what is supposed to be done. Often intent can be stated more clearly and concisely than the implementation.
20993 ##### Example
20995     void stable_sort(Sortable& c)
20996         // sort c in the order determined by <, keep equal elements (as defined by ==) in
20997         // their original relative order
20998     {
20999         // ... quite a few lines of non-trivial code ...
21000     }
21002 ##### Note
21004 If the comment and the code disagree, both are likely to be wrong.
21006 ### <a name="Rl-comments-crisp"></a>NL.3: Keep comments crisp
21008 ##### Reason
21010 Verbosity slows down understanding and makes the code harder to read by spreading it around in the source file.
21012 ##### Note
21014 Use intelligible English.
21015 I might be fluent in Danish, but most programmers are not; the maintainers of my code might not be.
21016 Avoid SMS lingo and watch your grammar, punctuation, and capitalization.
21017 Aim for professionalism, not "cool."
21019 ##### Enforcement
21021 not possible.
21023 ### <a name="Rl-indent"></a>NL.4: Maintain a consistent indentation style
21025 ##### Reason
21027 Readability. Avoidance of "silly mistakes."
21029 ##### Example, bad
21031     int i;
21032     for (i = 0; i < max; ++i); // bug waiting to happen
21033     if (i == j)
21034         return i;
21036 ##### Note
21038 Always indenting the statement after `if (...)`, `for (...)`, and `while (...)` is usually a good idea:
21040     if (i < 0) error("negative argument");
21042     if (i < 0)
21043         error("negative argument");
21045 ##### Enforcement
21047 Use a tool.
21049 ### <a name="Rl-name-type"></a>NL.5: Avoid encoding type information in names
21051 ##### Rationale
21053 If names reflect types rather than functionality, it becomes hard to change the types used to provide that functionality.
21054 Also, if the type of a variable is changed, code using it will have to be modified.
21055 Minimize unintentional conversions.
21057 ##### Example, bad
21059     void print_int(int i);
21060     void print_string(const char*);
21062     print_int(1);          // repetitive, manual type matching
21063     print_string("xyzzy"); // repetitive, manual type matching
21065 ##### Example, good
21067     void print(int i);
21068     void print(string_view);    // also works on any string-like sequence
21070     print(1);              // clear, automatic type matching
21071     print("xyzzy");        // clear, automatic type matching
21073 ##### Note
21075 Names with types encoded are either verbose or cryptic.
21077     printS  // print a std::string
21078     prints  // print a C-style string
21079     printi  // print an int
21081 Requiring techniques like Hungarian notation to encode a type has been used in untyped languages, 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).
21083 ##### Note
21085 Some styles use very general (not type-specific) prefixes to denote the general use of a variable.
21087     auto p = new User();
21088     auto p = make_unique<User>();
21089     // note: "p" is not being used to say "raw pointer to type User,"
21090     //       just generally to say "this is an indirection"
21092     auto cntHits = calc_total_of_hits(/*...*/);
21093     // note: "cnt" is not being used to encode a type,
21094     //       just generally to say "this is a count of something"
21096 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21098 ##### Note
21100 Some styles distinguish members from local variable, and/or from global variable.
21102     struct S {
21103         int m_;
21104         S(int m) : m_{abs(m)} { }
21105     };
21107 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21109 ##### Note
21111 Like C++, some styles distinguish types from non-types.
21112 For example, by capitalizing type names, but not the names of functions and variables.
21114     typename<typename T>
21115     class HashTable {   // maps string to T
21116         // ...
21117     };
21119     HashTable<int> index;
21121 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21123 ### <a name="Rl-name-length"></a>NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope
21125 **Rationale**: The larger the scope the greater the chance of confusion and of an unintended name clash.
21127 ##### Example
21129     double sqrt(double x);   // return the square root of x; x must be non-negative
21131     int length(const char* p);  // return the number of characters in a zero-terminated C-style string
21133     int length_of_string(const char zero_terminated_array_of_char[])    // bad: verbose
21135     int g;      // bad: global variable with a cryptic name
21137     int open;   // bad: global variable with a short, popular name
21139 The use of `p` for pointer and `x` for a floating-point variable is conventional and non-confusing in a restricted scope.
21141 ##### Enforcement
21145 ### <a name="Rl-name"></a>NL.8: Use a consistent naming style
21147 **Rationale**: Consistence in naming and naming style increases readability.
21149 ##### Note
21151 There are many styles and when you use multiple libraries, you can't follow all their different conventions.
21152 Choose a "house style", but leave "imported" libraries with their original style.
21154 ##### Example
21156 ISO Standard, use lower case only and digits, separate words with underscores:
21158 * `int`
21159 * `vector`
21160 * `my_map`
21162 Avoid double underscores `__`.
21164 ##### Example
21166 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
21167 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
21169 * `int`
21170 * `vector`
21171 * `My_map`
21173 ##### Example
21175 CamelCase: capitalize each word in a multi-word identifier:
21177 * `int`
21178 * `vector`
21179 * `MyMap`
21180 * `myMap`
21182 Some conventions capitalize the first letter, some don't.
21184 ##### Note
21186 Try to be consistent in your use of acronyms and lengths of identifiers:
21188     int mtbf {12};
21189     int mean_time_between_failures {12}; // make up your mind
21191 ##### Enforcement
21193 Would be possible except for the use of libraries with varying conventions.
21195 ### <a name="Rl-all-caps"></a>NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only
21197 ##### Reason
21199 To avoid confusing macros with names that obey scope and type rules.
21201 ##### Example
21203     void f()
21204     {
21205         const int SIZE{1000};  // Bad, use 'size' instead
21206         int v[SIZE];
21207     }
21209 ##### Note
21211 This rule applies to non-macro symbolic constants:
21213     enum bad { BAD, WORSE, HORRIBLE }; // BAD
21215 ##### Enforcement
21217 * Flag macros with lower-case letters
21218 * Flag `ALL_CAPS` non-macro names
21220 ### <a name="Rl-camel"></a>NL.10: Prefer `underscore_style` names
21222 ##### Reason
21224 The use of underscores to separate parts of a name is the original C and C++ style and used in the C++ Standard Library.
21226 ##### Note
21228 This rule is a default to use only if you have a choice.
21229 Often, you don't have a choice and must follow an established style for [consistency](#Rl-name).
21230 The need for consistency beats personal taste.
21232 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21233 This rule was added after many requests for guidance.
21235 ##### Example
21237 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
21238 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
21240 * `int`
21241 * `vector`
21242 * `My_map`
21244 ##### Enforcement
21246 Impossible.
21248 ### <a name="Rl-literals"></a>NL.11: Make literals readable
21250 ##### Reason
21252 Readability.
21254 ##### Example
21256 Use digit separators to avoid long strings of digits
21258     auto c = 299'792'458; // m/s2
21259     auto q2 = 0b0000'1111'0000'0000;
21260     auto ss_number = 123'456'7890;
21262 ##### Example
21264 Use literal suffixes where clarification is needed
21266     auto hello = "Hello!"s; // a std::string
21267     auto world = "world";   // a C-style string
21268     auto interval = 100ms;  // using <chrono>
21270 ##### Note
21272 Literals should not be sprinkled all over the code as ["magic constants"](#Res-magic),
21273 but it is still a good idea to make them readable where they are defined.
21274 It is easy to make a typo in a long string of integers.
21276 ##### Enforcement
21278 Flag long digit sequences. The trouble is to define "long"; maybe 7.
21280 ### <a name="Rl-space"></a>NL.15: Use spaces sparingly
21282 ##### Reason
21284 Too much space makes the text larger and distracts.
21286 ##### Example, bad
21288     #include < map >
21290     int main(int argc, char * argv [ ])
21291     {
21292         // ...
21293     }
21295 ##### Example
21297     #include <map>
21299     int main(int argc, char* argv[])
21300     {
21301         // ...
21302     }
21304 ##### Note
21306 Some IDEs have their own opinions and add distracting space.
21308 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21309 This rule was added after many requests for guidance.
21311 ##### Note
21313 We value well-placed whitespace as a significant help for readability. Just don't overdo it.
21315 ### <a name="Rl-order"></a>NL.16: Use a conventional class member declaration order
21317 ##### Reason
21319 A conventional order of members improves readability.
21321 When declaring a class use the following order
21323 * types: classes, enums, and aliases (`using`)
21324 * constructors, assignments, destructor
21325 * functions
21326 * data
21328 Use the `public` before `protected` before `private` order.
21330 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21331 This rule was added after many requests for guidance.
21333 ##### Example
21335     class X {
21336     public:
21337         // interface
21338     protected:
21339         // unchecked function for use by derived class implementations
21340     private:
21341         // implementation details
21342     };
21344 ##### Example
21346 Sometimes, the default order of members conflicts with a desire to separate the public interface from implementation details.
21347 In such cases, private types and functions can be placed with private data.
21349     class X {
21350     public:
21351         // interface
21352     protected:
21353         // unchecked function for use by derived class implementations
21354     private:
21355         // implementation details (types, functions, and data)
21356     };
21358 ##### Example, bad
21360 Avoid multiple blocks of declarations of one access (e.g., `public`) dispersed among blocks of declarations with different access (e.g. `private`).
21362     class X {   // bad
21363     public:
21364         void f();
21365     public:
21366         int g();
21367         // ...
21368     };
21370 The use of macros to declare groups of members often leads to violation of any ordering rules.
21371 However, macros obscures what is being expressed anyway.
21373 ##### Enforcement
21375 Flag departures from the suggested order. There will be a lot of old code that doesn't follow this rule.
21377 ### <a name="Rl-knr"></a>NL.17: Use K&R-derived layout
21379 ##### Reason
21381 This is the original C and C++ layout. It preserves vertical space well. It distinguishes different language constructs (such as functions and classes) well.
21383 ##### Note
21385 In the context of C++, this style is often called "Stroustrup".
21387 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21388 This rule was added after many requests for guidance.
21390 ##### Example
21392     struct Cable {
21393         int x;
21394         // ...
21395     };
21397     double foo(int x)
21398     {
21399         if (0 < x) {
21400             // ...
21401         }
21403         switch (x) {
21404         case 0:
21405             // ...
21406             break;
21407         case amazing:
21408             // ...
21409             break;
21410         default:
21411             // ...
21412             break;
21413         }
21415         if (0 < x)
21416             ++x;
21418         if (x < 0)
21419             something();
21420         else
21421             something_else();
21423         return some_value;
21424     }
21426 Note the space between `if` and `(`
21428 ##### Note
21430 Use separate lines for each statement, the branches of an `if`, and the body of a `for`.
21432 ##### Note
21434 The `{` for a `class` and a `struct` is *not* on a separate line, but the `{` for a function is.
21436 ##### Note
21438 Capitalize the names of your user-defined types to distinguish them from standards-library types.
21440 ##### Note
21442 Do not capitalize function names.
21444 ##### Enforcement
21446 If you want enforcement, use an IDE to reformat.
21448 ### <a name="Rl-ptr"></a>NL.18: Use C++-style declarator layout
21450 ##### Reason
21452 The C-style layout emphasizes use in expressions and grammar, whereas the C++-style emphasizes types.
21453 The use in expressions argument doesn't hold for references.
21455 ##### Example
21457     T& operator[](size_t);   // OK
21458     T &operator[](size_t);   // just strange
21459     T & operator[](size_t);   // undecided
21461 ##### Note
21463 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21464 This rule was added after many requests for guidance.
21466 ##### Enforcement
21468 Impossible in the face of history.
21471 ### <a name="Rl-misread"></a>NL.19: Avoid names that are easily misread
21473 ##### Reason
21475 Readability.
21476 Not everyone has screens and printers that make it easy to distinguish all characters.
21477 We easily confuse similarly spelled and slightly misspelled words.
21479 ##### Example
21481     int oO01lL = 6; // bad
21483     int splunk = 7;
21484     int splonk = 8; // bad: splunk and splonk are easily confused
21486 ##### Enforcement
21490 ### <a name="Rl-stmt"></a>NL.20: Don't place two statements on the same line
21492 ##### Reason
21494 Readability.
21495 It is really easy to overlook a statement when there is more on a line.
21497 ##### Example
21499     int x = 7; char* p = 29;    // don't
21500     int x = 7; f(x);  ++x;      // don't
21502 ##### Enforcement
21504 Easy.
21506 ### <a name="Rl-dcl"></a>NL.21: Declare one name (only) per declaration
21508 ##### Reason
21510 Readability.
21511 Minimizing confusion with the declarator syntax.
21513 ##### Note
21515 For details, see [ES.10](#Res-name-one).
21518 ### <a name="Rl-void"></a>NL.25: Don't use `void` as an argument type
21520 ##### Reason
21522 It's verbose and only needed where C compatibility matters.
21524 ##### Example
21526     void f(void);   // bad
21528     void g();       // better
21530 ##### Note
21532 Even Dennis Ritchie deemed `void f(void)` an abomination.
21533 You can make an argument for that abomination in C when function prototypes were rare so that banning:
21535     int f();
21536     f(1, 2, "weird but valid C89");   // hope that f() is defined int f(a, b, c) char* c; { /* ... */ }
21538 would have caused major problems, but not in the 21st century and in C++.
21540 ### <a name="Rl-const"></a>NL.26: Use conventional `const` notation
21542 ##### Reason
21544 Conventional notation is more familiar to more programmers.
21545 Consistency in large code bases.
21547 ##### Example
21549     const int x = 7;    // OK
21550     int const y = 9;    // bad
21552     const int *const p = nullptr;   // OK, constant pointer to constant int
21553     int const *const p = nullptr;   // bad, constant pointer to constant int
21555 ##### Note
21557 We are well aware that you could claim the "bad" examples more logical than the ones marked "OK",
21558 but they also confuse more people, especially novices relying on teaching material using the far more common, conventional OK style.
21560 As ever, remember that the aim of these naming and layout rules is consistency and that aesthetics vary immensely.
21562 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21563 This rule was added after many requests for guidance.
21565 ##### Enforcement
21567 Flag `const` used as a suffix for a type.
21569 # <a name="S-faq"></a>FAQ: Answers to frequently asked questions
21571 This section covers answers to frequently asked questions about these guidelines.
21573 ### <a name="Faq-aims"></a>FAQ.1: What do these guidelines aim to achieve?
21575 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.
21577 ### <a name="Faq-announced"></a>FAQ.2: When and where was this work first announced?
21579 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).
21581 ### <a name="Faq-maintainers"></a>FAQ.3: Who are the authors and maintainers of these guidelines?
21583 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!"
21585 ### <a name="Faq-contribute"></a>FAQ.4: How can I contribute?
21587 See [CONTRIBUTING.md](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CONTRIBUTING.md). We appreciate volunteer help!
21589 ### <a name="Faq-maintainer"></a>FAQ.5: How can I become an editor/maintainer?
21591 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!
21593 ### <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?
21595 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.
21597 ### <a name="Faq-isocpp"></a>FAQ.7: If these guidelines are not approved by the committee, why are they under `github.com/isocpp`?
21599 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.
21601 ### <a name="Faq-cpp98"></a>FAQ.8: Will there be a C++98 version of these Guidelines? a C++11 version?
21603 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.
21605 ### <a name="Faq-language-extensions"></a>FAQ.9: Do these guidelines propose new language features?
21607 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.
21609 ### <a name="Faq-markdown"></a>FAQ.10: What version of Markdown do these guidelines use?
21611 These coding standards are written using [CommonMark](http://commonmark.org), and `<a>` HTML anchors.
21613 We are considering the following extensions from [GitHub Flavored Markdown (GFM)](https://help.github.com/articles/github-flavored-markdown/):
21615 * fenced code blocks (consistently using indented vs. fenced is under discussion)
21616 * tables (none yet but we'll likely need them, and this is a GFM extension)
21618 Avoid other HTML tags and other extensions.
21620 Note: We are not yet consistent with this style.
21622 ### <a name="Faq-gsl"></a>FAQ.50: What is the GSL (guidelines support library)?
21624 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.
21626 ### <a name="Faq-msgsl"></a>FAQ.51: Is [github.com/Microsoft/GSL](https://github.com/Microsoft/GSL) the GSL?
21628 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.
21630 ### <a name="Faq-gsl-implementation"></a>FAQ.52: Why not supply an actual GSL implementation in/with these guidelines?
21632 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.
21634 ### <a name="Faq-boost"></a>FAQ.53: Why weren't the GSL types proposed through Boost?
21636 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.
21638 ### <a name="Faq-gsl-iso"></a>FAQ.54: Has the GSL (guidelines support library) been approved by the ISO C++ standards committee?
21640 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.
21642 ### <a name="Faq-gsl-string-view"></a>FAQ.55: If you're using the standard types where available, why is the GSL `span<char>` 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`?
21644 The consensus on the taxonomy of views for the C++ Standard Library was that "view" means "read-only", and "span" means "read/write". If you only need a read-only view of characters that does not need guaranteed bounds-checking and you have C++17, use C++17 `std::string_view`. Otherwise, if you need a read-write view that does not need guaranteed bounds-checking and you have C++20, use C++20 `std::span<char>`. Otherwise, use `gsl::span<char>`.
21646 ### <a name="Faq-gsl-owner"></a>FAQ.56: Is `owner` the same as the proposed `observer_ptr`?
21648 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.
21650 ### <a name="Faq-gsl-stack-array"></a>FAQ.57: Is `stack_array` the same as the standard `array`?
21652 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.
21654 ### <a name="Faq-gsl-dyn-array"></a>FAQ.58: Is `dyn_array` the same as `vector` or the proposed `dynarray`?
21656 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.
21658 ### <a name="Faq-gsl-expects"></a>FAQ.59: Is `Expects` the same as `assert`?
21660 No. It is a placeholder for language support for contract preconditions.
21662 ### <a name="Faq-gsl-ensures"></a>FAQ.60: Is `Ensures` the same as `assert`?
21664 No. It is a placeholder for language support for contract postconditions.
21666 # <a name="S-libraries"></a>Appendix A: Libraries
21668 This section lists recommended libraries, and explicitly recommends a few.
21670 ??? Suitable for the general guide? I think not ???
21672 # <a name="S-modernizing"></a>Appendix B: Modernizing code
21674 Ideally, we follow all rules in all code.
21675 Realistically, we have to deal with a lot of old code:
21677 * application code written before the guidelines were formulated or known
21678 * libraries written to older/different standards
21679 * code written under "unusual" constraints
21680 * code that we just haven't gotten around to modernizing
21682 If we have a million lines of new code, the idea of "just changing it all at once" is typically unrealistic.
21683 Thus, we need a way of gradually modernizing a code base.
21685 Upgrading older code to modern style can be a daunting task.
21686 Often, the old code is both a mess (hard to understand) and working correctly (for the current range of uses).
21687 Typically, the original programmer is not around and the test cases incomplete.
21688 The fact that the code is a mess dramatically increases the effort needed to make any change and the risk of introducing errors.
21689 Often, messy old code runs unnecessarily slowly because it requires outdated compilers and cannot take advantage of modern hardware.
21690 In many cases, automated "modernizer"-style tool support would be required for major upgrade efforts.
21692 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.
21693 Making code "look pretty" or "follow modern style" are not by themselves reasons for change.
21694 There are risks implied by every change and costs (including the cost of lost opportunities) implied by having an outdated code base.
21695 The cost reductions must outweigh the risks.
21697 But how?
21699 There is no one approach to modernizing code.
21700 How best to do it depends on the code, the pressure for updates, the backgrounds of the developers, and the available tool.
21701 Here are some (very general) ideas:
21703 * The ideal is "just upgrade everything." That gives the most benefits for the shortest total time.
21704   In most circumstances, it is also impossible.
21705 * 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.
21706 * 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.
21707 * We could start by focusing on the interfaces, e.g., make sure that no resources are lost and no pointer is misused.
21708   This would be a set of changes across the whole code base, but would most likely have huge benefits.
21709   Afterwards, code hidden behind those interfaces can be gradually modernized without affecting other code.
21711 Whichever way you choose, please note that the most advantages come with the highest conformance to the guidelines.
21712 The guidelines are not a random set of unrelated rules where you can randomly pick and choose with an expectation of success.
21714 We would dearly love to hear about experience and about tools used.
21715 Modernization can be much faster, simpler, and safer when supported with analysis tools and even code transformation tools.
21717 # <a name="S-discussion"></a>Appendix C: Discussion
21719 This section contains follow-up material on rules and sets of rules.
21720 In particular, here we present further rationale, longer examples, and discussions of alternatives.
21722 ### <a name="Sd-order"></a>Discussion: Define and initialize member variables in the order of member declaration
21724 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.
21726     class Employee {
21727         string email, first, last;
21728     public:
21729         Employee(const char* firstName, const char* lastName);
21730         // ...
21731     };
21733     Employee::Employee(const char* firstName, const char* lastName)
21734       : first(firstName),
21735         last(lastName),
21736         // BAD: first and last not yet constructed
21737         email(first + "." + last + "@acme.com")
21738     {}
21740 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.
21742 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.
21744 **References**:
21746 [\[Cline99\]](#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
21748 ### <a name="Sd-init"></a>Discussion: Use of `=`, `{}`, and `()` as initializers
21752 ### <a name="Sd-factory"></a>Discussion: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
21754 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:
21756 * *Pass the buck:* Just document that user code must call the post-initialization function right after constructing an object.
21757 * *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.
21758 * *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).)
21759 * *Use a factory function:* This way, you can easily force a mandatory invocation of a post-constructor function.
21761 Here is an example of the last option:
21763     class B {
21764     public:
21765         B()
21766         {
21767             /* ... */
21768             f(); // BAD: C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
21769             /* ... */
21770         }
21772         virtual void f() = 0;
21773     };
21775     class B {
21776     protected:
21777         class Token {};
21779     public:
21780         // constructor needs to be public so that make_shared can access it.
21781         // protected access level is gained by requiring a Token.
21782         explicit B(Token) { /* ... */ }  // create an imperfectly initialized object
21783         virtual void f() = 0;
21785         template<class T>
21786         static shared_ptr<T> create()    // interface for creating shared objects
21787         {
21788             auto p = make_shared<T>(typename T::Token{});
21789             p->post_initialize();
21790             return p;
21791         }
21793     protected:
21794         virtual void post_initialize()   // called right after construction
21795             { /* ... */ f(); /* ... */ } // GOOD: virtual dispatch is safe
21796         }
21797     };
21800     class D : public B {                 // some derived class
21801     protected:
21802         class Token {};
21804     public:
21805         // constructor needs to be public so that make_shared can access it.
21806         // protected access level is gained by requiring a Token.
21807         explicit D(Token) : B{ B::Token{} } {}
21808         void f() override { /* ...  */ };
21810     protected:
21811         template<class T>
21812         friend shared_ptr<T> B::create();
21813     };
21815     shared_ptr<D> p = D::create<D>();    // creating a D object
21817 This design requires the following discipline:
21819 * Derived classes such as `D` must not expose a publicly callable constructor. Otherwise, `D`'s users could create `D` objects that don't invoke `post_initialize`.
21820 * Allocation is limited to `operator new`. `B` can, however, override `new` (see Items 45 and 46 in [SuttAlex05](#SuttAlex05)).
21821 * `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.
21823 If the requirements above are met, the design guarantees that `post_initialize` has been called for any fully constructed `B`-derived object. `post_initialize` doesn't need to be virtual; it can, however, invoke virtual functions freely.
21825 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).
21827 **References**: [\[Alexandrescu01\]](#Alexandrescu01) §3, [\[Boost\]](#Boost), [\[Dewhurst03\]](#Dewhurst03) §75, [\[Meyers97\]](#Meyers97) §46, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §15.4.3, [\[Taligent94\]](#Taligent94)
21829 ### <a name="Sd-dtor"></a>Discussion: Make base class destructors public and virtual, or protected and non-virtual
21831 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 non-virtual since it doesn't need to behave virtually.
21833 ##### Example
21835 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>`:
21837     class Base {
21838     public:
21839         ~Base();                   // BAD, not virtual
21840         virtual ~Base();           // GOOD
21841         // ...
21842     };
21844     class Derived : public Base { /* ... */ };
21846     {
21847         unique_ptr<Base> pb = make_unique<Derived>();
21848         // ...
21849     } // ~pb invokes correct destructor only when ~Base is virtual
21851 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 non-virtual:
21853     class My_policy {
21854     public:
21855         virtual ~My_policy();      // BAD, public and virtual
21856     protected:
21857         ~My_policy();              // GOOD
21858         // ...
21859     };
21861     template<class Policy>
21862     class customizable : Policy { /* ... */ }; // note: private inheritance
21864 ##### Note
21866 This simple guideline illustrates a subtle issue and reflects modern uses of inheritance and object-oriented design principles.
21868 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 non-virtual (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.
21870 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:
21872 * Whether it should behave virtually or not.
21873 * Whether it should be publicly available to all callers using a pointer to `Base` or else be a hidden internal implementation detail.
21875 As described in Item 39, for a normal member function, the choice is between allowing it to be called via a pointer to `Base` non-virtually (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.
21877 Destruction can be viewed as just another operation, albeit with special semantics that make non-virtual 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; "non-virtually" is not an option. Hence, a base class destructor is virtual if it can be called (i.e., is public), and non-virtual otherwise.
21879 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.)
21881 Corollary: When writing a base class, always write a destructor explicitly, because the implicitly generated one is public and non-virtual. 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.
21883 ##### Exception
21885 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.
21887 Consider also this rare case:
21889 * `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.
21890 * 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.
21892 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.
21894 In this rare case, you could make the destructor public and non-virtual but clearly document that further-derived objects must not be used polymorphically as `B`'s. This is what was done with `std::unary_function`.
21896 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 non-virtual destructor.
21898 **References**: [\[SuttAlex05\]](#SuttAlex05) 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
21900 ### <a name="Sd-noexcept"></a>Discussion: Usage of noexcept
21904 ### <a name="Sd-never-fail"></a>Discussion: Destructors, deallocation, and swap must never fail
21906 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 might throw an exception are flatly forbidden from use with the C++ Standard Library. Most destructors are now implicitly `noexcept` by default.
21908 ##### Example
21910     class Nefarious {
21911     public:
21912         Nefarious() { /* code that could throw */ }    // ok
21913         ~Nefarious() { /* code that could throw */ }   // BAD, should not throw
21914         // ...
21915     };
21917 1. `Nefarious` objects are hard to use safely even as local variables:
21920         void test(string& s)
21921         {
21922             Nefarious n;          // trouble brewing
21923             string copy = s;      // copy the string
21924         } // destroy copy and then n
21926     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.
21928 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 bad behavior:
21931         class Innocent_bystander {
21932             Nefarious member;     // oops, poisons the enclosing class's destructor
21933             // ...
21934         };
21936         void test(string& s)
21937         {
21938             Innocent_bystander i;  // more trouble brewing
21939             string copy2 = s;      // copy the string
21940         } // destroy copy and then i
21942     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`.
21944 3. You can't reliably create global or static `Nefarious` objects either:
21947         static Nefarious n;       // oops, any destructor exception can't be caught
21949 4. You can't reliably create arrays of `Nefarious`:
21952         void test()
21953         {
21954             std::array<Nefarious, 10> arr; // this line can std::terminate(!)
21955         }
21957     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.
21959 5. You can't use `Nefarious` objects in standard containers:
21962         std::vector<Nefarious> vec(10);   // this line can std::terminate()
21964     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.
21966 ##### Note
21968 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.
21970 Consider the following advice and requirements found in the C++ Standard:
21972 > 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)
21974 > 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)
21976 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.
21977 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`:
21979     T& T::operator=(const T& other)
21980     {
21981         auto temp = other;
21982         swap(temp);
21983         return *this;
21984     }
21986 (See also Item 56. ???)
21988 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).
21990 When using exceptions as your error handling mechanism, always document this behavior by declaring these functions `noexcept`. (See Item 75.)
21992 **References**: [\[SuttAlex05\]](#SuttAlex05) 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
21994 ## <a name="Sd-consistent"></a>Define Copy, move, and destroy consistently
21996 ##### Reason
21998  ???
22000 ##### Note
22002 If you define a copy constructor, you must also define a copy assignment operator.
22004 ##### Note
22006 If you define a move constructor, you must also define a move assignment operator.
22008 ##### Example
22010     class X {
22011     public:
22012         X(const X&) { /* stuff */ }
22014         // BAD: failed to also define a copy assignment operator
22016         X(x&&) noexcept { /* stuff */ }
22018         // BAD: failed to also define a move assignment operator
22020         // ...
22021     };
22023     X x1;
22024     X x2 = x1; // ok
22025     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22027 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.
22029     class X {
22030         HANDLE hnd;
22031         // ...
22032     public:
22033         ~X() { /* custom stuff, such as closing hnd */ }
22034         // suspicious: no mention of copying or moving -- what happens to hnd?
22035     };
22037     X x1;
22038     X x2 = x1; // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22039     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22041 If you define copying, and any base or member has a type that defines a move operation, you should also define a move operation.
22043     class X {
22044         string s; // defines more efficient move operations
22045         // ... other data members ...
22046     public:
22047         X(const X&) { /* stuff */ }
22048         X& operator=(const X&) { /* stuff */ }
22050         // BAD: failed to also define a move construction and move assignment
22051         // (why wasn't the custom "stuff" repeated here?)
22052     };
22054     X test()
22055     {
22056         X local;
22057         // ...
22058         return local;  // pitfall: will be inefficient and/or do the wrong thing
22059     }
22061 If you define any of the copy constructor, copy assignment operator, or destructor, you probably should define the others.
22063 ##### Note
22065 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:
22067 * 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.)
22068 * 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.
22069 * 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.
22071 In many cases, holding properly encapsulated resources using RAII "owning" objects can eliminate the need to write these operations yourself. (See Item 13.)
22073 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.
22075 **Exceptions**: When any of the special functions are declared only to make them non-public or virtual, but without special semantics, it doesn't imply that the others are needed.
22076 In rare cases, classes that have members of strange types (such as reference members) are an exception because they have peculiar copy semantics.
22077 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.)
22079 **References**: [\[SuttAlex05\]](#SuttAlex05) Item 52; [\[Cline99\]](#Cline99) §30.01-14, [\[Koenig97\]](#Koenig97) §4, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §5.5, §10.4, [\[SuttHysl04b\]](#SuttHysl04b)
22081 Resource management rule summary:
22083 * [Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource](#Cr-safety)
22084 * [Never throw while holding a resource not owned by a handle](#Cr-never)
22085 * [A "raw" pointer or reference is never a resource handle](#Cr-raw)
22086 * [Never let a pointer outlive the object it points to](#Cr-outlive)
22087 * [Use templates to express containers (and other resource handles)](#Cr-templates)
22088 * [Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)](#Cr-value-return)
22089 * [If a class is a resource handle, it needs a constructor, a destructor, and copy and/or move operations](#Cr-handle)
22090 * [If a class is a container, give it an initializer-list constructor](#Cr-list)
22092 ### <a name="Cr-safety"></a>Discussion: Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource
22094 ##### Reason
22096 Prevent leaks. Leaks can lead to performance degradation, mysterious error, system crashes, and security violations.
22098 **Alternative formulation**: Have every resource represented as an object of some class managing its lifetime.
22100 ##### Example
22102     template<class T>
22103     class Vector {
22104     private:
22105         T* elem;   // sz elements on the free store, owned by the class object
22106         int sz;
22107         // ...
22108     };
22110 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.).
22112 ##### Example
22114     ??? "odd" non-memory resource ???
22116 ##### Enforcement
22118 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.
22120 ### <a name="Cr-never"></a>Discussion: Never throw while holding a resource not owned by a handle
22122 ##### Reason
22124 That would be a leak.
22126 ##### Example
22128     void f(int i)
22129     {
22130         FILE* f = fopen("a file", "r");
22131         ifstream is { "another file" };
22132         // ...
22133         if (i == 0) return;
22134         // ...
22135         fclose(f);
22136     }
22138 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:
22140     void f(int i)
22141     {
22142         unique_ptr<FILE, int(*)(FILE*)> f(fopen("a file", "r"), fclose);
22143         // ...
22144         if (i == 0) return;
22145         // ...
22146     }
22148 Better:
22150     void f(int i)
22151     {
22152         ifstream input {"a file"};
22153         // ...
22154         if (i == 0) return;
22155         // ...
22156     }
22158 ##### Enforcement
22160 A checker must consider all "naked pointers" suspicious.
22161 A checker probably must rely on a human-provided list of resources.
22162 For starters, we know about the standard-library containers, `string`, and smart pointers.
22163 The use of `span` and `string_view` should help a lot (they are not resource handles).
22165 ### <a name="Cr-raw"></a>Discussion: A "raw" pointer or reference is never a resource handle
22167 ##### Reason
22169 To be able to distinguish owners from views.
22171 ##### Note
22173 This is independent of how you "spell" pointer: `T*`, `T&`, `Ptr<T>` and `Range<T>` are not owners.
22175 ### <a name="Cr-outlive"></a>Discussion: Never let a pointer outlive the object it points to
22177 ##### Reason
22179 To avoid extremely hard-to-find errors. Dereferencing such a pointer is undefined behavior and could lead to violations of the type system.
22181 ##### Example
22183     string* bad()   // really bad
22184     {
22185         vector<string> v = { "This", "will", "cause", "trouble", "!" };
22186         // leaking a pointer into a destroyed member of a destroyed object (v)
22187         return &v[0];
22188     }
22190     void use()
22191     {
22192         string* p = bad();
22193         vector<int> xx = {7, 8, 9};
22194         // undefined behavior: x might not be the string "This"
22195         string x = *p;
22196         // undefined behavior: we don't know what (if anything) is allocated a location p
22197         *p = "Evil!";
22198     }
22200 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`) might have been reallocated by the time `*p` is executed. There might be no `string` to read and a write through `p` could easily corrupt objects of unrelated types.
22202 ##### Enforcement
22204 Most compilers already warn about simple cases and have 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.
22206 ### <a name="Cr-templates"></a>Discussion: Use templates to express containers (and other resource handles)
22208 ##### Reason
22210 To provide statically type-safe manipulation of elements.
22212 ##### Example
22214     template<typename T> class Vector {
22215         // ...
22216         T* elem;   // point to sz elements of type T
22217         int sz;
22218     };
22220 ### <a name="Cr-value-return"></a>Discussion: Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)
22222 ##### Reason
22224 To simplify code and eliminate a need for explicit memory management. To bring an object into a surrounding scope, thereby extending its lifetime.
22226 **See also**: [F.20, the general item about "out" output values](#Rf-out)
22228 ##### Example
22230     vector<int> get_large_vector()
22231     {
22232         return ...;
22233     }
22235     auto v = get_large_vector(); //  return by value is ok, most modern compilers will do copy elision
22237 ##### Exception
22239 See the Exceptions in [F.20](#Rf-out).
22241 ##### Enforcement
22243 Check for pointers and references returned from functions and see if they are assigned to resource handles (e.g., to a `unique_ptr`).
22245 ### <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
22247 ##### Reason
22249 To provide complete control of the lifetime of the resource. To provide a coherent set of operations on the resource.
22251 ##### Example
22253     ??? Messing with pointers
22255 ##### Note
22257 If all members are resource handles, rely on the default special operations where possible.
22259     template<typename T> struct Named {
22260         string name;
22261         T value;
22262     };
22264 Now `Named` has a default constructor, a destructor, and efficient copy and move operations, provided `T` has.
22266 ##### Enforcement
22268 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.
22270 ### <a name="Cr-list"></a>Discussion: If a class is a container, give it an initializer-list constructor
22272 ##### Reason
22274 It is common to need an initial set of elements.
22276 ##### Example
22278     template<typename T> class Vector {
22279     public:
22280         Vector(std::initializer_list<T>);
22281         // ...
22282     };
22284     Vector<string> vs { "Nygaard", "Ritchie" };
22286 ##### Enforcement
22288 When is a class a container? ???
22290 # <a name="S-tools"></a>Appendix D: Supporting tools
22292 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
22293 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.
22295 ### <a name="St-clangtidy"></a>Tools: [Clang-tidy](http://clang.llvm.org/extra/clang-tidy/checks/list.html)
22297 Clang-tidy has a set of rules that specifically enforce the C++ Core Guidelines. These rules are named in the pattern `cppcoreguidelines-*`.
22299 ### <a name="St-cppcorecheck"></a>Tools: [CppCoreCheck](https://docs.microsoft.com/en-us/visualstudio/code-quality/using-the-cpp-core-guidelines-checkers)
22301 The Microsoft compiler's C++ code analysis contains a set of rules specifically aimed at enforcement of the C++ Core Guidelines.
22303 # <a name="S-glossary"></a>Glossary
22305 A relatively informal definition of terms used in the guidelines
22306 (based off the glossary in [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html))
22308 More information on many topics about C++ can be found on the [Standard C++ Foundation](https://isocpp.org)'s site.
22310 * *ABI*: Application Binary Interface, a specification for a specific hardware platform combined with the operating system. Contrast with API.
22311 * *abstract class*: a class that cannot be directly used to create objects; often used to define an interface to derived classes.
22312   A class is made abstract by having a pure virtual function or only protected constructors.
22313 * *abstraction*: a description of something that selectively and deliberately ignores (hides) details (e.g., implementation details); selective ignorance.
22314 * *address*: a value that allows us to find an object in a computer's memory.
22315 * *algorithm*: a procedure or formula for solving a problem; a finite series of computational steps to produce a result.
22316 * *alias*: an alternative way of referring to an object; often a name, pointer, or reference.
22317 * *API*: Application Programming Interface, a set of functions that form the communication between various software components. Contrast with ABI.
22318 * *application*: a program or a collection of programs that is considered an entity by its users.
22319 * *approximation*: something (e.g., a value or a design) that is close to the perfect or ideal (value or design).
22320   Often an approximation is a result of trade-offs among ideals.
22321 * *argument*: a value passed to a function or a template, in which it is accessed through a parameter.
22322 * *array*: a homogeneous sequence of elements, usually numbered, e.g., `[0:max)`.
22323 * *assertion*: a statement inserted into a program to state (assert) that something must always be true at this point in the program.
22324 * *base class*: a class used as the base of a class hierarchy. Typically a base class has one or more virtual functions.
22325 * *bit*: the basic unit of information in a computer. A bit can have the value 0 or the value 1.
22326 * *bug*: an error in a program.
22327 * *byte*: the basic unit of addressing in most computers. Typically, a byte holds 8 bits.
22328 * *class*: a user-defined type that can contain data members, function members, and member types.
22329 * *code*: a program or a part of a program; ambiguously used for both source code and object code.
22330 * *compiler*: a program that turns source code into object code.
22331 * *complexity*: a hard-to-precisely-define notion or measure of the difficulty of constructing a solution to a problem or of the solution itself.
22332   Sometimes complexity is used to (simply) mean an estimate of the number of operations needed to execute an algorithm.
22333 * *computation*: the execution of some code, usually taking some input and producing some output.
22334 * *concept*: (1) a notion, and idea; (2) a set of requirements, usually for a template argument.
22335 * *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
22336 (as opposed to a base class in a hierarchy).
22337 * *constant*: a value that cannot be changed (in a given scope); not mutable.
22338 * *constructor*: an operation that initializes ("constructs") an object.
22339   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).
22340 * *container*: an object that holds elements (other objects).
22341 * *copy*: an operation that makes two object have values that compare equal. See also move.
22342 * *correctness*: a program or a piece of a program is correct if it meets its specification.
22343   Unfortunately, a specification can be incomplete or inconsistent, or can fail to meet users' reasonable expectations.
22344   Thus, to produce acceptable code, we sometimes have to do more than just follow the formal specification.
22345 * *cost*: the expense (e.g., in programmer time, run time, or space) of producing a program or of executing it.
22346   Ideally, cost should be a function of complexity.
22347 * *customization point*: ???
22348 * *data*: values used in a computation.
22349 * *debugging*: the act of searching for and removing errors from a program; usually far less systematic than testing.
22350 * *declaration*: the specification of a name with its type in a program.
22351 * *definition*: a declaration of an entity that supplies all information necessary to complete a program using the entity.
22352   Simplified definition: a declaration that allocates memory.
22353 * *derived class*: a class derived from one or more base classes.
22354 * *design*: an overall description of how a piece of software should operate to meet its specification.
22355 * *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.
22356 * *encapsulation*: protecting something meant to be private (e.g., implementation details) from unauthorized access.
22357 * *error*: a mismatch between reasonable expectations of program behavior (often expressed as a requirement or a users' guide) and what a program actually does.
22358 * *executable*: a program ready to be run (executed) on a computer.
22359 * *feature creep*: a tendency to add excess functionality to a program "just in case."
22360 * *file*: a container of permanent information in a computer.
22361 * *floating-point number*: a computer's approximation of a real number, such as 7.93 and 10.78e-3.
22362 * *function*: a named unit of code that can be invoked (called) from different parts of a program; a logical unit of computation.
22363 * *generic programming*: a style of programming focused on the design and efficient implementation of algorithms.
22364   A generic algorithm will work for all argument types that meet its requirements. In C++, generic programming typically uses templates.
22365 * *global variable*: technically, a named object in namespace scope.
22366 * *handle*: a class that allows access to another through a member pointer or reference. See also resource, copy, move.
22367 * *header*: a file containing declarations used to share interfaces between parts of a program.
22368 * *hiding*: the act of preventing a piece of information from being directly seen or accessed.
22369   For example, a name from a nested (inner) scope can prevent that same name from an outer (enclosing) scope from being directly used.
22370 * *ideal*: the perfect version of something we are striving for. Usually we have to make trade-offs and settle for an approximation.
22371 * *implementation*: (1) the act of writing and testing code; (2) the code that implements a program.
22372 * *infinite loop*: a loop where the termination condition never becomes true. See iteration.
22373 * *infinite recursion*: a recursion that doesn't end until the machine runs out of memory to hold the calls.
22374   In reality, such recursion is never infinite but is terminated by some hardware error.
22375 * *information hiding*: the act of separating interface and implementation, thus hiding implementation details not meant for the user's attention and providing an abstraction.
22376 * *initialize*: giving an object its first (initial) value.
22377 * *input*: values used by a computation (e.g., function arguments and characters typed on a keyboard).
22378 * *integer*: a whole number, such as 42 and -99.
22379 * *interface*: a declaration or a set of declarations specifying how a piece of code (such as a function or a class) can be called.
22380 * *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.
22381 * *iteration*: the act of repeatedly executing a piece of code; see recursion.
22382 * *iterator*: an object that identifies an element of a sequence.
22383 * *ISO*: International Organization for Standardization. The C++ language is an ISO standard, ISO/IEC 14882. More information at [iso.org](http://iso.org).
22384 * *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.
22385 * *lifetime*: the time from the initialization of an object until it becomes unusable (goes out of scope, is deleted, or the program terminates).
22386 * *linker*: a program that combines object code files and libraries into an executable program.
22387 * *literal*: a notation that directly specifies a value, such as 12 specifying the integer value "twelve."
22388 * *loop*: a piece of code executed repeatedly; in C++, typically a for-statement or a `while`-statement.
22389 * *move*: an operation that transfers a value from one object to another leaving behind a value representing "empty." See also copy.
22390 * *mutable*: changeable; the opposite of immutable, constant, and invariable.
22391 * *object*: (1) an initialized region of memory of a known type which holds a value of that type; (2) a region of memory.
22392 * *object code*: output from a compiler intended as input for a linker (for the linker to produce executable code).
22393 * *object file*: a file containing object code.
22394 * *object-oriented programming*: (OOP) a style of programming focused on the design and use of classes and class hierarchies.
22395 * *operation*: something that can perform some action, such as a function and an operator.
22396 * *output*: values produced by a computation (e.g., a function result or lines of characters written on a screen).
22397 * *overflow*: producing a value that cannot be stored in its intended target.
22398 * *overload*: defining two functions or operators with the same name but different argument (operand) types.
22399 * *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.
22400 * *owner*: an object responsible for releasing a resource.
22401 * *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.
22402 * *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.
22403 * *pointer*: (1) a value used to identify a typed object in memory; (2) a variable holding such a value.
22404 * *post-condition*: a condition that must hold upon exit from a piece of code, such as a function or a loop.
22405 * *pre-condition*: a condition that must hold upon entry into a piece of code, such as a function or a loop.
22406 * *program*: code (possibly with associated data) that is sufficiently complete to be executed by a computer.
22407 * *programming*: the art of expressing solutions to problems as code.
22408 * *programming language*: a language for expressing programs.
22409 * *pseudo code*: a description of a computation written in an informal notation rather than a programming language.
22410 * *pure virtual function*: a virtual function that must be overridden in a derived class.
22411 * *RAII*: ("Resource Acquisition Is Initialization") a basic technique for resource management based on scopes.
22412 * *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.
22413 * *recursion*: the act of a function calling itself; see also iteration.
22414 * *reference*: (1) a value describing the location of a typed value in memory; (2) a variable holding such a value.
22415 * *regular expression*: a notation for patterns in character strings.
22416 * *regular*: a type that behaves similarly to built-in types like `int` and can be compared with `==`.
22417 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*.
22418 * *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.
22419 * *resource*: something that is acquired and must later be released, such as a file handle, a lock, or memory. See also handle, owner.
22420 * *rounding*: conversion of a value to the mathematically nearest value of a less precise type.
22421 * *RTTI*: Run-Time Type Information. ???
22422 * *scope*: the region of program text (source code) in which a name can be referred to.
22423 * *semiregular*: a type that behaves roughly like an built-in type like `int`, but possibly without a `==` operator. See also *regular type*.
22424 * *sequence*: elements that can be visited in a linear order.
22425 * *software*: a collection of pieces of code and associated data; often used interchangeably with program.
22426 * *source code*: code as produced by a programmer and (in principle) readable by other programmers.
22427 * *source file*: a file containing source code.
22428 * *specification*: a description of what a piece of code should do.
22429 * *standard*: an officially agreed upon definition of something, such as a programming language.
22430 * *state*: a set of values.
22431 * *STL*: the containers, iterators, and algorithms part of the standard library.
22432 * *string*: a sequence of characters.
22433 * *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.
22434 * *subtype*: derived type; a type that has all the properties of a type and possibly more.
22435 * *supertype*: base type; a type that has a subset of the properties of a type.
22436 * *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.
22437 * *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.
22438 * *template*: a class or a function parameterized by one or more types or (compile-time) values; the basic C++ language construct supporting generic programming.
22439 * *testing*: a systematic search for errors in a program.
22440 * *trade-off*: the result of balancing several design and implementation criteria.
22441 * *truncation*: loss of information in a conversion from a type into another that cannot exactly represent the value to be converted.
22442 * *type*: something that defines a set of possible values and a set of operations for an object.
22443 * *uninitialized*: the (undefined) state of an object before it is initialized.
22444 * *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.
22445 * *use case*: a specific (typically simple) use of a program meant to test its functionality and demonstrate its purpose.
22446 * *value*: a set of bits in memory interpreted according to a type.
22447 * *variable*: a named object of a given type; contains a value unless uninitialized.
22448 * *virtual function*: a member function that can be overridden in a derived class.
22449 * *word*: a basic unit of memory in a computer, often the unit used to hold an integer.
22451 # <a name="S-unclassified"></a>To-do: Unclassified proto-rules
22453 This is our to-do list.
22454 Eventually, the entries will become rules or parts of rules.
22455 Alternatively, we will decide that no change is needed and delete the entry.
22457 * No long-distance friendship
22458 * Should physical design (what's in a file) and large-scale design (libraries, groups of libraries) be addressed?
22459 * Namespaces
22460 * Avoid using directives in the global scope (except for std, and other "fundamental" namespaces (e.g. experimental))
22461 * 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?
22462 * Should there be inline namespaces (à la `std::literals::*_literals`)?
22463 * Avoid implicit conversions
22464 * 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
22465 * Always initialize variables, use initialization lists for member variables.
22466 * 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. :)
22467 * Use `const`-ness wherever possible: member functions, variables and (yippee) `const_iterators`
22468 * Use `auto`
22469 * `(size)` vs. `{initializers}` vs. `{Extent{size}}`
22470 * Don't overabstract
22471 * Never pass a pointer down the call stack
22472 * falling through a function bottom
22473 * 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?
22474 * 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?
22475 * Speaking of lambdas, what would weigh in on the decision between lambdas and (local?) classes in algorithm calls and other callback scenarios?
22476 * 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?
22477 * What to do with leaks out of temporaries? : `p = (s1 + s2).c_str();`
22478 * pointer/iterator invalidation leading to dangling pointers:
22480         void bad()
22481         {
22482             int* p = new int[700];
22483             int* q = &p[7];
22484             delete p;
22486             vector<int> v(700);
22487             int* q2 = &v[7];
22488             v.resize(900);
22490             // ... use q and q2 ...
22491         }
22493 * LSP
22494 * private inheritance vs/and membership
22495 * avoid static class members variables (race conditions, almost-global variables)
22497 * Use RAII lock guards (`lock_guard`, `unique_lock`, `shared_lock`), never call `mutex.lock` and `mutex.unlock` directly (RAII)
22498 * Prefer non-recursive locks (often used to work around bad reasoning, overhead)
22499 * 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`?
22500 * If two or more mutexes must be acquired at the same time, use `std::lock` (or another deadlock avoidance algorithm?)
22501 * 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.
22502 * 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)
22503 * 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)
22504 * 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)
22506 * rules for arithmetic
22508 # Bibliography
22510 * <a name="Abrahams01"></a>
22511   \[Abrahams01]:  D. Abrahams. [Exception-Safety in Generic Components](http://www.boost.org/community/exception_safety.html).
22512 * <a name="Alexandrescu01"></a>
22513   \[Alexandrescu01]:  A. Alexandrescu. Modern C++ Design (Addison-Wesley, 2001).
22514 * <a name="Cplusplus03"></a>
22515   \[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).
22516 * <a name="Cargill92"></a>
22517   \[Cargill92]:       T. Cargill. C++ Programming Style (Addison-Wesley, 1992).
22518 * <a name="Cline99"></a>
22519   \[Cline99]:         M. Cline, G. Lomow, and M. Girou. C++ FAQs (2ndEdition) (Addison-Wesley, 1999).
22520 * <a name="Dewhurst03"></a>
22521   \[Dewhurst03]:      S. Dewhurst. C++ Gotchas (Addison-Wesley, 2003).
22522 * <a name="Henricson97"></a>
22523   \[Henricson97]:     M. Henricson and E. Nyquist. Industrial Strength C++ (Prentice Hall, 1997).
22524 * <a name="Koenig97"></a>
22525   \[Koenig97]:        A. Koenig and B. Moo. Ruminations on C++ (Addison-Wesley, 1997).
22526 * <a name="Lakos96"></a>
22527   \[Lakos96]:         J. Lakos. Large-Scale C++ Software Design (Addison-Wesley, 1996).
22528 * <a name="Meyers96"></a>
22529   \[Meyers96]:        S. Meyers. More Effective C++ (Addison-Wesley, 1996).
22530 * <a name="Meyers97"></a>
22531   \[Meyers97]:        S. Meyers. Effective C++ (2nd Edition) (Addison-Wesley, 1997).
22532 * <a name="Meyers01"></a>
22533   \[Meyers01]:        S. Meyers. Effective STL (Addison-Wesley, 2001).
22534 * <a name="Meyers05"></a>
22535   \[Meyers05]:        S. Meyers. Effective C++ (3rd Edition) (Addison-Wesley, 2005).
22536 * <a name="Meyers15"></a>
22537   \[Meyers15]:        S. Meyers. Effective Modern C++ (O'Reilly, 2015).
22538 * <a name="Murray93"></a>
22539   \[Murray93]:        R. Murray. C++ Strategies and Tactics (Addison-Wesley, 1993).
22540 * <a name="Stroustrup94"></a>
22541   \[Stroustrup94]:    B. Stroustrup. The Design and Evolution of C++ (Addison-Wesley, 1994).
22542 * <a name="Stroustrup00"></a>
22543   \[Stroustrup00]:    B. Stroustrup. The C++ Programming Language (Special 3rdEdition) (Addison-Wesley, 2000).
22544 * <a name="Stroustrup05"></a>
22545   \[Stroustrup05]:    B. Stroustrup. [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
22546 * <a name="Stroustrup13"></a>
22547   \[Stroustrup13]:    B. Stroustrup. [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html). Addison Wesley 2013.
22548 * <a name="Stroustrup14"></a>
22549   \[Stroustrup14]:    B. Stroustrup. [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
22550   Addison Wesley 2014.
22551 * <a name="Stroustrup15"></a>
22552   \[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).
22553 * <a name="SuttHysl04b"></a>
22554   \[SuttHysl04b]:     H. Sutter and J. Hyslop. [Collecting Shared Objects](https://web.archive.org/web/20120926011837/http://www.drdobbs.com/collecting-shared-objects/184401839) (C/C++ Users Journal, 22(8), August 2004).
22555 * <a name="SuttAlex05"></a>
22556   \[SuttAlex05]:      H. Sutter and  A. Alexandrescu. C++ Coding Standards. Addison-Wesley 2005.
22557 * <a name="Sutter00"></a>
22558   \[Sutter00]:        H. Sutter. Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2000).
22559 * <a name="Sutter02"></a>
22560   \[Sutter02]:        H. Sutter. More Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2002).
22561 * <a name="Sutter04"></a>
22562   \[Sutter04]:        H. Sutter. Exceptional C++ Style (Addison-Wesley, 2004).
22563 * <a name="Taligent94"></a>
22564   \[Taligent94]: Taligent's Guide to Designing Programs (Addison-Wesley, 1994).