Clarify "concrete type" and make type category descriptions consistent (closes #1780...
[CppCoreGuidelines.git] / CppCoreGuidelines.md
blobcbd5c2e66de473c3ba050bc7b31ae02b493d43df
1 # <a name="main"></a>C++ Core Guidelines
3 June 17, 2021
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 and optionally with a message (following usual C++11 standard attribute syntax):
373     [[gsl::suppress(tag, justification: "message")]]
375 where
377 * `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
378 name of a profile group-of-rules ("type", "bounds", or "lifetime"),
379 or a specific rule in a profile ([type.4](#Pro-type-cstylecast), or [bounds.2](#Pro-bounds-arrayindex))
381 * `"message"` is a string literal
383 ## <a name="SS-struct"></a>In.struct: The structure of this document
385 Each rule (guideline, suggestion) can have several parts:
387 * The rule itself -- e.g., **no naked `new`**
388 * A rule reference number -- e.g., **C.7** (the 7th rule related to classes).
389   Since the major sections are not inherently ordered, we use letters as the first part of a rule reference "number".
390   We leave gaps in the numbering to minimize "disruption" when we add or remove rules.
391 * **Reason**s (rationales) -- because programmers find it hard to follow rules they don't understand
392 * **Example**s -- because rules are hard to understand in the abstract; can be positive or negative
393 * **Alternative**s -- for "don't do this" rules
394 * **Exception**s -- we prefer simple general rules. However, many rules apply widely, but not universally, so exceptions must be listed
395 * **Enforcement** -- ideas about how the rule might be checked "mechanically"
396 * **See also**s -- references to related rules and/or further discussion (in this document or elsewhere)
397 * **Note**s (comments) -- something that needs saying that doesn't fit the other classifications
398 * **Discussion** -- references to more extensive rationale and/or examples placed outside the main lists of rules
400 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.
401 We hope that "mechanical" tools will improve with time to approximate what such an expert programmer notices.
402 Also, we assume that the rules will be refined over time to make them more precise and checkable.
404 A rule is aimed at being simple, rather than carefully phrased to mention every alternative and special case.
405 Such information is found in the **Alternative** paragraphs and the [Discussion](#S-discussion) sections.
406 If you don't understand a rule or disagree with it, please visit its **Discussion**.
407 If you feel that a discussion is missing or incomplete, enter an [Issue](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/issues)
408 explaining your concerns and possibly a corresponding PR.
410 Examples are written to illustrate rules.
412 * Examples are not intended to be production quality or to cover all tutorial dimensions.
413 For example, many examples are language-technical and use names like `f`, `base`, and `x`.
414 * We try to ensure that "good" examples follow the Core Guidelines.
415 * Comments are often illustrating rules where they would be unnecessary and/or distracting in "real code."
416 * We assume knowledge of the standard library. For example, we use plain `vector` rather than `std::vector`.
418 This is not a language manual.
419 It is meant to be helpful, rather than complete, fully accurate on technical details, or a guide to existing code.
420 Recommended information sources can be found in [the references](#S-references).
422 ## <a name="SS-sec"></a>In.sec: Major sections
424 * [In: Introduction](#S-introduction)
425 * [P: Philosophy](#S-philosophy)
426 * [I: Interfaces](#S-interfaces)
427 * [F: Functions](#S-functions)
428 * [C: Classes and class hierarchies](#S-class)
429 * [Enum: Enumerations](#S-enum)
430 * [R: Resource management](#S-resource)
431 * [ES: Expressions and statements](#S-expr)
432 * [Per: Performance](#S-performance)
433 * [CP: Concurrency and parallelism](#S-concurrency)
434 * [E: Error handling](#S-errors)
435 * [Con: Constants and immutability](#S-const)
436 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
437 * [CPL: C-style programming](#S-cpl)
438 * [SF: Source files](#S-source)
439 * [SL: The Standard Library](#S-stdlib)
441 Supporting sections:
443 * [A: Architectural ideas](#S-A)
444 * [NR: Non-Rules and myths](#S-not)
445 * [RF: References](#S-references)
446 * [Pro: Profiles](#S-profile)
447 * [GSL: Guidelines support library](#S-gsl)
448 * [NL: Naming and layout rules](#S-naming)
449 * [FAQ: Answers to frequently asked questions](#S-faq)
450 * [Appendix A: Libraries](#S-libraries)
451 * [Appendix B: Modernizing code](#S-modernizing)
452 * [Appendix C: Discussion](#S-discussion)
453 * [Appendix D: Supporting tools](#S-tools)
454 * [Glossary](#S-glossary)
455 * [To-do: Unclassified proto-rules](#S-unclassified)
457 These sections are not orthogonal.
459 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.
460 The main section abbreviations are also used in rule numbers (e.g., "C.11" for "Make concrete types regular").
462 # <a name="S-philosophy"></a>P: Philosophy
464 The rules in this section are very general.
466 Philosophy rules summary:
468 * [P.1: Express ideas directly in code](#Rp-direct)
469 * [P.2: Write in ISO Standard C++](#Rp-Cplusplus)
470 * [P.3: Express intent](#Rp-what)
471 * [P.4: Ideally, a program should be statically type safe](#Rp-typesafe)
472 * [P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking](#Rp-compile-time)
473 * [P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time](#Rp-run-time)
474 * [P.7: Catch run-time errors early](#Rp-early)
475 * [P.8: Don't leak any resources](#Rp-leak)
476 * [P.9: Don't waste time or space](#Rp-waste)
477 * [P.10: Prefer immutable data to mutable data](#Rp-mutable)
478 * [P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code](#Rp-library)
479 * [P.12: Use supporting tools as appropriate](#Rp-tools)
480 * [P.13: Use support libraries as appropriate](#Rp-lib)
482 Philosophical rules are generally not mechanically checkable.
483 However, individual rules reflecting these philosophical themes are.
484 Without a philosophical basis, the more concrete/specific/checkable rules lack rationale.
486 ### <a name="Rp-direct"></a>P.1: Express ideas directly in code
488 ##### Reason
490 Compilers don't read comments (or design documents) and neither do many programmers (consistently).
491 What is expressed in code has defined semantics and can (in principle) be checked by compilers and other tools.
493 ##### Example
495     class Date {
496     public:
497         Month month() const;  // do
498         int month();          // don't
499         // ...
500     };
502 The first declaration of `month` is explicit about returning a `Month` and about not modifying the state of the `Date` object.
503 The second version leaves the reader guessing and opens more possibilities for uncaught bugs.
505 ##### Example, bad
507 This loop is a restricted form of `std::find`:
509     void f(vector<string>& v)
510     {
511         string val;
512         cin >> val;
513         // ...
514         int index = -1;                    // bad, plus should use gsl::index
515         for (int i = 0; i < v.size(); ++i) {
516             if (v[i] == val) {
517                 index = i;
518                 break;
519             }
520         }
521         // ...
522     }
524 ##### Example, good
526 A much clearer expression of intent would be:
528     void f(vector<string>& v)
529     {
530         string val;
531         cin >> val;
532         // ...
533         auto p = find(begin(v), end(v), val);  // better
534         // ...
535     }
537 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.
539 A C++ programmer should know the basics of the standard library, and use it where appropriate.
540 Any programmer should know the basics of the foundation libraries of the project being worked on, and use them appropriately.
541 Any programmer using these guidelines should know the [guidelines support library](#S-gsl), and use it appropriately.
543 ##### Example
545     change_speed(double s);   // bad: what does s signify?
546     // ...
547     change_speed(2.3);
549 A better approach is to be explicit about the meaning of the double (new speed or delta on old speed?) and the unit used:
551     change_speed(Speed s);    // better: the meaning of s is specified
552     // ...
553     change_speed(2.3);        // error: no unit
554     change_speed(23_m / 10s);  // meters per second
556 We could have accepted a plain (unit-less) `double` as a delta, but that would have been error-prone.
557 If we wanted both absolute speed and deltas, we would have defined a `Delta` type.
559 ##### Enforcement
561 Very hard in general.
563 * use `const` consistently (check if member functions modify their object; check if functions modify arguments passed by pointer or reference)
564 * flag uses of casts (casts neuter the type system)
565 * detect code that mimics the standard library (hard)
567 ### <a name="Rp-Cplusplus"></a>P.2: Write in ISO Standard C++
569 ##### Reason
571 This is a set of guidelines for writing ISO Standard C++.
573 ##### Note
575 There are environments where extensions are necessary, e.g., to access system resources.
576 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.
578 Extensions often do not have rigorously defined semantics.  Even extensions that
579 are common and implemented by multiple compilers might have slightly different
580 behaviors and edge case behavior as a direct result of *not* having a rigorous
581 standard definition.  With sufficient use of any such extension, expected
582 portability will be impacted.
584 ##### Note
586 Using valid ISO C++ does not guarantee portability (let alone correctness).
587 Avoid dependence on undefined behavior (e.g., [undefined order of evaluation](#Res-order))
588 and be aware of constructs with implementation defined meaning (e.g., `sizeof(int)`).
590 ##### Note
592 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.
593 In such cases, control their (dis)use with an extension of these Coding Guidelines customized to the specific environment.
595 ##### Enforcement
597 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.
599 ### <a name="Rp-what"></a>P.3: Express intent
601 ##### Reason
603 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.
605 ##### Example
607     gsl::index i = 0;
608     while (i < v.size()) {
609         // ... do something with v[i] ...
610     }
612 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.
614 Better:
616     for (const auto& x : v) { /* do something with the value of x */ }
618 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:
620     for (auto& x : v) { /* modify x */ }
622 For more details about for-statements, see [ES.71](#Res-for-range).
623 Sometimes better still, use a named algorithm. This example uses the `for_each` from the Ranges TS because it directly expresses the intent:
625     for_each(v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
626     for_each(par, v, [](int x) { /* do something with the value of x */ });
628 The last variant makes it clear that we are not interested in the order in which the elements of `v` are handled.
630 A programmer should be familiar with
632 * [The guidelines support library](#S-gsl)
633 * [The ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
634 * Whatever foundation libraries are used for the current project(s)
636 ##### Note
638 Alternative formulation: Say what should be done, rather than just how it should be done.
640 ##### Note
642 Some language constructs express intent better than others.
644 ##### Example
646 If two `int`s are meant to be the coordinates of a 2D point, say so:
648     draw_line(int, int, int, int);  // obscure
649     draw_line(Point, Point);        // clearer
651 ##### Enforcement
653 Look for common patterns for which there are better alternatives
655 * simple `for` loops vs. range-`for` loops
656 * `f(T*, int)` interfaces vs. `f(span<T>)` interfaces
657 * loop variables in too large a scope
658 * naked `new` and `delete`
659 * functions with many parameters of built-in types
661 There is a huge scope for cleverness and semi-automated program transformation.
663 ### <a name="Rp-typesafe"></a>P.4: Ideally, a program should be statically type safe
665 ##### Reason
667 Ideally, a program would be completely statically (compile-time) type safe.
668 Unfortunately, that is not possible. Problem areas:
670 * unions
671 * casts
672 * array decay
673 * range errors
674 * narrowing conversions
676 ##### Note
678 These areas are sources of serious problems (e.g., crashes and security violations).
679 We try to provide alternative techniques.
681 ##### Enforcement
683 We can ban, restrain, or detect the individual problem categories separately, as required and feasible for individual programs.
684 Always suggest an alternative.
685 For example:
687 * unions -- use `variant` (in C++17)
688 * casts -- minimize their use; templates can help
689 * array decay -- use `span` (from the GSL)
690 * range errors -- use `span`
691 * narrowing conversions -- minimize their use and use `narrow` or `narrow_cast` (from the GSL) where they are necessary
693 ### <a name="Rp-compile-time"></a>P.5: Prefer compile-time checking to run-time checking
695 ##### Reason
697 Code clarity and performance.
698 You don't need to write error handlers for errors caught at compile time.
700 ##### Example
702     // Int is an alias used for integers
703     int bits = 0;         // don't: avoidable code
704     for (Int i = 1; i; i <<= 1)
705         ++bits;
706     if (bits < 32)
707         cerr << "Int too small\n";
709 This example fails to achieve what it is trying to achieve (because overflow is undefined) and should be replaced with a simple `static_assert`:
711     // Int is an alias used for integers
712     static_assert(sizeof(Int) >= 4);    // do: compile-time check
714 Or better still just use the type system and replace `Int` with `int32_t`.
716 ##### Example
718     void read(int* p, int n);   // read max n integers into *p
720     int a[100];
721     read(a, 1000);    // bad, off the end
723 better
725     void read(span<int> r); // read into the range of integers r
727     int a[100];
728     read(a);        // better: let the compiler figure out the number of elements
730 **Alternative formulation**: Don't postpone to run time what can be done well at compile time.
732 ##### Enforcement
734 * Look for pointer arguments.
735 * Look for run-time checks for range violations.
737 ### <a name="Rp-run-time"></a>P.6: What cannot be checked at compile time should be checkable at run time
739 ##### Reason
741 Leaving hard-to-detect errors in a program is asking for crashes and bad results.
743 ##### Note
745 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).
747 ##### Example, bad
749     // separately compiled, possibly dynamically loaded
750     extern void f(int* p);
752     void g(int n)
753     {
754         // bad: the number of elements is not passed to f()
755         f(new int[n]);
756     }
758 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.
760 ##### Example, bad
762 We can of course pass the number of elements along with the pointer:
764     // separately compiled, possibly dynamically loaded
765     extern void f2(int* p, int n);
767     void g2(int n)
768     {
769         f2(new int[n], m);  // bad: a wrong number of elements can be passed to f()
770     }
772 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.
774 Also, it is implicit that `f2()` is supposed to `delete` its argument (or did the caller make a second mistake?).
776 ##### Example, bad
778 The standard library resource management pointers fail to pass the size when they point to an object:
780     // separately compiled, possibly dynamically loaded
781     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
782     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
783     extern void f3(unique_ptr<int[]>, int n);
785     void g3(int n)
786     {
787         f3(make_unique<int[]>(n), m);    // bad: pass ownership and size separately
788     }
790 ##### Example
792 We need to pass the pointer and the number of elements as an integral object:
794     extern void f4(vector<int>&);   // separately compiled, possibly dynamically loaded
795     extern void f4(span<int>);      // separately compiled, possibly dynamically loaded
796                                     // NB: this assumes the calling code is ABI-compatible, using a
797                                     // compatible C++ compiler and the same stdlib implementation
799     void g3(int n)
800     {
801         vector<int> v(n);
802         f4(v);                     // pass a reference, retain ownership
803         f4(span<int>{v});          // pass a view, retain ownership
804     }
806 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.
808 ##### Example
810 How do we transfer both ownership and all information needed for validating use?
812     vector<int> f5(int n)    // OK: move
813     {
814         vector<int> v(n);
815         // ... initialize v ...
816         return v;
817     }
819     unique_ptr<int[]> f6(int n)    // bad: loses n
820     {
821         auto p = make_unique<int[]>(n);
822         // ... initialize *p ...
823         return p;
824     }
826     owner<int*> f7(int n)    // bad: loses n and we might forget to delete
827     {
828         owner<int*> p = new int[n];
829         // ... initialize *p ...
830         return p;
831     }
833 ##### Example
835 * ???
836 * show how possible checks are avoided by interfaces that pass polymorphic base classes around, when they actually know what they need?
837   Or strings as "free-style" options
839 ##### Enforcement
841 * Flag (pointer, count)-style interfaces (this will flag a lot of examples that can't be fixed for compatibility reasons)
842 * ???
844 ### <a name="Rp-early"></a>P.7: Catch run-time errors early
846 ##### Reason
848 Avoid "mysterious" crashes.
849 Avoid errors leading to (possibly unrecognized) wrong results.
851 ##### Example
853     void increment1(int* p, int n)    // bad: error-prone
854     {
855         for (int i = 0; i < n; ++i) ++p[i];
856     }
858     void use1(int m)
859     {
860         const int n = 10;
861         int a[n] = {};
862         // ...
863         increment1(a, m);   // maybe typo, maybe m <= n is supposed
864                             // but assume that m == 20
865         // ...
866     }
868 Here we made a small error in `use1` that will lead to corrupted data or a crash.
869 The (pointer, count)-style interface leaves `increment1()` with no realistic way of defending itself against out-of-range errors.
870 If we could check subscripts for out of range access, then the error would not be discovered until `p[10]` was accessed.
871 We could check earlier and improve the code:
873     void increment2(span<int> p)
874     {
875         for (int& x : p) ++x;
876     }
878     void use2(int m)
879     {
880         const int n = 10;
881         int a[n] = {};
882         // ...
883         increment2({a, m});    // maybe typo, maybe m <= n is supposed
884         // ...
885     }
887 Now, `m <= n` can be checked at the point of call (early) rather than later.
888 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):
890     void use3(int m)
891     {
892         const int n = 10;
893         int a[n] = {};
894         // ...
895         increment2(a);   // the number of elements of a need not be repeated
896         // ...
897     }
899 ##### Example, bad
901 Don't repeatedly check the same value. Don't pass structured data as strings:
903     Date read_date(istream& is);    // read date from istream
905     Date extract_date(const string& s);    // extract date from string
907     void user1(const string& date)    // manipulate date
908     {
909         auto d = extract_date(date);
910         // ...
911     }
913     void user2()
914     {
915         Date d = read_date(cin);
916         // ...
917         user1(d.to_string());
918         // ...
919     }
921 The date is validated twice (by the `Date` constructor) and passed as a character string (unstructured data).
923 ##### Example
925 Excess checking can be costly.
926 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)`).
928     class Jet {    // Physics says: e * e < x * x + y * y + z * z
929         float x;
930         float y;
931         float z;
932         float e;
933     public:
934         Jet(float x, float y, float z, float e)
935             :x(x), y(y), z(z), e(e)
936         {
937             // Should I check here that the values are physically meaningful?
938         }
940         float m() const
941         {
942             // Should I handle the degenerate case here?
943             return sqrt(x * x + y * y + z * z - e * e);
944         }
946         ???
947     };
949 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.
953 ##### Enforcement
955 * Look at pointers and arrays: Do range-checking early and not repeatedly
956 * Look at conversions: Eliminate or mark narrowing conversions
957 * Look for unchecked values coming from input
958 * Look for structured data (objects of classes with invariants) being converted into strings
959 * ???
961 ### <a name="Rp-leak"></a>P.8: Don't leak any resources
963 ##### Reason
965 Even a slow growth in resources will, over time, exhaust the availability of those resources.
966 This is particularly important for long-running programs, but is an essential piece of responsible programming behavior.
968 ##### Example, bad
970     void f(char* name)
971     {
972         FILE* input = fopen(name, "r");
973         // ...
974         if (something) return;   // bad: if something == true, a file handle is leaked
975         // ...
976         fclose(input);
977     }
979 Prefer [RAII](#Rr-raii):
981     void f(char* name)
982     {
983         ifstream input {name};
984         // ...
985         if (something) return;   // OK: no leak
986         // ...
987     }
989 **See also**: [The resource management section](#S-resource)
991 ##### Note
993 A leak is colloquially "anything that isn't cleaned up."
994 The more important classification is "anything that can no longer be cleaned up."
995 For example, allocating an object on the heap and then losing the last pointer that points to that allocation.
996 This rule should not be taken as requiring that allocations within long-lived objects must be returned during program shutdown.
997 For example, relying on system guaranteed cleanup such as file closing and memory deallocation upon process shutdown can simplify code.
998 However, relying on abstractions that implicitly clean up can be as simple, and often safer.
1000 ##### Note
1002 Enforcing [the lifetime safety profile](#SS-lifetime) eliminates leaks.
1003 When combined with resource safety provided by [RAII](#Rr-raii), it eliminates the need for "garbage collection" (by generating no garbage).
1004 Combine this with enforcement of [the type and bounds profiles](#SS-force) and you get complete type- and resource-safety, guaranteed by tools.
1006 ##### Enforcement
1008 * Look at pointers: Classify them into non-owners (the default) and owners.
1009   Where feasible, replace owners with standard-library resource handles (as in the example above).
1010   Alternatively, mark an owner as such using `owner` from [the GSL](#S-gsl).
1011 * Look for naked `new` and `delete`
1012 * Look for known resource allocating functions returning raw pointers (such as `fopen`, `malloc`, and `strdup`)
1014 ### <a name="Rp-waste"></a>P.9: Don't waste time or space
1016 ##### Reason
1018 This is C++.
1020 ##### Note
1022 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.
1023 "Another benefit of striving for efficiency is that the process forces you to understand the problem in more depth." - Alex Stepanov
1025 ##### Example, bad
1027     struct X {
1028         char ch;
1029         int i;
1030         string s;
1031         char ch2;
1033         X& operator=(const X& a);
1034         X(const X&);
1035     };
1037     X waste(const char* p)
1038     {
1039         if (!p) throw Nullptr_error{};
1040         int n = strlen(p);
1041         auto buf = new char[n];
1042         if (!buf) throw Allocation_error{};
1043         for (int i = 0; i < n; ++i) buf[i] = p[i];
1044         // ... manipulate buffer ...
1045         X x;
1046         x.ch = 'a';
1047         x.s = string(n);    // give x.s space for *p
1048         for (gsl::index i = 0; i < x.s.size(); ++i) x.s[i] = buf[i];  // copy buf into x.s
1049         delete[] buf;
1050         return x;
1051     }
1053     void driver()
1054     {
1055         X x = waste("Typical argument");
1056         // ...
1057     }
1059 Yes, this is a caricature, but we have seen every individual mistake in production code, and worse.
1060 Note that the layout of `X` guarantees that at least 6 bytes (and most likely more) are wasted.
1061 The spurious definition of copy operations disables move semantics so that the return operation is slow
1062 (please note that the Return Value Optimization, RVO, is not guaranteed here).
1063 The use of `new` and `delete` for `buf` is redundant; if we really needed a local string, we should use a local `string`.
1064 There are several more performance bugs and gratuitous complication.
1066 ##### Example, bad
1068     void lower(zstring s)
1069     {
1070         for (int i = 0; i < strlen(s); ++i) s[i] = tolower(s[i]);
1071     }
1073 This is actually an example from production code.
1074 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.
1076 ##### Note
1078 An individual example of waste is rarely significant, and where it is significant, it is typically easily eliminated by an expert.
1079 However, waste spread liberally across a code base can easily be significant and experts are not always as available as we would like.
1080 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.
1081 After that, we can look at waste related to algorithms and requirements, but that is beyond the scope of these guidelines.
1083 ##### Enforcement
1085 Many more specific rules aim at the overall goals of simplicity and elimination of gratuitous waste.
1087 * 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.)
1090 ### <a name="Rp-mutable"></a>P.10: Prefer immutable data to mutable data
1092 ##### Reason
1094 It is easier to reason about constants than about variables.
1095 Something immutable cannot change unexpectedly.
1096 Sometimes immutability enables better optimization.
1097 You can't have a data race on a constant.
1099 See [Con: Constants and immutability](#S-const)
1101 ### <a name="Rp-library"></a>P.11: Encapsulate messy constructs, rather than spreading through the code
1103 ##### Reason
1105 Messy code is more likely to hide bugs and harder to write.
1106 A good interface is easier and safer to use.
1107 Messy, low-level code breeds more such code.
1109 ##### Example
1111     int sz = 100;
1112     int* p = (int*) malloc(sizeof(int) * sz);
1113     int count = 0;
1114     // ...
1115     for (;;) {
1116         // ... read an int into x, exit loop if end of file is reached ...
1117         // ... check that x is valid ...
1118         if (count == sz)
1119             p = (int*) realloc(p, sizeof(int) * sz * 2);
1120         p[count++] = x;
1121         // ...
1122     }
1124 This is low-level, verbose, and error-prone.
1125 For example, we "forgot" to test for memory exhaustion.
1126 Instead, we could use `vector`:
1128     vector<int> v;
1129     v.reserve(100);
1130     // ...
1131     for (int x; cin >> x; ) {
1132         // ... check that x is valid ...
1133         v.push_back(x);
1134     }
1136 ##### Note
1138 The standards library and the GSL are examples of this philosophy.
1139 For example, instead of messing with the arrays, unions, cast, tricky lifetime issues, `gsl::owner`, etc.,
1140 that are needed to implement key abstractions, such as `vector`, `span`, `lock_guard`, and `future`, we use the libraries
1141 designed and implemented by people with more time and expertise than we usually have.
1142 Similarly, we can and should design and implement more specialized libraries, rather than leaving the users (often ourselves)
1143 with the challenge of repeatedly getting low-level code well.
1144 This is a variant of the [subset of superset principle](#R0) that underlies these guidelines.
1146 ##### Enforcement
1148 * Look for "messy code" such as complex pointer manipulation and casting outside the implementation of abstractions.
1151 ### <a name="Rp-tools"></a>P.12: Use supporting tools as appropriate
1153 ##### Reason
1155 There are many things that are done better "by machine".
1156 Computers don't tire or get bored by repetitive tasks.
1157 We typically have better things to do than repeatedly do routine tasks.
1159 ##### Example
1161 Run a static analyzer to verify that your code follows the guidelines you want it to follow.
1163 ##### Note
1167 * [Static analysis tools](???)
1168 * [Concurrency tools](#Rconc-tools)
1169 * [Testing tools](???)
1171 There are many other kinds of tools, such as source code repositories, build tools, etc.,
1172 but those are beyond the scope of these guidelines.
1174 ##### Note
1176 Be careful not to become dependent on over-elaborate or over-specialized tool chains.
1177 Those can make your otherwise portable code non-portable.
1180 ### <a name="Rp-lib"></a>P.13: Use support libraries as appropriate
1182 ##### Reason
1184 Using a well-designed, well-documented, and well-supported library saves time and effort;
1185 its quality and documentation are likely to be greater than what you could do
1186 if the majority of your time must be spent on an implementation.
1187 The cost (time, effort, money, etc.) of a library can be shared over many users.
1188 A widely used library is more likely to be kept up-to-date and ported to new systems than an individual application.
1189 Knowledge of a widely-used library can save time on other/future projects.
1190 So, if a suitable library exists for your application domain, use it.
1192 ##### Example
1194     std::sort(begin(v), end(v), std::greater<>());
1196 Unless you are an expert in sorting algorithms and have plenty of time,
1197 this is more likely to be correct and to run faster than anything you write for a specific application.
1198 You need a reason not to use the standard library (or whatever foundational libraries your application uses) rather than a reason to use it.
1200 ##### Note
1202 By default use
1204 * The [ISO C++ Standard Library](#S-stdlib)
1205 * The [Guidelines Support Library](#S-gsl)
1207 ##### Note
1209 If no well-designed, well-documented, and well-supported library exists for an important domain,
1210 maybe you should design and implement it, and then use it.
1213 # <a name="S-interfaces"></a>I: Interfaces
1215 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.
1216 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.
1218 Interface rule summary:
1220 * [I.1: Make interfaces explicit](#Ri-explicit)
1221 * [I.2: Avoid non-`const` global variables](#Ri-global)
1222 * [I.3: Avoid singletons](#Ri-singleton)
1223 * [I.4: Make interfaces precisely and strongly typed](#Ri-typed)
1224 * [I.5: State preconditions (if any)](#Ri-pre)
1225 * [I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions](#Ri-expects)
1226 * [I.7: State postconditions](#Ri-post)
1227 * [I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions](#Ri-ensures)
1228 * [I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts](#Ri-concepts)
1229 * [I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task](#Ri-except)
1230 * [I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)](#Ri-raw)
1231 * [I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`](#Ri-nullptr)
1232 * [I.13: Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
1233 * [I.22: Avoid complex initialization of global objects](#Ri-global-init)
1234 * [I.23: Keep the number of function arguments low](#Ri-nargs)
1235 * [I.24: Avoid adjacent parameters that can be invoked by the same arguments in either order with different meaning](#Ri-unrelated)
1236 * [I.25: Prefer empty abstract classes as interfaces to class hierarchies](#Ri-abstract)
1237 * [I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset](#Ri-abi)
1238 * [I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom](#Ri-pimpl)
1239 * [I.30: Encapsulate rule violations](#Ri-encapsulate)
1241 **See also**:
1243 * [F: Functions](#S-functions)
1244 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
1245 * [C.hier: Class hierarchies](#SS-hier)
1246 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
1247 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
1248 * [E: Error handling](#S-errors)
1249 * [T: Templates and generic programming](#S-templates)
1251 ### <a name="Ri-explicit"></a>I.1: Make interfaces explicit
1253 ##### Reason
1255 Correctness. Assumptions not stated in an interface are easily overlooked and hard to test.
1257 ##### Example, bad
1259 Controlling the behavior of a function through a global (namespace scope) variable (a call mode) is implicit and potentially confusing. For example:
1261     int round(double d)
1262     {
1263         return (round_up) ? ceil(d) : d;    // don't: "invisible" dependency
1264     }
1266 It will not be obvious to a caller that the meaning of two calls of `round(7.2)` might give different results.
1268 ##### Exception
1270 Sometimes we control the details of a set of operations by an environment variable, e.g., normal vs. verbose output or debug vs. optimized.
1271 The use of a non-local control is potentially confusing, but controls only implementation details of otherwise fixed semantics.
1273 ##### Example, bad
1275 Reporting through non-local variables (e.g., `errno`) is easily ignored. For example:
1277     // don't: no test of printf's return value
1278     fprintf(connection, "logging: %d %d %d\n", x, y, s);
1280 What if the connection goes down so that no logging output is produced? See I.???.
1282 **Alternative**: Throw an exception. An exception cannot be ignored.
1284 **Alternative formulation**: Avoid passing information across an interface through non-local or implicit state.
1285 Note that non-`const` member functions pass information to other member functions through their object's state.
1287 **Alternative formulation**: An interface should be a function or a set of functions.
1288 Functions can be function templates and sets of functions can be classes or class templates.
1290 ##### Enforcement
1292 * (Simple) A function should not make control-flow decisions based on the values of variables declared at namespace scope.
1293 * (Simple) A function should not write to variables declared at namespace scope.
1295 ### <a name="Ri-global"></a>I.2: Avoid non-`const` global variables
1297 ##### Reason
1299 Non-`const` global variables hide dependencies and make the dependencies subject to unpredictable changes.
1301 ##### Example
1303     struct Data {
1304         // ... lots of stuff ...
1305     } data;            // non-const data
1307     void compute()     // don't
1308     {
1309         // ... use data ...
1310     }
1312     void output()     // don't
1313     {
1314         // ... use data ...
1315     }
1317 Who else might modify `data`?
1319 **Warning**: The initialization of global objects is not totally ordered.
1320 If you use a global object initialize it with a constant.
1321 Note that it is possible to get undefined initialization order even for `const` objects.
1323 ##### Exception
1325 A global object is often better than a singleton.
1327 ##### Note
1329 Global constants are useful.
1331 ##### Note
1333 The rule against global variables applies to namespace scope variables as well.
1335 **Alternative**: If you use global (more generally namespace scope) data to avoid copying, consider passing the data as an object by reference to `const`.
1336 Another solution is to define the data as the state of some object and the operations as member functions.
1338 **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.
1339 Every pointer or reference to mutable data is a potential data race.
1341 Using global pointers or references to access and change non-const, and otherwise non-global,
1342 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.
1344 ##### Note
1346 You cannot have a race condition on immutable data.
1348 **References**: See the [rules for calling functions](#SS-call).
1350 ##### Note
1352 The rule is "avoid", not "don't use." Of course there will be (rare) exceptions, such as `cin`, `cout`, and `cerr`.
1354 ##### Enforcement
1356 (Simple) Report all non-`const` variables declared at namespace scope and global pointers/references to non-const data.
1359 ### <a name="Ri-singleton"></a>I.3: Avoid singletons
1361 ##### Reason
1363 Singletons are basically complicated global objects in disguise.
1365 ##### Example
1367     class Singleton {
1368         // ... lots of stuff to ensure that only one Singleton object is created,
1369         // that it is initialized properly, etc.
1370     };
1372 There are many variants of the singleton idea.
1373 That's part of the problem.
1375 ##### Note
1377 If you don't want a global object to change, declare it `const` or `constexpr`.
1379 ##### Exception
1381 You can use the simplest "singleton" (so simple that it is often not considered a singleton) to get initialization on first use, if any:
1383     X& myX()
1384     {
1385         static X my_x {3};
1386         return my_x;
1387     }
1389 This is one of the most effective solutions to problems related to initialization order.
1390 In a multi-threaded environment, the initialization of the static object does not introduce a race condition
1391 (unless you carelessly access a shared object from within its constructor).
1393 Note that the initialization of a local `static` does not imply a race condition.
1394 However, if the destruction of `X` involves an operation that needs to be synchronized we must use a less simple solution.
1395 For example:
1397     X& myX()
1398     {
1399         static auto p = new X {3};
1400         return *p;  // potential leak
1401     }
1403 Now someone must `delete` that object in some suitably thread-safe way.
1404 That's error-prone, so we don't use that technique unless
1406 * `myX` is in multi-threaded code,
1407 * that `X` object needs to be destroyed (e.g., because it releases a resource), and
1408 * `X`'s destructor's code needs to be synchronized.
1410 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.
1412 ##### Enforcement
1414 Very hard in general.
1416 * Look for classes with names that include `singleton`.
1417 * Look for classes for which only a single object is created (by counting objects or by examining constructors).
1418 * 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.
1420 ### <a name="Ri-typed"></a>I.4: Make interfaces precisely and strongly typed
1422 ##### Reason
1424 Types are the simplest and best documentation, improve legibility due to their well-defined meaning, and are checked at compile time.
1425 Also, precisely typed code is often optimized better.
1427 ##### Example, don't
1429 Consider:
1431     void pass(void* data);    // weak and under qualified type void* is suspicious
1433 Callers are unsure what types are allowed and if the data may
1434 be mutated as `const` is not specified. Note all pointer types
1435 implicitly convert to void*, so it is easy for callers to provide this value.
1437 The callee must `static_cast` data to an unverified type to use it.
1438 That is error-prone and verbose.
1440 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.
1442 **Alternative**: Often, a template parameter can eliminate the `void*` turning it into a `T*` or `T&`.
1443 For generic code these `T`s can be general or concept constrained template parameters.
1445 ##### Example, bad
1447 Consider:
1449     draw_rect(100, 200, 100, 500); // what do the numbers specify?
1451     draw_rect(p.x, p.y, 10, 20); // what units are 10 and 20 in?
1453 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?
1455 Comments and parameter names can help, but we could be explicit:
1457     void draw_rectangle(Point top_left, Point bottom_right);
1458     void draw_rectangle(Point top_left, Size height_width);
1460     draw_rectangle(p, Point{10, 20});  // two corners
1461     draw_rectangle(p, Size{10, 20});   // one corner and a (height, width) pair
1463 Obviously, we cannot catch all errors through the static type system
1464 (e.g., the fact that a first argument is supposed to be a top-left point is left to convention (naming and comments)).
1466 ##### Example, bad
1468 Consider:
1470     set_settings(true, false, 42); // what do the numbers specify?
1472 The parameter types and their values do not communicate what settings are being specified or what those values mean.
1474 This design is more explicit, safe and legible:
1476     alarm_settings s{};
1477     s.enabled = true;
1478     s.displayMode = alarm_settings::mode::spinning_light;
1479     s.frequency = alarm_settings::every_10_seconds;
1480     set_settings(s);
1482 For the case of a set of boolean values consider using a flags enum; a pattern that expresses a set of boolean values.
1484     enable_lamp_options(lamp_option::on | lamp_option::animate_state_transitions);
1486 ##### Example, bad
1488 In the following example, it is not clear from the interface what `time_to_blink` means: Seconds? Milliseconds?
1490     void blink_led(int time_to_blink) // bad -- the unit is ambiguous
1491     {
1492         // ...
1493         // do something with time_to_blink
1494         // ...
1495     }
1497     void use()
1498     {
1499         blink_led(2);
1500     }
1502 ##### Example, good
1504 `std::chrono::duration` types helps making the unit of time duration explicit.
1506     void blink_led(milliseconds time_to_blink) // good -- the unit is explicit
1507     {
1508         // ...
1509         // do something with time_to_blink
1510         // ...
1511     }
1513     void use()
1514     {
1515         blink_led(1500ms);
1516     }
1518 The function can also be written in such a way that it will accept any time duration unit.
1520     template<class rep, class period>
1521     void blink_led(duration<rep, period> time_to_blink) // good -- accepts any unit
1522     {
1523         // assuming that millisecond is the smallest relevant unit
1524         auto milliseconds_to_blink = duration_cast<milliseconds>(time_to_blink);
1525         // ...
1526         // do something with milliseconds_to_blink
1527         // ...
1528     }
1530     void use()
1531     {
1532         blink_led(2s);
1533         blink_led(1500ms);
1534     }
1536 ##### Enforcement
1538 * (Simple) Report the use of `void*` as a parameter or return type.
1539 * (Simple) Report the use of more than one `bool` parameter.
1540 * (Hard to do well) Look for functions that use too many primitive type arguments.
1542 ### <a name="Ri-pre"></a>I.5: State preconditions (if any)
1544 ##### Reason
1546 Arguments have meaning that might constrain their proper use in the callee.
1548 ##### Example
1550 Consider:
1552     double sqrt(double x);
1554 Here `x` must be non-negative. The type system cannot (easily and naturally) express that, so we must use other means. For example:
1556     double sqrt(double x); // x must be non-negative
1558 Some preconditions can be expressed as assertions. For example:
1560     double sqrt(double x) { Expects(x >= 0); /* ... */ }
1562 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).
1564 **References**: `Expects()` is described in [GSL](#S-gsl).
1566 ##### Note
1568 Prefer a formal specification of requirements, such as `Expects(p);`.
1569 If that is infeasible, use English text in comments, such as `// the sequence [p:q) is ordered using <`.
1571 ##### Note
1573 Most member functions have as a precondition that some class invariant holds.
1574 That invariant is established by a constructor and must be reestablished upon exit by every member function called from outside the class.
1575 We don't need to mention it for each member function.
1577 ##### Enforcement
1579 (Not enforceable)
1581 **See also**: The rules for passing pointers. ???
1583 ### <a name="Ri-expects"></a>I.6: Prefer `Expects()` for expressing preconditions
1585 ##### Reason
1587 To make it clear that the condition is a precondition and to enable tool use.
1589 ##### Example
1591     int area(int height, int width)
1592     {
1593         Expects(height > 0 && width > 0);            // good
1594         if (height <= 0 || width <= 0) my_error();   // obscure
1595         // ...
1596     }
1598 ##### Note
1600 Preconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1601 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?).
1603 ##### Note
1605 Preconditions should be part of the interface rather than part of the implementation,
1606 but we don't yet have the language facilities to do that.
1607 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.
1609 ##### Note
1611 `Expects()` can also be used to check a condition in the middle of an algorithm.
1613 ##### Note
1615 No, using `unsigned` is not a good way to sidestep the problem of [ensuring that a value is non-negative](#Res-nonnegative).
1617 ##### Enforcement
1619 (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.
1621 ### <a name="Ri-post"></a>I.7: State postconditions
1623 ##### Reason
1625 To detect misunderstandings about the result and possibly catch erroneous implementations.
1627 ##### Example, bad
1629 Consider:
1631     int area(int height, int width) { return height * width; }  // bad
1633 Here, we (incautiously) left out the precondition specification, so it is not explicit that height and width must be positive.
1634 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.
1635 Overflow can happen.
1636 Consider using:
1638     int area(int height, int width)
1639     {
1640         auto res = height * width;
1641         Ensures(res > 0);
1642         return res;
1643     }
1645 ##### Example, bad
1647 Consider a famous security bug:
1649     void f()    // problematic
1650     {
1651         char buffer[MAX];
1652         // ...
1653         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1654     }
1656 There was no postcondition stating that the buffer should be cleared and the optimizer eliminated the apparently redundant `memset()` call:
1658     void f()    // better
1659     {
1660         char buffer[MAX];
1661         // ...
1662         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
1663         Ensures(buffer[0] == 0);
1664     }
1666 ##### Note
1668 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.
1670 ##### Note
1672 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.
1674 ##### Example
1676 Consider a function that manipulates a `Record`, using a `mutex` to avoid race conditions:
1678     mutex m;
1680     void manipulate(Record& r)    // don't
1681     {
1682         m.lock();
1683         // ... no m.unlock() ...
1684     }
1686 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.
1687 Stating the postcondition would have made it clear:
1689     void manipulate(Record& r)    // postcondition: m is unlocked upon exit
1690     {
1691         m.lock();
1692         // ... no m.unlock() ...
1693     }
1695 The bug is now obvious (but only to a human reading comments).
1697 Better still, use [RAII](#Rr-raii) to ensure that the postcondition ("the lock must be released") is enforced in code:
1699     void manipulate(Record& r)    // best
1700     {
1701         lock_guard<mutex> _ {m};
1702         // ...
1703     }
1705 ##### Note
1707 Ideally, postconditions are stated in the interface/declaration so that users can easily see them.
1708 Only postconditions related to the users can be stated in the interface.
1709 Postconditions related only to internal state belongs in the definition/implementation.
1711 ##### Enforcement
1713 (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check
1714 directly in the general case. Domain specific checkers (like lock-holding
1715 checkers) exist for many toolchains.
1717 ### <a name="Ri-ensures"></a>I.8: Prefer `Ensures()` for expressing postconditions
1719 ##### Reason
1721 To make it clear that the condition is a postcondition and to enable tool use.
1723 ##### Example
1725     void f()
1726     {
1727         char buffer[MAX];
1728         // ...
1729         memset(buffer, 0, MAX);
1730         Ensures(buffer[0] == 0);
1731     }
1733 ##### Note
1735 Postconditions can be stated in many ways, including comments, `if`-statements, and `assert()`.
1736 This can make them hard to distinguish from ordinary code, hard to update, hard to manipulate by tools, and might have the wrong semantics.
1738 **Alternative**: Postconditions of the form "this resource must be released" are best expressed by [RAII](#Rr-raii).
1740 ##### Note
1742 Ideally, that `Ensures` should be part of the interface, but that's not easily done.
1743 For now, we place it in the definition (function body).
1744 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.
1746 ##### Enforcement
1748 (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.
1750 ### <a name="Ri-concepts"></a>I.9: If an interface is a template, document its parameters using concepts
1752 ##### Reason
1754 Make the interface precisely specified and compile-time checkable in the (not so distant) future.
1756 ##### Example
1758 Use the C++20 style of requirements specification. For example:
1760     template<typename Iter, typename Val>
1761     // requires InputIterator<Iter> && EqualityComparable<ValueType<Iter>, Val>
1762     Iter find(Iter first, Iter last, Val v)
1763     {
1764         // ...
1765     }
1767 ##### Note
1769 Soon (in C++20), all compilers will be able to check `requires` clauses once the `//` is removed.
1770 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
1772 **See also**: [Generic programming](#SS-GP) and [concepts](#SS-concepts).
1774 ##### Enforcement
1776 (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).
1778 ### <a name="Ri-except"></a>I.10: Use exceptions to signal a failure to perform a required task
1780 ##### Reason
1782 It should not be possible to ignore an error because that could leave the system or a computation in an undefined (or unexpected) state.
1783 This is a major source of errors.
1785 ##### Example
1787     int printf(const char* ...);    // bad: return negative number if output fails
1789     template<class F, class ...Args>
1790     // good: throw system_error if unable to start the new thread
1791     explicit thread(F&& f, Args&&... args);
1793 ##### Note
1795 What is an error?
1797 An error means that the function cannot achieve its advertised purpose (including establishing postconditions).
1798 Calling code that ignores an error could lead to wrong results or undefined systems state.
1799 For example, not being able to connect to a remote server is not by itself an error:
1800 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.
1801 However, if failing to make a connection is considered an error, then a failure should throw an exception.
1803 ##### Exception
1805 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.
1807 ##### Alternative
1809 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:
1811     int val;
1812     int error_code;
1813     tie(val, error_code) = do_something();
1814     if (error_code) {
1815         // ... handle the error or exit ...
1816     }
1817     // ... use val ...
1819 This style unfortunately leads to uninitialized variables.
1820 Since C++17 the "structured bindings" feature can be used to initialize variables directly from the return value:
1822     auto [val, error_code] = do_something();
1823     if (error_code) {
1824         // ... handle the error or exit ...
1825     }
1826     // ... use val ...
1828 ##### Note
1830 We don't consider "performance" a valid reason not to use exceptions.
1832 * Often, explicit error checking and handling consume as much time and space as exception handling.
1833 * Often, cleaner code yields better performance with exceptions (simplifying the tracing of paths through the program and their optimization).
1834 * A good rule for performance critical code is to move checking outside the [critical](#Rper-critical) part of the code.
1835 * In the longer term, more regular code gets better optimized.
1836 * Always carefully [measure](#Rper-measure) before making performance claims.
1838 **See also**: [I.5](#Ri-pre) and [I.7](#Ri-post) for reporting precondition and postcondition violations.
1840 ##### Enforcement
1842 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
1843 * Look for `errno`.
1845 ### <a name="Ri-raw"></a>I.11: Never transfer ownership by a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`)
1847 ##### Reason
1849 If there is any doubt whether the caller or the callee owns an object, leaks or premature destruction will occur.
1851 ##### Example
1853 Consider:
1855     X* compute(args)    // don't
1856     {
1857         X* res = new X{};
1858         // ...
1859         return res;
1860     }
1862 Who deletes the returned `X`? The problem would be harder to spot if `compute` returned a reference.
1863 Consider returning the result by value (use move semantics if the result is large):
1865     vector<double> compute(args)  // good
1866     {
1867         vector<double> res(10000);
1868         // ...
1869         return res;
1870     }
1872 **Alternative**: [Pass ownership](#Rr-smartptrparam) using a "smart pointer", such as `unique_ptr` (for exclusive ownership) and `shared_ptr` (for shared ownership).
1873 However, that is less elegant and often less efficient than returning the object itself,
1874 so use smart pointers only if reference semantics are needed.
1876 **Alternative**: Sometimes older code can't be modified because of ABI compatibility requirements or lack of resources.
1877 In that case, mark owning pointers using `owner` from the [guidelines support library](#S-gsl):
1879     owner<X*> compute(args)    // It is now clear that ownership is transferred
1880     {
1881         owner<X*> res = new X{};
1882         // ...
1883         return res;
1884     }
1886 This tells analysis tools that `res` is an owner.
1887 That is, its value must be `delete`d or transferred to another owner, as is done here by the `return`.
1889 `owner` is used similarly in the implementation of resource handles.
1891 ##### Note
1893 Every object passed as a raw pointer (or iterator) is assumed to be owned by the
1894 caller, so that its lifetime is handled by the caller. Viewed another way:
1895 ownership transferring APIs are relatively rare compared to pointer-passing APIs,
1896 so the default is "no ownership transfer."
1898 **See also**: [Argument passing](#Rf-conventional), [use of smart pointer arguments](#Rr-smartptrparam), and [value return](#Rf-value-return).
1900 ##### Enforcement
1902 * (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>`.
1903 * (Simple) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner` pointer on every code path.
1904 * (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.
1906 ### <a name="Ri-nullptr"></a>I.12: Declare a pointer that must not be null as `not_null`
1908 ##### Reason
1910 To help avoid dereferencing `nullptr` errors.
1911 To improve performance by avoiding redundant checks for `nullptr`.
1913 ##### Example
1915     int length(const char* p);            // it is not clear whether length(nullptr) is valid
1917     length(nullptr);                      // OK?
1919     int length(not_null<const char*> p);  // better: we can assume that p cannot be nullptr
1921     int length(const char* p);            // we must assume that p can be nullptr
1923 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.
1925 ##### Note
1927 `not_null` is defined in the [guidelines support library](#S-gsl).
1929 ##### Note
1931 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*`.
1933     // we can assume that p cannot be nullptr
1934     // we can assume that p points to a zero-terminated array of characters
1935     int length(not_null<zstring> p);
1937 Note: `length()` is, of course, `std::strlen()` in disguise.
1939 ##### Enforcement
1941 * (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`.
1942 * (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`.
1944 ### <a name="Ri-array"></a>I.13: Do not pass an array as a single pointer
1946 ##### Reason
1948  (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.
1950 ##### Example
1952 Consider:
1954     void copy_n(const T* p, T* q, int n); // copy from [p:p+n) to [q:q+n)
1956 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `q`? Then, we overwrite some probably unrelated memory.
1957 What if there are fewer than `n` elements in the array pointed to by `p`? Then, we read some probably unrelated memory.
1958 Either is undefined behavior and a potentially very nasty bug.
1960 ##### Alternative
1962 Consider using explicit spans:
1964     void copy(span<const T> r, span<T> r2); // copy r to r2
1966 ##### Example, bad
1968 Consider:
1970     void draw(Shape* p, int n);  // poor interface; poor code
1971     Circle arr[10];
1972     // ...
1973     draw(arr, 10);
1975 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.
1977 **Alternative**: Use a support class that ensures that the number of elements is correct and prevents dangerous implicit conversions. For example:
1979     void draw2(span<Circle>);
1980     Circle arr[10];
1981     // ...
1982     draw2(span<Circle>(arr));  // deduce the number of elements
1983     draw2(arr);    // deduce the element type and array size
1985     void draw3(span<Shape>);
1986     draw3(arr);    // error: cannot convert Circle[10] to span<Shape>
1988 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 ???.
1990 ##### Exception
1992 Use `zstring` and `czstring` to represent C-style, zero-terminated strings.
1993 But when doing so, use `std::string_view` or `span<char>` from the [GSL](#S-gsl) to prevent range errors.
1995 ##### Enforcement
1997 * (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.
1998 * (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.
2000 ### <a name="Ri-global-init"></a>I.22: Avoid complex initialization of global objects
2002 ##### Reason
2004 Complex initialization can lead to undefined order of execution.
2006 ##### Example
2008     // file1.c
2010     extern const X x;
2012     const Y y = f(x);   // read x; write y
2014     // file2.c
2016     extern const Y y;
2018     const X x = g(y);   // read y; write x
2020 Since `x` and `y` are in different translation units the order of calls to `f()` and `g()` is undefined;
2021 one will access an uninitialized `const`.
2022 This shows that the order-of-initialization problem for global (namespace scope) objects is not limited to global *variables*.
2024 ##### Note
2026 Order of initialization problems become particularly difficult to handle in concurrent code.
2027 It is usually best to avoid global (namespace scope) objects altogether.
2029 ##### Enforcement
2031 * Flag initializers of globals that call non-`constexpr` functions
2032 * Flag initializers of globals that access `extern` objects
2034 ### <a name="Ri-nargs"></a>I.23: Keep the number of function arguments low
2036 ##### Reason
2038 Having many arguments opens opportunities for confusion. Passing lots of arguments is often costly compared to alternatives.
2040 ##### Discussion
2042 The two most common reasons why functions have too many parameters are:
2044 1. *Missing an abstraction.*
2045    There is an abstraction missing, so that a compound value is being
2046    passed as individual elements instead of as a single object that enforces an invariant.
2047    This not only expands the parameter list, but it leads to errors because the component values
2048    are no longer protected by an enforced invariant.
2050 2. *Violating "one function, one responsibility."*
2051    The function is trying to do more than one job and should probably be refactored.
2053 ##### Example
2055 The standard-library `merge()` is at the limit of what we can comfortably handle:
2057     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator, class Compare>
2058     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2059                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2060                          OutputIterator result, Compare comp);
2062 Note that this is because of problem 1 above -- missing abstraction. Instead of passing a range (abstraction), STL passed iterator pairs (unencapsulated component values).
2064 Here, we have four template arguments and six function arguments.
2065 To simplify the most frequent and simplest uses, the comparison argument can be defaulted to `<`:
2067     template<class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator>
2068     OutputIterator merge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
2069                          InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
2070                          OutputIterator result);
2072 This doesn't reduce the total complexity, but it reduces the surface complexity presented to many users.
2073 To really reduce the number of arguments, we need to bundle the arguments into higher-level abstractions:
2075     template<class InputRange1, class InputRange2, class OutputIterator>
2076     OutputIterator merge(InputRange1 r1, InputRange2 r2, OutputIterator result);
2078 Grouping arguments into "bundles" is a general technique to reduce the number of arguments and to increase the opportunities for checking.
2080 Alternatively, we could use concepts (as defined by the ISO TS) to define the notion of three types that must be usable for merging:
2082     Mergeable{In1, In2, Out}
2083     OutputIterator merge(In1 r1, In2 r2, Out result);
2085 ##### Example
2087 The safety Profiles recommend replacing
2089     void f(int* some_ints, int some_ints_length);  // BAD: C style, unsafe
2091 with
2093     void f(gsl::span<int> some_ints);              // GOOD: safe, bounds-checked
2095 Here, using an abstraction has safety and robustness benefits, and naturally also reduces the number of parameters.
2097 ##### Note
2099 How many parameters are too many? Try to use fewer than four (4) parameters.
2100 There are functions that are best expressed with four individual parameters, but not many.
2102 **Alternative**: Use better abstraction: Group arguments into meaningful objects and pass the objects (by value or by reference).
2104 **Alternative**: Use default arguments or overloads to allow the most common forms of calls to be done with fewer arguments.
2106 ##### Enforcement
2108 * Warn when a function declares two iterators (including pointers) of the same type instead of a range or a view.
2109 * (Not enforceable) This is a philosophical guideline that is infeasible to check directly.
2111 ### <a name="Ri-unrelated"></a>I.24: Avoid adjacent parameters that can be invoked by the same arguments in either order with different meaning
2113 ##### Reason
2115 Adjacent arguments of the same type are easily swapped by mistake.
2117 ##### Example, bad
2119 Consider:
2121     void copy_n(T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2123 This is a nasty variant of a K&R C-style interface. It is easy to reverse the "to" and "from" arguments.
2125 Use `const` for the "from" argument:
2127     void copy_n(const T* p, T* q, int n);  // copy from [p:p + n) to [q:q + n)
2129 ##### Exception
2131 If the order of the parameters is not important, there is no problem:
2133     int max(int a, int b);
2135 ##### Alternative
2137 Don't pass arrays as pointers, pass an object representing a range (e.g., a `span`):
2139     void copy_n(span<const T> p, span<T> q);  // copy from p to q
2141 ##### Alternative
2143 Define a `struct` as the parameter type and name the fields for those parameters accordingly:
2145     struct SystemParams {
2146         string config_file;
2147         string output_path;
2148         seconds timeout;
2149     };
2150     void initialize(SystemParams p);
2152 This tends to make invocations of this clear to future readers, as the parameters
2153 are often filled in by name at the call site.
2155 ##### Note
2157 Only the interface's designer can adequately address the source of violations of this guideline.
2159 ##### Enforcement strategy
2161 (Simple) Warn if two consecutive parameters share the same type
2163 We are still looking for a less-simple enforcement.
2165 ### <a name="Ri-abstract"></a>I.25: Prefer empty abstract classes as interfaces to class hierarchies
2167 ##### Reason
2169 Abstract classes that are empty (have no non-static member data) are more likely to be stable than base classes with state.
2171 ##### Example, bad
2173 You just knew that `Shape` would turn up somewhere :-)
2175     class Shape {  // bad: interface class loaded with data
2176     public:
2177         Point center() const { return c; }
2178         virtual void draw() const;
2179         virtual void rotate(int);
2180         // ...
2181     private:
2182         Point c;
2183         vector<Point> outline;
2184         Color col;
2185     };
2187 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. Using an abstract class is better:
2189     class Shape {    // better: Shape is a pure interface
2190     public:
2191         virtual Point center() const = 0;   // pure virtual functions
2192         virtual void draw() const = 0;
2193         virtual void rotate(int) = 0;
2194         // ...
2195         // ... no data members ...
2196         // ...
2197         virtual ~Shape() = default;
2198     };
2200 ##### Enforcement
2202 (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.
2204 ### <a name="Ri-abi"></a>I.26: If you want a cross-compiler ABI, use a C-style subset
2206 ##### Reason
2208 Different compilers implement different binary layouts for classes, exception handling, function names, and other implementation details.
2210 ##### Exception
2212 Common ABIs are emerging on some platforms freeing you from the more draconian restrictions.
2214 ##### Note
2216 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.
2218 ##### Enforcement
2220 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2222 ### <a name="Ri-pimpl"></a>I.27: For stable library ABI, consider the Pimpl idiom
2224 ##### Reason
2226 Because private data members participate in class layout and private member functions participate in overload resolution, changes to those
2227 implementation details require recompilation of all users of a class that uses them. A non-polymorphic interface class holding a pointer to
2228 implementation (Pimpl) can isolate the users of a class from changes in its implementation at the cost of an indirection.
2230 ##### Example
2232 interface (widget.h)
2234     class widget {
2235         class impl;
2236         std::unique_ptr<impl> pimpl;
2237     public:
2238         void draw(); // public API that will be forwarded to the implementation
2239         widget(int); // defined in the implementation file
2240         ~widget();   // defined in the implementation file, where impl is a complete type
2241         widget(widget&&); // defined in the implementation file
2242         widget(const widget&) = delete;
2243         widget& operator=(widget&&); // defined in the implementation file
2244         widget& operator=(const widget&) = delete;
2245     };
2248 implementation (widget.cpp)
2250     class widget::impl {
2251         int n; // private data
2252     public:
2253         void draw(const widget& w) { /* ... */ }
2254         impl(int n) : n(n) {}
2255     };
2256     void widget::draw() { pimpl->draw(*this); }
2257     widget::widget(int n) : pimpl{std::make_unique<impl>(n)} {}
2258     widget::widget(widget&&) = default;
2259     widget::~widget() = default;
2260     widget& widget::operator=(widget&&) = default;
2262 ##### Notes
2264 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.
2266 ##### Enforcement
2268 (Not enforceable) It is difficult to reliably identify where an interface forms part of an ABI.
2270 ### <a name="Ri-encapsulate"></a>I.30: Encapsulate rule violations
2272 ##### Reason
2274 To keep code simple and safe.
2275 Sometimes, ugly, unsafe, or error-prone techniques are necessary for logical or performance reasons.
2276 If so, keep them local, rather than "infecting" interfaces so that larger groups of programmers have to be aware of the
2277 subtleties.
2278 Implementation complexity should, if at all possible, not leak through interfaces into user code.
2280 ##### Example
2282 Consider a program that, depending on some form of input (e.g., arguments to `main`), should consume input
2283 from a file, from the command line, or from standard input.
2284 We might write
2286     bool owned;
2287     owner<istream*> inp;
2288     switch (source) {
2289     case std_in:        owned = false; inp = &cin;                       break;
2290     case command_line:  owned = true;  inp = new istringstream{argv[2]}; break;
2291     case file:          owned = true;  inp = new ifstream{argv[2]};      break;
2292     }
2293     istream& in = *inp;
2295 This violated the rule [against uninitialized variables](#Res-always),
2296 the rule against [ignoring ownership](#Ri-raw),
2297 and the rule [against magic constants](#Res-magic).
2298 In particular, someone has to remember to somewhere write
2300     if (owned) delete inp;
2302 We could handle this particular example by using `unique_ptr` with a special deleter that does nothing for `cin`,
2303 but that's complicated for novices (who can easily encounter this problem) and the example is an example of a more general
2304 problem where a property that we would like to consider static (here, ownership) needs infrequently be addressed
2305 at run time.
2306 The common, most frequent, and safest examples can be handled statically, so we don't want to add cost and complexity to those.
2307 But we must also cope with the uncommon, less-safe, and necessarily more expensive cases.
2308 Such examples are discussed in [[Str15]](http://www.stroustrup.com/resource-model.pdf).
2310 So, we write a class
2312     class Istream { [[gsl::suppress(lifetime)]]
2313     public:
2314         enum Opt { from_line = 1 };
2315         Istream() { }
2316         Istream(zstring p) : owned{true}, inp{new ifstream{p}} {}            // read from file
2317         Istream(zstring p, Opt) : owned{true}, inp{new istringstream{p}} {}  // read from command line
2318         ~Istream() { if (owned) delete inp; }
2319         operator istream&() { return *inp; }
2320     private:
2321         bool owned = false;
2322         istream* inp = &cin;
2323     };
2325 Now, the dynamic nature of `istream` ownership has been encapsulated.
2326 Presumably, a bit of checking for potential errors would be added in real code.
2328 ##### Enforcement
2330 * Hard, it is hard to decide what rule-breaking code is essential
2331 * Flag rule suppression that enable rule-violations to cross interfaces
2333 # <a name="S-functions"></a>F: Functions
2335 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.
2337 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.
2338 Functions are the most critical part in most interfaces, so see the interface rules.
2340 Function rule summary:
2342 Function definition rules:
2344 * [F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions](#Rf-package)
2345 * [F.2: A function should perform a single logical operation](#Rf-logical)
2346 * [F.3: Keep functions short and simple](#Rf-single)
2347 * [F.4: If a function might have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`](#Rf-constexpr)
2348 * [F.5: If a function is very small and time-critical, declare it inline](#Rf-inline)
2349 * [F.6: If your function must not throw, declare it `noexcept`](#Rf-noexcept)
2350 * [F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers](#Rf-smart)
2351 * [F.8: Prefer pure functions](#Rf-pure)
2352 * [F.9: Unused parameters should be unnamed](#Rf-unused)
2354 Parameter passing expression rules:
2356 * [F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information](#Rf-conventional)
2357 * [F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`](#Rf-in)
2358 * [F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`](#Rf-inout)
2359 * [F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter](#Rf-consume)
2360 * [F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter](#Rf-forward)
2361 * [F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters](#Rf-out)
2362 * [F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple](#Rf-out-multi)
2363 * [F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option](#Rf-ptr-ref)
2365 Parameter passing semantic rules:
2367 * [F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object](#Rf-ptr)
2368 * [F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value](#Rf-nullptr)
2369 * [F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence](#Rf-range)
2370 * [F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string](#Rf-zstring)
2371 * [F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed](#Rf-unique_ptr)
2372 * [F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership](#Rf-shared_ptr)
2374 <a name="Rf-value-return"></a>Value return semantic rules:
2376 * [F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)](#Rf-return-ptr)
2377 * [F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object](#Rf-dangle)
2378 * [F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed](#Rf-return-ref)
2379 * [F.45: Don't return a `T&&`](#Rf-return-ref-ref)
2380 * [F.46: `int` is the return type for `main()`](#Rf-main)
2381 * [F.47: Return `T&` from assignment operators](#Rf-assignment-op)
2382 * [F.48: Don't `return std::move(local)`](#Rf-return-move-local)
2384 Other function rules:
2386 * [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)
2387 * [F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading](#Rf-default-args)
2388 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
2389 * [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)
2390 * [F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)](#Rf-this-capture)
2391 * [F.55: Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs)
2392 * [F.56: Avoid unnecessary condition nesting](#F-nesting)
2394 Functions have strong similarities to lambdas and function objects.
2396 **See also**: [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
2398 ## <a name="SS-fct-def"></a>F.def: Function definitions
2400 A function definition is a function declaration that also specifies the function's implementation, the function body.
2402 ### <a name="Rf-package"></a>F.1: "Package" meaningful operations as carefully named functions
2404 ##### Reason
2406 Factoring out common code makes code more readable, more likely to be reused, and limit errors from complex code.
2407 If something is a well-specified action, separate it out from its surrounding code and give it a name.
2409 ##### Example, don't
2411     void read_and_print(istream& is)    // read and print an int
2412     {
2413         int x;
2414         if (is >> x)
2415             cout << "the int is " << x << '\n';
2416         else
2417             cerr << "no int on input\n";
2418     }
2420 Almost everything is wrong with `read_and_print`.
2421 It reads, it writes (to a fixed `ostream`), it writes error messages (to a fixed `ostream`), it handles only `int`s.
2422 There is nothing to reuse, logically separate operations are intermingled and local variables are in scope after the end of their logical use.
2423 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
2424 mess could become hard to understand.
2426 ##### Note
2428 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.
2430 ##### Example
2432     sort(a, b, [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); });
2434 Naming that lambda breaks up the expression into its logical parts and provides a strong hint to the meaning of the lambda.
2436     auto lessT = [](T x, T y) { return x.rank() < y.rank() && x.value() < y.value(); };
2438     sort(a, b, lessT);
2439     find_if(a, b, lessT);
2441 The shortest code is not always the best for performance or maintainability.
2443 ##### Exception
2445 Loop bodies, including lambdas used as loop bodies, rarely need to be named.
2446 However, large loop bodies (e.g., dozens of lines or dozens of pages) can be a problem.
2447 The rule [Keep functions short and simple](#Rf-single) implies "Keep loop bodies short."
2448 Similarly, lambdas used as callback arguments are sometimes non-trivial, yet unlikely to be reusable.
2450 ##### Enforcement
2452 * See [Keep functions short and simple](#Rf-single)
2453 * Flag identical and very similar lambdas used in different places.
2455 ### <a name="Rf-logical"></a>F.2: A function should perform a single logical operation
2457 ##### Reason
2459 A function that performs a single operation is simpler to understand, test, and reuse.
2461 ##### Example
2463 Consider:
2465     void read_and_print()    // bad
2466     {
2467         int x;
2468         cin >> x;
2469         // check for errors
2470         cout << x << "\n";
2471     }
2473 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:
2475     int read(istream& is)    // better
2476     {
2477         int x;
2478         is >> x;
2479         // check for errors
2480         return x;
2481     }
2483     void print(ostream& os, int x)
2484     {
2485         os << x << "\n";
2486     }
2488 These can now be combined where needed:
2490     void read_and_print()
2491     {
2492         auto x = read(cin);
2493         print(cout, x);
2494     }
2496 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:
2498     auto read = [](auto& input, auto& value)    // better
2499     {
2500         input >> value;
2501         // check for errors
2502     };
2504     auto print(auto& output, const auto& value)
2505     {
2506         output << value << "\n";
2507     }
2509 ##### Enforcement
2511 * Consider functions with more than one "out" parameter suspicious. Use return values instead, including `tuple` for multiple return values.
2512 * Consider "large" functions that don't fit on one editor screen suspicious. Consider factoring such a function into smaller well-named suboperations.
2513 * Consider functions with 7 or more parameters suspicious.
2515 ### <a name="Rf-single"></a>F.3: Keep functions short and simple
2517 ##### Reason
2519 Large functions are hard to read, more likely to contain complex code, and more likely to have variables in larger than minimal scopes.
2520 Functions with complex control structures are more likely to be long and more likely to hide logical errors
2522 ##### Example
2524 Consider:
2526     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2527         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2528         // given the two mode flags.
2529     {
2530         double intermediate;
2531         if (flag1 > 0) {
2532             intermediate = func1(val);
2533             if (flag2 % 2)
2534                  intermediate = sqrt(intermediate);
2535         }
2536         else if (flag1 == -1) {
2537             intermediate = func1(-val);
2538             if (flag2 % 2)
2539                  intermediate = sqrt(-intermediate);
2540             flag1 = -flag1;
2541         }
2542         if (abs(flag2) > 10) {
2543             intermediate = func2(intermediate);
2544         }
2545         switch (flag2 / 10) {
2546         case 1: if (flag1 == -1) return finalize(intermediate, 1.171);
2547                 break;
2548         case 2: return finalize(intermediate, 13.1);
2549         default: break;
2550         }
2551         return finalize(intermediate, 0.);
2552     }
2554 This is too complex.
2555 How would you know if all possible alternatives have been correctly handled?
2556 Yes, it breaks other rules also.
2558 We can refactor:
2560     double func1_muon(double val, int flag)
2561     {
2562         // ???
2563     }
2565     double func1_tau(double val, int flag1, int flag2)
2566     {
2567         // ???
2568     }
2570     double simple_func(double val, int flag1, int flag2)
2571         // simple_func: takes a value and calculates the expected ASIC output,
2572         // given the two mode flags.
2573     {
2574         if (flag1 > 0)
2575             return func1_muon(val, flag2);
2576         if (flag1 == -1)
2577             // handled by func1_tau: flag1 = -flag1;
2578             return func1_tau(-val, flag1, flag2);
2579         return 0.;
2580     }
2582 ##### Note
2584 "It doesn't fit on a screen" is often a good practical definition of "far too large."
2585 One-to-five-line functions should be considered normal.
2587 ##### Note
2589 Break large functions up into smaller cohesive and named functions.
2590 Small simple functions are easily inlined where the cost of a function call is significant.
2592 ##### Enforcement
2594 * Flag functions that do not "fit on a screen."
2595   How big is a screen? Try 60 lines by 140 characters; that's roughly the maximum that's comfortable for a book page.
2596 * Flag functions that are too complex. How complex is too complex?
2597   You could use cyclomatic complexity. Try "more than 10 logical path through." Count a simple switch as one path.
2599 ### <a name="Rf-constexpr"></a>F.4: If a function might have to be evaluated at compile time, declare it `constexpr`
2601 ##### Reason
2603  `constexpr` is needed to tell the compiler to allow compile-time evaluation.
2605 ##### Example
2607 The (in)famous factorial:
2609     constexpr int fac(int n)
2610     {
2611         constexpr int max_exp = 17;      // constexpr enables max_exp to be used in Expects
2612         Expects(0 <= n && n < max_exp);  // prevent silliness and overflow
2613         int x = 1;
2614         for (int i = 2; i <= n; ++i) x *= i;
2615         return x;
2616     }
2618 This is C++14.
2619 For C++11, use a recursive formulation of `fac()`.
2621 ##### Note
2623 `constexpr` does not guarantee compile-time evaluation;
2624 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.
2626     constexpr int min(int x, int y) { return x < y ? x : y; }
2628     void test(int v)
2629     {
2630         int m1 = min(-1, 2);            // probably compile-time evaluation
2631         constexpr int m2 = min(-1, 2);  // compile-time evaluation
2632         int m3 = min(-1, v);            // run-time evaluation
2633         constexpr int m4 = min(-1, v);  // error: cannot evaluate at compile time
2634     }
2636 ##### Note
2638 Don't try to make all functions `constexpr`.
2639 Most computation is best done at run time.
2641 ##### Note
2643 Any API that might eventually depend on high-level run-time configuration or
2644 business logic should not be made `constexpr`. Such customization can not be
2645 evaluated by the compiler, and any `constexpr` functions that depended upon
2646 that API would have to be refactored or drop `constexpr`.
2648 ##### Enforcement
2650 Impossible and unnecessary.
2651 The compiler gives an error if a non-`constexpr` function is called where a constant is required.
2653 ### <a name="Rf-inline"></a>F.5: If a function is very small and time-critical, declare it `inline`
2655 ##### Reason
2657 Some optimizers are good at inlining without hints from the programmer, but don't rely on it.
2658 Measure! Over the last 40 years or so, we have been promised compilers that can inline better than humans without hints from humans.
2659 We are still waiting.
2660 Specifying inline (explicitly, or implicitly when writing member functions inside a class definition) encourages the compiler to do a better job.
2662 ##### Example
2664     inline string cat(const string& s, const string& s2) { return s + s2; }
2666 ##### Exception
2668 Do not put an `inline` function in what is meant to be a stable interface unless you are certain that it will not change.
2669 An inline function is part of the ABI.
2671 ##### Note
2673 `constexpr` implies `inline`.
2675 ##### Note
2677 Member functions defined in-class are `inline` by default.
2679 ##### Exception
2681 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.
2683 ##### Enforcement
2685 Flag `inline` functions that are more than three statements and could have been declared out of line (such as class member functions).
2687 ### <a name="Rf-noexcept"></a>F.6: If your function must not throw, declare it `noexcept`
2689 ##### Reason
2691 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.
2693 ##### Example
2695 Put `noexcept` on every function written completely in C or in any other language without exceptions.
2696 The C++ Standard Library does that implicitly for all functions in the C Standard Library.
2698 ##### Note
2700 `constexpr` functions can throw when evaluated at run time, so you might need conditional `noexcept` for some of those.
2702 ##### Example
2704 You can use `noexcept` even on functions that can throw:
2706     vector<string> collect(istream& is) noexcept
2707     {
2708         vector<string> res;
2709         for (string s; is >> s;)
2710             res.push_back(s);
2711         return res;
2712     }
2714 If `collect()` runs out of memory, the program crashes.
2715 Unless the program is crafted to survive memory exhaustion, that might be just the right thing to do;
2716 `terminate()` might generate suitable error log information (but after memory runs out it is hard to do anything clever).
2718 ##### Note
2720 You must be aware of the execution environment that your code is running when
2721 deciding whether to tag a function `noexcept`, especially because of the issue
2722 of throwing and allocation.  Code that is intended to be perfectly general (like
2723 the standard library and other utility code of that sort) needs to support
2724 environments where a `bad_alloc` exception could be handled meaningfully.
2725 However, most programs and execution environments cannot meaningfully
2726 handle a failure to allocate, and aborting the program is the cleanest and
2727 simplest response to an allocation failure in those cases.  If you know that
2728 your application code cannot respond to an allocation failure, it could be
2729 appropriate to add `noexcept` even on functions that allocate.
2731 Put another way: In most programs, most functions can throw (e.g., because they
2732 use `new`, call functions that do, or use library functions that reports failure
2733 by throwing), so don't just sprinkle `noexcept` all over the place without
2734 considering whether the possible exceptions can be handled.
2736 `noexcept` is most useful (and most clearly correct) for frequently used,
2737 low-level functions.
2739 ##### Note
2741 Destructors, `swap` functions, move operations, and default constructors should never throw.
2742 See also [C.44](#Rc-default00).
2744 ##### Enforcement
2746 * Flag functions that are not `noexcept`, yet cannot throw.
2747 * Flag throwing `swap`, `move`, destructors, and default constructors.
2749 ### <a name="Rf-smart"></a>F.7: For general use, take `T*` or `T&` arguments rather than smart pointers
2751 ##### Reason
2753 Passing a smart pointer transfers or shares ownership and should only be used when ownership semantics are intended.
2754 A function that does not manipulate lifetime should take raw pointers or references instead.
2756 Passing by smart pointer restricts the use of a function to callers that use smart pointers.
2757 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.
2759 Passing a shared smart pointer (e.g., `std::shared_ptr`) implies a run-time cost.
2761 ##### Example
2763     // accepts any int*
2764     void f(int*);
2766     // can only accept ints for which you want to transfer ownership
2767     void g(unique_ptr<int>);
2769     // can only accept ints for which you are willing to share ownership
2770     void g(shared_ptr<int>);
2772     // doesn't change ownership, but requires a particular ownership of the caller
2773     void h(const unique_ptr<int>&);
2775     // accepts any int
2776     void h(int&);
2778 ##### Example, bad
2780     // callee
2781     void f(shared_ptr<widget>& w)
2782     {
2783         // ...
2784         use(*w); // only use of w -- the lifetime is not used at all
2785         // ...
2786     };
2788     // caller
2789     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
2790     f(my_widget);
2792     widget stack_widget;
2793     f(stack_widget); // error
2795 ##### Example, good
2797     // callee
2798     void f(widget& w)
2799     {
2800         // ...
2801         use(w);
2802         // ...
2803     };
2805     // caller
2806     shared_ptr<widget> my_widget = /* ... */;
2807     f(*my_widget);
2809     widget stack_widget;
2810     f(stack_widget); // ok -- now this works
2812 ##### Note
2814 We can catch many common cases of dangling pointers statically (see [lifetime safety profile](#SS-lifetime)). Function arguments naturally live for the lifetime of the function call, and so have fewer lifetime problems.
2816 ##### Enforcement
2818 * (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()`.
2819   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
2820 * 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.
2821   Suggest using a `T*` or `T&` instead.
2823 **see also**:
2825 * [prefer `t*` over `t&` when "no argument" is a valid option](#rf-ptr-ref)
2826 * [smart pointer rule summary](#rr-summary-smartptrs)
2828 ### <a name="Rf-pure"></a>F.8: Prefer pure functions
2830 ##### Reason
2832 Pure functions are easier to reason about, sometimes easier to optimize (and even parallelize), and sometimes can be memoized.
2834 ##### Example
2836     template<class T>
2837     auto square(T t) { return t * t; }
2839 ##### Enforcement
2841 Not possible.
2843 ### <a name="Rf-unused"></a>F.9: Unused parameters should be unnamed
2845 ##### Reason
2847 Readability.
2848 Suppression of unused parameter warnings.
2850 ##### Example
2852     X* find(map<Blob>& m, const string& s, Hint);   // once upon a time, a hint was used
2854 ##### Note
2856 Allowing parameters to be unnamed was introduced in the early 1980 to address this problem.
2858 ##### Enforcement
2860 Flag named unused parameters.
2862 ## <a name="SS-call"></a>F.call: Parameter passing
2864 There are a variety of ways to pass parameters to a function and to return values.
2866 ### <a name="Rf-conventional"></a>F.15: Prefer simple and conventional ways of passing information
2868 ##### Reason
2870 Using "unusual and clever" techniques causes surprises, slows understanding by other programmers, and encourages bugs.
2871 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.
2873 The following tables summarize the advice in the following Guidelines, F.16-21.
2875 Normal parameter passing:
2877 ![Normal parameter passing table](./param-passing-normal.png "Normal parameter passing")
2879 Advanced parameter passing:
2881 ![Advanced parameter passing table](./param-passing-advanced.png "Advanced parameter passing")
2883 Use the advanced techniques only after demonstrating need, and document that need in a comment.
2885 For passing sequences of characters see [String](#SS-string).
2887 ### <a name="Rf-in"></a>F.16: For "in" parameters, pass cheaply-copied types by value and others by reference to `const`
2889 ##### Reason
2891 Both let the caller know that a function will not modify the argument, and both allow initialization by rvalues.
2893 What is "cheap to copy" depends on the machine architecture, but two or three words (doubles, pointers, references) are usually best passed by value.
2894 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.
2896 ##### Example
2898     void f1(const string& s);  // OK: pass by reference to const; always cheap
2900     void f2(string s);         // bad: potentially expensive
2902     void f3(int x);            // OK: Unbeatable
2904     void f4(const int& x);     // bad: overhead on access in f4()
2906 For advanced uses (only), where you really need to optimize for rvalues passed to "input-only" parameters:
2908 * If the function is going to unconditionally move from the argument, take it by `&&`. See [F.18](#Rf-consume).
2909 * If the function is going to keep a copy of the argument, in addition to passing by `const&` (for lvalues),
2910   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).
2911 * In special cases, such as multiple "input + copy" parameters, consider using perfect forwarding. See [F.19](#Rf-forward).
2913 ##### Example
2915     int multiply(int, int); // just input ints, pass by value
2917     // suffix is input-only but not as cheap as an int, pass by const&
2918     string& concatenate(string&, const string& suffix);
2920     void sink(unique_ptr<widget>);  // input only, and moves ownership of the widget
2922 Avoid "esoteric techniques" such as:
2924 * Passing arguments as `T&&` "for efficiency".
2925   Most rumors about performance advantages from passing by `&&` are false or brittle (but see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
2926 * Returning `const T&` from assignments and similar operations (see [F.47](#Rf-assignment-op).)
2928 ##### Example
2930 Assuming that `Matrix` has move operations (possibly by keeping its elements in a `std::vector`):
2932     Matrix operator+(const Matrix& a, const Matrix& b)
2933     {
2934         Matrix res;
2935         // ... fill res with the sum ...
2936         return res;
2937     }
2939     Matrix x = m1 + m2;  // move constructor
2941     y = m3 + m3;         // move assignment
2943 ##### Notes
2945 The return value optimization doesn't handle the assignment case, but the move assignment does.
2947 A reference can be assumed to refer to a valid object (language rule).
2948 There is no (legitimate) "null reference."
2949 If you need the notion of an optional value, use a pointer, `std::optional`, or a special value used to denote "no value."
2951 ##### Enforcement
2953 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter being passed by value has a size greater than `2 * sizeof(void*)`.
2954   Suggest using a reference to `const` instead.
2955 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter passed by reference to `const` has a size less than `2 * sizeof(void*)`. Suggest passing by value instead.
2956 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a parameter passed by reference to `const` is `move`d.
2958 ### <a name="Rf-inout"></a>F.17: For "in-out" parameters, pass by reference to non-`const`
2960 ##### Reason
2962 This makes it clear to callers that the object is assumed to be modified.
2964 ##### Example
2966     void update(Record& r);  // assume that update writes to r
2968 ##### Note
2970 A `T&` argument can pass information into a function as well as out of it.
2971 Thus `T&` could be an in-out-parameter. That can in itself be a problem and a source of errors:
2973     void f(string& s)
2974     {
2975         s = "New York";  // non-obvious error
2976     }
2978     void g()
2979     {
2980         string buffer = ".................................";
2981         f(buffer);
2982         // ...
2983     }
2985 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).
2986 A bad logic error can happen if the writer of `g()` incorrectly assumes the size of the `buffer`.
2988 ##### Enforcement
2990 * (Moderate) ((Foundation)) Warn about functions regarding reference to non-`const` parameters that do *not* write to them.
2991 * (Simple) ((Foundation)) Warn when a non-`const` parameter being passed by reference is `move`d.
2993 ### <a name="Rf-consume"></a>F.18: For "will-move-from" parameters, pass by `X&&` and `std::move` the parameter
2995 ##### Reason
2997 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.
2999 ##### Example
3001     void sink(vector<int>&& v)  // sink takes ownership of whatever the argument owned
3002     {
3003         // usually there might be const accesses of v here
3004         store_somewhere(std::move(v));
3005         // usually no more use of v here; it is moved-from
3006     }
3008 Note that the `std::move(v)` makes it possible for `store_somewhere()` to leave `v` in a moved-from state.
3009 [That could be dangerous](#Rc-move-semantic).
3012 ##### Exception
3014 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.
3016 For example:
3018     template<class T>
3019     void sink(std::unique_ptr<T> p)
3020     {
3021         // use p ... possibly std::move(p) onward somewhere else
3022     }   // p gets destroyed
3024 ##### Enforcement
3026 * Flag all `X&&` parameters (where `X` is not a template type parameter name) where the function body uses them without `std::move`.
3027 * Flag access to moved-from objects.
3028 * Don't conditionally move from objects
3030 ### <a name="Rf-forward"></a>F.19: For "forward" parameters, pass by `TP&&` and only `std::forward` the parameter
3032 ##### Reason
3034 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.
3036 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.
3038 ##### Example
3040     template<class F, class... Args>
3041     inline auto invoke(F f, Args&&... args)
3042     {
3043         return f(forward<Args>(args)...);
3044     }
3046     ??? calls ???
3048 ##### Enforcement
3050 * 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.
3052 ### <a name="Rf-out"></a>F.20: For "out" output values, prefer return values to output parameters
3054 ##### Reason
3056 A return value is self-documenting, whereas a `&` could be either in-out or out-only and is liable to be misused.
3058 This includes large objects like standard containers that use implicit move operations for performance and to avoid explicit memory management.
3060 If you have multiple values to return, [use a tuple](#Rf-out-multi) or similar multi-member type.
3062 ##### Example
3064     // OK: return pointers to elements with the value x
3065     vector<const int*> find_all(const vector<int>&, int x);
3067     // Bad: place pointers to elements with value x in-out
3068     void find_all(const vector<int>&, vector<const int*>& out, int x);
3070 ##### Note
3072 A `struct` of many (individually cheap-to-move) elements might be in aggregate expensive to move.
3074 ##### Note
3076 It is not recommended to return a `const` value.
3077 Such older advice is now obsolete; it does not add value, and it interferes with move semantics.
3079     const vector<int> fct();    // bad: that "const" is more trouble than it is worth
3081     vector<int> g(const vector<int>& vx)
3082     {
3083         // ...
3084         fct() = vx;   // prevented by the "const"
3085         // ...
3086         return fct(); // expensive copy: move semantics suppressed by the "const"
3087     }
3089 The argument for adding `const` to a return value is that it prevents (very rare) accidental access to a temporary.
3090 The argument against is that it prevents (very frequent) use of move semantics.
3092 ##### Exceptions
3094 * For non-concrete types, such as types in an inheritance hierarchy, return the object by `unique_ptr` or `shared_ptr`.
3095 * 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).
3096 * 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).
3098 ##### Example
3100     struct Package {      // exceptional case: expensive-to-move object
3101         char header[16];
3102         char load[2024 - 16];
3103     };
3105     Package fill();       // Bad: large return value
3106     void fill(Package&);  // OK
3108     int val();            // OK
3109     void val(int&);       // Bad: Is val reading its argument
3111 ##### Enforcement
3113 * 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.
3114 * Flag returning a `const` value. To fix: Remove `const` to return a non-`const` value instead.
3116 ### <a name="Rf-out-multi"></a>F.21: To return multiple "out" values, prefer returning a struct or tuple
3118 ##### Reason
3120 A return value is self-documenting as an "output-only" value.
3121 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.
3122 Prefer using a named struct where there are semantics to the returned value. Otherwise, a nameless `tuple` is useful in generic code.
3124 ##### Example
3126     // BAD: output-only parameter documented in a comment
3127     int f(const string& input, /*output only*/ string& output_data)
3128     {
3129         // ...
3130         output_data = something();
3131         return status;
3132     }
3134     // GOOD: self-documenting
3135     tuple<int, string> f(const string& input)
3136     {
3137         // ...
3138         return make_tuple(status, something());
3139     }
3141 C++98's standard library already used this style, because a `pair` is like a two-element `tuple`.
3142 For example, given a `set<string> my_set`, consider:
3144     // C++98
3145     result = my_set.insert("Hello");
3146     if (result.second) do_something_with(result.first);    // workaround
3148 With C++11 we can write this, putting the results directly in existing local variables:
3150     Sometype iter;                                // default initialize if we haven't already
3151     Someothertype success;                        // used these variables for some other purpose
3153     tie(iter, success) = my_set.insert("Hello");   // normal return value
3154     if (success) do_something_with(iter);
3156 With C++17 we are able to use "structured bindings" to declare and initialize the multiple variables:
3158     if (auto [ iter, success ] = my_set.insert("Hello"); success) do_something_with(iter);
3160 ##### Exception
3162 Sometimes, we need to pass an object to a function to manipulate its state.
3163 In such cases, passing the object by reference [`T&`](#Rf-inout) is usually the right technique.
3164 Explicitly passing an in-out parameter back out again as a return value is often not necessary.
3165 For example:
3167     istream& operator>>(istream& is, string& s);    // much like std::operator>>()
3169     for (string s; cin >> s; ) {
3170         // do something with line
3171     }
3173 Here, both `s` and `cin` are used as in-out parameters.
3174 We pass `cin` by (non-`const`) reference to be able to manipulate its state.
3175 We pass `s` to avoid repeated allocations.
3176 By reusing `s` (passed by reference), we allocate new memory only when we need to expand `s`'s capacity.
3177 This technique is sometimes called the "caller-allocated out" pattern and is particularly useful for types,
3178 such as `string` and `vector`, that needs to do free store allocations.
3180 To compare, if we passed out all values as return values, we would something like this:
3182     pair<istream&, string> get_string(istream& is)  // not recommended
3183     {
3184         string s;
3185         is >> s;
3186         return {is, s};
3187     }
3189     for (auto p = get_string(cin); p.first; ) {
3190         // do something with p.second
3191     }
3193 We consider that significantly less elegant with significantly less performance.
3195 For a truly strict reading of this rule (F.21), the exception isn't really an exception because it relies on in-out parameters,
3196 rather than the plain out parameters mentioned in the rule.
3197 However, we prefer to be explicit, rather than subtle.
3199 ##### Note
3201 In many cases, it can be useful to return a specific, user-defined type.
3202 For example:
3204     struct Distance {
3205         int value;
3206         int unit = 1;   // 1 means meters
3207     };
3209     Distance d1 = measure(obj1);        // access d1.value and d1.unit
3210     auto d2 = measure(obj2);            // access d2.value and d2.unit
3211     auto [value, unit] = measure(obj3); // access value and unit; somewhat redundant
3212                                         // to people who know measure()
3213     auto [x, y] = measure(obj4);        // don't; it's likely to be confusing
3215 The overly-generic `pair` and `tuple` should be used only when the value returned represents independent entities rather than an abstraction.
3217 Another example, use a specific type along the lines of `variant<T, error_code>`, rather than using the generic `tuple`.
3219 ##### Enforcement
3221 * Output parameters should be replaced by return values.
3222   An output parameter is one that the function writes to, invokes a non-`const` member function, or passes on as a non-`const`.
3224 ### <a name="Rf-ptr"></a>F.22: Use `T*` or `owner<T*>` to designate a single object
3226 ##### Reason
3228 Readability: it makes the meaning of a plain pointer clear.
3229 Enables significant tool support.
3231 ##### Note
3233 In traditional C and C++ code, plain `T*` is used for many weakly-related purposes, such as:
3235 * Identify a (single) object (not to be deleted by this function)
3236 * Point to an object allocated on the free store (and delete it later)
3237 * Hold the `nullptr`
3238 * Identify a C-style string (zero-terminated array of characters)
3239 * Identify an array with a length specified separately
3240 * Identify a location in an array
3242 This makes it hard to understand what the code does and is supposed to do.
3243 It complicates checking and tool support.
3245 ##### Example
3247     void use(int* p, int n, char* s, int* q)
3248     {
3249         p[n - 1] = 666; // Bad: we don't know if p points to n elements;
3250                         // assume it does not or use span<int>
3251         cout << s;      // Bad: we don't know if that s points to a zero-terminated array of char;
3252                         // assume it does not or use zstring
3253         delete q;       // Bad: we don't know if *q is allocated on the free store;
3254                         // assume it does not or use owner
3255     }
3257 better
3259     void use2(span<int> p, zstring s, owner<int*> q)
3260     {
3261         p[p.size() - 1] = 666; // OK, a range error can be caught
3262         cout << s; // OK
3263         delete q;  // OK
3264     }
3266 ##### Note
3268 `owner<T*>` represents ownership, `zstring` represents a C-style string.
3270 **Also**: Assume that a `T*` obtained from a smart pointer to `T` (e.g., `unique_ptr<T>`) points to a single element.
3272 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3274 **See also**: [Do not pass an array as a single pointer](#Ri-array)
3276 ##### Enforcement
3278 * (Simple) ((Bounds)) Warn for any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
3280 ### <a name="Rf-nullptr"></a>F.23: Use a `not_null<T>` to indicate that "null" is not a valid value
3282 ##### Reason
3284 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.
3285 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`.
3287 ##### Example
3289 `not_null<T*>` makes it obvious to a reader (human or machine) that a test for `nullptr` is not necessary before dereference.
3290 Additionally, when debugging, `owner<T*>` and `not_null<T>` can be instrumented to check for correctness.
3292 Consider:
3294     int length(Record* p);
3296 When I call `length(p)` should I check if `p` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3298     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3299     int length(not_null<Record*> p);
3301     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3302     int length(Record* p);
3304 ##### Note
3306 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).
3308 ##### Note
3310 `not_null` is not just for built-in pointers. It works for `unique_ptr`, `shared_ptr`, and other pointer-like types.
3312 ##### Enforcement
3314 * (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.
3315 * (Simple) Error if a raw pointer is sometimes dereferenced after first being tested against `nullptr` (or equivalent) within the function and sometimes is not.
3316 * (Simple) Warn if a `not_null` pointer is tested against `nullptr` within a function.
3318 ### <a name="Rf-range"></a>F.24: Use a `span<T>` or a `span_p<T>` to designate a half-open sequence
3320 ##### Reason
3322 Informal/non-explicit ranges are a source of errors.
3324 ##### Example
3326     X* find(span<X> r, const X& v);    // find v in r
3328     vector<X> vec;
3329     // ...
3330     auto p = find({vec.begin(), vec.end()}, X{});  // find X{} in vec
3332 ##### Note
3334 Ranges are extremely common in C++ code. Typically, they are implicit and their correct use is very hard to ensure.
3335 In particular, given a pair of arguments `(p, n)` designating an array `[p:p+n)`,
3336 it is in general impossible to know if there really are `n` elements to access following `*p`.
3337 `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.
3339 ##### Example
3341 A `span` represents a range of elements, but how do we manipulate elements of that range?
3343     void f(span<int> s)
3344     {
3345         // range traversal (guaranteed correct)
3346         for (int x : s) cout << x << '\n';
3348         // C-style traversal (potentially checked)
3349         for (gsl::index i = 0; i < s.size(); ++i) cout << s[i] << '\n';
3351         // random access (potentially checked)
3352         s[7] = 9;
3354         // extract pointers (potentially checked)
3355         std::sort(&s[0], &s[s.size() / 2]);
3356     }
3358 ##### Note
3360 A `span<T>` object does not own its elements and is so small that it can be passed by value.
3362 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.
3364 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3366 ##### Enforcement
3368 (Complex) Warn where accesses to pointer parameters are bounded by other parameters that are integral types and suggest they could use `span` instead.
3370 ### <a name="Rf-zstring"></a>F.25: Use a `zstring` or a `not_null<zstring>` to designate a C-style string
3372 ##### Reason
3374 C-style strings are ubiquitous. They are defined by convention: zero-terminated arrays of characters.
3375 We must distinguish C-style strings from a pointer to a single character or an old-fashioned pointer to an array of characters.
3377 If you don't need null termination, use `string_view`.
3379 ##### Example
3381 Consider:
3383     int length(const char* p);
3385 When I call `length(s)` should I check if `s` is `nullptr` first? Should the implementation of `length()` check if `p` is `nullptr`?
3387     // the implementor of length() must assume that p == nullptr is possible
3388     int length(zstring p);
3390     // it is the caller's job to make sure p != nullptr
3391     int length(not_null<zstring> p);
3393 ##### Note
3395 `zstring` does not represent ownership.
3397 **See also**: [Support library](#S-gsl)
3399 ### <a name="Rf-unique_ptr"></a>F.26: Use a `unique_ptr<T>` to transfer ownership where a pointer is needed
3401 ##### Reason
3403 Using `unique_ptr` is the cheapest way to pass a pointer safely.
3405 **See also**: [C.50](#Rc-factory) regarding when to return a `shared_ptr` from a factory.
3407 ##### Example
3409     unique_ptr<Shape> get_shape(istream& is)  // assemble shape from input stream
3410     {
3411         auto kind = read_header(is); // read header and identify the next shape on input
3412         switch (kind) {
3413         case kCircle:
3414             return make_unique<Circle>(is);
3415         case kTriangle:
3416             return make_unique<Triangle>(is);
3417         // ...
3418         }
3419     }
3421 ##### Note
3423 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).
3425 ##### Enforcement
3427 (Simple) Warn if a function returns a locally allocated raw pointer. Suggest using either `unique_ptr` or `shared_ptr` instead.
3429 ### <a name="Rf-shared_ptr"></a>F.27: Use a `shared_ptr<T>` to share ownership
3431 ##### Reason
3433 Using `std::shared_ptr` is the standard way to represent shared ownership. That is, the last owner deletes the object.
3435 ##### Example
3437     shared_ptr<const Image> im { read_image(somewhere) };
3439     std::thread t0 {shade, args0, top_left, im};
3440     std::thread t1 {shade, args1, top_right, im};
3441     std::thread t2 {shade, args2, bottom_left, im};
3442     std::thread t3 {shade, args3, bottom_right, im};
3444     // detach threads
3445     // last thread to finish deletes the image
3447 ##### Note
3449 Prefer a `unique_ptr` over a `shared_ptr` if there is never more than one owner at a time.
3450 `shared_ptr` is for shared ownership.
3452 Note that pervasive use of `shared_ptr` has a cost (atomic operations on the `shared_ptr`'s reference count have a measurable aggregate cost).
3454 ##### Alternative
3456 Have a single object own the shared object (e.g. a scoped object) and destroy that (preferably implicitly) when all users have completed.
3458 ##### Enforcement
3460 (Not enforceable) This is a too complex pattern to reliably detect.
3462 ### <a name="Rf-ptr-ref"></a>F.60: Prefer `T*` over `T&` when "no argument" is a valid option
3464 ##### Reason
3466 A pointer (`T*`) can be a `nullptr` and a reference (`T&`) cannot, there is no valid "null reference".
3467 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.
3469 ##### Example
3471     string zstring_to_string(zstring p) // zstring is a char*; that is a C-style string
3472     {
3473         if (!p) return string{};    // p might be nullptr; remember to check
3474         return string{p};
3475     }
3477     void print(const vector<int>& r)
3478     {
3479         // r refers to a vector<int>; no check needed
3480     }
3482 ##### Note
3484 It is possible, but not valid C++ to construct a reference that is essentially a `nullptr` (e.g., `T* p = nullptr; T& r = *p;`).
3485 That error is very uncommon.
3487 ##### Note
3489 If you prefer the pointer notation (`->` and/or `*` vs. `.`), `not_null<T*>` provides the same guarantee as `T&`.
3491 ##### Enforcement
3493 * Flag ???
3495 ### <a name="Rf-return-ptr"></a>F.42: Return a `T*` to indicate a position (only)
3497 ##### Reason
3499 That's what pointers are good for.
3500 Returning a `T*` to transfer ownership is a misuse.
3502 ##### Example
3504     Node* find(Node* t, const string& s)  // find s in a binary tree of Nodes
3505     {
3506         if (!t || t->name == s) return t;
3507         if ((auto p = find(t->left, s))) return p;
3508         if ((auto p = find(t->right, s))) return p;
3509         return nullptr;
3510     }
3512 If it isn't the `nullptr`, the pointer returned by `find` indicates a `Node` holding `s`.
3513 Importantly, that does not imply a transfer of ownership of the pointed-to object to the caller.
3515 ##### Note
3517 Positions can also be transferred by iterators, indices, and references.
3518 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](???).
3520 ##### Note
3522 Do not return a pointer to something that is not in the caller's scope; see [F.43](#Rf-dangle).
3524 **See also**: [discussion of dangling pointer prevention](#???)
3526 ##### Enforcement
3528 * Flag `delete`, `std::free()`, etc. applied to a plain `T*`.
3529 Only owners should be deleted.
3530 * Flag `new`, `malloc()`, etc. assigned to a plain `T*`.
3531 Only owners should be responsible for deletion.
3533 ### <a name="Rf-dangle"></a>F.43: Never (directly or indirectly) return a pointer or a reference to a local object
3535 ##### Reason
3537 To avoid the crashes and data corruption that can result from the use of such a dangling pointer.
3539 ##### Example, bad
3541 After the return from a function its local objects no longer exist:
3543     int* f()
3544     {
3545         int fx = 9;
3546         return &fx;  // BAD
3547     }
3549     void g(int* p)   // looks innocent enough
3550     {
3551         int gx;
3552         cout << "*p == " << *p << '\n';
3553         *p = 999;
3554         cout << "gx == " << gx << '\n';
3555     }
3557     void h()
3558     {
3559         int* p = f();
3560         int z = *p;  // read from abandoned stack frame (bad)
3561         g(p);        // pass pointer to abandoned stack frame to function (bad)
3562     }
3564 Here on one popular implementation I got the output:
3566     *p == 999
3567     gx == 999
3569 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`.
3571 * Imagine what would happen if `fx` and `gx` were of different types.
3572 * Imagine what would happen if `fx` or `gx` was a type with an invariant.
3573 * Imagine what would happen if more that dangling pointer was passed around among a larger set of functions.
3574 * Imagine what a cracker could do with that dangling pointer.
3576 Fortunately, most (all?) modern compilers catch and warn against this simple case.
3578 ##### Note
3580 This applies to references as well:
3582     int& f()
3583     {
3584         int x = 7;
3585         // ...
3586         return x;  // Bad: returns reference to object that is about to be destroyed
3587     }
3589 ##### Note
3591 This applies only to non-`static` local variables.
3592 All `static` variables are (as their name indicates) statically allocated, so that pointers to them cannot dangle.
3594 ##### Example, bad
3596 Not all examples of leaking a pointer to a local variable are that obvious:
3598     int* glob;       // global variables are bad in so many ways
3600     template<class T>
3601     void steal(T x)
3602     {
3603         glob = x();  // BAD
3604     }
3606     void f()
3607     {
3608         int i = 99;
3609         steal([&] { return &i; });
3610     }
3612     int main()
3613     {
3614         f();
3615         cout << *glob << '\n';
3616     }
3618 Here I managed to read the location abandoned by the call of `f`.
3619 The pointer stored in `glob` could be used much later and cause trouble in unpredictable ways.
3621 ##### Note
3623 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.
3625 ##### Note
3627 Similar examples can be constructed "leaking" a pointer from an inner scope to an outer one;
3628 such examples are handled equivalently to leaks of pointers out of a function.
3630 A slightly different variant of the problem is placing pointers in a container that outlives the objects pointed to.
3632 **See also**: Another way of getting dangling pointers is [pointer invalidation](#???).
3633 It can be detected/prevented with similar techniques.
3635 ##### Enforcement
3637 * Compilers tend to catch return of reference to locals and could in many cases catch return of pointers to locals.
3638 * Static analysis can catch many common patterns of the use of pointers indicating positions (thus eliminating dangling pointers)
3640 ### <a name="Rf-return-ref"></a>F.44: Return a `T&` when copy is undesirable and "returning no object" isn't needed
3642 ##### Reason
3644 The language guarantees that a `T&` refers to an object, so that testing for `nullptr` isn't necessary.
3646 **See also**: The return of a reference must not imply transfer of ownership:
3647 [discussion of dangling pointer prevention](#???) and [discussion of ownership](#???).
3649 ##### Example
3651     class Car
3652     {
3653         array<wheel, 4> w;
3654         // ...
3655     public:
3656         wheel& get_wheel(int i) { Expects(i < w.size()); return w[i]; }
3657         // ...
3658     };
3660     void use()
3661     {
3662         Car c;
3663         wheel& w0 = c.get_wheel(0); // w0 has the same lifetime as c
3664     }
3666 ##### Enforcement
3668 Flag functions where no `return` expression could yield `nullptr`
3670 ### <a name="Rf-return-ref-ref"></a>F.45: Don't return a `T&&`
3672 ##### Reason
3674 It's asking to return a reference to a destroyed temporary object.
3675 A `&&` is a magnet for temporary objects.
3677 ##### Example
3679 A returned rvalue reference goes out of scope at the end of the full expression to which it is returned:
3681     auto&& x = max(0, 1);   // OK, so far
3682     foo(x);                 // Undefined behavior
3684 This kind of use is a frequent source of bugs, often incorrectly reported as a compiler bug.
3685 An implementer of a function should avoid setting such traps for users.
3687 The [lifetime safety profile](#SS-lifetime) will (when completely implemented) catch such problems.
3690 ##### Example
3692 Returning an rvalue reference is fine when the reference to the temporary is being passed "downward" to a callee;
3693 then, the temporary is guaranteed to outlive the function call (see [F.18](#Rf-consume) and [F.19](#Rf-forward)).
3694 However, it's not fine when passing such a reference "upward" to a larger caller scope.
3695 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&&`).
3697 Assume that `F` returns by value:
3699     template<class F>
3700     auto&& wrapper(F f)
3701     {
3702         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3703         return f();          // BAD: returns a reference to a temporary
3704     }
3706 Better:
3708     template<class F>
3709     auto wrapper(F f)
3710     {
3711         log_call(typeid(f)); // or whatever instrumentation
3712         return f();          // OK
3713     }
3716 ##### Exception
3718 `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 `&&`.
3720 ##### Enforcement
3722 Flag any use of `&&` as a return type, except in `std::move` and `std::forward`.
3724 ### <a name="Rf-main"></a>F.46: `int` is the return type for `main()`
3726 ##### Reason
3728 It's a language rule, but violated through "language extensions" so often that it is worth mentioning.
3729 Declaring `main` (the one global `main` of a program) `void` limits portability.
3731 ##### Example
3733         void main() { /* ... */ };  // bad, not C++
3735         int main()
3736         {
3737             std::cout << "This is the way to do it\n";
3738         }
3740 ##### Note
3742 We mention this only because of the persistence of this error in the community.
3744 ##### Enforcement
3746 * The compiler should do it
3747 * If the compiler doesn't do it, let tools flag it
3749 ### <a name="Rf-assignment-op"></a>F.47: Return `T&` from assignment operators
3751 ##### Reason
3753 The convention for operator overloads (especially on concrete types) is for
3754 `operator=(const T&)` to perform the assignment and then return (non-`const`)
3755 `*this`.  This ensures consistency with standard-library types and follows the
3756 principle of "do as the ints do."
3758 ##### Note
3760 Historically there was some guidance to make the assignment operator return `const T&`.
3761 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.
3763 ##### Example
3765     class Foo
3766     {
3767      public:
3768         ...
3769         Foo& operator=(const Foo& rhs)
3770         {
3771           // Copy members.
3772           ...
3773           return *this;
3774         }
3775     };
3777 ##### Enforcement
3779 This should be enforced by tooling by checking the return type (and return
3780 value) of any assignment operator.
3783 ### <a name="Rf-return-move-local"></a>F.48: Don't `return std::move(local)`
3785 ##### Reason
3787 With guaranteed copy elision, it is now almost always a pessimization to expressly use `std::move` in a return statement.
3789 ##### Example, bad
3791     S f()
3792     {
3793       S result;
3794       return std::move(result);
3795     }
3797 ##### Example, good
3799     S f()
3800     {
3801       S result;
3802       return result;
3803     }
3805 ##### Enforcement
3807 This should be enforced by tooling by checking the return expression .
3810 ### <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)
3812 ##### Reason
3814 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.
3816 ##### Example
3818     // writing a function that should only take an int or a string
3819     // -- overloading is natural
3820     void f(int);
3821     void f(const string&);
3823     // writing a function object that needs to capture local state and appear
3824     // at statement or expression scope -- a lambda is natural
3825     vector<work> v = lots_of_work();
3826     for (int tasknum = 0; tasknum < max; ++tasknum) {
3827         pool.run([=, &v] {
3828             /*
3829             ...
3830             ... process 1 / max - th of v, the tasknum - th chunk
3831             ...
3832             */
3833         });
3834     }
3835     pool.join();
3837 ##### Exception
3839 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.
3841 ##### Enforcement
3843 * 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.
3845 ### <a name="Rf-default-args"></a>F.51: Where there is a choice, prefer default arguments over overloading
3847 ##### Reason
3849 Default arguments simply provide alternative interfaces to a single implementation.
3850 There is no guarantee that a set of overloaded functions all implement the same semantics.
3851 The use of default arguments can avoid code replication.
3853 ##### Note
3855 There is a choice between using default argument and overloading when the alternatives are from a set of arguments of the same types.
3856 For example:
3858     void print(const string& s, format f = {});
3860 as opposed to
3862     void print(const string& s);  // use default format
3863     void print(const string& s, format f);
3865 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:
3867     void print(const char&);
3868     void print(int);
3869     void print(zstring);
3871 ##### See also
3874 [Default arguments for virtual functions](#Rh-virtual-default-arg)
3876 ##### Enforcement
3878 * 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.)
3880 ### <a name="Rf-reference-capture"></a>F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms
3882 ##### Reason
3884 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.
3886 ##### Discussion
3888 The efficiency consideration is that most types are cheaper to pass by reference than by value.
3890 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.
3892 ##### Note
3894 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.
3896 ##### Example
3898 Here, a large object (a network message) is passed to an iterative algorithm, and it is not efficient or correct to copy the message (which might not be copyable):
3900     std::for_each(begin(sockets), end(sockets), [&message](auto& socket)
3901     {
3902         socket.send(message);
3903     });
3905 ##### Example
3907 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.
3909     void send_packets(buffers& bufs)
3910     {
3911         stage encryptor([](buffer& b) { encrypt(b); });
3912         stage compressor([&](buffer& b) { compress(b); encryptor.process(b); });
3913         stage decorator([&](buffer& b) { decorate(b); compressor.process(b); });
3914         for (auto& b : bufs) { decorator.process(b); }
3915     }  // automatically blocks waiting for pipeline to finish
3917 ##### Enforcement
3919 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.)
3921 ### <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
3923 ##### Reason
3925 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.
3927 ##### Example, bad
3929     int local = 42;
3931     // Want a reference to local.
3932     // Note, that after program exits this scope,
3933     // local no longer exists, therefore
3934     // process() call will have undefined behavior!
3935     thread_pool.queue_work([&] { process(local); });
3937 ##### Example, good
3939     int local = 42;
3940     // Want a copy of local.
3941     // Since a copy of local is made, it will
3942     // always be available for the call.
3943     thread_pool.queue_work([=] { process(local); });
3945 ##### Enforcement
3947 * (Simple) Warn when capture-list contains a reference to a locally declared variable
3948 * (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
3950 ### <a name="Rf-this-capture"></a>F.54: If you capture `this`, capture all variables explicitly (no default capture)
3952 ##### Reason
3954 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.
3956 ##### Example
3958     class My_class {
3959         int x = 0;
3960         // ...
3962         void f()
3963         {
3964             int i = 0;
3965             // ...
3967             auto lambda = [=] { use(i, x); };   // BAD: "looks like" copy/value capture
3968             // [&] has identical semantics and copies the this pointer under the current rules
3969             // [=,this] and [&,this] are not much better, and confusing
3971             x = 42;
3972             lambda(); // calls use(0, 42);
3973             x = 43;
3974             lambda(); // calls use(0, 43);
3976             // ...
3978             auto lambda2 = [i, this] { use(i, x); }; // ok, most explicit and least confusing
3980             // ...
3981         }
3982     };
3984 ##### Note
3986 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.
3988 ##### Enforcement
3990 * Flag any lambda capture-list that specifies a default capture and also captures `this` (whether explicitly or via default capture)
3992 ### <a name="F-varargs"></a>F.55: Don't use `va_arg` arguments
3994 ##### Reason
3996 Reading from a `va_arg` assumes that the correct type was actually passed.
3997 Passing to varargs assumes the correct type will be read.
3998 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.
4000 ##### Example
4002     int sum(...)
4003     {
4004         // ...
4005         while (/*...*/)
4006             result += va_arg(list, int); // BAD, assumes it will be passed ints
4007         // ...
4008     }
4010     sum(3, 2); // ok
4011     sum(3.14159, 2.71828); // BAD, undefined
4013     template<class ...Args>
4014     auto sum(Args... args) // GOOD, and much more flexible
4015     {
4016         return (... + args); // note: C++17 "fold expression"
4017     }
4019     sum(3, 2); // ok: 5
4020     sum(3.14159, 2.71828); // ok: ~5.85987
4022 ##### Alternatives
4024 * overloading
4025 * variadic templates
4026 * `variant` arguments
4027 * `initializer_list` (homogeneous)
4029 ##### Note
4031 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.
4033 ##### Enforcement
4035 * Issue a diagnostic for using `va_list`, `va_start`, or `va_arg`.
4036 * 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)]]`.
4039 ### <a name="F-nesting"></a>F.56: Avoid unnecessary condition nesting
4041 ##### Reason
4043 Shallow nesting of conditions makes the code easier to follow. It also makes the intent clearer.
4044 Strive to place the essential code at outermost scope, unless this obscures intent.
4046 ##### Example
4048 Use a guard-clause to take care of exceptional cases and return early.
4050     // Bad: Deep nesting
4051     void foo() {
4052         ...
4053         if (x) {
4054             computeImportantThings(x);
4055         }
4056     }
4058     // Bad: Still a redundant else.
4059     void foo() {
4060         ...
4061         if (!x) {
4062             return;
4063         }
4064         else {
4065             computeImportantThings(x);
4066         }
4067     }
4069     // Good: Early return, no redundant else
4070     void foo() {
4071         ...
4072         if (!x)
4073             return;
4075         computeImportantThings(x);
4076     }
4078 ##### Example
4080     // Bad: Unnecessary nesting of conditions
4081     void foo() {
4082         ...
4083         if (x) {
4084             if (y) {
4085                 computeImportantThings(x);
4086             }
4087         }
4088     }
4090     // Good: Merge conditions + return early
4091     void foo() {
4092         ...
4093         if (!(x && y))
4094             return;
4096         computeImportantThings(x);
4097     }
4099 ##### Enforcement
4101 Flag a redundant `else`.
4102 Flag a functions whose body is simply a conditional statement enclosing a block.
4105 # <a name="S-class"></a>C: Classes and class hierarchies
4107 A class is a user-defined type, for which a programmer can define the representation, operations, and interfaces.
4108 Class hierarchies are used to organize related classes into hierarchical structures.
4110 Class rule summary:
4112 * [C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)](#Rc-org)
4113 * [C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently](#Rc-struct)
4114 * [C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class](#Rc-interface)
4115 * [C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class](#Rc-member)
4116 * [C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support](#Rc-helper)
4117 * [C.7: Don't define a class or enum and declare a variable of its type in the same statement](#Rc-standalone)
4118 * [C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public](#Rc-class)
4119 * [C.9: Minimize exposure of members](#Rc-private)
4121 Subsections:
4123 * [C.concrete: Concrete types](#SS-concrete)
4124 * [C.ctor: Constructors, assignments, and destructors](#S-ctor)
4125 * [C.con: Containers and other resource handles](#SS-containers)
4126 * [C.lambdas: Function objects and lambdas](#SS-lambdas)
4127 * [C.hier: Class hierarchies (OOP)](#SS-hier)
4128 * [C.over: Overloading and overloaded operators](#SS-overload)
4129 * [C.union: Unions](#SS-union)
4131 ### <a name="Rc-org"></a>C.1: Organize related data into structures (`struct`s or `class`es)
4133 ##### Reason
4135 Ease of comprehension.
4136 If data is related (for fundamental reasons), that fact should be reflected in code.
4138 ##### Example
4140     void draw(int x, int y, int x2, int y2);  // BAD: unnecessary implicit relationships
4141     void draw(Point from, Point to);          // better
4143 ##### Note
4145 A simple class without virtual functions implies no space or time overhead.
4147 ##### Note
4149 From a language perspective `class` and `struct` differ only in the default visibility of their members.
4151 ##### Enforcement
4153 Probably impossible. Maybe a heuristic looking for data items used together is possible.
4155 ### <a name="Rc-struct"></a>C.2: Use `class` if the class has an invariant; use `struct` if the data members can vary independently
4157 ##### Reason
4159 Readability.
4160 Ease of comprehension.
4161 The use of `class` alerts the programmer to the need for an invariant.
4162 This is a useful convention.
4164 ##### Note
4166 An invariant is a logical condition for the members of an object that a constructor must establish for the public member functions to assume.
4167 After the invariant is established (typically by a constructor) every member function can be called for the object.
4168 An invariant can be stated informally (e.g., in a comment) or more formally using `Expects`.
4170 If all data members can vary independently of each other, no invariant is possible.
4172 ##### Example
4174     struct Pair {  // the members can vary independently
4175         string name;
4176         int volume;
4177     };
4179 but:
4181     class Date {
4182     public:
4183         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4184         Date(int yy, Month mm, char dd);
4185         // ...
4186     private:
4187         int y;
4188         Month m;
4189         char d;    // day
4190     };
4192 ##### Note
4194 If a class has any `private` data, a user cannot completely initialize an object without the use of a constructor.
4195 Hence, the class definer will provide a constructor and must specify its meaning.
4196 This effectively means the definer need to define an invariant.
4198 **See also**:
4200 * [define a class with private data as `class`](#Rc-class)
4201 * [Prefer to place the interface first in a class](#Rl-order)
4202 * [minimize exposure of members](#Rc-private)
4203 * [Avoid `protected` data](#Rh-protected)
4205 ##### Enforcement
4207 Look for `struct`s with all data private and `class`es with public members.
4209 ### <a name="Rc-interface"></a>C.3: Represent the distinction between an interface and an implementation using a class
4211 ##### Reason
4213 An explicit distinction between interface and implementation improves readability and simplifies maintenance.
4215 ##### Example
4217     class Date {
4218     public:
4219         Date();
4220         // validate that {yy, mm, dd} is a valid date and initialize
4221         Date(int yy, Month mm, char dd);
4223         int day() const;
4224         Month month() const;
4225         // ...
4226     private:
4227         // ... some representation ...
4228     };
4230 For example, we can now change the representation of a `Date` without affecting its users (recompilation is likely, though).
4232 ##### Note
4234 Using a class in this way to represent the distinction between interface and implementation is of course not the only way.
4235 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.
4236 The most important issue is to explicitly distinguish between an interface and its implementation "details."
4237 Ideally, and typically, an interface is far more stable than its implementation(s).
4239 ##### Enforcement
4243 ### <a name="Rc-member"></a>C.4: Make a function a member only if it needs direct access to the representation of a class
4245 ##### Reason
4247 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.
4249 ##### Example
4251     class Date {
4252         // ... relatively small interface ...
4253     };
4255     // helper functions:
4256     Date next_weekday(Date);
4257     bool operator==(Date, Date);
4259 The "helper functions" have no need for direct access to the representation of a `Date`.
4261 ##### Note
4263 This rule becomes even better if C++ gets ["uniform function call"](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0251r0.pdf).
4265 ##### Exception
4267 The language requires `virtual` functions to be members, and not all `virtual` functions directly access data.
4268 In particular, members of an abstract class rarely do.
4270 Note [multi-methods](https://parasol.tamu.edu/~yuriys/papers/OMM10.pdf).
4272 ##### Exception
4274 The language requires operators `=`, `()`, `[]`, and `->` to be members.
4276 ##### Exception
4278 An overload set could have some members that do not directly access `private` data:
4280     class Foobar {
4281     public:
4282         void foo(long x) { /* manipulate private data */ }
4283         void foo(double x) { foo(std::lround(x)); }
4284         // ...
4285     private:
4286         // ...
4287     };
4289 ##### Exception
4291 Similarly, a set of functions could be designed to be used in a chain:
4293     x.scale(0.5).rotate(45).set_color(Color::red);
4295 Typically, some but not all of such functions directly access `private` data.
4297 ##### Enforcement
4299 * Look for non-`virtual` member functions that do not touch data members directly.
4300 The snag is that many member functions that do not need to touch data members directly do.
4301 * Ignore `virtual` functions.
4302 * Ignore functions that are part of an overload set out of which at least one function accesses `private` members.
4303 * Ignore functions returning `this`.
4305 ### <a name="Rc-helper"></a>C.5: Place helper functions in the same namespace as the class they support
4307 ##### Reason
4309 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.
4310 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.
4312 ##### Example
4314     namespace Chrono { // here we keep time-related services
4316         class Time { /* ... */ };
4317         class Date { /* ... */ };
4319         // helper functions:
4320         bool operator==(Date, Date);
4321         Date next_weekday(Date);
4322         // ...
4323     }
4325 ##### Note
4327 This is especially important for [overloaded operators](#Ro-namespace).
4329 ##### Enforcement
4331 * Flag global functions taking argument types from a single namespace.
4333 ### <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
4335 ##### Reason
4337 Mixing a type definition and the definition of another entity in the same declaration is confusing and unnecessary.
4339 ##### Example, bad
4341     struct Data { /*...*/ } data{ /*...*/ };
4343 ##### Example, good
4345     struct Data { /*...*/ };
4346     Data data{ /*...*/ };
4348 ##### Enforcement
4350 * Flag if the `}` of a class or enumeration definition is not followed by a `;`. The `;` is missing.
4352 ### <a name="Rc-class"></a>C.8: Use `class` rather than `struct` if any member is non-public
4354 ##### Reason
4356 Readability.
4357 To make it clear that something is being hidden/abstracted.
4358 This is a useful convention.
4360 ##### Example, bad
4362     struct Date {
4363         int d, m;
4365         Date(int i, Month m);
4366         // ... lots of functions ...
4367     private:
4368         int y;  // year
4369     };
4371 There is nothing wrong with this code as far as the C++ language rules are concerned,
4372 but nearly everything is wrong from a design perspective.
4373 The private data is hidden far from the public data.
4374 The data is split in different parts of the class declaration.
4375 Different parts of the data have different access.
4376 All of this decreases readability and complicates maintenance.
4378 ##### Note
4380 Prefer to place the interface first in a class, [see NL.16](#Rl-order).
4382 ##### Enforcement
4384 Flag classes declared with `struct` if there is a `private` or `protected` member.
4386 ### <a name="Rc-private"></a>C.9: Minimize exposure of members
4388 ##### Reason
4390 Encapsulation.
4391 Information hiding.
4392 Minimize the chance of unintended access.
4393 This simplifies maintenance.
4395 ##### Example
4397     template<typename T, typename U>
4398     struct pair {
4399         T a;
4400         U b;
4401         // ...
4402     };
4404 Whatever we do in the `//`-part, an arbitrary user of a `pair` can arbitrarily and independently change its `a` and `b`.
4405 In a large code base, we cannot easily find which code does what to the members of `pair`.
4406 This might be exactly what we want, but if we want to enforce a relation among members, we need to make them `private`
4407 and enforce that relation (invariant) through constructors and member functions.
4408 For example:
4410     class Distance {
4411     public:
4412         // ...
4413         double meters() const { return magnitude*unit; }
4414         void set_unit(double u)
4415         {
4416                 // ... check that u is a factor of 10 ...
4417                 // ... change magnitude appropriately ...
4418                 unit = u;
4419         }
4420         // ...
4421     private:
4422         double magnitude;
4423         double unit;    // 1 is meters, 1000 is kilometers, 0.001 is millimeters, etc.
4424     };
4426 ##### Note
4428 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.
4429 For `public` and `protected` data, that's usually the case.
4431 ##### Example
4433 A class can provide two interfaces to its users.
4434 One for derived classes (`protected`) and one for general users (`public`).
4435 For example, a derived class might be allowed to skip a run-time check because it has already guaranteed correctness:
4437     class Foo {
4438     public:
4439         int bar(int x) { check(x); return do_bar(x); }
4440         // ...
4441     protected:
4442         int do_bar(int x); // do some operation on the data
4443         // ...
4444     private:
4445         // ... data ...
4446     };
4448     class Dir : public Foo {
4449         //...
4450         int mem(int x, int y)
4451         {
4452             /* ... do something ... */
4453             return do_bar(x + y); // OK: derived class can bypass check
4454         }
4455     };
4457     void user(Foo& x)
4458     {
4459         int r1 = x.bar(1);      // OK, will check
4460         int r2 = x.do_bar(2);   // error: would bypass check
4461         // ...
4462     }
4464 ##### Note
4466 [`protected` data is a bad idea](#Rh-protected).
4468 ##### Note
4470 Prefer the order `public` members before `protected` members before `private` members [see](#Rl-order).
4472 ##### Enforcement
4474 * [Flag protected data](#Rh-protected).
4475 * Flag mixtures of `public` and private `data`
4477 ## <a name="SS-concrete"></a>C.concrete: Concrete types
4479 Concrete type rule summary:
4481 * [C.10: Prefer concrete types over class hierarchies](#Rc-concrete)
4482 * [C.11: Make concrete types regular](#Rc-regular)
4483 * [C.12: Don't make data members `const` or references](#Rc-constref)
4486 ### <a name="Rc-concrete"></a>C.10: Prefer concrete types over class hierarchies
4488 ##### Reason
4490 A concrete type is fundamentally simpler than a type in a class hierarchy:
4491 easier to design, easier to implement, easier to use, easier to reason about, smaller, and faster.
4492 You need a reason (use cases) for using a hierarchy.
4494 ##### Example
4496     class Point1 {
4497         int x, y;
4498         // ... operations ...
4499         // ... no virtual functions ...
4500     };
4502     class Point2 {
4503         int x, y;
4504         // ... operations, some virtual ...
4505         virtual ~Point2();
4506     };
4508     void use()
4509     {
4510         Point1 p11 {1, 2};   // make an object on the stack
4511         Point1 p12 {p11};    // a copy
4513         auto p21 = make_unique<Point2>(1, 2);   // make an object on the free store
4514         auto p22 = p21->clone();                // make a copy
4515         // ...
4516     }
4518 If a class is part of a hierarchy, we (in real code if not necessarily in small examples) must manipulate its objects through pointers or references.
4519 That implies more memory overhead, more allocations and deallocations, and more run-time overhead to perform the resulting indirections.
4521 ##### Note
4523 Concrete types can be stack-allocated and be members of other classes.
4525 ##### Note
4527 The use of indirection is fundamental for run-time polymorphic interfaces.
4528 The allocation/deallocation overhead is not (that's just the most common case).
4529 We can use a base class as the interface of a scoped object of a derived class.
4530 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.
4533 ##### Enforcement
4538 ### <a name="Rc-regular"></a>C.11: Make concrete types regular
4540 ##### Reason
4542 Regular types are easier to understand and reason about than types that are not regular (irregularities requires extra effort to understand and use).
4544 The C++ built-in types are regular, and so are standard-library classes such as `string`, `vector`, and `map`. Concrete classes without assignment and equality can be defined, but they are (and should be) rare.
4546 ##### Example
4548     struct Bundle {
4549         string name;
4550         vector<Record> vr;
4551     };
4553     bool operator==(const Bundle& a, const Bundle& b)
4554     {
4555         return a.name == b.name && a.vr == b.vr;
4556     }
4558     Bundle b1 { "my bundle", {r1, r2, r3}};
4559     Bundle b2 = b1;
4560     if (!(b1 == b2)) error("impossible!");
4561     b2.name = "the other bundle";
4562     if (b1 == b2) error("No!");
4564 In particular, if a concrete type is copyable, prefer to also give it an equality comparison operator, and ensure that `a = b` implies `a == b`.
4566 ##### Note
4568 For structs intended to be shared with C code, defining `operator==` may not be feasible.
4570 ##### Note
4572 Handles for resources that cannot be cloned, e.g., a `scoped_lock` for a `mutex`, are concrete types but typically cannot be copied (instead, they can usually be moved),
4573 so they can't be regular; instead, they tend to be move-only.
4575 ##### Enforcement
4580 ### <a name="Rc-constref"></a>C.12: Don't make data members `const` or references
4582 ##### Reason
4584 They are not useful, and make types difficult to use by making them either uncopyable or partially uncopyable for subtle reasons.
4586 ##### Example; bad
4588     class bad {
4589         const int i;    // bad
4590         string& s;      // bad
4591         // ...
4592     };
4594 The `const` and `&` data members make this class "only-sort-of-copyable" -- copy-constructible but not copy-assignable.
4596 ##### Note
4598 If you need a member to point to something, use a pointer (raw or smart, and `gsl::not_null` if it should not be null) instead of a reference.
4600 ##### Enforcement
4602 Flag a data member that is `const`, `&`, or `&&`.
4606 ## <a name="S-ctor"></a>C.ctor: Constructors, assignments, and destructors
4608 These functions control the lifecycle of objects: creation, copy, move, and destruction.
4609 Define constructors to guarantee and simplify initialization of classes.
4611 These are *default operations*:
4613 * a default constructor: `X()`
4614 * a copy constructor: `X(const X&)`
4615 * a copy assignment: `operator=(const X&)`
4616 * a move constructor: `X(X&&)`
4617 * a move assignment: `operator=(X&&)`
4618 * a destructor: `~X()`
4620 By default, the compiler defines each of these operations if it is used, but the default can be suppressed.
4622 The default operations are a set of related operations that together implement the lifecycle semantics of an object.
4623 By default, C++ treats classes as value-like types, but not all types are value-like.
4625 Set of default operations rules:
4627 * [C.20: If you can avoid defining any default operations, do](#Rc-zero)
4628 * [C.21: If you define or `=delete` any copy, move, or destructor function, define or `=delete` them all](#Rc-five)
4629 * [C.22: Make default operations consistent](#Rc-matched)
4631 Destructor rules:
4633 * [C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction](#Rc-dtor)
4634 * [C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor](#Rc-dtor-release)
4635 * [C.32: If a class has a raw pointer (`T*`) or reference (`T&`), consider whether it might be owning](#Rc-dtor-ptr)
4636 * [C.33: If a class has an owning pointer member, define a destructor](#Rc-dtor-ptr2)
4637 * [C.35: A base class destructor should be either public and virtual, or protected and non-virtual](#Rc-dtor-virtual)
4638 * [C.36: A destructor must not fail](#Rc-dtor-fail)
4639 * [C.37: Make destructors `noexcept`](#Rc-dtor-noexcept)
4641 Constructor rules:
4643 * [C.40: Define a constructor if a class has an invariant](#Rc-ctor)
4644 * [C.41: A constructor should create a fully initialized object](#Rc-complete)
4645 * [C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
4646 * [C.43: Ensure that a copyable class has a default constructor](#Rc-default0)
4647 * [C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing](#Rc-default00)
4648 * [C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use member initializers instead](#Rc-default)
4649 * [C.46: By default, declare single-argument constructors `explicit`](#Rc-explicit)
4650 * [C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration](#Rc-order)
4651 * [C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers](#Rc-in-class-initializer)
4652 * [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize)
4653 * [C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization](#Rc-factory)
4654 * [C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class](#Rc-delegating)
4655 * [C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization](#Rc-inheriting)
4657 Copy and move rules:
4659 * [C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`](#Rc-copy-assignment)
4660 * [C.61: A copy operation should copy](#Rc-copy-semantic)
4661 * [C.62: Make copy assignment safe for self-assignment](#Rc-copy-self)
4662 * [C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const&`](#Rc-move-assignment)
4663 * [C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state](#Rc-move-semantic)
4664 * [C.65: Make move assignment safe for self-assignment](#Rc-move-self)
4665 * [C.66: Make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept)
4666 * [C.67: A polymorphic class should suppress public copy/move](#Rc-copy-virtual)
4668 Other default operations rules:
4670 * [C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics](#Rc-eqdefault)
4671 * [C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)](#Rc-delete)
4672 * [C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors](#Rc-ctor-virtual)
4673 * [C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function](#Rc-swap)
4674 * [C.84: A `swap` must not fail](#Rc-swap-fail)
4675 * [C.85: Make `swap` `noexcept`](#Rc-swap-noexcept)
4676 * [C.86: Make `==` symmetric with respect of operand types and `noexcept`](#Rc-eq)
4677 * [C.87: Beware of `==` on base classes](#Rc-eq-base)
4678 * [C.89: Make a `hash` `noexcept`](#Rc-hash)
4679 * [C.90: Rely on constructors and assignment operators, not memset and memcpy](#Rc-memset)
4681 ## <a name="SS-defop"></a>C.defop: Default Operations
4683 By default, the language supplies the default operations with their default semantics.
4684 However, a programmer can disable or replace these defaults.
4686 ### <a name="Rc-zero"></a>C.20: If you can avoid defining default operations, do
4688 ##### Reason
4690 It's the simplest and gives the cleanest semantics.
4692 ##### Example
4694     struct Named_map {
4695     public:
4696         // ... no default operations declared ...
4697     private:
4698         string name;
4699         map<int, int> rep;
4700     };
4702     Named_map nm;        // default construct
4703     Named_map nm2 {nm};  // copy construct
4705 Since `std::map` and `string` have all the special functions, no further work is needed.
4707 ##### Note
4709 This is known as "the rule of zero".
4711 ##### Enforcement
4713 (Not enforceable) While not enforceable, a good static analyzer can detect patterns that indicate a possible improvement to meet this rule.
4714 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`.
4716 ### <a name="Rc-five"></a>C.21: If you define or `=delete` any copy, move, or destructor function, define or `=delete` them all
4718 ##### Reason
4720 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.
4722 Declaring any copy/move/destructor function,
4723 even as `=default` or `=delete`, will suppress the implicit declaration
4724 of a move constructor and move assignment operator.
4725 Declaring a move constructor or move assignment operator, even as
4726 `=default` or `=delete`, will cause an implicitly generated copy constructor
4727 or implicitly generated copy assignment operator to be defined as deleted.
4728 So as soon as any of these are declared, the others should
4729 all be declared to avoid unwanted effects like turning all potential moves
4730 into more expensive copies, or making a class move-only.
4732 ##### Example, bad
4734     struct M2 {   // bad: incomplete set of copy/move/destructor operations
4735     public:
4736         // ...
4737         // ... no copy or move operations ...
4738         ~M2() { delete[] rep; }
4739     private:
4740         pair<int, int>* rep;  // zero-terminated set of pairs
4741     };
4743     void use()
4744     {
4745         M2 x;
4746         M2 y;
4747         // ...
4748         x = y;   // the default assignment
4749         // ...
4750     }
4752 Given that "special attention" was needed for the destructor (here, to deallocate), the likelihood that the implicitly-defined copy and move assignment operators will be correct is low (here, we would get double deletion).
4754 ##### Note
4756 This is known as "the rule of five."
4758 ##### Note
4760 If you want a default implementation (while defining another), write `=default` to show you're doing so intentionally for that function.
4761 If you don't want a generated default function, suppress it with `=delete`.
4763 ##### Example, good
4765 When a destructor needs to be declared just to make it `virtual`, it can be
4766 defined as defaulted.
4768     class AbstractBase {
4769     public:
4770         virtual ~AbstractBase() = default;
4771         // ...
4772     };
4774 To prevent slicing as per [C.67](#Rc-copy-virtual),
4775 make the copy and move operations protected or `=delete`d, and add a `clone`:
4777     class ClonableBase {
4778     public:
4779         virtual unique_ptr<ClonableBase> clone() const;
4780         virtual ~ClonableBase() = default;
4781         CloneableBase() = default;
4782         ClonableBase(const ClonableBase&) = delete;
4783         ClonableBase& operator=(const ClonableBase&) = delete;
4784         ClonableBase(ClonableBase&&) = delete;
4785         ClonableBase& operator=(ClonableBase&&) = delete;
4786         // ... other constructors and functions ...
4787     };
4789 Defining only the move operations or only the copy operations would have the
4790 same effect here, but stating the intent explicitly for each special member
4791 makes it more obvious to the reader.
4793 ##### Note
4795 Compilers enforce much of this rule and ideally warn about any violation.
4797 ##### Note
4799 Relying on an implicitly generated copy operation in a class with a destructor is deprecated.
4801 ##### Note
4803 Writing these functions can be error prone.
4804 Note their argument types:
4806     class X {
4807     public:
4808         // ...
4809         virtual ~X() = default;            // destructor (virtual if X is meant to be a base class)
4810         X(const X&) = default;             // copy constructor
4811         X& operator=(const X&) = default;  // copy assignment
4812         X(X&&) = default;                  // move constructor
4813         X& operator=(X&&) = default;       // move assignment
4814     };
4816 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.
4817 To avoid the tedium and the possibility of errors, try to follow the [rule of zero](#Rc-zero).
4819 ##### Enforcement
4821 (Simple) A class should have a declaration (even a `=delete` one) for either all or none of the copy/move/destructor functions.
4823 ### <a name="Rc-matched"></a>C.22: Make default operations consistent
4825 ##### Reason
4827 The default operations are conceptually a matched set. Their semantics are interrelated.
4828 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.
4830 ##### Example, bad
4832     class Silly {   // BAD: Inconsistent copy operations
4833         class Impl {
4834             // ...
4835         };
4836         shared_ptr<Impl> p;
4837     public:
4838         Silly(const Silly& a) : p(make_shared<Impl>()) { *p = *a.p; }   // deep copy
4839         Silly& operator=(const Silly& a) { p = a.p; }   // shallow copy
4840         // ...
4841     };
4843 These operations disagree about copy semantics. This will lead to confusion and bugs.
4845 ##### Enforcement
4847 * (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.
4848 * (Complex) Any member variables written in a copy/move constructor should also be initialized by all other constructors.
4849 * (Complex) If a copy/move constructor performs a deep copy of a member variable, then the destructor should modify the member variable.
4850 * (Complex) If a destructor is modifying a member variable, that member variable should be written in any copy/move constructors or assignment operators.
4852 ## <a name="SS-dtor"></a>C.dtor: Destructors
4854 "Does this class need a destructor?" is a surprisingly insightful design question.
4855 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);
4856 that is, its members can take care of themselves as concerns destruction.
4857 If the answer is "yes", much of the design of the class follows (see [the rule of five](#Rc-five)).
4859 ### <a name="Rc-dtor"></a>C.30: Define a destructor if a class needs an explicit action at object destruction
4861 ##### Reason
4863 A destructor is implicitly invoked at the end of an object's lifetime.
4864 If the default destructor is sufficient, use it.
4865 Only define a non-default destructor if a class needs to execute code that is not already part of its members' destructors.
4867 ##### Example
4869     template<typename A>
4870     struct final_action {   // slightly simplified
4871         A act;
4872         final_action(A a) : act{a} {}
4873         ~final_action() { act(); }
4874     };
4876     template<typename A>
4877     final_action<A> finally(A act)   // deduce action type
4878     {
4879         return final_action<A>{act};
4880     }
4882     void test()
4883     {
4884         auto act = finally([] { cout << "Exit test\n"; });  // establish exit action
4885         // ...
4886         if (something) return;   // act done here
4887         // ...
4888     } // act done here
4890 The whole purpose of `final_action` is to get a piece of code (usually a lambda) executed upon destruction.
4892 ##### Note
4894 There are two general categories of classes that need a user-defined destructor:
4896 * A class with a resource that is not already represented as a class with a destructor, e.g., a `vector` or a transaction class.
4897 * A class that exists primarily to execute an action upon destruction, such as a tracer or `final_action`.
4899 ##### Example, bad
4901     class Foo {   // bad; use the default destructor
4902     public:
4903         // ...
4904         ~Foo() { s = ""; i = 0; vi.clear(); }  // clean up
4905     private:
4906         string s;
4907         int i;
4908         vector<int> vi;
4909     };
4911 The default destructor does it better, more efficiently, and can't get it wrong.
4913 ##### Note
4915 If the default destructor is needed, but its generation has been suppressed (e.g., by defining a move constructor), use `=default`.
4917 ##### Enforcement
4919 Look for likely "implicit resources", such as pointers and references. Look for classes with destructors even though all their data members have destructors.
4921 ### <a name="Rc-dtor-release"></a>C.31: All resources acquired by a class must be released by the class's destructor
4923 ##### Reason
4925 Prevention of resource leaks, especially in error cases.
4927 ##### Note
4929 For resources represented as classes with a complete set of default operations, this happens automatically.
4931 ##### Example
4933     class X {
4934         ifstream f;   // might own a file
4935         // ... no default operations defined or =deleted ...
4936     };
4938 `X`'s `ifstream` implicitly closes any file it might have open upon destruction of its `X`.
4940 ##### Example, bad
4942     class X2 {     // bad
4943         FILE* f;   // might own a file
4944         // ... no default operations defined or =deleted ...
4945     };
4947 `X2` might leak a file handle.
4949 ##### Note
4951 What about a socket that won't close? A destructor, close, or cleanup operation [should never fail](#Rc-dtor-fail).
4952 If it does nevertheless, we have a problem that has no really good solution.
4953 For starters, the writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
4954 See [discussion](#Sd-never-fail).
4955 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
4956 Many have tried to solve this problem, but no general solution is known.
4957 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
4959 ##### Note
4961 A class can hold pointers and references to objects that it does not own.
4962 Obviously, such objects should not be `delete`d by the class's destructor.
4963 For example:
4965     Preprocessor pp { /* ... */ };
4966     Parser p { pp, /* ... */ };
4967     Type_checker tc { p, /* ... */ };
4969 Here `p` refers to `pp` but does not own it.
4971 ##### Enforcement
4973 * (Simple) If a class has pointer or reference member variables that are owners
4974   (e.g., deemed owners by using `gsl::owner`), then they should be referenced in its destructor.
4975 * (Hard) Determine if pointer or reference member variables are owners when there is no explicit statement of ownership
4976   (e.g., look into the constructors).
4978 ### <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
4980 ##### Reason
4982 There is a lot of code that is non-specific about ownership.
4984 ##### Example
4986     ???
4988 ##### Note
4990 If the `T*` or `T&` is owning, mark it `owning`. If the `T*` is not owning, consider marking it `ptr`.
4991 This will aid documentation and analysis.
4993 ##### Enforcement
4995 Look at the initialization of raw member pointers and member references and see if an allocation is used.
4997 ### <a name="Rc-dtor-ptr2"></a>C.33: If a class has an owning pointer member, define a destructor
4999 ##### Reason
5001 An owned object must be `deleted` upon destruction of the object that owns it.
5003 ##### Example
5005 A pointer member could represent a resource.
5006 [A `T*` should not do so](#Rr-ptr), but in older code, that's common.
5007 Consider a `T*` a possible owner and therefore suspect.
5009     template<typename T>
5010     class Smart_ptr {
5011         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
5012         // ...
5013     public:
5014         // ... no user-defined default operations ...
5015     };
5017     void use(Smart_ptr<int> p1)
5018     {
5019         // error: p2.p leaked (if not nullptr and not owned by some other code)
5020         auto p2 = p1;
5021     }
5023 Note that if you define a destructor, you must define or delete [all default operations](#Rc-five):
5025     template<typename T>
5026     class Smart_ptr2 {
5027         T* p;   // BAD: vague about ownership of *p
5028         // ...
5029     public:
5030         // ... no user-defined copy operations ...
5031         ~Smart_ptr2() { delete p; }  // p is an owner!
5032     };
5034     void use(Smart_ptr2<int> p1)
5035     {
5036         auto p2 = p1;   // error: double deletion
5037     }
5039 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:
5041     template<typename T>
5042     class Smart_ptr3 {
5043         owner<T*> p;   // OK: explicit about ownership of *p
5044         // ...
5045     public:
5046         // ...
5047         // ... copy and move operations ...
5048         ~Smart_ptr3() { delete p; }
5049     };
5051     void use(Smart_ptr3<int> p1)
5052     {
5053         auto p2 = p1;   // OK: no double deletion
5054     }
5056 ##### Note
5058 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.
5060 ##### Note
5062 Why not just require all owning pointers to be "smart pointers"?
5063 That would sometimes require non-trivial code changes and might affect ABIs.
5065 ##### Enforcement
5067 * A class with a pointer data member is suspect.
5068 * A class with an `owner<T>` should define its default operations.
5071 ### <a name="Rc-dtor-virtual"></a>C.35: A base class destructor should be either public and virtual, or protected and non-virtual
5073 ##### Reason
5075 To prevent undefined behavior.
5076 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.
5077 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.
5078 In general, the writer of a base class does not know the appropriate action to be done upon destruction.
5080 ##### Discussion
5082 See [this in the Discussion section](#Sd-dtor).
5084 ##### Example, bad
5086     struct Base {  // BAD: implicitly has a public non-virtual destructor
5087         virtual void f();
5088     };
5090     struct D : Base {
5091         string s {"a resource needing cleanup"};
5092         ~D() { /* ... do some cleanup ... */ }
5093         // ...
5094     };
5096     void use()
5097     {
5098         unique_ptr<Base> p = make_unique<D>();
5099         // ...
5100     } // p's destruction calls ~Base(), not ~D(), which leaks D::s and possibly more
5102 ##### Note
5104 A virtual function defines an interface to derived classes that can be used without looking at the derived classes.
5105 If the interface allows destroying, it should be safe to do so.
5107 ##### Note
5109 A destructor must be non-private or it will prevent using the type:
5111     class X {
5112         ~X();   // private destructor
5113         // ...
5114     };
5116     void use()
5117     {
5118         X a;                        // error: cannot destroy
5119         auto p = make_unique<X>();  // error: cannot destroy
5120     }
5122 ##### Exception
5124 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.
5127 ##### Enforcement
5129 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and non-virtual.
5131 ### <a name="Rc-dtor-fail"></a>C.36: A destructor must not fail
5133 ##### Reason
5135 In general we do not know how to write error-free code if a destructor should fail.
5136 The standard library requires that all classes it deals with have destructors that do not exit by throwing.
5138 ##### Example
5140     class X {
5141     public:
5142         ~X() noexcept;
5143         // ...
5144     };
5146     X::~X() noexcept
5147     {
5148         // ...
5149         if (cannot_release_a_resource) terminate();
5150         // ...
5151     }
5153 ##### Note
5155 Many have tried to devise a fool-proof scheme for dealing with failure in destructors.
5156 None have succeeded to come up with a general scheme.
5157 This can be a real practical problem: For example, what about a socket that won't close?
5158 The writer of a destructor does not know why the destructor is called and cannot "refuse to act" by throwing an exception.
5159 See [discussion](#Sd-never-fail).
5160 To make the problem worse, many "close/release" operations are not retryable.
5161 If at all possible, consider failure to close/cleanup a fundamental design error and terminate.
5163 ##### Note
5165 Declare a destructor `noexcept`. That will ensure that it either completes normally or terminates the program.
5167 ##### Note
5169 If a resource cannot be released and the program must not fail, try to signal the failure to the rest of the system somehow
5170 (maybe even by modifying some global state and hope something will notice and be able to take care of the problem).
5171 Be fully aware that this technique is special-purpose and error-prone.
5172 Consider the "my connection will not close" example.
5173 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.
5174 The destructor could send a message (somehow) to the responsible part of the system, consider that to have closed the connection, and return normally.
5176 ##### Note
5178 If a destructor uses operations that could fail, it can catch exceptions and in some cases still complete successfully
5179 (e.g., by using a different clean-up mechanism from the one that threw an exception).
5181 ##### Enforcement
5183 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5185 ### <a name="Rc-dtor-noexcept"></a>C.37: Make destructors `noexcept`
5187 ##### Reason
5189  [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.
5191 ##### Note
5193 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.
5195 ##### Example
5197 Not all destructors are noexcept by default; one throwing member poisons the whole class hierarchy
5199     struct X {
5200         Details x;  // happens to have a throwing destructor
5201         // ...
5202         ~X() { }    // implicitly noexcept(false); aka can throw
5203     };
5205 So, if in doubt, declare a destructor noexcept.
5207 ##### Note
5209 Why not then declare all destructors noexcept?
5210 Because that would in many cases -- especially simple cases -- be distracting clutter.
5212 ##### Enforcement
5214 (Simple) A destructor should be declared `noexcept` if it could throw.
5216 ## <a name="SS-ctor"></a>C.ctor: Constructors
5218 A constructor defines how an object is initialized (constructed).
5220 ### <a name="Rc-ctor"></a>C.40: Define a constructor if a class has an invariant
5222 ##### Reason
5224 That's what constructors are for.
5226 ##### Example
5228     class Date {  // a Date represents a valid date
5229                   // in the January 1, 1900 to December 31, 2100 range
5230         Date(int dd, int mm, int yy)
5231             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5232         {
5233             if (!is_valid(d, m, y)) throw Bad_date{};  // enforce invariant
5234         }
5235         // ...
5236     private:
5237         int d, m, y;
5238     };
5240 It is often a good idea to express the invariant as an `Ensures` on the constructor.
5242 ##### Note
5244 A constructor can be used for convenience even if a class does not have an invariant. For example:
5246     struct Rec {
5247         string s;
5248         int i {0};
5249         Rec(const string& ss) : s{ss} {}
5250         Rec(int ii) :i{ii} {}
5251     };
5253     Rec r1 {7};
5254     Rec r2 {"Foo bar"};
5256 ##### Note
5258 The C++11 initializer list rule eliminates the need for many constructors. For example:
5260     struct Rec2{
5261         string s;
5262         int i;
5263         Rec2(const string& ss, int ii = 0) :s{ss}, i{ii} {}   // redundant
5264     };
5266     Rec2 r1 {"Foo", 7};
5267     Rec2 r2 {"Bar"};
5269 The `Rec2` constructor is redundant.
5270 Also, the default for `int` would be better done as a [member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5272 **See also**: [construct valid object](#Rc-complete) and [constructor throws](#Rc-throw).
5274 ##### Enforcement
5276 * Flag classes with user-defined copy operations but no constructor (a user-defined copy is a good indicator that the class has an invariant)
5278 ### <a name="Rc-complete"></a>C.41: A constructor should create a fully initialized object
5280 ##### Reason
5282 A constructor establishes the invariant for a class. A user of a class should be able to assume that a constructed object is usable.
5284 ##### Example, bad
5286     class X1 {
5287         FILE* f;   // call init() before any other function
5288         // ...
5289     public:
5290         X1() {}
5291         void init();   // initialize f
5292         void read();   // read from f
5293         // ...
5294     };
5296     void f()
5297     {
5298         X1 file;
5299         file.read();   // crash or bad read!
5300         // ...
5301         file.init();   // too late
5302         // ...
5303     }
5305 Compilers do not read comments.
5307 ##### Exception
5309 If a valid object cannot conveniently be constructed by a constructor, [use a factory function](#Rc-factory).
5311 ##### Enforcement
5313 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5314 * (Unknown) If a constructor has an `Ensures` contract, try to see if it holds as a postcondition.
5316 ##### Note
5318 If a constructor acquires a resource (to create a valid object), that resource should be [released by the destructor](#Rc-dtor-release).
5319 The idiom of having constructors acquire resources and destructors release them is called [RAII](#Rr-raii) ("Resource Acquisition Is Initialization").
5321 ### <a name="Rc-throw"></a>C.42: If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception
5323 ##### Reason
5325 Leaving behind an invalid object is asking for trouble.
5327 ##### Example
5329     class X2 {
5330         FILE* f;
5331         // ...
5332     public:
5333         X2(const string& name)
5334             :f{fopen(name.c_str(), "r")}
5335         {
5336             if (!f) throw runtime_error{"could not open" + name};
5337             // ...
5338         }
5340         void read();      // read from f
5341         // ...
5342     };
5344     void f()
5345     {
5346         X2 file {"Zeno"}; // throws if file isn't open
5347         file.read();      // fine
5348         // ...
5349     }
5351 ##### Example, bad
5353     class X3 {     // bad: the constructor leaves a non-valid object behind
5354         FILE* f;   // call is_valid() before any other function
5355         bool valid;
5356         // ...
5357     public:
5358         X3(const string& name)
5359             :f{fopen(name.c_str(), "r")}, valid{false}
5360         {
5361             if (f) valid = true;
5362             // ...
5363         }
5365         bool is_valid() { return valid; }
5366         void read();   // read from f
5367         // ...
5368     };
5370     void f()
5371     {
5372         X3 file {"Heraclides"};
5373         file.read();   // crash or bad read!
5374         // ...
5375         if (file.is_valid()) {
5376             file.read();
5377             // ...
5378         }
5379         else {
5380             // ... handle error ...
5381         }
5382         // ...
5383     }
5385 ##### Note
5387 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.
5388 Leaving behind an invalid object and relying on users to consistently check an `is_valid()` function before use is tedious, error-prone, and inefficient.
5390 ##### Exception
5392 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.
5393 There the `is_valid()` technique must be used. In such cases, check `is_valid()` consistently and immediately to simulate [RAII](#Rr-raii).
5395 ##### Alternative
5397 If you feel tempted to use some "post-constructor initialization" or "two-stage initialization" idiom, try not to do that.
5398 If you really have to, look at [factory functions](#Rc-factory).
5400 ##### Note
5402 One reason people have used `init()` functions rather than doing the initialization work in a constructor has been to avoid code replication.
5403 [Delegating constructors](#Rc-delegating) and [default member initialization](#Rc-in-class-initializer) do that better.
5404 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)
5406 ##### Enforcement
5410 ### <a name="Rc-default0"></a>C.43: Ensure that a copyable class has a default constructor
5412 ##### Reason
5414 That is, ensure that if a concrete class is copyable it also satisfies the rest of "semiregular."
5416 Many language and library facilities rely on default constructors to initialize their elements, e.g. `T a[10]` and `std::vector<T> v(10)`.
5417 A default constructor often simplifies the task of defining a suitable [moved-from state](#???) for a type that is also copyable.
5419 ##### Example
5421     class Date { // BAD: no default constructor
5422     public:
5423         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5424         // ...
5425     };
5427     vector<Date> vd1(1000);   // default Date needed here
5428     vector<Date> vd2(1000, Date{Month::October, 7, 1885});   // alternative
5430 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.
5431 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.
5433 `Date` is chosen to encourage thought:
5434 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.
5435 `{0, 0, 0}` is not a valid date in most calendar systems, so choosing that would be introducing something like floating-point's `NaN`.
5436 However, most realistic `Date` classes have a "first date" (e.g. January 1, 1970 is popular), so making that the default is usually trivial.
5438     class Date {
5439     public:
5440         Date(int dd, int mm, int yyyy);
5441         Date() = default; // [See also](#Rc-default)
5442         // ...
5443     private:
5444         int dd = 1;
5445         int mm = 1;
5446         int yyyy = 1970;
5447         // ...
5448     };
5450     vector<Date> vd1(1000);
5452 ##### Note
5454 A class with members that all have default constructors implicitly gets a default constructor:
5456     struct X {
5457         string s;
5458         vector<int> v;
5459     };
5461     X x; // means X{{}, {}}; that is the empty string and the empty vector
5463 Beware that built-in types are not properly default constructed:
5465     struct X {
5466         string s;
5467         int i;
5468     };
5470     void f()
5471     {
5472         X x;    // x.s is initialized to the empty string; x.i is uninitialized
5474         cout << x.s << ' ' << x.i << '\n';
5475         ++x.i;
5476     }
5478 Statically allocated objects of built-in types are by default initialized to `0`, but local built-in variables are not.
5479 Beware that your compiler might default initialize local built-in variables, whereas an optimized build will not.
5480 Thus, code like the example above might appear to work, but it relies on undefined behavior.
5481 Assuming that you want initialization, an explicit default initialization can help:
5483     struct X {
5484         string s;
5485         int i {};   // default initialize (to 0)
5486     };
5488 ##### Notes
5490 Classes that don't have a reasonable default construction are usually not copyable either, so they don't fall under this guideline.
5492 For example, a base class should not be copyable, and so does not necessarily need a default constructor:
5494     // Shape is an abstract base class, not a copyable type.
5495     // It might or might not need a default constructor.
5496     struct Shape {
5497         virtual void draw() = 0;
5498         virtual void rotate(int) = 0;
5499         // =delete copy/move functions
5500         // ...
5501     };
5503 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:
5505     // std::lock_guard is not a copyable type.
5506     // It does not have a default constructor.
5507     lock_guard g {mx};  // guard the mutex mx
5508     lock_guard g2;      // error: guarding nothing
5510 A class that has a "special state" that must be handled separately from other states by member functions or users causes extra work
5511 (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:
5513     // std::ofstream is not a copyable type.
5514     // It does happen to have a default constructor
5515     // that goes along with a special "not open" state.
5516     ofstream out {"Foobar"};
5517     // ...
5518     out << log(time, transaction);
5520 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.
5522 However, it is preferable to have a default constructor default to a meaningful state such as `std::string`s `""` and `std::vector`s `{}`.
5524 ##### Enforcement
5526 * Flag classes that are copyable by `=` without a default constructor
5527 * Flag classes that are comparable with `==` but not copyable
5530 ### <a name="Rc-default00"></a>C.44: Prefer default constructors to be simple and non-throwing
5532 ##### Reason
5534 Being able to set a value to "the default" without operations that might fail simplifies error handling and reasoning about move operations.
5536 ##### Example, problematic
5538     template<typename T>
5539     // elem points to space-elem element allocated using new
5540     class Vector0 {
5541     public:
5542         Vector0() :Vector0{0} {}
5543         Vector0(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5544         // ...
5545     private:
5546         own<T*> elem;
5547         T* space;
5548         T* last;
5549     };
5551 This is nice and general, but setting a `Vector0` to empty after an error involves an allocation, which might fail.
5552 Also, having a default `Vector` represented as `{new T[0], 0, 0}` seems wasteful.
5553 For example, `Vector0<int> v[100]` costs 100 allocations.
5555 ##### Example
5557     template<typename T>
5558     // elem is nullptr or elem points to space-elem element allocated using new
5559     class Vector1 {
5560     public:
5561         // sets the representation to {nullptr, nullptr, nullptr}; doesn't throw
5562         Vector1() noexcept {}
5563         Vector1(int n) :elem{new T[n]}, space{elem + n}, last{elem} {}
5564         // ...
5565     private:
5566         own<T*> elem = nullptr;
5567         T* space = nullptr;
5568         T* last = nullptr;
5569     };
5571 Using `{nullptr, nullptr, nullptr}` makes `Vector1{}` cheap, but a special case and implies run-time checks.
5572 Setting a `Vector1` to empty after detecting an error is trivial.
5574 ##### Enforcement
5576 * Flag throwing default constructors
5578 ### <a name="Rc-default"></a>C.45: Don't define a default constructor that only initializes data members; use in-class member initializers instead
5580 ##### Reason
5582 Using in-class member initializers lets the compiler generate the function for you. The compiler-generated function can be more efficient.
5584 ##### Example, bad
5586     class X1 { // BAD: doesn't use member initializers
5587         string s;
5588         int i;
5589     public:
5590         X1() :s{"default"}, i{1} { }
5591         // ...
5592     };
5594 ##### Example
5596     class X2 {
5597         string s = "default";
5598         int i = 1;
5599     public:
5600         // use compiler-generated default constructor
5601         // ...
5602     };
5604 ##### Enforcement
5606 (Simple) A default constructor should do more than just initialize member variables with constants.
5608 ### <a name="Rc-explicit"></a>C.46: By default, declare single-argument constructors explicit
5610 ##### Reason
5612 To avoid unintended conversions.
5614 ##### Example, bad
5616     class String {
5617     public:
5618         String(int);   // BAD
5619         // ...
5620     };
5622     String s = 10;   // surprise: string of size 10
5624 ##### Exception
5626 If you really want an implicit conversion from the constructor argument type to the class type, don't use `explicit`:
5628     class Complex {
5629     public:
5630         Complex(double d);   // OK: we want a conversion from d to {d, 0}
5631         // ...
5632     };
5634     Complex z = 10.7;   // unsurprising conversion
5636 **See also**: [Discussion of implicit conversions](#Ro-conversion)
5638 ##### Note
5640 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.
5642 ##### Enforcement
5644 (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".
5646 ### <a name="Rc-order"></a>C.47: Define and initialize member variables in the order of member declaration
5648 ##### Reason
5650 To minimize confusion and errors. That is the order in which the initialization happens (independent of the order of member initializers).
5652 ##### Example, bad
5654     class Foo {
5655         int m1;
5656         int m2;
5657     public:
5658         Foo(int x) :m2{x}, m1{++x} { }   // BAD: misleading initializer order
5659         // ...
5660     };
5662     Foo x(1); // surprise: x.m1 == x.m2 == 2
5664 ##### Enforcement
5666 (Simple) A member initializer list should mention the members in the same order they are declared.
5668 **See also**: [Discussion](#Sd-order)
5670 ### <a name="Rc-in-class-initializer"></a>C.48: Prefer in-class initializers to member initializers in constructors for constant initializers
5672 ##### Reason
5674 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.
5676 ##### Example, bad
5678     class X {   // BAD
5679         int i;
5680         string s;
5681         int j;
5682     public:
5683         X() :i{666}, s{"qqq"} { }   // j is uninitialized
5684         X(int ii) :i{ii} {}         // s is "" and j is uninitialized
5685         // ...
5686     };
5688 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.
5690 ##### Example
5692     class X2 {
5693         int i {666};
5694         string s {"qqq"};
5695         int j {0};
5696     public:
5697         X2() = default;        // all members are initialized to their defaults
5698         X2(int ii) :i{ii} {}   // s and j initialized to their defaults
5699         // ...
5700     };
5702 **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:
5704     class X3 {   // BAD: inexplicit, argument passing overhead
5705         int i;
5706         string s;
5707         int j;
5708     public:
5709         X3(int ii = 666, const string& ss = "qqq", int jj = 0)
5710             :i{ii}, s{ss}, j{jj} { }   // all members are initialized to their defaults
5711         // ...
5712     };
5714 ##### Enforcement
5716 * (Simple) Every constructor should initialize every member variable (either explicitly, via a delegating ctor call or via default construction).
5717 * (Simple) Default arguments to constructors suggest an in-class initializer might be more appropriate.
5719 ### <a name="Rc-initialize"></a>C.49: Prefer initialization to assignment in constructors
5721 ##### Reason
5723 An initialization explicitly states that initialization, rather than assignment, is done and can be more elegant and efficient. Prevents "use before set" errors.
5725 ##### Example, good
5727     class A {   // Good
5728         string s1;
5729     public:
5730         A(czstring p) : s1{p} { }    // GOOD: directly construct (and the C-string is explicitly named)
5731         // ...
5732     };
5734 ##### Example, bad
5736     class B {   // BAD
5737         string s1;
5738     public:
5739         B(const char* p) { s1 = p; }   // BAD: default constructor followed by assignment
5740         // ...
5741     };
5743     class C {   // UGLY, aka very bad
5744         int* p;
5745     public:
5746         C() { cout << *p; p = new int{10}; }   // accidental use before initialized
5747         // ...
5748     };
5750 ##### Example, better still
5752 Instead of those `const char*`s we could use C++17 `std::string_view` or `gsl::span<char>`
5753 as [a more general way to present arguments to a function](#Rstr-view):
5755     class D {   // Good
5756         string s1;
5757     public:
5758         D(string_view v) : s1{v} { }    // GOOD: directly construct
5759         // ...
5760     };
5762 ### <a name="Rc-factory"></a>C.50: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
5764 ##### Reason
5766 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.
5768 ##### Note
5770 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.
5772 ##### Example, bad
5774     class B {
5775     public:
5776         B()
5777         {
5778             /* ... */
5779             f(); // BAD: C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
5780             /* ... */
5781         }
5783         virtual void f() = 0;
5784     };
5786 ##### Example
5788     class B {
5789     protected:
5790         class Token {};
5792     public:
5793         explicit B(Token) { /* ... */ }  // create an imperfectly initialized object
5794         virtual void f() = 0;
5796         template<class T>
5797         static shared_ptr<T> create()    // interface for creating shared objects
5798         {
5799             auto p = make_shared<T>(typename T::Token{});
5800             p->post_initialize();
5801             return p;
5802         }
5804     protected:
5805         virtual void post_initialize()   // called right after construction
5806             { /* ... */ f(); /* ... */ } // GOOD: virtual dispatch is safe
5807     };
5809     class D : public B {                 // some derived class
5810     protected:
5811         class Token {};
5813     public:
5814         explicit D(Token) : B{ B::Token{} } {}
5815         void f() override { /* ...  */ };
5817     protected:
5818         template<class T>
5819         friend shared_ptr<T> B::create();
5820     };
5822     shared_ptr<D> p = D::create<D>();  // creating a D object
5824 `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.
5825 By providing the factory function `create()`, we make construction (on the free store) convenient.
5827 ##### Note
5829 Conventional factory functions allocate on the free store, rather than on the stack or in an enclosing object.
5831 **See also**: [Discussion](#Sd-factory)
5833 ### <a name="Rc-delegating"></a>C.51: Use delegating constructors to represent common actions for all constructors of a class
5835 ##### Reason
5837 To avoid repetition and accidental differences.
5839 ##### Example, bad
5841     class Date {   // BAD: repetitive
5842         int d;
5843         Month m;
5844         int y;
5845     public:
5846         Date(int dd, Month mm, year yy)
5847             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5848             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5850         Date(int dd, Month mm)
5851             :d{dd}, m{mm} y{current_year()}
5852             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5853         // ...
5854     };
5856 The common action gets tedious to write and might accidentally not be common.
5858 ##### Example
5860     class Date2 {
5861         int d;
5862         Month m;
5863         int y;
5864     public:
5865         Date2(int dd, Month mm, year yy)
5866             :d{dd}, m{mm}, y{yy}
5867             { if (!valid(d, m, y)) throw Bad_date{}; }
5869         Date2(int dd, Month mm)
5870             :Date2{dd, mm, current_year()} {}
5871         // ...
5872     };
5874 **See also**: If the "repeated action" is a simple initialization, consider [an in-class member initializer](#Rc-in-class-initializer).
5876 ##### Enforcement
5878 (Moderate) Look for similar constructor bodies.
5880 ### <a name="Rc-inheriting"></a>C.52: Use inheriting constructors to import constructors into a derived class that does not need further explicit initialization
5882 ##### Reason
5884 If you need those constructors for a derived class, re-implementing them is tedious and error-prone.
5886 ##### Example
5888 `std::vector` has a lot of tricky constructors, so if I want my own `vector`, I don't want to reimplement them:
5890     class Rec {
5891         // ... data and lots of nice constructors ...
5892     };
5894     class Oper : public Rec {
5895         using Rec::Rec;
5896         // ... no data members ...
5897         // ... lots of nice utility functions ...
5898     };
5900 ##### Example, bad
5902     struct Rec2 : public Rec {
5903         int x;
5904         using Rec::Rec;
5905     };
5907     Rec2 r {"foo", 7};
5908     int val = r.x;   // uninitialized
5910 ##### Enforcement
5912 Make sure that every member of the derived class is initialized.
5914 ## <a name="SS-copy"></a>C.copy: Copy and move
5916 Concrete types should generally be copyable, but interfaces in a class hierarchy should not.
5917 Resource handles might or might not be copyable.
5918 Types can be defined to move for logical as well as performance reasons.
5920 ### <a name="Rc-copy-assignment"></a>C.60: Make copy assignment non-`virtual`, take the parameter by `const&`, and return by non-`const&`
5922 ##### Reason
5924 It is simple and efficient. If you want to optimize for rvalues, provide an overload that takes a `&&` (see [F.18](#Rf-consume)).
5926 ##### Example
5928     class Foo {
5929     public:
5930         Foo& operator=(const Foo& x)
5931         {
5932             // GOOD: no need to check for self-assignment (other than performance)
5933             auto tmp = x;
5934             swap(tmp); // see C.83
5935             return *this;
5936         }
5937         // ...
5938     };
5940     Foo a;
5941     Foo b;
5942     Foo f();
5944     a = b;    // assign lvalue: copy
5945     a = f();  // assign rvalue: potentially move
5947 ##### Note
5949 The `swap` implementation technique offers the [strong guarantee](#Abrahams01).
5951 ##### Example
5953 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:
5955     template<typename T>
5956     class Vector {
5957     public:
5958         Vector& operator=(const Vector&);
5959         // ...
5960     private:
5961         T* elem;
5962         int sz;
5963     };
5965     Vector& Vector::operator=(const Vector& a)
5966     {
5967         if (a.sz > sz) {
5968             // ... use the swap technique, it can't be bettered ...
5969             return *this;
5970         }
5971         // ... copy sz elements from *a.elem to elem ...
5972         if (a.sz < sz) {
5973             // ... destroy the surplus elements in *this and adjust size ...
5974         }
5975         return *this;
5976     }
5978 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).
5980 **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&)`.
5981 See [copy constructor vs. `clone()`](#Rc-copy-virtual).
5983 ##### Enforcement
5985 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
5986 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
5987 * (Moderate) An assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member assignment operators.
5988   Look at the destructor to determine if the type has pointer semantics or value semantics.
5990 ### <a name="Rc-copy-semantic"></a>C.61: A copy operation should copy
5992 ##### Reason
5994 That is the generally assumed semantics. After `x = y`, we should have `x == y`.
5995 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).
5997 ##### Example
5999     class X {   // OK: value semantics
6000     public:
6001         X();
6002         X(const X&);     // copy X
6003         void modify();   // change the value of X
6004         // ...
6005         ~X() { delete[] p; }
6006     private:
6007         T* p;
6008         int sz;
6009     };
6011     bool operator==(const X& a, const X& b)
6012     {
6013         return a.sz == b.sz && equal(a.p, a.p + a.sz, b.p, b.p + b.sz);
6014     }
6016     X::X(const X& a)
6017         :p{new T[a.sz]}, sz{a.sz}
6018     {
6019         copy(a.p, a.p + sz, p);
6020     }
6022     X x;
6023     X y = x;
6024     if (x != y) throw Bad{};
6025     x.modify();
6026     if (x == y) throw Bad{};   // assume value semantics
6028 ##### Example
6030     class X2 {  // OK: pointer semantics
6031     public:
6032         X2();
6033         X2(const X2&) = default; // shallow copy
6034         ~X2() = default;
6035         void modify();          // change the pointed-to value
6036         // ...
6037     private:
6038         T* p;
6039         int sz;
6040     };
6042     bool operator==(const X2& a, const X2& b)
6043     {
6044         return a.sz == b.sz && a.p == b.p;
6045     }
6047     X2 x;
6048     X2 y = x;
6049     if (x != y) throw Bad{};
6050     x.modify();
6051     if (x != y) throw Bad{};  // assume pointer semantics
6053 ##### Note
6055 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.
6057 ##### Enforcement
6059 (Not enforceable)
6061 ### <a name="Rc-copy-self"></a>C.62: Make copy assignment safe for self-assignment
6063 ##### Reason
6065 If `x = x` changes the value of `x`, people will be surprised and bad errors will occur (often including leaks).
6067 ##### Example
6069 The standard-library containers handle self-assignment elegantly and efficiently:
6071     std::vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
6072     v = v;
6073     // the value of v is still {3, 1, 4, 1, 5, 9}
6075 ##### Note
6077 The default assignment generated from members that handle self-assignment correctly handles self-assignment.
6079     struct Bar {
6080         vector<pair<int, int>> v;
6081         map<string, int> m;
6082         string s;
6083     };
6085     Bar b;
6086     // ...
6087     b = b;   // correct and efficient
6089 ##### Note
6091 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)).
6093     class Foo {
6094         string s;
6095         int i;
6096     public:
6097         Foo& operator=(const Foo& a);
6098         // ...
6099     };
6101     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // OK, but there is a cost
6102     {
6103         if (this == &a) return *this;
6104         s = a.s;
6105         i = a.i;
6106         return *this;
6107     }
6109 This is obviously safe and apparently efficient.
6110 However, what if we do one self-assignment per million assignments?
6111 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).
6112 Consider:
6114     Foo& Foo::operator=(const Foo& a)   // simpler, and probably much better
6115     {
6116         s = a.s;
6117         i = a.i;
6118         return *this;
6119     }
6121 `std::string` is safe for self-assignment and so are `int`. All the cost is carried by the (rare) case of self-assignment.
6123 ##### Enforcement
6125 (Simple) Assignment operators should not contain the pattern `if (this == &a) return *this;` ???
6127 ### <a name="Rc-move-assignment"></a>C.63: Make move assignment non-`virtual`, take the parameter by `&&`, and return by non-`const&`
6129 ##### Reason
6131 It is simple and efficient.
6133 **See**: [The rule for copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6135 ##### Enforcement
6137 Equivalent to what is done for [copy-assignment](#Rc-copy-assignment).
6139 * (Simple) An assignment operator should not be virtual. Here be dragons!
6140 * (Simple) An assignment operator should return `T&` to enable chaining, not alternatives like `const T&` which interfere with composability and putting objects in containers.
6141 * (Moderate) A move assignment operator should (implicitly or explicitly) invoke all base and member move assignment operators.
6143 ### <a name="Rc-move-semantic"></a>C.64: A move operation should move and leave its source in a valid state
6145 ##### Reason
6147 That is the generally assumed semantics.
6148 After `y = std::move(x)` the value of `y` should be the value `x` had and `x` should be in a valid state.
6150 ##### Example
6152     template<typename T>
6153     class X {   // OK: value semantics
6154     public:
6155         X();
6156         X(X&& a) noexcept;  // move X
6157         void modify();     // change the value of X
6158         // ...
6159         ~X() { delete[] p; }
6160     private:
6161         T* p;
6162         int sz;
6163     };
6166     X::X(X&& a)
6167         :p{a.p}, sz{a.sz}  // steal representation
6168     {
6169         a.p = nullptr;     // set to "empty"
6170         a.sz = 0;
6171     }
6173     void use()
6174     {
6175         X x{};
6176         // ...
6177         X y = std::move(x);
6178         x = X{};   // OK
6179     } // OK: x can be destroyed
6181 ##### Note
6183 Ideally, that moved-from should be the default value of the type.
6184 Ensure that unless there is an exceptionally good reason not to.
6185 However, not all types have a default value and for some types establishing the default value can be expensive.
6186 The standard requires only that the moved-from object can be destroyed.
6187 Often, we can easily and cheaply do better: The standard library assumes that it is possible to assign to a moved-from object.
6188 Always leave the moved-from object in some (necessarily specified) valid state.
6190 ##### Note
6192 Unless there is an exceptionally strong reason not to, make `x = std::move(y); y = z;` work with the conventional semantics.
6194 ##### Enforcement
6196 (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.
6198 ### <a name="Rc-move-self"></a>C.65: Make move assignment safe for self-assignment
6200 ##### Reason
6202 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.
6204 ##### Example
6206     class Foo {
6207         string s;
6208         int i;
6209     public:
6210         Foo& operator=(Foo&& a);
6211         // ...
6212     };
6214     Foo& Foo::operator=(Foo&& a) noexcept  // OK, but there is a cost
6215     {
6216         if (this == &a) return *this;  // this line is redundant
6217         s = std::move(a.s);
6218         i = a.i;
6219         return *this;
6220     }
6222 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.
6224 ##### Note
6226 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).
6228 ##### Note
6230 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.
6232 ##### Example
6234 Here is a way to move a pointer without a test (imagine it as code in the implementation a move assignment):
6236     // move from other.ptr to this->ptr
6237     T* temp = other.ptr;
6238     other.ptr = nullptr;
6239     delete ptr;
6240     ptr = temp;
6242 ##### Enforcement
6244 * (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`.
6245 * (Not enforceable) Look at the use of standard-library container types (incl. `string`) and consider them safe for ordinary (not life-critical) uses.
6247 ### <a name="Rc-move-noexcept"></a>C.66: Make move operations `noexcept`
6249 ##### Reason
6251 A throwing move violates most people's reasonable assumptions.
6252 A non-throwing move will be used more efficiently by standard-library and language facilities.
6254 ##### Example
6256     template<typename T>
6257     class Vector {
6258     public:
6259         Vector(Vector&& a) noexcept :elem{a.elem}, sz{a.sz} { a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6260         Vector& operator=(Vector&& a) noexcept { elem = a.elem; sz = a.sz; a.sz = 0; a.elem = nullptr; }
6261         // ...
6262     private:
6263         T* elem;
6264         int sz;
6265     };
6267 These operations do not throw.
6269 ##### Example, bad
6271     template<typename T>
6272     class Vector2 {
6273     public:
6274         Vector2(Vector2&& a) { *this = a; }             // just use the copy
6275         Vector2& operator=(Vector2&& a) { *this = a; }  // just use the copy
6276         // ...
6277     private:
6278         T* elem;
6279         int sz;
6280     };
6282 This `Vector2` is not just inefficient, but since a vector copy requires allocation, it can throw.
6284 ##### Enforcement
6286 (Simple) A move operation should be marked `noexcept`.
6288 ### <a name="Rc-copy-virtual"></a>C.67: A polymorphic class should suppress public copy/move
6290 ##### Reason
6292 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.
6294 If the class has no data, `=delete` the copy/move functions. Otherwise, make them protected.
6296 ##### Example, bad
6298     class B { // BAD: polymorphic base class doesn't suppress copying
6299     public:
6300         virtual char m() { return 'B'; }
6301         // ... nothing about copy operations, so uses default ...
6302     };
6304     class D : public B {
6305     public:
6306         char m() override { return 'D'; }
6307         // ...
6308     };
6310     void f(B& b)
6311     {
6312         auto b2 = b; // oops, slices the object; b2.m() will return 'B'
6313     }
6315     D d;
6316     f(d);
6318 ##### Example
6320     class B { // GOOD: polymorphic class suppresses copying
6321     public:
6322         B() = default;
6323         B(const B&) = delete;
6324         B& operator=(const B&) = delete;
6325         virtual char m() { return 'B'; }
6326         // ...
6327     };
6329     class D : public B {
6330     public:
6331         char m() override { return 'D'; }
6332         // ...
6333     };
6335     void f(B& b)
6336     {
6337         auto b2 = b; // ok, compiler will detect inadvertent copying, and protest
6338     }
6340     D d;
6341     f(d);
6343 ##### Note
6345 If you need to create deep copies of polymorphic objects, use `clone()` functions: see [C.130](#Rh-copy).
6347 ##### Exception
6349 Classes that represent exception objects need both to be polymorphic and copy-constructible.
6351 ##### Enforcement
6353 * Flag a polymorphic class with a public copy operation.
6354 * Flag an assignment of polymorphic class objects.
6356 ## C.other: Other default operation rules
6358 In addition to the operations for which the language offers default implementations,
6359 there are a few operations that are so foundational that specific rules for their definition are needed:
6360 comparisons, `swap`, and `hash`.
6362 ### <a name="Rc-eqdefault"></a>C.80: Use `=default` if you have to be explicit about using the default semantics
6364 ##### Reason
6366 The compiler is more likely to get the default semantics right and you cannot implement these functions better than the compiler.
6368 ##### Example
6370     class Tracer {
6371         string message;
6372     public:
6373         Tracer(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6374         ~Tracer() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6376         Tracer(const Tracer&) = default;
6377         Tracer& operator=(const Tracer&) = default;
6378         Tracer(Tracer&&) = default;
6379         Tracer& operator=(Tracer&&) = default;
6380     };
6382 Because we defined the destructor, we must define the copy and move operations. The `= default` is the best and simplest way of doing that.
6384 ##### Example, bad
6386     class Tracer2 {
6387         string message;
6388     public:
6389         Tracer2(const string& m) : message{m} { cerr << "entering " << message << '\n'; }
6390         ~Tracer2() { cerr << "exiting " << message << '\n'; }
6392         Tracer2(const Tracer2& a) : message{a.message} {}
6393         Tracer2& operator=(const Tracer2& a) { message = a.message; return *this; }
6394         Tracer2(Tracer2&& a) :message{a.message} {}
6395         Tracer2& operator=(Tracer2&& a) { message = a.message; return *this; }
6396     };
6398 Writing out the bodies of the copy and move operations is verbose, tedious, and error-prone. A compiler does it better.
6400 ##### Enforcement
6402 (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
6404 ### <a name="Rc-delete"></a>C.81: Use `=delete` when you want to disable default behavior (without wanting an alternative)
6406 ##### Reason
6408 In a few cases, a default operation is not desirable.
6410 ##### Example
6412     class Immortal {
6413     public:
6414         ~Immortal() = delete;   // do not allow destruction
6415         // ...
6416     };
6418     void use()
6419     {
6420         Immortal ugh;   // error: ugh cannot be destroyed
6421         Immortal* p = new Immortal{};
6422         delete p;       // error: cannot destroy *p
6423     }
6425 ##### Example
6427 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:
6429     template<class T, class D = default_delete<T>> class unique_ptr {
6430     public:
6431         // ...
6432         constexpr unique_ptr() noexcept;
6433         explicit unique_ptr(pointer p) noexcept;
6434         // ...
6435         unique_ptr(unique_ptr&& u) noexcept;   // move constructor
6436         // ...
6437         unique_ptr(const unique_ptr&) = delete; // disable copy from lvalue
6438         // ...
6439     };
6441     unique_ptr<int> make();   // make "something" and return it by moving
6443     void f()
6444     {
6445         unique_ptr<int> pi {};
6446         auto pi2 {pi};      // error: no move constructor from lvalue
6447         auto pi3 {make()};  // OK, move: the result of make() is an rvalue
6448     }
6450 Note that deleted functions should be public.
6452 ##### Enforcement
6454 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.
6456 ### <a name="Rc-ctor-virtual"></a>C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
6458 ##### Reason
6460 The function called will be that of the object constructed so far, rather than a possibly overriding function in a derived class.
6461 This can be most confusing.
6462 Worse, a direct or indirect call to an unimplemented pure virtual function from a constructor or destructor results in undefined behavior.
6464 ##### Example, bad
6466     class Base {
6467     public:
6468         virtual void f() = 0;   // not implemented
6469         virtual void g();       // implemented with Base version
6470         virtual void h();       // implemented with Base version
6471         virtual ~Base();        // implemented with Base version
6472     };
6474     class Derived : public Base {
6475     public:
6476         void g() override;   // provide Derived implementation
6477         void h() final;      // provide Derived implementation
6479         Derived()
6480         {
6481             // BAD: attempt to call an unimplemented virtual function
6482             f();
6484             // BAD: will call Derived::g, not dispatch further virtually
6485             g();
6487             // GOOD: explicitly state intent to call only the visible version
6488             Derived::g();
6490             // ok, no qualification needed, h is final
6491             h();
6492         }
6493     };
6495 Note that calling a specific explicitly qualified function is not a virtual call even if the function is `virtual`.
6497 **See also** [factory functions](#Rc-factory) for how to achieve the effect of a call to a derived class function without risking undefined behavior.
6499 ##### Note
6501 There is nothing inherently wrong with calling virtual functions from constructors and destructors.
6502 The semantics of such calls is type safe.
6503 However, experience shows that such calls are rarely needed, easily confuse maintainers, and become a source of errors when used by novices.
6505 ##### Enforcement
6507 * Flag calls of virtual functions from constructors and destructors.
6509 ### <a name="Rc-swap"></a>C.83: For value-like types, consider providing a `noexcept` swap function
6511 ##### Reason
6513 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).
6515 ##### Example, good
6517     class Foo {
6518     public:
6519         void swap(Foo& rhs) noexcept
6520         {
6521             m1.swap(rhs.m1);
6522             std::swap(m2, rhs.m2);
6523         }
6524     private:
6525         Bar m1;
6526         int m2;
6527     };
6529 Providing a non-member `swap` function in the same namespace as your type for callers' convenience.
6531     void swap(Foo& a, Foo& b)
6532     {
6533         a.swap(b);
6534     }
6536 ##### Enforcement
6538 * Non-trivially copyable types should provide a member swap or a free swap overload.
6539 * (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6541 ### <a name="Rc-swap-fail"></a>C.84: A `swap` function must not fail
6543 ##### Reason
6545  `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.
6547 ##### Example, bad
6549     void swap(My_vector& x, My_vector& y)
6550     {
6551         auto tmp = x;   // copy elements
6552         x = y;
6553         y = tmp;
6554     }
6556 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.
6558 ##### Enforcement
6560 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6562 ### <a name="Rc-swap-noexcept"></a>C.85: Make `swap` `noexcept`
6564 ##### Reason
6566  [A `swap` must not fail](#Rc-swap-fail).
6567 If a `swap` tries to exit with an exception, it's a bad design error and the program had better terminate.
6569 ##### Enforcement
6571 (Simple) When a class has a `swap` member function, it should be declared `noexcept`.
6573 ### <a name="Rc-eq"></a>C.86: Make `==` symmetric with respect to operand types and `noexcept`
6575 ##### Reason
6577 Asymmetric treatment of operands is surprising and a source of errors where conversions are possible.
6578 `==` is a fundamental operation and programmers should be able to use it without fear of failure.
6580 ##### Example
6582     struct X {
6583         string name;
6584         int number;
6585     };
6587     bool operator==(const X& a, const X& b) noexcept {
6588         return a.name == b.name && a.number == b.number;
6589     }
6591 ##### Example, bad
6593     class B {
6594         string name;
6595         int number;
6596         bool operator==(const B& a) const {
6597             return name == a.name && number == a.number;
6598         }
6599         // ...
6600     };
6602 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6604 ##### Note
6606 If a class has a failure state, like `double`'s `NaN`, there is a temptation to make a comparison against the failure state throw.
6607 The alternative is to make two failure states compare equal and any valid state compare false against the failure state.
6609 ##### Note
6611 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6613 ##### Enforcement
6615 * Flag an `operator==()` for which the argument types differ; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6616 * Flag member `operator==()`s; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, and `>=`.
6618 ### <a name="Rc-eq-base"></a>C.87: Beware of `==` on base classes
6620 ##### Reason
6622 It is really hard to write a foolproof and useful `==` for a hierarchy.
6624 ##### Example, bad
6626     class B {
6627         string name;
6628         int number;
6629         virtual bool operator==(const B& a) const
6630         {
6631              return name == a.name && number == a.number;
6632         }
6633         // ...
6634     };
6636 `B`'s comparison accepts conversions for its second operand, but not its first.
6638     class D : B {
6639         char character;
6640         virtual bool operator==(const D& a) const
6641         {
6642             return name == a.name && number == a.number && character == a.character;
6643         }
6644         // ...
6645     };
6647     B b = ...
6648     D d = ...
6649     b == d;    // compares name and number, ignores d's character
6650     d == b;    // error: no == defined
6651     D d2;
6652     d == d2;   // compares name, number, and character
6653     B& b2 = d2;
6654     b2 == d;   // compares name and number, ignores d2's and d's character
6656 Of course there are ways of making `==` work in a hierarchy, but the naive approaches do not scale
6658 ##### Note
6660 This rule applies to all the usual comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, `>=`, and `<=>`.
6662 ##### Enforcement
6664 * Flag a virtual `operator==()`; same for other comparison operators: `!=`, `<`, `<=`, `>`, `>=`, and `<=>`.
6666 ### <a name="Rc-hash"></a>C.89: Make a `hash` `noexcept`
6668 ##### Reason
6670 Users of hashed containers use hash indirectly and don't expect simple access to throw.
6671 It's a standard-library requirement.
6673 ##### Example, bad
6675     template<>
6676     struct hash<My_type> {  // thoroughly bad hash specialization
6677         using result_type = size_t;
6678         using argument_type = My_type;
6680         size_t operator()(const My_type & x) const
6681         {
6682             size_t xs = x.s.size();
6683             if (xs < 4) throw Bad_My_type{};    // "Nobody expects the Spanish inquisition!"
6684             return hash<size_t>()(x.s.size()) ^ trim(x.s);
6685         }
6686     };
6688     int main()
6689     {
6690         unordered_map<My_type, int> m;
6691         My_type mt{ "asdfg" };
6692         m[mt] = 7;
6693         cout << m[My_type{ "asdfg" }] << '\n';
6694     }
6696 If you have to define a `hash` specialization, try simply to let it combine standard-library `hash` specializations with `^` (xor).
6697 That tends to work better than "cleverness" for non-specialists.
6699 ##### Enforcement
6701 * Flag throwing `hash`es.
6703 ### <a name="Rc-memset"></a>C.90: Rely on constructors and assignment operators, not `memset` and `memcpy`
6705 ##### Reason
6707 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.
6708 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.
6710 ##### Example, good
6712     struct base {
6713         virtual void update() = 0;
6714         std::shared_ptr<int> sp;
6715     };
6717     struct derived : public base {
6718         void update() override {}
6719     };
6721 ##### Example, bad
6723     void init(derived& a)
6724     {
6725         memset(&a, 0, sizeof(derived));
6726     }
6728 This is type-unsafe and overwrites the vtable.
6730 ##### Example, bad
6732     void copy(derived& a, derived& b)
6733     {
6734         memcpy(&a, &b, sizeof(derived));
6735     }
6737 This is also type-unsafe and overwrites the vtable.
6739 ##### Enforcement
6741 * Flag passing a non-trivially-copyable type to `memset` or `memcpy`. 
6743 ## <a name="SS-containers"></a>C.con: Containers and other resource handles
6745 A container is an object holding a sequence of objects of some type; `std::vector` is the archetypical container.
6746 A resource handle is a class that owns a resource; `std::vector` is the typical resource handle; its resource is its sequence of elements.
6748 Summary of container rules:
6750 * [C.100: Follow the STL when defining a container](#Rcon-stl)
6751 * [C.101: Give a container value semantics](#Rcon-val)
6752 * [C.102: Give a container move operations](#Rcon-move)
6753 * [C.103: Give a container an initializer list constructor](#Rcon-init)
6754 * [C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty](#Rcon-empty)
6755 * ???
6756 * [C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`](#Rcon-ptr)
6758 **See also**: [Resources](#S-resource)
6761 ### <a name="Rcon-stl"></a>C.100: Follow the STL when defining a container
6763 ##### Reason
6765 The STL containers are familiar to most C++ programmers and a fundamentally sound design.
6767 ##### Note
6769 There are of course other fundamentally sound design styles and sometimes reasons to depart from
6770 the style of the standard library, but in the absence of a solid reason to differ, it is simpler
6771 and easier for both implementers and users to follow the standard.
6773 In particular, `std::vector` and `std::map` provide useful relatively simple models.
6775 ##### Example
6777     // simplified (e.g., no allocators):
6779     template<typename T>
6780     class Sorted_vector {
6781         using value_type = T;
6782         // ... iterator types ...
6784         Sorted_vector() = default;
6785         Sorted_vector(initializer_list<T>);    // initializer-list constructor: sort and store
6786         Sorted_vector(const Sorted_vector&) = default;
6787         Sorted_vector(Sorted_vector&&) = default;
6788         Sorted_vector& operator=(const Sorted_vector&) = default;   // copy assignment
6789         Sorted_vector& operator=(Sorted_vector&&) = default;        // move assignment
6790         ~Sorted_vector() = default;
6792         Sorted_vector(const std::vector<T>& v);   // store and sort
6793         Sorted_vector(std::vector<T>&& v);        // sort and "steal representation"
6795         const T& operator[](int i) const { return rep[i]; }
6796         // no non-const direct access to preserve order
6798         void push_back(const T&);   // insert in the right place (not necessarily at back)
6799         void push_back(T&&);        // insert in the right place (not necessarily at back)
6801         // ... cbegin(), cend() ...
6802     private:
6803         std::vector<T> rep;  // use a std::vector to hold elements
6804     };
6806     template<typename T> bool operator==(const Sorted_vector<T>&, const Sorted_vector<T>&);
6807     template<typename T> bool operator!=(const Sorted_vector<T>&, const Sorted_vector<T>&);
6808     // ...
6810 Here, the STL style is followed, but incompletely.
6811 That's not uncommon.
6812 Provide only as much functionality as makes sense for a specific container.
6813 The key is to define the conventional constructors, assignments, destructors, and iterators
6814 (as meaningful for the specific container) with their conventional semantics.
6815 From that base, the container can be expanded as needed.
6816 Here, special constructors from `std::vector` were added.
6818 ##### Enforcement
6822 ### <a name="Rcon-val"></a>C.101: Give a container value semantics
6824 ##### Reason
6826 Regular objects are simpler to think and reason about than irregular ones.
6827 Familiarity.
6829 ##### Note
6831 If meaningful, make a container `Regular` (the concept).
6832 In particular, ensure that an object compares equal to its copy.
6834 ##### Example
6836     void f(const Sorted_vector<string>& v)
6837     {
6838         Sorted_vector<string> v2 {v};
6839         if (v != v2)
6840             cout << "Behavior against reason and logic.\n";
6841         // ...
6842     }
6844 ##### Enforcement
6848 ### <a name="Rcon-move"></a>C.102: Give a container move operations
6850 ##### Reason
6852 Containers tend to get large; without a move constructor and a copy constructor an object can be
6853 expensive to move around, thus tempting people to pass pointers to it around and getting into
6854 resource management problems.
6856 ##### Example
6858     Sorted_vector<int> read_sorted(istream& is)
6859     {
6860         vector<int> v;
6861         cin >> v;   // assume we have a read operation for vectors
6862         Sorted_vector<int> sv = v;  // sorts
6863         return sv;
6864     }
6866 A user can reasonably assume that returning a standard-like container is cheap.
6868 ##### Enforcement
6872 ### <a name="Rcon-init"></a>C.103: Give a container an initializer list constructor
6874 ##### Reason
6876 People expect to be able to initialize a container with a set of values.
6877 Familiarity.
6879 ##### Example
6881     Sorted_vector<int> sv {1, 3, -1, 7, 0, 0}; // Sorted_vector sorts elements as needed
6883 ##### Enforcement
6887 ### <a name="Rcon-empty"></a>C.104: Give a container a default constructor that sets it to empty
6889 ##### Reason
6891 To make it `Regular`.
6893 ##### Example
6895     vector<Sorted_sequence<string>> vs(100);    // 100 Sorted_sequences each with the value ""
6897 ##### Enforcement
6901 ### <a name="Rcon-ptr"></a>C.109: If a resource handle has pointer semantics, provide `*` and `->`
6903 ##### Reason
6905 That's what is expected from pointers.
6906 Familiarity.
6908 ##### Example
6910     ???
6912 ##### Enforcement
6916 ## <a name="SS-lambdas"></a>C.lambdas: Function objects and lambdas
6918 A function object is an object supplying an overloaded `()` so that you can call it.
6919 A lambda expression (colloquially often shortened to "a lambda") is a notation for generating a function object.
6920 Function objects should be cheap to copy (and therefore [passed by value](#Rf-in)).
6922 Summary:
6924 * [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)
6925 * [F.52: Prefer capturing by reference in lambdas that will be used locally, including passed to algorithms](#Rf-reference-capture)
6926 * [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)
6927 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
6929 ## <a name="SS-hier"></a>C.hier: Class hierarchies (OOP)
6931 A class hierarchy is constructed to represent a set of hierarchically organized concepts (only).
6932 Typically base classes act as interfaces.
6933 There are two major uses for hierarchies, often named implementation inheritance and interface inheritance.
6935 Class hierarchy rule summary:
6937 * [C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)](#Rh-domain)
6938 * [C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class](#Rh-abstract)
6939 * [C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed](#Rh-separation)
6941 Designing rules for classes in a hierarchy summary:
6943 * [C.126: An abstract class typically doesn't need a user-written constructor](#Rh-abstract-ctor)
6944 * [C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor](#Rh-dtor)
6945 * [C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`](#Rh-override)
6946 * [C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance](#Rh-kind)
6947 * [C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of public copy construction/assignment](#Rh-copy)
6948 * [C.131: Avoid trivial getters and setters](#Rh-get)
6949 * [C.132: Don't make a function `virtual` without reason](#Rh-virtual)
6950 * [C.133: Avoid `protected` data](#Rh-protected)
6951 * [C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level](#Rh-public)
6952 * [C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces](#Rh-mi-interface)
6953 * [C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes](#Rh-mi-implementation)
6954 * [C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes](#Rh-vbase)
6955 * [C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`](#Rh-using)
6956 * [C.139: Use `final` on classes sparingly](#Rh-final)
6957 * [C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider](#Rh-virtual-default-arg)
6959 Accessing objects in a hierarchy rule summary:
6961 * [C.145: Access polymorphic objects through pointers and references](#Rh-poly)
6962 * [C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable](#Rh-dynamic_cast)
6963 * [C.147: Use `dynamic_cast` to a reference type when failure to find the required class is considered an error](#Rh-ref-cast)
6964 * [C.148: Use `dynamic_cast` to a pointer type when failure to find the required class is considered a valid alternative](#Rh-ptr-cast)
6965 * [C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`](#Rh-smart)
6966 * [C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s](#Rh-make_unique)
6967 * [C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s](#Rh-make_shared)
6968 * [C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base](#Rh-array)
6969 * [C.153: Prefer virtual function to casting](#Rh-use-virtual)
6971 ### <a name="Rh-domain"></a>C.120: Use class hierarchies to represent concepts with inherent hierarchical structure (only)
6973 ##### Reason
6975 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.
6977 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.
6979 ##### Example
6981     class DrawableUIElement {
6982     public:
6983         virtual void render() const = 0;
6984         // ...
6985     };
6987     class AbstractButton : public DrawableUIElement {
6988     public:
6989         virtual void onClick() = 0;
6990         // ...
6991     };
6993     class PushButton : public AbstractButton {
6994         void render() const override;
6995         void onClick() override;
6996         // ...
6997     };
6999     class Checkbox : public AbstractButton {
7000     // ...
7001     };
7003 ##### Example, bad
7005 Do *not* represent non-hierarchical domain concepts as class hierarchies.
7007     template<typename T>
7008     class Container {
7009     public:
7010         // list operations:
7011         virtual T& get() = 0;
7012         virtual void put(T&) = 0;
7013         virtual void insert(Position) = 0;
7014         // ...
7015         // vector operations:
7016         virtual T& operator[](int) = 0;
7017         virtual void sort() = 0;
7018         // ...
7019         // tree operations:
7020         virtual void balance() = 0;
7021         // ...
7022     };
7024 Here most overriding classes cannot implement most of the functions required in the interface well.
7025 Thus the base class becomes an implementation burden.
7026 Furthermore, the user of `Container` cannot rely on the member functions actually performing meaningful operations reasonably efficiently;
7027 it might throw an exception instead.
7028 Thus users have to resort to run-time checking and/or
7029 not using this (over)general interface in favor of a particular interface found by a run-time type inquiry (e.g., a `dynamic_cast`).
7031 ##### Enforcement
7033 * Look for classes with lots of members that do nothing but throw.
7034 * 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`.
7036 ### <a name="Rh-abstract"></a>C.121: If a base class is used as an interface, make it a pure abstract class
7038 ##### Reason
7040 A class is more stable (less brittle) if it does not contain data.
7041 Interfaces should normally be composed entirely of public pure virtual functions and a default/empty virtual destructor.
7043 ##### Example
7045     class My_interface {
7046     public:
7047         // ...only pure virtual functions here ...
7048         virtual ~My_interface() {}   // or =default
7049     };
7051 ##### Example, bad
7053     class Goof {
7054     public:
7055         // ...only pure virtual functions here ...
7056         // no virtual destructor
7057     };
7059     class Derived : public Goof {
7060         string s;
7061         // ...
7062     };
7064     void use()
7065     {
7066         unique_ptr<Goof> p {new Derived{"here we go"}};
7067         f(p.get()); // use Derived through the Goof interface
7068         g(p.get()); // use Derived through the Goof interface
7069     } // leak
7071 The `Derived` is `delete`d through its `Goof` interface, so its `string` is leaked.
7072 Give `Goof` a virtual destructor and all is well.
7075 ##### Enforcement
7077 * 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.
7079 ### <a name="Rh-separation"></a>C.122: Use abstract classes as interfaces when complete separation of interface and implementation is needed
7081 ##### Reason
7083 Such as on an ABI (link) boundary.
7085 ##### Example
7087     struct Device {
7088         virtual ~Device() = default;
7089         virtual void write(span<const char> outbuf) = 0;
7090         virtual void read(span<char> inbuf) = 0;
7091     };
7093     class D1 : public Device {
7094         // ... data ...
7096         void write(span<const char> outbuf) override;
7097         void read(span<char> inbuf) override;
7098     };
7100     class D2 : public Device {
7101         // ... different data ...
7103         void write(span<const char> outbuf) override;
7104         void read(span<char> inbuf) override;
7105     };
7107 A user can now use `D1`s and `D2`s interchangeably through the interface provided by `Device`.
7108 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`.
7110 ##### Enforcement
7112     ???
7114 ## C.hierclass: Designing classes in a hierarchy:
7116 ### <a name="Rh-abstract-ctor"></a>C.126: An abstract class typically doesn't need a user-written constructor
7118 ##### Reason
7120 An abstract class typically does not have any data for a constructor to initialize.
7122 ##### Example
7124     class Shape {
7125     public:
7126         // no user-written constructor needed in abstract base class
7127         virtual Point center() const = 0;    // pure virtual
7128         virtual void move(Point to) = 0;
7129         // ... more pure virtual functions...
7130         virtual ~Shape() {}                 // destructor
7131     };
7133     class Circle : public Shape {
7134     public:
7135         Circle(Point p, int rad);           // constructor in derived class
7136         Point center() const override { return x; }
7137     };
7139 ##### Exception
7141 * A base class constructor that does work, such as registering an object somewhere, might need a constructor.
7142 * In extremely rare cases, you might find it reasonable for an abstract class to have a bit of data shared by all derived classes
7143   (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.
7145 ##### Enforcement
7147 Flag abstract classes with constructors.
7149 ### <a name="Rh-dtor"></a>C.127: A class with a virtual function should have a virtual or protected destructor
7151 ##### Reason
7153 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).
7155 ##### Example, bad
7157     struct B {
7158         virtual int f() = 0;
7159         // ... no user-written destructor, defaults to public non-virtual ...
7160     };
7162     // bad: derived from a class without a virtual destructor
7163     struct D : B {
7164         string s {"default"};
7165         // ...
7166     };
7168     void use()
7169     {
7170         unique_ptr<B> p = make_unique<D>();
7171         // ...
7172     } // undefined behavior, might call B::~B only and leak the string
7174 ##### Note
7176 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`.
7178 ##### Enforcement
7180 * A class with any virtual functions should have a destructor that is either public and virtual or else protected and non-virtual.
7181 * Flag `delete` of a class with a virtual function but no virtual destructor.
7183 ### <a name="Rh-override"></a>C.128: Virtual functions should specify exactly one of `virtual`, `override`, or `final`
7185 ##### Reason
7187 Readability.
7188 Detection of mistakes.
7189 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.
7191 It's simple and clear:
7193 * `virtual` means exactly and only "this is a new virtual function."
7194 * `override` means exactly and only "this is a non-final overrider."
7195 * `final` means exactly and only "this is a final overrider."
7197 ##### Example, bad
7199     struct B {
7200         void f1(int);
7201         virtual void f2(int) const;
7202         virtual void f3(int);
7203         // ...
7204     };
7206     struct D : B {
7207         void f1(int);        // bad (hope for a warning): D::f1() hides B::f1()
7208         void f2(int) const;  // bad (but conventional and valid): no explicit override
7209         void f3(double);     // bad (hope for a warning): D::f3() hides B::f3()
7210         // ...
7211     };
7213 ##### Example, good
7215     struct Better : B {
7216         void f1(int) override;        // error (caught): Better::f1() hides B::f1()
7217         void f2(int) const override;
7218         void f3(double) override;     // error (caught): Better::f3() hides B::f3()
7219         // ...
7220     };
7222 #### Discussion
7224 We want to eliminate two particular classes of errors:
7226 * **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)
7227 * **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)
7229 Note: On a class defined as `final`, it doesn't matter whether you put `override` or `final` on an individual virtual function.
7231 Note: Use `final` on functions sparingly. It does not necessarily lead to optimization, and it precludes further overriding.
7233 ##### Enforcement
7235 * Compare virtual function names in base and derived classes and flag uses of the same name that does not override.
7236 * Flag overrides with neither `override` nor `final`.
7237 * Flag function declarations that use more than one of `virtual`, `override`, and `final`.
7239 ### <a name="Rh-kind"></a>C.129: When designing a class hierarchy, distinguish between implementation inheritance and interface inheritance
7241 ##### Reason
7243 Implementation details in an interface make the interface brittle;
7244 that is, make its users vulnerable to having to recompile after changes in the implementation.
7245 Data in a base class increases the complexity of implementing the base and can lead to replication of code.
7247 ##### Note
7249 Definition:
7251 * interface inheritance is the use of inheritance to separate users from implementations,
7252 in particular to allow derived classes to be added and changed without affecting the users of base classes.
7253 * implementation inheritance is the use of inheritance to simplify implementation of new facilities
7254 by making useful operations available for implementers of related new operations (sometimes called "programming by difference").
7256 A pure interface class is simply a set of pure virtual functions; see [I.25](#Ri-abstract).
7258 In early OOP (e.g., in the 1980s and 1990s), implementation inheritance and interface inheritance were often mixed
7259 and bad habits die hard.
7260 Even now, mixtures are not uncommon in old code bases and in old-style teaching material.
7262 The importance of keeping the two kinds of inheritance increases
7264 * with the size of a hierarchy (e.g., dozens of derived classes),
7265 * with the length of time the hierarchy is used (e.g., decades), and
7266 * with the number of distinct organizations in which a hierarchy is used
7267 (e.g., it can be difficult to distribute an update to a base class)
7270 ##### Example, bad
7272     class Shape {   // BAD, mixed interface and implementation
7273     public:
7274         Shape();
7275         Shape(Point ce = {0, 0}, Color co = none): cent{ce}, col {co} { /* ... */}
7277         Point center() const { return cent; }
7278         Color color() const { return col; }
7280         virtual void rotate(int) = 0;
7281         virtual void move(Point p) { cent = p; redraw(); }
7283         virtual void redraw();
7285         // ...
7286     private:
7287         Point cent;
7288         Color col;
7289     };
7291     class Circle : public Shape {
7292     public:
7293         Circle(Point c, int r) : Shape{c}, rad{r} { /* ... */ }
7295         // ...
7296     private:
7297         int rad;
7298     };
7300     class Triangle : public Shape {
7301     public:
7302         Triangle(Point p1, Point p2, Point p3); // calculate center
7303         // ...
7304     };
7306 Problems:
7308 * As the hierarchy grows and more data is added to `Shape`, the constructors get harder to write and maintain.
7309 * Why calculate the center for the `Triangle`? we might never use it.
7310 * Add a data member to `Shape` (e.g., drawing style or canvas)
7311 and all classes derived from `Shape` and all code using `Shape` will need to be reviewed, possibly changed, and probably recompiled.
7313 The implementation of `Shape::move()` is an example of implementation inheritance:
7314 we have defined `move()` once and for all for all derived classes.
7315 The more code there is in such base class member function implementations and the more data is shared by placing it in the base,
7316 the more benefits we gain - and the less stable the hierarchy is.
7318 ##### Example
7320 This Shape hierarchy can be rewritten using interface inheritance:
7322     class Shape {  // pure interface
7323     public:
7324         virtual Point center() const = 0;
7325         virtual Color color() const = 0;
7327         virtual void rotate(int) = 0;
7328         virtual void move(Point p) = 0;
7330         virtual void redraw() = 0;
7332         // ...
7333     };
7335 Note that a pure interface rarely has constructors: there is nothing to construct.
7337     class Circle : public Shape {
7338     public:
7339         Circle(Point c, int r, Color c) : cent{c}, rad{r}, col{c} { /* ... */ }
7341         Point center() const override { return cent; }
7342         Color color() const override { return col; }
7344         // ...
7345     private:
7346         Point cent;
7347         int rad;
7348         Color col;
7349     };
7351 The interface is now less brittle, but there is more work in implementing the member functions.
7352 For example, `center` has to be implemented by every class derived from `Shape`.
7354 ##### Example, dual hierarchy
7356 How can we gain the benefit of stable hierarchies from implementation hierarchies and the benefit of implementation reuse from implementation inheritance?
7357 One popular technique is dual hierarchies.
7358 There are many ways of implementing the idea of dual hierarchies; here, we use a multiple-inheritance variant.
7360 First we devise a hierarchy of interface classes:
7362     class Shape {   // pure interface
7363     public:
7364         virtual Point center() const = 0;
7365         virtual Color color() const = 0;
7367         virtual void rotate(int) = 0;
7368         virtual void move(Point p) = 0;
7370         virtual void redraw() = 0;
7372         // ...
7373     };
7375     class Circle : public virtual Shape {   // pure interface
7376     public:
7377         virtual int radius() = 0;
7378         // ...
7379     };
7381 To make this interface useful, we must provide its implementation classes (here, named equivalently, but in the `Impl` namespace):
7383     class Impl::Shape : public virtual ::Shape { // implementation
7384     public:
7385         // constructors, destructor
7386         // ...
7387         Point center() const override { /* ... */ }
7388         Color color() const override { /* ... */ }
7390         void rotate(int) override { /* ... */ }
7391         void move(Point p) override { /* ... */ }
7393         void redraw() override { /* ... */ }
7395         // ...
7396     };
7398 Now `Shape` is a poor example of a class with an implementation,
7399 but bear with us because this is just a simple example of a technique aimed at more complex hierarchies.
7401     class Impl::Circle : public virtual ::Circle, public Impl::Shape {   // implementation
7402     public:
7403         // constructors, destructor
7405         int radius() override { /* ... */ }
7406         // ...
7407     };
7409 And we could extend the hierarchies by adding a Smiley class (:-)):
7411     class Smiley : public virtual Circle { // pure interface
7412     public:
7413         // ...
7414     };
7416     class Impl::Smiley : public virtual ::Smiley, public Impl::Circle {   // implementation
7417     public:
7418         // constructors, destructor
7419         // ...
7420     }
7422 There are now two hierarchies:
7424 * interface: Smiley -> Circle -> Shape
7425 * implementation: Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7427 Since each implementation is derived from its interface as well as its implementation base class we get a lattice (DAG):
7429     Smiley     ->         Circle     ->  Shape
7430       ^                     ^               ^
7431       |                     |               |
7432     Impl::Smiley -> Impl::Circle -> Impl::Shape
7434 As mentioned, this is just one way to construct a dual hierarchy.
7436 The implementation hierarchy can be used directly, rather than through the abstract interface.
7438     void work_with_shape(Shape&);
7440     int user()
7441     {
7442         Impl::Smiley my_smiley{ /* args */ };   // create concrete shape
7443         // ...
7444         my_smiley.some_member();        // use implementation class directly
7445         // ...
7446         work_with_shape(my_smiley);     // use implementation through abstract interface
7447         // ...
7448     }
7450 This can be useful when the implementation class has members that are not offered in the abstract interface
7451 or if direct use of a member offers optimization opportunities (e.g., if an implementation member function is `final`)
7453 ##### Note
7455 Another (related) technique for separating interface and implementation is [Pimpl](#Ri-pimpl).
7457 ##### Note
7459 There is often a choice between offering common functionality as (implemented) base class functions and free-standing functions
7460 (in an implementation namespace).
7461 Base classes gives a shorter notation and easier access to shared data (in the base)
7462 at the cost of the functionality being available only to users of the hierarchy.
7464 ##### Enforcement
7466 * Flag a derived to base conversion to a base with both data and virtual functions
7467 (except for calls from a derived class member to a base class member)
7468 * ???
7471 ### <a name="Rh-copy"></a>C.130: For making deep copies of polymorphic classes prefer a virtual `clone` function instead of public copy construction/assignment
7473 ##### Reason
7475 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).
7477 ##### Example
7479     class B {
7480     public:
7481         virtual owner<B*> clone() = 0;
7482         B() = default;
7483         virtual ~B() = default;
7484         B(const B&) = delete;
7485         B& operator=(const B&) = delete;
7486     };
7488     class D : public B {
7489     public:
7490         owner<D*> clone() override;
7491         ~D() override;
7492     };
7494 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).
7498 ### <a name="Rh-get"></a>C.131: Avoid trivial getters and setters
7500 ##### Reason
7502 A trivial getter or setter adds no semantic value; the data item could just as well be `public`.
7504 ##### Example
7506     class Point {   // Bad: verbose
7507         int x;
7508         int y;
7509     public:
7510         Point(int xx, int yy) : x{xx}, y{yy} { }
7511         int get_x() const { return x; }
7512         void set_x(int xx) { x = xx; }
7513         int get_y() const { return y; }
7514         void set_y(int yy) { y = yy; }
7515         // no behavioral member functions
7516     };
7518 Consider making such a class a `struct` -- that is, a behaviorless bunch of variables, all public data and no member functions.
7520     struct Point {
7521         int x {0};
7522         int y {0};
7523     };
7525 Note that we can put default initializers on member variables: [C.49: Prefer initialization to assignment in constructors](#Rc-initialize).
7527 ##### Note
7529 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.
7531 ##### Enforcement
7533 Flag multiple `get` and `set` member functions that simply access a member without additional semantics.
7535 ### <a name="Rh-virtual"></a>C.132: Don't make a function `virtual` without reason
7537 ##### Reason
7539 Redundant `virtual` increases run-time and object-code size.
7540 A virtual function can be overridden and is thus open to mistakes in a derived class.
7541 A virtual function ensures code replication in a templated hierarchy.
7543 ##### Example, bad
7545     template<class T>
7546     class Vector {
7547     public:
7548         // ...
7549         virtual int size() const { return sz; }   // bad: what good could a derived class do?
7550     private:
7551         T* elem;   // the elements
7552         int sz;    // number of elements
7553     };
7555 This kind of "vector" isn't meant to be used as a base class at all.
7557 ##### Enforcement
7559 * Flag a class with virtual functions but no derived classes.
7560 * Flag a class where all member functions are virtual and have implementations.
7562 ### <a name="Rh-protected"></a>C.133: Avoid `protected` data
7564 ##### Reason
7566 `protected` data is a source of complexity and errors.
7567 `protected` data complicates the statement of invariants.
7568 `protected` data inherently violates the guidance against putting data in base classes, which usually leads to having to deal with virtual inheritance as well.
7570 ##### Example, bad
7572     class Shape {
7573     public:
7574         // ... interface functions ...
7575     protected:
7576         // data for use in derived classes:
7577         Color fill_color;
7578         Color edge_color;
7579         Style st;
7580     };
7582 Now it is up to every derived `Shape` to manipulate the protected data correctly.
7583 This has been popular, but also a major source of maintenance problems.
7584 In a large class hierarchy, the consistent use of protected data is hard to maintain because there can be a lot of code,
7585 spread over a lot of classes.
7586 The set of classes that can touch that data is open: anyone can derive a new class and start manipulating the protected data.
7587 Often, it is not possible to examine the complete set of classes, so any change to the representation of the class becomes infeasible.
7588 There is no enforced invariant for the protected data; it is much like a set of global variables.
7589 The protected data has de facto become global to a large body of code.
7591 ##### Note
7593 Protected data often looks tempting to enable arbitrary improvements through derivation.
7594 Often, what you get is unprincipled changes and errors.
7595 [Prefer `private` data](#Rc-private) with a well-specified and enforced invariant.
7596 Alternative, and often better, [keep data out of any class used as an interface](#Rh-abstract).
7598 ##### Note
7600 Protected member function can be just fine.
7602 ##### Enforcement
7604 Flag classes with `protected` data.
7606 ### <a name="Rh-public"></a>C.134: Ensure all non-`const` data members have the same access level
7608 ##### Reason
7610 Prevention of logical confusion leading to errors.
7611 If the non-`const` data members don't have the same access level, the type is confused about what it's trying to do.
7612 Is it a type that maintains an invariant or simply a collection of values?
7614 ##### Discussion
7616 The core question is: What code is responsible for maintaining a meaningful/correct value for that variable?
7618 There are exactly two kinds of data members:
7620 * A: Ones that don't participate in the object's invariant. Any combination of values for these members is valid.
7621 * 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.
7623 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.
7625 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.
7627 Most classes are either all A or all B:
7629 * *All public*: If you're writing an aggregate bundle-of-variables without an invariant across those variables, then all the variables should be `public`.
7630   [By convention, declare such classes `struct` rather than `class`](#Rc-struct)
7631 * *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.
7633 ##### Exception
7635 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`).
7637 ##### Enforcement
7639 Flag any class that has non-`const` data members with different access levels.
7641 ### <a name="Rh-mi-interface"></a>C.135: Use multiple inheritance to represent multiple distinct interfaces
7643 ##### Reason
7645 Not all classes will necessarily support all interfaces, and not all callers will necessarily want to deal with all operations.
7646 Especially to break apart monolithic interfaces into "aspects" of behavior supported by a given derived class.
7648 ##### Example
7650     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7651         // ...
7652     };
7654 `istream` provides the interface to input operations; `ostream` provides the interface to output operations.
7655 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7657 ##### Note
7659 This is a very common use of inheritance because the need for multiple different interfaces to an implementation is common
7660 and such interfaces are often not easily or naturally organized into a single-rooted hierarchy.
7662 ##### Note
7664 Such interfaces are typically abstract classes.
7666 ##### Enforcement
7670 ### <a name="Rh-mi-implementation"></a>C.136: Use multiple inheritance to represent the union of implementation attributes
7672 ##### Reason
7674 Some forms of mixins have state and often operations on that state.
7675 If the operations are virtual the use of inheritance is necessary, if not using inheritance can avoid boilerplate and forwarding.
7677 ##### Example
7679     class iostream : public istream, public ostream {   // very simplified
7680         // ...
7681     };
7683 `istream` provides the interface to input operations (and some data); `ostream` provides the interface to output operations (and some data).
7684 `iostream` provides the union of the `istream` and `ostream` interfaces and the synchronization needed to allow both on a single stream.
7686 ##### Note
7688 This a relatively rare use because implementation can often be organized into a single-rooted hierarchy.
7690 ##### Example
7692 Sometimes, an "implementation attribute" is more like a "mixin" that determine the behavior of an implementation and inject
7693 members to enable the implementation of the policies it requires.
7694 For example, see `std::enable_shared_from_this`
7695 or various bases from boost.intrusive (e.g. `list_base_hook` or `intrusive_ref_counter`).
7697 ##### Enforcement
7701 ### <a name="Rh-vbase"></a>C.137: Use `virtual` bases to avoid overly general base classes
7703 ##### Reason
7705  Allow separation of shared data and interface.
7706  To avoid all shared data to being put into an ultimate base class.
7708 ##### Example
7710     struct Interface {
7711         virtual void f();
7712         virtual int g();
7713         // ... no data here ...
7714     };
7716     class Utility {  // with data
7717         void utility1();
7718         virtual void utility2();    // customization point
7719     public:
7720         int x;
7721         int y;
7722     };
7724     class Derive1 : public Interface, virtual protected Utility {
7725         // override Interface functions
7726         // Maybe override Utility virtual functions
7727         // ...
7728     };
7730     class Derive2 : public Interface, virtual protected Utility {
7731         // override Interface functions
7732         // Maybe override Utility virtual functions
7733         // ...
7734     };
7736 Factoring out `Utility` makes sense if many derived classes share significant "implementation details."
7739 ##### Note
7741 Obviously, the example is too "theoretical", but it is hard to find a *small* realistic example.
7742 `Interface` is the root of an [interface hierarchy](#Rh-abstract)
7743 and `Utility` is the root of an [implementation hierarchy](#Rh-kind).
7744 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.
7746 ##### Note
7748 Often, linearization of a hierarchy is a better solution.
7750 ##### Enforcement
7752 Flag mixed interface and implementation hierarchies.
7754 ### <a name="Rh-using"></a>C.138: Create an overload set for a derived class and its bases with `using`
7756 ##### Reason
7758 Without a using declaration, member functions in the derived class hide the entire inherited overload sets.
7760 ##### Example, bad
7762     #include <iostream>
7763     class B {
7764     public:
7765         virtual int f(int i) { std::cout << "f(int): "; return i; }
7766         virtual double f(double d) { std::cout << "f(double): "; return d; }
7767         virtual ~B() = default;
7768     };
7769     class D: public B {
7770     public:
7771         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7772     };
7773     int main()
7774     {
7775         D d;
7776         std::cout << d.f(2) << '\n';   // prints "f(int): 3"
7777         std::cout << d.f(2.3) << '\n'; // prints "f(int): 3"
7778     }
7780 ##### Example, good
7782     class D: public B {
7783     public:
7784         int f(int i) override { std::cout << "f(int): "; return i + 1; }
7785         using B::f; // exposes f(double)
7786     };
7788 ##### Note
7790 This issue affects both virtual and non-virtual member functions
7792 For variadic bases, C++17 introduced a variadic form of the using-declaration,
7794     template<class... Ts>
7795     struct Overloader : Ts... {
7796         using Ts::operator()...; // exposes operator() from every base
7797     };
7799 ##### Enforcement
7801 Diagnose name hiding
7803 ### <a name="Rh-final"></a>C.139: Use `final` on classes sparingly
7805 ##### Reason
7807 Capping a hierarchy with `final` classes is rarely needed for logical reasons and can be damaging to the extensibility of a hierarchy.
7809 ##### Example, bad
7811     class Widget { /* ... */ };
7813     // nobody will ever want to improve My_widget (or so you thought)
7814     class My_widget final : public Widget { /* ... */ };
7816     class My_improved_widget : public My_widget { /* ... */ };  // error: can't do that
7818 ##### Note
7820 Not every class is meant to be a base class.
7821 Most standard-library classes are examples of that (e.g., `std::vector` and `std::string` are not designed to be derived from).
7822 This rule is about using `final` on classes with virtual functions meant to be interfaces for a class hierarchy.
7824 ##### Note
7826 Capping an individual virtual function with `final` is error-prone as `final` can easily be overlooked when defining/overriding a set of functions.
7827 Fortunately, the compiler catches such mistakes: You cannot re-declare/re-open a `final` member in a derived class.
7829 ##### Note
7831 Claims of performance improvements from `final` should be substantiated.
7832 Too often, such claims are based on conjecture or experience with other languages.
7834 There are examples where `final` can be important for both logical and performance reasons.
7835 One example is a performance-critical AST hierarchy in a compiler or language analysis tool.
7836 New derived classes are not added every year and only by library implementers.
7837 However, misuses are (or at least have been) far more common.
7839 ##### Enforcement
7841 Flag uses of `final` on classes.
7844 ### <a name="Rh-virtual-default-arg"></a>C.140: Do not provide different default arguments for a virtual function and an overrider
7846 ##### Reason
7848 That can cause confusion: An overrider does not inherit default arguments.
7850 ##### Example, bad
7852     class Base {
7853     public:
7854         virtual int multiply(int value, int factor = 2) = 0;
7855         virtual ~Base() = default;
7856     };
7858     class Derived : public Base {
7859     public:
7860         int multiply(int value, int factor = 10) override;
7861     };
7863     Derived d;
7864     Base& b = d;
7866     b.multiply(10);  // these two calls will call the same function but
7867     d.multiply(10);  // with different arguments and so different results
7869 ##### Enforcement
7871 Flag default arguments on virtual functions if they differ between base and derived declarations.
7873 ## C.hier-access: Accessing objects in a hierarchy
7875 ### <a name="Rh-poly"></a>C.145: Access polymorphic objects through pointers and references
7877 ##### Reason
7879 If you have a class with a virtual function, you don't (in general) know which class provided the function to be used.
7881 ##### Example
7883     struct B { int a; virtual int f(); virtual ~B() = default };
7884     struct D : B { int b; int f() override; };
7886     void use(B b)
7887     {
7888         D d;
7889         B b2 = d;   // slice
7890         B b3 = b;
7891     }
7893     void use2()
7894     {
7895         D d;
7896         use(d);   // slice
7897     }
7899 Both `d`s are sliced.
7901 ##### Exception
7903 You can safely access a named polymorphic object in the scope of its definition, just don't slice it.
7905     void use3()
7906     {
7907         D d;
7908         d.f();   // OK
7909     }
7911 ##### See also
7913 [A polymorphic class should suppress copying](#Rc-copy-virtual)
7915 ##### Enforcement
7917 Flag all slicing.
7919 ### <a name="Rh-dynamic_cast"></a>C.146: Use `dynamic_cast` where class hierarchy navigation is unavoidable
7921 ##### Reason
7923 `dynamic_cast` is checked at run time.
7925 ##### Example
7927     struct B {   // an interface
7928         virtual void f();
7929         virtual void g();
7930         virtual ~B();
7931     };
7933     struct D : B {   // a wider interface
7934         void f() override;
7935         virtual void h();
7936     };
7938     void user(B* pb)
7939     {
7940         if (D* pd = dynamic_cast<D*>(pb)) {
7941             // ... use D's interface ...
7942         }
7943         else {
7944             // ... make do with B's interface ...
7945         }
7946     }
7948 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`:
7950     void user2(B* pb)   // bad
7951     {
7952         D* pd = static_cast<D*>(pb);    // I know that pb really points to a D; trust me
7953         // ... use D's interface ...
7954     }
7956     void user3(B* pb)    // unsafe
7957     {
7958         if (some_condition) {
7959             D* pd = static_cast<D*>(pb);   // I know that pb really points to a D; trust me
7960             // ... use D's interface ...
7961         }
7962         else {
7963             // ... make do with B's interface ...
7964         }
7965     }
7967     void f()
7968     {
7969         B b;
7970         user(&b);   // OK
7971         user2(&b);  // bad error
7972         user3(&b);  // OK *if* the programmer got the some_condition check right
7973     }
7975 ##### Note
7977 Like other casts, `dynamic_cast` is overused.
7978 [Prefer virtual functions to casting](#Rh-use-virtual).
7979 Prefer [static polymorphism](#???) to hierarchy navigation where it is possible (no run-time resolution necessary)
7980 and reasonably convenient.
7982 ##### Note
7984 Some people use `dynamic_cast` where a `typeid` would have been more appropriate;
7985 `dynamic_cast` is a general "is kind of" operation for discovering the best interface to an object,
7986 whereas `typeid` is a "give me the exact type of this object" operation to discover the actual type of an object.
7987 The latter is an inherently simpler operation that ought to be faster.
7988 The latter (`typeid`) is easily hand-crafted if necessary (e.g., if working on a system where RTTI is -- for some reason -- prohibited),
7989 the former (`dynamic_cast`) is far harder to implement correctly in general.
7991 Consider:
7993     struct B {
7994         const char* name {"B"};
7995         // if pb1->id() == pb2->id() *pb1 is the same type as *pb2
7996         virtual const char* id() const { return name; }
7997         // ...
7998     };
8000     struct D : B {
8001         const char* name {"D"};
8002         const char* id() const override { return name; }
8003         // ...
8004     };
8006     void use()
8007     {
8008         B* pb1 = new B;
8009         B* pb2 = new D;
8011         cout << pb1->id(); // "B"
8012         cout << pb2->id(); // "D"
8015         if (pb1->id() == "D") {         // looks innocent
8016             D* pd = static_cast<D*>(pb1);
8017             // ...
8018         }
8019         // ...
8020     }
8022 The result of `pb2->id() == "D"` is actually implementation defined.
8023 We added it to warn of the dangers of home-brew RTTI.
8024 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.
8026 If you implement your own RTTI, be careful.
8028 ##### Exception
8030 If your implementation provided a really slow `dynamic_cast`, you might have to use a workaround.
8031 However, all workarounds that cannot be statically resolved involve explicit casting (typically `static_cast`) and are error-prone.
8032 You will basically be crafting your own special-purpose `dynamic_cast`.
8033 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)
8034 and that your use of `dynamic_cast` is really performance critical.
8036 We are of the opinion that current implementations of `dynamic_cast` are unnecessarily slow.
8037 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).
8038 However, compatibility makes changes difficult even if all agree that an effort to optimize is worthwhile.
8040 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.
8042 ##### Exception
8044 Consider:
8046     template<typename B>
8047     class Dx : B {
8048         // ...
8049     };
8051 ##### Enforcement
8053 * Flag all uses of `static_cast` for downcasts, including C-style casts that perform a `static_cast`.
8054 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-downcast).
8056 ### <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
8058 ##### Reason
8060 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.
8062 ##### Example
8064     ???
8066 ##### Enforcement
8070 ### <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
8072 ##### Reason
8074 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.
8076 Contrast with [C.147](#Rh-ptr-cast), where failure is an error, and should not be used for conditional execution.
8078 ##### Example
8080 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.
8081 In this example, `Shape` does not inherit from `Geometric_attributes`. Only its subclasses do.
8083     void add(Shape* const item)
8084     {
8085       // Ownership is always taken
8086       owned_shapes.emplace_back(item);
8088       // Check the Geometric_attributes and add the shape to none/one/some/all of the views
8090       if (auto even = dynamic_cast<Even_sided*>(item))
8091       {
8092         view_of_evens.emplace_back(even);
8093       }
8095       if (auto trisym = dynamic_cast<Trilaterally_symmetrical*>(item))
8096       {
8097         view_of_trisyms.emplace_back(trisym);
8098       }
8099     }
8101 ##### Notes
8103 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.
8104 Therefore the result of the `dynamic_cast` should always be treated as if it might contain a null value, and tested.
8106 ##### Enforcement
8108 * (Complex) Unless there is a null test on the result of a `dynamic_cast` of a pointer type, warn upon dereference of the pointer.
8110 ### <a name="Rh-smart"></a>C.149: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to avoid forgetting to `delete` objects created using `new`
8112 ##### Reason
8114 Avoid resource leaks.
8116 ##### Example
8118     void use(int i)
8119     {
8120         auto p = new int {7};           // bad: initialize local pointers with new
8121         auto q = make_unique<int>(9);   // ok: guarantee the release of the memory-allocated for 9
8122         if (0 < i) return;              // maybe return and leak
8123         delete p;                       // too late
8124     }
8126 ##### Enforcement
8128 * Flag initialization of a naked pointer with the result of a `new`
8129 * Flag `delete` of local variable
8131 ### <a name="Rh-make_unique"></a>C.150: Use `make_unique()` to construct objects owned by `unique_ptr`s
8133 See [R.23](#Rr-make_unique)
8135 ### <a name="Rh-make_shared"></a>C.151: Use `make_shared()` to construct objects owned by `shared_ptr`s
8137 See [R.22](#Rr-make_shared)
8139 ### <a name="Rh-array"></a>C.152: Never assign a pointer to an array of derived class objects to a pointer to its base
8141 ##### Reason
8143 Subscripting the resulting base pointer will lead to invalid object access and probably to memory corruption.
8145 ##### Example
8147     struct B { int x; };
8148     struct D : B { int y; };
8150     void use(B*);
8152     D a[] = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}};
8153     B* p = a;     // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
8154     p[1].x = 7;   // overwrite a[0].y
8156     use(a);       // bad: a decays to &a[0] which is converted to a B*
8158 ##### Enforcement
8160 * Flag all combinations of array decay and base to derived conversions.
8161 * 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`
8164 ### <a name="Rh-use-virtual"></a>C.153: Prefer virtual function to casting
8166 ##### Reason
8168 A virtual function call is safe, whereas casting is error-prone.
8169 A virtual function call reaches the most derived function, whereas a cast might reach an intermediate class and therefore
8170 give a wrong result (especially as a hierarchy is modified during maintenance).
8172 ##### Example
8174     ???
8176 ##### Enforcement
8178 See [C.146](#Rh-dynamic_cast) and ???
8180 ## <a name="SS-overload"></a>C.over: Overloading and overloaded operators
8182 You can overload ordinary functions, function templates, and operators.
8183 You cannot overload function objects.
8185 Overload rule summary:
8187 * [C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage](#Ro-conventional)
8188 * [C.161: Use non-member functions for symmetric operators](#Ro-symmetric)
8189 * [C.162: Overload operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent)
8190 * [C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent](#Ro-equivalent-2)
8191 * [C.164: Avoid implicit conversion operators](#Ro-conversion)
8192 * [C.165: Use `using` for customization points](#Ro-custom)
8193 * [C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references](#Ro-address-of)
8194 * [C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning](#Ro-overload)
8195 * [C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands](#Ro-namespace)
8196 * [C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda](#Ro-lambda)
8198 ### <a name="Ro-conventional"></a>C.160: Define operators primarily to mimic conventional usage
8200 ##### Reason
8202 Minimize surprises.
8204 ##### Example
8206     class X {
8207     public:
8208         // ...
8209         X& operator=(const X&); // member function defining assignment
8210         friend bool operator==(const X&, const X&); // == needs access to representation
8211                                                     // after a = b we have a == b
8212         // ...
8213     };
8215 Here, the conventional semantics is maintained: [Copies compare equal](#SS-copy).
8217 ##### Example, bad
8219     X operator+(X a, X b) { return a.v - b.v; }   // bad: makes + subtract
8221 ##### Note
8223 Non-member operators should be either friends or defined in [the same namespace as their operands](#Ro-namespace).
8224 [Binary operators should treat their operands equivalently](#Ro-symmetric).
8226 ##### Enforcement
8228 Possibly impossible.
8230 ### <a name="Ro-symmetric"></a>C.161: Use non-member functions for symmetric operators
8232 ##### Reason
8234 If you use member functions, you need two.
8235 Unless you use a non-member function for (say) `==`, `a == b` and `b == a` will be subtly different.
8237 ##### Example
8239     bool operator==(Point a, Point b) { return a.x == b.x && a.y == b.y; }
8241 ##### Enforcement
8243 Flag member operator functions.
8245 ### <a name="Ro-equivalent"></a>C.162: Overload operations that are roughly equivalent
8247 ##### Reason
8249 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.
8251 ##### Example
8253 Consider:
8255     void print(int a);
8256     void print(int a, int base);
8257     void print(const string&);
8259 These three functions all print their arguments (appropriately). Conversely:
8261     void print_int(int a);
8262     void print_based(int a, int base);
8263     void print_string(const string&);
8265 These three functions all print their arguments (appropriately). Adding to the name just introduced verbosity and inhibits generic code.
8267 ##### Enforcement
8271 ### <a name="Ro-equivalent-2"></a>C.163: Overload only for operations that are roughly equivalent
8273 ##### Reason
8275 Having the same name for logically different functions is confusing and leads to errors when using generic programming.
8277 ##### Example
8279 Consider:
8281     void open_gate(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8282     void fopen(const char* name, const char* mode);   // open file
8284 The two operations are fundamentally different (and unrelated) so it is good that their names differ. Conversely:
8286     void open(Gate& g);   // remove obstacle from garage exit lane
8287     void open(const char* name, const char* mode ="r");   // open file
8289 The two operations are still fundamentally different (and unrelated) but the names have been reduced to their (common) minimum, opening opportunities for confusion.
8290 Fortunately, the type system will catch many such mistakes.
8292 ##### Note
8294 Be particularly careful about common and popular names, such as `open`, `move`, `+`, and `==`.
8296 ##### Enforcement
8300 ### <a name="Ro-conversion"></a>C.164: Avoid implicit conversion operators
8302 ##### Reason
8304 Implicit conversions can be essential (e.g., `double` to `int`) but often cause surprises (e.g., `String` to C-style string).
8306 ##### Note
8308 Prefer explicitly named conversions until a serious need is demonstrated.
8309 By "serious need" we mean a reason that is fundamental in the application domain (such as an integer to complex number conversion)
8310 and frequently needed. Do not introduce implicit conversions (through conversion operators or non-`explicit` constructors)
8311 just to gain a minor convenience.
8313 ##### Example
8315     struct S1 {
8316         string s;
8317         // ...
8318         operator char*() { return s.data(); }  // BAD, likely to cause surprises
8319     };
8321     struct S2 {
8322         string s;
8323         // ...
8324         explicit operator char*() { return s.data(); }
8325     };
8327     void f(S1 s1, S2 s2)
8328     {
8329         char* x1 = s1;     // OK, but can cause surprises in many contexts
8330         char* x2 = s2;     // error (and that's usually a good thing)
8331         char* x3 = static_cast<char*>(s2); // we can be explicit (on your head be it)
8332     }
8334 The surprising and potentially damaging implicit conversion can occur in arbitrarily hard-to spot contexts, e.g.,
8336     S1 ff();
8338     char* g()
8339     {
8340         return ff();
8341     }
8343 The string returned by `ff()` is destroyed before the returned pointer into it can be used.
8345 ##### Enforcement
8347 Flag all non-explicit conversion operators.
8349 ### <a name="Ro-custom"></a>C.165: Use `using` for customization points
8351 ##### Reason
8353 To find function objects and functions defined in a separate namespace to "customize" a common function.
8355 ##### Example
8357 Consider `swap`. It is a general (standard-library) function with a definition that will work for just about any type.
8358 However, it is desirable to define specific `swap()`s for specific types.
8359 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.
8361     namespace N {
8362         My_type X { /* ... */ };
8363         void swap(X&, X&);   // optimized swap for N::X
8364         // ...
8365     }
8367     void f1(N::X& a, N::X& b)
8368     {
8369         std::swap(a, b);   // probably not what we wanted: calls std::swap()
8370     }
8372 The `std::swap()` in `f1()` does exactly what we asked it to do: it calls the `swap()` in namespace `std`.
8373 Unfortunately, that's probably not what we wanted.
8374 How do we get `N::X` considered?
8376     void f2(N::X& a, N::X& b)
8377     {
8378         swap(a, b);   // calls N::swap
8379     }
8381 But that might not be what we wanted for generic code.
8382 There, we typically want the specific function if it exists and the general function if not.
8383 This is done by including the general function in the lookup for the function:
8385     void f3(N::X& a, N::X& b)
8386     {
8387         using std::swap;  // make std::swap available
8388         swap(a, b);        // calls N::swap if it exists, otherwise std::swap
8389     }
8391 ##### Enforcement
8393 Unlikely, except for known customization points, such as `swap`.
8394 The problem is that the unqualified and qualified lookups both have uses.
8396 ### <a name="Ro-address-of"></a>C.166: Overload unary `&` only as part of a system of smart pointers and references
8398 ##### Reason
8400 The `&` operator is fundamental in C++.
8401 Many parts of the C++ semantics assume its default meaning.
8403 ##### Example
8405     class Ptr { // a somewhat smart pointer
8406         Ptr(X* pp) : p(pp) { /* check */ }
8407         X* operator->() { /* check */ return p; }
8408         X operator[](int i);
8409         X operator*();
8410     private:
8411         T* p;
8412     };
8414     class X {
8415         Ptr operator&() { return Ptr{this}; }
8416         // ...
8417     };
8419 ##### Note
8421 If you "mess with" operator `&` be sure that its definition has matching meanings for `->`, `[]`, `*`, and `.` on the result type.
8422 Note that operator `.` currently cannot be overloaded so a perfect system is impossible.
8423 We hope to remedy that: <http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4477.pdf>.
8424 Note that `std::addressof()` always yields a built-in pointer.
8426 ##### Enforcement
8428 Tricky. Warn if `&` is user-defined without also defining `->` for the result type.
8430 ### <a name="Ro-overload"></a>C.167: Use an operator for an operation with its conventional meaning
8432 ##### Reason
8434 Readability. Convention. Reusability. Support for generic code
8436 ##### Example
8438     void cout_my_class(const My_class& c) // confusing, not conventional,not generic
8439     {
8440         std::cout << /* class members here */;
8441     }
8443     std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const my_class& c) // OK
8444     {
8445         return os << /* class members here */;
8446     }
8448 By itself, `cout_my_class` would be OK, but it is not usable/composable with code that rely on the `<<` convention for output:
8450     My_class var { /* ... */ };
8451     // ...
8452     cout << "var = " << var << '\n';
8454 ##### Note
8456 There are strong and vigorous conventions for the meaning of most operators, such as
8458 * comparisons (`==`, `!=`, `<`, `<=`, `>`, `>=`, and `<=>`),
8459 * arithmetic operations (`+`, `-`, `*`, `/`, and `%`)
8460 * access operations (`.`, `->`, unary `*`, and `[]`)
8461 * assignment (`=`)
8463 Don't define those unconventionally and don't invent your own names for them.
8465 ##### Enforcement
8467 Tricky. Requires semantic insight.
8469 ### <a name="Ro-namespace"></a>C.168: Define overloaded operators in the namespace of their operands
8471 ##### Reason
8473 Readability.
8474 Ability for find operators using ADL.
8475 Avoiding inconsistent definition in different namespaces
8477 ##### Example
8479     struct S { };
8480     bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8481     S s;
8483     bool x = (s == s);
8485 This is what a default `==` would do, if we had such defaults.
8487 ##### Example
8489     namespace N {
8490         struct S { };
8491         bool operator==(S, S);   // OK: in the same namespace as S, and even next to S
8492     }
8494     N::S s;
8496     bool x = (s == s);  // finds N::operator==() by ADL
8498 ##### Example, bad
8500     struct S { };
8501     S s;
8503     namespace N {
8504         S::operator!(S a) { return true; }
8505         S not_s = !s;
8506     }
8508     namespace M {
8509         S::operator!(S a) { return false; }
8510         S not_s = !s;
8511     }
8513 Here, the meaning of `!s` differs in `N` and `M`.
8514 This can be most confusing.
8515 Remove the definition of `namespace M` and the confusion is replaced by an opportunity to make the mistake.
8517 ##### Note
8519 If a binary operator is defined for two types that are defined in different namespaces, you cannot follow this rule.
8520 For example:
8522     Vec::Vector operator*(const Vec::Vector&, const Mat::Matrix&);
8524 This might be something best avoided.
8526 ##### See also
8528 This is a special case of the rule that [helper functions should be defined in the same namespace as their class](#Rc-helper).
8530 ##### Enforcement
8532 * Flag operator definitions that are not in the namespace of their operands
8534 ### <a name="Ro-lambda"></a>C.170: If you feel like overloading a lambda, use a generic lambda
8536 ##### Reason
8538 You cannot overload by defining two different lambdas with the same name.
8540 ##### Example
8542     void f(int);
8543     void f(double);
8544     auto f = [](char);   // error: cannot overload variable and function
8546     auto g = [](int) { /* ... */ };
8547     auto g = [](double) { /* ... */ };   // error: cannot overload variables
8549     auto h = [](auto) { /* ... */ };   // OK
8551 ##### Enforcement
8553 The compiler catches the attempt to overload a lambda.
8555 ## <a name="SS-union"></a>C.union: Unions
8557 A `union` is a `struct` where all members start at the same address so that it can hold only one member at a time.
8558 A `union` does not keep track of which member is stored so the programmer has to get it right;
8559 this is inherently error-prone, but there are ways to compensate.
8561 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*.
8563 Union rule summary:
8565 * [C.180: Use `union`s to save Memory](#Ru-union)
8566 * [C.181: Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8567 * [C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions](#Ru-anonymous)
8568 * [C.183: Don't use a `union` for type punning](#Ru-pun)
8569 * ???
8571 ### <a name="Ru-union"></a>C.180: Use `union`s to save memory
8573 ##### Reason
8575 A `union` allows a single piece of memory to be used for different types of objects at different times.
8576 Consequently, it can be used to save memory when we have several objects that are never used at the same time.
8578 ##### Example
8580     union Value {
8581         int x;
8582         double d;
8583     };
8585     Value v = { 123 };  // now v holds an int
8586     cout << v.x << '\n';    // write 123
8587     v.d = 987.654;  // now v holds a double
8588     cout << v.d << '\n';    // write 987.654
8590 But heed the warning: [Avoid "naked" `union`s](#Ru-naked)
8592 ##### Example
8594     // Short-string optimization
8596     constexpr size_t buffer_size = 16; // Slightly larger than the size of a pointer
8598     class Immutable_string {
8599     public:
8600         Immutable_string(const char* str) :
8601             size(strlen(str))
8602         {
8603             if (size < buffer_size)
8604                 strcpy_s(string_buffer, buffer_size, str);
8605             else {
8606                 string_ptr = new char[size + 1];
8607                 strcpy_s(string_ptr, size + 1, str);
8608             }
8609         }
8611         ~Immutable_string()
8612         {
8613             if (size >= buffer_size)
8614                 delete[] string_ptr;
8615         }
8617         const char* get_str() const
8618         {
8619             return (size < buffer_size) ? string_buffer : string_ptr;
8620         }
8622     private:
8623         // If the string is short enough, we store the string itself
8624         // instead of a pointer to the string.
8625         union {
8626             char* string_ptr;
8627             char string_buffer[buffer_size];
8628         };
8630         const size_t size;
8631     };
8633 ##### Enforcement
8637 ### <a name="Ru-naked"></a>C.181: Avoid "naked" `union`s
8639 ##### Reason
8641 A *naked union* is a union without an associated indicator which member (if any) it holds,
8642 so that the programmer has to keep track.
8643 Naked unions are a source of type errors.
8645 ##### Example, bad
8647     union Value {
8648         int x;
8649         double d;
8650     };
8652     Value v;
8653     v.d = 987.654;  // v holds a double
8655 So far, so good, but we can easily misuse the `union`:
8657     cout << v.x << '\n';    // BAD, undefined behavior: v holds a double, but we read it as an int
8659 Note that the type error happened without any explicit cast.
8660 When we tested that program the last value printed was `1683627180` which is the integer value for the bit pattern for `987.654`.
8661 What we have here is an "invisible" type error that happens to give a result that could easily look innocent.
8663 And, talking about "invisible", this code produced no output:
8665     v.x = 123;
8666     cout << v.d << '\n';    // BAD: undefined behavior
8668 ##### Alternative
8670 Wrap a `union` in a class together with a type field.
8672 The C++17 `variant` type (found in `<variant>`) does that for you:
8674     variant<int, double> v;
8675     v = 123;        // v holds an int
8676     int x = get<int>(v);
8677     v = 123.456;    // v holds a double
8678     w = get<double>(v);
8680 ##### Enforcement
8684 ### <a name="Ru-anonymous"></a>C.182: Use anonymous `union`s to implement tagged unions
8686 ##### Reason
8688 A well-designed tagged union is type safe.
8689 An *anonymous* union simplifies the definition of a class with a (tag, union) pair.
8691 ##### Example
8693 This example is mostly borrowed from TC++PL4 pp216-218.
8694 You can look there for an explanation.
8696 The code is somewhat elaborate.
8697 Handling a type with user-defined assignment and destructor is tricky.
8698 Saving programmers from having to write such code is one reason for including `variant` in the standard.
8700     class Value { // two alternative representations represented as a union
8701     private:
8702         enum class Tag { number, text };
8703         Tag type; // discriminant
8705         union { // representation (note: anonymous union)
8706             int i;
8707             string s; // string has default constructor, copy operations, and destructor
8708         };
8709     public:
8710         struct Bad_entry { }; // used for exceptions
8712         ~Value();
8713         Value& operator=(const Value&);   // necessary because of the string variant
8714         Value(const Value&);
8715         // ...
8716         int number() const;
8717         string text() const;
8719         void set_number(int n);
8720         void set_text(const string&);
8721         // ...
8722     };
8724     int Value::number() const
8725     {
8726         if (type != Tag::number) throw Bad_entry{};
8727         return i;
8728     }
8730     string Value::text() const
8731     {
8732         if (type != Tag::text) throw Bad_entry{};
8733         return s;
8734     }
8736     void Value::set_number(int n)
8737     {
8738         if (type == Tag::text) {
8739             s.~string();      // explicitly destroy string
8740             type = Tag::number;
8741         }
8742         i = n;
8743     }
8745     void Value::set_text(const string& ss)
8746     {
8747         if (type == Tag::text)
8748             s = ss;
8749         else {
8750             new(&s) string{ss};   // placement new: explicitly construct string
8751             type = Tag::text;
8752         }
8753     }
8755     Value& Value::operator=(const Value& e)   // necessary because of the string variant
8756     {
8757         if (type == Tag::text && e.type == Tag::text) {
8758             s = e.s;    // usual string assignment
8759             return *this;
8760         }
8762         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8764         switch (e.type) {
8765         case Tag::number:
8766             i = e.i;
8767             break;
8768         case Tag::text:
8769             new(&s) string(e.s);   // placement new: explicit construct
8770         }
8772         type = e.type;
8773         return *this;
8774     }
8776     Value::~Value()
8777     {
8778         if (type == Tag::text) s.~string(); // explicit destroy
8779     }
8781 ##### Enforcement
8785 ### <a name="Ru-pun"></a>C.183: Don't use a `union` for type punning
8787 ##### Reason
8789 It is undefined behavior to read a `union` member with a different type from the one with which it was written.
8790 Such punning is invisible, or at least harder to spot than using a named cast.
8791 Type punning using a `union` is a source of errors.
8793 ##### Example, bad
8795     union Pun {
8796         int x;
8797         unsigned char c[sizeof(int)];
8798     };
8800 The idea of `Pun` is to be able to look at the character representation of an `int`.
8802     void bad(Pun& u)
8803     {
8804         u.x = 'x';
8805         cout << u.c[0] << '\n';     // undefined behavior
8806     }
8808 If you wanted to see the bytes of an `int`, use a (named) cast:
8810     void if_you_must_pun(int& x)
8811     {
8812         auto p = reinterpret_cast<unsigned char*>(&x);
8813         cout << p[0] << '\n';     // OK; better
8814         // ...
8815     }
8817 Accessing the result of a `reinterpret_cast` to a type different from the object's declared type is defined behavior. (Using `reinterpret_cast` is discouraged,
8818 but at least we can see that something tricky is going on.)
8820 ##### Note
8822 Unfortunately, `union`s are commonly used for type punning.
8823 We don't consider "sometimes, it works as expected" a conclusive argument.
8825 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.
8827 ##### Enforcement
8833 # <a name="S-enum"></a>Enum: Enumerations
8835 Enumerations are used to define sets of integer values and for defining types for such sets of values.
8836 There are two kind of enumerations, "plain" `enum`s and `class enum`s.
8838 Enumeration rule summary:
8840 * [Enum.1: Prefer enumerations over macros](#Renum-macro)
8841 * [Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants](#Renum-set)
8842 * [Enum.3: Prefer `enum class`es over "plain" `enum`s](#Renum-class)
8843 * [Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use](#Renum-oper)
8844 * [Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators](#Renum-caps)
8845 * [Enum.6: Avoid unnamed enumerations](#Renum-unnamed)
8846 * [Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary](#Renum-underlying)
8847 * [Enum.8: Specify enumerator values only when necessary](#Renum-value)
8849 ### <a name="Renum-macro"></a>Enum.1: Prefer enumerations over macros
8851 ##### Reason
8853 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.
8855 ##### Example
8857 First some bad old code:
8859     // webcolors.h (third party header)
8860     #define RED   0xFF0000
8861     #define GREEN 0x00FF00
8862     #define BLUE  0x0000FF
8864     // productinfo.h
8865     // The following define product subtypes based on color
8866     #define RED    0
8867     #define PURPLE 1
8868     #define BLUE   2
8870     int webby = BLUE;   // webby == 2; probably not what was desired
8872 Instead use an `enum`:
8874     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8875     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8877     int webby = blue;   // error: be specific
8878     Web_color webby = Web_color::blue;
8880 We used an `enum class` to avoid name clashes.
8882 ##### Enforcement
8884 Flag macros that define integer values.
8887 ### <a name="Renum-set"></a>Enum.2: Use enumerations to represent sets of related named constants
8889 ##### Reason
8891 An enumeration shows the enumerators to be related and can be a named type.
8895 ##### Example
8897     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8900 ##### Note
8902 Switching on an enumeration is common and the compiler can warn against unusual patterns of case labels. For example:
8904     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8906     void print(Product_info inf)
8907     {
8908         switch (inf) {
8909         case Product_info::red: cout << "red"; break;
8910         case Product_info::purple: cout << "purple"; break;
8911         }
8912     }
8914 Such off-by-one `switch`-statements are often the results of an added enumerator and insufficient testing.
8916 ##### Enforcement
8918 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover most but not all enumerators of an enumeration.
8919 * Flag `switch`-statements where the `case`s cover a few enumerators of an enumeration, but there is no `default`.
8922 ### <a name="Renum-class"></a>Enum.3: Prefer class enums over "plain" enums
8924 ##### Reason
8926 To minimize surprises: traditional enums convert to int too readily.
8928 ##### Example
8930     void Print_color(int color);
8932     enum Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8933     enum Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8935     Web_color webby = Web_color::blue;
8937     // Clearly at least one of these calls is buggy.
8938     Print_color(webby);
8939     Print_color(Product_info::blue);
8941 Instead use an `enum class`:
8943     void Print_color(int color);
8945     enum class Web_color { red = 0xFF0000, green = 0x00FF00, blue = 0x0000FF };
8946     enum class Product_info { red = 0, purple = 1, blue = 2 };
8948     Web_color webby = Web_color::blue;
8949     Print_color(webby);  // Error: cannot convert Web_color to int.
8950     Print_color(Product_info::red);  // Error: cannot convert Product_info to int.
8952 ##### Enforcement
8954 (Simple) Warn on any non-class `enum` definition.
8956 ### <a name="Renum-oper"></a>Enum.4: Define operations on enumerations for safe and simple use
8958 ##### Reason
8960 Convenience of use and avoidance of errors.
8962 ##### Example
8964     enum Day { mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun };
8966     Day& operator++(Day& d)
8967     {
8968         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : static_cast<Day>(static_cast<int>(d)+1);
8969     }
8971     Day today = Day::sat;
8972     Day tomorrow = ++today;
8974 The use of a `static_cast` is not pretty, but
8976     Day& operator++(Day& d)
8977     {
8978         return d = (d == Day::sun) ? Day::mon : Day{++d};    // error
8979     }
8981 is an infinite recursion, and writing it without a cast, using a `switch` on all cases is long-winded.
8984 ##### Enforcement
8986 Flag repeated expressions cast back into an enumeration.
8989 ### <a name="Renum-caps"></a>Enum.5: Don't use `ALL_CAPS` for enumerators
8991 ##### Reason
8993 Avoid clashes with macros.
8995 ##### Example, bad
8997      // webcolors.h (third party header)
8998     #define RED   0xFF0000
8999     #define GREEN 0x00FF00
9000     #define BLUE  0x0000FF
9002     // productinfo.h
9003     // The following define product subtypes based on color
9005     enum class Product_info { RED, PURPLE, BLUE };   // syntax error
9007 ##### Enforcement
9009 Flag ALL_CAPS enumerators.
9011 ### <a name="Renum-unnamed"></a>Enum.6: Avoid unnamed enumerations
9013 ##### Reason
9015 If you can't name an enumeration, the values are not related
9017 ##### Example, bad
9019     enum { red = 0xFF0000, scale = 4, is_signed = 1 };
9021 Such code is not uncommon in code written before there were convenient alternative ways of specifying integer constants.
9023 ##### Alternative
9025 Use `constexpr` values instead. For example:
9027     constexpr int red = 0xFF0000;
9028     constexpr short scale = 4;
9029     constexpr bool is_signed = true;
9031 ##### Enforcement
9033 Flag unnamed enumerations.
9036 ### <a name="Renum-underlying"></a>Enum.7: Specify the underlying type of an enumeration only when necessary
9038 ##### Reason
9040 The default is the easiest to read and write.
9041 `int` is the default integer type.
9042 `int` is compatible with C `enum`s.
9044 ##### Example
9046     enum class Direction : char { n, s, e, w,
9047                                   ne, nw, se, sw };  // underlying type saves space
9049     enum class Web_color : int32_t { red   = 0xFF0000,
9050                                      green = 0x00FF00,
9051                                      blue  = 0x0000FF };  // underlying type is redundant
9053 ##### Note
9055 Specifying the underlying type is necessary in forward declarations of enumerations:
9057     enum Flags : char;
9059     void f(Flags);
9061     // ....
9063     enum Flags : char { /* ... */ };
9066 ##### Enforcement
9068 ????
9071 ### <a name="Renum-value"></a>Enum.8: Specify enumerator values only when necessary
9073 ##### Reason
9075 It's the simplest.
9076 It avoids duplicate enumerator values.
9077 The default gives a consecutive set of values that is good for `switch`-statement implementations.
9079 ##### Example
9081     enum class Col1 { red, yellow, blue };
9082     enum class Col2 { red = 1, yellow = 2, blue = 2 }; // typo
9083     enum class Month { jan = 1, feb, mar, apr, may, jun,
9084                        jul, august, sep, oct, nov, dec }; // starting with 1 is conventional
9085     enum class Base_flag { dec = 1, oct = dec << 1, hex = dec << 2 }; // set of bits
9087 Specifying values is necessary to match conventional values (e.g., `Month`)
9088 and where consecutive values are undesirable (e.g., to get separate bits as in `Base_flag`).
9090 ##### Enforcement
9092 * Flag duplicate enumerator values
9093 * Flag explicitly specified all-consecutive enumerator values
9096 # <a name="S-resource"></a>R: Resource management
9098 This section contains rules related to resources.
9099 A resource is anything that must be acquired and (explicitly or implicitly) released, such as memory, file handles, sockets, and locks.
9100 The reason it must be released is typically that it can be in short supply, so even delayed release might do harm.
9101 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.
9102 An entity that is responsible for releasing a resource is called an owner.
9104 There are a few cases where leaks can be acceptable or even optimal:
9105 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.
9106 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.
9107 Here, we ignore such cases.
9109 * Resource management rule summary:
9111   * [R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)](#Rr-raii)
9112   * [R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)](#Rr-use-ptr)
9113   * [R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning](#Rr-ptr)
9114   * [R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning](#Rr-ref)
9115   * [R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily](#Rr-scoped)
9116   * [R.6: Avoid non-`const` global variables](#Rr-global)
9118 * Allocation and deallocation rule summary:
9120   * [R.10: Avoid `malloc()` and `free()`](#Rr-mallocfree)
9121   * [R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly](#Rr-newdelete)
9122   * [R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object](#Rr-immediate-alloc)
9123   * [R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement](#Rr-single-alloc)
9124   * [R.14: Avoid `[]` parameters, prefer `span`](#Rr-ap)
9125   * [R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs](#Rr-pair)
9127 * <a name="Rr-summary-smartptrs"></a>Smart pointer rule summary:
9129   * [R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership](#Rr-owner)
9130   * [R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership](#Rr-unique)
9131   * [R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s](#Rr-make_shared)
9132   * [R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s](#Rr-make_unique)
9133   * [R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s](#Rr-weak_ptr)
9134   * [R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics](#Rr-smartptrparam)
9135   * [R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`](#Rr-smart)
9136   * [R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`](#Rr-uniqueptrparam)
9137   * [R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the `widget`](#Rr-reseat)
9138   * [R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner](#Rr-sharedptrparam-owner)
9139   * [R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer](#Rr-sharedptrparam)
9140   * [R.36: Take a `const shared_ptr<widget>&` parameter to express that it might retain a reference count to the object ???](#Rr-sharedptrparam-const)
9141   * [R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer](#Rr-smartptrget)
9143 ### <a name="Rr-raii"></a>R.1: Manage resources automatically using resource handles and RAII (Resource Acquisition Is Initialization)
9145 ##### Reason
9147 To avoid leaks and the complexity of manual resource management.
9148 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`.
9149 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.
9151 ##### Example, bad
9153 Consider:
9155     void send(X* x, string_view destination)
9156     {
9157         auto port = open_port(destination);
9158         my_mutex.lock();
9159         // ...
9160         send(port, x);
9161         // ...
9162         my_mutex.unlock();
9163         close_port(port);
9164         delete x;
9165     }
9167 In this code, you have to remember to `unlock`, `close_port`, and `delete` on all paths, and do each exactly once.
9168 Further, if any of the code marked `...` throws an exception, then `x` is leaked and `my_mutex` remains locked.
9170 ##### Example
9172 Consider:
9174     void send(unique_ptr<X> x, string_view destination)  // x owns the X
9175     {
9176         Port port{destination};            // port owns the PortHandle
9177         lock_guard<mutex> guard{my_mutex}; // guard owns the lock
9178         // ...
9179         send(port, x);
9180         // ...
9181     } // automatically unlocks my_mutex and deletes the pointer in x
9183 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.
9185 What is `Port`? A handy wrapper that encapsulates the resource:
9187     class Port {
9188         PortHandle port;
9189     public:
9190         Port(string_view destination) : port{open_port(destination)} { }
9191         ~Port() { close_port(port); }
9192         operator PortHandle() { return port; }
9194         // port handles can't usually be cloned, so disable copying and assignment if necessary
9195         Port(const Port&) = delete;
9196         Port& operator=(const Port&) = delete;
9197     };
9199 ##### Note
9201 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)
9203 **See also**: [RAII](#Re-raii)
9205 ### <a name="Rr-use-ptr"></a>R.2: In interfaces, use raw pointers to denote individual objects (only)
9207 ##### Reason
9209 Arrays are best represented by a container type (e.g., `vector` (owning)) or a `span` (non-owning).
9210 Such containers and views hold sufficient information to do range checking.
9212 ##### Example, bad
9214     void f(int* p, int n)   // n is the number of elements in p[]
9215     {
9216         // ...
9217         p[2] = 7;   // bad: subscript raw pointer
9218         // ...
9219     }
9221 The compiler does not read comments, and without reading other code you do not know whether `p` really points to `n` elements.
9222 Use a `span` instead.
9224 ##### Example
9226     void g(int* p, int fmt)   // print *p using format #fmt
9227     {
9228         // ... uses *p and p[0] only ...
9229     }
9231 ##### Exception
9233 C-style strings are passed as single pointers to a zero-terminated sequence of characters.
9234 Use `zstring` rather than `char*` to indicate that you rely on that convention.
9236 ##### Note
9238 Many current uses of pointers to a single element could be references.
9239 However, where `nullptr` is a possible value, a reference might not be a reasonable alternative.
9241 ##### Enforcement
9243 * Flag pointer arithmetic (including `++`) on a pointer that is not part of a container, view, or iterator.
9244   This rule would generate a huge number of false positives if applied to an older code base.
9245 * Flag array names passed as simple pointers
9247 ### <a name="Rr-ptr"></a>R.3: A raw pointer (a `T*`) is non-owning
9249 ##### Reason
9251 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw pointers are non-owning.
9252 We want owning pointers identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9254 ##### Example
9256     void f()
9257     {
9258         int* p1 = new int{7};           // bad: raw owning pointer
9259         auto p2 = make_unique<int>(7);  // OK: the int is owned by a unique pointer
9260         // ...
9261     }
9263 The `unique_ptr` protects against leaks by guaranteeing the deletion of its object (even in the presence of exceptions). The `T*` does not.
9265 ##### Example
9267     template<typename T>
9268     class X {
9269     public:
9270         T* p;   // bad: it is unclear whether p is owning or not
9271         T* q;   // bad: it is unclear whether q is owning or not
9272         // ...
9273     };
9275 We can fix that problem by making ownership explicit:
9277     template<typename T>
9278     class X2 {
9279     public:
9280         owner<T*> p;  // OK: p is owning
9281         T* q;         // OK: q is not owning
9282         // ...
9283     };
9285 ##### Exception
9287 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.
9288 The fact that there are billions of lines of code that violate this rule against owning `T*`s cannot be ignored.
9289 We'd love to see program transformation tools turning 20-year-old "legacy" code into shiny modern code,
9290 we encourage the development, deployment and use of such tools,
9291 we hope the guidelines will help the development of such tools,
9292 and we even contributed (and contribute) to the research and development in this area.
9293 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.
9295 This code cannot all be rewritten (even assuming good code transformation software), especially not soon.
9296 This problem cannot be solved (at scale) by transforming all owning pointers to `unique_ptr`s and `shared_ptr`s,
9297 partly because we need/use owning "raw pointers" as well as simple pointers in the implementation of our fundamental resource handles.
9298 For example, common `vector` implementations have one owning pointer and two non-owning pointers.
9299 Many ABIs (and essentially all interfaces to C code) use `T*`s, some of them owning.
9300 Some interfaces cannot be simply annotated with `owner` because they need to remain compilable as C
9301 (although this would be a rare good use for a macro, that expands to `owner` in C++ mode only).
9303 ##### Note
9305 `owner<T*>` has no default semantics beyond `T*`. It can be used without changing any code using it and without affecting ABIs.
9306 It is simply an indicator to programmers and analysis tools.
9307 For example, if an `owner<T*>` is a member of a class, that class better have a destructor that `delete`s it.
9309 ##### Example, bad
9311 Returning a (raw) pointer imposes a lifetime management uncertainty on the caller; that is, who deletes the pointed-to object?
9313     Gadget* make_gadget(int n)
9314     {
9315         auto p = new Gadget{n};
9316         // ...
9317         return p;
9318     }
9320     void caller(int n)
9321     {
9322         auto p = make_gadget(n);   // remember to delete p
9323         // ...
9324         delete p;
9325     }
9327 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)):
9329     Gadget make_gadget(int n)
9330     {
9331         Gadget g{n};
9332         // ...
9333         return g;
9334     }
9336 ##### Note
9338 This rule applies to factory functions.
9340 ##### Note
9342 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."
9344 ##### Enforcement
9346 * (Simple) Warn on `delete` of a raw pointer that is not an `owner<T>`.
9347 * (Moderate) Warn on failure to either `reset` or explicitly `delete` an `owner<T>` pointer on every code path.
9348 * (Simple) Warn if the return value of `new` is assigned to a raw pointer.
9349 * (Simple) Warn if a function returns an object that was allocated within the function but has a move constructor.
9350   Suggest considering returning it by value instead.
9352 ### <a name="Rr-ref"></a>R.4: A raw reference (a `T&`) is non-owning
9354 ##### Reason
9356 There is nothing (in the C++ standard or in most code) to say otherwise and most raw references are non-owning.
9357 We want owners identified so that we can reliably and efficiently delete the objects pointed to by owning pointers.
9359 ##### Example
9361     void f()
9362     {
9363         int& r = *new int{7};  // bad: raw owning reference
9364         // ...
9365         delete &r;             // bad: violated the rule against deleting raw pointers
9366     }
9368 **See also**: [The raw pointer rule](#Rr-ptr)
9370 ##### Enforcement
9372 See [the raw pointer rule](#Rr-ptr)
9374 ### <a name="Rr-scoped"></a>R.5: Prefer scoped objects, don't heap-allocate unnecessarily
9376 ##### Reason
9378 A scoped object is a local object, a global object, or a member.
9379 This implies that there is no separate allocation and deallocation cost in excess of that already used for the containing scope or object.
9380 The members of a scoped object are themselves scoped and the scoped object's constructor and destructor manage the members' lifetimes.
9382 ##### Example
9384 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:
9386     void f(int n)
9387     {
9388         auto p = new Gadget{n};
9389         // ...
9390         delete p;
9391     }
9393 Instead, use a local variable:
9395     void f(int n)
9396     {
9397         Gadget g{n};
9398         // ...
9399     }
9401 ##### Enforcement
9403 * (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.
9404 * (Simple) Warn if a local `Unique_pointer` or `Shared_pointer` is not moved, copied, reassigned or `reset` before its lifetime ends.
9406 ### <a name="Rr-global"></a>R.6: Avoid non-`const` global variables
9408 See [I.2](#Ri-global)
9410 ## <a name="SS-alloc"></a>R.alloc: Allocation and deallocation
9412 ### <a name="Rr-mallocfree"></a>R.10: Avoid `malloc()` and `free()`
9414 ##### Reason
9416  `malloc()` and `free()` do not support construction and destruction, and do not mix well with `new` and `delete`.
9418 ##### Example
9420     class Record {
9421         int id;
9422         string name;
9423         // ...
9424     };
9426     void use()
9427     {
9428         // p1 might be nullptr
9429         // *p1 is not initialized; in particular,
9430         // that string isn't a string, but a string-sized bag of bits
9431         Record* p1 = static_cast<Record*>(malloc(sizeof(Record)));
9433         auto p2 = new Record;
9435         // unless an exception is thrown, *p2 is default initialized
9436         auto p3 = new(nothrow) Record;
9437         // p3 might be nullptr; if not, *p3 is default initialized
9439         // ...
9441         delete p1;    // error: cannot delete object allocated by malloc()
9442         free(p2);    // error: cannot free() object allocated by new
9443     }
9445 In some implementations that `delete` and that `free()` might work, or maybe they will cause run-time errors.
9447 ##### Exception
9449 There are applications and sections of code where exceptions are not acceptable.
9450 Some of the best such examples are in life-critical hard-real-time code.
9451 Beware that many bans on exception use are based on superstition (bad)
9452 or by concerns for older code bases with unsystematic resource management (unfortunately, but sometimes necessary).
9453 In such cases, consider the `nothrow` versions of `new`.
9455 ##### Enforcement
9457 Flag explicit use of `malloc` and `free`.
9459 ### <a name="Rr-newdelete"></a>R.11: Avoid calling `new` and `delete` explicitly
9461 ##### Reason
9463 The pointer returned by `new` should belong to a resource handle (that can call `delete`).
9464 If the pointer returned by `new` is assigned to a plain/naked pointer, the object can be leaked.
9466 ##### Note
9468 In a large program, a naked `delete` (that is a `delete` in application code, rather than part of code devoted to resource management)
9469 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?
9470 The bug might be latent: it might emerge only during maintenance.
9471 If you have a naked `new`, you probably need a naked `delete` somewhere, so you probably have a bug.
9473 ##### Enforcement
9475 (Simple) Warn on any explicit use of `new` and `delete`. Suggest using `make_unique` instead.
9477 ### <a name="Rr-immediate-alloc"></a>R.12: Immediately give the result of an explicit resource allocation to a manager object
9479 ##### Reason
9481 If you don't, an exception or a return might lead to a leak.
9483 ##### Example, bad
9485     void f(const string& name)
9486     {
9487         FILE* f = fopen(name, "r");            // open the file
9488         vector<char> buf(1024);
9489         auto _ = finally([f] { fclose(f); });  // remember to close the file
9490         // ...
9491     }
9493 The allocation of `buf` might fail and leak the file handle.
9495 ##### Example
9497     void f(const string& name)
9498     {
9499         ifstream f{name};   // open the file
9500         vector<char> buf(1024);
9501         // ...
9502     }
9504 The use of the file handle (in `ifstream`) is simple, efficient, and safe.
9506 ##### Enforcement
9508 * Flag explicit allocations used to initialize pointers (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9510 ### <a name="Rr-single-alloc"></a>R.13: Perform at most one explicit resource allocation in a single expression statement
9512 ##### Reason
9514 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.
9516 ##### Example
9518     void fun(shared_ptr<Widget> sp1, shared_ptr<Widget> sp2);
9520 This `fun` can be called like this:
9522     // BAD: potential leak
9523     fun(shared_ptr<Widget>(new Widget(a, b)), shared_ptr<Widget>(new Widget(c, d)));
9525 This is exception-unsafe because the compiler might reorder the two expressions building the function's two arguments.
9526 In particular, the compiler can interleave execution of the two expressions:
9527 Memory allocation (by calling `operator new`) could be done first for both objects, followed by attempts to call the two `Widget` constructors.
9528 If one of the constructor calls throws an exception, then the other object's memory will never be released!
9530 This subtle problem has a simple solution: Never perform more than one explicit resource allocation in a single expression statement.
9531 For example:
9533     shared_ptr<Widget> sp1(new Widget(a, b)); // Better, but messy
9534     fun(sp1, new Widget(c, d));
9536 The best solution is to avoid explicit allocation entirely use factory functions that return owning objects:
9538     fun(make_shared<Widget>(a, b), make_shared<Widget>(c, d)); // Best
9540 Write your own factory wrapper if there is not one already.
9542 ##### Enforcement
9544 * Flag expressions with multiple explicit resource allocations (problem: how many direct resource allocations can we recognize?)
9546 ### <a name="Rr-ap"></a>R.14: Avoid `[]` parameters, prefer `span`
9548 ##### Reason
9550 An array decays to a pointer, thereby losing its size, opening the opportunity for range errors.
9551 Use `span` to preserve size information.
9553 ##### Example
9555     void f(int[]);          // not recommended
9557     void f(int*);           // not recommended for multiple objects
9558                             // (a pointer should point to a single object, do not subscript)
9560     void f(gsl::span<int>); // good, recommended
9562 ##### Enforcement
9564 Flag `[]` parameters. Use `span` instead.
9566 ### <a name="Rr-pair"></a>R.15: Always overload matched allocation/deallocation pairs
9568 ##### Reason
9570 Otherwise you get mismatched operations and chaos.
9572 ##### Example
9574     class X {
9575         // ...
9576         void* operator new(size_t s);
9577         void operator delete(void*);
9578         // ...
9579     };
9581 ##### Note
9583 If you want memory that cannot be deallocated, `=delete` the deallocation operation.
9584 Don't leave it undeclared.
9586 ##### Enforcement
9588 Flag incomplete pairs.
9590 ## <a name="SS-smart"></a>R.smart: Smart pointers
9592 ### <a name="Rr-owner"></a>R.20: Use `unique_ptr` or `shared_ptr` to represent ownership
9594 ##### Reason
9596 They can prevent resource leaks.
9598 ##### Example
9600 Consider:
9602     void f()
9603     {
9604         X x;
9605         X* p1 { new X };              // see also ???
9606         unique_ptr<X> p2 { new X };   // unique ownership; see also ???
9607         shared_ptr<X> p3 { new X };   // shared ownership; see also ???
9608         auto p4 = make_unique<X>();   // unique_ownership, preferable to the explicit use "new"
9609         auto p5 = make_shared<X>();   // shared ownership, preferable to the explicit use "new"
9610     }
9612 This will leak the object used to initialize `p1` (only).
9614 ##### Enforcement
9616 (Simple) Warn if the return value of `new` or a function call with return value of pointer type is assigned to a raw pointer.
9618 ### <a name="Rr-unique"></a>R.21: Prefer `unique_ptr` over `shared_ptr` unless you need to share ownership
9620 ##### Reason
9622 A `unique_ptr` is conceptually simpler and more predictable (you know when destruction happens) and faster (you don't implicitly maintain a use count).
9624 ##### Example, bad
9626 This needlessly adds and maintains a reference count.
9628     void f()
9629     {
9630         shared_ptr<Base> base = make_shared<Derived>();
9631         // use base locally, without copying it -- refcount never exceeds 1
9632     } // destroy base
9634 ##### Example
9636 This is more efficient:
9638     void f()
9639     {
9640         unique_ptr<Base> base = make_unique<Derived>();
9641         // use base locally
9642     } // destroy base
9644 ##### Enforcement
9646 (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.
9648 ### <a name="Rr-make_shared"></a>R.22: Use `make_shared()` to make `shared_ptr`s
9650 ##### Reason
9652 `make_shared` gives a more concise statement of the construction.
9653 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.
9655 ##### Example
9657 Consider:
9659     shared_ptr<X> p1 { new X{2} }; // bad
9660     auto p = make_shared<X>(2);    // good
9662 The `make_shared()` version mentions `X` only once, so it is usually shorter (as well as faster) than the version with the explicit `new`.
9664 ##### Enforcement
9666 (Simple) Warn if a `shared_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_shared`.
9668 ### <a name="Rr-make_unique"></a>R.23: Use `make_unique()` to make `unique_ptr`s
9670 ##### Reason
9672 `make_unique` gives a more concise statement of the construction.
9673 It also ensures exception safety in complex expressions.
9675 ##### Example
9677     unique_ptr<Foo> p {new Foo{7}};    // OK: but repetitive
9679     auto q = make_unique<Foo>(7);      // Better: no repetition of Foo
9681 ##### Enforcement
9683 (Simple) Warn if a `unique_ptr` is constructed from the result of `new` rather than `make_unique`.
9685 ### <a name="Rr-weak_ptr"></a>R.24: Use `std::weak_ptr` to break cycles of `shared_ptr`s
9687 ##### Reason
9689  `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
9690 be able to destroy a cyclic structure.
9692 ##### Example
9694     #include <memory>
9696     class bar;
9698     class foo {
9699     public:
9700       explicit foo(const std::shared_ptr<bar>& forward_reference)
9701         : forward_reference_(forward_reference)
9702       { }
9703     private:
9704       std::shared_ptr<bar> forward_reference_;
9705     };
9707     class bar {
9708     public:
9709       explicit bar(const std::weak_ptr<foo>& back_reference)
9710         : back_reference_(back_reference)
9711       { }
9712       void do_something()
9713       {
9714         if (auto shared_back_reference = back_reference_.lock()) {
9715           // Use *shared_back_reference
9716         }
9717       }
9718     private:
9719       std::weak_ptr<foo> back_reference_;
9720     };
9722 ##### Note
9724  ??? (HS: A lot of people say "to break cycles", while I think "temporary shared ownership" is more to the point.)
9725 ???(BS: breaking cycles is what you must do; temporarily sharing ownership is how you do it.
9726 You could "temporarily share ownership" simply by using another `shared_ptr`.)
9728 ##### Enforcement
9730 ??? probably impossible. If we could statically detect cycles, we wouldn't need `weak_ptr`
9732 ### <a name="Rr-smartptrparam"></a>R.30: Take smart pointers as parameters only to explicitly express lifetime semantics
9734 See [F.7](#Rf-smart).
9736 ### <a name="Rr-smart"></a>R.31: If you have non-`std` smart pointers, follow the basic pattern from `std`
9738 ##### Reason
9740 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.
9741 You want the rules to work on all the smart pointers you use.
9743 Any type (including primary template or specialization) that overloads unary `*` and `->` is considered a smart pointer:
9745 * If it is copyable, it is recognized as a reference-counted `shared_ptr`.
9746 * If it is not copyable, it is recognized as a unique `unique_ptr`.
9748 ##### Example, bad
9750     // use Boost's intrusive_ptr
9751     #include <boost/intrusive_ptr.hpp>
9752     void f(boost::intrusive_ptr<widget> p)  // error under rule 'sharedptrparam'
9753     {
9754         p->foo();
9755     }
9757     // use Microsoft's CComPtr
9758     #include <atlbase.h>
9759     void f(CComPtr<widget> p)               // error under rule 'sharedptrparam'
9760     {
9761         p->foo();
9762     }
9764 Both cases are an error under the [`sharedptrparam` guideline](#Rr-smartptrparam):
9765 `p` is a `Shared_pointer`, but nothing about its sharedness is used here and passing it by value is a silent pessimization;
9766 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&`.
9767 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.
9769 ### <a name="Rr-uniqueptrparam"></a>R.32: Take a `unique_ptr<widget>` parameter to express that a function assumes ownership of a `widget`
9771 ##### Reason
9773 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's ownership transfer.
9775 ##### Example
9777     void sink(unique_ptr<widget>); // takes ownership of the widget
9779     void uses(widget*);            // just uses the widget
9781 ##### Example, bad
9783     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9785 ##### Enforcement
9787 * (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.
9788 * (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.
9790 ### <a name="Rr-reseat"></a>R.33: Take a `unique_ptr<widget>&` parameter to express that a function reseats the`widget`
9792 ##### Reason
9794 Using `unique_ptr` in this way both documents and enforces the function call's reseating semantics.
9796 ##### Note
9798 "reseat" means "making a pointer or a smart pointer refer to a different object."
9800 ##### Example
9802     void reseat(unique_ptr<widget>&); // "will" or "might" reseat pointer
9804 ##### Example, bad
9806     void thinko(const unique_ptr<widget>&); // usually not what you want
9808 ##### Enforcement
9810 * (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.
9811 * (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.
9813 ### <a name="Rr-sharedptrparam-owner"></a>R.34: Take a `shared_ptr<widget>` parameter to express that a function is part owner
9815 ##### Reason
9817 This makes the function's ownership sharing explicit.
9819 ##### Example, good
9821     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9823     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9825     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9827 ##### Enforcement
9829 * (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.
9830 * (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.
9831 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9833 ### <a name="Rr-sharedptrparam"></a>R.35: Take a `shared_ptr<widget>&` parameter to express that a function might reseat the shared pointer
9835 ##### Reason
9837 This makes the function's reseating explicit.
9839 ##### Note
9841 "reseat" means "making a reference or a smart pointer refer to a different object."
9843 ##### Example, good
9845     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9847     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9849     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9851 ##### Enforcement
9853 * (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.
9854 * (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.
9855 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9857 ### <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 ???
9859 ##### Reason
9861 This makes the function's ??? explicit.
9863 ##### Example, good
9865     void share(shared_ptr<widget>);            // share -- "will" retain refcount
9867     void reseat(shared_ptr<widget>&);          // "might" reseat ptr
9869     void may_share(const shared_ptr<widget>&); // "might" retain refcount
9871 ##### Enforcement
9873 * (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.
9874 * (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.
9875 * (Simple) ((Foundation)) Warn if a function takes a `Shared_pointer<T>` by rvalue reference. Suggesting taking it by value instead.
9877 ### <a name="Rr-smartptrget"></a>R.37: Do not pass a pointer or reference obtained from an aliased smart pointer
9879 ##### Reason
9881 Violating this rule is the number one cause of losing reference counts and finding yourself with a dangling pointer.
9882 Functions should prefer to pass raw pointers and references down call chains.
9883 At the top of the call tree where you obtain the raw pointer or reference from a smart pointer that keeps the object alive.
9884 You need to be sure that the smart pointer cannot inadvertently be reset or reassigned from within the call tree below.
9886 ##### Note
9888 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.
9890 ##### Example
9892 Consider this code:
9894     // global (static or heap), or aliased local ...
9895     shared_ptr<widget> g_p = ...;
9897     void f(widget& w)
9898     {
9899         g();
9900         use(w);  // A
9901     }
9903     void g()
9904     {
9905         g_p = ...; // oops, if this was the last shared_ptr to that widget, destroys the widget
9906     }
9908 The following should not pass code review:
9910     void my_code()
9911     {
9912         // BAD: passing pointer or reference obtained from a non-local smart pointer
9913         //      that could be inadvertently reset somewhere inside f or its callees
9914         f(*g_p);
9916         // BAD: same reason, just passing it as a "this" pointer
9917         g_p->func();
9918     }
9920 The fix is simple -- take a local copy of the pointer to "keep a ref count" for your call tree:
9922     void my_code()
9923     {
9924         // cheap: 1 increment covers this entire function and all the call trees below us
9925         auto pin = g_p;
9927         // GOOD: passing pointer or reference obtained from a local unaliased smart pointer
9928         f(*pin);
9930         // GOOD: same reason
9931         pin->func();
9932     }
9934 ##### Enforcement
9936 * (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.
9938 # <a name="S-expr"></a>ES: Expressions and statements
9940 Expressions and statements are the lowest and most direct way of expressing actions and computation. Declarations in local scopes are statements.
9942 For naming, commenting, and indentation rules, see [NL: Naming and layout](#S-naming).
9944 General rules:
9946 * [ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"](#Res-lib)
9947 * [ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features](#Res-abstr)
9948 * [ES.3: Don't repeat yourself, avoid redundant code](#Res-DRY)
9950 Declaration rules:
9952 * [ES.5: Keep scopes small](#Res-scope)
9953 * [ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope](#Res-cond)
9954 * [ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and non-local names longer](#Res-name-length)
9955 * [ES.8: Avoid similar-looking names](#Res-name-similar)
9956 * [ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names](#Res-not-CAPS)
9957 * [ES.10: Declare one name (only) per declaration](#Res-name-one)
9958 * [ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names](#Res-auto)
9959 * [ES.12: Do not reuse names in nested scopes](#Res-reuse)
9960 * [ES.20: Always initialize an object](#Res-always)
9961 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
9962 * [ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with](#Res-init)
9963 * [ES.23: Prefer the `{}`-initializer syntax](#Res-list)
9964 * [ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers](#Res-unique)
9965 * [ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on](#Res-const)
9966 * [ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
9967 * [ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack](#Res-stack)
9968 * [ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables](#Res-lambda-init)
9969 * [ES.30: Don't use macros for program text manipulation](#Res-macros)
9970 * [ES.31: Don't use macros for constants or "functions"](#Res-macros2)
9971 * [ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names](#Res-ALL_CAPS)
9972 * [ES.33: If you must use macros, give them unique names](#Res-MACROS)
9973 * [ES.34: Don't define a (C-style) variadic function](#Res-ellipses)
9975 Expression rules:
9977 * [ES.40: Avoid complicated expressions](#Res-complicated)
9978 * [ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize](#Res-parens)
9979 * [ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward](#Res-ptr)
9980 * [ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation](#Res-order)
9981 * [ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments](#Res-order-fct)
9982 * [ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants](#Res-magic)
9983 * [ES.46: Avoid narrowing conversions](#Res-narrowing)
9984 * [ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`](#Res-nullptr)
9985 * [ES.48: Avoid casts](#Res-casts)
9986 * [ES.49: If you must use a cast, use a named cast](#Res-casts-named)
9987 * [ES.50: Don't cast away `const`](#Res-casts-const)
9988 * [ES.55: Avoid the need for range checking](#Res-range-checking)
9989 * [ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope](#Res-move)
9990 * [ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions](#Res-new)
9991 * [ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`](#Res-del)
9992 * [ES.62: Don't compare pointers into different arrays](#Res-arr2)
9993 * [ES.63: Don't slice](#Res-slice)
9994 * [ES.64: Use the `T{e}`notation for construction](#Res-construct)
9995 * [ES.65: Don't dereference an invalid pointer](#Res-deref)
9997 Statement rules:
9999 * [ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice](#Res-switch-if)
10000 * [ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice](#Res-for-range)
10001 * [ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable](#Res-for-while)
10002 * [ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable](#Res-while-for)
10003 * [ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement](#Res-for-init)
10004 * [ES.75: Avoid `do`-statements](#Res-do)
10005 * [ES.76: Avoid `goto`](#Res-goto)
10006 * [ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops](#Res-continue)
10007 * [ES.78: Don't rely on implicit fallthrough in `switch` statements](#Res-break)
10008 * [ES.79: Use `default` to handle common cases (only)](#Res-default)
10009 * [ES.84: Don't try to declare a local variable with no name](#Res-noname)
10010 * [ES.85: Make empty statements visible](#Res-empty)
10011 * [ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops](#Res-loop-counter)
10012 * [ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions](#Res-if)
10014 Arithmetic rules:
10016 * [ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic](#Res-mix)
10017 * [ES.101: Use unsigned types for bit manipulation](#Res-unsigned)
10018 * [ES.102: Use signed types for arithmetic](#Res-signed)
10019 * [ES.103: Don't overflow](#Res-overflow)
10020 * [ES.104: Don't underflow](#Res-underflow)
10021 * [ES.105: Don't divide by integer zero](#Res-zero)
10022 * [ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`](#Res-nonnegative)
10023 * [ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`](#Res-subscripts)
10025 ### <a name="Res-lib"></a>ES.1: Prefer the standard library to other libraries and to "handcrafted code"
10027 ##### Reason
10029 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.
10030 The ISO C++ Standard Library is among the most widely known and best tested libraries.
10031 It is available as part of all C++ implementations.
10033 ##### Example
10035     auto sum = accumulate(begin(a), end(a), 0.0);   // good
10037 a range version of `accumulate` would be even better:
10039     auto sum = accumulate(v, 0.0); // better
10041 but don't hand-code a well-known algorithm:
10043     int max = v.size();   // bad: verbose, purpose unstated
10044     double sum = 0.0;
10045     for (int i = 0; i < max; ++i)
10046         sum = sum + v[i];
10048 ##### Exception
10050 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.
10052 ##### Enforcement
10054 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
10056 ### <a name="Res-abstr"></a>ES.2: Prefer suitable abstractions to direct use of language features
10058 ##### Reason
10060 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.
10062 ##### Example
10064     vector<string> read1(istream& is)   // good
10065     {
10066         vector<string> res;
10067         for (string s; is >> s;)
10068             res.push_back(s);
10069         return res;
10070     }
10072 The more traditional and lower-level near-equivalent is longer, messier, harder to get right, and most likely slower:
10074     char** read2(istream& is, int maxelem, int maxstring, int* nread)   // bad: verbose and incomplete
10075     {
10076         auto res = new char*[maxelem];
10077         int elemcount = 0;
10078         while (is && elemcount < maxelem) {
10079             auto s = new char[maxstring];
10080             is.read(s, maxstring);
10081             res[elemcount++] = s;
10082         }
10083         nread = &elemcount;
10084         return res;
10085     }
10087 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.
10089 ##### Enforcement
10091 Not easy. ??? Look for messy loops, nested loops, long functions, absence of function calls, lack of use of non-built-in types. Cyclomatic complexity?
10093 ### <a name="Res-DRY"></a>ES.3: Don't repeat yourself, avoid redundant code
10095 Duplicated or otherwise redundant code obscures intent, makes it harder to understand the logic, and makes maintenance harder, among other problems. It often arises from cut-and-paste programming.
10097 Use standard algorithms where appropriate, instead of writing some own implementation.
10099 **See also**: [SL.1](#Rsl-lib), [ES.11](#Res-auto)
10101 ##### Example
10103     void func(bool flag)    // Bad, duplicated code.
10104     {
10105         if (flag) {
10106             x();
10107             y();
10108         }
10109         else {
10110             x();
10111             z();
10112         }
10113     }
10115     void func(bool flag)    // Better, no duplicated code.
10116     {
10117         x();
10119         if (flag)
10120             y();
10121         else
10122             z();
10123     }
10126 ##### Enforcement
10128 * Use a static analyzer. It will catch at least some redundant constructs.
10129 * Code review
10131 ## ES.dcl: Declarations
10133 A declaration is a statement. A declaration introduces a name into a scope and might cause the construction of a named object.
10135 ### <a name="Res-scope"></a>ES.5: Keep scopes small
10137 ##### Reason
10139 Readability. Minimize resource retention. Avoid accidental misuse of value.
10141 **Alternative formulation**: Don't declare a name in an unnecessarily large scope.
10143 ##### Example
10145     void use()
10146     {
10147         int i;    // bad: i is needlessly accessible after loop
10148         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
10149         // no intended use of i here
10150         for (int i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }  // good: i is local to for-loop
10152         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {  // good: pc is local to if-statement
10153             // ... deal with Circle ...
10154         }
10155         else {
10156             // ... handle error ...
10157         }
10158     }
10160 ##### Example, bad
10162     void use(const string& name)
10163     {
10164         string fn = name + ".txt";
10165         ifstream is {fn};
10166         Record r;
10167         is >> r;
10168         // ... 200 lines of code without intended use of fn or is ...
10169     }
10171 This function is by most measures too long anyway, but the point is that the resources used by `fn` and the file handle held by `is`
10172 are retained for much longer than needed and that unanticipated use of `is` and `fn` could happen later in the function.
10173 In this case, it might be a good idea to factor out the read:
10175     Record load_record(const string& name)
10176     {
10177         string fn = name + ".txt";
10178         ifstream is {fn};
10179         Record r;
10180         is >> r;
10181         return r;
10182     }
10184     void use(const string& name)
10185     {
10186         Record r = load_record(name);
10187         // ... 200 lines of code ...
10188     }
10190 ##### Enforcement
10192 * Flag loop variable declared outside a loop and not used after the loop
10193 * Flag when expensive resources, such as file handles and locks are not used for N-lines (for some suitable N)
10195 ### <a name="Res-cond"></a>ES.6: Declare names in for-statement initializers and conditions to limit scope
10197 ##### Reason
10199 Readability. Minimize resource retention.
10201 ##### Example
10203     void use()
10204     {
10205         for (string s; cin >> s;)
10206             v.push_back(s);
10208         for (int i = 0; i < 20; ++i) {   // good: i is local to for-loop
10209             // ...
10210         }
10212         if (auto pc = dynamic_cast<Circle*>(ps)) {   // good: pc is local to if-statement
10213             // ... deal with Circle ...
10214         }
10215         else {
10216             // ... handle error ...
10217         }
10218     }
10220 ##### Enforcement
10222 * Flag loop variables declared before the loop and not used after the loop
10223 * (hard) Flag loop variables declared before the loop and used after the loop for an unrelated purpose.
10225 ##### C++17 and C++20 example
10227 Note: C++17 and C++20 also add `if`, `switch`, and range-`for` initializer statements. These require C++17 and C++20 support.
10229     map<int, string> mymap;
10231     if (auto result = mymap.insert(value); result.second) {
10232         // insert succeeded, and result is valid for this block
10233         use(result.first);  // ok
10234         // ...
10235     } // result is destroyed here
10237 ##### C++17 and C++20 enforcement (if using a C++17 or C++20 compiler)
10239 * Flag selection/loop variables declared before the body and not used after the body
10240 * (hard) Flag selection/loop variables declared before the body and used after the body for an unrelated purpose.
10244 ### <a name="Res-name-length"></a>ES.7: Keep common and local names short, and keep uncommon and non-local names longer
10246 ##### Reason
10248 Readability. Lowering the chance of clashes between unrelated non-local names.
10250 ##### Example
10252 Conventional short, local names increase readability:
10254     template<typename T>    // good
10255     void print(ostream& os, const vector<T>& v)
10256     {
10257         for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)
10258             os << v[i] << '\n';
10259     }
10261 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
10263     template<typename Element_type>   // bad: verbose, hard to read
10264     void print(ostream& target_stream, const vector<Element_type>& current_vector)
10265     {
10266         for (gsl::index current_element_index = 0;
10267              current_element_index < current_vector.size();
10268              ++current_element_index
10269         )
10270         target_stream << current_vector[current_element_index] << '\n';
10271     }
10273 Yes, it is a caricature, but we have seen worse.
10275 ##### Example
10277 Unconventional and short non-local names obscure code:
10279     void use1(const string& s)
10280     {
10281         // ...
10282         tt(s);   // bad: what is tt()?
10283         // ...
10284     }
10286 Better, give non-local entities readable names:
10288     void use1(const string& s)
10289     {
10290         // ...
10291         trim_tail(s);   // better
10292         // ...
10293     }
10295 Here, there is a chance that the reader knows what `trim_tail` means and that the reader can remember it after looking it up.
10297 ##### Example, bad
10299 Argument names of large functions are de facto non-local and should be meaningful:
10301     void complicated_algorithm(vector<Record>& vr, const vector<int>& vi, map<string, int>& out)
10302     // read from events in vr (marking used Records) for the indices in
10303     // vi placing (name, index) pairs into out
10304     {
10305         // ... 500 lines of code using vr, vi, and out ...
10306     }
10308 We recommend keeping functions short, but that rule isn't universally adhered to and naming should reflect that.
10310 ##### Enforcement
10312 Check length of local and non-local names. Also take function length into account.
10314 ### <a name="Res-name-similar"></a>ES.8: Avoid similar-looking names
10316 ##### Reason
10318 Code clarity and readability. Too-similar names slow down comprehension and increase the likelihood of error.
10320 ##### Example, bad
10322     if (readable(i1 + l1 + ol + o1 + o0 + ol + o1 + I0 + l0)) surprise();
10324 ##### Example, bad
10326 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.
10328     struct foo { int n; };
10329     struct foo foo();       // BAD, foo is a type already in scope
10330     struct foo x = foo();   // requires disambiguation
10332 ##### Exception
10334 Antique header files might declare non-types and types with the same name in the same scope.
10336 ##### Enforcement
10338 * Check names against a list of known confusing letter and digit combinations.
10339 * Flag a declaration of a variable, function, or enumerator that hides a class or enumeration declared in the same scope.
10341 ### <a name="Res-not-CAPS"></a>ES.9: Avoid `ALL_CAPS` names
10343 ##### Reason
10345 Such names are commonly used for macros. Thus, `ALL_CAPS` name are vulnerable to unintended macro substitution.
10347 ##### Example
10349     // somewhere in some header:
10350     #define NE !=
10352     // somewhere else in some other header:
10353     enum Coord { N, NE, NW, S, SE, SW, E, W };
10355     // somewhere third in some poor programmer's .cpp:
10356     switch (direction) {
10357     case N:
10358         // ...
10359     case NE:
10360         // ...
10361     // ...
10362     }
10364 ##### Note
10366 Do not use `ALL_CAPS` for constants just because constants used to be macros.
10368 ##### Enforcement
10370 Flag all uses of ALL CAPS. For older code, accept ALL CAPS for macro names and flag all non-ALL-CAPS macro names.
10372 ### <a name="Res-name-one"></a>ES.10: Declare one name (only) per declaration
10374 ##### Reason
10376 One declaration per line increases readability and avoids mistakes related to
10377 the C/C++ grammar. It also leaves room for a more descriptive end-of-line
10378 comment.
10380 ##### Example, bad
10382     char *p, c, a[7], *pp[7], **aa[10];   // yuck!
10384 ##### Exception
10386 A function declaration can contain several function argument declarations.
10388 ##### Exception
10390 A structured binding (C++17) is specifically designed to introduce several variables:
10392     auto [iter, inserted] = m.insert_or_assign(k, val);
10393     if (inserted) { /* new entry was inserted */ }
10395 ##### Example
10397     template<class InputIterator, class Predicate>
10398     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10400 or better using concepts:
10402     bool any_of(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred);
10404 ##### Example
10406     double scalbn(double x, int n);   // OK: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10410     double scalbn(    // better: x * pow(FLT_RADIX, n); FLT_RADIX is usually 2
10411         double x,     // base value
10412         int n         // exponent
10413     );
10417     // better: base * pow(FLT_RADIX, exponent); FLT_RADIX is usually 2
10418     double scalbn(double base, int exponent);
10420 ##### Example
10422     int a = 10, b = 11, c = 12, d, e = 14, f = 15;
10424 In a long list of declarators it is easy to overlook an uninitialized variable.
10426 ##### Enforcement
10428 Flag variable and constant declarations with multiple declarators (e.g., `int* p, q;`)
10430 ### <a name="Res-auto"></a>ES.11: Use `auto` to avoid redundant repetition of type names
10432 ##### Reason
10434 * Simple repetition is tedious and error-prone.
10435 * When you use `auto`, the name of the declared entity is in a fixed position in the declaration, increasing readability.
10436 * In a function template declaration the return type can be a member type.
10438 ##### Example
10440 Consider:
10442     auto p = v.begin();   // vector<int>::iterator
10443     auto h = t.future();
10444     auto q = make_unique<int[]>(s);
10445     auto f = [](int x) { return x + 10; };
10447 In each case, we save writing a longish, hard-to-remember type that the compiler already knows but a programmer could get wrong.
10449 ##### Example
10451     template<class T>
10452     auto Container<T>::first() -> Iterator;   // Container<T>::Iterator
10454 ##### Exception
10456 Avoid `auto` for initializer lists and in cases where you know exactly which type you want and where an initializer might require conversion.
10458 ##### Example
10460     auto lst = { 1, 2, 3 };   // lst is an initializer list
10461     auto x{1};   // x is an int (in C++17; initializer_list in C++11)
10463 ##### Note
10465 When concepts become available, we can (and should) be more specific about the type we are deducing:
10467     // ...
10468     ForwardIterator p = algo(x, y, z);
10470 ##### Example (C++17)
10472     auto [ quotient, remainder ] = div(123456, 73);   // break out the members of the div_t result
10474 ##### Enforcement
10476 Flag redundant repetition of type names in a declaration.
10478 ### <a name="Res-reuse"></a>ES.12: Do not reuse names in nested scopes
10480 ##### Reason
10482 It is easy to get confused about which variable is used.
10483 Can cause maintenance problems.
10485 ##### Example, bad
10487     int d = 0;
10488     // ...
10489     if (cond) {
10490         // ...
10491         d = 9;
10492         // ...
10493     }
10494     else {
10495         // ...
10496         int d = 7;
10497         // ...
10498         d = value_to_be_returned;
10499         // ...
10500     }
10502     return d;
10504 If this is a large `if`-statement, it is easy to overlook that a new `d` has been introduced in the inner scope.
10505 This is a known source of bugs.
10506 Sometimes such reuse of a name in an inner scope is called "shadowing".
10508 ##### Note
10510 Shadowing is primarily a problem when functions are too large and too complex.
10512 ##### Example
10514 Shadowing of function arguments in the outermost block is disallowed by the language:
10516     void f(int x)
10517     {
10518         int x = 4;  // error: reuse of function argument name
10520         if (x) {
10521             int x = 7;  // allowed, but bad
10522             // ...
10523         }
10524     }
10526 ##### Example, bad
10528 Reuse of a member name as a local variable can also be a problem:
10530     struct S {
10531         int m;
10532         void f(int x);
10533     };
10535     void S::f(int x)
10536     {
10537         m = 7;    // assign to member
10538         if (x) {
10539             int m = 9;
10540             // ...
10541             m = 99; // assign to local variable
10542             // ...
10543         }
10544     }
10546 ##### Exception
10548 We often reuse function names from a base class in a derived class:
10550     struct B {
10551         void f(int);
10552     };
10554     struct D : B {
10555         void f(double);
10556         using B::f;
10557     };
10559 This is error-prone.
10560 For example, had we forgotten the using declaration, a call `d.f(1)` would not have found the `int` version of `f`.
10562 ??? Do we need a specific rule about shadowing/hiding in class hierarchies?
10564 ##### Enforcement
10566 * Flag reuse of a name in nested local scopes
10567 * Flag reuse of a member name as a local variable in a member function
10568 * Flag reuse of a global name as a local variable or a member name
10569 * Flag reuse of a base class member name in a derived class (except for function names)
10571 ### <a name="Res-always"></a>ES.20: Always initialize an object
10573 ##### Reason
10575 Avoid used-before-set errors and their associated undefined behavior.
10576 Avoid problems with comprehension of complex initialization.
10577 Simplify refactoring.
10579 ##### Example
10581     void use(int arg)
10582     {
10583         int i;   // bad: uninitialized variable
10584         // ...
10585         i = 7;   // initialize i
10586     }
10588 No, `i = 7` does not initialize `i`; it assigns to it. Also, `i` can be read in the `...` part. Better:
10590     void use(int arg)   // OK
10591     {
10592         int i = 7;   // OK: initialized
10593         string s;    // OK: default initialized
10594         // ...
10595     }
10597 ##### Note
10599 The *always initialize* rule is deliberately stronger than the *an object must be set before used* language rule.
10600 The latter, more relaxed rule, catches the technical bugs, but:
10602 * It leads to less readable code
10603 * It encourages people to declare names in greater than necessary scopes
10604 * It leads to harder to read code
10605 * It leads to logic bugs by encouraging complex code
10606 * It hampers refactoring
10608 The *always initialize* rule is a style rule aimed to improve maintainability as well as a rule protecting against used-before-set errors.
10610 ##### Example
10612 Here is an example that is often considered to demonstrate the need for a more relaxed rule for initialization
10614     widget i;    // "widget" a type that's expensive to initialize, possibly a large POD
10615     widget j;
10617     if (cond) {  // bad: i and j are initialized "late"
10618         i = f1();
10619         j = f2();
10620     }
10621     else {
10622         i = f3();
10623         j = f4();
10624     }
10626 This cannot trivially be rewritten to initialize `i` and `j` with initializers.
10627 Note that for types with a default constructor, attempting to postpone initialization simply leads to a default initialization followed by an assignment.
10628 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.
10630 Assuming that there is a logical connection between `i` and `j`, that connection should probably be expressed in code:
10632     pair<widget, widget> make_related_widgets(bool x)
10633     {
10634         return (x) ? {f1(), f2()} : {f3(), f4()};
10635     }
10637     auto [i, j] = make_related_widgets(cond);    // C++17
10639 If the `make_related_widgets` function is otherwise redundant,
10640 we can eliminate it by using a lambda [ES.28](#Res-lambda-init):
10642     auto [i, j] = [x] { return (x) ? pair{f1(), f2()} : pair{f3(), f4()} }();    // C++17
10644 Using a value representing "uninitialized" is a symptom of a problem and not a solution:
10646     widget i = uninit;  // bad
10647     widget j = uninit;
10649     // ...
10650     use(i);         // possibly used before set
10651     // ...
10653     if (cond) {     // bad: i and j are initialized "late"
10654         i = f1();
10655         j = f2();
10656     }
10657     else {
10658         i = f3();
10659         j = f4();
10660     }
10662 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?
10664 ##### Note
10666 Complex initialization has been popular with clever programmers for decades.
10667 It has also been a major source of errors and complexity.
10668 Many such errors are introduced during maintenance years after the initial implementation.
10670 ##### Example
10672 This rule covers member variables.
10674     class X {
10675     public:
10676         X(int i, int ci) : m2{i}, cm2{ci} {}
10677         // ...
10679     private:
10680         int m1 = 7;
10681         int m2;
10682         int m3;
10684         const int cm1 = 7;
10685         const int cm2;
10686         const int cm3;
10687     };
10689 The compiler will flag the uninitialized `cm3` because it is a `const`, but it will not catch the lack of initialization of `m3`.
10690 Usually, a rare spurious member initialization is worth the absence of errors from lack of initialization and often an optimizer
10691 can eliminate a redundant initialization (e.g., an initialization that occurs immediately before an assignment).
10693 ##### Exception
10695 If you are declaring an object that is just about to be initialized from input, initializing it would cause a double initialization.
10696 However, beware that this might leave uninitialized data beyond the input -- and that has been a fertile source of errors and security breaches:
10698     constexpr int max = 8 * 1024;
10699     int buf[max];         // OK, but suspicious: uninitialized
10700     f.read(buf, max);
10702 The cost of initializing that array could be significant in some situations.
10703 However, such examples do tend to leave uninitialized variables accessible, so they should be treated with suspicion.
10705     constexpr int max = 8 * 1024;
10706     int buf[max] = {};   // zero all elements; better in some situations
10707     f.read(buf, max);
10709 Because of the restrictive initialization rules for arrays and `std::array`, they offer the most compelling examples of the need for this exception.
10711 When feasible use a library function that is known not to overflow. For example:
10713     string s;   // s is default initialized to ""
10714     cin >> s;   // s expands to hold the string
10716 Don't consider simple variables that are targets for input operations exceptions to this rule:
10718     int i;   // bad
10719     // ...
10720     cin >> i;
10722 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.
10724     int i2 = 0;   // better, assuming that zero is an acceptable value for i2
10725     // ...
10726     cin >> i2;
10728 A good optimizer should know about input operations and eliminate the redundant operation.
10731 ##### Note
10733 Sometimes, a lambda can be used as an initializer to avoid an uninitialized variable:
10735     error_code ec;
10736     Value v = [&] {
10737         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10738         ec = p.first;
10739         return p.second;
10740     }();
10742 or maybe:
10744     Value v = [] {
10745         auto p = get_value();   // get_value() returns a pair<error_code, Value>
10746         if (p.first) throw Bad_value{p.first};
10747         return p.second;
10748     }();
10750 **See also**: [ES.28](#Res-lambda-init)
10752 ##### Enforcement
10754 * Flag every uninitialized variable.
10755   Don't flag variables of user-defined types with default constructors.
10756 * Check that an uninitialized buffer is written into *immediately* after declaration.
10757   Passing an uninitialized variable as a reference to non-`const` argument can be assumed to be a write into the variable.
10759 ### <a name="Res-introduce"></a>ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it
10761 ##### Reason
10763 Readability. To limit the scope in which the variable can be used.
10765 ##### Example
10767     int x = 7;
10768     // ... no use of x here ...
10769     ++x;
10771 ##### Enforcement
10773 Flag declarations that are distant from their first use.
10775 ### <a name="Res-init"></a>ES.22: Don't declare a variable until you have a value to initialize it with
10777 ##### Reason
10779 Readability. Limit the scope in which a variable can be used. Don't risk used-before-set. Initialization is often more efficient than assignment.
10781 ##### Example, bad
10783     string s;
10784     // ... no use of s here ...
10785     s = "what a waste";
10787 ##### Example, bad
10789     SomeLargeType var;  // Hard-to-read CaMeLcAsEvArIaBlE
10791     if (cond)   // some non-trivial condition
10792         Set(&var);
10793     else if (cond2 || !cond3) {
10794         var = Set2(3.14);
10795     }
10796     else {
10797         var = 0;
10798         for (auto& e : something)
10799             var += e;
10800     }
10802     // use var; that this isn't done too early can be enforced statically with only control flow
10804 This would be fine if there was a default initialization for `SomeLargeType` that wasn't too expensive.
10805 Otherwise, a programmer might very well wonder if every possible path through the maze of conditions has been covered.
10806 If not, we have a "use before set" bug. This is a maintenance trap.
10808 For initializers of moderate complexity, including for `const` variables, consider using a lambda to express the initializer; see [ES.28](#Res-lambda-init).
10810 ##### Enforcement
10812 * Flag declarations with default initialization that are assigned to before they are first read.
10813 * Flag any complicated computation after an uninitialized variable and before its use.
10815 ### <a name="Res-list"></a>ES.23: Prefer the `{}`-initializer syntax
10817 ##### Reason
10819 Prefer `{}`. The rules for `{}` initialization are simpler, more general, less ambiguous, and safer than for other forms of initialization.
10821 Use `=` only when you are sure that there can be no narrowing conversions. For built-in arithmetic types, use `=` only with `auto`.
10823 Avoid `()` initialization, which allows parsing ambiguities.
10825 ##### Example
10827     int x {f(99)};
10828     int y = x;
10829     vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
10831 ##### Exception
10833 For containers, there is a tradition for using `{...}` for a list of elements and `(...)` for sizes:
10835     vector<int> v1(10);    // vector of 10 elements with the default value 0
10836     vector<int> v2{10};    // vector of 1 element with the value 10
10838     vector<int> v3(1, 2);  // vector of 1 element with the value 2
10839     vector<int> v4{1, 2};  // vector of 2 element with the values 1 and 2
10841 ##### Note
10843 `{}`-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).
10845 ##### Example
10847     int x {7.9};   // error: narrowing
10848     int y = 7.9;   // OK: y becomes 7. Hope for a compiler warning
10849     int z = gsl::narrow_cast<int>(7.9);  // OK: you asked for it
10851 ##### Note
10853 `{}` initialization can be used for nearly all initialization; other forms of initialization can't:
10855     auto p = new vector<int> {1, 2, 3, 4, 5};   // initialized vector
10856     D::D(int a, int b) :m{a, b} {   // member initializer (e.g., m might be a pair)
10857         // ...
10858     };
10859     X var {};   // initialize var to be empty
10860     struct S {
10861         int m {7};   // default initializer for a member
10862         // ...
10863     };
10865 For that reason, `{}`-initialization is often called "uniform initialization"
10866 (though there unfortunately are a few irregularities left).
10868 ##### Note
10870 Initialization of a variable declared using `auto` with a single value, e.g., `{v}`, had surprising results until C++17.
10871 The C++17 rules are somewhat less surprising:
10873     auto x1 {7};        // x1 is an int with the value 7
10874     auto x2 = {7};      // x2 is an initializer_list<int> with an element 7
10876     auto x11 {7, 8};    // error: two initializers
10877     auto x22 = {7, 8};  // x22 is an initializer_list<int> with elements 7 and 8
10879 Use `={...}` if you really want an `initializer_list<T>`
10881     auto fib10 = {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55};   // fib10 is a list
10883 ##### Note
10885 `={}` gives copy initialization whereas `{}` gives direct initialization.
10886 Like the distinction between copy-initialization and direct-initialization itself, this can lead to surprises.
10887 `{}` accepts `explicit` constructors; `={}` does not. For example:
10889     struct Z { explicit Z() {} };
10891     Z z1{};     // OK: direct initialization, so we use explicit constructor
10892     Z z2 = {};  // error: copy initialization, so we cannot use the explicit constructor
10894 Use plain `{}`-initialization unless you specifically want to disable explicit constructors.
10896 ##### Example
10898     template<typename T>
10899     void f()
10900     {
10901         T x1(1);    // T initialized with 1
10902         T x0();     // bad: function declaration (often a mistake)
10904         T y1 {1};   // T initialized with 1
10905         T y0 {};    // default initialized T
10906         // ...
10907     }
10909 **See also**: [Discussion](#???)
10911 ##### Enforcement
10913 * Flag uses of `=` to initialize arithmetic types where narrowing occurs.
10914 * Flag uses of `()` initialization syntax that are actually declarations. (Many compilers should warn on this already.)
10916 ### <a name="Res-unique"></a>ES.24: Use a `unique_ptr<T>` to hold pointers
10918 ##### Reason
10920 Using `std::unique_ptr` is the simplest way to avoid leaks. It is reliable, it
10921 makes the type system do much of the work to validate ownership safety, it
10922 increases readability, and it has zero or near zero run-time cost.
10924 ##### Example
10926     void use(bool leak)
10927     {
10928         auto p1 = make_unique<int>(7);   // OK
10929         int* p2 = new int{7};            // bad: might leak
10930         // ... no assignment to p2 ...
10931         if (leak) return;
10932         // ... no assignment to p2 ...
10933         vector<int> v(7);
10934         v.at(7) = 0;                    // exception thrown
10935         // ...
10936     }
10938 If `leak == true` the object pointed to by `p2` is leaked and the object pointed to by `p1` is not.
10939 The same is the case when `at()` throws.
10941 ##### Enforcement
10943 Look for raw pointers that are targets of `new`, `malloc()`, or functions that might return such pointers.
10945 ### <a name="Res-const"></a>ES.25: Declare an object `const` or `constexpr` unless you want to modify its value later on
10947 ##### Reason
10949 That way you can't change the value by mistake. That way might offer the compiler optimization opportunities.
10951 ##### Example
10953     void f(int n)
10954     {
10955         const int bufmax = 2 * n + 2;  // good: we can't change bufmax by accident
10956         int xmax = n;                  // suspicious: is xmax intended to change?
10957         // ...
10958     }
10960 ##### Enforcement
10962 Look to see if a variable is actually mutated, and flag it if
10963 not. Unfortunately, it might be impossible to detect when a non-`const` was not
10964 *intended* to vary (vs when it merely did not vary).
10966 ### <a name="Res-recycle"></a>ES.26: Don't use a variable for two unrelated purposes
10968 ##### Reason
10970 Readability and safety.
10972 ##### Example, bad
10974     void use()
10975     {
10976         int i;
10977         for (i = 0; i < 20; ++i) { /* ... */ }
10978         for (i = 0; i < 200; ++i) { /* ... */ } // bad: i recycled
10979     }
10981 ##### Note
10983 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.
10985     void write_to_file()
10986     {
10987         std::string buffer;             // to avoid reallocations on every loop iteration
10988         for (auto& o : objects) {
10989             // First part of the work.
10990             generate_first_string(buffer, o);
10991             write_to_file(buffer);
10993             // Second part of the work.
10994             generate_second_string(buffer, o);
10995             write_to_file(buffer);
10997             // etc...
10998         }
10999     }
11001 ##### Enforcement
11003 Flag recycled variables.
11005 ### <a name="Res-stack"></a>ES.27: Use `std::array` or `stack_array` for arrays on the stack
11007 ##### Reason
11009 They are readable and don't implicitly convert to pointers.
11010 They are not confused with non-standard extensions of built-in arrays.
11012 ##### Example, bad
11014     const int n = 7;
11015     int m = 9;
11017     void f()
11018     {
11019         int a1[n];
11020         int a2[m];   // error: not ISO C++
11021         // ...
11022     }
11024 ##### Note
11026 The definition of `a1` is legal C++ and has always been.
11027 There is a lot of such code.
11028 It is error-prone, though, especially when the bound is non-local.
11029 Also, it is a "popular" source of errors (buffer overflow, pointers from array decay, etc.).
11030 The definition of `a2` is C but not C++ and is considered a security risk
11032 ##### Example
11034     const int n = 7;
11035     int m = 9;
11037     void f()
11038     {
11039         array<int, n> a1;
11040         stack_array<int> a2(m);
11041         // ...
11042     }
11044 ##### Enforcement
11046 * Flag arrays with non-constant bounds (C-style VLAs)
11047 * Flag arrays with non-local constant bounds
11049 ### <a name="Res-lambda-init"></a>ES.28: Use lambdas for complex initialization, especially of `const` variables
11051 ##### Reason
11053 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.
11055 ##### Example, bad
11057     widget x;   // should be const, but:
11058     for (auto i = 2; i <= N; ++i) {          // this could be some
11059         x += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
11060     }                                        // needed to initialize x
11061     // from here, x should be const, but we can't say so in code in this style
11063 ##### Example, good
11065     const widget x = [&] {
11066         widget val;                                // assume that widget has a default constructor
11067         for (auto i = 2; i <= N; ++i) {            // this could be some
11068             val += some_obj.do_something_with(i);  // arbitrarily long code
11069         }                                          // needed to initialize x
11070         return val;
11071     }();
11073 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.
11075 ##### Enforcement
11077 Hard. At best a heuristic. Look for an uninitialized variable followed by a loop assigning to it.
11079 ### <a name="Res-macros"></a>ES.30: Don't use macros for program text manipulation
11081 ##### Reason
11083 Macros are a major source of bugs.
11084 Macros don't obey the usual scope and type rules.
11085 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
11086 Macros complicate tool building.
11088 ##### Example, bad
11090     #define Case break; case   /* BAD */
11092 This innocuous-looking macro makes a single lower case `c` instead of a `C` into a bad flow-control bug.
11094 ##### Note
11096 This rule does not ban the use of macros for "configuration control" use in `#ifdef`s, etc.
11098 In the future, modules are likely to eliminate the need for macros in configuration control.
11100 ##### Note
11102 This rule is meant to also discourage use of `#` for stringification and `##` for concatenation.
11103 As usual for macros, there are uses that are "mostly harmless", but even these can create problems for tools,
11104 such as auto completers, static analyzers, and debuggers.
11105 Often the desire to use fancy macros is a sign of an overly complex design.
11106 Also, `#` and `##` encourages the definition and use of macros:
11108     #define CAT(a, b) a ## b
11109     #define STRINGIFY(a) #a
11111     void f(int x, int y)
11112     {
11113         string CAT(x, y) = "asdf";   // BAD: hard for tools to handle (and ugly)
11114         string sx2 = STRINGIFY(x);
11115         // ...
11116     }
11118 There are workarounds for low-level string manipulation using macros. For example:
11120     string s = "asdf" "lkjh";   // ordinary string literal concatenation
11122     enum E { a, b };
11124     template<int x>
11125     constexpr const char* stringify()
11126     {
11127         switch (x) {
11128         case a: return "a";
11129         case b: return "b";
11130         }
11131     }
11133     void f(int x, int y)
11134     {
11135         string sx = stringify<x>();
11136         // ...
11137     }
11139 This is not as convenient as a macro to define, but as easy to use, has zero overhead, and is typed and scoped.
11141 In the future, static reflection is likely to eliminate the last needs for the preprocessor for program text manipulation.
11143 ##### Enforcement
11145 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
11147 ### <a name="Res-macros2"></a>ES.31: Don't use macros for constants or "functions"
11149 ##### Reason
11151 Macros are a major source of bugs.
11152 Macros don't obey the usual scope and type rules.
11153 Macros don't obey the usual rules for argument passing.
11154 Macros ensure that the human reader sees something different from what the compiler sees.
11155 Macros complicate tool building.
11157 ##### Example, bad
11159     #define PI 3.14
11160     #define SQUARE(a, b) (a * b)
11162 Even if we hadn't left a well-known bug in `SQUARE` there are much better behaved alternatives; for example:
11164     constexpr double pi = 3.14;
11165     template<typename T> T square(T a, T b) { return a * b; }
11167 ##### Enforcement
11169 Scream when you see a macro that isn't just used for source control (e.g., `#ifdef`)
11171 ### <a name="Res-ALL_CAPS"></a>ES.32: Use `ALL_CAPS` for all macro names
11173 ##### Reason
11175 Convention. Readability. Distinguishing macros.
11177 ##### Example
11179     #define forever for (;;)   /* very BAD */
11181     #define FOREVER for (;;)   /* Still evil, but at least visible to humans */
11183 ##### Enforcement
11185 Scream when you see a lower case macro.
11187 ### <a name="Res-MACROS"></a>ES.33: If you must use macros, give them unique names
11189 ##### Reason
11191 Macros do not obey scope rules.
11193 ##### Example
11195     #define MYCHAR        /* BAD, will eventually clash with someone else's MYCHAR*/
11197     #define ZCORP_CHAR    /* Still evil, but less likely to clash */
11199 ##### Note
11201 Avoid macros if you can: [ES.30](#Res-macros), [ES.31](#Res-macros2), and [ES.32](#Res-ALL_CAPS).
11202 However, there are billions of lines of code littered with macros and a long tradition for using and overusing macros.
11203 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.
11205 ##### Enforcement
11207 Warn against short macro names.
11209 ### <a name="Res-ellipses"></a> ES.34: Don't define a (C-style) variadic function
11211 ##### Reason
11213 Not type safe.
11214 Requires messy cast-and-macro-laden code to get working right.
11216 ##### Example
11218     #include <cstdarg>
11220     // "severity" followed by a zero-terminated list of char*s; write the C-style strings to cerr
11221     void error(int severity ...)
11222     {
11223         va_list ap;             // a magic type for holding arguments
11224         va_start(ap, severity); // arg startup: "severity" is the first argument of error()
11226         for (;;) {
11227             // treat the next var as a char*; no checking: a cast in disguise
11228             char* p = va_arg(ap, char*);
11229             if (!p) break;
11230             cerr << p << ' ';
11231         }
11233         va_end(ap);             // arg cleanup (don't forget this)
11235         cerr << '\n';
11236         if (severity) exit(severity);
11237     }
11239     void use()
11240     {
11241         error(7, "this", "is", "an", "error", nullptr);
11242         error(7); // crash
11243         error(7, "this", "is", "an", "error");  // crash
11244         const char* is = "is";
11245         string an = "an";
11246         error(7, "this", "is", an, "error"); // crash
11247     }
11249 **Alternative**: Overloading. Templates. Variadic templates.
11251     #include <iostream>
11253     void error(int severity)
11254     {
11255         std::cerr << '\n';
11256         std::exit(severity);
11257     }
11259     template<typename T, typename... Ts>
11260     constexpr void error(int severity, T head, Ts... tail)
11261     {
11262         std::cerr << head;
11263         error(severity, tail...);
11264     }
11266     void use()
11267     {
11268         error(7); // No crash!
11269         error(5, "this", "is", "not", "an", "error"); // No crash!
11271         std::string an = "an";
11272         error(7, "this", "is", "not", an, "error"); // No crash!
11274         error(5, "oh", "no", nullptr); // Compile error! No need for nullptr.
11275     }
11278 ##### Note
11280 This is basically the way `printf` is implemented.
11282 ##### Enforcement
11284 * Flag definitions of C-style variadic functions.
11285 * Flag `#include <cstdarg>` and `#include <stdarg.h>`
11288 ## ES.expr: Expressions
11290 Expressions manipulate values.
11292 ### <a name="Res-complicated"></a>ES.40: Avoid complicated expressions
11294 ##### Reason
11296 Complicated expressions are error-prone.
11298 ##### Example
11300     // bad: assignment hidden in subexpression
11301     while ((c = getc()) != -1)
11303     // bad: two non-local variables assigned in sub-expressions
11304     while ((cin >> c1, cin >> c2), c1 == c2)
11306     // better, but possibly still too complicated
11307     for (char c1, c2; cin >> c1 >> c2 && c1 == c2;)
11309     // OK: if i and j are not aliased
11310     int x = ++i + ++j;
11312     // OK: if i != j and i != k
11313     v[i] = v[j] + v[k];
11315     // bad: multiple assignments "hidden" in subexpressions
11316     x = a + (b = f()) + (c = g()) * 7;
11318     // bad: relies on commonly misunderstood precedence rules
11319     x = a & b + c * d && e ^ f == 7;
11321     // bad: undefined behavior
11322     x = x++ + x++ + ++x;
11324 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.
11326 ##### Note
11328 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation
11329 (left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified; [see ES.43](#Res-order)),
11330 but that doesn't change the fact that complicated expressions are potentially confusing.
11332 ##### Note
11334 A programmer should know and use the basic rules for expressions.
11336 ##### Example
11338     x = k * y + z;             // OK
11340     auto t1 = k * y;           // bad: unnecessarily verbose
11341     x = t1 + z;
11343     if (0 <= x && x < max)   // OK
11345     auto t1 = 0 <= x;        // bad: unnecessarily verbose
11346     auto t2 = x < max;
11347     if (t1 && t2)            // ...
11349 ##### Enforcement
11351 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:
11353 * 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
11354 * writes to aliased variables
11355 * more than N operators (and what should N be?)
11356 * reliance of subtle precedence rules
11357 * uses undefined behavior (can we catch all undefined behavior?)
11358 * implementation defined behavior?
11359 * ???
11361 ### <a name="Res-parens"></a>ES.41: If in doubt about operator precedence, parenthesize
11363 ##### Reason
11365 Avoid errors. Readability. Not everyone has the operator table memorized.
11367 ##### Example
11369     const unsigned int flag = 2;
11370     unsigned int a = flag;
11372     if (a & flag != 0)  // bad: means a&(flag != 0)
11374 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.
11376     if ((a & flag) != 0)  // OK: works as intended
11378 ##### Note
11380 You should know enough not to need parentheses for:
11382     if (a < 0 || a <= max) {
11383         // ...
11384     }
11386 ##### Enforcement
11388 * Flag combinations of bitwise-logical operators and other operators.
11389 * Flag assignment operators not as the leftmost operator.
11390 * ???
11392 ### <a name="Res-ptr"></a>ES.42: Keep use of pointers simple and straightforward
11394 ##### Reason
11396 Complicated pointer manipulation is a major source of errors.
11398 ##### Note
11400 Use `gsl::span` instead.
11401 Pointers should [only refer to single objects](#Ri-array).
11402 Pointer arithmetic is fragile and easy to get wrong, the source of many, many bad bugs and security violations.
11403 `span` is a bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11404 Access into an array with known bounds using a constant as a subscript can be validated by the compiler.
11406 ##### Example, bad
11408     void f(int* p, int count)
11409     {
11410         if (count < 2) return;
11412         int* q = p + 1;    // BAD
11414         ptrdiff_t d;
11415         int n;
11416         d = (p - &n);      // OK
11417         d = (q - p);       // OK
11419         int n = *p++;      // BAD
11421         if (count < 6) return;
11423         p[4] = 1;          // BAD
11425         p[count - 1] = 2;  // BAD
11427         use(&p[0], 3);     // BAD
11428     }
11430 ##### Example, good
11432     void f(span<int> a) // BETTER: use span in the function declaration
11433     {
11434         if (a.size() < 2) return;
11436         int n = a[0];      // OK
11438         span<int> q = a.subspan(1); // OK
11440         if (a.size() < 6) return;
11442         a[4] = 1;          // OK
11444         a[a.size() - 1] = 2;  // OK
11446         use(a.data(), 3);  // OK
11447     }
11449 ##### Note
11451 Subscripting with a variable is difficult for both tools and humans to validate as safe.
11452 `span` is a run-time bounds-checked, safe type for accessing arrays of data.
11453 `at()` is another alternative that ensures single accesses are bounds-checked.
11454 If iterators are needed to access an array, use the iterators from a `span` constructed over the array.
11456 ##### Example, bad
11458     void f(array<int, 10> a, int pos)
11459     {
11460         a[pos / 2] = 1; // BAD
11461         a[pos - 1] = 2; // BAD
11462         a[-1] = 3;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11463         a[10] = 4;    // BAD (but easily caught by tools) -- no replacement, just don't do this
11464     }
11466 ##### Example, good
11468 Use a `span`:
11470     void f1(span<int, 10> a, int pos) // A1: Change parameter type to use span
11471     {
11472         a[pos / 2] = 1; // OK
11473         a[pos - 1] = 2; // OK
11474     }
11476     void f2(array<int, 10> arr, int pos) // A2: Add local span and use that
11477     {
11478         span<int> a = {arr.data(), pos};
11479         a[pos / 2] = 1; // OK
11480         a[pos - 1] = 2; // OK
11481     }
11483 Use `at()`:
11485     void f3(array<int, 10> a, int pos) // ALTERNATIVE B: Use at() for access
11486     {
11487         at(a, pos / 2) = 1; // OK
11488         at(a, pos - 1) = 2; // OK
11489     }
11491 ##### Example, bad
11493     void f()
11494     {
11495         int arr[COUNT];
11496         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11497             arr[i] = i; // BAD, cannot use non-constant indexer
11498     }
11500 ##### Example, good
11502 Use a `span`:
11504     void f1()
11505     {
11506         int arr[COUNT];
11507         span<int> av = arr;
11508         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11509             av[i] = i;
11510     }
11512 Use a `span` and range-`for`:
11514     void f1a()
11515     {
11516          int arr[COUNT];
11517          span<int, COUNT> av = arr;
11518          int i = 0;
11519          for (auto& e : av)
11520              e = i++;
11521     }
11523 Use `at()` for access:
11525     void f2()
11526     {
11527         int arr[COUNT];
11528         for (int i = 0; i < COUNT; ++i)
11529             at(arr, i) = i;
11530     }
11532 Use a range-`for`:
11534     void f3()
11535     {
11536         int arr[COUNT];
11537         int i = 0;
11538         for (auto& e : arr)
11539              e = i++;
11540     }
11542 ##### Note
11544 Tooling can offer rewrites of array accesses that involve dynamic index expressions to use `at()` instead:
11546     static int a[10];
11548     void f(int i, int j)
11549     {
11550         a[i + j] = 12;      // BAD, could be rewritten as ...
11551         at(a, i + j) = 12;  // OK -- bounds-checked
11552     }
11554 ##### Example
11556 Turning an array into a pointer (as the language does essentially always) removes opportunities for checking, so avoid it
11558     void g(int* p);
11560     void f()
11561     {
11562         int a[5];
11563         g(a);        // BAD: are we trying to pass an array?
11564         g(&a[0]);    // OK: passing one object
11565     }
11567 If you want to pass an array, say so:
11569     void g(int* p, size_t length);  // old (dangerous) code
11571     void g1(span<int> av); // BETTER: get g() changed.
11573     void f2()
11574     {
11575         int a[5];
11576         span<int> av = a;
11578         g(av.data(), av.size());   // OK, if you have no choice
11579         g1(a);                     // OK -- no decay here, instead use implicit span ctor
11580     }
11582 ##### Enforcement
11584 * Flag any arithmetic operation on an expression of pointer type that results in a value of pointer type.
11585 * 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.
11586 * Flag any expression that would rely on implicit conversion of an array type to a pointer type.
11588 This rule is part of the [bounds-safety profile](#SS-bounds).
11591 ### <a name="Res-order"></a>ES.43: Avoid expressions with undefined order of evaluation
11593 ##### Reason
11595 You have no idea what such code does. Portability.
11596 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.
11598 ##### Note
11600 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation:
11601 left-to-right except right-to-left in assignments, and the order of evaluation of function arguments is unspecified.
11603 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.
11605 ##### Example
11607     v[i] = ++i;   //  the result is undefined
11609 A good rule of thumb is that you should not read a value twice in an expression where you write to it.
11611 ##### Enforcement
11613 Can be detected by a good analyzer.
11615 ### <a name="Res-order-fct"></a>ES.44: Don't depend on order of evaluation of function arguments
11617 ##### Reason
11619 Because that order is unspecified.
11621 ##### Note
11623 C++17 tightens up the rules for the order of evaluation, but the order of evaluation of function arguments is still unspecified.
11625 ##### Example
11627     int i = 0;
11628     f(++i, ++i);
11630 Before C++17, the behavior is undefined, so the behavior could be anything (e.g., `f(2, 2)`).
11631 Since C++17, this code does not have undefined behavior, but it is still not specified which argument is evaluated first. The call will be `f(1, 2)` or `f(2, 1)`, but you don't know which.
11633 ##### Example
11635 Overloaded operators can lead to order of evaluation problems:
11637     f1()->m(f2());          // m(f1(), f2())
11638     cout << f1() << f2();   // operator<<(operator<<(cout, f1()), f2())
11640 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)
11642     f1() = f2();    // undefined behavior in C++14; in C++17, f2() is evaluated before f1()
11644 ##### Enforcement
11646 Can be detected by a good analyzer.
11648 ### <a name="Res-magic"></a>ES.45: Avoid "magic constants"; use symbolic constants
11650 ##### Reason
11652 Unnamed constants embedded in expressions are easily overlooked and often hard to understand:
11654 ##### Example
11656     for (int m = 1; m <= 12; ++m)   // don't: magic constant 12
11657         cout << month[m] << '\n';
11659 No, we don't all know that there are 12 months, numbered 1..12, in a year. Better:
11661     // months are indexed 1..12
11662     constexpr int first_month = 1;
11663     constexpr int last_month = 12;
11665     for (int m = first_month; m <= last_month; ++m)   // better
11666         cout << month[m] << '\n';
11668 Better still, don't expose constants:
11670     for (auto m : month)
11671         cout << m << '\n';
11673 ##### Enforcement
11675 Flag literals in code. Give a pass to `0`, `1`, `nullptr`, `\n`, `""`, and others on a positive list.
11677 ### <a name="Res-narrowing"></a>ES.46: Avoid lossy (narrowing, truncating) arithmetic conversions
11679 ##### Reason
11681 A narrowing conversion destroys information, often unexpectedly so.
11683 ##### Example, bad
11685 A key example is basic narrowing:
11687     double d = 7.9;
11688     int i = d;    // bad: narrowing: i becomes 7
11689     i = (int) d;  // bad: we're going to claim this is still not explicit enough
11691     void f(int x, long y, double d)
11692     {
11693         char c1 = x;   // bad: narrowing
11694         char c2 = y;   // bad: narrowing
11695         char c3 = d;   // bad: narrowing
11696     }
11698 ##### Note
11700 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 legal values:
11702     i = narrow_cast<int>(d);   // OK (you asked for it): narrowing: i becomes 7
11703     i = narrow<int>(d);        // OK: throws narrowing_error
11705 We also include lossy arithmetic casts, such as from a negative floating point type to an unsigned integral type:
11707     double d = -7.9;
11708     unsigned u = 0;
11710     u = d;                          // BAD
11711     u = narrow_cast<unsigned>(d);   // OK (you asked for it): u becomes 4294967289
11712     u = narrow<unsigned>(d);        // OK: throws narrowing_error
11714 ##### Enforcement
11716 A good analyzer can detect all narrowing conversions. However, flagging all narrowing conversions will lead to a lot of false positives. Suggestions:
11718 * Flag all floating-point to integer conversions (maybe only `float`->`char` and `double`->`int`. Here be dragons! we need data).
11719 * Flag all `long`->`char` (I suspect `int`->`char` is very common. Here be dragons! we need data).
11720 * Consider narrowing conversions for function arguments especially suspect.
11722 ### <a name="Res-nullptr"></a>ES.47: Use `nullptr` rather than `0` or `NULL`
11724 ##### Reason
11726 Readability. Minimize surprises: `nullptr` cannot be confused with an
11727 `int`. `nullptr` also has a well-specified (very restrictive) type, and thus
11728 works in more scenarios where type deduction might do the wrong thing on `NULL`
11729 or `0`.
11731 ##### Example
11733 Consider:
11735     void f(int);
11736     void f(char*);
11737     f(0);         // call f(int)
11738     f(nullptr);   // call f(char*)
11740 ##### Enforcement
11742 Flag uses of `0` and `NULL` for pointers. The transformation might be helped by simple program transformation.
11744 ### <a name="Res-casts"></a>ES.48: Avoid casts
11746 ##### Reason
11748 Casts are a well-known source of errors. Make some optimizations unreliable.
11750 ##### Example, bad
11752     double d = 2;
11753     auto p = (long*)&d;
11754     auto q = (long long*)&d;
11755     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11757 What would you think this fragment prints? The result is at best implementation defined. I got
11759     2 0 4611686018427387904
11761 Adding
11763     *q = 666;
11764     cout << d << ' ' << *p << ' ' << *q << '\n';
11766 I got
11768     3.29048e-321 666 666
11770 Surprised? I'm just glad I didn't crash the program.
11772 ##### Note
11774 Programmers who write casts typically assume that they know what they are doing,
11775 or that writing a cast makes the program "easier to read".
11776 In fact, they often disable the general rules for using values.
11777 Overload resolution and template instantiation usually pick the right function if there is a right function to pick.
11778 If there is not, maybe there ought to be, rather than applying a local fix (cast).
11780 ##### Notes
11782 Casts are necessary in a systems programming language.  For example, how else
11783 would we get the address of a device register into a pointer?  However, casts
11784 are seriously overused as well as a major source of errors.
11786 If you feel the need for a lot of casts, there might be a fundamental design problem.
11788 The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast` and C-style casts.
11790 Never cast to `(void)` to ignore a `[[nodiscard]]`return value.
11791 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).
11792 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.
11794 ##### Alternatives
11796 Casts are widely (mis)used. Modern C++ has rules and constructs that eliminate the need for casts in many contexts, such as
11798 * Use templates
11799 * Use `std::variant`
11800 * Rely on the well-defined, safe, implicit conversions between pointer types
11801 * Use `std::ignore =` to ignore `[[nodiscard]]` values.
11803 ##### Enforcement
11805 * Flag all C-style casts, including to `void`.
11806 * Flag functional style casts using `Type(value)`. Use `Type{value}` instead which is not narrowing. (See [ES.64](#Res-construct).)
11807 * Flag [identity casts](#Pro-type-identitycast) between pointer types, where the source and target types are the same (#Pro-type-identitycast).
11808 * Flag an explicit pointer cast that could be [implicit](#Pro-type-implicitpointercast).
11810 ### <a name="Res-casts-named"></a>ES.49: If you must use a cast, use a named cast
11812 ##### Reason
11814 Readability. Error avoidance.
11815 Named casts are more specific than a C-style or functional cast, allowing the compiler to catch some errors.
11817 The named casts are:
11819 * `static_cast`
11820 * `const_cast`
11821 * `reinterpret_cast`
11822 * `dynamic_cast`
11823 * `std::move`         // `move(x)` is an rvalue reference to `x`
11824 * `std::forward`      // `forward<T>(x)` is an rvalue or an lvalue reference to `x` depending on `T`
11825 * `gsl::narrow_cast`  // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
11826 * `gsl::narrow`       // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` or it throws `narrowing_error`
11828 ##### Example
11830     class B { /* ... */ };
11831     class D { /* ... */ };
11833     template<typename D> D* upcast(B* pb)
11834     {
11835         D* pd0 = pb;                        // error: no implicit conversion from B* to D*
11836         D* pd1 = (D*)pb;                    // legal, but what is done?
11837         D* pd2 = static_cast<D*>(pb);       // error: D is not derived from B
11838         D* pd3 = reinterpret_cast<D*>(pb);  // OK: on your head be it!
11839         D* pd4 = dynamic_cast<D*>(pb);      // OK: return nullptr
11840         // ...
11841     }
11843 The example was synthesized from real-world bugs where `D` used to be derived from `B`, but someone refactored the hierarchy.
11844 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).
11846 ##### Note
11848 When converting between types with no information loss (e.g. from `float` to
11849 `double` or from `int32` to `int64`), brace initialization might be used instead.
11851     double d {some_float};
11852     int64_t i {some_int32};
11854 This makes it clear that the type conversion was intended and also prevents
11855 conversions between types that might result in loss of precision. (It is a
11856 compilation error to try to initialize a `float` from a `double` in this fashion,
11857 for example.)
11859 ##### Note
11861 `reinterpret_cast` can be essential, but the essential uses (e.g., turning a machine address into pointer) are not type safe:
11863     auto p = reinterpret_cast<Device_register>(0x800);  // inherently dangerous
11866 ##### Enforcement
11868 * Flag all C-style casts, including to `void`.
11869 * Flag functional style casts using `Type(value)`. Use `Type{value}` instead which is not narrowing. (See [ES.64](#Res-construct).)
11870 * The [type profile](#Pro-type-reinterpretcast) bans `reinterpret_cast`.
11871 * The [type profile](#Pro-type-arithmeticcast) warns when using `static_cast` between arithmetic types.
11873 ### <a name="Res-casts-const"></a>ES.50: Don't cast away `const`
11875 ##### Reason
11877 It makes a lie out of `const`.
11878 If the variable is actually declared `const`, modifying it results in undefined behavior.
11880 ##### Example, bad
11882     void f(const int& x)
11883     {
11884         const_cast<int&>(x) = 42;   // BAD
11885     }
11887     static int i = 0;
11888     static const int j = 0;
11890     f(i); // silent side effect
11891     f(j); // undefined behavior
11893 ##### Example
11895 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:
11897     class Bar;
11899     class Foo {
11900     public:
11901         // BAD, duplicates logic
11902         Bar& get_bar()
11903         {
11904             /* complex logic around getting a non-const reference to my_bar */
11905         }
11907         const Bar& get_bar() const
11908         {
11909             /* same complex logic around getting a const reference to my_bar */
11910         }
11911     private:
11912         Bar my_bar;
11913     };
11915 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`:
11917     class Foo {
11918     public:
11919         // not great, non-const calls const version but resorts to const_cast
11920         Bar& get_bar()
11921         {
11922             return const_cast<Bar&>(static_cast<const Foo&>(*this).get_bar());
11923         }
11924         const Bar& get_bar() const
11925         {
11926             /* the complex logic around getting a const reference to my_bar */
11927         }
11928     private:
11929         Bar my_bar;
11930     };
11932 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.
11934 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:
11936     class Foo {
11937     public:                         // good
11938               Bar& get_bar()       { return get_bar_impl(*this); }
11939         const Bar& get_bar() const { return get_bar_impl(*this); }
11940     private:
11941         Bar my_bar;
11943         template<class T>           // good, deduces whether T is const or non-const
11944         static auto& get_bar_impl(T& t)
11945             { /* the complex logic around getting a possibly-const reference to my_bar */ }
11946     };
11948 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.
11950 ##### Exception
11952 You might need to cast away `const` when calling `const`-incorrect functions.
11953 Prefer to wrap such functions in inline `const`-correct wrappers to encapsulate the cast in one place.
11955 ##### Example
11957 Sometimes, "cast away `const`" is to allow the updating of some transient information of an otherwise immutable object.
11958 Examples are caching, memoization, and precomputation.
11959 Such examples are often handled as well or better using `mutable` or an indirection than with a `const_cast`.
11961 Consider keeping previously computed results around for a costly operation:
11963     int compute(int x); // compute a value for x; assume this to be costly
11965     class Cache {   // some type implementing a cache for an int->int operation
11966     public:
11967         pair<bool, int> find(int x) const;   // is there a value for x?
11968         void set(int x, int v);             // make y the value for x
11969         // ...
11970     private:
11971         // ...
11972     };
11974     class X {
11975     public:
11976         int get_val(int x)
11977         {
11978             auto p = cache.find(x);
11979             if (p.first) return p.second;
11980             int val = compute(x);
11981             cache.set(x, val); // insert value for x
11982             return val;
11983         }
11984         // ...
11985     private:
11986         Cache cache;
11987     };
11989 Here, `get_val()` is logically constant, so we would like to make it a `const` member.
11990 To do this we still need to mutate `cache`, so people sometimes resort to a `const_cast`:
11992     class X {   // Suspicious solution based on casting
11993     public:
11994         int get_val(int x) const
11995         {
11996             auto p = cache.find(x);
11997             if (p.first) return p.second;
11998             int val = compute(x);
11999             const_cast<Cache&>(cache).set(x, val);   // ugly
12000             return val;
12001         }
12002         // ...
12003     private:
12004         Cache cache;
12005     };
12007 Fortunately, there is a better solution:
12008 State that `cache` is mutable even for a `const` object:
12010     class X {   // better solution
12011     public:
12012         int get_val(int x) const
12013         {
12014             auto p = cache.find(x);
12015             if (p.first) return p.second;
12016             int val = compute(x);
12017             cache.set(x, val);
12018             return val;
12019         }
12020         // ...
12021     private:
12022         mutable Cache cache;
12023     };
12025 An alternative solution would be to store a pointer to the `cache`:
12027     class X {   // OK, but slightly messier solution
12028     public:
12029         int get_val(int x) const
12030         {
12031             auto p = cache->find(x);
12032             if (p.first) return p.second;
12033             int val = compute(x);
12034             cache->set(x, val);
12035             return val;
12036         }
12037         // ...
12038     private:
12039         unique_ptr<Cache> cache;
12040     };
12042 That solution is the most flexible, but requires explicit construction and destruction of `*cache`
12043 (most likely in the constructor and destructor of `X`).
12045 In any variant, we must guard against data races on the `cache` in multi-threaded code, possibly using a `std::mutex`.
12047 ##### Enforcement
12049 * Flag `const_cast`s.
12050 * This rule is part of the [type-safety profile](#Pro-type-constcast) for the related Profile.
12052 ### <a name="Res-range-checking"></a>ES.55: Avoid the need for range checking
12054 ##### Reason
12056 Constructs that cannot overflow do not overflow (and usually run faster):
12058 ##### Example
12060     for (auto& x : v)      // print all elements of v
12061         cout << x << '\n';
12063     auto p = find(v, x);   // find x in v
12065 ##### Enforcement
12067 Look for explicit range checks and heuristically suggest alternatives.
12069 ### <a name="Res-move"></a>ES.56: Write `std::move()` only when you need to explicitly move an object to another scope
12071 ##### Reason
12073 We move, rather than copy, to avoid duplication and for improved performance.
12075 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).
12077 ##### Notes
12079 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.
12081 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`.
12083 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.
12085 ##### Example, bad
12087     void sink(X&& x);   // sink takes ownership of x
12089     void user()
12090     {
12091         X x;
12092         // error: cannot bind an lvalue to a rvalue reference
12093         sink(x);
12094         // OK: sink takes the contents of x, x must now be assumed to be empty
12095         sink(std::move(x));
12097         // ...
12099         // probably a mistake
12100         use(x);
12101     }
12103 Usually, a `std::move()` is used as an argument to a `&&` parameter.
12104 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.
12106     void f()
12107     {
12108         string s1 = "supercalifragilisticexpialidocious";
12110         string s2 = s1;             // ok, takes a copy
12111         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");  // ok
12113         // bad, if you want to keep using s1's value
12114         string s3 = move(s1);
12116         // bad, assert will likely fail, s1 likely changed
12117         assert(s1 == "supercalifragilisticexpialidocious");
12118     }
12120 ##### Example
12122     void sink(unique_ptr<widget> p);  // pass ownership of p to sink()
12124     void f()
12125     {
12126         auto w = make_unique<widget>();
12127         // ...
12128         sink(std::move(w));               // ok, give to sink()
12129         // ...
12130         sink(w);    // Error: unique_ptr is carefully designed so that you cannot copy it
12131     }
12133 ##### Notes
12135 `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.
12136 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.
12138 Never write `std::move()` just because you've heard "it's more efficient."
12139 In general, don't believe claims of "efficiency" without data (???).
12140 In general, don't complicate your code without reason (??).
12141 Never write `std::move()` on a const object, it is silently transformed into a copy (see Item 23 in [Meyers15](#Meyers15))
12143 ##### Example, bad
12145     vector<int> make_vector()
12146     {
12147         vector<int> result;
12148         // ... load result with data
12149         return std::move(result);       // bad; just write "return result;"
12150     }
12152 Never write `return move(local_variable);`, because the language already knows the variable is a move candidate.
12153 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.
12156 ##### Example, bad
12158     vector<int> v = std::move(make_vector());   // bad; the std::move is entirely redundant
12160 Never write `move` on a returned value such as `x = move(f());` where `f` returns by value.
12161 The language already knows that a returned value is a temporary object that can be moved from.
12163 ##### Example
12165     void mover(X&& x)
12166     {
12167         call_something(std::move(x));         // ok
12168         call_something(std::forward<X>(x));   // bad, don't std::forward an rvalue reference
12169         call_something(x);                    // suspicious, why not std::move?
12170     }
12172     template<class T>
12173     void forwarder(T&& t)
12174     {
12175         call_something(std::move(t));         // bad, don't std::move a forwarding reference
12176         call_something(std::forward<T>(t));   // ok
12177         call_something(t);                    // suspicious, why not std::forward?
12178     }
12180 ##### Enforcement
12182 * 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.
12183 * Flag functions taking an `S&&` parameter if there is no `const S&` overload to take care of lvalues.
12184 * 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.
12185 * Flag when `std::move` is applied to a forwarding reference (`T&&` where `T` is a template parameter type). Use `std::forward` instead.
12186 * 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.)
12187 * Flag when `std::forward` is applied to an rvalue reference (`X&&` where `X` is a non-template parameter type). Use `std::move` instead.
12188 * 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.)
12189 * 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.
12191 ### <a name="Res-new"></a>ES.60: Avoid `new` and `delete` outside resource management functions
12193 ##### Reason
12195 Direct resource management in application code is error-prone and tedious.
12197 ##### Note
12199 This is also known as the rule of "No naked `new`!"
12201 ##### Example, bad
12203     void f(int n)
12204     {
12205         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12206         // ...
12207         delete[] p;
12208     }
12210 There can be code in the `...` part that causes the `delete` never to happen.
12212 **See also**: [R: Resource management](#S-resource)
12214 ##### Enforcement
12216 Flag naked `new`s and naked `delete`s.
12218 ### <a name="Res-del"></a>ES.61: Delete arrays using `delete[]` and non-arrays using `delete`
12220 ##### Reason
12222 That's what the language requires and mistakes can lead to resource release errors and/or memory corruption.
12224 ##### Example, bad
12226     void f(int n)
12227     {
12228         auto p = new X[n];   // n default constructed Xs
12229         // ...
12230         delete p;   // error: just delete the object p, rather than delete the array p[]
12231     }
12233 ##### Note
12235 This example not only violates the [no naked `new` rule](#Res-new) as in the previous example, it has many more problems.
12237 ##### Enforcement
12239 * If the `new` and the `delete` are in the same scope, mistakes can be flagged.
12240 * If the `new` and the `delete` are in a constructor/destructor pair, mistakes can be flagged.
12242 ### <a name="Res-arr2"></a>ES.62: Don't compare pointers into different arrays
12244 ##### Reason
12246 The result of doing so is undefined.
12248 ##### Example, bad
12250     void f()
12251     {
12252         int a1[7];
12253         int a2[9];
12254         if (&a1[5] < &a2[7]) {}       // bad: undefined
12255         if (0 < &a1[5] - &a2[7]) {}   // bad: undefined
12256     }
12258 ##### Note
12260 This example has many more problems.
12262 ##### Enforcement
12266 ### <a name="Res-slice"></a>ES.63: Don't slice
12268 ##### Reason
12270 Slicing -- that is, copying only part of an object using assignment or initialization -- most often leads to errors because
12271 the object was meant to be considered as a whole.
12272 In the rare cases where the slicing was deliberate the code can be surprising.
12274 ##### Example
12276     class Shape { /* ... */ };
12277     class Circle : public Shape { /* ... */ Point c; int r; };
12279     Circle c {{0, 0}, 42};
12280     Shape s {c};    // copy construct only the Shape part of Circle
12281     s = c;          // or copy assign only the Shape part of Circle
12283     void assign(const Shape& src, Shape& dest)
12284     {
12285         dest = src;
12286     }
12287     Circle c2 {{1, 1}, 43};
12288     assign(c, c2);   // oops, not the whole state is transferred
12289     assert(c == c2); // if we supply copying, we should also provide comparison,
12290                      // but this will likely return false
12292 The result will be meaningless because the center and radius will not be copied from `c` into `s`.
12293 The first defense against this is to [define the base class `Shape` not to allow this](#Rc-copy-virtual).
12295 ##### Alternative
12297 If you mean to slice, define an explicit operation to do so.
12298 This saves readers from confusion.
12299 For example:
12301     class Smiley : public Circle {
12302         public:
12303         Circle copy_circle();
12304         // ...
12305     };
12307     Smiley sm { /* ... */ };
12308     Circle c1 {sm};  // ideally prevented by the definition of Circle
12309     Circle c2 {sm.copy_circle()};
12311 ##### Enforcement
12313 Warn against slicing.
12315 ### <a name="Res-construct"></a>ES.64: Use the `T{e}`notation for construction
12317 ##### Reason
12319 The `T{e}` construction syntax makes it explicit that construction is desired.
12320 The `T{e}` construction syntax doesn't allow narrowing.
12321 `T{e}` is the only safe and general expression for constructing a value of type `T` from an expression `e`.
12322 The casts notations `T(e)` and `(T)e` are neither safe nor general.
12324 ##### Example
12326 For built-in types, the construction notation protects against narrowing and reinterpretation
12328     void use(char ch, int i, double d, char* p, long long lng)
12329     {
12330         int x1 = int{ch};     // OK, but redundant
12331         int x2 = int{d};      // error: double->int narrowing; use a cast if you need to
12332         int x3 = int{p};      // error: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12333         int x4 = int{lng};    // error: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12335         int y1 = int(ch);     // OK, but redundant
12336         int y2 = int(d);      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12337         int y3 = int(p);      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12338         int y4 = int(lng);    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12340         int z1 = (int)ch;     // OK, but redundant
12341         int z2 = (int)d;      // bad: double->int narrowing; use a cast if you need to
12342         int z3 = (int)p;      // bad: pointer to->int; use a reinterpret_cast if you really need to
12343         int z4 = (int)lng;    // bad: long long->int narrowing; use a cast if you need to
12344     }
12346 The integer to/from pointer conversions are implementation defined when using the `T(e)` or `(T)e` notations, and non-portable
12347 between platforms with different integer and pointer sizes.
12349 ##### Note
12351 [Avoid casts](#Res-casts) (explicit type conversion) and if you must [prefer named casts](#Res-casts-named).
12353 ##### Note
12355 When unambiguous, the `T` can be left out of `T{e}`.
12357     complex<double> f(complex<double>);
12359     auto z = f({2*pi, 1});
12361 ##### Note
12363 The construction notation is the most general [initializer notation](#Res-list).
12365 ##### Exception
12367 `std::vector` and other containers were defined before we had `{}` as a notation for construction.
12368 Consider:
12370     vector<string> vs {10};                           // ten empty strings
12371     vector<int> vi1 {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};  // ten elements 1..10
12372     vector<int> vi2 {10};                             // one element with the value 10
12374 How do we get a `vector` of 10 default initialized `int`s?
12376     vector<int> v3(10); // ten elements with value 0
12378 The use of `()` rather than `{}` for number of elements is conventional (going back to the early 1980s), hard to change, but still
12379 a design error: for a container where the element type can be confused with the number of elements, we have an ambiguity that
12380 must be resolved.
12381 The conventional resolution is to interpret `{10}` as a list of one element and use `(10)` to distinguish a size.
12383 This mistake need not be repeated in new code.
12384 We can define a type to represent the number of elements:
12386     struct Count { int n; };
12388     template<typename T>
12389     class Vector {
12390     public:
12391         Vector(Count n);                     // n default-initialized elements
12392         Vector(initializer_list<T> init);    // init.size() elements
12393         // ...
12394     };
12396     Vector<int> v1{10};
12397     Vector<int> v2{Count{10}};
12398     Vector<Count> v3{Count{10}};    // yes, there is still a very minor problem
12400 The main problem left is to find a suitable name for `Count`.
12402 ##### Enforcement
12404 Flag the C-style `(T)e` and functional-style `T(e)` casts.
12407 ### <a name="Res-deref"></a>ES.65: Don't dereference an invalid pointer
12409 ##### Reason
12411 Dereferencing an invalid pointer, such as `nullptr`, is undefined behavior, typically leading to immediate crashes,
12412 wrong results, or memory corruption.
12414 ##### Note
12416 This rule is an obvious and well-known language rule, but can be hard to follow.
12417 It takes good coding style, library support, and static analysis to eliminate violations without major overhead.
12418 This is a major part of the discussion of [C++'s model for type- and resource-safety](#Stroustrup15).
12420 **See also**:
12422 * Use [RAII](#Rr-raii) to avoid lifetime problems.
12423 * Use [unique_ptr](#Rf-unique_ptr) to avoid lifetime problems.
12424 * Use [shared_ptr](#Rf-shared_ptr) to avoid lifetime problems.
12425 * Use [references](#Rf-ptr-ref) when `nullptr` isn't a possibility.
12426 * Use [not_null](#Rf-nullptr) to catch unexpected `nullptr` early.
12427 * Use the [bounds profile](#SS-bounds) to avoid range errors.
12430 ##### Example
12432     void f()
12433     {
12434         int x = 0;
12435         int* p = &x;
12437         if (condition()) {
12438             int y = 0;
12439             p = &y;
12440         } // invalidates p
12442         *p = 42;            // BAD, p might be invalid if the branch was taken
12443     }
12445 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).
12447     void f1()
12448     {
12449         int x = 0;
12450         int* p = &x;
12452         int y = 0;
12453         if (condition()) {
12454             p = &y;
12455         }
12457         *p = 42;            // OK, p points to x or y and both are still in scope
12458     }
12460 Unfortunately, most invalid pointer problems are harder to spot and harder to fix.
12462 ##### Example
12464     void f(int* p)
12465     {
12466         int x = *p; // BAD: how do we know that p is valid?
12467     }
12469 There is a huge amount of such code.
12470 Most works -- after lots of testing -- but in isolation it is impossible to tell whether `p` could be the `nullptr`.
12471 Consequently, this is also a major source of errors.
12472 There are many approaches to dealing with this potential problem:
12474     void f1(int* p) // deal with nullptr
12475     {
12476         if (!p) {
12477             // deal with nullptr (allocate, return, throw, make p point to something, whatever
12478         }
12479         int x = *p;
12480     }
12482 There are two potential problems with testing for `nullptr`:
12484 * it is not always obvious what to do what to do if we find `nullptr`
12485 * the test can be redundant and/or relatively expensive
12486 * it is not obvious if the test is to protect against a violation or part of the required logic.
12488 <!-- comment needed for code block after list -->
12489     void f2(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12490     {
12491         assert(p);
12492         int x = *p;
12493     }
12495 This would carry a cost only when the assertion checking was enabled and would give a compiler/analyzer useful information.
12496 This would work even better if/when C++ gets direct support for contracts:
12498     void f3(int* p) // state that p is not supposed to be nullptr
12499         [[expects: p]]
12500     {
12501         int x = *p;
12502     }
12504 Alternatively, we could use `gsl::not_null` to ensure that `p` is not the `nullptr`.
12506     void f(not_null<int*> p)
12507     {
12508         int x = *p;
12509     }
12511 These remedies take care of `nullptr` only.
12512 Remember that there are other ways of getting an invalid pointer.
12514 ##### Example
12516     void f(int* p)  // old code, doesn't use owner
12517     {
12518         delete p;
12519     }
12521     void g()        // old code: uses naked new
12522     {
12523         auto q = new int{7};
12524         f(q);
12525         int x = *q; // BAD: dereferences invalid pointer
12526     }
12528 ##### Example
12530     void f()
12531     {
12532         vector<int> v(10);
12533         int* p = &v[5];
12534         v.push_back(99); // could reallocate v's elements
12535         int x = *p; // BAD: dereferences potentially invalid pointer
12536     }
12538 ##### Enforcement
12540 This rule is part of the [lifetime safety profile](#SS-lifetime)
12542 * Flag a dereference of a pointer that points to an object that has gone out of scope
12543 * Flag a dereference of a pointer that might have been invalidated by assigning a `nullptr`
12544 * Flag a dereference of a pointer that might have been invalidated by a `delete`
12545 * Flag a dereference to a pointer to a container element that might have been invalidated by dereference
12548 ## ES.stmt: Statements
12550 Statements control the flow of control (except for function calls and exception throws, which are expressions).
12552 ### <a name="Res-switch-if"></a>ES.70: Prefer a `switch`-statement to an `if`-statement when there is a choice
12554 ##### Reason
12556 * Readability.
12557 * Efficiency: A `switch` compares against constants and is usually better optimized than a series of tests in an `if`-`then`-`else` chain.
12558 * A `switch` enables some heuristic consistency checking. For example, have all values of an `enum` been covered? If not, is there a `default`?
12560 ##### Example
12562     void use(int n)
12563     {
12564         switch (n) {   // good
12565         case 0:
12566             // ...
12567             break;
12568         case 7:
12569             // ...
12570             break;
12571         default:
12572             // ...
12573             break;
12574         }
12575     }
12577 rather than:
12579     void use2(int n)
12580     {
12581         if (n == 0)   // bad: if-then-else chain comparing against a set of constants
12582             // ...
12583         else if (n == 7)
12584             // ...
12585     }
12587 ##### Enforcement
12589 Flag `if`-`then`-`else` chains that check against constants (only).
12591 ### <a name="Res-for-range"></a>ES.71: Prefer a range-`for`-statement to a `for`-statement when there is a choice
12593 ##### Reason
12595 Readability. Error prevention. Efficiency.
12597 ##### Example
12599     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i)   // bad
12600         cout << v[i] << '\n';
12602     for (auto p = v.begin(); p != v.end(); ++p)   // bad
12603         cout << *p << '\n';
12605     for (auto& x : v)    // OK
12606         cout << x << '\n';
12608     for (gsl::index i = 1; i < v.size(); ++i) // touches two elements: can't be a range-for
12609         cout << v[i] + v[i - 1] << '\n';
12611     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) // possible side effect: can't be a range-for
12612         cout << f(v, &v[i]) << '\n';
12614     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) { // body messes with loop variable: can't be a range-for
12615         if (i % 2 != 0)
12616             cout << v[i] << '\n'; // output odd elements
12617     }
12619 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.
12621 "Messing with the loop variable" in the body of a loop is typically best avoided.
12623 ##### Note
12625 Don't use expensive copies of the loop variable of a range-`for` loop:
12627     for (string s : vs) // ...
12629 This will copy each elements of `vs` into `s`. Better:
12631     for (string& s : vs) // ...
12633 Better still, if the loop variable isn't modified or copied:
12635     for (const string& s : vs) // ...
12637 ##### Enforcement
12639 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.
12641 ### <a name="Res-for-while"></a>ES.72: Prefer a `for`-statement to a `while`-statement when there is an obvious loop variable
12643 ##### Reason
12645 Readability: the complete logic of the loop is visible "up front". The scope of the loop variable can be limited.
12647 ##### Example
12649     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i++) {
12650         // do work
12651     }
12653 ##### Example, bad
12655     int i = 0;
12656     while (i < vec.size()) {
12657         // do work
12658         i++;
12659     }
12661 ##### Enforcement
12665 ### <a name="Res-while-for"></a>ES.73: Prefer a `while`-statement to a `for`-statement when there is no obvious loop variable
12667 ##### Reason
12669 Readability.
12671 ##### Example
12673     int events = 0;
12674     for (; wait_for_event(); ++events) {  // bad, confusing
12675         // ...
12676     }
12678 The "event loop" is misleading because the `events` counter has nothing to do with the loop condition (`wait_for_event()`).
12679 Better
12681     int events = 0;
12682     while (wait_for_event()) {      // better
12683         ++events;
12684         // ...
12685     }
12687 ##### Enforcement
12689 Flag actions in `for`-initializers and `for`-increments that do not relate to the `for`-condition.
12691 ### <a name="Res-for-init"></a>ES.74: Prefer to declare a loop variable in the initializer part of a `for`-statement
12693 ##### Reason
12695 Limit the loop variable visibility to the scope of the loop.
12696 Avoid using the loop variable for other purposes after the loop.
12698 ##### Example
12700     for (int i = 0; i < 100; ++i) {   // GOOD: i var is visible only inside the loop
12701         // ...
12702     }
12704 ##### Example, don't
12706     int j;                            // BAD: j is visible outside the loop
12707     for (j = 0; j < 100; ++j) {
12708         // ...
12709     }
12710     // j is still visible here and isn't needed
12712 **See also**: [Don't use a variable for two unrelated purposes](#Res-recycle)
12714 ##### Example
12716     for (string s; cin >> s; ) {
12717         cout << s << '\n';
12718     }
12720 ##### Enforcement
12722 Warn when a variable modified inside the `for`-statement is declared outside the loop and not being used outside the loop.
12724 **Discussion**: Scoping the loop variable to the loop body also helps code optimizers greatly. Recognizing that the induction variable
12725 is only accessible in the loop body unblocks optimizations such as hoisting, strength reduction, loop-invariant code motion, etc.
12727 ### <a name="Res-do"></a>ES.75: Avoid `do`-statements
12729 ##### Reason
12731 Readability, avoidance of errors.
12732 The termination condition is at the end (where it can be overlooked) and the condition is not checked the first time through.
12734 ##### Example
12736     int x;
12737     do {
12738         cin >> x;
12739         // ...
12740     } while (x < 0);
12742 ##### Note
12744 Yes, there are genuine examples where a `do`-statement is a clear statement of a solution, but also many bugs.
12746 ##### Enforcement
12748 Flag `do`-statements.
12750 ### <a name="Res-goto"></a>ES.76: Avoid `goto`
12752 ##### Reason
12754 Readability, avoidance of errors. There are better control structures for humans; `goto` is for machine generated code.
12756 ##### Exception
12758 Breaking out of a nested loop.
12759 In that case, always jump forwards.
12761     for (int i = 0; i < imax; ++i)
12762         for (int j = 0; j < jmax; ++j) {
12763             if (a[i][j] > elem_max) goto finished;
12764             // ...
12765         }
12766     finished:
12767     // ...
12769 ##### Example, bad
12771 There is a fair amount of use of the C goto-exit idiom:
12773     void f()
12774     {
12775         // ...
12776             goto exit;
12777         // ...
12778             goto exit;
12779         // ...
12780     exit:
12781         // ... common cleanup code ...
12782     }
12784 This is an ad-hoc simulation of destructors.
12785 Declare your resources with handles with destructors that clean up.
12786 If for some reason you cannot handle all cleanup with destructors for the variables used,
12787 consider `gsl::finally()` as a cleaner and more reliable alternative to `goto exit`
12789 ##### Enforcement
12791 * 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.
12793 ### <a name="Res-continue"></a>ES.77: Minimize the use of `break` and `continue` in loops
12795 ##### Reason
12797  In a non-trivial loop body, it is easy to overlook a `break` or a `continue`.
12799  A `break` in a loop has a dramatically different meaning than a `break` in a `switch`-statement
12800  (and you can have `switch`-statement in a loop and a loop in a `switch`-case).
12802 ##### Example
12804     switch(x) {
12805     case 1 :
12806         while (/* some condition */) {
12807             //...
12808         break;
12809         } //Oops! break switch or break while intended?
12810     case 2 :
12811         //...
12812         break;
12813     }
12815 ##### Alternative
12817 Often, a loop that requires a `break` is a good candidate for a function (algorithm), in which case the `break` becomes a `return`.
12819     //Original code: break inside loop
12820     void use1()
12821     {
12822         std::vector<T> vec = {/* initialized with some values */};
12823         T value;
12824         for (const T item : vec) {
12825             if (/* some condition*/) {
12826                 value = item;
12827                 break;
12828             }
12829         }
12830         /* then do something with value */
12831     }
12832     
12833     //BETTER: create a function and return inside loop
12834     T search(const std::vector<T> &vec)
12835     {
12836         for (const T &item : vec) {
12837             if (/* some condition*/) return item;
12838         }
12839         return T(); //default value
12840     }
12841     
12842     void use2()
12843     {
12844         std::vector<T> vec = {/* initialized with some values */};
12845         T value = search(vec);
12846         /* then do something with value */
12847     }
12849 Often, a loop that uses `continue` can equivalently and as clearly be expressed by an `if`-statement.
12851     for (int item : vec) { //BAD
12852         if (item%2 == 0) continue;
12853         if (item == 5) continue;
12854         if (item > 10) continue;
12855         /* do something with item */
12856     }
12857     
12858     for (int item : vec) { //GOOD
12859         if (item%2 != 0 && item != 5 && item <= 10) {
12860             /* do something with item */
12861         }
12862     }
12864 ##### Note
12866 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):
12869 ##### Enforcement
12873 ### <a name="Res-break"></a>ES.78: Don't rely on implicit fallthrough in `switch` statements
12875 ##### Reason
12877 Always end a non-empty `case` with a `break`. Accidentally leaving out a `break` is a fairly common bug.
12878 A deliberate fallthrough can be a maintenance hazard and should be rare and explicit.
12880 ##### Example
12882     switch (eventType) {
12883     case Information:
12884         update_status_bar();
12885         break;
12886     case Warning:
12887         write_event_log();
12888         // Bad - implicit fallthrough
12889     case Error:
12890         display_error_window();
12891         break;
12892     }
12894 Multiple case labels of a single statement is OK:
12896     switch (x) {
12897     case 'a':
12898     case 'b':
12899     case 'f':
12900         do_something(x);
12901         break;
12902     }
12904 Return statements in a case label are also OK:
12905     switch (x) {
12906     case 'a':
12907         return 1;
12908     case 'b':
12909         return 2;
12910     case 'c':
12911         return 3;
12912     }
12914 ##### Exceptions
12916 In rare cases if fallthrough is deemed appropriate, be explicit and use the `[[fallthrough]]` annotation:
12918     switch (eventType) {
12919     case Information:
12920         update_status_bar();
12921         break;
12922     case Warning:
12923         write_event_log();
12924         [[fallthrough]];
12925     case Error:
12926         display_error_window();
12927         break;
12928     }
12930 ##### Note
12932 ##### Enforcement
12934 Flag all implicit fallthroughs from non-empty `case`s.
12937 ### <a name="Res-default"></a>ES.79: Use `default` to handle common cases (only)
12939 ##### Reason
12941  Code clarity.
12942  Improved opportunities for error detection.
12944 ##### Example
12946     enum E { a, b, c , d };
12948     void f1(E x)
12949     {
12950         switch (x) {
12951         case a:
12952             do_something();
12953             break;
12954         case b:
12955             do_something_else();
12956             break;
12957         default:
12958             take_the_default_action();
12959             break;
12960         }
12961     }
12963 Here it is clear that there is a default action and that cases `a` and `b` are special.
12965 ##### Example
12967 But what if there is no default action and you mean to handle only specific cases?
12968 In that case, have an empty default or else it is impossible to know if you meant to handle all cases:
12970     void f2(E x)
12971     {
12972         switch (x) {
12973         case a:
12974             do_something();
12975             break;
12976         case b:
12977             do_something_else();
12978             break;
12979         default:
12980             // do nothing for the rest of the cases
12981             break;
12982         }
12983     }
12985 If you leave out the `default`, a maintainer and/or a compiler might reasonably assume that you intended to handle all cases:
12987     void f2(E x)
12988     {
12989         switch (x) {
12990         case a:
12991             do_something();
12992             break;
12993         case b:
12994         case c:
12995             do_something_else();
12996             break;
12997         }
12998     }
13000 Did you forget case `d` or deliberately leave it out?
13001 Forgetting a case typically happens when a case is added to an enumeration and the person doing so fails to add it to every
13002 switch over the enumerators.
13004 ##### Enforcement
13006 Flag `switch`-statements over an enumeration that don't handle all enumerators and do not have a `default`.
13007 This might yield too many false positives in some code bases; if so, flag only `switch`es that handle most but not all cases
13008 (that was the strategy of the very first C++ compiler).
13010 ### <a name="Res-noname"></a>ES.84: Don't try to declare a local variable with no name
13012 ##### Reason
13014 There is no such thing.
13015 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.
13017 ##### Example, bad
13019     void f()
13020     {
13021         lock<mutex>{mx};   // Bad
13022         // ...
13023     }
13025 This declares an unnamed `lock` object that immediately goes out of scope at the point of the semicolon.
13026 This is not an uncommon mistake.
13027 In particular, this particular example can lead to hard-to find race conditions.
13029 ##### Note
13031 Unnamed function arguments are fine.
13033 ##### Enforcement
13035 Flag statements that are just a temporary.
13037 ### <a name="Res-empty"></a>ES.85: Make empty statements visible
13039 ##### Reason
13041 Readability.
13043 ##### Example
13045     for (i = 0; i < max; ++i);   // BAD: the empty statement is easily overlooked
13046     v[i] = f(v[i]);
13048     for (auto x : v) {           // better
13049         // nothing
13050     }
13051     v[i] = f(v[i]);
13053 ##### Enforcement
13055 Flag empty statements that are not blocks and don't contain comments.
13057 ### <a name="Res-loop-counter"></a>ES.86: Avoid modifying loop control variables inside the body of raw for-loops
13059 ##### Reason
13061 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.
13063 ##### Example
13065     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
13066         // no updates to i -- ok
13067     }
13069     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
13070         //
13071         if (/* something */) ++i; // BAD
13072         //
13073     }
13075     bool skip = false;
13076     for (int i = 0; i < 10; ++i) {
13077         if (skip) { skip = false; continue; }
13078         //
13079         if (/* something */) skip = true;  // Better: using two variables for two concepts.
13080         //
13081     }
13083 ##### Enforcement
13085 Flag variables that are potentially updated (have a non-`const` use) in both the loop control iteration-expression and the loop body.
13088 ### <a name="Res-if"></a>ES.87: Don't add redundant `==` or `!=` to conditions
13090 ##### Reason
13092 Doing so avoids verbosity and eliminates some opportunities for mistakes.
13093 Helps make style consistent and conventional.
13095 ##### Example
13097 By definition, a condition in an `if`-statement, `while`-statement, or a `for`-statement selects between `true` and `false`.
13098 A numeric value is compared to `0` and a pointer value to `nullptr`.
13100     // These all mean "if `p` is not `nullptr`"
13101     if (p) { ... }            // good
13102     if (p != 0) { ... }       // redundant `!=0`; bad: don't use 0 for pointers
13103     if (p != nullptr) { ... } // redundant `!=nullptr`, not recommended
13105 Often, `if (p)` is read as "if `p` is valid" which is a direct expression of the programmers intent,
13106 whereas `if (p != nullptr)` would be a long-winded workaround.
13108 ##### Example
13110 This rule is especially useful when a declaration is used as a condition
13112     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps)) { ... } // execute if ps points to a kind of Circle, good
13114     if (auto pc = dynamic_cast<Circle>(ps); pc != nullptr) { ... } // not recommended
13116 ##### Example
13118 Note that implicit conversions to bool are applied in conditions.
13119 For example:
13121     for (string s; cin >> s; ) v.push_back(s);
13123 This invokes `istream`'s `operator bool()`.
13125 ##### Note
13127 Explicit comparison of an integer to `0` is in general not redundant.
13128 The reason is that (as opposed to pointers and Booleans) an integer often has more than two reasonable values.
13129 Furthermore `0` (zero) is often used to indicate success.
13130 Consequently, it is best to be specific about the comparison.
13132     void f(int i)
13133     {
13134         if (i)            // suspect
13135         // ...
13136         if (i == success) // possibly better
13137         // ...
13138     }
13140 Always remember that an integer can have more than two values.
13142 ##### Example, bad
13144 It has been noted that
13146     if(strcmp(p1, p2)) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
13148 is a common beginners error.
13149 If you use C-style strings, you must know the `<cstring>` functions well.
13150 Being verbose and writing
13152     if(strcmp(p1, p2) != 0) { ... }   // are the two C-style strings equal? (mistake!)
13154 would not in itself save you.
13156 ##### Note
13158 The opposite condition is most easily expressed using a negation:
13160     // These all mean "if `p` is `nullptr`"
13161     if (!p) { ... }           // good
13162     if (p == 0) { ... }       // redundant `== 0`; bad: don't use `0` for pointers
13163     if (p == nullptr) { ... } // redundant `== nullptr`, not recommended
13165 ##### Enforcement
13167 Easy, just check for redundant use of `!=` and `==` in conditions.
13171 ## <a name="SS-numbers"></a>Arithmetic
13173 ### <a name="Res-mix"></a>ES.100: Don't mix signed and unsigned arithmetic
13175 ##### Reason
13177 Avoid wrong results.
13179 ##### Example
13181     int x = -3;
13182     unsigned int y = 7;
13184     cout << x - y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967286
13185     cout << x + y << '\n';  // unsigned result: 4
13186     cout << x * y << '\n';  // unsigned result, possibly 4294967275
13188 It is harder to spot the problem in more realistic examples.
13190 ##### Note
13192 Unfortunately, C++ uses signed integers for array subscripts and the standard library uses unsigned integers for container subscripts.
13193 This precludes consistency. Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
13195 ##### Enforcement
13197 * Compilers already know and sometimes warn.
13198 * (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`.
13201 ### <a name="Res-unsigned"></a>ES.101: Use unsigned types for bit manipulation
13203 ##### Reason
13205 Unsigned types support bit manipulation without surprises from sign bits.
13207 ##### Example
13209     unsigned char x = 0b1010'1010;
13210     unsigned char y = ~x;   // y == 0b0101'0101;
13212 ##### Note
13214 Unsigned types can also be useful for modulo arithmetic.
13215 However, if you want modulo arithmetic add
13216 comments as necessary noting the reliance on wraparound behavior, as such code
13217 can be surprising for many programmers.
13219 ##### Enforcement
13221 * Just about impossible in general because of the use of unsigned subscripts in the standard library
13222 * ???
13224 ### <a name="Res-signed"></a>ES.102: Use signed types for arithmetic
13226 ##### Reason
13228 Because most arithmetic is assumed to be signed;
13229 `x - y` yields a negative number when `y > x` except in the rare cases where you really want modulo arithmetic.
13231 ##### Example
13233 Unsigned arithmetic can yield surprising results if you are not expecting it.
13234 This is even more true for mixed signed and unsigned arithmetic.
13236     template<typename T, typename T2>
13237     T subtract(T x, T2 y)
13238     {
13239         return x - y;
13240     }
13242     void test()
13243     {
13244         int s = 5;
13245         unsigned int us = 5;
13246         cout << subtract(s, 7) << '\n';       // -2
13247         cout << subtract(us, 7u) << '\n';     // 4294967294
13248         cout << subtract(s, 7u) << '\n';      // -2
13249         cout << subtract(us, 7) << '\n';      // 4294967294
13250         cout << subtract(s, us + 2) << '\n';  // -2
13251         cout << subtract(us, s + 2) << '\n';  // 4294967294
13252     }
13254 Here we have been very explicit about what's happening,
13255 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`?
13257 ##### Exception
13259 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic - add
13260 comments as necessary noting the reliance on overflow behavior, as such code
13261 is going to be surprising for many programmers.
13263 ##### Example
13265 The standard library uses unsigned types for subscripts.
13266 The built-in array uses signed types for subscripts.
13267 This makes surprises (and bugs) inevitable.
13269     int a[10];
13270     for (int i = 0; i < 10; ++i) a[i] = i;
13271     vector<int> v(10);
13272     // compares signed to unsigned; some compilers warn, but we should not
13273     for (gsl::index i = 0; i < v.size(); ++i) v[i] = i;
13275     int a2[-2];         // error: negative size
13277     // OK, but the number of ints (4294967294) is so large that we should get an exception
13278     vector<int> v2(-2);
13280  Use `gsl::index` for subscripts; [see ES.107](#Res-subscripts).
13282 ##### Enforcement
13284 * Flag mixed signed and unsigned arithmetic
13285 * Flag results of unsigned arithmetic assigned to or printed as signed.
13286 * Flag negative literals (e.g. `-2`) used as container subscripts.
13287 * (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`.
13290 ### <a name="Res-overflow"></a>ES.103: Don't overflow
13292 ##### Reason
13294 Overflow usually makes your numeric algorithm meaningless.
13295 Incrementing a value beyond a maximum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13297 ##### Example, bad
13299     int a[10];
13300     a[10] = 7;   // bad, array bounds overflow
13302     for (int n = 0; n <= 10; ++n)
13303         a[n] = 9;   // bad, array bounds overflow
13305 ##### Example, bad
13307     int n = numeric_limits<int>::max();
13308     int m = n + 1;   // bad, numeric overflow
13310 ##### Example, bad
13312     int area(int h, int w) { return h * w; }
13314     auto a = area(10'000'000, 100'000'000);   // bad, numeric overflow
13316 ##### Exception
13318 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13320 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13322 ##### Enforcement
13326 ### <a name="Res-underflow"></a>ES.104: Don't underflow
13328 ##### Reason
13330 Decrementing a value beyond a minimum value can lead to memory corruption and undefined behavior.
13332 ##### Example, bad
13334     int a[10];
13335     a[-2] = 7;   // bad
13337     int n = 101;
13338     while (n--)
13339         a[n - 1] = 9;   // bad (twice)
13341 ##### Exception
13343 Use unsigned types if you really want modulo arithmetic.
13345 ##### Enforcement
13349 ### <a name="Res-zero"></a>ES.105: Don't divide by integer zero
13351 ##### Reason
13353 The result is undefined and probably a crash.
13355 ##### Note
13357 This also applies to `%`.
13359 ##### Example, bad
13361     int divide(int a, int b)
13362     {
13363         // BAD, should be checked (e.g., in a precondition)
13364         return a / b;
13365     }
13367 ##### Example, good
13369     int divide(int a, int b)
13370     {
13371         // good, address via precondition (and replace with contracts once C++ gets them)
13372         Expects(b != 0);
13373         return a / b;
13374     }
13376     double divide(double a, double b)
13377     {
13378         // good, address via using double instead
13379         return a / b;
13380     }
13382 **Alternative**: For critical applications that can afford some overhead, use a range-checked integer and/or floating-point type.
13384 ##### Enforcement
13386 * Flag division by an integral value that could be zero
13389 ### <a name="Res-nonnegative"></a>ES.106: Don't try to avoid negative values by using `unsigned`
13391 ##### Reason
13393 Choosing `unsigned` implies many changes to the usual behavior of integers, including modulo arithmetic,
13394 can suppress warnings related to overflow,
13395 and opens the door for errors related to signed/unsigned mixes.
13396 Using `unsigned` doesn't actually eliminate the possibility of negative values.
13398 ##### Example
13400     unsigned int u1 = -2;   // Valid: the value of u1 is 4294967294
13401     int i1 = -2;
13402     unsigned int u2 = i1;   // Valid: the value of u2 is 4294967294
13403     int i2 = u2;            // Valid: the value of i2 is -2
13405 These problems with such (perfectly legal) constructs are hard to spot in real code and are the source of many real-world errors.
13406 Consider:
13408     unsigned area(unsigned height, unsigned width) { return height*width; } // [see also](#Ri-expects)
13409     // ...
13410     int height;
13411     cin >> height;
13412     auto a = area(height, 2);   // if the input is -2 a becomes 4294967292
13414 Remember that `-1` when assigned to an `unsigned int` becomes the largest `unsigned int`.
13415 Also, since unsigned arithmetic is modulo arithmetic the multiplication didn't overflow, it wrapped around.
13417 ##### Example
13419     unsigned max = 100000;    // "accidental typo", I mean to say 10'000
13420     unsigned short x = 100;
13421     while (x < max) x += 100; // infinite loop
13423 Had `x` been a signed `short`, we could have warned about the undefined behavior upon overflow.
13425 ##### Alternatives
13427 * use signed integers and check for `x >= 0`
13428 * use a positive integer type
13429 * use an integer subrange type
13430 * `Assert(-1 < x)`
13432 For example
13434     struct Positive {
13435         int val;
13436         Positive(int x) :val{x} { Assert(0 < x); }
13437         operator int() { return val; }
13438     };
13440     int f(Positive arg) { return arg; }
13442     int r1 = f(2);
13443     int r2 = f(-2);  // throws
13445 ##### Note
13449 ##### Enforcement
13451 See ES.100 Enforcements.
13454 ### <a name="Res-subscripts"></a>ES.107: Don't use `unsigned` for subscripts, prefer `gsl::index`
13456 ##### Reason
13458 To avoid signed/unsigned confusion.
13459 To enable better optimization.
13460 To enable better error detection.
13461 To avoid the pitfalls with `auto` and `int`.
13463 ##### Example, bad
13465     vector<int> vec = /*...*/;
13467     for (int i = 0; i < vec.size(); i += 2)                    // might not be big enough
13468         cout << vec[i] << '\n';
13469     for (unsigned i = 0; i < vec.size(); i += 2)               // risk wraparound
13470         cout << vec[i] << '\n';
13471     for (auto i = 0; i < vec.size(); i += 2)                   // might not be big enough
13472         cout << vec[i] << '\n';
13473     for (vector<int>::size_type i = 0; i < vec.size(); i += 2) // verbose
13474         cout << vec[i] << '\n';
13475     for (auto i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                // bug
13476         cout << vec[i] << '\n';
13477     for (int i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)                 // might not be big enough
13478         cout << vec[i] << '\n';
13480 ##### Example, good
13482     vector<int> vec = /*...*/;
13484     for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); i += 2)             // ok
13485         cout << vec[i] << '\n';
13486     for (gsl::index i = vec.size()-1; i >= 0; i -= 2)          // ok
13487         cout << vec[i] << '\n';
13489 ##### Note
13491 The built-in array uses signed subscripts.
13492 The standard-library containers use unsigned subscripts.
13493 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).
13494 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`.
13496 ##### Example
13498     template<typename T>
13499     struct My_container {
13500     public:
13501         // ...
13502         T& operator[](gsl::index i);    // not unsigned
13503         // ...
13504     };
13506 ##### Example
13508     ??? demonstrate improved code generation and potential for error detection ???
13510 ##### Alternatives
13512 Alternatives for users
13514 * use algorithms
13515 * use range-for
13516 * use iterators/pointers
13518 ##### Enforcement
13520 * Very tricky as long as the standard-library containers get it wrong.
13521 * (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`.
13526 # <a name="S-performance"></a>Per: Performance
13528 ??? should this section be in the main guide???
13530 This section contains rules for people who need high performance or low-latency.
13531 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.
13532 The rules in this section are more restrictive and intrusive than what is needed for many (most) applications.
13533 Do not naïvely try to follow them in general code: achieving the goals of low latency requires extra work.
13535 Performance rule summary:
13537 * [Per.1: Don't optimize without reason](#Rper-reason)
13538 * [Per.2: Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
13539 * [Per.3: Don't optimize something that's not performance critical](#Rper-critical)
13540 * [Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code](#Rper-simple)
13541 * [Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code](#Rper-low)
13542 * [Per.6: Don't make claims about performance without measurements](#Rper-measure)
13543 * [Per.7: Design to enable optimization](#Rper-efficiency)
13544 * [Per.10: Rely on the static type system](#Rper-type)
13545 * [Per.11: Move computation from run time to compile time](#Rper-Comp)
13546 * [Per.12: Eliminate redundant aliases](#Rper-alias)
13547 * [Per.13: Eliminate redundant indirections](#Rper-indirect)
13548 * [Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations](#Rper-alloc)
13549 * [Per.15: Do not allocate on a critical branch](#Rper-alloc0)
13550 * [Per.16: Use compact data structures](#Rper-compact)
13551 * [Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first](#Rper-struct)
13552 * [Per.18: Space is time](#Rper-space)
13553 * [Per.19: Access memory predictably](#Rper-access)
13554 * [Per.30: Avoid context switches on the critical path](#Rper-context)
13556 ### <a name="Rper-reason"></a>Per.1: Don't optimize without reason
13558 ##### Reason
13560 If there is no need for optimization, the main result of the effort will be more errors and higher maintenance costs.
13562 ##### Note
13564 Some people optimize out of habit or because it's fun.
13568 ### <a name="Rper-Knuth"></a>Per.2: Don't optimize prematurely
13570 ##### Reason
13572 Elaborately optimized code is usually larger and harder to change than unoptimized code.
13576 ### <a name="Rper-critical"></a>Per.3: Don't optimize something that's not performance critical
13578 ##### Reason
13580 Optimizing a non-performance-critical part of a program has no effect on system performance.
13582 ##### Note
13584 If your program spends most of its time waiting for the web or for a human, optimization of in-memory computation is probably useless.
13586 Put another way: If your program spends 4% of its processing time doing
13587 computation A and 40% of its time doing computation B, a 50% improvement on A is
13588 only as impactful as a 5% improvement on B. (If you don't even know how much
13589 time is spent on A or B, see <a href="#Rper-reason">Per.1</a> and <a
13590 href="#Rper-Knuth">Per.2</a>.)
13592 ### <a name="Rper-simple"></a>Per.4: Don't assume that complicated code is necessarily faster than simple code
13594 ##### Reason
13596 Simple code can be very fast. Optimizers sometimes do marvels with simple code
13598 ##### Example, good
13600     // clear expression of intent, fast execution
13602     vector<uint8_t> v(100000);
13604     for (auto& c : v)
13605         c = ~c;
13607 ##### Example, bad
13609     // intended to be faster, but is often slower
13611     vector<uint8_t> v(100000);
13613     for (size_t i = 0; i < v.size(); i += sizeof(uint64_t)) {
13614         uint64_t& quad_word = *reinterpret_cast<uint64_t*>(&v[i]);
13615         quad_word = ~quad_word;
13616     }
13618 ##### Note
13624 ### <a name="Rper-low"></a>Per.5: Don't assume that low-level code is necessarily faster than high-level code
13626 ##### Reason
13628 Low-level code sometimes inhibits optimizations. Optimizers sometimes do marvels with high-level code.
13630 ##### Note
13636 ### <a name="Rper-measure"></a>Per.6: Don't make claims about performance without measurements
13638 ##### Reason
13640 The field of performance is littered with myth and bogus folklore.
13641 Modern hardware and optimizers defy naive assumptions; even experts are regularly surprised.
13643 ##### Note
13645 Getting good performance measurements can be hard and require specialized tools.
13647 ##### Note
13649 A few simple microbenchmarks using Unix `time` or the standard-library `<chrono>` can help dispel the most obvious myths.
13650 If you can't measure your complete system accurately, at least try to measure a few of your key operations and algorithms.
13651 A profiler can help tell you which parts of your system are performance critical.
13652 Often, you will be surprised.
13656 ### <a name="Rper-efficiency"></a>Per.7: Design to enable optimization
13658 ##### Reason
13660 Because we often need to optimize the initial design.
13661 Because a design that ignores the possibility of later improvement is hard to change.
13663 ##### Example
13665 From the C (and C++) standard:
13667     void qsort (void* base, size_t num, size_t size, int (*compar)(const void*, const void*));
13669 When did you even want to sort memory?
13670 Really, we sort sequences of elements, typically stored in containers.
13671 A call to `qsort` throws away much useful information (e.g., the element type), forces the user to repeat information
13672 already known (e.g., the element size), and forces the user to write extra code (e.g., a function to compare `double`s).
13673 This implies added work for the programmer, is error-prone, and deprives the compiler of information needed for optimization.
13675     double data[100];
13676     // ... fill a ...
13678     // 100 chunks of memory of sizeof(double) starting at
13679     // address data using the order defined by compare_doubles
13680     qsort(data, 100, sizeof(double), compare_doubles);
13682 From the point of view of interface design, `qsort` throws away useful information.
13684 We can do better (in C++98)
13686     template<typename Iter>
13687         void sort(Iter b, Iter e);  // sort [b:e)
13689     sort(data, data + 100);
13691 Here, we use the compiler's knowledge about the size of the array, the type of elements, and how to compare `double`s.
13693 With C++11 plus [concepts](#SS-concepts), we can do better still
13695     // Sortable specifies that c must be a
13696     // random-access sequence of elements comparable with <
13697     void sort(Sortable& c);
13699     sort(c);
13701 The key is to pass sufficient information for a good implementation to be chosen.
13702 In this, the `sort` interfaces shown here still have a weakness:
13703 They implicitly rely on the element type having less-than (`<`) defined.
13704 To complete the interface, we need a second version that accepts a comparison criteria:
13706     // compare elements of c using p
13707     void sort(Sortable& c, Predicate<Value_type<Sortable>> p);
13709 The standard-library specification of `sort` offers those two versions,
13710 but the semantics is expressed in English rather than code using concepts.
13712 ##### Note
13714 Premature optimization is said to be [the root of all evil](#Rper-Knuth), but that's not a reason to despise performance.
13715 It is never premature to consider what makes a design amenable to improvement, and improved performance is a commonly desired improvement.
13716 Aim to build a set of habits that by default results in efficient, maintainable, and optimizable code.
13717 In particular, when you write a function that is not a one-off implementation detail, consider
13719 * Information passing:
13720 Prefer clean [interfaces](#S-interfaces) carrying sufficient information for later improvement of implementation.
13721 Note that information flows into and out of an implementation through the interfaces we provide.
13722 * Compact data: By default, [use compact data](#Rper-compact), such as `std::vector` and [access it in a systematic fashion](#Rper-access).
13723 If you think you need a linked structure, try to craft the interface so that this structure isn't seen by users.
13724 * Function argument passing and return:
13725 Distinguish between mutable and non-mutable data.
13726 Don't impose a resource management burden on your users.
13727 Don't impose spurious run-time indirections on your users.
13728 Use [conventional ways](#Rf-conventional) of passing information through an interface;
13729 unconventional and/or "optimized" ways of passing data can seriously complicate later reimplementation.
13730 * Abstraction:
13731 Don't overgeneralize; a design that tries to cater for every possible use (and misuse) and defers every design decision for later
13732 (using compile-time or run-time indirections) is usually a complicated, bloated, hard-to-understand mess.
13733 Generalize from concrete examples, preserving performance as we generalize.
13734 Do not generalize based on mere speculation about future needs.
13735 The ideal is zero-overhead generalization.
13736 * Libraries:
13737 Use libraries with good interfaces.
13738 If no library is available build one yourself and imitate the interface style from a good library.
13739 The [standard library](#S-stdlib) is a good first place to look for inspiration.
13740 * Isolation:
13741 Isolate your code from messy and/or old-style code by providing an interface of your choosing to it.
13742 This is sometimes called "providing a wrapper" for the useful/necessary but messy code.
13743 Don't let bad designs "bleed into" your code.
13745 ##### Example
13747 Consider:
13749     template<class ForwardIterator, class T>
13750     bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13752 `binary_search(begin(c), end(c), 7)` will tell you whether `7` is in `c` or not.
13753 However, it will not tell you where that `7` is or whether there are more than one `7`.
13755 Sometimes, just passing the minimal amount of information back (here, `true` or `false`) is sufficient, but a good interface passes
13756 needed information back to the caller. Therefore, the standard library also offers
13758     template<class ForwardIterator, class T>
13759     ForwardIterator lower_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13761 `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.
13763 However, `lower_bound` still doesn't return enough information for all uses, so the standard library also offers
13765     template<class ForwardIterator, class T>
13766     pair<ForwardIterator, ForwardIterator>
13767     equal_range(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& val);
13769 `equal_range` returns a `pair` of iterators specifying the first and one beyond last match.
13771     auto r = equal_range(begin(c), end(c), 7);
13772     for (auto p = r.first; p != r.second; ++p)
13773         cout << *p << '\n';
13775 Obviously, these three interfaces are implemented by the same basic code.
13776 They are simply three ways of presenting the basic binary search algorithm to users,
13777 ranging from the simplest ("make simple things simple!")
13778 to returning complete, but not always needed, information ("don't hide useful information").
13779 Naturally, crafting such a set of interfaces requires experience and domain knowledge.
13781 ##### Note
13783 Do not simply craft the interface to match the first implementation and the first use case you think of.
13784 Once your first initial implementation is complete, review it; once you deploy it, mistakes will be hard to remedy.
13786 ##### Note
13788 A need for efficiency does not imply a need for [low-level code](#Rper-low).
13789 High-level code does not imply slow or bloated.
13791 ##### Note
13793 Things have costs.
13794 Don't be paranoid about costs (modern computers really are very fast),
13795 but have a rough idea of the order of magnitude of cost of what you use.
13796 For example, have a rough idea of the cost of
13797 a memory access,
13798 a function call,
13799 a string comparison,
13800 a system call,
13801 a disk access,
13802 and a message through a network.
13804 ##### Note
13806 If you can only think of one implementation, you probably don't have something for which you can devise a stable interface.
13807 Maybe, it is just an implementation detail - not every piece of code needs a stable interface - but pause and consider.
13808 One question that can be useful is
13809 "what interface would be needed if this operation should be implemented using multiple threads? be vectorized?"
13811 ##### Note
13813 This rule does not contradict the [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth) rule.
13814 It complements it encouraging developers enable later - appropriate and non-premature - optimization, if and where needed.
13816 ##### Enforcement
13818 Tricky.
13819 Maybe looking for `void*` function arguments will find examples of interfaces that hinder later optimization.
13821 ### <a name="Rper-type"></a>Per.10: Rely on the static type system
13823 ##### Reason
13825 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.
13829 ### <a name="Rper-Comp"></a>Per.11: Move computation from run time to compile time
13831 ##### Reason
13833 To decrease code size and run time.
13834 To avoid data races by using constants.
13835 To catch errors at compile time (and thus eliminate the need for error-handling code).
13837 ##### Example
13839     double square(double d) { return d*d; }
13840     static double s2 = square(2);    // old-style: dynamic initialization
13842     constexpr double ntimes(double d, int n)   // assume 0 <= n
13843     {
13844             double m = 1;
13845             while (n--) m *= d;
13846             return m;
13847     }
13848     constexpr double s3 {ntimes(2, 3)};  // modern-style: compile-time initialization
13850 Code like the initialization of `s2` isn't uncommon, especially for initialization that's a bit more complicated than `square()`.
13851 However, compared to the initialization of `s3` there are two problems:
13853 * we suffer the overhead of a function call at run time
13854 * `s2` just might be accessed by another thread before the initialization happens.
13856 Note: you can't have a data race on a constant.
13858 ##### Example
13860 Consider a popular technique for providing a handle for storing small objects in the handle itself and larger ones on the heap.
13862     constexpr int on_stack_max = 20;
13864     template<typename T>
13865     struct Scoped {     // store a T in Scoped
13866             // ...
13867         T obj;
13868     };
13870     template<typename T>
13871     struct On_heap {    // store a T on the free store
13872             // ...
13873             T* objp;
13874     };
13876     template<typename T>
13877     using Handle = typename std::conditional<(sizeof(T) <= on_stack_max),
13878                         Scoped<T>,      // first alternative
13879                         On_heap<T>      // second alternative
13880                    >::type;
13882     void f()
13883     {
13884         Handle<double> v1;                   // the double goes on the stack
13885         Handle<std::array<double, 200>> v2;  // the array goes on the free store
13886         // ...
13887     }
13889 Assume that `Scoped` and `On_heap` provide compatible user interfaces.
13890 Here we compute the optimal type to use at compile time.
13891 There are similar techniques for selecting the optimal function to call.
13893 ##### Note
13895 The ideal is *not* to try execute everything at compile time.
13896 Obviously, most computations depend on inputs so they can't be moved to compile time,
13897 but beyond that logical constraint is the fact that complex compile-time computation can seriously increase compile times
13898 and complicate debugging.
13899 It is even possible to slow down code by compile-time computation.
13900 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.
13902 ##### Enforcement
13904 * Look for simple functions that might be constexpr (but are not).
13905 * Look for functions called with all constant-expression arguments.
13906 * Look for macros that could be constexpr.
13908 ### <a name="Rper-alias"></a>Per.12: Eliminate redundant aliases
13912 ### <a name="Rper-indirect"></a>Per.13: Eliminate redundant indirections
13916 ### <a name="Rper-alloc"></a>Per.14: Minimize the number of allocations and deallocations
13920 ### <a name="Rper-alloc0"></a>Per.15: Do not allocate on a critical branch
13924 ### <a name="Rper-compact"></a>Per.16: Use compact data structures
13926 ##### Reason
13928 Performance is typically dominated by memory access times.
13932 ### <a name="Rper-struct"></a>Per.17: Declare the most used member of a time-critical struct first
13936 ### <a name="Rper-space"></a>Per.18: Space is time
13938 ##### Reason
13940 Performance is typically dominated by memory access times.
13944 ### <a name="Rper-access"></a>Per.19: Access memory predictably
13946 ##### Reason
13948 Performance is very sensitive to cache performance and cache algorithms favor simple (usually linear) access to adjacent data.
13950 ##### Example
13952     int matrix[rows][cols];
13954     // bad
13955     for (int c = 0; c < cols; ++c)
13956         for (int r = 0; r < rows; ++r)
13957             sum += matrix[r][c];
13959     // good
13960     for (int r = 0; r < rows; ++r)
13961         for (int c = 0; c < cols; ++c)
13962             sum += matrix[r][c];
13964 ### <a name="Rper-context"></a>Per.30: Avoid context switches on the critical path
13968 # <a name="S-concurrency"></a>CP: Concurrency and parallelism
13970 We often want our computers to do many tasks at the same time (or at least appear to do them at the same time).
13971 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)
13972 and so do the basic facilities for expressing concurrency and parallelism.
13973 Here, we articulate principles and rules for using the ISO standard C++ facilities for expressing basic concurrency and parallelism.
13975 Threads are the machine-level foundation for concurrent and parallel programming.
13976 Threads allow running multiple sections of a program independently, while sharing
13977 the same memory. Concurrent programming is tricky,
13978 because protecting shared data between threads is easier said than done.
13979 Making existing single-threaded code execute concurrently can be
13980 as trivial as adding `std::async` or `std::thread` strategically, or it can
13981 necessitate a full rewrite, depending on whether the original code was written
13982 in a thread-friendly way.
13984 The concurrency/parallelism rules in this document are designed with three goals
13985 in mind:
13987 * To help in writing code that is amenable to being used in a threaded
13988   environment
13989 * To show clean, safe ways to use the threading primitives offered by the
13990   standard library
13991 * To offer guidance on what to do when concurrency and parallelism aren't giving
13992   the performance gains needed
13994 It is also important to note that concurrency in C++ is an unfinished
13995 story. C++11 introduced many core concurrency primitives, C++14 and C++17 improved on
13996 them, and there is much interest in making the writing of
13997 concurrent programs in C++ even easier. We expect some of the library-related
13998 guidance here to change significantly over time.
14000 This section needs a lot of work (obviously).
14001 Please note that we start with rules for relative non-experts.
14002 Real experts must wait a bit;
14003 contributions are welcome,
14004 but please think about the majority of programmers who are struggling to get their concurrent programs correct and performant.
14006 Concurrency and parallelism rule summary:
14008 * [CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program](#Rconc-multi)
14009 * [CP.2: Avoid data races](#Rconc-races)
14010 * [CP.3: Minimize explicit sharing of writable data](#Rconc-data)
14011 * [CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads](#Rconc-task)
14012 * [CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization](#Rconc-volatile)
14013 * [CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code](#Rconc-tools)
14015 **See also**:
14017 * [CP.con: Concurrency](#SScp-con)
14018 * [CP.coro: Coroutines](#SScp-coro)
14019 * [CP.par: Parallelism](#SScp-par)
14020 * [CP.mess: Message passing](#SScp-mess)
14021 * [CP.vec: Vectorization](#SScp-vec)
14022 * [CP.free: Lock-free programming](#SScp-free)
14023 * [CP.etc: Etc. concurrency rules](#SScp-etc)
14025 ### <a name="Rconc-multi"></a>CP.1: Assume that your code will run as part of a multi-threaded program
14027 ##### Reason
14029 It's hard to be certain that concurrency isn't used now or won't be used sometime in the future.
14030 Code gets reused.
14031 Libraries not using threads might be used from some other part of a program that does use threads.
14032 Note that this rule applies most urgently to library code and least urgently to stand-alone applications.
14033 However, over time, code fragments can turn up in unexpected places.
14035 ##### Example, bad
14037     double cached_computation(int x)
14038     {
14039         // bad: these statics cause data races in multi-threaded usage
14040         static int cached_x = 0.0;
14041         static double cached_result = COMPUTATION_OF_ZERO;
14043         if (cached_x != x) {
14044             cached_x = x;
14045             cached_result = computation(x);
14046         }
14047         return cached_result;
14048     }
14050 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.
14052 ##### Example, good
14054     struct ComputationCache {
14055         int cached_x = 0;
14056         double cached_result = COMPUTATION_OF_ZERO;
14058         double compute(int x) {
14059             if (cached_x != x) {
14060                 cached_x = x;
14061                 cached_result = computation(x);
14062             }
14063             return cached_result;
14064         }
14065     };
14067 Here the cache is stored as member data of a `ComputationCache` object, rather than as shared static state.
14068 This refactoring essentially delegates the concern upward to the caller: a single-threaded program
14069 might still choose to have one global `ComputationCache`, while a multi-threaded program might
14070 have one `ComputationCache` instance per thread, or one per "context" for any definition of "context."
14071 The refactored function no longer attempts to manage the allocation of `cached_x`. In that sense,
14072 this is an application of the Single Responsibility Principle.
14074 In this specific example, refactoring for thread-safety also improved reusability in single-threaded
14075 programs. It's not hard to imagine that a single-threaded program might want two `ComputationCache` instances
14076 for use in different parts of the program, without having them overwrite each other's cached data.
14078 There are several other ways one might add thread-safety to code written for a standard multi-threaded environment
14079 (that is, one where the only form of concurrency is `std::thread`):
14081 * Mark the state variables as `thread_local` instead of `static`.
14082 * Implement concurrency control, for example, protecting access to the two `static` variables with a `static std::mutex`.
14083 * Refuse to build and/or run in a multi-threaded environment.
14084 * Provide two implementations: one for single-threaded environments and another for multi-threaded environments.
14086 ##### Exception
14088 Code that is never run in a multi-threaded environment.
14090 Be careful: there are many examples where code that was "known" to never run in a multi-threaded program
14091 was run as part of a multi-threaded program, often years later.
14092 Typically, such programs lead to a painful effort to remove data races.
14093 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.
14095 ### <a name="Rconc-races"></a>CP.2: Avoid data races
14097 ##### Reason
14099 Unless you do, nothing is guaranteed to work and subtle errors will persist.
14101 ##### Note
14103 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.
14104 For further information of how to use synchronization well to eliminate data races, please consult a good book about concurrency.
14106 ##### Example, bad
14108 There are many examples of data races that exist, some of which are running in
14109 production software at this very moment. One very simple example:
14111     int get_id()
14112     {
14113       static int id = 1;
14114       return id++;
14115     }
14117 The increment here is an example of a data race. This can go wrong in many ways,
14118 including:
14120 * Thread A loads the value of `id`, the OS context switches A out for some
14121   period, during which other threads create hundreds of IDs. Thread A is then
14122   allowed to run again, and `id` is written back to that location as A's read of
14123   `id` plus one.
14124 * Thread A and B load `id` and increment it simultaneously.  They both get the
14125   same ID.
14127 Local static variables are a common source of data races.
14129 ##### Example, bad:
14131     void f(fstream& fs, regex pattern)
14132     {
14133         array<double, max> buf;
14134         int sz = read_vec(fs, buf, max);            // read from fs into buf
14135         gsl::span<double> s {buf};
14136         // ...
14137         auto h1 = async([&] { sort(std::execution::par, s); });     // spawn a task to sort
14138         // ...
14139         auto h2 = async([&] { return find_all(buf, sz, pattern); });   // spawn a task to find matches
14140         // ...
14141     }
14143 Here, we have a (nasty) data race on the elements of `buf` (`sort` will both read and write).
14144 All data races are nasty.
14145 Here, we managed to get a data race on data on the stack.
14146 Not all data races are as easy to spot as this one.
14148 ##### Example, bad:
14150     // code not controlled by a lock
14152     unsigned val;
14154     if (val < 5) {
14155         // ... other thread can change val here ...
14156         switch (val) {
14157         case 0: // ...
14158         case 1: // ...
14159         case 2: // ...
14160         case 3: // ...
14161         case 4: // ...
14162         }
14163     }
14165 Now, a compiler that does not know that `val` can change will  most likely implement that `switch` using a jump table with five entries.
14166 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.
14167 Really, "all bets are off" if you get a data race.
14168 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;
14169 this can be a security risk.
14171 ##### Enforcement
14173 Some is possible, do at least something.
14174 There are commercial and open-source tools that try to address this problem,
14175 but be aware that solutions have costs and blind spots.
14176 Static tools often have many false positives and run-time tools often have a significant cost.
14177 We hope for better tools.
14178 Using multiple tools can catch more problems than a single one.
14180 There are other ways you can mitigate the chance of data races:
14182 * Avoid global data
14183 * Avoid `static` variables
14184 * More use of concrete types on the stack (and don't pass pointers around too much)
14185 * More use of immutable data (literals, `constexpr`, and `const`)
14187 ### <a name="Rconc-data"></a>CP.3: Minimize explicit sharing of writable data
14189 ##### Reason
14191 If you don't share writable data, you can't have a data race.
14192 The less sharing you do, the less chance you have to forget to synchronize access (and get data races).
14193 The less sharing you do, the less chance you have to wait on a lock (so performance can improve).
14195 ##### Example
14197     bool validate(const vector<Reading>&);
14198     Graph<Temp_node> temperature_gradients(const vector<Reading>&);
14199     Image altitude_map(const vector<Reading>&);
14200     // ...
14202     void process_readings(const vector<Reading>& surface_readings)
14203     {
14204         auto h1 = async([&] { if (!validate(surface_readings)) throw Invalid_data{}; });
14205         auto h2 = async([&] { return temperature_gradients(surface_readings); });
14206         auto h3 = async([&] { return altitude_map(surface_readings); });
14207         // ...
14208         h1.get();
14209         auto v2 = h2.get();
14210         auto v3 = h3.get();
14211         // ...
14212     }
14214 Without those `const`s, we would have to review every asynchronously invoked function for potential data races on `surface_readings`.
14215 Making `surface_readings` be `const` (with respect to this function) allow reasoning using only the function body.
14217 ##### Note
14219 Immutable data can be safely and efficiently shared.
14220 No locking is needed: You can't have a data race on a constant.
14221 See also [CP.mess: Message Passing](#SScp-mess) and [CP.31: prefer pass by value](#Rconc-data-by-value).
14223 ##### Enforcement
14228 ### <a name="Rconc-task"></a>CP.4: Think in terms of tasks, rather than threads
14230 ##### Reason
14232 A `thread` is an implementation concept, a way of thinking about the machine.
14233 A task is an application notion, something you'd like to do, preferably concurrently with other tasks.
14234 Application concepts are easier to reason about.
14236 ##### Example
14238     void some_fun(const std::string& msg)
14239     {
14240         std::thread publisher([=] { std::cout << msg; });      // bad: less expressive
14241                                                                //      and more error-prone
14242         auto pubtask = std::async([=] { std::cout << msg; });  // OK
14243         // ...
14244         publisher.join();
14245     }
14247 ##### Note
14249 With the exception of `async()`, the standard-library facilities are low-level, machine-oriented, threads-and-lock level.
14250 This is a necessary foundation, but we have to try to raise the level of abstraction: for productivity, for reliability, and for performance.
14251 This is a potent argument for using higher level, more applications-oriented libraries (if possible, built on top of standard-library facilities).
14253 ##### Enforcement
14257 ### <a name="Rconc-volatile"></a>CP.8: Don't try to use `volatile` for synchronization
14259 ##### Reason
14261 In C++, unlike some other languages, `volatile` does not provide atomicity, does not synchronize between threads,
14262 and does not prevent instruction reordering (neither compiler nor hardware).
14263 It simply has nothing to do with concurrency.
14265 ##### Example, bad:
14267     int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14269     Pool* use()
14270     {
14271         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14272     }
14274 Here we have a problem:
14275 This is perfectly good code in a single-threaded program, but have two threads execute this and
14276 there is a race condition on `free_slots` so that two threads might get the same value and `free_slots`.
14277 That's (obviously) a bad data race, so people trained in other languages might try to fix it like this:
14279     volatile int free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14281     Pool* use()
14282     {
14283         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14284     }
14286 This has no effect on synchronization: The data race is still there!
14288 The C++ mechanism for this is `atomic` types:
14290     atomic<int> free_slots = max_slots; // current source of memory for objects
14292     Pool* use()
14293     {
14294         if (int n = free_slots--) return &pool[n];
14295     }
14297 Now the `--` operation is atomic,
14298 rather than a read-increment-write sequence where another thread might get in-between the individual operations.
14300 ##### Alternative
14302 Use `atomic` types where you might have used `volatile` in some other language.
14303 Use a `mutex` for more complicated examples.
14305 ##### See also
14307 [(rare) proper uses of `volatile`](#Rconc-volatile2)
14309 ### <a name="Rconc-tools"></a>CP.9: Whenever feasible use tools to validate your concurrent code
14311 Experience shows that concurrent code is exceptionally hard to get right
14312 and that compile-time checking, run-time checks, and testing are less effective at finding concurrency errors
14313 than they are at finding errors in sequential code.
14314 Subtle concurrency errors can have dramatically bad effects, including memory corruption, deadlocks, and security vulnerabilities.
14316 ##### Example
14318     ???
14320 ##### Note
14322 Thread safety is challenging, often getting the better of experienced programmers: tooling is an important strategy to mitigate those risks.
14323 There are many tools "out there", both commercial and open-source tools, both research and production tools.
14324 Unfortunately people's needs and constraints differ so dramatically that we cannot make specific recommendations,
14325 but we can mention:
14327 * Static enforcement tools: both [clang](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSafetyAnalysis.html)
14328 and some older versions of [GCC](https://gcc.gnu.org/wiki/ThreadSafetyAnnotation)
14329 have some support for static annotation of thread safety properties.
14330 Consistent use of this technique turns many classes of thread-safety errors into compile-time errors.
14331 The annotations are generally local (marking a particular member variable as guarded by a particular mutex),
14332 and are usually easy to learn. However, as with many static tools, it can often present false negatives;
14333 cases that should have been caught but were allowed.
14335 * dynamic enforcement tools: Clang's [Thread Sanitizer](http://clang.llvm.org/docs/ThreadSanitizer.html) (aka TSAN)
14336 is a powerful example of dynamic tools: it changes the build and execution of your program to add bookkeeping on memory access,
14337 absolutely identifying data races in a given execution of your binary.
14338 The cost for this is both memory (5-10x in most cases) and CPU slowdown (2-20x).
14339 Dynamic tools like this are best when applied to integration tests, canary pushes, or unit tests that operate on multiple threads.
14340 Workload matters: When TSAN identifies a problem, it is effectively always an actual data race,
14341 but it can only identify races seen in a given execution.
14343 ##### Enforcement
14345 It is up to an application builder to choose which support tools are valuable for a particular applications.
14347 ## <a name="SScp-con"></a>CP.con: Concurrency
14349 This section focuses on relatively ad-hoc uses of multiple threads communicating through shared data.
14351 * For parallel algorithms, see [parallelism](#SScp-par)
14352 * For inter-task communication without explicit sharing, see [messaging](#SScp-mess)
14353 * For vector parallel code, see [vectorization](#SScp-vec)
14354 * For lock-free programming, see [lock free](#SScp-free)
14356 Concurrency rule summary:
14358 * [CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`](#Rconc-raii)
14359 * [CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es](#Rconc-lock)
14360 * [CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)](#Rconc-unknown)
14361 * [CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container](#Rconc-join)
14362 * [CP.24: Think of a `thread` as a global container](#Rconc-detach)
14363 * [CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`](#Rconc-joining_thread)
14364 * [CP.26: Don't `detach()` a thread](#Rconc-detached_thread)
14365 * [CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer](#Rconc-data-by-value)
14366 * [CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`](#Rconc-shared)
14367 * [CP.40: Minimize context switching](#Rconc-switch)
14368 * [CP.41: Minimize thread creation and destruction](#Rconc-create)
14369 * [CP.42: Don't `wait` without a condition](#Rconc-wait)
14370 * [CP.43: Minimize time spent in a critical section](#Rconc-time)
14371 * [CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s](#Rconc-name)
14372 * [CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible](#Rconc-mutex)
14373 * ??? when to use a spinlock
14374 * ??? when to use `try_lock()`
14375 * ??? when to prefer `lock_guard` over `unique_lock`
14376 * ??? Time multiplexing
14377 * ??? when/how to use `new thread`
14379 ### <a name="Rconc-raii"></a>CP.20: Use RAII, never plain `lock()`/`unlock()`
14381 ##### Reason
14383 Avoids nasty errors from unreleased locks.
14385 ##### Example, bad
14387     mutex mtx;
14389     void do_stuff()
14390     {
14391         mtx.lock();
14392         // ... do stuff ...
14393         mtx.unlock();
14394     }
14396 Sooner or later, someone will forget the `mtx.unlock()`, place a `return` in the `... do stuff ...`, throw an exception, or something.
14398     mutex mtx;
14400     void do_stuff()
14401     {
14402         unique_lock<mutex> lck {mtx};
14403         // ... do stuff ...
14404     }
14406 ##### Enforcement
14408 Flag calls of member `lock()` and `unlock()`.  ???
14411 ### <a name="Rconc-lock"></a>CP.21: Use `std::lock()` or `std::scoped_lock` to acquire multiple `mutex`es
14413 ##### Reason
14415 To avoid deadlocks on multiple `mutex`es.
14417 ##### Example
14419 This is asking for deadlock:
14421     // thread 1
14422     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14423     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14425     // thread 2
14426     lock_guard<mutex> lck2(m2);
14427     lock_guard<mutex> lck1(m1);
14429 Instead, use `lock()`:
14431     // thread 1
14432     lock(m1, m2);
14433     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14434     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14436     // thread 2
14437     lock(m2, m1);
14438     lock_guard<mutex> lck2(m2, adopt_lock);
14439     lock_guard<mutex> lck1(m1, adopt_lock);
14441 or (better, but C++17 only):
14443     // thread 1
14444     scoped_lock<mutex, mutex> lck1(m1, m2);
14446     // thread 2
14447     scoped_lock<mutex, mutex> lck2(m2, m1);
14449 Here, the writers of `thread1` and `thread2` are still not agreeing on the order of the `mutex`es, but order no longer matters.
14451 ##### Note
14453 In real code, `mutex`es are rarely named to conveniently remind the programmer of an intended relation and intended order of acquisition.
14454 In real code, `mutex`es are not always conveniently acquired on consecutive lines.
14456 ##### Note
14458 In C++17 it's possible to write plain
14460     lock_guard lck1(m1, adopt_lock);
14462 and have the `mutex` type deduced.
14464 ##### Enforcement
14466 Detect the acquisition of multiple `mutex`es.
14467 This is undecidable in general, but catching common simple examples (like the one above) is easy.
14470 ### <a name="Rconc-unknown"></a>CP.22: Never call unknown code while holding a lock (e.g., a callback)
14472 ##### Reason
14474 If you don't know what a piece of code does, you are risking deadlock.
14476 ##### Example
14478     void do_this(Foo* p)
14479     {
14480         lock_guard<mutex> lck {my_mutex};
14481         // ... do something ...
14482         p->act(my_data);
14483         // ...
14484     }
14486 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),
14487 it might call `do_this` (recursively) and cause a deadlock on `my_mutex`.
14488 Maybe it will lock on a different mutex and not return in a reasonable time, causing delays to any code calling `do_this`.
14490 ##### Example
14492 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.
14493 Such problem can often be solved by using a `recursive_mutex`. For example:
14495     recursive_mutex my_mutex;
14497     template<typename Action>
14498     void do_something(Action f)
14499     {
14500         unique_lock<recursive_mutex> lck {my_mutex};
14501         // ... do something ...
14502         f(this);    // f will do something to *this
14503         // ...
14504     }
14506 If, as it is likely, `f()` invokes operations on `*this`, we must make sure that the object's invariant holds before the call.
14508 ##### Enforcement
14510 * Flag calling a virtual function with a non-recursive `mutex` held
14511 * Flag calling a callback with a non-recursive `mutex` held
14514 ### <a name="Rconc-join"></a>CP.23: Think of a joining `thread` as a scoped container
14516 ##### Reason
14518 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14519 If a `thread` joins, we can safely pass pointers to objects in the scope of the `thread` and its enclosing scopes.
14521 ##### Example
14523     void f(int* p)
14524     {
14525         // ...
14526         *p = 99;
14527         // ...
14528     }
14529     int glob = 33;
14531     void some_fct(int* p)
14532     {
14533         int x = 77;
14534         joining_thread t0(f, &x);           // OK
14535         joining_thread t1(f, p);            // OK
14536         joining_thread t2(f, &glob);        // OK
14537         auto q = make_unique<int>(99);
14538         joining_thread t3(f, q.get());      // OK
14539         // ...
14540     }
14542 A `gsl::joining_thread` is a `std::thread` with a destructor that joins and that cannot be `detached()`.
14543 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointer to it.
14544 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14545 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14547 ##### Enforcement
14549 Ensure that `joining_thread`s don't `detach()`.
14550 After that, the usual lifetime and ownership (for local objects) enforcement applies.
14552 ### <a name="Rconc-detach"></a>CP.24: Think of a `thread` as a global container
14554 ##### Reason
14556 To maintain pointer safety and avoid leaks, we need to consider what pointers are used by a `thread`.
14557 If a `thread` is detached, we can safely pass pointers to static and free store objects (only).
14559 ##### Example
14561     void f(int* p)
14562     {
14563         // ...
14564         *p = 99;
14565         // ...
14566     }
14568     int glob = 33;
14570     void some_fct(int* p)
14571     {
14572         int x = 77;
14573         std::thread t0(f, &x);           // bad
14574         std::thread t1(f, p);            // bad
14575         std::thread t2(f, &glob);        // OK
14576         auto q = make_unique<int>(99);
14577         std::thread t3(f, q.get());      // bad
14578         // ...
14579         t0.detach();
14580         t1.detach();
14581         t2.detach();
14582         t3.detach();
14583         // ...
14584     }
14586 By "OK" we mean that the object will be in scope ("live") for as long as a `thread` can use the pointers to it.
14587 By "bad" we mean that a `thread` might use a pointer after the pointed-to object is destroyed.
14588 The fact that `thread`s run concurrently doesn't affect the lifetime or ownership issues here;
14589 these `thread`s can be seen as just a function object called from `some_fct`.
14591 ##### Note
14593 Even objects with static storage duration can be problematic if used from detached threads: if the
14594 thread continues until the end of the program, it might be running concurrently with the destruction
14595 of objects with static storage duration, and thus accesses to such objects might race.
14597 ##### Note
14599 This rule is redundant if you [don't `detach()`](#Rconc-detached_thread) and [use `gsl::joining_thread`](#Rconc-joining_thread).
14600 However, converting code to follow those guidelines could be difficult and even impossible for third-party libraries.
14601 In such cases, the rule becomes essential for lifetime safety and type safety.
14604 In general, it is undecidable whether a `detach()` is executed for a `thread`, but simple common cases are easily detected.
14605 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;
14606 After that, the usual lifetime and ownership (for global objects) enforcement applies.
14608 ##### Enforcement
14610 Flag attempts to pass local variables to a thread that might `detach()`.
14612 ### <a name="Rconc-joining_thread"></a>CP.25: Prefer `gsl::joining_thread` over `std::thread`
14614 ##### Reason
14616 A `joining_thread` is a thread that joins at the end of its scope.
14617 Detached threads are hard to monitor.
14618 It is harder to ensure absence of errors in detached threads (and potentially detached threads).
14620 ##### Example, bad
14622     void f() { std::cout << "Hello "; }
14624     struct F {
14625         void operator()() const { std::cout << "parallel world "; }
14626     };
14628     int main()
14629     {
14630         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14631         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14632     }  // spot the bugs
14634 ##### Example
14636     void f() { std::cout << "Hello "; }
14638     struct F {
14639         void operator()() const { std::cout << "parallel world "; }
14640     };
14642     int main()
14643     {
14644         std::thread t1{f};      // f() executes in separate thread
14645         std::thread t2{F()};    // F()() executes in separate thread
14647         t1.join();
14648         t2.join();
14649     }  // one bad bug left
14651 ##### Note
14653 Make "immortal threads" globals, put them in an enclosing scope, or put them on the free store rather than `detach()`.
14654 [Don't `detach`](#Rconc-detached_thread).
14656 ##### Note
14658 Because of old code and third party libraries using `std::thread`, this rule can be hard to introduce.
14660 ##### Enforcement
14662 Flag uses of `std::thread`:
14664 * Suggest use of `gsl::joining_thread` or C++20 `std::jthread`.
14665 * Suggest ["exporting ownership"](#Rconc-detached_thread) to an enclosing scope if it detaches.
14666 * Warn if it is not obvious whether a thread joins or detaches.
14668 ### <a name="Rconc-detached_thread"></a>CP.26: Don't `detach()` a thread
14670 ##### Reason
14672 Often, the need to outlive the scope of its creation is inherent in the `thread`s task,
14673 but implementing that idea by `detach` makes it harder to monitor and communicate with the detached thread.
14674 In particular, it is harder (though not impossible) to ensure that the thread completed as expected or lives for as long as expected.
14676 ##### Example
14678     void heartbeat();
14680     void use()
14681     {
14682         std::thread t(heartbeat);             // don't join; heartbeat is meant to run forever
14683         t.detach();
14684         // ...
14685     }
14687 This is a reasonable use of a thread, for which `detach()` is commonly used.
14688 There are problems, though.
14689 How do we monitor the detached thread to see if it is alive?
14690 Something might go wrong with the heartbeat, and losing a heartbeat can be very serious in a system for which it is needed.
14691 So, we need to communicate with the heartbeat thread
14692 (e.g., through a stream of messages or notification events using a `condition_variable`).
14694 An alternative, and usually superior solution is to control its lifetime by placing it in a scope outside its point of creation (or activation).
14695 For example:
14697     void heartbeat();
14699     gsl::joining_thread t(heartbeat);             // heartbeat is meant to run "forever"
14701 This heartbeat will (barring error, hardware problems, etc.) run for as long as the program does.
14703 Sometimes, we need to separate the point of creation from the point of ownership:
14705     void heartbeat();
14707     unique_ptr<gsl::joining_thread> tick_tock {nullptr};
14709     void use()
14710     {
14711         // heartbeat is meant to run as long as tick_tock lives
14712         tick_tock = make_unique<gsl::joining_thread>(heartbeat);
14713         // ...
14714     }
14716 #### Enforcement
14718 Flag `detach()`.
14721 ### <a name="Rconc-data-by-value"></a>CP.31: Pass small amounts of data between threads by value, rather than by reference or pointer
14723 ##### Reason
14725 A small amount of data is cheaper to copy and access than to share it using some locking mechanism.
14726 Copying naturally gives unique ownership (simplifies code) and eliminates the possibility of data races.
14728 ##### Note
14730 Defining "small amount" precisely is impossible.
14732 ##### Example
14734     string modify1(string);
14735     void modify2(string&);
14737     void fct(string& s)
14738     {
14739         auto res = async(modify1, s);
14740         async(modify2, s);
14741     }
14743 The call of `modify1` involves copying two `string` values; the call of `modify2` does not.
14744 On the other hand, the implementation of `modify1` is exactly as we would have written it for single-threaded code,
14745 whereas the implementation of `modify2` will need some form of locking to avoid data races.
14746 If the string is short (say 10 characters), the call of `modify1` can be surprisingly fast;
14747 essentially all the cost is in the `thread` switch. If the string is long (say 1,000,000 characters), copying it twice
14748 is probably not a good idea.
14750 Note that this argument has nothing to do with `async` as such. It applies equally to considerations about whether to use
14751 message passing or shared memory.
14753 ##### Enforcement
14758 ### <a name="Rconc-shared"></a>CP.32: To share ownership between unrelated `thread`s use `shared_ptr`
14760 ##### Reason
14762 If threads are unrelated (that is, not known to be in the same scope or one within the lifetime of the other)
14763 and they need to share free store memory that needs to be deleted, a `shared_ptr` (or equivalent) is the only
14764 safe way to ensure proper deletion.
14766 ##### Example
14768     ???
14770 ##### Note
14772 * 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.
14773 * An object on free store that is never to be deleted can be shared.
14774 * An object owned by one thread can be safely shared with another as long as that second thread doesn't outlive the owner.
14776 ##### Enforcement
14781 ### <a name="Rconc-switch"></a>CP.40: Minimize context switching
14783 ##### Reason
14785 Context switches are expensive.
14787 ##### Example
14789     ???
14791 ##### Enforcement
14796 ### <a name="Rconc-create"></a>CP.41: Minimize thread creation and destruction
14798 ##### Reason
14800 Thread creation is expensive.
14802 ##### Example
14804     void worker(Message m)
14805     {
14806         // process
14807     }
14809     void dispatcher(istream& is)
14810     {
14811         for (Message m; is >> m; )
14812             run_list.push_back(new thread(worker, m));
14813     }
14815 This spawns a `thread` per message, and the `run_list` is presumably managed to destroy those tasks once they are finished.
14817 Instead, we could have a set of pre-created worker threads processing the messages
14819     Sync_queue<Message> work;
14821     void dispatcher(istream& is)
14822     {
14823         for (Message m; is >> m; )
14824             work.put(m);
14825     }
14827     void worker()
14828     {
14829         for (Message m; m = work.get(); ) {
14830             // process
14831         }
14832     }
14834     void workers()  // set up worker threads (specifically 4 worker threads)
14835     {
14836         joining_thread w1 {worker};
14837         joining_thread w2 {worker};
14838         joining_thread w3 {worker};
14839         joining_thread w4 {worker};
14840     }
14842 ##### Note
14844 If your system has a good thread pool, use it.
14845 If your system has a good message queue, use it.
14847 ##### Enforcement
14852 ### <a name="Rconc-wait"></a>CP.42: Don't `wait` without a condition
14854 ##### Reason
14856 A `wait` without a condition can miss a wakeup or wake up simply to find that there is no work to do.
14858 ##### Example, bad
14860     std::condition_variable cv;
14861     std::mutex mx;
14863     void thread1()
14864     {
14865         while (true) {
14866             // do some work ...
14867             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14868             cv.notify_one();    // wake other thread
14869         }
14870     }
14872     void thread2()
14873     {
14874         while (true) {
14875             std::unique_lock<std::mutex> lock(mx);
14876             cv.wait(lock);    // might block forever
14877             // do work ...
14878         }
14879     }
14881 Here, if some other `thread` consumes `thread1`'s notification, `thread2` can wait forever.
14883 ##### Example
14885     template<typename T>
14886     class Sync_queue {
14887     public:
14888         void put(const T& val);
14889         void put(T&& val);
14890         void get(T& val);
14891     private:
14892         mutex mtx;
14893         condition_variable cond;    // this controls access
14894         list<T> q;
14895     };
14897     template<typename T>
14898     void Sync_queue<T>::put(const T& val)
14899     {
14900         lock_guard<mutex> lck(mtx);
14901         q.push_back(val);
14902         cond.notify_one();
14903     }
14905     template<typename T>
14906     void Sync_queue<T>::get(T& val)
14907     {
14908         unique_lock<mutex> lck(mtx);
14909         cond.wait(lck, [this] { return !q.empty(); });    // prevent spurious wakeup
14910         val = q.front();
14911         q.pop_front();
14912     }
14914 Now if the queue is empty when a thread executing `get()` wakes up (e.g., because another thread has gotten to `get()` before it),
14915 it will immediately go back to sleep, waiting.
14917 ##### Enforcement
14919 Flag all `wait`s without conditions.
14922 ### <a name="Rconc-time"></a>CP.43: Minimize time spent in a critical section
14924 ##### Reason
14926 The less time is spent with a `mutex` taken, the less chance that another `thread` has to wait,
14927 and `thread` suspension and resumption are expensive.
14929 ##### Example
14931     void do_something() // bad
14932     {
14933         unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14934         do0();  // preparation: does not need lock
14935         do1();  // transaction: needs locking
14936         do2();  // cleanup: does not need locking
14937     }
14939 Here, we are holding the lock for longer than necessary:
14940 We should not have taken the lock before we needed it and should have released it again before starting the cleanup.
14941 We could rewrite this to
14943     void do_something() // bad
14944     {
14945         do0();  // preparation: does not need lock
14946         my_lock.lock();
14947         do1();  // transaction: needs locking
14948         my_lock.unlock();
14949         do2();  // cleanup: does not need locking
14950     }
14952 But that compromises safety and violates the [use RAII](#Rconc-raii) rule.
14953 Instead, add a block for the critical section:
14955     void do_something() // OK
14956     {
14957         do0();  // preparation: does not need lock
14958         {
14959             unique_lock<mutex> lck(my_lock);
14960             do1();  // transaction: needs locking
14961         }
14962         do2();  // cleanup: does not need locking
14963     }
14965 ##### Enforcement
14967 Impossible in general.
14968 Flag "naked" `lock()` and `unlock()`.
14971 ### <a name="Rconc-name"></a>CP.44: Remember to name your `lock_guard`s and `unique_lock`s
14973 ##### Reason
14975 An unnamed local objects is a temporary that immediately goes out of scope.
14977 ##### Example
14979     unique_lock<mutex>(m1);
14980     lock_guard<mutex> {m2};
14981     lock(m1, m2);
14983 This looks innocent enough, but it isn't.
14985 ##### Enforcement
14987 Flag all unnamed `lock_guard`s and `unique_lock`s.
14991 ### <a name="Rconc-mutex"></a>CP.50: Define a `mutex` together with the data it guards. Use `synchronized_value<T>` where possible
14993 ##### Reason
14995 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.
14997 Using a `synchronized_value<T>` ensures that the data has a mutex, and the right mutex is locked when the data is accessed.
14998 See the [WG21 proposal](http://wg21.link/p0290) to add `synchronized_value` to a future TS or revision of the C++ standard.
15000 ##### Example
15002     struct Record {
15003         std::mutex m;   // take this mutex before accessing other members
15004         // ...
15005     };
15007     class MyClass {
15008         struct DataRecord {
15009            // ...
15010         };
15011         synchronized_value<DataRecord> data; // Protect the data with a mutex
15012     };
15014 ##### Enforcement
15016 ??? Possible?
15019 ## <a name="SScp-coro"></a>CP.coro: Coroutines
15021 This section focuses on uses of coroutines.
15023 Coroutine rule summary:
15025 * [CP.51: Do not use capturing lambdas that are coroutines](#Rcoro-capture)
15027 ### <a name="Rcoro-capture"></a>CP.51: Do not use capturing lambdas that are coroutines
15029 ##### Reason
15031 Usage patterns that are correct with normal lambdas are hazardous with coroutine lambdas. The obvious pattern of capturing variables will result in accessing freed memory after the first suspension point, even for refcounted smart pointers and copyable types.  
15033 A lambda results in a closure object with storage, often on the stack, that will go out of scope at some point.  When the closure object goes out of scope the captures will also go out of scope.  Normal lambdas will have finished executing by this time so it is not a problem.  Coroutine lambdas may resume from suspension after the closure object has destructed and at that point all captures will be use-after-free memory access.
15035 ##### Example, Bad
15037     int value = get_value();
15038     std::shared_ptr<Foo> sharedFoo = get_foo();
15039     {
15040       const auto lambda = [value, sharedFoo]() -> std::future<void>
15041       {
15042         co_await something();
15043         // "sharedFoo" and "value" have already been destroyed
15044         // the "shared" pointer didn't accomplish anything
15045       };
15046       lambda();
15047     } // the lambda closure object has now gone out of scope
15049 ##### Example, Better
15051     int value = get_value();
15052     std::shared_ptr<Foo> sharedFoo = get_foo();
15053     {
15054       // take as by-value parameter instead of as a capture
15055       const auto lambda = [](auto sharedFoo, auto value) -> std::future<void>
15056       {
15057         co_await something();
15058         // sharedFoo and value are still valid at this point
15059       };
15060       lambda(sharedFoo, value);
15061     } // the lambda closure object has now gone out of scope
15063 ##### Example, Best
15065 Use a function for coroutines.
15067     std::future<void> Class::do_something(int value, std::shared_ptr<Foo> sharedFoo)
15068     {
15069       co_await something();
15070       // sharedFoo and value are still valid at this point
15071     }
15073     void SomeOtherFunction()
15074     {
15075       int value = get_value();
15076       std::shared_ptr<Foo> sharedFoo = get_foo();
15077       do_something(value, sharedFoo);
15078     }
15080 ##### Enforcement
15082 Flag a lambda that is a coroutine and has a non-empty capture list.
15085 ## <a name="SScp-par"></a>CP.par: Parallelism
15087 By "parallelism" we refer to performing a task (more or less) simultaneously ("in parallel with") on many data items.
15089 Parallelism rule summary:
15091 * ???
15092 * ???
15093 * Where appropriate, prefer the standard-library parallel algorithms
15094 * Use algorithms that are designed for parallelism, not algorithms with unnecessary dependency on linear evaluation
15098 ## <a name="SScp-mess"></a>CP.mess: Message passing
15100 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.
15101 Most people shouldn't work at this level: it's error-prone and development is slow.
15102 If possible, use a higher level facility: messaging libraries, parallel algorithms, and vectorization.
15103 This section looks at passing messages so that a programmer doesn't have to do explicit synchronization.
15105 Message passing rules summary:
15107 * [CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task](#Rconc-future)
15108 * [CP.61: Use `async()` to spawn concurrent tasks](#Rconc-async)
15109 * message queues
15110 * messaging libraries
15112 ???? should there be a "use X rather than `std::async`" where X is something that would use a better specified thread pool?
15114 ??? 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?
15117 ### <a name="Rconc-future"></a>CP.60: Use a `future` to return a value from a concurrent task
15119 ##### Reason
15121 A `future` preserves the usual function call return semantics for asynchronous tasks.
15122 There is no explicit locking and both correct (value) return and error (exception) return are handled simply.
15124 ##### Example
15126     ???
15128 ##### Note
15132 ##### Enforcement
15136 ### <a name="Rconc-async"></a>CP.61: Use `async()` to spawn concurrent tasks
15138 ##### Reason
15140 Similar to [R.12](#Rr-immediate-alloc), which tells you to avoid raw owning pointers, you should
15141 also avoid raw threads and raw promises where possible. Use a factory function such as `std::async`,
15142 which handles spawning or reusing a thread without exposing raw threads to your own code.
15144 ##### Example
15146     int read_value(const std::string& filename)
15147     {
15148         std::ifstream in(filename);
15149         in.exceptions(std::ifstream::failbit);
15150         int value;
15151         in >> value;
15152         return value;
15153     }
15155     void async_example()
15156     {
15157         try {
15158             std::future<int> f1 = std::async(read_value, "v1.txt");
15159             std::future<int> f2 = std::async(read_value, "v2.txt");
15160             std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
15161         } catch (const std::ios_base::failure& fail) {
15162             // handle exception here
15163         }
15164     }
15166 ##### Note
15168 Unfortunately, `std::async` is not perfect. For example, it doesn't use a thread pool,
15169 which means that it might fail due to resource exhaustion, rather than queuing up your tasks
15170 to be executed later. However, even if you cannot use `std::async`, you should prefer to
15171 write your own `future`-returning factory function, rather than using raw promises.
15173 ##### Example (bad)
15175 This example shows two different ways to succeed at using `std::future`, but to fail
15176 at avoiding raw `std::thread` management.
15178     void async_example()
15179     {
15180         std::promise<int> p1;
15181         std::future<int> f1 = p1.get_future();
15182         std::thread t1([p1 = std::move(p1)]() mutable {
15183             p1.set_value(read_value("v1.txt"));
15184         });
15185         t1.detach(); // evil
15187         std::packaged_task<int()> pt2(read_value, "v2.txt");
15188         std::future<int> f2 = pt2.get_future();
15189         std::thread(std::move(pt2)).detach();
15191         std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
15192     }
15194 ##### Example (good)
15196 This example shows one way you could follow the general pattern set by
15197 `std::async`, in a context where `std::async` itself was unacceptable for
15198 use in production.
15200     void async_example(WorkQueue& wq)
15201     {
15202         std::future<int> f1 = wq.enqueue([]() {
15203             return read_value("v1.txt");
15204         });
15205         std::future<int> f2 = wq.enqueue([]() {
15206             return read_value("v2.txt");
15207         });
15208         std::cout << f1.get() + f2.get() << '\n';
15209     }
15211 Any threads spawned to execute the code of `read_value` are hidden behind
15212 the call to `WorkQueue::enqueue`. The user code deals only with `future`
15213 objects, never with raw `thread`, `promise`, or `packaged_task` objects.
15215 ##### Enforcement
15220 ## <a name="SScp-vec"></a>CP.vec: Vectorization
15222 Vectorization is a technique for executing a number of tasks concurrently without introducing explicit synchronization.
15223 An operation is simply applied to elements of a data structure (a vector, an array, etc.) in parallel.
15224 Vectorization has the interesting property of often requiring no non-local changes to a program.
15225 However, vectorization works best with simple data structures and with algorithms specifically crafted to enable it.
15227 Vectorization rule summary:
15229 * ???
15230 * ???
15232 ## <a name="SScp-free"></a>CP.free: Lock-free programming
15234 Synchronization using `mutex`es and `condition_variable`s can be relatively expensive.
15235 Furthermore, it can lead to deadlock.
15236 For performance and to eliminate the possibility of deadlock, we sometimes have to use the tricky low-level "lock-free" facilities
15237 that rely on briefly gaining exclusive ("atomic") access to memory.
15238 Lock-free programming is also used to implement higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es.
15240 Lock-free programming rule summary:
15242 * [CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to](#Rconc-lockfree)
15243 * [CP.101: Distrust your hardware/compiler combination](#Rconc-distrust)
15244 * [CP.102: Carefully study the literature](#Rconc-literature)
15245 * how/when to use atomics
15246 * avoid starvation
15247 * use a lock-free data structure rather than hand-crafting specific lock-free access
15248 * [CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization](#Rconc-double)
15249 * [CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking](#Rconc-double-pattern)
15250 * how/when to compare and swap
15253 ### <a name="Rconc-lockfree"></a>CP.100: Don't use lock-free programming unless you absolutely have to
15255 ##### Reason
15257 It's error-prone and requires expert level knowledge of language features, machine architecture, and data structures.
15259 ##### Example, bad
15261     extern atomic<Link*> head;        // the shared head of a linked list
15263     Link* nh = new Link(data, nullptr);    // make a link ready for insertion
15264     Link* h = head.load();                 // read the shared head of the list
15266     do {
15267         if (h->data <= data) break;        // if so, insert elsewhere
15268         nh->next = h;                      // next element is the previous head
15269     } while (!head.compare_exchange_weak(h, nh));    // write nh to head or to h
15271 Spot the bug.
15272 It would be really hard to find through testing.
15273 Read up on the ABA problem.
15275 ##### Exception
15277 [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.
15279 ##### Note
15281 Higher-level concurrency mechanisms, such as `thread`s and `mutex`es are implemented using lock-free programming.
15283 **Alternative**: Use lock-free data structures implemented by others as part of some library.
15286 ### <a name="Rconc-distrust"></a>CP.101: Distrust your hardware/compiler combination
15288 ##### Reason
15290 The low-level hardware interfaces used by lock-free programming are among the hardest to implement well and among
15291 the areas where the most subtle portability problems occur.
15292 If you are doing lock-free programming for performance, you need to check for regressions.
15294 ##### Note
15296 Instruction reordering (static and dynamic) makes it hard for us to think effectively at this level (especially if you use relaxed memory models).
15297 Experience, (semi)formal models and model checking can be useful.
15298 Testing - often to an extreme extent - is essential.
15299 "Don't fly too close to the sun."
15301 ##### Enforcement
15303 Have strong rules for re-testing in place that covers any change in hardware, operating system, compiler, and libraries.
15306 ### <a name="Rconc-literature"></a>CP.102: Carefully study the literature
15308 ##### Reason
15310 With the exception of atomics and a few other standard patterns, lock-free programming is really an expert-only topic.
15311 Become an expert before shipping lock-free code for others to use.
15313 ##### References
15315 * Anthony Williams: C++ concurrency in action. Manning Publications.
15316 * Boehm, Adve, You Don't Know Jack About Shared Variables or Memory Models , Communications of the ACM, Feb 2012.
15317 * Boehm, "Threads Basics", HPL TR 2009-259.
15318 * Adve, Boehm, "Memory Models: A Case for Rethinking Parallel Languages and Hardware", Communications of the ACM, August 2010.
15319 * Boehm, Adve, "Foundations of the C++ Concurrency Memory Model", PLDI 08.
15320 * Mark Batty, Scott Owens, Susmit Sarkar, Peter Sewell, and Tjark Weber, "Mathematizing C++ Concurrency", POPL 2011.
15321 * 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.
15322 * Damian Dechev and Bjarne Stroustrup: Scalable Non-blocking Concurrent Objects for Mission Critical Code. ACM OOPSLA'09. October 2009
15323 * 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.
15326 ### <a name="Rconc-double"></a>CP.110: Do not write your own double-checked locking for initialization
15328 ##### Reason
15330 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.
15332 ##### Example
15334 Example with std::call_once.
15336     void f()
15337     {
15338         static std::once_flag my_once_flag;
15339         std::call_once(my_once_flag, []()
15340         {
15341             // do this only once
15342         });
15343         // ...
15344     }
15346 Example with thread-safe static local variables of C++11.
15348     void f()
15349     {
15350         // Assuming the compiler is compliant with C++11
15351         static My_class my_object; // Constructor called only once
15352         // ...
15353     }
15355     class My_class
15356     {
15357     public:
15358         My_class()
15359         {
15360             // do this only once
15361         }
15362     };
15364 ##### Enforcement
15366 ??? Is it possible to detect the idiom?
15369 ### <a name="Rconc-double-pattern"></a>CP.111: Use a conventional pattern if you really need double-checked locking
15371 ##### Reason
15373 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.
15375 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.
15377 ##### Example, bad
15379 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)
15381     mutex action_mutex;
15382     volatile bool action_needed;
15384     if (action_needed) {
15385         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15386         if (action_needed) {
15387             take_action();
15388             action_needed = false;
15389         }
15390     }
15392 ##### Example, good
15394     mutex action_mutex;
15395     atomic<bool> action_needed;
15397     if (action_needed) {
15398         std::lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15399         if (action_needed) {
15400             take_action();
15401             action_needed = false;
15402         }
15403     }
15405 Fine-tuned memory order might be beneficial where acquire load is more efficient than sequentially-consistent load
15407     mutex action_mutex;
15408     atomic<bool> action_needed;
15410     if (action_needed.load(memory_order_acquire)) {
15411         lock_guard<std::mutex> lock(action_mutex);
15412         if (action_needed.load(memory_order_relaxed)) {
15413             take_action();
15414             action_needed.store(false, memory_order_release);
15415         }
15416     }
15418 ##### Enforcement
15420 ??? Is it possible to detect the idiom?
15423 ## <a name="SScp-etc"></a>CP.etc: Etc. concurrency rules
15425 These rules defy simple categorization:
15427 * [CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory](#Rconc-volatile2)
15428 * [CP.201: ??? Signals](#Rconc-signal)
15430 ### <a name="Rconc-volatile2"></a>CP.200: Use `volatile` only to talk to non-C++ memory
15432 ##### Reason
15434 `volatile` is used to refer to objects that are shared with "non-C++" code or hardware that does not follow the C++ memory model.
15436 ##### Example
15438     const volatile long clock;
15440 This describes a register constantly updated by a clock circuit.
15441 `clock` is `volatile` because its value will change without any action from the C++ program that uses it.
15442 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:
15444     long t1 = clock;
15445     // ... no use of clock here ...
15446     long t2 = clock;
15448 `clock` is `const` because the program should not try to write to `clock`.
15450 ##### Note
15452 Unless you are writing the lowest level code manipulating hardware directly, consider `volatile` an esoteric feature that is best avoided.
15454 ##### Example
15456 Usually C++ code receives `volatile` memory that is owned elsewhere (hardware or another language):
15458     int volatile* vi = get_hardware_memory_location();
15459         // note: we get a pointer to someone else's memory here
15460         // volatile says "treat this with extra respect"
15462 Sometimes C++ code allocates the `volatile` memory and shares it with "elsewhere" (hardware or another language) by deliberately escaping a pointer:
15464     static volatile long vl;
15465     please_use_this(&vl);   // escape a reference to this to "elsewhere" (not C++)
15467 ##### Example, bad
15469 `volatile` local variables are nearly always wrong -- how can they be shared with other languages or hardware if they're ephemeral?
15470 The same applies almost as strongly to member variables, for the same reason.
15472     void f()
15473     {
15474         volatile int i = 0; // bad, volatile local variable
15475         // etc.
15476     }
15478     class My_type {
15479         volatile int i = 0; // suspicious, volatile member variable
15480         // etc.
15481     };
15483 ##### Note
15485 In C++, unlike in some other languages, `volatile` has [nothing to do with synchronization](#Rconc-volatile).
15487 ##### Enforcement
15489 * Flag `volatile T` local and member variables; almost certainly you intended to use `atomic<T>` instead.
15490 * ???
15492 ### <a name="Rconc-signal"></a>CP.201: ??? Signals
15494 ???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")
15497 # <a name="S-errors"></a>E: Error handling
15499 Error handling involves:
15501 * Detecting an error
15502 * Transmitting information about an error to some handler code
15503 * Preserving a valid state of the program
15504 * Avoiding resource leaks
15506 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.
15508 The rules are designed to help avoid several kinds of errors:
15510 * Type violations (e.g., misuse of `union`s and casts)
15511 * Resource leaks (including memory leaks)
15512 * Bounds errors
15513 * Lifetime errors (e.g., accessing an object after is has been `delete`d)
15514 * Complexity errors (logical errors made likely by overly complex expression of ideas)
15515 * Interface errors (e.g., an unexpected value is passed through an interface)
15517 Error-handling rule summary:
15519 * [E.1: Develop an error-handling strategy early in a design](#Re-design)
15520 * [E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task](#Re-throw)
15521 * [E.3: Use exceptions for error handling only](#Re-errors)
15522 * [E.4: Design your error-handling strategy around invariants](#Re-design-invariants)
15523 * [E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot](#Re-invariant)
15524 * [E.6: Use RAII to prevent leaks](#Re-raii)
15525 * [E.7: State your preconditions](#Re-precondition)
15526 * [E.8: State your postconditions](#Re-postcondition)
15528 * [E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable](#Re-noexcept)
15529 * [E.13: Never throw while being the direct owner of an object](#Re-never-throw)
15530 * [E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)](#Re-exception-types)
15531 * [E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference](#Re-exception-ref)
15532 * [E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail](#Re-never-fail)
15533 * [E.17: Don't try to catch every exception in every function](#Re-not-always)
15534 * [E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`](#Re-catch)
15535 * [E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available](#Re-finally)
15537 * [E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management](#Re-no-throw-raii)
15538 * [E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast](#Re-no-throw-crash)
15539 * [E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically](#Re-no-throw-codes)
15540 * [E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)](#Re-no-throw)
15542 * [E.30: Don't use exception specifications](#Re-specifications)
15543 * [E.31: Properly order your `catch`-clauses](#Re_catch)
15545 ### <a name="Re-design"></a>E.1: Develop an error-handling strategy early in a design
15547 ##### Reason
15549 A consistent and complete strategy for handling errors and resource leaks is hard to retrofit into a system.
15551 ### <a name="Re-throw"></a>E.2: Throw an exception to signal that a function can't perform its assigned task
15553 ##### Reason
15555 To make error handling systematic, robust, and non-repetitive.
15557 ##### Example
15559     struct Foo {
15560         vector<Thing> v;
15561         File_handle f;
15562         string s;
15563     };
15565     void use()
15566     {
15567         Foo bar {{Thing{1}, Thing{2}, Thing{monkey}}, {"my_file", "r"}, "Here we go!"};
15568         // ...
15569     }
15571 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.
15572 In each case, they throw an exception for `use()`'s caller to handle.
15573 If `use()` could handle the failure to construct `bar` it can take control using `try`/`catch`.
15574 In either case, `Foo`'s constructor correctly destroys constructed members before passing control to whatever tried to create a `Foo`.
15575 Note that there is no return value that could contain an error code.
15577 The `File_handle` constructor might be defined like this:
15579     File_handle::File_handle(const string& name, const string& mode)
15580         : f{fopen(name.c_str(), mode.c_str())}
15581     {
15582         if (!f)
15583             throw runtime_error{"File_handle: could not open " + name + " as " + mode};
15584     }
15586 ##### Note
15588 It is often said that exceptions are meant to signal exceptional events and failures.
15589 However, that's a bit circular because "what is exceptional?"
15590 Examples:
15592 * A precondition that cannot be met
15593 * A constructor that cannot construct an object (failure to establish its class's [invariant](#Rc-struct))
15594 * An out-of-range error (e.g., `v[v.size()] = 7`)
15595 * Inability to acquire a resource (e.g., the network is down)
15597 In contrast, termination of an ordinary loop is not exceptional.
15598 Unless the loop was meant to be infinite, termination is normal and expected.
15600 ##### Note
15602 Don't use a `throw` as simply an alternative way of returning a value from a function.
15604 ##### Exception
15606 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`.
15608 **See also**: [RAII](#Re-raii)
15610 **See also**: [discussion](#Sd-noexcept)
15612 ##### Note
15614 Before deciding that you cannot afford or don't like exception-based error handling, have a look at the [alternatives](#Re-no-throw-raii);
15615 they have their own complexities and problems.
15616 Also, as far as possible, measure before making claims about efficiency.
15618 ### <a name="Re-errors"></a>E.3: Use exceptions for error handling only
15620 ##### Reason
15622 To keep error handling separated from "ordinary code."
15623 C++ implementations tend to be optimized based on the assumption that exceptions are rare.
15625 ##### Example, don't
15627     // don't: exception not used for error handling
15628     int find_index(vector<string>& vec, const string& x)
15629     {
15630         try {
15631             for (gsl::index i = 0; i < vec.size(); ++i)
15632                 if (vec[i] == x) throw i;  // found x
15633         }
15634         catch (int i) {
15635             return i;
15636         }
15637         return -1;   // not found
15638     }
15640 This is more complicated and most likely runs much slower than the obvious alternative.
15641 There is nothing exceptional about finding a value in a `vector`.
15643 ##### Enforcement
15645 Would need to be heuristic.
15646 Look for exception values "leaked" out of `catch` clauses.
15648 ### <a name="Re-design-invariants"></a>E.4: Design your error-handling strategy around invariants
15650 ##### Reason
15652 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.
15654 ##### Note
15656 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.
15658 ##### Enforcement
15662 ### <a name="Re-invariant"></a>E.5: Let a constructor establish an invariant, and throw if it cannot
15664 ##### Reason
15666 Leaving an object without its invariant established is asking for trouble.
15667 Not all member functions can be called.
15669 ##### Example
15671     class Vector {  // very simplified vector of doubles
15672         // if elem != nullptr then elem points to sz doubles
15673     public:
15674         Vector() : elem{nullptr}, sz{0}{}
15675         Vector(int s) : elem{new double[s]}, sz{s} { /* initialize elements */ }
15676         ~Vector() { delete [] elem; }
15677         double& operator[](int s) { return elem[s]; }
15678         // ...
15679     private:
15680         owner<double*> elem;
15681         int sz;
15682     };
15684 The class invariant - here stated as a comment - is established by the constructors.
15685 `new` throws if it cannot allocate the required memory.
15686 The operators, notably the subscript operator, relies on the invariant.
15688 **See also**: [If a constructor cannot construct a valid object, throw an exception](#Rc-throw)
15690 ##### Enforcement
15692 Flag classes with `private` state without a constructor (public, protected, or private).
15694 ### <a name="Re-raii"></a>E.6: Use RAII to prevent leaks
15696 ##### Reason
15698 Leaks are typically unacceptable.
15699 Manual resource release is error-prone.
15700 RAII ("Resource Acquisition Is Initialization") is the simplest, most systematic way of preventing leaks.
15702 ##### Example
15704     void f1(int i)   // Bad: possible leak
15705     {
15706         int* p = new int[12];
15707         // ...
15708         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15709         // ...
15710     }
15712 We could carefully release the resource before the throw:
15714     void f2(int i)   // Clumsy and error-prone: explicit release
15715     {
15716         int* p = new int[12];
15717         // ...
15718         if (i < 17) {
15719             delete[] p;
15720             throw Bad{"in f()", i};
15721         }
15722         // ...
15723     }
15725 This is verbose. In larger code with multiple possible `throw`s explicit releases become repetitive and error-prone.
15727     void f3(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15728     {
15729         auto p = make_unique<int[]>(12);
15730         // ...
15731         if (i < 17) throw Bad{"in f()", i};
15732         // ...
15733     }
15735 Note that this works even when the `throw` is implicit because it happened in a called function:
15737     void f4(int i)   // OK: resource management done by a handle (but see below)
15738     {
15739         auto p = make_unique<int[]>(12);
15740         // ...
15741         helper(i);   // might throw
15742         // ...
15743     }
15745 Unless you really need pointer semantics, use a local resource object:
15747     void f5(int i)   // OK: resource management done by local object
15748     {
15749         vector<int> v(12);
15750         // ...
15751         helper(i);   // might throw
15752         // ...
15753     }
15755 That's even simpler and safer, and often more efficient.
15757 ##### Note
15759 If there is no obvious resource handle and for some reason defining a proper RAII object/handle is infeasible,
15760 as a last resort, cleanup actions can be represented by a [`final_action`](#Re-finally) object.
15762 ##### Note
15764 But what do we do if we are writing a program where exceptions cannot be used?
15765 First challenge that assumption; there are many anti-exceptions myths around.
15766 We know of only a few good reasons:
15768 * We are on a system so small that the exception support would eat up most of our 2K memory.
15769 * 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.
15770 * We are in a system with tons of legacy code using lots of pointers in difficult-to-understand ways
15771   (in particular without a recognizable ownership strategy) so that exceptions could cause leaks.
15772 * Our implementation of the C++ exception mechanisms is unreasonably poor
15773 (slow, memory consuming, failing to work correctly for dynamically linked libraries, etc.).
15774 Complain to your implementation purveyor; if no user complains, no improvement will happen.
15775 * We get fired if we challenge our manager's ancient wisdom.
15777 Only the first of these reasons is fundamental, so whenever possible, use exceptions to implement RAII, or design your RAII objects to never fail.
15778 When exceptions cannot be used, simulate RAII.
15779 That is, systematically check that objects are valid after construction and still release all resources in the destructor.
15780 One strategy is to add a `valid()` operation to every resource handle:
15782     void f()
15783     {
15784         vector<string> vs(100);   // not std::vector: valid() added
15785         if (!vs.valid()) {
15786             // handle error or exit
15787         }
15789         ifstream fs("foo");   // not std::ifstream: valid() added
15790         if (!fs.valid()) {
15791             // handle error or exit
15792         }
15794         // ...
15795     } // destructors clean up as usual
15797 Obviously, this increases the size of the code, doesn't allow for implicit propagation of "exceptions" (`valid()` checks), and `valid()` checks can be forgotten.
15798 Prefer to use exceptions.
15800 **See also**: [Use of `noexcept`](#Re-noexcept)
15802 ##### Enforcement
15806 ### <a name="Re-precondition"></a>E.7: State your preconditions
15808 ##### Reason
15810 To avoid interface errors.
15812 **See also**: [precondition rule](#Ri-pre)
15814 ### <a name="Re-postcondition"></a>E.8: State your postconditions
15816 ##### Reason
15818 To avoid interface errors.
15820 **See also**: [postcondition rule](#Ri-post)
15822 ### <a name="Re-noexcept"></a>E.12: Use `noexcept` when exiting a function because of a `throw` is impossible or unacceptable
15824 ##### Reason
15826 To make error handling systematic, robust, and efficient.
15828 ##### Example
15830     double compute(double d) noexcept
15831     {
15832         return log(sqrt(d <= 0 ? 1 : d));
15833     }
15835 Here, we know that `compute` will not throw because it is composed out of operations that don't throw.
15836 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`.
15838 ##### Note
15840 Many standard-library functions are `noexcept` including all the standard-library functions "inherited" from the C Standard Library.
15842 ##### Example
15844     vector<double> munge(const vector<double>& v) noexcept
15845     {
15846         vector<double> v2(v.size());
15847         // ... do something ...
15848     }
15850 The `noexcept` here states that I am not willing or able to handle the situation where I cannot construct the local `vector`.
15851 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.
15853 ##### Note
15855 Do not use traditional [exception-specifications](#Re-specifications).
15857 ##### See also
15859 [discussion](#Sd-noexcept).
15861 ### <a name="Re-never-throw"></a>E.13: Never throw while being the direct owner of an object
15863 ##### Reason
15865 That would be a leak.
15867 ##### Example
15869     void leak(int x)   // don't: might leak
15870     {
15871         auto p = new int{7};
15872         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // might leak *p
15873         // ...
15874         delete p;   // we might never get here
15875     }
15877 One way of avoiding such problems is to use resource handles consistently:
15879     void no_leak(int x)
15880     {
15881         auto p = make_unique<int>(7);
15882         if (x < 0) throw Get_me_out_of_here{};  // will delete *p if necessary
15883         // ...
15884         // no need for delete p
15885     }
15887 Another solution (often better) would be to use a local variable to eliminate explicit use of pointers:
15889     void no_leak_simplified(int x)
15890     {
15891         vector<int> v(7);
15892         // ...
15893     }
15895 ##### Note
15897 If you have a local "thing" that requires cleanup, but is not represented by an object with a destructor, such cleanup must
15898 also be done before a `throw`.
15899 Sometimes, [`finally()`](#Re-finally) can make such unsystematic cleanup a bit more manageable.
15901 ### <a name="Re-exception-types"></a>E.14: Use purpose-designed user-defined types as exceptions (not built-in types)
15903 ##### Reason
15905 A user-defined type is unlikely to clash with other people's exceptions.
15907 ##### Example
15909     void my_code()
15910     {
15911         // ...
15912         throw Moonphase_error{};
15913         // ...
15914     }
15916     void your_code()
15917     {
15918         try {
15919             // ...
15920             my_code();
15921             // ...
15922         }
15923         catch(const Bufferpool_exhausted&) {
15924             // ...
15925         }
15926     }
15928 ##### Example, don't
15930     void my_code()     // Don't
15931     {
15932         // ...
15933         throw 7;       // 7 means "moon in the 4th quarter"
15934         // ...
15935     }
15937     void your_code()   // Don't
15938     {
15939         try {
15940             // ...
15941             my_code();
15942             // ...
15943         }
15944         catch(int i) {  // i == 7 means "input buffer too small"
15945             // ...
15946         }
15947     }
15949 ##### Note
15951 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.
15953 ##### Example, don't
15955     void my_code()   // Don't
15956     {
15957         // ...
15958         throw runtime_error{"moon in the 4th quarter"};
15959         // ...
15960     }
15962     void your_code()   // Don't
15963     {
15964         try {
15965             // ...
15966             my_code();
15967             // ...
15968         }
15969         catch(const runtime_error&) {   // runtime_error means "input buffer too small"
15970             // ...
15971         }
15972     }
15974 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
15976 ##### Enforcement
15978 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.
15980 ### <a name="Re-exception-ref"></a>E.15: Catch exceptions from a hierarchy by reference
15982 ##### Reason
15984 To prevent slicing.
15986 ##### Example
15988     void f()
15989     {
15990         try {
15991             // ...
15992         }
15993         catch (exception e) {   // don't: might slice
15994             // ...
15995         }
15996     }
15998 Instead, use a reference:
16000     catch (exception& e) { /* ... */ }
16002 or - typically better still - a `const` reference:
16004     catch (const exception& e) { /* ... */ }
16006 Most handlers do not modify their exception and in general we [recommend use of `const`](#Res-const).
16008 ##### Note
16010 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.)
16012 ##### Enforcement
16014 Flag by-value exceptions if their types are part of a hierarchy (could require whole-program analysis to be perfect).
16016 ### <a name="Re-never-fail"></a>E.16: Destructors, deallocation, and `swap` must never fail
16018 ##### Reason
16020 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.
16022 ##### Example, don't
16024     class Connection {
16025         // ...
16026     public:
16027         ~Connection()   // Don't: very bad destructor
16028         {
16029             if (cannot_disconnect()) throw I_give_up{information};
16030             // ...
16031         }
16032     };
16034 ##### Note
16036 Many have tried to write reliable code violating this rule for examples, such as a network connection that "refuses to close".
16037 To the best of our knowledge nobody has found a general way of doing this.
16038 Occasionally, for very specific examples, you can get away with setting some state for future cleanup.
16039 For example, we might put a socket that does not want to close on a "bad socket" list,
16040 to be examined by a regular sweep of the system state.
16041 Every example we have seen of this is error-prone, specialized, and often buggy.
16043 ##### Note
16045 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.
16047 ##### Note
16049 Deallocation functions, including `operator delete`, must be `noexcept`. `swap` functions must be `noexcept`.
16050 Most destructors are implicitly `noexcept` by default.
16051 Also, [make move operations `noexcept`](#Rc-move-noexcept).
16053 ##### Enforcement
16055 Catch destructors, deallocation operations, and `swap`s that `throw`.
16056 Catch such operations that are not `noexcept`.
16058 **See also**: [discussion](#Sd-never-fail)
16060 ### <a name="Re-not-always"></a>E.17: Don't try to catch every exception in every function
16062 ##### Reason
16064 Catching an exception in a function that cannot take a meaningful recovery action leads to complexity and waste.
16065 Let an exception propagate until it reaches a function that can handle it.
16066 Let cleanup actions on the unwinding path be handled by [RAII](#Re-raii).
16068 ##### Example, don't
16070     void f()   // bad
16071     {
16072         try {
16073             // ...
16074         }
16075         catch (...) {
16076             // no action
16077             throw;   // propagate exception
16078         }
16079     }
16081 ##### Enforcement
16083 * Flag nested try-blocks.
16084 * Flag source code files with a too high ratio of try-blocks to functions. (??? Problem: define "too high")
16086 ### <a name="Re-catch"></a>E.18: Minimize the use of explicit `try`/`catch`
16088 ##### Reason
16090  `try`/`catch` is verbose and non-trivial uses are error-prone.
16091  `try`/`catch` can be a sign of unsystematic and/or low-level resource management or error handling.
16093 ##### Example, Bad
16095     void f(zstring s)
16096     {
16097         Gadget* p;
16098         try {
16099             p = new Gadget(s);
16100             // ...
16101             delete p;
16102         }
16103         catch (Gadget_construction_failure) {
16104             delete p;
16105             throw;
16106         }
16107     }
16109 This code is messy.
16110 There could be a leak from the naked pointer in the `try` block.
16111 Not all exceptions are handled.
16112 `deleting` an object that failed to construct is almost certainly a mistake.
16113 Better:
16115     void f2(zstring s)
16116     {
16117         Gadget g {s};
16118     }
16120 ##### Alternatives
16122 * proper resource handles and [RAII](#Re-raii)
16123 * [`finally`](#Re-finally)
16125 ##### Enforcement
16127 ??? hard, needs a heuristic
16129 ### <a name="Re-finally"></a>E.19: Use a `final_action` object to express cleanup if no suitable resource handle is available
16131 ##### Reason
16133 `finally` is less verbose and harder to get wrong than `try`/`catch`.
16135 ##### Example
16137     void f(int n)
16138     {
16139         void* p = malloc(n);
16140         auto _ = finally([p] { free(p); });
16141         // ...
16142     }
16144 ##### Note
16146 `finally` is not as messy as `try`/`catch`, but it is still ad-hoc.
16147 Prefer [proper resource management objects](#Re-raii).
16148 Consider `finally` a last resort.
16150 ##### Note
16152 Use of `finally` is a systematic and reasonably clean alternative to the old [`goto exit;` technique](#Re-no-throw-codes)
16153 for dealing with cleanup where resource management is not systematic.
16155 ##### Enforcement
16157 Heuristic: Detect `goto exit;`
16159 ### <a name="Re-no-throw-raii"></a>E.25: If you can't throw exceptions, simulate RAII for resource management
16161 ##### Reason
16163 Even without exceptions, [RAII](#Re-raii) is usually the best and most systematic way of dealing with resources.
16165 ##### Note
16167 Error handling using exceptions is the only complete and systematic way of handling non-local errors in C++.
16168 In particular, non-intrusively signaling failure to construct an object requires an exception.
16169 Signaling errors in a way that cannot be ignored requires exceptions.
16170 If you can't use exceptions, simulate their use as best you can.
16172 A lot of fear of exceptions is misguided.
16173 When used for exceptional circumstances in code that is not littered with pointers and complicated control structures,
16174 exception handling is almost always affordable (in time and space) and almost always leads to better code.
16175 This, of course, assumes a good implementation of the exception handling mechanisms, which is not available on all systems.
16176 There are also cases where the problems above do not apply, but exceptions cannot be used for other reasons.
16177 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.
16178 In the absence of appropriate time estimation tools, this is hard to guarantee for exceptions.
16179 Such systems (e.g. flight control software) typically also ban the use of dynamic (heap) memory.
16181 So, the primary guideline for error handling is "use exceptions and [RAII](#Re-raii)."
16182 This section deals with the cases where you either do not have an efficient implementation of exceptions,
16183 or have such a rat's nest of old-style code
16184 (e.g., lots of pointers, ill-defined ownership, and lots of unsystematic error handling based on tests of error codes)
16185 that it is infeasible to introduce simple and systematic exception handling.
16187 Before condemning exceptions or complaining too much about their cost, consider examples of the use of [error codes](#Re-no-throw-codes).
16188 Consider the cost and complexity of the use of error codes.
16189 If performance is your worry, measure.
16191 ##### Example
16193 Assume you wanted to write
16195     void func(zstring arg)
16196     {
16197         Gadget g {arg};
16198         // ...
16199     }
16201 If the `gadget` isn't correctly constructed, `func` exits with an exception.
16202 If we cannot throw an exception, we can simulate this RAII style of resource handling by adding a `valid()` member function to `Gadget`:
16204     error_indicator func(zstring arg)
16205     {
16206         Gadget g {arg};
16207         if (!g.valid()) return gadget_construction_error;
16208         // ...
16209         return 0;   // zero indicates "good"
16210     }
16212 The problem is of course that the caller now has to remember to test the return value. To encourage doing so, consider adding a `[[nodiscard]]`.
16214 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
16216 ##### Enforcement
16218 Possible (only) for specific versions of this idea: e.g., test for systematic test of `valid()` after resource handle construction
16220 ### <a name="Re-no-throw-crash"></a>E.26: If you can't throw exceptions, consider failing fast
16222 ##### Reason
16224 If you can't do a good job at recovering, at least you can get out before too much consequential damage is done.
16226 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16228 ##### Note
16230 If you cannot be systematic about error handling, consider "crashing" as a response to any error that cannot be handled locally.
16231 That is, if you cannot recover from an error in the context of the function that detected it, call `abort()`, `quick_exit()`,
16232 or a similar function that will trigger some sort of system restart.
16234 In systems where you have lots of processes and/or lots of computers, you need to expect and handle fatal crashes anyway,
16235 say from hardware failures.
16236 In such cases, "crashing" is simply leaving error handling to the next level of the system.
16238 ##### Example
16240     void f(int n)
16241     {
16242         // ...
16243         p = static_cast<X*>(malloc(n * sizeof(X)));
16244         if (!p) abort();     // abort if memory is exhausted
16245         // ...
16246     }
16248 Most programs cannot handle memory exhaustion gracefully anyway. This is roughly equivalent to
16250     void f(int n)
16251     {
16252         // ...
16253         p = new X[n];    // throw if memory is exhausted (by default, terminate)
16254         // ...
16255     }
16257 Typically, it is a good idea to log the reason for the "crash" before exiting.
16259 ##### Enforcement
16261 Awkward
16263 ### <a name="Re-no-throw-codes"></a>E.27: If you can't throw exceptions, use error codes systematically
16265 ##### Reason
16267 Systematic use of any error-handling strategy minimizes the chance of forgetting to handle an error.
16269 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16271 ##### Note
16273 There are several issues to be addressed:
16275 * How do you transmit an error indicator from out of a function?
16276 * How do you release all resources from a function before doing an error exit?
16277 * What do you use as an error indicator?
16279 In general, returning an error indicator implies returning two values: The result and an error indicator.
16280 The error indicator can be part of the object, e.g. an object can have a `valid()` indicator
16281 or a pair of values can be returned.
16283 ##### Example
16285     Gadget make_gadget(int n)
16286     {
16287         // ...
16288     }
16290     void user()
16291     {
16292         Gadget g = make_gadget(17);
16293         if (!g.valid()) {
16294                 // error handling
16295         }
16296         // ...
16297     }
16299 This approach fits with [simulated RAII resource management](#Re-no-throw-raii).
16300 The `valid()` function could return an `error_indicator` (e.g. a member of an `error_indicator` enumeration).
16302 ##### Example
16304 What if we cannot or do not want to modify the `Gadget` type?
16305 In that case, we must return a pair of values.
16306 For example:
16308     std::pair<Gadget, error_indicator> make_gadget(int n)
16309     {
16310         // ...
16311     }
16313     void user()
16314     {
16315         auto r = make_gadget(17);
16316         if (!r.second) {
16317                 // error handling
16318         }
16319         Gadget& g = r.first;
16320         // ...
16321     }
16323 As shown, `std::pair` is a possible return type.
16324 Some people prefer a specific type.
16325 For example:
16327     Gval make_gadget(int n)
16328     {
16329         // ...
16330     }
16332     void user()
16333     {
16334         auto r = make_gadget(17);
16335         if (!r.err) {
16336                 // error handling
16337         }
16338         Gadget& g = r.val;
16339         // ...
16340     }
16342 One reason to prefer a specific return type is to have names for its members, rather than the somewhat cryptic `first` and `second`
16343 and to avoid confusion with other uses of `std::pair`.
16345 ##### Example
16347 In general, you must clean up before an error exit.
16348 This can be messy:
16350     std::pair<int, error_indicator> user()
16351     {
16352         Gadget g1 = make_gadget(17);
16353         if (!g1.valid()) {
16354             return {0, g1_error};
16355         }
16357         Gadget g2 = make_gadget(31);
16358         if (!g2.valid()) {
16359             cleanup(g1);
16360             return {0, g2_error};
16361         }
16363         // ...
16365         if (all_foobar(g1, g2)) {
16366             cleanup(g2);
16367             cleanup(g1);
16368             return {0, foobar_error};
16369         }
16371         // ...
16373         cleanup(g2);
16374         cleanup(g1);
16375         return {res, 0};
16376     }
16378 Simulating RAII can be non-trivial, especially in functions with multiple resources and multiple possible errors.
16379 A not uncommon technique is to gather cleanup at the end of the function to avoid repetition (note that the extra scope around `g2` is undesirable but necessary to make the `goto` version compile):
16381     std::pair<int, error_indicator> user()
16382     {
16383         error_indicator err = 0;
16384         int res = 0;
16386         Gadget g1 = make_gadget(17);
16387         if (!g1.valid()) {
16388             err = g1_error;
16389             goto g1_exit;
16390         }
16392         {
16393             Gadget g2 = make_gadget(31);
16394             if (!g2.valid()) {
16395                 err = g2_error;
16396                 goto g2_exit;
16397             }
16399             if (all_foobar(g1, g2)) {
16400                 err = foobar_error;
16401                 goto g2_exit;
16402             }
16404             // ...
16406         g2_exit:
16407             if (g2.valid()) cleanup(g2);
16408         }
16410     g1_exit:
16411         if (g1.valid()) cleanup(g1);
16412         return {res, err};
16413     }
16415 The larger the function, the more tempting this technique becomes.
16416 `finally` can [ease the pain a bit](#Re-finally).
16417 Also, the larger the program becomes the harder it is to apply an error-indicator-based error-handling strategy systematically.
16419 We [prefer exception-based error handling](#Re-throw) and recommend [keeping functions short](#Rf-single).
16421 **See also**: [Discussion](#Sd-???)
16423 **See also**: [Returning multiple values](#Rf-out-multi)
16425 ##### Enforcement
16427 Awkward.
16429 ### <a name="Re-no-throw"></a>E.28: Avoid error handling based on global state (e.g. `errno`)
16431 ##### Reason
16433 Global state is hard to manage and it is easy to forget to check it.
16434 When did you last test the return value of `printf()`?
16436 **See also**: [Simulating RAII](#Re-no-throw-raii)
16438 ##### Example, bad
16440     int last_err;
16442     void f(int n)
16443     {
16444         // ...
16445         p = static_cast<X*>(malloc(n * sizeof(X)));
16446         if (!p) last_err = -1;     // error if memory is exhausted
16447         // ...
16448     }
16450 ##### Note
16452 C-style error handling is based on the global variable `errno`, so it is essentially impossible to avoid this style completely.
16454 ##### Enforcement
16456 Awkward.
16459 ### <a name="Re-specifications"></a>E.30: Don't use exception specifications
16461 ##### Reason
16463 Exception specifications make error handling brittle, impose a run-time cost, and have been removed from the C++ standard.
16465 ##### Example
16467     int use(int arg)
16468         throw(X, Y)
16469     {
16470         // ...
16471         auto x = f(arg);
16472         // ...
16473     }
16475 If `f()` throws an exception different from `X` and `Y` the unexpected handler is invoked, which by default terminates.
16476 That's OK, but say that we have checked that this cannot happen and `f` is changed to throw a new exception `Z`,
16477 we now have a crash on our hands unless we change `use()` (and re-test everything).
16478 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
16479 anything about or is in any way interested in.
16480 We can change `use()` to pass `Z` through, but now `use()`'s callers probably need to be modified.
16481 This quickly becomes unmanageable.
16482 Alternatively, we can add a `try`-`catch` to `use()` to map `Z` into an acceptable exception.
16483 This too, quickly becomes unmanageable.
16484 Note that changes to the set of exceptions often happens at the lowest level of a system
16485 (e.g., because of changes to a network library or some middleware), so changes "bubble up" through long call chains.
16486 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.
16487 If `use()` is part of a library, it might not be possible to update it because a change could affect unknown clients.
16489 The policy of letting exceptions propagate until they reach a function that potentially can handle it has proven itself over the years.
16491 ##### Note
16493 No. This would not be any better had exception specifications been statically enforced.
16494 For example, see [Stroustrup94](#Stroustrup94).
16496 ##### Note
16498 If no exception can be thrown, use [`noexcept`](#Re-noexcept).
16500 ##### Enforcement
16502 Flag every exception specification.
16504 ### <a name="Re_catch"></a>E.31: Properly order your `catch`-clauses
16506 ##### Reason
16508 `catch`-clauses are evaluated in the order they appear and one clause can hide another.
16510 ##### Example, bad
16512     void f()
16513     {
16514         // ...
16515         try {
16516                 // ...
16517         }
16518         catch (Base& b) { /* ... */ }
16519         catch (Derived& d) { /* ... */ }
16520         catch (...) { /* ... */ }
16521         catch (std::exception& e) { /* ... */ }
16522     }
16524 If `Derived`is derived from `Base` the `Derived`-handler will never be invoked.
16525 The "catch everything" handler ensured that the `std::exception`-handler will never be invoked.
16527 ##### Enforcement
16529 Flag all "hiding handlers".
16531 # <a name="S-const"></a>Con: Constants and immutability
16533 You can't have a race condition on a constant.
16534 It is easier to reason about a program when many of the objects cannot change their values.
16535 Interfaces that promises "no change" of objects passed as arguments greatly increase readability.
16537 Constant rule summary:
16539 * [Con.1: By default, make objects immutable](#Rconst-immutable)
16540 * [Con.2: By default, make member functions `const`](#Rconst-fct)
16541 * [Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s](#Rconst-ref)
16542 * [Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction](#Rconst-const)
16543 * [Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time](#Rconst-constexpr)
16545 ### <a name="Rconst-immutable"></a>Con.1: By default, make objects immutable
16547 ##### Reason
16549 Immutable objects are easier to reason about, so make objects non-`const` only when there is a need to change their value.
16550 Prevents accidental or hard-to-notice change of value.
16552 ##### Example
16554     for (const int i : c) cout << i << '\n';    // just reading: const
16556     for (int i : c) cout << i << '\n';          // BAD: just reading
16558 ##### Exception
16560 Function parameters passed by value are rarely mutated, but also rarely declared `const`.
16561 To avoid confusion and lots of false positives, don't enforce this rule for function parameters.
16563     void f(const char* const p); // pedantic
16564     void g(const int i) { ... }  // pedantic
16566 Note that a function parameter is a local variable so changes to it are local.
16568 ##### Enforcement
16570 * Flag non-`const` variables that are not modified (except for parameters to avoid many false positives)
16572 ### <a name="Rconst-fct"></a>Con.2: By default, make member functions `const`
16574 ##### Reason
16576 A member function should be marked `const` unless it changes the object's observable state.
16577 This gives a more precise statement of design intent, better readability, more errors caught by the compiler, and sometimes more optimization opportunities.
16579 ##### Example, bad
16581     class Point {
16582         int x, y;
16583     public:
16584         int getx() { return x; }    // BAD, should be const as it doesn't modify the object's state
16585         // ...
16586     };
16588     void f(const Point& pt)
16589     {
16590         int x = pt.getx();          // ERROR, doesn't compile because getx was not marked const
16591     }
16593 ##### Note
16595 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16596 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16597 A reader of code must assume that a function that takes a "plain" `T*` or `T&` will modify the object referred to.
16598 If it doesn't now, it might do so later without forcing recompilation.
16600 ##### Note
16602 There are code/libraries that offer functions that declare a `T*` even though
16603 those functions do not modify that `T`.
16604 This is a problem for people modernizing code.
16605 You can
16607 * update the library to be `const`-correct; preferred long-term solution
16608 * "cast away `const`"; [best avoided](#Res-casts-const)
16609 * provide a wrapper function
16611 Example:
16613     void f(int* p);   // old code: f() does not modify `*p`
16614     void f(const int* p) { f(const_cast<int*>(p)); } // wrapper
16616 Note that this wrapper solution is a patch that should be used only when the declaration of `f()` cannot be modified,
16617 e.g. because it is in a library that you cannot modify.
16619 ##### Note
16621 A `const` member function can modify the value of an object that is `mutable` or accessed through a pointer member.
16622 A common use is to maintain a cache rather than repeatedly do a complicated computation.
16623 For example, here is a `Date` that caches (memoizes) its string representation to simplify repeated uses:
16625     class Date {
16626     public:
16627         // ...
16628         const string& string_ref() const
16629         {
16630             if (string_val == "") compute_string_rep();
16631             return string_val;
16632         }
16633         // ...
16634     private:
16635         void compute_string_rep() const;    // compute string representation and place it in string_val
16636         mutable string string_val;
16637         // ...
16638     };
16640 Another way of saying this is that `const`ness is not transitive.
16641 It is possible for a `const` member function to change the value of `mutable` members and the value of objects accessed
16642 through non-`const` pointers.
16643 It is the job of the class to ensure such mutation is done only when it makes sense according to the semantics (invariants)
16644 it offers to its users.
16646 **See also**: [Pimpl](#Ri-pimpl)
16648 ##### Enforcement
16650 * Flag a member function that is not marked `const`, but that does not perform a non-`const` operation on any member variable.
16652 ### <a name="Rconst-ref"></a>Con.3: By default, pass pointers and references to `const`s
16654 ##### Reason
16656  To avoid a called function unexpectedly changing the value.
16657  It's far easier to reason about programs when called functions don't modify state.
16659 ##### Example
16661     void f(char* p);        // does f modify *p? (assume it does)
16662     void g(const char* p);  // g does not modify *p
16664 ##### Note
16666 It is not inherently bad to pass a pointer or reference to non-`const`,
16667 but that should be done only when the called function is supposed to modify the object.
16669 ##### Note
16671 [Do not cast away `const`](#Res-casts-const).
16673 ##### Enforcement
16675 * Flag a function that does not modify an object passed by pointer or reference to non-`const`
16676 * Flag a function that (using a cast) modifies an object passed by pointer or reference to `const`
16678 ### <a name="Rconst-const"></a>Con.4: Use `const` to define objects with values that do not change after construction
16680 ##### Reason
16682  Prevent surprises from unexpectedly changed object values.
16684 ##### Example
16686     void f()
16687     {
16688         int x = 7;
16689         const int y = 9;
16691         for (;;) {
16692             // ...
16693         }
16694         // ...
16695     }
16697 As `x` is not `const`, we must assume that it is modified somewhere in the loop.
16699 ##### Enforcement
16701 * Flag unmodified non-`const` variables.
16703 ### <a name="Rconst-constexpr"></a>Con.5: Use `constexpr` for values that can be computed at compile time
16705 ##### Reason
16707 Better performance, better compile-time checking, guaranteed compile-time evaluation, no possibility of race conditions.
16709 ##### Example
16711     double x = f(2);            // possible run-time evaluation
16712     const double y = f(2);      // possible run-time evaluation
16713     constexpr double z = f(2);  // error unless f(2) can be evaluated at compile time
16715 ##### Note
16717 See F.4.
16719 ##### Enforcement
16721 * Flag `const` definitions with constant expression initializers.
16723 # <a name="S-templates"></a>T: Templates and generic programming
16725 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16726 In C++, generic programming is supported by the `template` language mechanisms.
16728 Arguments to generic functions are characterized by sets of requirements on the argument types and values involved.
16729 In C++, these requirements are expressed by compile-time predicates called concepts.
16731 Templates can also be used for meta-programming; that is, programs that compose code at compile time.
16733 A central notion in generic programming is "concepts"; that is, requirements on template arguments presented as compile-time predicates.
16734 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16735 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).
16736 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16737 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16738 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16740 Template use rule summary:
16742 * [T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code](#Rt-raise)
16743 * [T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types](#Rt-algo)
16744 * [T.3: Use templates to express containers and ranges](#Rt-cont)
16745 * [T.4: Use templates to express syntax tree manipulation](#Rt-expr)
16746 * [T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs](#Rt-generic-oo)
16748 Concept use rule summary:
16750 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
16751 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
16752 * [T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables](#Rt-auto)
16753 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
16754 * ???
16756 Concept definition rule summary:
16758 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
16759 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
16760 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
16761 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
16762 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
16763 * [T.25: Avoid complementary constraints](#Rt-not)
16764 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
16765 * [T.30: Use concept negation (`!C<T>`) sparingly to express a minor difference](#Rt-???)
16766 * [T.31: Use concept disjunction (`C1<T> || C2<T>`) sparingly to express alternatives](#Rt-???)
16767 * ???
16769 Template interface rule summary:
16771 * [T.40: Use function objects to pass operations to algorithms](#Rt-fo)
16772 * [T.41: Require only essential properties in a template's concepts](#Rt-essential)
16773 * [T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details](#Rt-alias)
16774 * [T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases](#Rt-using)
16775 * [T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)](#Rt-deduce)
16776 * [T.46: Require template arguments to be at least semiregular](#Rt-regular)
16777 * [T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names](#Rt-visible)
16778 * [T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`](#Rt-concept-def)
16779 * [T.49: Where possible, avoid type-erasure](#Rt-erasure)
16781 Template definition rule summary:
16783 * [T.60: Minimize a template's context dependencies](#Rt-depend)
16784 * [T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)](#Rt-scary)
16785 * [T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class](#Rt-nondependent)
16786 * [T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates](#Rt-specialization)
16787 * [T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of functions](#Rt-tag-dispatch)
16788 * [T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types](#Rt-specialization2)
16789 * [T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities](#Rt-cast)
16790 * [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)
16792 Template and hierarchy rule summary:
16794 * [T.80: Do not naively templatize a class hierarchy](#Rt-hier)
16795 * [T.81: Do not mix hierarchies and arrays](#Rt-array) // ??? somewhere in "hierarchies"
16796 * [T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable](#Rt-linear)
16797 * [T.83: Do not declare a member function template virtual](#Rt-virtual)
16798 * [T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface](#Rt-abi)
16799 * [T.??: ????](#Rt-???)
16801 Variadic template rule summary:
16803 * [T.100: Use variadic templates when you need a function that takes a variable number of arguments of a variety of types](#Rt-variadic)
16804 * [T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-pass)
16805 * [T.102: ??? How to process arguments to a variadic template ???](#Rt-variadic-process)
16806 * [T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists](#Rt-variadic-not)
16807 * [T.??: ????](#Rt-???)
16809 Metaprogramming rule summary:
16811 * [T.120: Use template metaprogramming only when you really need to](#Rt-metameta)
16812 * [T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts](#Rt-emulate)
16813 * [T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time](#Rt-tmp)
16814 * [T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time](#Rt-fct)
16815 * [T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities](#Rt-std-tmp)
16816 * [T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library](#Rt-lib)
16817 * [T.??: ????](#Rt-???)
16819 Other template rules summary:
16821 * [T.140: Name all operations with potential for reuse](#Rt-name)
16822 * [T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only](#Rt-lambda)
16823 * [T.142: Use template variables to simplify notation](#Rt-var)
16824 * [T.143: Don't write unintentionally non-generic code](#Rt-non-generic)
16825 * [T.144: Don't specialize function templates](#Rt-specialize-function)
16826 * [T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`](#Rt-check-class)
16827 * [T.??: ????](#Rt-???)
16829 ## <a name="SS-GP"></a>T.gp: Generic programming
16831 Generic programming is programming using types and algorithms parameterized by types, values, and algorithms.
16833 ### <a name="Rt-raise"></a>T.1: Use templates to raise the level of abstraction of code
16835 ##### Reason
16837 Generality. Reuse. Efficiency. Encourages consistent definition of user types.
16839 ##### Example, bad
16841 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":
16843     template<typename T>
16844         // requires Incrementable<T>
16845     T sum1(vector<T>& v, T s)
16846     {
16847         for (auto x : v) s += x;
16848         return s;
16849     }
16851     template<typename T>
16852         // requires Simple_number<T>
16853     T sum2(vector<T>& v, T s)
16854     {
16855         for (auto x : v) s = s + x;
16856         return s;
16857     }
16859 Assuming that `Incrementable` does not support `+` and `Simple_number` does not support `+=`, we have overconstrained implementers of `sum1` and `sum2`.
16860 And, in this case, missed an opportunity for a generalization.
16862 ##### Example
16864     template<typename T>
16865         // requires Arithmetic<T>
16866     T sum(vector<T>& v, T s)
16867     {
16868         for (auto x : v) s += x;
16869         return s;
16870     }
16872 Assuming that `Arithmetic` requires both `+` and `+=`, we have constrained the user of `sum` to provide a complete arithmetic type.
16873 That is not a minimal requirement, but it gives the implementer of algorithms much needed freedom and ensures that any `Arithmetic` type
16874 can be used for a wide variety of algorithms.
16876 For additional generality and reusability, we could also use a more general `Container` or `Range` concept instead of committing to only one container, `vector`.
16878 ##### Note
16880 If we define a template to require exactly the operations required for a single implementation of a single algorithm
16881 (e.g., requiring just `+=` rather than also `=` and `+`) and only those, we have overconstrained maintainers.
16882 We aim to minimize requirements on template arguments, but the absolutely minimal requirements of an implementation is rarely a meaningful concept.
16884 ##### Note
16886 Templates can be used to express essentially everything (they are Turing complete), but the aim of generic programming (as expressed using templates)
16887 is to efficiently generalize operations/algorithms over a set of types with similar semantic properties.
16889 ##### Note
16891 The `requires` in the comments are uses of `concepts`.
16892 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
16893 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
16894 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
16895 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them.
16897 ##### Enforcement
16899 * Flag algorithms with "overly simple" requirements, such as direct use of specific operators without a concept.
16900 * Do not flag the definition of the "overly simple" concepts themselves; they might simply be building blocks for more useful concepts.
16902 ### <a name="Rt-algo"></a>T.2: Use templates to express algorithms that apply to many argument types
16904 ##### Reason
16906 Generality. Minimizing the amount of source code. Interoperability. Reuse.
16908 ##### Example
16910 That's the foundation of the STL. A single `find` algorithm easily works with any kind of input range:
16912     template<typename Iter, typename Val>
16913         // requires Input_iterator<Iter>
16914         //       && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
16915     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
16916     {
16917         // ...
16918     }
16920 ##### Note
16922 Don't use a template unless you have a realistic need for more than one template argument type.
16923 Don't overabstract.
16925 ##### Enforcement
16927 ??? tough, probably needs a human
16929 ### <a name="Rt-cont"></a>T.3: Use templates to express containers and ranges
16931 ##### Reason
16933 Containers need an element type, and expressing that as a template argument is general, reusable, and type safe.
16934 It also avoids brittle or inefficient workarounds. Convention: That's the way the STL does it.
16936 ##### Example
16938     template<typename T>
16939         // requires Regular<T>
16940     class Vector {
16941         // ...
16942         T* elem;   // points to sz Ts
16943         int sz;
16944     };
16946     Vector<double> v(10);
16947     v[7] = 9.9;
16949 ##### Example, bad
16951     class Container {
16952         // ...
16953         void* elem;   // points to size elements of some type
16954         int sz;
16955     };
16957     Container c(10, sizeof(double));
16958     ((double*) c.elem)[7] = 9.9;
16960 This doesn't directly express the intent of the programmer and hides the structure of the program from the type system and optimizer.
16962 Hiding the `void*` behind macros simply obscures the problems and introduces new opportunities for confusion.
16964 **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.
16965 See [Stable base](#Rt-abi).
16967 ##### Enforcement
16969 * Flag uses of `void*`s and casts outside low-level implementation code
16971 ### <a name="Rt-expr"></a>T.4: Use templates to express syntax tree manipulation
16973 ##### Reason
16975  ???
16977 ##### Example
16979     ???
16981 **Exceptions**: ???
16983 ### <a name="Rt-generic-oo"></a>T.5: Combine generic and OO techniques to amplify their strengths, not their costs
16985 ##### Reason
16987 Generic and OO techniques are complementary.
16989 ##### Example
16991 Static helps dynamic: Use static polymorphism to implement dynamically polymorphic interfaces.
16993     class Command {
16994         // pure virtual functions
16995     };
16997     // implementations
16998     template</*...*/>
16999     class ConcreteCommand : public Command {
17000         // implement virtuals
17001     };
17003 ##### Example
17005 Dynamic helps static: Offer a generic, comfortable, statically bound interface, but internally dispatch dynamically, so you offer a uniform object layout.
17006 Examples include type erasure as with `std::shared_ptr`'s deleter (but [don't overuse type erasure](#Rt-erasure)).
17008     #include <memory>
17010     class Object {
17011     public:
17012         template<typename T>
17013         Object(T&& obj)
17014             : concept_(std::make_shared<ConcreteCommand<T>>(std::forward<T>(obj))) {}
17016         int get_id() const { return concept_->get_id(); }
17018     private:
17019         struct Command {
17020             virtual ~Command() {}
17021             virtual int get_id() const = 0;
17022         };
17024         template<typename T>
17025         struct ConcreteCommand final : Command {
17026             ConcreteCommand(T&& obj) noexcept : object_(std::forward<T>(obj)) {}
17027             int get_id() const final { return object_.get_id(); }
17029         private:
17030             T object_;
17031         };
17033         std::shared_ptr<Command> concept_;
17034     };
17036     class Bar {
17037     public:
17038         int get_id() const { return 1; }
17039     };
17041     struct Foo {
17042     public:
17043         int get_id() const { return 2; }
17044     };
17046     Object o(Bar{});
17047     Object o2(Foo{});
17049 ##### Note
17051 In a class template, non-virtual functions are only instantiated if they're used -- but virtual functions are instantiated every time.
17052 This can bloat code size, and might overconstrain a generic type by instantiating functionality that is never needed.
17053 Avoid this, even though the standard-library facets made this mistake.
17055 ##### See also
17057 * ref ???
17058 * ref ???
17059 * ref ???
17061 ##### Enforcement
17063 See the reference to more specific rules.
17065 ## <a name="SS-concepts"></a>T.concepts: Concept rules
17067 Concepts is a facility for specifying requirements for template arguments.
17068 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.
17069 Concepts are, however, crucial in the thinking about generic programming and the basis of much work on future C++ libraries
17070 (standard and other).
17072 This section assumes concept support
17074 Concept use rule summary:
17076 * [T.10: Specify concepts for all template arguments](#Rt-concepts)
17077 * [T.11: Whenever possible use standard concepts](#Rt-std-concepts)
17078 * [T.12: Prefer concept names over `auto`](#Rt-auto)
17079 * [T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts](#Rt-shorthand)
17080 * ???
17082 Concept definition rule summary:
17084 * [T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics](#Rt-low)
17085 * [T.21: Require a complete set of operations for a concept](#Rt-complete)
17086 * [T.22: Specify axioms for concepts](#Rt-axiom)
17087 * [T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns](#Rt-refine)
17088 * [T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics](#Rt-tag)
17089 * [T.25: Avoid complimentary constraints](#Rt-not)
17090 * [T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax](#Rt-use)
17091 * ???
17093 ## <a name="SS-concept-use"></a>T.con-use: Concept use
17095 ### <a name="Rt-concepts"></a>T.10: Specify concepts for all template arguments
17097 ##### Reason
17099 Correctness and readability.
17100 The assumed meaning (syntax and semantics) of a template argument is fundamental to the interface of a template.
17101 A concept dramatically improves documentation and error handling for the template.
17102 Specifying concepts for template arguments is a powerful design tool.
17104 ##### Example
17106     template<typename Iter, typename Val>
17107     //    requires Input_iterator<Iter>
17108     //             && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
17109     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
17110     {
17111         // ...
17112     }
17114 or equivalently and more succinctly:
17116     template<Input_iterator Iter, typename Val>
17117     //    requires Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
17118     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
17119     {
17120         // ...
17121     }
17123 ##### Note
17125 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
17126 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).
17127 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
17128 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
17129 If you use GCC 6.1 or later, you can uncomment them:
17131     template<typename Iter, typename Val>
17132         requires Input_iterator<Iter>
17133                && Equality_comparable<Value_type<Iter>, Val>
17134     Iter find(Iter b, Iter e, Val v)
17135     {
17136         // ...
17137     }
17139 ##### Note
17141 Plain `typename` (or `auto`) is the least constraining concept.
17142 It should be used only rarely when nothing more than "it's a type" can be assumed.
17143 This is typically only needed when (as part of template metaprogramming code) we manipulate pure expression trees, postponing type checking.
17145 **References**: TC++PL4, Palo Alto TR, Sutton
17147 ##### Enforcement
17149 Flag template type arguments without concepts
17151 ### <a name="Rt-std-concepts"></a>T.11: Whenever possible use standard concepts
17153 ##### Reason
17155  "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)
17156 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.
17158 ##### Note
17160 Unless you are creating a new generic library, most of the concepts you need will already be defined by the standard library.
17162 ##### Example (using TS concepts)
17164     template<typename T>
17165         // don't define this: Sortable is in the GSL
17166     concept Ordered_container = Sequence<T> && Random_access<Iterator<T>> && Ordered<Value_type<T>>;
17168     void sort(Ordered_container& s);
17170 This `Ordered_container` is quite plausible, but it is very similar to the `Sortable` concept in the GSL (and the Range TS).
17171 Is it better? Is it right? Does it accurately reflect the standard's requirements for `sort`?
17172 It is better and simpler just to use `Sortable`:
17174     void sort(Sortable& s);   // better
17176 ##### Note
17178 The set of "standard" concepts is evolving as we approach an ISO standard including concepts.
17180 ##### Note
17182 Designing a useful concept is challenging.
17184 ##### Enforcement
17186 Hard.
17188 * Look for unconstrained arguments, templates that use "unusual"/non-standard concepts, templates that use "homebrew" concepts without axioms.
17189 * Develop a concept-discovery tool (e.g., see [an early experiment](http://www.stroustrup.com/sle2010_webversion.pdf)).
17191 ### <a name="Rt-auto"></a>T.12: Prefer concept names over `auto` for local variables
17193 ##### Reason
17195  `auto` is the weakest concept. Concept names convey more meaning than just `auto`.
17197 ##### Example (using TS concepts)
17199     vector<string> v{ "abc", "xyz" };
17200     auto& x = v.front();     // bad
17201     String& s = v.front();   // good (String is a GSL concept)
17203 ##### Enforcement
17205 * ???
17207 ### <a name="Rt-shorthand"></a>T.13: Prefer the shorthand notation for simple, single-type argument concepts
17209 ##### Reason
17211 Readability. Direct expression of an idea.
17213 ##### Example (using TS concepts)
17215 To say "`T` is `Sortable`":
17217     template<typename T>       // Correct but verbose: "The parameter is
17218     //    requires Sortable<T>   // of type T which is the name of a type
17219     void sort(T&);             // that is Sortable"
17221     template<Sortable T>       // Better (assuming support for concepts): "The parameter is of type T
17222     void sort(T&);             // which is Sortable"
17224     void sort(Sortable&);      // Best (assuming support for concepts): "The parameter is Sortable"
17226 The shorter versions better match the way we speak. Note that many templates don't need to use the `template` keyword.
17228 ##### Note
17230 "Concepts" are defined in an ISO Technical Specification: [concepts](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
17231 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).
17232 Concepts are supported in GCC 6.1 and later.
17233 Consequently, we comment out uses of concepts in examples; that is, we use them as formalized comments only.
17234 If you use a compiler that supports concepts (e.g., GCC 6.1 or later), you can remove the `//`.
17236 ##### Enforcement
17238 * Not feasible in the short term when people convert from the `<typename T>` and `<class T`> notation.
17239 * Later, flag declarations that first introduce a typename and then constrain it with a simple, single-type-argument concept.
17241 ## <a name="SS-concepts-def"></a>T.concepts.def: Concept definition rules
17243 Defining good concepts is non-trivial.
17244 Concepts are meant to represent fundamental concepts in an application domain (hence the name "concepts").
17245 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
17246 and will not give the full benefits of the mechanism.
17248 Obviously, defining concepts will be most useful for code that can use an implementation (e.g., GCC 6.1 or later),
17249 but defining concepts is in itself a useful design technique and help catch conceptual errors and clean up the concepts (sic!) of an implementation.
17251 ### <a name="Rt-low"></a>T.20: Avoid "concepts" without meaningful semantics
17253 ##### Reason
17255 Concepts are meant to express semantic notions, such as "a number", "a range" of elements, and "totally ordered."
17256 Simple constraints, such as "has a `+` operator" and "has a `>` operator" cannot be meaningfully specified in isolation
17257 and should be used only as building blocks for meaningful concepts, rather than in user code.
17259 ##### Example, bad (using TS concepts)
17261     template<typename T>
17262     concept Addable = has_plus<T>;    // bad; insufficient
17264     template<Addable N> auto algo(const N& a, const N& b) // use two numbers
17265     {
17266         // ...
17267         return a + b;
17268     }
17270     int x = 7;
17271     int y = 9;
17272     auto z = algo(x, y);   // z = 16
17274     string xx = "7";
17275     string yy = "9";
17276     auto zz = algo(xx, yy);   // zz = "79"
17278 Maybe the concatenation was expected. More likely, it was an accident. Defining minus equivalently would give dramatically different sets of accepted types.
17279 This `Addable` violates the mathematical rule that addition is supposed to be commutative: `a+b == b+a`.
17281 ##### Note
17283 The ability to specify meaningful semantics is a defining characteristic of a true concept, as opposed to a syntactic constraint.
17285 ##### Example (using TS concepts)
17287     template<typename T>
17288     // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
17289     concept Number = has_plus<T>
17290                      && has_minus<T>
17291                      && has_multiply<T>
17292                      && has_divide<T>;
17294     template<Number N> auto algo(const N& a, const N& b)
17295     {
17296         // ...
17297         return a + b;
17298     }
17300     int x = 7;
17301     int y = 9;
17302     auto z = algo(x, y);   // z = 16
17304     string xx = "7";
17305     string yy = "9";
17306     auto zz = algo(xx, yy);   // error: string is not a Number
17308 ##### Note
17310 Concepts with multiple operations have far lower chance of accidentally matching a type than a single-operation concept.
17312 ##### Enforcement
17314 * Flag single-operation `concepts` when used outside the definition of other `concepts`.
17315 * Flag uses of `enable_if` that appear to simulate single-operation `concepts`.
17318 ### <a name="Rt-complete"></a>T.21: Require a complete set of operations for a concept
17320 ##### Reason
17322 Ease of comprehension.
17323 Improved interoperability.
17324 Helps implementers and maintainers.
17326 ##### Note
17328 This is a specific variant of the general rule that [a concept must make semantic sense](#Rt-low).
17330 ##### Example, bad (using TS concepts)
17332     template<typename T> concept Subtractable = requires(T a, T, b) { a-b; };
17334 This makes no semantic sense.
17335 You need at least `+` to make `-` meaningful and useful.
17337 Examples of complete sets are
17339 * `Arithmetic`: `+`, `-`, `*`, `/`, `+=`, `-=`, `*=`, `/=`
17340 * `Comparable`: `<`, `>`, `<=`, `>=`, `==`, `!=`
17342 ##### Note
17344 This rule applies whether we use direct language support for concepts or not.
17345 It is a general design rule that even applies to non-templates:
17347     class Minimal {
17348         // ...
17349     };
17351     bool operator==(const Minimal&, const Minimal&);
17352     bool operator<(const Minimal&, const Minimal&);
17354     Minimal operator+(const Minimal&, const Minimal&);
17355     // no other operators
17357     void f(const Minimal& x, const Minimal& y)
17358     {
17359         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
17360         if (x != y) { /* ... */ }       // surprise! error
17362         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
17363         while (x >= y) { /* ... */ }    // surprise! error
17365         x = x + y;          // OK
17366         x += y;             // surprise! error
17367     }
17369 This is minimal, but surprising and constraining for users.
17370 It could even be less efficient.
17372 The rule supports the view that a concept should reflect a (mathematically) coherent set of operations.
17374 ##### Example
17376     class Convenient {
17377         // ...
17378     };
17380     bool operator==(const Convenient&, const Convenient&);
17381     bool operator<(const Convenient&, const Convenient&);
17382     // ... and the other comparison operators ...
17384     Minimal operator+(const Convenient&, const Convenient&);
17385     // .. and the other arithmetic operators ...
17387     void f(const Convenient& x, const Convenient& y)
17388     {
17389         if (!(x == y)) { /* ... */ }    // OK
17390         if (x != y) { /* ... */ }       // OK
17392         while (!(x < y)) { /* ... */ }  // OK
17393         while (x >= y) { /* ... */ }    // OK
17395         x = x + y;     // OK
17396         x += y;        // OK
17397     }
17399 It can be a nuisance to define all operators, but not hard.
17400 Ideally, that rule should be language supported by giving you comparison operators by default.
17402 ##### Enforcement
17404 * Flag classes that support "odd" subsets of a set of operators, e.g., `==` but not `!=` or `+` but not `-`.
17405   Yes, `std::string` is "odd", but it's too late to change that.
17408 ### <a name="Rt-axiom"></a>T.22: Specify axioms for concepts
17410 ##### Reason
17412 A meaningful/useful concept has a semantic meaning.
17413 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.
17414 Specifying semantics is a powerful design tool.
17416 ##### Example (using TS concepts)
17418     template<typename T>
17419         // The operators +, -, *, and / for a number are assumed to follow the usual mathematical rules
17420         // axiom(T a, T b) { a + b == b + a; a - a == 0; a * (b + c) == a * b + a * c; /*...*/ }
17421         concept Number = requires(T a, T b) {
17422             {a + b} -> T;   // the result of a + b is convertible to T
17423             {a - b} -> T;
17424             {a * b} -> T;
17425             {a / b} -> T;
17426         }
17428 ##### Note
17430 This is an axiom in the mathematical sense: something that can be assumed without proof.
17431 In general, axioms are not provable, and when they are the proof is often beyond the capability of a compiler.
17432 An axiom might not be general, but the template writer can assume that it holds for all inputs actually used (similar to a precondition).
17434 ##### Note
17436 In this context axioms are Boolean expressions.
17437 See the [Palo Alto TR](#S-references) for examples.
17438 Currently, C++ does not support axioms (even the ISO Concepts TS), so we have to make do with comments for a longish while.
17439 Once language support is available, the `//` in front of the axiom can be removed
17441 ##### Note
17443 The GSL concepts have well-defined semantics; see the Palo Alto TR and the Ranges TS.
17445 ##### Exception (using TS concepts)
17447 Early versions of a new "concept" still under development will often just define simple sets of constraints without a well-specified semantics.
17448 Finding good semantics can take effort and time.
17449 An incomplete set of constraints can still be very useful:
17451     // balancer for a generic binary tree
17452     template<typename Node> concept bool Balancer = requires(Node* p) {
17453         add_fixup(p);
17454         touch(p);
17455         detach(p);
17456     }
17458 So a `Balancer` must supply at least these operations on a tree `Node`,
17459 but we are not yet ready to specify detailed semantics because a new kind of balanced tree might require more operations
17460 and the precise general semantics for all nodes is hard to pin down in the early stages of design.
17462 A "concept" that is incomplete or without a well-specified semantics can still be useful.
17463 For example, it allows for some checking during initial experimentation.
17464 However, it should not be assumed to be stable.
17465 Each new use case might require such an incomplete concept to be improved.
17467 ##### Enforcement
17469 * Look for the word "axiom" in concept definition comments
17471 ### <a name="Rt-refine"></a>T.23: Differentiate a refined concept from its more general case by adding new use patterns.
17473 ##### Reason
17475 Otherwise they cannot be distinguished automatically by the compiler.
17477 ##### Example (using TS concepts)
17479     template<typename I>
17480     concept bool Input_iter = requires(I iter) { ++iter; };
17482     template<typename I>
17483     concept bool Fwd_iter = Input_iter<I> && requires(I iter) { iter++; }
17485 The compiler can determine refinement based on the sets of required operations (here, suffix `++`).
17486 This decreases the burden on implementers of these types since
17487 they do not need any special declarations to "hook into the concept".
17488 If two concepts have exactly the same requirements, they are logically equivalent (there is no refinement).
17490 ##### Enforcement
17492 * Flag a concept that has exactly the same requirements as another already-seen concept (neither is more refined).
17493 To disambiguate them, see [T.24](#Rt-tag).
17495 ### <a name="Rt-tag"></a>T.24: Use tag classes or traits to differentiate concepts that differ only in semantics.
17497 ##### Reason
17499 Two concepts requiring the same syntax but having different semantics leads to ambiguity unless the programmer differentiates them.
17501 ##### Example (using TS concepts)
17503     template<typename I>    // iterator providing random access
17504     concept bool RA_iter = ...;
17506     template<typename I>    // iterator providing random access to contiguous data
17507     concept bool Contiguous_iter =
17508         RA_iter<I> && is_contiguous<I>::value;  // using is_contiguous trait
17510 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17512 Wrapping a tag class into a concept leads to a simpler expression of this idea:
17514     template<typename I> concept Contiguous = is_contiguous<I>::value;
17516     template<typename I>
17517     concept bool Contiguous_iter = RA_iter<I> && Contiguous<I>;
17519 The programmer (in a library) must define `is_contiguous` (a trait) appropriately.
17521 ##### Note
17523 Traits can be trait classes or type traits.
17524 These can be user-defined or standard-library ones.
17525 Prefer the standard-library ones.
17527 ##### Enforcement
17529 * The compiler flags ambiguous use of identical concepts.
17530 * Flag the definition of identical concepts.
17532 ### <a name="Rt-not"></a>T.25: Avoid complementary constraints
17534 ##### Reason
17536 Clarity. Maintainability.
17537 Functions with complementary requirements expressed using negation are brittle.
17539 ##### Example (using TS concepts)
17541 Initially, people will try to define functions with complementary requirements:
17543     template<typename T>
17544         requires !C<T>    // bad
17545     void f();
17547     template<typename T>
17548         requires C<T>
17549     void f();
17551 This is better:
17553     template<typename T>   // general template
17554         void f();
17556     template<typename T>   // specialization by concept
17557         requires C<T>
17558     void f();
17560 The compiler will choose the unconstrained template only when `C<T>` is
17561 unsatisfied. If you do not want to (or cannot) define an unconstrained
17562 version of `f()`, then delete it.
17564     template<typename T>
17565     void f() = delete;
17567 The compiler will select the overload, or emit an appropriate error.
17569 ##### Note
17571 Complementary constraints are unfortunately common in `enable_if` code:
17573     template<typename T>
17574     enable_if<!C<T>, void>   // bad
17575     f();
17577     template<typename T>
17578     enable_if<C<T>, void>
17579     f();
17582 ##### Note
17584 Complementary requirements on one requirement is sometimes (wrongly) considered manageable.
17585 However, for two or more requirements the number of definitions needs can go up exponentially (2,4,8,16,...):
17587     C1<T> && C2<T>
17588     !C1<T> && C2<T>
17589     C1<T> && !C2<T>
17590     !C1<T> && !C2<T>
17592 Now the opportunities for errors multiply.
17594 ##### Enforcement
17596 * Flag pairs of functions with `C<T>` and `!C<T>` constraints
17598 ### <a name="Rt-use"></a>T.26: Prefer to define concepts in terms of use-patterns rather than simple syntax
17600 ##### Reason
17602 The definition is more readable and corresponds directly to what a user has to write.
17603 Conversions are taken into account. You don't have to remember the names of all the type traits.
17605 ##### Example (using TS concepts)
17607 You might be tempted to define a concept `Equality` like this:
17609     template<typename T> concept Equality = has_equal<T> && has_not_equal<T>;
17611 Obviously, it would be better and easier just to use the standard `EqualityComparable`,
17612 but - just as an example - if you had to define such a concept, prefer:
17614     template<typename T> concept Equality = requires(T a, T b) {
17615         bool == { a == b }
17616         bool == { a != b }
17617         // axiom { !(a == b) == (a != b) }
17618         // axiom { a = b; => a == b }  // => means "implies"
17619     }
17621 as opposed to defining two meaningless concepts `has_equal` and `has_not_equal` just as helpers in the definition of `Equality`.
17622 By "meaningless" we mean that we cannot specify the semantics of `has_equal` in isolation.
17624 ##### Enforcement
17628 ## <a name="SS-temp-interface"></a>Template interfaces
17630 Over the years, programming with templates have suffered from a weak distinction between the interface of a template
17631 and its implementation.
17632 Before concepts, that distinction had no direct language support.
17633 However, the interface to a template is a critical concept - a contract between a user and an implementer - and should be carefully designed.
17635 ### <a name="Rt-fo"></a>T.40: Use function objects to pass operations to algorithms
17637 ##### Reason
17639 Function objects can carry more information through an interface than a "plain" pointer to function.
17640 In general, passing function objects gives better performance than passing pointers to functions.
17642 ##### Example (using TS concepts)
17644     bool greater(double x, double y) { return x > y; }
17645     sort(v, greater);                                    // pointer to function: potentially slow
17646     sort(v, [](double x, double y) { return x > y; });   // function object
17647     sort(v, std::greater<>);                             // function object
17649     bool greater_than_7(double x) { return x > 7; }
17650     auto x = find_if(v, greater_than_7);                 // pointer to function: inflexible
17651     auto y = find_if(v, [](double x) { return x > 7; }); // function object: carries the needed data
17652     auto z = find_if(v, Greater_than<double>(7));        // function object: carries the needed data
17654 You can, of course, generalize those functions using `auto` or (when and where available) concepts. For example:
17656     auto y1 = find_if(v, [](Ordered x) { return x > 7; }); // require an ordered type
17657     auto z1 = find_if(v, [](auto x) { return x > 7; });    // hope that the type has a >
17659 ##### Note
17661 Lambdas generate function objects.
17663 ##### Note
17665 The performance argument depends on compiler and optimizer technology.
17667 ##### Enforcement
17669 * Flag pointer to function template arguments.
17670 * Flag pointers to functions passed as arguments to a template (risk of false positives).
17673 ### <a name="Rt-essential"></a>T.41: Require only essential properties in a template's concepts
17675 ##### Reason
17677 Keep interfaces simple and stable.
17679 ##### Example (using TS concepts)
17681 Consider, a `sort` instrumented with (oversimplified) simple debug support:
17683     void sort(Sortable& s)  // sort sequence s
17684     {
17685         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17686         // ...
17687         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17688     }
17690 Should this be rewritten to:
17692     template<Sortable S>
17693         requires Streamable<S>
17694     void sort(S& s)  // sort sequence s
17695     {
17696         if (debug) cerr << "enter sort( " << s <<  ")\n";
17697         // ...
17698         if (debug) cerr << "exit sort( " << s <<  ")\n";
17699     }
17701 After all, there is nothing in `Sortable` that requires `iostream` support.
17702 On the other hand, there is nothing in the fundamental idea of sorting that says anything about debugging.
17704 ##### Note
17706 If we require every operation used to be listed among the requirements, the interface becomes unstable:
17707 Every time we change the debug facilities, the usage data gathering, testing support, error reporting, etc.,
17708 the definition of the template would need change and every use of the template would have to be recompiled.
17709 This is cumbersome, and in some environments infeasible.
17711 Conversely, if we use an operation in the implementation that is not guaranteed by concept checking,
17712 we might get a late compile-time error.
17714 By not using concept checking for properties of a template argument that is not considered essential,
17715 we delay checking until instantiation time.
17716 We consider this a worthwhile tradeoff.
17718 Note that using non-local, non-dependent names (such as `debug` and `cerr`) also introduces context dependencies that might lead to "mysterious" errors.
17720 ##### Note
17722 It can be hard to decide which properties of a type are essential and which are not.
17724 ##### Enforcement
17728 ### <a name="Rt-alias"></a>T.42: Use template aliases to simplify notation and hide implementation details
17730 ##### Reason
17732 Improved readability.
17733 Implementation hiding.
17734 Note that template aliases replace many uses of traits to compute a type.
17735 They can also be used to wrap a trait.
17737 ##### Example
17739     template<typename T, size_t N>
17740     class Matrix {
17741         // ...
17742         using Iterator = typename std::vector<T>::iterator;
17743         // ...
17744     };
17746 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>::`.
17748 ##### Example
17750     template<typename T>
17751     void user(T& c)
17752     {
17753         // ...
17754         typename container_traits<T>::value_type x; // bad, verbose
17755         // ...
17756     }
17758     template<typename T>
17759     using Value_type = typename container_traits<T>::value_type;
17762 This saves the user of `Value_type` from having to know the technique used to implement `value_type`s.
17764     template<typename T>
17765     void user2(T& c)
17766     {
17767         // ...
17768         Value_type<T> x;
17769         // ...
17770     }
17772 ##### Note
17774 A simple, common use could be expressed: "Wrap traits!"
17776 ##### Enforcement
17778 * Flag use of `typename` as a disambiguator outside `using` declarations.
17779 * ???
17781 ### <a name="Rt-using"></a>T.43: Prefer `using` over `typedef` for defining aliases
17783 ##### Reason
17785 Improved readability: With `using`, the new name comes first rather than being embedded somewhere in a declaration.
17786 Generality: `using` can be used for template aliases, whereas `typedef`s can't easily be templates.
17787 Uniformity: `using` is syntactically similar to `auto`.
17789 ##### Example
17791     typedef int (*PFI)(int);   // OK, but convoluted
17793     using PFI2 = int (*)(int);   // OK, preferred
17795     template<typename T>
17796     typedef int (*PFT)(T);      // error
17798     template<typename T>
17799     using PFT2 = int (*)(T);   // OK
17801 ##### Enforcement
17803 * Flag uses of `typedef`. This will give a lot of "hits" :-(
17805 ### <a name="Rt-deduce"></a>T.44: Use function templates to deduce class template argument types (where feasible)
17807 ##### Reason
17809 Writing the template argument types explicitly can be tedious and unnecessarily verbose.
17811 ##### Example
17813     tuple<int, string, double> t1 = {1, "Hamlet", 3.14};   // explicit type
17814     auto t2 = make_tuple(1, "Ophelia"s, 3.14);         // better; deduced type
17816 Note the use of the `s` suffix to ensure that the string is a `std::string`, rather than a C-style string.
17818 ##### Note
17820 Since you can trivially write a `make_T` function, so could the compiler. Thus, `make_T` functions might become redundant in the future.
17822 ##### Exception
17824 Sometimes there isn't a good way of getting the template arguments deduced and sometimes, you want to specify the arguments explicitly:
17826     vector<double> v = { 1, 2, 3, 7.9, 15.99 };
17827     list<Record*> lst;
17829 ##### Note
17831 Note that C++17 will make this rule redundant by allowing the template arguments to be deduced directly from constructor arguments:
17832 [Template parameter deduction for constructors (Rev. 3)](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0091r1.html).
17833 For example:
17835     tuple t1 = {1, "Hamlet"s, 3.14}; // deduced: tuple<int, string, double>
17837 ##### Enforcement
17839 Flag uses where an explicitly specialized type exactly matches the types of the arguments used.
17841 ### <a name="Rt-regular"></a>T.46: Require template arguments to be at least semiregular
17843 ##### Reason
17845 Readability.
17846 Preventing surprises and errors.
17847 Most uses support that anyway.
17849 ##### Example
17851     class X {
17852     public:
17853         explicit X(int);
17854         X(const X&);            // copy
17855         X operator=(const X&);
17856         X(X&&) noexcept;                 // move
17857         X& operator=(X&&) noexcept;
17858         ~X();
17859         // ... no more constructors ...
17860     };
17862     X x {1};    // fine
17863     X y = x;      // fine
17864     std::vector<X> v(10); // error: no default constructor
17866 ##### Note
17868 Semiregular requires default constructible.
17870 ##### Enforcement
17872 * Flag types used as template arguments that are not at least semiregular.
17874 ### <a name="Rt-visible"></a>T.47: Avoid highly visible unconstrained templates with common names
17876 ##### Reason
17878  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.
17879  This is particularly annoying/dangerous when ADL is used.
17880  Common names make this problem more likely.
17882 ##### Example
17884     namespace Bad {
17885         struct S { int m; };
17886         template<typename T1, typename T2>
17887         bool operator==(T1, T2) { cout << "Bad\n"; return true; }
17888     }
17890     namespace T0 {
17891         bool operator==(int, Bad::S) { cout << "T0\n"; return true; }  // compare to int
17893         void test()
17894         {
17895             Bad::S bad{ 1 };
17896             vector<int> v(10);
17897             bool b = 1 == bad;
17898             bool b2 = v.size() == bad;
17899         }
17900     }
17902 This prints `T0` and `Bad`.
17904 Now the `==` in `Bad` was designed to cause trouble, but would you have spotted the problem in real code?
17905 The problem is that `v.size()` returns an `unsigned` integer so that a conversion is needed to call the local `==`;
17906 the `==` in `Bad` requires no conversions.
17907 Realistic types, such as the standard-library iterators can be made to exhibit similar anti-social tendencies.
17909 ##### Note
17911 If an unconstrained template is defined in the same namespace as a type,
17912 that unconstrained template can be found by ADL (as happened in the example).
17913 That is, it is highly visible.
17915 ##### Note
17917 This rule should not be necessary, but the committee cannot agree to exclude unconstrained templates from ADL.
17919 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`.
17922 ##### Enforcement
17924 Flag templates defined in a namespace where concrete types are also defined (maybe not feasible until we have concepts).
17927 ### <a name="Rt-concept-def"></a>T.48: If your compiler does not support concepts, fake them with `enable_if`
17929 ##### Reason
17931 Because that's the best we can do without direct concept support.
17932 `enable_if` can be used to conditionally define functions and to select among a set of functions.
17934 ##### Example
17936     template<typename T>
17937     enable_if_t<is_integral_v<T>>
17938     f(T v)
17939     {
17940         // ...
17941     }
17943     // Equivalent to:
17944     template<Integral T>
17945     void f(T v)
17946     {
17947         // ...
17948     }
17950 ##### Note
17952 Beware of [complementary constraints](#Rt-not).
17953 Faking concept overloading using `enable_if` sometimes forces us to use that error-prone design technique.
17955 ##### Enforcement
17959 ### <a name="Rt-erasure"></a>T.49: Where possible, avoid type-erasure
17961 ##### Reason
17963 Type erasure incurs an extra level of indirection by hiding type information behind a separate compilation boundary.
17965 ##### Example
17967     ???
17969 **Exceptions**: Type erasure is sometimes appropriate, such as for `std::function`.
17971 ##### Enforcement
17976 ##### Note
17979 ## <a name="SS-temp-def"></a>T.def: Template definitions
17981 A template definition (class or function) can contain arbitrary code, so only a comprehensive review of C++ programming techniques would cover this topic.
17982 However, this section focuses on what is specific to template implementation.
17983 In particular, it focuses on a template definition's dependence on its context.
17985 ### <a name="Rt-depend"></a>T.60: Minimize a template's context dependencies
17987 ##### Reason
17989 Eases understanding.
17990 Minimizes errors from unexpected dependencies.
17991 Eases tool creation.
17993 ##### Example
17995     template<typename C>
17996     void sort(C& c)
17997     {
17998         std::sort(begin(c), end(c)); // necessary and useful dependency
17999     }
18001     template<typename Iter>
18002     Iter algo(Iter first, Iter last)
18003     {
18004         for (; first != last; ++first) {
18005             auto x = sqrt(*first); // potentially surprising dependency: which sqrt()?
18006             helper(first, x);      // potentially surprising dependency:
18007                                    // helper is chosen based on first and x
18008             TT var = 7;            // potentially surprising dependency: which TT?
18009         }
18010     }
18012 ##### Note
18014 Templates typically appear in header files so their context dependencies are more vulnerable to `#include` order dependencies than functions in `.cpp` files.
18016 ##### Note
18018 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.
18019 For example, algorithms usually use other algorithms and invoke operations that do not exclusively operate on arguments.
18020 And don't get us started on macros!
18022 **See also**: [T.69](#Rt-customization)
18024 ##### Enforcement
18026 ??? Tricky
18028 ### <a name="Rt-scary"></a>T.61: Do not over-parameterize members (SCARY)
18030 ##### Reason
18032 A member that does not depend on a template parameter cannot be used except for a specific template argument.
18033 This limits use and typically increases code size.
18035 ##### Example, bad
18037     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
18038         // requires Regular<T> && Allocator<A>
18039     class List {
18040     public:
18041         struct Link {   // does not depend on A
18042             T elem;
18043             T* pre;
18044             T* suc;
18045         };
18047         using iterator = Link*;
18049         iterator first() const { return head; }
18051         // ...
18052     private:
18053         Link* head;
18054     };
18056     List<int> lst1;
18057     List<int, My_allocator> lst2;
18059 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.
18060 Typically, the solution is to make what would have been a nested class non-local, with its own minimal set of template parameters.
18062     template<typename T>
18063     struct Link {
18064         T elem;
18065         T* pre;
18066         T* suc;
18067     };
18069     template<typename T, typename A = std::allocator{}>
18070         // requires Regular<T> && Allocator<A>
18071     class List2 {
18072     public:
18073         using iterator = Link<T>*;
18075         iterator first() const { return head; }
18077         // ...
18078     private:
18079         Link* head;
18080     };
18082     List<int> lst1;
18083     List<int, My_allocator> lst2;
18085 Some people found the idea that the `Link` no longer was hidden inside the list scary, so we named the technique
18086 [SCARY](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/WG21/docs/papers/2009/n2911.pdf). From that academic paper:
18087 "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)."
18089 ##### Note
18091 This also applies to lambdas that don't depend on all of the template parameters.
18093 ##### Enforcement
18095 * Flag member types that do not depend on every template parameter
18096 * Flag member functions that do not depend on every template parameter
18097 * Flag lambdas or variable templates that do not depend on every template parameter
18099 ### <a name="Rt-nondependent"></a>T.62: Place non-dependent class template members in a non-templated base class
18101 ##### Reason
18103  Allow the base class members to be used without specifying template arguments and without template instantiation.
18105 ##### Example
18107     template<typename T>
18108     class Foo {
18109     public:
18110         enum { v1, v2 };
18111         // ...
18112     };
18116     struct Foo_base {
18117         enum { v1, v2 };
18118         // ...
18119     };
18121     template<typename T>
18122     class Foo : public Foo_base {
18123     public:
18124         // ...
18125     };
18127 ##### Note
18129 A more general version of this rule would be
18130 "If a class template member depends on only N template parameters out of M, place it in a base class with only N parameters."
18131 For N == 1, we have a choice of a base class of a class in the surrounding scope as in [T.61](#Rt-scary).
18133 ??? What about constants? class statics?
18135 ##### Enforcement
18137 * Flag ???
18139 ### <a name="Rt-specialization"></a>T.64: Use specialization to provide alternative implementations of class templates
18141 ##### Reason
18143 A template defines a general interface.
18144 Specialization offers a powerful mechanism for providing alternative implementations of that interface.
18146 ##### Example
18148     ??? string specialization (==)
18150     ??? representation specialization ?
18152 ##### Note
18156 ##### Enforcement
18160 ### <a name="Rt-tag-dispatch"></a>T.65: Use tag dispatch to provide alternative implementations of a function
18162 ##### Reason
18164 * A template defines a general interface.
18165 * Tag dispatch allows us to select implementations based on specific properties of an argument type.
18166 * Performance.
18168 ##### Example
18170 This is a simplified version of `std::copy` (ignoring the possibility of non-contiguous sequences)
18172     struct pod_tag {};
18173     struct non_pod_tag {};
18175     template<class T> struct copy_trait { using tag = non_pod_tag; };   // T is not "plain old data"
18177     template<> struct copy_trait<int> { using tag = pod_tag; };         // int is "plain old data"
18179     template<class Iter>
18180     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, pod_tag)
18181     {
18182         // use memmove
18183     }
18185     template<class Iter>
18186     Out copy_helper(Iter first, Iter last, Iter out, non_pod_tag)
18187     {
18188         // use loop calling copy constructors
18189     }
18191     template<class Iter>
18192     Out copy(Iter first, Iter last, Iter out)
18193     {
18194         return copy_helper(first, last, out, typename copy_trait<Iter>::tag{})
18195     }
18197     void use(vector<int>& vi, vector<int>& vi2, vector<string>& vs, vector<string>& vs2)
18198     {
18199         copy(vi.begin(), vi.end(), vi2.begin()); // uses memmove
18200         copy(vs.begin(), vs.end(), vs2.begin()); // uses a loop calling copy constructors
18201     }
18203 This is a general and powerful technique for compile-time algorithm selection.
18205 ##### Note
18207 When `concept`s become widely available such alternatives can be distinguished directly:
18209     template<class Iter>
18210         requires Pod<Value_type<iter>>
18211     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
18212     {
18213         // use memmove
18214     }
18216     template<class Iter>
18217     Out copy_helper(In, first, In last, Out out)
18218     {
18219         // use loop calling copy constructors
18220     }
18222 ##### Enforcement
18227 ### <a name="Rt-specialization2"></a>T.67: Use specialization to provide alternative implementations for irregular types
18229 ##### Reason
18231  ???
18233 ##### Example
18235     ???
18237 ##### Enforcement
18241 ### <a name="Rt-cast"></a>T.68: Use `{}` rather than `()` within templates to avoid ambiguities
18243 ##### Reason
18245 `()` is vulnerable to grammar ambiguities.
18247 ##### Example
18249     template<typename T, typename U>
18250     void f(T t, U u)
18251     {
18252         T v1(T(u));    // mistake: oops, v1 is a function not a variable
18253         T v2{u};       // clear:   obviously a variable
18254         auto x = T(u); // unclear: construction or cast?
18255     }
18257     f(1, "asdf"); // bad: cast from const char* to int
18259 ##### Enforcement
18261 * flag `()` initializers
18262 * flag function-style casts
18265 ### <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
18267 ##### Reason
18269 * Provide only intended flexibility.
18270 * Avoid vulnerability to accidental environmental changes.
18272 ##### Example
18274 There are three major ways to let calling code customize a template.
18276     template<class T>
18277         // Call a member function
18278     void test1(T t)
18279     {
18280         t.f();    // require T to provide f()
18281     }
18283     template<class T>
18284     void test2(T t)
18285         // Call a non-member function without qualification
18286     {
18287         f(t);  // require f(/*T*/) be available in caller's scope or in T's namespace
18288     }
18290     template<class T>
18291     void test3(T t)
18292         // Invoke a "trait"
18293     {
18294         test_traits<T>::f(t); // require customizing test_traits<>
18295                               // to get non-default functions/types
18296     }
18298 A trait is usually a type alias to compute a type,
18299 a `constexpr` function to compute a value,
18300 or a traditional traits template to be specialized on the user's type.
18302 ##### Note
18304 If you intend to call your own helper function `helper(t)` with a value `t` that depends on a template type parameter,
18305 put it in a `::detail` namespace and qualify the call as `detail::helper(t);`.
18306 An unqualified call becomes a customization point where any function `helper` in the namespace of `t`'s type can be invoked;
18307 this can cause problems like [unintentionally invoking unconstrained function templates](#Rt-visible).
18310 ##### Enforcement
18312 * 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.
18315 ## <a name="SS-temp-hier"></a>T.temp-hier: Template and hierarchy rules:
18317 Templates are the backbone of C++'s support for generic programming and class hierarchies the backbone of its support
18318 for object-oriented programming.
18319 The two language mechanisms can be used effectively in combination, but a few design pitfalls must be avoided.
18321 ### <a name="Rt-hier"></a>T.80: Do not naively templatize a class hierarchy
18323 ##### Reason
18325 Templating a class hierarchy that has many functions, especially many virtual functions, can lead to code bloat.
18327 ##### Example, bad
18329     template<typename T>
18330     struct Container {         // an interface
18331         virtual T* get(int i);
18332         virtual T* first();
18333         virtual T* next();
18334         virtual void sort();
18335     };
18337     template<typename T>
18338     class Vector : public Container<T> {
18339     public:
18340         // ...
18341     };
18343     Vector<int> vi;
18344     Vector<string> vs;
18346 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.
18348 Given this, the compiler cannot know if `vector<int>::sort()` is called, so it must generate code for it.
18349 Similar for `vector<string>::sort()`.
18350 Unless those two functions are called that's code bloat.
18351 Imagine what this would do to a class hierarchy with dozens of member functions and dozens of derived classes with many instantiations.
18353 ##### Note
18355 In many cases you can provide a stable interface by not parameterizing a base;
18356 see ["stable base"](#Rt-abi) and [OO and GP](#Rt-generic-oo)
18358 ##### Enforcement
18360 * Flag virtual functions that depend on a template argument. ??? False positives
18362 ### <a name="Rt-array"></a>T.81: Do not mix hierarchies and arrays
18364 ##### Reason
18366 An array of derived classes can implicitly "decay" to a pointer to a base class with potential disastrous results.
18368 ##### Example
18370 Assume that `Apple` and `Pear` are two kinds of `Fruit`s.
18372     void maul(Fruit* p)
18373     {
18374         *p = Pear{};     // put a Pear into *p
18375         p[1] = Pear{};   // put a Pear into p[1]
18376     }
18378     Apple aa [] = { an_apple, another_apple };   // aa contains Apples (obviously!)
18380     maul(aa);
18381     Apple& a0 = &aa[0];   // a Pear?
18382     Apple& a1 = &aa[1];   // a Pear?
18384 Probably, `aa[0]` will be a `Pear` (without the use of a cast!).
18385 If `sizeof(Apple) != sizeof(Pear)` the access to `aa[1]` will not be aligned to the proper start of an object in the array.
18386 We have a type violation and possibly (probably) a memory corruption.
18387 Never write such code.
18389 Note that `maul()` violates the a [`T*` points to an individual object rule](#Rf-ptr).
18391 **Alternative**: Use a proper (templatized) container:
18393     void maul2(Fruit* p)
18394     {
18395         *p = Pear{};   // put a Pear into *p
18396     }
18398     vector<Apple> va = { an_apple, another_apple };   // va contains Apples (obviously!)
18400     maul2(va);       // error: cannot convert a vector<Apple> to a Fruit*
18401     maul2(&va[0]);   // you asked for it
18403     Apple& a0 = &va[0];   // a Pear?
18405 Note that the assignment in `maul2()` violated the [no-slicing rule](#Res-slice).
18407 ##### Enforcement
18409 * Detect this horror!
18411 ### <a name="Rt-linear"></a>T.82: Linearize a hierarchy when virtual functions are undesirable
18413 ##### Reason
18415  ???
18417 ##### Example
18419     ???
18421 ##### Enforcement
18425 ### <a name="Rt-virtual"></a>T.83: Do not declare a member function template virtual
18427 ##### Reason
18429 C++ does not support that.
18430 If it did, vtbls could not be generated until link time.
18431 And in general, implementations must deal with dynamic linking.
18433 ##### Example, don't
18435     class Shape {
18436         // ...
18437         template<class T>
18438         virtual bool intersect(T* p);   // error: template cannot be virtual
18439     };
18441 ##### Note
18443 We need a rule because people keep asking about this
18445 ##### Alternative
18447 Double dispatch, visitors, calculate which function to call
18449 ##### Enforcement
18451 The compiler handles that.
18453 ### <a name="Rt-abi"></a>T.84: Use a non-template core implementation to provide an ABI-stable interface
18455 ##### Reason
18457 Improve stability of code.
18458 Avoid code bloat.
18460 ##### Example
18462 It could be a base class:
18464     struct Link_base {   // stable
18465         Link_base* suc;
18466         Link_base* pre;
18467     };
18469     template<typename T>   // templated wrapper to add type safety
18470     struct Link : Link_base {
18471         T val;
18472     };
18474     struct List_base {
18475         Link_base* first;   // first element (if any)
18476         int sz;             // number of elements
18477         void add_front(Link_base* p);
18478         // ...
18479     };
18481     template<typename T>
18482     class List : List_base {
18483     public:
18484         void put_front(const T& e) { add_front(new Link<T>{e}); }   // implicit cast to Link_base
18485         T& front() { static_cast<Link<T>*>(first).val; }   // explicit cast back to Link<T>
18486         // ...
18487     };
18489     List<int> li;
18490     List<string> ls;
18492 Now there is only one copy of the operations linking and unlinking elements of a `List`.
18493 The `Link` and `List` classes do nothing but type manipulation.
18495 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.
18497 **Alternative**: Use a [Pimpl](#Ri-pimpl) implementation.
18499 ##### Enforcement
18503 ## <a name="SS-variadic"></a>T.var: Variadic template rules
18507 ### <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
18509 ##### Reason
18511 Variadic templates is the most general mechanism for that, and is both efficient and type-safe. Don't use C varargs.
18513 ##### Example
18515     ??? printf
18517 ##### Enforcement
18519 * Flag uses of `va_arg` in user code.
18521 ### <a name="Rt-variadic-pass"></a>T.101: ??? How to pass arguments to a variadic template ???
18523 ##### Reason
18525  ???
18527 ##### Example
18529     ??? beware of move-only and reference arguments
18531 ##### Enforcement
18535 ### <a name="Rt-variadic-process"></a>T.102: How to process arguments to a variadic template
18537 ##### Reason
18539  ???
18541 ##### Example
18543     ??? forwarding, type checking, references
18545 ##### Enforcement
18549 ### <a name="Rt-variadic-not"></a>T.103: Don't use variadic templates for homogeneous argument lists
18551 ##### Reason
18553 There are more precise ways of specifying a homogeneous sequence, such as an `initializer_list`.
18555 ##### Example
18557     ???
18559 ##### Enforcement
18563 ## <a name="SS-meta"></a>T.meta: Template metaprogramming (TMP)
18565 Templates provide a general mechanism for compile-time programming.
18567 Metaprogramming is programming where at least one input or one result is a type.
18568 Templates offer Turing-complete (modulo memory capacity) duck typing at compile time.
18569 The syntax and techniques needed are pretty horrendous.
18571 ### <a name="Rt-metameta"></a>T.120: Use template metaprogramming only when you really need to
18573 ##### Reason
18575 Template metaprogramming is hard to get right, slows down compilation, and is often very hard to maintain.
18576 However, there are real-world examples where template metaprogramming provides better performance than any alternative short of expert-level assembly code.
18577 Also, there are real-world examples where template metaprogramming expresses the fundamental ideas better than run-time code.
18578 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++.
18580 ##### Example, bad
18582     ???
18584 ##### Example, bad
18586     enable_if
18588 Instead, use concepts. But see [How to emulate concepts if you don't have language support](#Rt-emulate).
18590 ##### Example
18592     ??? good
18594 **Alternative**: If the result is a value, rather than a type, use a [`constexpr` function](#Rt-fct).
18596 ##### Note
18598 If you feel the need to hide your template metaprogramming in macros, you have probably gone too far.
18600 ### <a name="Rt-emulate"></a>T.121: Use template metaprogramming primarily to emulate concepts
18602 ##### Reason
18604 Until concepts become generally available, we need to emulate them using TMP.
18605 Use cases that require concepts (e.g. overloading based on concepts) are among the most common (and simple) uses of TMP.
18607 ##### Example
18609     template<typename Iter>
18610         /*requires*/ enable_if<random_access_iterator<Iter>, void>
18611     advance(Iter p, int n) { p += n; }
18613     template<typename Iter>
18614         /*requires*/ enable_if<forward_iterator<Iter>, void>
18615     advance(Iter p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18617 ##### Note
18619 Such code is much simpler using concepts:
18621     void advance(RandomAccessIterator p, int n) { p += n; }
18623     void advance(ForwardIterator p, int n) { assert(n >= 0); while (n--) ++p;}
18625 ##### Enforcement
18629 ### <a name="Rt-tmp"></a>T.122: Use templates (usually template aliases) to compute types at compile time
18631 ##### Reason
18633 Template metaprogramming is the only directly supported and half-way principled way of generating types at compile time.
18635 ##### Note
18637 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18639 ##### Example
18641     ??? big object / small object optimization
18643 ##### Enforcement
18647 ### <a name="Rt-fct"></a>T.123: Use `constexpr` functions to compute values at compile time
18649 ##### Reason
18651 A function is the most obvious and conventional way of expressing the computation of a value.
18652 Often a `constexpr` function implies less compile-time overhead than alternatives.
18654 ##### Note
18656 "Traits" techniques are mostly replaced by template aliases to compute types and `constexpr` functions to compute values.
18658 ##### Example
18660     template<typename T>
18661         // requires Number<T>
18662     constexpr T pow(T v, int n)   // power/exponential
18663     {
18664         T res = 1;
18665         while (n--) res *= v;
18666         return res;
18667     }
18669     constexpr auto f7 = pow(pi, 7);
18671 ##### Enforcement
18673 * Flag template metaprograms yielding a value. These should be replaced with `constexpr` functions.
18675 ### <a name="Rt-std-tmp"></a>T.124: Prefer to use standard-library TMP facilities
18677 ##### Reason
18679 Facilities defined in the standard, such as `conditional`, `enable_if`, and `tuple`, are portable and can be assumed to be known.
18681 ##### Example
18683     ???
18685 ##### Enforcement
18689 ### <a name="Rt-lib"></a>T.125: If you need to go beyond the standard-library TMP facilities, use an existing library
18691 ##### Reason
18693 Getting advanced TMP facilities is not easy and using a library makes you part of a (hopefully supportive) community.
18694 Write your own "advanced TMP support" only if you really have to.
18696 ##### Example
18698     ???
18700 ##### Enforcement
18704 ## <a name="SS-temp-other"></a>Other template rules
18706 ### <a name="Rt-name"></a>T.140: Name all operations with potential for reuse
18708 ##### Reason
18710 Documentation, readability, opportunity for reuse.
18712 ##### Example
18714     struct Rec {
18715         string name;
18716         string addr;
18717         int id;         // unique identifier
18718     };
18720     bool same(const Rec& a, const Rec& b)
18721     {
18722         return a.id == b.id;
18723     }
18725     vector<Rec*> find_id(const string& name);    // find all records for "name"
18727     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18728         [&](Rec& r) {
18729             if (r.name.size() != n.size()) return false; // name to compare to is in n
18730             for (int i = 0; i < r.name.size(); ++i)
18731                 if (tolower(r.name[i]) != tolower(n[i])) return false;
18732             return true;
18733         }
18734     );
18736 There is a useful function lurking here (case insensitive string comparison), as there often is when lambda arguments get large.
18738     bool compare_insensitive(const string& a, const string& b)
18739     {
18740         if (a.size() != b.size()) return false;
18741         for (int i = 0; i < a.size(); ++i) if (tolower(a[i]) != tolower(b[i])) return false;
18742         return true;
18743     }
18745     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18746         [&](Rec& r) { compare_insensitive(r.name, n); }
18747     );
18749 Or maybe (if you prefer to avoid the implicit name binding to n):
18751     auto cmp_to_n = [&n](const string& a) { return compare_insensitive(a, n); };
18753     auto x = find_if(vr.begin(), vr.end(),
18754         [](const Rec& r) { return cmp_to_n(r.name); }
18755     );
18757 ##### Note
18759 whether functions, lambdas, or operators.
18761 ##### Exception
18763 * Lambdas logically used only locally, such as an argument to `for_each` and similar control flow algorithms.
18764 * Lambdas as [initializers](#???)
18766 ##### Enforcement
18768 * (hard) flag similar lambdas
18769 * ???
18771 ### <a name="Rt-lambda"></a>T.141: Use an unnamed lambda if you need a simple function object in one place only
18773 ##### Reason
18775 That makes the code concise and gives better locality than alternatives.
18777 ##### Example
18779     auto earlyUsersEnd = std::remove_if(users.begin(), users.end(),
18780                                         [](const User &a) { return a.id > 100; });
18783 ##### Exception
18785 Naming a lambda can be useful for clarity even if it is used only once.
18787 ##### Enforcement
18789 * Look for identical and near identical lambdas (to be replaced with named functions or named lambdas).
18791 ### <a name="Rt-var"></a>T.142?: Use template variables to simplify notation
18793 ##### Reason
18795 Improved readability.
18797 ##### Example
18799     ???
18801 ##### Enforcement
18805 ### <a name="Rt-non-generic"></a>T.143: Don't write unintentionally non-generic code
18807 ##### Reason
18809 Generality. Reusability. Don't gratuitously commit to details; use the most general facilities available.
18811 ##### Example
18813 Use `!=` instead of `<` to compare iterators; `!=` works for more objects because it doesn't rely on ordering.
18815     for (auto i = first; i < last; ++i) {   // less generic
18816         // ...
18817     }
18819     for (auto i = first; i != last; ++i) {   // good; more generic
18820         // ...
18821     }
18823 Of course, range-`for` is better still where it does what you want.
18825 ##### Example
18827 Use the least-derived class that has the functionality you need.
18829     class Base {
18830     public:
18831         Bar f();
18832         Bar g();
18833     };
18835     class Derived1 : public Base {
18836     public:
18837         Bar h();
18838     };
18840     class Derived2 : public Base {
18841     public:
18842         Bar j();
18843     };
18845     // bad, unless there is a specific reason for limiting to Derived1 objects only
18846     void my_func(Derived1& param)
18847     {
18848         use(param.f());
18849         use(param.g());
18850     }
18852     // good, uses only Base interface so only commit to that
18853     void my_func(Base& param)
18854     {
18855         use(param.f());
18856         use(param.g());
18857     }
18859 ##### Enforcement
18861 * Flag comparison of iterators using `<` instead of `!=`.
18862 * 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.
18863 * Flag functions that take a pointer or reference to a more-derived type but only use functions declared in a base type.
18865 ### <a name="Rt-specialize-function"></a>T.144: Don't specialize function templates
18867 ##### Reason
18869 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.
18871 ##### Example
18873     ???
18875 **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).
18877 ##### Enforcement
18879 * Flag all specializations of a function template. Overload instead.
18882 ### <a name="Rt-check-class"></a>T.150: Check that a class matches a concept using `static_assert`
18884 ##### Reason
18886 If you intend for a class to match a concept, verifying that early saves users pain.
18888 ##### Example
18890     class X {
18891     public:
18892         X() = delete;
18893         X(const X&) = default;
18894         X(X&&) = default;
18895         X& operator=(const X&) = default;
18896         // ...
18897     };
18899 Somewhere, possibly in an implementation file, let the compiler check the desired properties of `X`:
18901     static_assert(Default_constructible<X>);    // error: X has no default constructor
18902     static_assert(Copyable<X>);                 // error: we forgot to define X's move constructor
18905 ##### Enforcement
18907 Not feasible.
18909 # <a name="S-cpl"></a>CPL: C-style programming
18911 C and C++ are closely related languages.
18912 They both originate in "Classic C" from 1978 and have evolved in ISO committees since then.
18913 Many attempts have been made to keep them compatible, but neither is a subset of the other.
18915 C rule summary:
18917 * [CPL.1: Prefer C++ to C](#Rcpl-C)
18918 * [CPL.2: If you must use C, use the common subset of C and C++, and compile the C code as C++](#Rcpl-subset)
18919 * [CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces](#Rcpl-interface)
18921 ### <a name="Rcpl-C"></a>CPL.1: Prefer C++ to C
18923 ##### Reason
18925 C++ provides better type checking and more notational support.
18926 It provides better support for high-level programming and often generates faster code.
18928 ##### Example
18930     char ch = 7;
18931     void* pv = &ch;
18932     int* pi = pv;   // not C++
18933     *pi = 999;      // overwrite sizeof(int) bytes near &ch
18935 The rules for implicit casting to and from `void*` in C are subtle and unenforced.
18936 In particular, this example violates a rule against converting to a type with stricter alignment.
18938 ##### Enforcement
18940 Use a C++ compiler.
18942 ### <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++
18944 ##### Reason
18946 That subset can be compiled with both C and C++ compilers, and when compiled as C++ is better type checked than "pure C."
18948 ##### Example
18950     int* p1 = malloc(10 * sizeof(int));                      // not C++
18951     int* p2 = static_cast<int*>(malloc(10 * sizeof(int)));   // not C, C-style C++
18952     int* p3 = new int[10];                                   // not C
18953     int* p4 = (int*) malloc(10 * sizeof(int));               // both C and C++
18955 ##### Enforcement
18957 * Flag if using a build mode that compiles code as C.
18959   * The C++ compiler will enforce that the code is valid C++ unless you use C extension options.
18961 ### <a name="Rcpl-interface"></a>CPL.3: If you must use C for interfaces, use C++ in the calling code using such interfaces
18963 ##### Reason
18965 C++ is more expressive than C and offers better support for many types of programming.
18967 ##### Example
18969 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.
18970 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.
18972 ##### Example
18974 You can call C from C++:
18976     // in C:
18977     double sqrt(double);
18979     // in C++:
18980     extern "C" double sqrt(double);
18982     sqrt(2);
18984 ##### Example
18986 You can call C++ from C:
18988     // in C:
18989     X call_f(struct Y*, int);
18991     // in C++:
18992     extern "C" X call_f(Y* p, int i)
18993     {
18994         return p->f(i);   // possibly a virtual function call
18995     }
18997 ##### Enforcement
18999 None needed
19001 # <a name="S-source"></a>SF: Source files
19003 Distinguish between declarations (used as interfaces) and definitions (used as implementations).
19004 Use header files to represent interfaces and to emphasize logical structure.
19006 Source file rule summary:
19008 * [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)
19009 * [SF.2: A `.h` file must not contain object definitions or non-inline function definitions](#Rs-inline)
19010 * [SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files](#Rs-declaration-header)
19011 * [SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file](#Rs-include-order)
19012 * [SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface](#Rs-consistency)
19013 * [SF.6: Use `using namespace` directives for transition, for foundation libraries (such as `std`), or within a local scope (only)](#Rs-using)
19014 * [SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file](#Rs-using-directive)
19015 * [SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files](#Rs-guards)
19016 * [SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files](#Rs-cycles)
19017 * [SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names](#Rs-implicit)
19018 * [SF.11: Header files should be self-contained](#Rs-contained)
19019 * [SF.12: Prefer the quoted form of `#include` for files relative to the including file and the angle bracket form everywhere else](#Rs-incform)
19021 * [SF.20: Use `namespace`s to express logical structure](#Rs-namespace)
19022 * [SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header](#Rs-unnamed)
19023 * [SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/non-exported entities](#Rs-unnamed2)
19025 ### <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
19027 ##### Reason
19029 It's a longstanding convention.
19030 But consistency is more important, so if your project uses something else, follow that.
19032 ##### Note
19034 This convention reflects a common use pattern:
19035 Headers are more often shared with C to compile as both C++ and C, which typically uses `.h`,
19036 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.
19037 On the other hand, implementation files are rarely shared with C and so should typically be distinguished from `.c` files,
19038 so it's normally best to name all C++ implementation files something else (such as `.cpp`).
19040 The specific names `.h` and `.cpp` are not required (just recommended as a default) and other names are in widespread use.
19041 Examples are `.hh`, `.C`, and `.cxx`. Use such names equivalently.
19042 In this document, we refer to `.h` and `.cpp` as a shorthand for header and implementation files,
19043 even though the actual extension might be different.
19045 Your IDE (if you use one) might have strong opinions about suffixes.
19047 ##### Example
19049     // foo.h:
19050     extern int a;   // a declaration
19051     extern void foo();
19053     // foo.cpp:
19054     int a;   // a definition
19055     void foo() { ++a; }
19057 `foo.h` provides the interface to `foo.cpp`. Global variables are best avoided.
19059 ##### Example, bad
19061     // foo.h:
19062     int a;   // a definition
19063     void foo() { ++a; }
19065 `#include <foo.h>` twice in a program and you get a linker error for two one-definition-rule violations.
19067 ##### Enforcement
19069 * Flag non-conventional file names.
19070 * Check that `.h` and `.cpp` (and equivalents) follow the rules below.
19072 ### <a name="Rs-inline"></a>SF.2: A `.h` file must not contain object definitions or non-inline function definitions
19074 ##### Reason
19076 Including entities subject to the one-definition rule leads to linkage errors.
19078 ##### Example
19080     // file.h:
19081     namespace Foo {
19082         int x = 7;
19083         int xx() { return x+x; }
19084     }
19086     // file1.cpp:
19087     #include <file.h>
19088     // ... more ...
19090      // file2.cpp:
19091     #include <file.h>
19092     // ... more ...
19094 Linking `file1.cpp` and `file2.cpp` will give two linker errors.
19096 **Alternative formulation**: A `.h` file must contain only:
19098 * `#include`s of other `.h` files (possibly with include guards)
19099 * templates
19100 * class definitions
19101 * function declarations
19102 * `extern` declarations
19103 * `inline` function definitions
19104 * `constexpr` definitions
19105 * `const` definitions
19106 * `using` alias definitions
19107 * ???
19109 ##### Enforcement
19111 Check the positive list above.
19113 ### <a name="Rs-declaration-header"></a>SF.3: Use `.h` files for all declarations used in multiple source files
19115 ##### Reason
19117 Maintainability. Readability.
19119 ##### Example, bad
19121     // bar.cpp:
19122     void bar() { cout << "bar\n"; }
19124     // foo.cpp:
19125     extern void bar();
19126     void foo() { bar(); }
19128 A maintainer of `bar` cannot find all declarations of `bar` if its type needs changing.
19129 The user of `bar` cannot know if the interface used is complete and correct. At best, error messages come (late) from the linker.
19131 ##### Enforcement
19133 * Flag declarations of entities in other source files not placed in a `.h`.
19135 ### <a name="Rs-include-order"></a>SF.4: Include `.h` files before other declarations in a file
19137 ##### Reason
19139 Minimize context dependencies and increase readability.
19141 ##### Example
19143     #include <vector>
19144     #include <algorithm>
19145     #include <string>
19147     // ... my code here ...
19149 ##### Example, bad
19151     #include <vector>
19153     // ... my code here ...
19155     #include <algorithm>
19156     #include <string>
19158 ##### Note
19160 This applies to both `.h` and `.cpp` files.
19162 ##### Note
19164 There is an argument for insulating code from declarations and macros in header files by `#including` headers *after* the code we want to protect
19165 (as in the example labeled "bad").
19166 However
19168 * that only works for one file (at one level): Use that technique in a header included with other headers and the vulnerability reappears.
19169 * a namespace (an "implementation namespace") can protect against many context dependencies.
19170 * full protection and flexibility require modules.
19172 **See also**:
19174 * [Working Draft, Extensions to C++ for Modules](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4592.pdf)
19175 * [Modules, Componentization, and Transition](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0141r0.pdf)
19177 ##### Enforcement
19179 Easy.
19181 ### <a name="Rs-consistency"></a>SF.5: A `.cpp` file must include the `.h` file(s) that defines its interface
19183 ##### Reason
19185 This enables the compiler to do an early consistency check.
19187 ##### Example, bad
19189     // foo.h:
19190     void foo(int);
19191     int bar(long);
19192     int foobar(int);
19194     // foo.cpp:
19195     void foo(int) { /* ... */ }
19196     int bar(double) { /* ... */ }
19197     double foobar(int);
19199 The errors will not be caught until link time for a program calling `bar` or `foobar`.
19201 ##### Example
19203     // foo.h:
19204     void foo(int);
19205     int bar(long);
19206     int foobar(int);
19208     // foo.cpp:
19209     #include <foo.h>
19211     void foo(int) { /* ... */ }
19212     int bar(double) { /* ... */ }
19213     double foobar(int);   // error: wrong return type
19215 The return-type error for `foobar` is now caught immediately when `foo.cpp` is compiled.
19216 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.
19218 ##### Enforcement
19222 ### <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)
19224 ##### Reason
19226  `using namespace` can lead to name clashes, so it should be used sparingly.
19227  However, it is not always possible to qualify every name from a namespace in user code (e.g., during transition)
19228  and sometimes a namespace is so fundamental and prevalent in a code base, that consistent qualification would be verbose and distracting.
19230 ##### Example
19232     #include <string>
19233     #include <vector>
19234     #include <iostream>
19235     #include <memory>
19236     #include <algorithm>
19238     using namespace std;
19240     // ...
19242 Here (obviously), the standard library is used pervasively and apparently no other library is used, so requiring `std::` everywhere
19243 could be distracting.
19245 ##### Example
19247 The use of `using namespace std;` leaves the programmer open to a name clash with a name from the standard library
19249     #include <cmath>
19250     using namespace std;
19252     int g(int x)
19253     {
19254         int sqrt = 7;
19255         // ...
19256         return sqrt(x); // error
19257     }
19259 However, this is not particularly likely to lead to a resolution that is not an error and
19260 people who use `using namespace std` are supposed to know about `std` and about this risk.
19262 ##### Note
19264 A `.cpp` file is a form of local scope.
19265 There is little difference in the opportunities for name clashes in an N-line `.cpp` containing a `using namespace X`,
19266 an N-line function containing a `using namespace X`,
19267 and M functions each containing a `using namespace X`with N lines of code in total.
19269 ##### Note
19271 [Don't write `using namespace` at global scope in a header file](#Rs-using-directive).
19273 ##### Enforcement
19275 Flag multiple `using namespace` directives for different namespaces in a single source file.
19277 ### <a name="Rs-using-directive"></a>SF.7: Don't write `using namespace` at global scope in a header file
19279 ##### Reason
19281 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.
19283 ##### Example
19285     // bad.h
19286     #include <iostream>
19287     using namespace std; // bad
19289     // user.cpp
19290     #include "bad.h"
19292     bool copy(/*... some parameters ...*/);    // some function that happens to be named copy
19294     int main()
19295     {
19296         copy(/*...*/);    // now overloads local ::copy and std::copy, could be ambiguous
19297     }
19299 ##### Note
19301 An exception is `using namespace std::literals;`. This is necessary to use string literals
19302 in header files and given [the rules](http://eel.is/c++draft/over.literal) - users are required
19303 to name their own UDLs `operator""_x` - they will not collide with the standard library.
19305 ##### Enforcement
19307 Flag `using namespace` at global scope in a header file.
19309 ### <a name="Rs-guards"></a>SF.8: Use `#include` guards for all `.h` files
19311 ##### Reason
19313 To avoid files being `#include`d several times.
19315 In order to avoid include guard collisions, do not just name the guard after the filename.
19316 Be sure to also include a key and good differentiator, such as the name of library or component
19317 the header file is part of.
19319 ##### Example
19321     // file foobar.h:
19322     #ifndef LIBRARY_FOOBAR_H
19323     #define LIBRARY_FOOBAR_H
19324     // ... declarations ...
19325     #endif // LIBRARY_FOOBAR_H
19327 ##### Enforcement
19329 Flag `.h` files without `#include` guards.
19331 ##### Note
19333 Some implementations offer vendor extensions like `#pragma once` as alternative to include guards.
19334 It is not standard and it is not portable.  It injects the hosting machine's filesystem semantics
19335 into your program, in addition to locking you down to a vendor.
19336 Our recommendation is to write in ISO C++: See [rule P.2](#Rp-Cplusplus).
19338 ### <a name="Rs-cycles"></a>SF.9: Avoid cyclic dependencies among source files
19340 ##### Reason
19342 Cycles complicate comprehension and slow down compilation. They also
19343 complicate conversion to use language-supported modules (when they become
19344 available).
19346 ##### Note
19348 Eliminate cycles; don't just break them with `#include` guards.
19350 ##### Example, bad
19352     // file1.h:
19353     #include "file2.h"
19355     // file2.h:
19356     #include "file3.h"
19358     // file3.h:
19359     #include "file1.h"
19361 ##### Enforcement
19363 Flag all cycles.
19366 ### <a name="Rs-implicit"></a>SF.10: Avoid dependencies on implicitly `#include`d names
19368 ##### Reason
19370 Avoid surprises.
19371 Avoid having to change `#include`s if an `#include`d header changes.
19372 Avoid accidentally becoming dependent on implementation details and logically separate entities included in a header.
19374 ##### Example, bad
19376     #include <iostream>
19377     using namespace std;
19379     void use()
19380     {
19381         string s;
19382         cin >> s;               // fine
19383         getline(cin, s);        // error: getline() not defined
19384         if (s == "surprise") {  // error == not defined
19385             // ...
19386         }
19387     }
19389 `<iostream>` exposes the definition of `std::string` ("why?" makes for a fun trivia question),
19390 but it is not required to do so by transitively including the entire `<string>` header,
19391 resulting in the popular beginner question "why doesn't `getline(cin,s);` work?"
19392 or even an occasional "`string`s cannot be compared with `==`").
19394 The solution is to explicitly `#include <string>`:
19396 ##### Example, good
19398     #include <iostream>
19399     #include <string>
19400     using namespace std;
19402     void use()
19403     {
19404         string s;
19405         cin >> s;               // fine
19406         getline(cin, s);        // fine
19407         if (s == "surprise") {  // fine
19408             // ...
19409         }
19410     }
19412 ##### Note
19414 Some headers exist exactly to collect a set of consistent declarations from a variety of headers.
19415 For example:
19417     // basic_std_lib.h:
19419     #include <string>
19420     #include <map>
19421     #include <iostream>
19422     #include <random>
19423     #include <vector>
19425 a user can now get that set of declarations with a single `#include`"
19427     #include "basic_std_lib.h"
19429 This rule against implicit inclusion is not meant to prevent such deliberate aggregation.
19431 ##### Enforcement
19433 Enforcement would require some knowledge about what in a header is meant to be "exported" to users and what is there to enable implementation.
19434 No really good solution is possible until we have modules.
19436 ### <a name="Rs-contained"></a>SF.11: Header files should be self-contained
19438 ##### Reason
19440 Usability, headers should be simple to use and work when included on their own.
19441 Headers should encapsulate the functionality they provide.
19442 Avoid clients of a header having to manage that header's dependencies.
19444 ##### Example
19446     #include "helpers.h"
19447     // helpers.h depends on std::string and includes <string>
19449 ##### Note
19451 Failing to follow this results in difficult to diagnose errors for clients of a header.
19453 ##### Note
19455 A header should include all its dependencies. Be careful about using relative paths because C++ implementations diverge on their meaning.
19457 ##### Enforcement
19459 A test should verify that the header file itself compiles or that a cpp file which only includes the header file compiles.
19461 ### <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
19463 ##### Reason
19465 The [standard](http://eel.is/c++draft/cpp.include) provides flexibility for compilers to implement
19466 the two forms of `#include` selected using the angle (`<>`) or quoted (`""`) syntax. Vendors take
19467 advantage of this and use different search algorithms and methods for specifying the include path.
19469 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).
19471 ##### Example
19473     // foo.cpp:
19474     #include <string>                // From the standard library, requires the <> form
19475     #include <some_library/common.h> // A file that is not locally relative, included from another library; use the <> form
19476     #include "foo.h"                 // A file locally relative to foo.cpp in the same project, use the "" form
19477     #include "foo_utils/utils.h"     // A file locally relative to foo.cpp in the same project, use the "" form
19478     #include <component_b/bar.h>     // A file in the same project located via a search path, use the <> form
19480 ##### Note
19482 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.
19484 Library creators should put their headers in a folder and have clients include those files using the relative path `#include <some_library/common.h>`
19486 ##### Enforcement
19488 A test should identify whether headers referenced via `""` could be referenced with `<>`.
19490 ### <a name="Rs-namespace"></a>SF.20: Use `namespace`s to express logical structure
19492 ##### Reason
19494  ???
19496 ##### Example
19498     ???
19500 ##### Enforcement
19504 ### <a name="Rs-unnamed"></a>SF.21: Don't use an unnamed (anonymous) namespace in a header
19506 ##### Reason
19508 It is almost always a bug to mention an unnamed namespace in a header file.
19510 ##### Example
19512     ???
19514 ##### Enforcement
19516 * Flag any use of an anonymous namespace in a header file.
19518 ### <a name="Rs-unnamed2"></a>SF.22: Use an unnamed (anonymous) namespace for all internal/non-exported entities
19520 ##### Reason
19522 Nothing external can depend on an entity in a nested unnamed namespace.
19523 Consider putting every definition in an implementation source file in an unnamed namespace unless that is defining an "external/exported" entity.
19525 ##### Example; bad
19527     static int f();
19528     int g();
19529     static bool h();
19530     int k();
19532 ##### Example; good
19534     namespace {
19535         int f();
19536         bool h();
19537     }
19538     int g();
19539     int k();
19541 ##### Example
19543 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.
19545     ???
19547 ##### Enforcement
19549 * ???
19551 # <a name="S-stdlib"></a>SL: The Standard Library
19553 Using only the bare language, every task is tedious (in any language).
19554 Using a suitable library any task can be reasonably simple.
19556 The standard library has steadily grown over the years.
19557 Its description in the standard is now larger than that of the language features.
19558 So, it is likely that this library section of the guidelines will eventually grow in size to equal or exceed all the rest.
19560 << ??? We need another level of rule numbering ??? >>
19562 C++ Standard Library component summary:
19564 * [SL.con: Containers](#SS-con)
19565 * [SL.str: String](#SS-string)
19566 * [SL.io: Iostream](#SS-io)
19567 * [SL.regex: Regex](#SS-regex)
19568 * [SL.chrono: Time](#SS-chrono)
19569 * [SL.C: The C Standard Library](#SS-clib)
19571 Standard-library rule summary:
19573 * [SL.1: Use libraries wherever possible](#Rsl-lib)
19574 * [SL.2: Prefer the standard library to other libraries](#Rsl-sl)
19575 * [SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`](#sl-std)
19576 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19577 * ???
19579 ### <a name="Rsl-lib"></a>SL.1:  Use libraries wherever possible
19581 ##### Reason
19583 Save time. Don't re-invent the wheel.
19584 Don't replicate the work of others.
19585 Benefit from other people's work when they make improvements.
19586 Help other people when you make improvements.
19588 ### <a name="Rsl-sl"></a>SL.2: Prefer the standard library to other libraries
19590 ##### Reason
19592 More people know the standard library.
19593 It is more likely to be stable, well-maintained, and widely available than your own code or most other libraries.
19596 ### <a name="sl-std"></a>SL.3: Do not add non-standard entities to namespace `std`
19598 ##### Reason
19600 Adding to `std` might change the meaning of otherwise standards conforming code.
19601 Additions to `std` might clash with future versions of the standard.
19603 ##### Example
19605     ???
19607 ##### Enforcement
19609 Possible, but messy and likely to cause problems with platforms.
19611 ### <a name="sl-safe"></a>SL.4: Use the standard library in a type-safe manner
19613 ##### Reason
19615 Because, obviously, breaking this rule can lead to undefined behavior, memory corruption, and all kinds of other bad errors.
19617 ##### Note
19619 This is a semi-philosophical meta-rule, which needs many supporting concrete rules.
19620 We need it as an umbrella for the more specific rules.
19622 Summary of more specific rules:
19624 * [SL.4: Use the standard library in a type-safe manner](#sl-safe)
19627 ## <a name="SS-con"></a>SL.con: Containers
19631 Container rule summary:
19633 * [SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array](#Rsl-arrays)
19634 * [SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container](#Rsl-vector)
19635 * [SL.con.3: Avoid bounds errors](#Rsl-bounds)
19636 * [SL.con.4: don't use `memset` or `memcpy` for arguments that are not trivially-copyable](#Rsl-copy)
19638 ### <a name="Rsl-arrays"></a>SL.con.1: Prefer using STL `array` or `vector` instead of a C array
19640 ##### Reason
19642 C arrays are less safe, and have no advantages over `array` and `vector`.
19643 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.
19644 Also, like a built-in array, a stack-allocated `std::array` keeps its elements on the stack.
19645 For a variable-length array, use `std::vector`, which additionally can change its size and handles memory allocation.
19647 ##### Example
19649     int v[SIZE];                        // BAD
19651     std::array<int, SIZE> w;             // ok
19653 ##### Example
19655     int* v = new int[initial_size];     // BAD, owning raw pointer
19656     delete[] v;                         // BAD, manual delete
19658     std::vector<int> w(initial_size);   // ok
19660 ##### Note
19662 Use `gsl::span` for non-owning references into a container.
19664 ##### Note
19666 Comparing the performance of a fixed-sized array allocated on the stack against a `vector` with its elements on the free store is bogus.
19667 You could just as well compare a `std::array` on the stack against the result of a `malloc()` accessed through a pointer.
19668 For most code, even the difference between stack allocation and free-store allocation doesn't matter, but the convenience and safety of `vector` does.
19669 People working with code for which that difference matters are quite capable of choosing between `array` and `vector`.
19671 ##### Enforcement
19673 * 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`.
19675 ### <a name="Rsl-vector"></a>SL.con.2: Prefer using STL `vector` by default unless you have a reason to use a different container
19677 ##### Reason
19679 `vector` and `array` are the only standard containers that offer the following advantages:
19681 * the fastest general-purpose access (random access, including being vectorization-friendly);
19682 * the fastest default access pattern (begin-to-end or end-to-begin is prefetcher-friendly);
19683 * the lowest space overhead (contiguous layout has zero per-element overhead, which is cache-friendly).
19685 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`.
19687 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.
19689 ##### Note
19691 `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.
19693 ##### Exceptions
19695 If you have a good reason to use another container, use that instead. For example:
19697 * If `vector` suits your needs but you don't need the container to be variable size, use `array` instead.
19699 * 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.
19701 ##### Note
19703 To initialize a vector with a number of elements, use `()`-initialization.
19704 To initialize a vector with a list of elements, use `{}`-initialization.
19706     vector<int> v1(20);  // v1 has 20 elements with the value 0 (vector<int>{})
19707     vector<int> v2 {20}; // v2 has 1 element with the value 20
19709 [Prefer the {}-initializer syntax](#Res-list).
19711 ##### Enforcement
19713 * 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.
19715 ### <a name="Rsl-bounds"></a>SL.con.3: Avoid bounds errors
19717 ##### Reason
19719 Read or write beyond an allocated range of elements typically leads to bad errors, wrong results, crashes, and security violations.
19721 ##### Note
19723 The standard-library functions that apply to ranges of elements all have (or could have) bounds-safe overloads that take `span`.
19724 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()`.
19726 Ideally, the in-bounds guarantee should be statically enforced.
19727 For example:
19729 * a range-`for` cannot loop beyond the range of the container to which it is applied
19730 * a `v.begin(),v.end()` is easily determined to be bounds safe
19732 Such loops are as fast as any unchecked/unsafe equivalent.
19734 Often a simple pre-check can eliminate the need for checking of individual indices.
19735 For example
19737 * for `v.begin(),v.begin()+i` the `i` can easily be checked against `v.size()`
19739 Such loops can be much faster than individually checked element accesses.
19741 ##### Example, bad
19743     void f()
19744     {
19745         array<int, 10> a, b;
19746         memset(a.data(), 0, 10);         // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19747         memcmp(a.data(), b.data(), 10);  // BAD, and contains a length error (length = 10 * sizeof(int))
19748     }
19750 Also, `std::array<>::fill()` or `std::fill()` or even an empty initializer are better candidates than `memset()`.
19752 ##### Example, good
19754     void f()
19755     {
19756         array<int, 10> a, b, c{};       // c is initialized to zero
19757         a.fill(0);
19758         fill(b.begin(), b.end(), 0);    // std::fill()
19759         fill(b, 0);                     // std::fill() + Ranges TS
19761         if ( a == b ) {
19762           // ...
19763         }
19764     }
19766 ##### Example
19768 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.
19770     void f(std::vector<int>& v, std::array<int, 12> a, int i)
19771     {
19772         v[0] = a[0];        // BAD
19773         v.at(0) = a[0];     // OK (alternative 1)
19774         at(v, 0) = a[0];    // OK (alternative 2)
19776         v.at(0) = a[i];     // BAD
19777         v.at(0) = a.at(i);  // OK (alternative 1)
19778         v.at(0) = at(a, i); // OK (alternative 2)
19779     }
19781 ##### Enforcement
19783 * Issue a diagnostic for any call to a standard-library function that is not bounds-checked.
19784 ??? insert link to a list of banned functions
19786 This rule is part of the [bounds profile](#SS-bounds).
19789 ### <a name="Rsl-copy"></a>SL.con.4: don't use `memset` or `memcpy` for arguments that are not trivially-copyable
19791 ##### Reason
19793 Doing so messes the semantics of the objects (e.g., by overwriting a `vptr`).
19795 ##### Note
19797 Similarly for (w)memset, (w)memcpy, (w)memmove, and (w)memcmp
19799 ##### Example
19801     struct base {
19802         virtual void update() = 0;
19803     };
19805     struct derived : public base {
19806         void update() override {}
19807     };
19810     void f(derived& a, derived& b) // goodbye v-tables
19811     {
19812         memset(&a, 0, sizeof(derived));
19813         memcpy(&a, &b, sizeof(derived));
19814         memcmp(&a, &b, sizeof(derived));
19815     }
19817 Instead, define proper default initialization, copy, and comparison functions
19819     void g(derived& a, derived& b)
19820     {
19821         a = {};    // default initialize
19822         b = a;     // copy
19823         if (a == b) do_something(a, b);
19824     }
19826 ##### Enforcement
19828 * Flag the use of those functions for types that are not trivially copyable
19830 **TODO Notes**:
19832 * Impact on the standard library will require close coordination with WG21, if only to ensure compatibility even if never standardized.
19833 * We are considering specifying bounds-safe overloads for stdlib (especially C stdlib) functions like `memcmp` and shipping them in the GSL.
19834 * 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).
19838 ## <a name="SS-string"></a>SL.str: String
19840 Text manipulation is a huge topic.
19841 `std::string` doesn't cover all of it.
19842 This section primarily tries to clarify `std::string`'s relation to `char*`, `zstring`, `string_view`, and `gsl::span<char>`.
19843 The important issue of non-ASCII character sets and encodings (e.g., `wchar_t`, Unicode, and UTF-8) will be covered elsewhere.
19845 **See also**: [regular expressions](#SS-regex)
19847 Here, we use "sequence of characters" or "string" to refer to a sequence of characters meant to be read as text (somehow, eventually).
19848 We don't consider ???
19850 String summary:
19852 * [SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences](#Rstr-string)
19853 * [SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::span<char>` to refer to character sequences](#Rstr-view)
19854 * [SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters](#Rstr-zstring)
19855 * [SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character](#Rstr-char*)
19856 * [SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters](#Rstr-byte)
19858 * [SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations](#Rstr-locale)
19859 * [SL.str.11: Use `gsl::span<char>` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string](#Rstr-span)
19860 * [SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s](#Rstr-s)
19862 **See also**:
19864 * [F.24 span](#Rf-range)
19865 * [F.25 zstring](#Rf-zstring)
19868 ### <a name="Rstr-string"></a>SL.str.1: Use `std::string` to own character sequences
19870 ##### Reason
19872 `string` correctly handles allocation, ownership, copying, gradual expansion, and offers a variety of useful operations.
19874 ##### Example
19876     vector<string> read_until(const string& terminator)
19877     {
19878         vector<string> res;
19879         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19880             res.push_back(s);
19881         return res;
19882     }
19884 Note how `>>` and `!=` are provided for `string` (as examples of useful operations) and there are no explicit
19885 allocations, deallocations, or range checks (`string` takes care of those).
19887 In C++17, we might use `string_view` as the argument, rather than `const string&` to allow more flexibility to callers:
19889     vector<string> read_until(string_view terminator)   // C++17
19890     {
19891         vector<string> res;
19892         for (string s; cin >> s && s != terminator; ) // read a word
19893             res.push_back(s);
19894         return res;
19895     }
19897 ##### Example, bad
19899 Don't use C-style strings for operations that require non-trivial memory management
19901     char* cat(const char* s1, const char* s2)   // beware!
19902         // return s1 + '.' + s2
19903     {
19904         int l1 = strlen(s1);
19905         int l2 = strlen(s2);
19906         char* p = (char*) malloc(l1 + l2 + 2);
19907         strcpy(p, s1, l1);
19908         p[l1] = '.';
19909         strcpy(p + l1 + 1, s2, l2);
19910         p[l1 + l2 + 1] = 0;
19911         return p;
19912     }
19914 Did we get that right?
19915 Will the caller remember to `free()` the returned pointer?
19916 Will this code pass a security review?
19918 ##### Note
19920 Do not assume that `string` is slower than lower-level techniques without measurement and remember that not all code is performance critical.
19921 [Don't optimize prematurely](#Rper-Knuth)
19923 ##### Enforcement
19927 ### <a name="Rstr-view"></a>SL.str.2: Use `std::string_view` or `gsl::span<char>` to refer to character sequences
19929 ##### Reason
19931 `std::string_view` or `gsl::span<char>` provides simple and (potentially) safe access to character sequences independently of how
19932 those sequences are allocated and stored.
19934 ##### Example
19936     vector<string> read_until(string_view terminator);
19938     void user(zstring p, const string& s, string_view ss)
19939     {
19940         auto v1 = read_until(p);
19941         auto v2 = read_until(s);
19942         auto v3 = read_until(ss);
19943         // ...
19944     }
19946 ##### Note
19948 `std::string_view` (C++17) is read-only.
19950 ##### Enforcement
19954 ### <a name="Rstr-zstring"></a>SL.str.3: Use `zstring` or `czstring` to refer to a C-style, zero-terminated, sequence of characters
19956 ##### Reason
19958 Readability.
19959 Statement of intent.
19960 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.
19961 Distinguishing these alternatives prevents misunderstandings and bugs.
19963 ##### Example
19965     void f1(const char* s); // s is probably a string
19967 All we know is that it is supposed to be the nullptr or point to at least one character
19969     void f1(zstring s);     // s is a C-style string or the nullptr
19970     void f1(czstring s);    // s is a C-style string constant or the nullptr
19971     void f1(std::byte* s);  // s is a pointer to a byte (C++17)
19973 ##### Note
19975 Don't convert a C-style string to `string` unless there is a reason to.
19977 ##### Note
19979 Like any other "plain pointer", a `zstring` should not represent ownership.
19981 ##### Note
19983 There are billions of lines of C++ "out there", most use `char*` and `const char*` without documenting intent.
19984 They are used in a wide variety of ways, including to represent ownership and as generic pointers to memory (instead of `void*`).
19985 It is hard to separate these uses, so this guideline is hard to follow.
19986 This is one of the major sources of bugs in C and C++ programs, so it is worthwhile to follow this guideline wherever feasible.
19988 ##### Enforcement
19990 * Flag uses of `[]` on a `char*`
19991 * Flag uses of `delete` on a `char*`
19992 * Flag uses of `free()` on a `char*`
19994 ### <a name="Rstr-char*"></a>SL.str.4: Use `char*` to refer to a single character
19996 ##### Reason
19998 The variety of uses of `char*` in current code is a major source of errors.
20000 ##### Example, bad
20002     char arr[] = {'a', 'b', 'c'};
20004     void print(const char* p)
20005     {
20006         cout << p << '\n';
20007     }
20009     void use()
20010     {
20011         print(arr);   // run-time error; potentially very bad
20012     }
20014 The array `arr` is not a C-style string because it is not zero-terminated.
20016 ##### Alternative
20018 See [`zstring`](#Rstr-zstring), [`string`](#Rstr-string), and [`string_view`](#Rstr-view).
20020 ##### Enforcement
20022 * Flag uses of `[]` on a `char*`
20024 ### <a name="Rstr-byte"></a>SL.str.5: Use `std::byte` to refer to byte values that do not necessarily represent characters
20026 ##### Reason
20028 Use of `char*` to represent a pointer to something that is not necessarily a character causes confusion
20029 and disables valuable optimizations.
20031 ##### Example
20033     ???
20035 ##### Note
20037 C++17
20039 ##### Enforcement
20044 ### <a name="Rstr-locale"></a>SL.str.10: Use `std::string` when you need to perform locale-sensitive string operations
20046 ##### Reason
20048 `std::string` supports standard-library [`locale` facilities](#Rstr-locale)
20050 ##### Example
20052     ???
20054 ##### Note
20058 ##### Enforcement
20062 ### <a name="Rstr-span"></a>SL.str.11: Use `gsl::span<char>` rather than `std::string_view` when you need to mutate a string
20064 ##### Reason
20066 `std::string_view` is read-only.
20068 ##### Example
20072 ##### Note
20076 ##### Enforcement
20078 The compiler will flag attempts to write to a `string_view`.
20080 ### <a name="Rstr-s"></a>SL.str.12: Use the `s` suffix for string literals meant to be standard-library `string`s
20082 ##### Reason
20084 Direct expression of an idea minimizes mistakes.
20086 ##### Example
20088     auto pp1 = make_pair("Tokyo", 9.00);         // {C-style string,double} intended?
20089     pair<string, double> pp2 = {"Tokyo", 9.00};  // a bit verbose
20090     auto pp3 = make_pair("Tokyo"s, 9.00);        // {std::string,double}    // C++14
20091     pair pp4 = {"Tokyo"s, 9.00};                 // {std::string,double}    // C++17
20095 ##### Enforcement
20100 ## <a name="SS-io"></a>SL.io: Iostream
20102 `iostream`s is a type safe, extensible, formatted and unformatted I/O library for streaming I/O.
20103 It supports multiple (and user extensible) buffering strategies and multiple locales.
20104 It can be used for conventional I/O, reading and writing to memory (string streams),
20105 and user-defined extensions, such as streaming across networks (asio: not yet standardized).
20107 Iostream rule summary:
20109 * [SL.io.1: Use character-level input only when you have to](#Rio-low)
20110 * [SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input](#Rio-validate)
20111 * [SL.io.3: Prefer iostreams for I/O](#Rio-streams)
20112 * [SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`](#Rio-sync)
20113 * [SL.io.50: Avoid `endl`](#Rio-endl)
20114 * [???](#???)
20116 ### <a name="Rio-low"></a>SL.io.1: Use character-level input only when you have to
20118 ##### Reason
20120 Unless you genuinely just deal with individual characters, using character-level input leads to the user code performing potentially error-prone
20121 and potentially inefficient composition of tokens out of characters.
20123 ##### Example
20125     char c;
20126     char buf[128];
20127     int i = 0;
20128     while (cin.get(c) && !isspace(c) && i < 128)
20129         buf[i++] = c;
20130     if (i == 128) {
20131         // ... handle too long string ....
20132     }
20134 Better (much simpler and probably faster):
20136     string s;
20137     s.reserve(128);
20138     cin >> s;
20140 and the `reserve(128)` is probably not worthwhile.
20142 ##### Enforcement
20147 ### <a name="Rio-validate"></a>SL.io.2: When reading, always consider ill-formed input
20149 ##### Reason
20151 Errors are typically best handled as soon as possible.
20152 If input isn't validated, every function must be written to cope with bad data (and that is not practical).
20154 ##### Example
20156     ???
20158 ##### Enforcement
20162 ### <a name="Rio-streams"></a>SL.io.3: Prefer `iostream`s for I/O
20164 ##### Reason
20166 `iostream`s are safe, flexible, and extensible.
20168 ##### Example
20170     // write a complex number:
20171     complex<double> z{ 3, 4 };
20172     cout << z << '\n';
20174 `complex` is a user-defined type and its I/O is defined without modifying the `iostream` library.
20176 ##### Example
20178     // read a file of complex numbers:
20179     for (complex<double> z; cin >> z; )
20180         v.push_back(z);
20182 ##### Exception
20184 ??? performance ???
20186 ##### Discussion: `iostream`s vs. the `printf()` family
20188 It is often (and often correctly) pointed out that the `printf()` family has two advantages compared to `iostream`s:
20189 flexibility of formatting and performance.
20190 This has to be weighed against `iostream`s advantages of extensibility to handle user-defined types, resilience against security violations,
20191 implicit memory management, and `locale` handling.
20193 If you need I/O performance, you can almost always do better than `printf()`.
20195 `gets()`, `scanf()` using `%s`, and `printf()` using `%s` are security hazards (vulnerable to buffer overflow and generally error-prone).
20196 C11 defines some "optional extensions" that do extra checking of their arguments.
20197 If present in your C library, `gets_s()`, `scanf_s()`, and `printf_s()` might be safer alternatives, but they are still not type safe.
20199 ##### Enforcement
20201 Optionally flag `<cstdio>` and `<stdio.h>`.
20203 ### <a name="Rio-sync"></a>SL.io.10: Unless you use `printf`-family functions call `ios_base::sync_with_stdio(false)`
20205 ##### Reason
20207 Synchronizing `iostreams` with `printf-style` I/O can be costly.
20208 `cin` and `cout` are by default synchronized with `printf`.
20210 ##### Example
20212     int main()
20213     {
20214         ios_base::sync_with_stdio(false);
20215         // ... use iostreams ...
20216     }
20218 ##### Enforcement
20222 ### <a name="Rio-endl"></a>SL.io.50: Avoid `endl`
20224 ##### Reason
20226 The `endl` manipulator is mostly equivalent to `'\n'` and `"\n"`;
20227 as most commonly used it simply slows down output by doing redundant `flush()`s.
20228 This slowdown can be significant compared to `printf`-style output.
20230 ##### Example
20232     cout << "Hello, World!" << endl;    // two output operations and a flush
20233     cout << "Hello, World!\n";          // one output operation and no flush
20235 ##### Note
20237 For `cin`/`cout` (and equivalent) interaction, there is no reason to flush; that's done automatically.
20238 For writing to a file, there is rarely a need to `flush`.
20240 ##### Note
20242 Apart from the (occasionally important) issue of performance,
20243 the choice between `'\n'` and `endl` is almost completely aesthetic.
20245 ## <a name="SS-regex"></a>SL.regex: Regex
20247 `<regex>` is the standard C++ regular expression library.
20248 It supports a variety of regular expression pattern conventions.
20250 ## <a name="SS-chrono"></a>SL.chrono: Time
20252 `<chrono>` (defined in namespace `std::chrono`) provides the notions of `time_point` and `duration` together with functions for
20253 outputting time in various units.
20254 It provides clocks for registering `time_points`.
20256 ## <a name="SS-clib"></a>SL.C: The C Standard Library
20260 C Standard Library rule summary:
20262 * [S.C.1: Don't use setjmp/longjmp](#Rclib-jmp)
20263 * [???](#???)
20264 * [???](#???)
20266 ### <a name="Rclib-jmp"></a>SL.C.1: Don't use setjmp/longjmp
20268 ##### Reason
20270 a `longjmp` ignores destructors, thus invalidating all resource-management strategies relying on RAII
20272 ##### Enforcement
20274 Flag all occurrences of `longjmp`and `setjmp`
20278 # <a name="S-A"></a>A: Architectural ideas
20280 This section contains ideas about higher-level architectural ideas and libraries.
20282 Architectural rule summary:
20284 * [A.1: Separate stable code from less stable code](#Ra-stable)
20285 * [A.2: Express potentially reusable parts as a library](#Ra-lib)
20286 * [A.4: There should be no cycles among libraries](#Ra-dag)
20287 * [???](#???)
20288 * [???](#???)
20289 * [???](#???)
20290 * [???](#???)
20291 * [???](#???)
20292 * [???](#???)
20294 ### <a name="Ra-stable"></a>A.1: Separate stable code from less stable code
20296 Isolating less stable code facilitates its unit testing, interface improvement, refactoring, and eventual deprecation.
20298 ### <a name="Ra-lib"></a>A.2: Express potentially reusable parts as a library
20300 ##### Reason
20302 ##### Note
20304 A library is a collection of declarations and definitions maintained, documented, and shipped together.
20305 A library could be a set of headers (a "header-only library") or a set of headers plus a set of object files.
20306 You can statically or dynamically link a library into a program, or you can `#include` a header-only library.
20309 ### <a name="Ra-dag"></a>A.4: There should be no cycles among libraries
20311 ##### Reason
20313 * A cycle complicates the build process.
20314 * Cycles are hard to understand and might introduce indeterminism (unspecified behavior).
20316 ##### Note
20318 A library can contain cyclic references in the definition of its components.
20319 For example:
20321     ???
20323 However, a library should not depend on another that depends on it.
20326 # <a name="S-not"></a>NR: Non-Rules and myths
20328 This section contains rules and guidelines that are popular somewhere, but that we deliberately don't recommend.
20329 We know perfectly well that there have been times and places where these rules made sense, and we have used them ourselves at times.
20330 However, in the context of the styles of programming we recommend and support with the guidelines, these "non-rules" would do harm.
20332 Even today, there can be contexts where the rules make sense.
20333 For example, lack of suitable tool support can make exceptions unsuitable in hard-real-time systems,
20334 but please don't naïvely trust "common wisdom" (e.g., unsupported statements about "efficiency");
20335 such "wisdom" might be based on decades-old information or experiences from languages with very different properties than C++
20336 (e.g., C or Java).
20338 The positive arguments for alternatives to these non-rules are listed in the rules offered as "Alternatives".
20340 Non-rule summary:
20342 * [NR.1: Don't insist that all declarations should be at the top of a function](#Rnr-top)
20343 * [NR.2: Don't insist to have only a single `return`-statement in a function](#Rnr-single-return)
20344 * [NR.3: Don't avoid exceptions](#Rnr-no-exceptions)
20345 * [NR.4: Don't insist on placing each class declaration in its own source file](#Rnr-lots-of-files)
20346 * [NR.5: Don't use two-phase initialization](#Rnr-two-phase-init)
20347 * [NR.6: Don't place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`](#Rnr-goto-exit)
20348 * [NR.7: Don't make all data members `protected`](#Rnr-protected-data)
20349 * ???
20351 ### <a name="Rnr-top"></a>NR.1: Don't insist that all declarations should be at the top of a function
20353 ##### Reason
20355 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.
20356 This leads to longer programs and more errors caused by uninitialized and wrongly initialized variables.
20358 ##### Example, bad
20360     int use(int x)
20361     {
20362         int i;
20363         char c;
20364         double d;
20366         // ... some stuff ...
20368         if (x < i) {
20369             // ...
20370             i = f(x, d);
20371         }
20372         if (i < x) {
20373             // ...
20374             i = g(x, c);
20375         }
20376         return i;
20377     }
20379 The larger the distance between the uninitialized variable and its use, the larger the chance of a bug.
20380 Fortunately, compilers catch many "used before set" errors.
20381 Unfortunately, compilers cannot catch all such errors and unfortunately, the bugs aren't always as simple to spot as in this small example.
20384 ##### Alternative
20386 * [Always initialize an object](#Res-always)
20387 * [ES.21: Don't introduce a variable (or constant) before you need to use it](#Res-introduce)
20389 ### <a name="Rnr-single-return"></a>NR.2: Don't insist to have only a single `return`-statement in a function
20391 ##### Reason
20393 The single-return rule can lead to unnecessarily convoluted code and the introduction of extra state variables.
20394 In particular, the single-return rule makes it harder to concentrate error checking at the top of a function.
20396 ##### Example
20398     template<class T>
20399     //  requires Number<T>
20400     string sign(T x)
20401     {
20402         if (x < 0)
20403             return "negative";
20404         if (x > 0)
20405             return "positive";
20406         return "zero";
20407     }
20409 to use a single return only we would have to do something like
20411     template<class T>
20412     //  requires Number<T>
20413     string sign(T x)        // bad
20414     {
20415         string res;
20416         if (x < 0)
20417             res = "negative";
20418         else if (x > 0)
20419             res = "positive";
20420         else
20421             res = "zero";
20422         return res;
20423     }
20425 This is both longer and likely to be less efficient.
20426 The larger and more complicated the function is, the more painful the workarounds get.
20427 Of course many simple functions will naturally have just one `return` because of their simpler inherent logic.
20429 ##### Example
20431     int index(const char* p)
20432     {
20433         if (!p) return -1;  // error indicator: alternatively "throw nullptr_error{}"
20434         // ... do a lookup to find the index for p
20435         return i;
20436     }
20438 If we applied the rule, we'd get something like
20440     int index2(const char* p)
20441     {
20442         int i;
20443         if (!p)
20444             i = -1;  // error indicator
20445         else {
20446             // ... do a lookup to find the index for p
20447         }
20448         return i;
20449     }
20451 Note that we (deliberately) violated the rule against uninitialized variables because this style commonly leads to that.
20452 Also, this style is a temptation to use the [goto exit](#Rnr-goto-exit) non-rule.
20454 ##### Alternative
20456 * Keep functions short and simple
20457 * Feel free to use multiple `return` statements (and to throw exceptions).
20459 ### <a name="Rnr-no-exceptions"></a>NR.3: Don't avoid exceptions
20461 ##### Reason
20463 There seem to be four main reasons given for not using exceptions:
20465 * exceptions are inefficient
20466 * exceptions lead to leaks and errors
20467 * exception performance is not predictable
20468 * the exception-handling run-time support takes up too much space
20470 There is no way we can settle this issue to the satisfaction of everybody.
20471 After all, the discussions about exceptions have been going on for 40+ years.
20472 Some languages cannot be used without exceptions, but others do not support them.
20473 This leads to strong traditions for the use and non-use of exceptions, and to heated debates.
20475 However, we can briefly outline why we consider exceptions the best alternative for general-purpose programming
20476 and in the context of these guidelines.
20477 Simple arguments for and against are often inconclusive.
20478 There are specialized applications where exceptions indeed can be inappropriate
20479 (e.g., hard-real-time systems without support for reliable estimates of the cost of handling an exception).
20481 Consider the major objections to exceptions in turn
20483 * Exceptions are inefficient:
20484 Compared to what?
20485 When comparing make sure that the same set of errors are handled and that they are handled equivalently.
20486 In particular, do not compare a program that immediately terminates on seeing an error to a program
20487 that carefully cleans up resources before logging an error.
20488 Yes, some systems have poor exception handling implementations; sometimes, such implementations force us to use
20489 other error-handling approaches, but that's not a fundamental problem with exceptions.
20490 When using an efficiency argument - in any context - be careful that you have good data that actually provides
20491 insight into the problem under discussion.
20492 * Exceptions lead to leaks and errors.
20493 They do not.
20494 If your program is a rat's nest of pointers without an overall strategy for resource management,
20495 you have a problem whatever you do.
20496 If your system consists of a million lines of such code,
20497 you probably will not be able to use exceptions,
20498 but that's a problem with excessive and undisciplined pointer use, rather than with exceptions.
20499 In our opinion, you need RAII to make exception-based error handling simple and safe -- simpler and safer than alternatives.
20500 * Exception performance is not predictable.
20501 If you are in a hard-real-time system where you must guarantee completion of a task in a given time,
20502 you need tools to back up such guarantees.
20503 As far as we know such tools are not available (at least not to most programmers).
20504 * The exception-handling run-time support takes up too much space.
20505 This can be the case in small (usually embedded) systems.
20506 However, before abandoning exceptions consider what space consistent error-handling using error-codes would require
20507 and what failure to catch an error would cost.
20509 Many, possibly most, problems with exceptions stem from historical needs to interact with messy old code.
20511 The fundamental arguments for the use of exceptions are
20513 * They clearly differentiate between erroneous return and ordinary return
20514 * They cannot be forgotten or ignored
20515 * They can be used systematically
20517 Remember
20519 * Exceptions are for reporting errors (in C++; other languages can have different uses for exceptions).
20520 * Exceptions are not for errors that can be handled locally.
20521 * Don't try to catch every exception in every function (that's tedious, clumsy, and leads to slow code).
20522 * Exceptions are not for errors that require instant termination of a module/system after a non-recoverable error.
20524 ##### Example
20526     ???
20528 ##### Alternative
20530 * [RAII](#Re-raii)
20531 * Contracts/assertions: Use GSL's `Expects` and `Ensures` (until we get language support for contracts)
20533 ### <a name="Rnr-lots-of-files"></a>NR.4: Don't insist on placing each class declaration in its own source file
20535 ##### Reason
20537 The resulting number of files from placing each class in its own file are hard to manage and can slow down compilation.
20538 Individual classes are rarely a good logical unit of maintenance and distribution.
20540 ##### Example
20542     ???
20544 ##### Alternative
20546 * Use namespaces containing logically cohesive sets of classes and functions.
20548 ### <a name="Rnr-two-phase-init"></a>NR.5: Don't use two-phase initialization
20550 ##### Reason
20552 Splitting initialization into two leads to weaker invariants,
20553 more complicated code (having to deal with semi-constructed objects),
20554 and errors (when we didn't deal correctly with semi-constructed objects consistently).
20556 ##### Example, bad
20558     // Old conventional style: many problems
20560     class Picture
20561     {
20562         int mx;
20563         int my;
20564         int * data;
20565     public:
20566         // main problem: constructor does not fully construct
20567         Picture(int x, int y)
20568         {
20569             mx = x;         // also bad: assignment in constructor body
20570                             // rather than in member initializer
20571             my = y;
20572             data = nullptr; // also bad: constant initialization in constructor
20573                             // rather than in member initializer
20574         }
20576         ~Picture()
20577         {
20578             Cleanup();
20579         }
20581         // ...
20583         // bad: two-phase initialization
20584         bool Init()
20585         {
20586             // invariant checks
20587             if (mx <= 0 || my <= 0) {
20588                 return false;
20589             }
20590             if (data) {
20591                 return false;
20592             }
20593             data = (int*) malloc(mx*my*sizeof(int));   // also bad: owning raw * and malloc
20594             return data != nullptr;
20595         }
20597         // also bad: no reason to make cleanup a separate function
20598         void Cleanup()
20599         {
20600             if (data) free(data);
20601             data = nullptr;
20602         }
20603     };
20605     Picture picture(100, 0); // not ready-to-use picture here
20606     // this will fail..
20607     if (!picture.Init()) {
20608         puts("Error, invalid picture");
20609     }
20610     // now have a invalid picture object instance.
20612 ##### Example, good
20614     class Picture
20615     {
20616         int mx;
20617         int my;
20618         vector<int> data;
20620         static int check_size(int size)
20621         {
20622             // invariant check
20623             Expects(size > 0);
20624             return size;
20625         }
20627     public:
20628         // even better would be a class for a 2D Size as one single parameter
20629         Picture(int x, int y)
20630             : mx(check_size(x))
20631             , my(check_size(y))
20632             // now we know x and y have a valid size
20633             , data(mx * my) // will throw std::bad_alloc on error
20634         {
20635             // picture is ready-to-use
20636         }
20638         // compiler generated dtor does the job. (also see C.21)
20640         // ...
20641     };
20643     Picture picture1(100, 100);
20644     // picture is ready-to-use here...
20646     // not a valid size for y,
20647     // default contract violation behavior will call std::terminate then
20648     Picture picture2(100, 0);
20649     // not reach here...
20651 ##### Alternative
20653 * Always establish a class invariant in a constructor.
20654 * Don't define an object before it is needed.
20656 ### <a name="Rnr-goto-exit"></a>NR.6: Don't place all cleanup actions at the end of a function and `goto exit`
20658 ##### Reason
20660 `goto` is error-prone.
20661 This technique is a pre-exception technique for RAII-like resource and error handling.
20663 ##### Example, bad
20665     void do_something(int n)
20666     {
20667         if (n < 100) goto exit;
20668         // ...
20669         int* p = (int*) malloc(n);
20670         // ...
20671         if (some_error) goto_exit;
20672         // ...
20673     exit:
20674         free(p);
20675     }
20677 and spot the bug.
20679 ##### Alternative
20681 * Use exceptions and [RAII](#Re-raii)
20682 * for non-RAII resources, use [`finally`](#Re-finally).
20684 ### <a name="Rnr-protected-data"></a>NR.7: Don't make all data members `protected`
20686 ##### Reason
20688 `protected` data is a source of errors.
20689 `protected` data can be manipulated from an unbounded amount of code in various places.
20690 `protected` data is the class hierarchy equivalent to global data.
20692 ##### Example
20694     ???
20696 ##### Alternative
20698 * [Make member data `public` or (preferably) `private`](#Rh-protected)
20701 # <a name="S-references"></a>RF: References
20703 Many coding standards, rules, and guidelines have been written for C++, and especially for specialized uses of C++.
20704 Many
20706 * focus on lower-level issues, such as the spelling of identifiers
20707 * are written by C++ novices
20708 * see "stopping programmers from doing unusual things" as their primary aim
20709 * aim at portability across many compilers (some 10 years old)
20710 * are written to preserve decades old code bases
20711 * aim at a single application domain
20712 * are downright counterproductive
20713 * are ignored (must be ignored by programmers to get their work done well)
20715 A bad coding standard is worse than no coding standard.
20716 However an appropriate set of guidelines are much better than no standards: "Form is liberating."
20718 Why can't we just have a language that allows all we want and disallows all we don't want ("a perfect language")?
20719 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.
20720 Also, your needs change over time and a general-purpose language is needed to allow you to adapt.
20721 A language that is ideal for today would be overly restrictive tomorrow.
20723 Coding guidelines adapt the use of a language to specific needs.
20724 Thus, there cannot be a single coding style for everybody.
20725 We expect different organizations to provide additions, typically with more restrictions and firmer style rules.
20727 Reference sections:
20729 * [RF.rules: Coding rules](#SS-rules)
20730 * [RF.books: Books with coding guidelines](#SS-books)
20731 * [RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14/C++17)](#SS-Cplusplus)
20732 * [RF.web: Websites](#SS-web)
20733 * [RS.video: Videos about "modern C++"](#SS-vid)
20734 * [RF.man: Manuals](#SS-man)
20735 * [RF.core: Core Guidelines materials](#SS-core)
20737 ## <a name="SS-rules"></a>RF.rules: Coding rules
20739 * [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)
20740 * [Boost Library Requirements and Guidelines](http://www.boost.org/development/requirements.html).
20741   ???.
20742 * [Bloomberg: BDE C++ Coding](https://github.com/bloomberg/bde/wiki/CodingStandards.pdf).
20743   Has a strong emphasis on code organization and layout.
20744 * Facebook: ???
20745 * [GCC Coding Conventions](https://gcc.gnu.org/codingconventions.html).
20746   C++03 and (reasonably) a bit backwards looking.
20747 * [Google C++ Style Guide](https://google.github.io/styleguide/cppguide.html).
20748   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.
20749 * [JSF++: JOINT STRIKE FIGHTER AIR VEHICLE C++ CODING STANDARDS](http://www.stroustrup.com/JSF-AV-rules.pdf).
20750   Document Number 2RDU00001 Rev C. December 2005.
20751   For flight control software.
20752   For hard-real-time.
20753   This means that it is necessarily very restrictive ("if the program fails somebody dies").
20754   For example, no free store allocation or deallocation is allowed to occur after the plane takes off (no memory overflow and no fragmentation allowed).
20755   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).
20756   Libraries used have to have been approved for mission critical applications.
20757   Any similarities to this set of guidelines are unsurprising because Bjarne Stroustrup was an author of JSF++.
20758   Recommended, but note its very specific focus.
20759 * [MISRA C++ 2008: Guidelines for the use of the C++ language in critical systems](https://www.misra.org.uk/Buyonline/tabid/58/Default.aspx).
20760 * [Using C++ in Mozilla Code](https://firefox-source-docs.mozilla.org/code-quality/coding-style/using_cxx_in_firefox_code.html).
20761   As the name indicates, this aims for portability across many (old) compilers.
20762   As such, it is restrictive.
20763 * [Geosoft.no: C++ Programming Style Guidelines](http://geosoft.no/development/cppstyle.html).
20764   ???.
20765 * [Possibility.com: C++ Coding Standard](http://www.possibility.com/Cpp/CppCodingStandard.html).
20766   ???.
20767 * [SEI CERT: Secure C++ Coding Standard](https://www.securecoding.cert.org/confluence/pages/viewpage.action?pageId=637).
20768   A very nicely done set of rules (with examples and rationales) done for security-sensitive code.
20769   Many of their rules apply generally.
20770 * [High Integrity C++ Coding Standard](http://www.codingstandard.com/).
20771 * [llvm](http://llvm.org/docs/CodingStandards.html).
20772   Somewhat brief, based on C++14, and (not unreasonably) adjusted to its domain.
20773 * ???
20775 ## <a name="SS-books"></a>RF.books: Books with coding guidelines
20777 * [Meyers96](#Meyers96) Scott Meyers: *More Effective C++*. Addison-Wesley 1996.
20778 * [Meyers97](#Meyers97) Scott Meyers: *Effective C++, Second Edition*. Addison-Wesley 1997.
20779 * [Meyers01](#Meyers01) Scott Meyers: *Effective STL*. Addison-Wesley 2001.
20780 * [Meyers05](#Meyers05) Scott Meyers: *Effective C++, Third Edition*. Addison-Wesley 2005.
20781 * [Meyers15](#Meyers15) Scott Meyers: *Effective Modern C++*. O'Reilly 2015.
20782 * [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.
20783 * [Stroustrup05](#Stroustrup05) Bjarne Stroustrup: [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
20784   LCSD05. October 2005.
20785 * [Stroustrup14](#Stroustrup05) Stroustrup: [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
20786   Addison Wesley 2014.
20787   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20788 * [Stroustrup13](#Stroustrup13) Stroustrup: [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html).
20789   Addison Wesley 2013.
20790   Each chapter ends with an advice section consisting of a set of recommendations.
20791 * Stroustrup: [Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
20792   for [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
20793   Mostly low-level naming and layout rules.
20794   Primarily a teaching tool.
20796 ## <a name="SS-Cplusplus"></a>RF.C++: C++ Programming (C++11/C++14)
20798 * [TC++PL4](http://www.stroustrup.com/4th.html):
20799 A thorough description of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20800 * [Tour++](http://www.stroustrup.com/Tour.html):
20801 An overview of the C++ language and standard libraries for experienced programmers.
20802 * [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html):
20803 A textbook for beginners and relative novices.
20805 ## <a name="SS-web"></a>RF.web: Websites
20807 * [isocpp.org](https://isocpp.org)
20808 * [Bjarne Stroustrup's home pages](http://www.stroustrup.com)
20809 * [WG21](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/)
20810 * [Boost](http://www.boost.org)<a name="Boost"></a>
20811 * [Adobe open source](http://www.adobe.com/open-source.html)
20812 * [Poco libraries](http://pocoproject.org/)
20813 * Sutter's Mill?
20814 * ???
20816 ## <a name="SS-vid"></a>RS.video: Videos about "modern C++"
20818 * Bjarne Stroustrup: [C++11 Style](http://channel9.msdn.com/Events/GoingNative/GoingNative-2012/Keynote-Bjarne-Stroustrup-Cpp11-Style). 2012.
20819 * 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
20820 * All the talks from [CppCon '14](https://isocpp.org/blog/2014/11/cppcon-videos-c9)
20821 * Bjarne Stroustrup: [The essence of C++](https://www.youtube.com/watch?v=86xWVb4XIyE) at the University of Edinburgh. 2014.
20822 * Bjarne Stroustrup: [The Evolution of C++ Past, Present and Future](https://www.youtube.com/watch?v=_wzc7a3McOs). CppCon 2016 keynote.
20823 * Bjarne Stroustrup: [Make Simple Tasks Simple!](https://www.youtube.com/watch?v=nesCaocNjtQ). CppCon 2014 keynote.
20824 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20825 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote about the Core Guidelines.
20826 * CppCon 15
20827 * ??? C++ Next
20828 * ??? Meting C++
20829 * ??? more ???
20831 ## <a name="SS-man"></a>RF.man: Manuals
20833 * ISO C++ Standard C++11.
20834 * ISO C++ Standard C++14.
20835 * [ISO C++ Standard C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4606.pdf). Committee Draft.
20836 * [Palo Alto "Concepts" TR](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2012/n3351.pdf).
20837 * [ISO C++ Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
20838 * [WG21 Ranges report](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf). Draft.
20841 ## <a name="SS-core"></a>RF.core: Core Guidelines materials
20843 This section contains materials that has been useful for presenting the core guidelines and the ideas behind them:
20845 * [Our documents directory](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/tree/master/docs)
20846 * 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.
20847 * Sergey Zubkov: [a Core Guidelines talk](https://www.youtube.com/watch?v=DyLwdl_6vmU)
20848 and here are the [slides](http://2017.cppconf.ru/talks/sergey-zubkov). In Russian. 2017.
20849 * Neil MacIntosh: [The Guideline Support Library: One Year Later](https://www.youtube.com/watch?v=_GhNnCuaEjo). CppCon 2016.
20850 * Bjarne Stroustrup: [Writing Good C++14](https://www.youtube.com/watch?v=1OEu9C51K2A). CppCon 2015 keynote.
20851 * Herb Sutter: [Writing Good C++14... By Default](https://www.youtube.com/watch?v=hEx5DNLWGgA). CppCon 2015 keynote.
20852 * Peter Sommerlad: [C++ Core Guidelines - Modernize your C++ Code Base](https://www.youtube.com/watch?v=fQ926v4ZzAM). ACCU 2017.
20853 * Bjarne Stroustrup: [No Littering!](https://www.youtube.com/watch?v=01zI9kV4h8c). Bay Area ACCU 2016.
20854 It gives some idea of the ambition level for the Core Guidelines.
20856 Note that slides for CppCon presentations are available (links with the posted videos).
20858 Contributions to this list would be most welcome.
20860 ## <a name="SS-ack"></a>Acknowledgements
20862 Thanks to the many people who contributed rules, suggestions, supporting information, references, etc.:
20864 * Peter Juhl
20865 * Neil MacIntosh
20866 * Axel Naumann
20867 * Andrew Pardoe
20868 * Gabriel Dos Reis
20869 * Zhuang, Jiangang (Jeff)
20870 * Sergey Zubkov
20872 and see the contributor list on the github.
20874 # <a name="S-profile"></a>Pro: Profiles
20876 Ideally, we would follow all of the guidelines.
20877 That would give the cleanest, most regular, least error-prone, and often the fastest code.
20878 Unfortunately, that is usually impossible because we have to fit our code into large code bases and use existing libraries.
20879 Often, such code has been written over decades and does not follow these guidelines.
20880 We must aim for [gradual adoption](#S-modernizing).
20882 Whatever strategy for gradual adoption we adopt, we need to be able to apply sets of related guidelines to address some set
20883 of problems first and leave the rest until later.
20884 A similar idea of "related guidelines" becomes important when some, but not all, guidelines are considered relevant to a code base
20885 or if a set of specialized guidelines is to be applied for a specialized application area.
20886 We call such a set of related guidelines a "profile".
20887 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"
20888 or "static type safety."
20889 Each profile is designed to eliminate a class of errors.
20890 Enforcement of "random" rules in isolation is more likely to be disruptive to a code base than delivering a definite improvement.
20892 A "profile" is a set of deterministic and portably enforceable subset of rules (i.e., restrictions) that are designed to achieve a specific guarantee.
20893 "Deterministic" means they require only local analysis and could be implemented in a compiler (though they don't need to be).
20894 "Portably enforceable" means they are like language rules, so programmers can count on different enforcement tools giving the same answer for the same code.
20896 Code written to be warning-free using such a language profile is considered to conform to the profile.
20897 Conforming code is considered to be safe by construction with regard to the safety properties targeted by that profile.
20898 Conforming code will not be the root cause of errors for that property,
20899 although such errors might be introduced into a program by other code, libraries or the external environment.
20900 A profile might also introduce additional library types to ease conformance and encourage correct code.
20902 Profiles summary:
20904 * [Pro.type: Type safety](#SS-type)
20905 * [Pro.bounds: Bounds safety](#SS-bounds)
20906 * [Pro.lifetime: Lifetime safety](#SS-lifetime)
20908 In the future, we expect to define many more profiles and add more checks to existing profiles.
20909 Candidates include:
20911 * narrowing arithmetic promotions/conversions (likely part of a separate safe-arithmetic profile)
20912 * arithmetic cast from negative floating point to unsigned integral type (ditto)
20913 * selected undefined behavior: Start with Gabriel Dos Reis's UB list developed for the WG21 study group
20914 * selected unspecified behavior: Addressing portability concerns.
20915 * `const` violations: Mostly done by compilers already, but we can catch inappropriate casting and underuse of `const`.
20917 Enabling a profile is implementation defined; typically, it is set in the analysis tool used.
20919 To suppress enforcement of a profile check, place a `suppress` annotation on a language contract. For example:
20921     [[suppress(bounds)]] char* raw_find(char* p, int n, char x)    // find x in p[0]..p[n - 1]
20922     {
20923         // ...
20924     }
20926 Now `raw_find()` can scramble memory to its heart's content.
20927 Obviously, suppression should be very rare.
20929 ## <a name="SS-type"></a>Pro.safety: Type-safety profile
20931 This profile makes it easier to construct code that uses types correctly and avoids inadvertent type punning.
20932 It does so by focusing on removing the primary sources of type violations, including unsafe uses of casts and unions.
20934 For the purposes of this section,
20935 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.
20936 Memory accessed as a type `T` should not be valid memory that actually contains an object of an unrelated type `U`.
20937 Note that the safety is intended to be complete when combined also with [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20939 An implementation of this profile shall recognize the following patterns in source code as non-conforming and issue a diagnostic.
20941 Type safety profile summary:
20943 * <a name="Pro-type-avoidcasts"></a>Type.1: [Avoid casts](#Res-casts):
20945   1. <a name="Pro-type-reinterpretcast"></a>Don't use `reinterpret_cast`; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts) and [prefer named casts](#Res-casts-named).
20946   2. <a name="Pro-type-arithmeticcast"></a>Don't use `static_cast` for arithmetic types; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts) and [prefer named casts](#Res-casts-named).
20947   3. <a name="Pro-type-identitycast"></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).
20948   4. <a name="Pro-type-implicitpointercast"></a>Don't cast between pointer types when the conversion could be implicit; A strict version of [Avoid casts](#Res-casts).
20949 * <a name="Pro-type-downcast"></a>Type.2: Don't use `static_cast` to downcast:
20950 [Use `dynamic_cast` instead](#Rh-dynamic_cast).
20951 * <a name="Pro-type-constcast"></a>Type.3: Don't use `const_cast` to cast away `const` (i.e., at all):
20952 [Don't cast away const](#Res-casts-const).
20953 * <a name="Pro-type-cstylecast"></a>Type.4: Don't use C-style `(T)expression` or functional `T(expression)` casts:
20954 Prefer [construction](#Res-construct) or [named casts](#Res-casts-named) or `T{expression}`.
20955 * <a name="Pro-type-init"></a>Type.5: Don't use a variable before it has been initialized:
20956 [always initialize](#Res-always).
20957 * <a name="Pro-type-memberinit"></a>Type.6: Always initialize a member variable:
20958 [always initialize](#Res-always),
20959 possibly using [default constructors](#Rc-default0) or
20960 [default member initializers](#Rc-in-class-initializer).
20961 * <a name="Pro-type-unon"></a>Type.7: Avoid naked union:
20962 [Use `variant` instead](#Ru-naked).
20963 * <a name="Pro-type-varargs"></a>Type.8: Avoid varargs:
20964 [Don't use `va_arg` arguments](#F-varargs).
20966 ##### Impact
20968 With the type-safety profile you can trust that every operation is applied to a valid object.
20969 An exception can be thrown to indicate errors that cannot be detected statically (at compile time).
20970 Note that this type-safety can be complete only if we also have [Bounds safety](#SS-bounds) and [Lifetime safety](#SS-lifetime).
20971 Without those guarantees, a region of memory could be accessed independent of which object, objects, or parts of objects are stored in it.
20974 ## <a name="SS-bounds"></a>Pro.bounds: Bounds safety profile
20976 This profile makes it easier to construct code that operates within the bounds of allocated blocks of memory.
20977 It does so by focusing on removing the primary sources of bounds violations: pointer arithmetic and array indexing.
20978 One of the core features of this profile is to restrict pointers to only refer to single objects, not arrays.
20980 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.
20981 Bounds safety is intended to be complete only when combined with [Type safety](#SS-type) and [Lifetime safety](#SS-lifetime),
20982 which cover other unsafe operations that allow bounds violations.
20984 Bounds safety profile summary:
20986 * <a name="Pro-bounds-arithmetic"></a>Bounds.1: Don't use pointer arithmetic. Use `span` instead:
20987 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20988 * <a name="Pro-bounds-arrayindex"></a>Bounds.2: Only index into arrays using constant expressions:
20989 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20990 * <a name="Pro-bounds-decay"></a>Bounds.3: No array-to-pointer decay:
20991 [Pass pointers to single objects (only)](#Ri-array) and [Keep pointer arithmetic simple](#Res-ptr).
20992 * <a name="Pro-bounds-stdlib"></a>Bounds.4: Don't use standard-library functions and types that are not bounds-checked:
20993 [Use the standard library in a type-safe manner](#Rsl-bounds).
20995 ##### Impact
20997 Bounds safety implies that access to an object - notably arrays - does not access beyond the object's memory allocation.
20998 This eliminates a large class of insidious and hard-to-find errors, including the (in)famous "buffer overflow" errors.
20999 This closes security loopholes as well as a prominent source of memory corruption (when writing out of bounds).
21000 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)
21001 and "mysterious values."
21004 ## <a name="SS-lifetime"></a>Pro.lifetime: Lifetime safety profile
21006 Accessing through a pointer that doesn't point to anything is a major source of errors,
21007 and very hard to avoid in many traditional C or C++ styles of programming.
21008 For example, a pointer might be uninitialized, the `nullptr`, point beyond the range of an array, or to a deleted object.
21010 [See the current design specification here.](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/docs/Lifetime.pdf)
21012 Lifetime safety profile summary:
21014 * <a name="Pro-lifetime-invalid-deref"></a>Lifetime.1: Don't dereference a possibly invalid pointer:
21015 [detect or avoid](#Res-deref).
21017 ##### Impact
21019 Once completely enforced through a combination of style rules, static analysis, and library support, this profile
21021 * eliminates one of the major sources of nasty errors in C++
21022 * eliminates a major source of potential security violations
21023 * improves performance by eliminating redundant "paranoia" checks
21024 * increases confidence in correctness of code
21025 * avoids undefined behavior by enforcing a key C++ language rule
21028 # <a name="S-gsl"></a>GSL: Guidelines support library
21030 The GSL is a small library of facilities designed to support this set of guidelines.
21031 Without these facilities, the guidelines would have to be far more restrictive on language details.
21033 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.
21035 The GSL is header only, and can be found at [GSL: Guidelines support library](https://github.com/Microsoft/GSL).
21036 The support library facilities are designed to be extremely lightweight (zero-overhead) so that they impose no overhead compared to using conventional alternatives.
21037 Where desirable, they can be "instrumented" with additional functionality (e.g., checks) for tasks such as debugging.
21039 These Guidelines use types from the standard (e.g., C++17) in addition to ones from the GSL.
21040 For example, we assume a `variant` type, but this is not currently in GSL.
21041 Eventually, use [the one voted into C++17](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0088r3.html).
21043 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++.
21044 Therefore, please consult your GSL documentation to find out more.
21046 Summary of GSL components:
21048 * [GSL.view: Views](#SS-views)
21049 * [GSL.owner](#SS-ownership)
21050 * [GSL.assert: Assertions](#SS-assertions)
21051 * [GSL.util: Utilities](#SS-utilities)
21052 * [GSL.concept: Concepts](#SS-gsl-concepts)
21054 We plan for a "ISO C++ standard style" semi-formal specification of the GSL.
21056 We rely on the ISO C++ Standard Library and hope for parts of the GSL to be absorbed into the standard library.
21058 ## <a name="SS-views"></a>GSL.view: Views
21060 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.
21062 These "views" are never owners.
21064 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.
21066 The names are mostly ISO standard-library style (lower case and underscore):
21068 * `T*`      // The `T*` is not an owner, might be null; assumed to be pointing to a single element.
21069 * `T&`      // The `T&` is not an owner and can never be a "null reference"; references are always bound to objects.
21071 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.
21072 Owners should be converted to resource handles (e.g., `unique_ptr` or `vector<T>`) or marked `owner<T*>`.
21074 * `owner<T*>`   // a `T*` that owns the object pointed/referred to; might be `nullptr`.
21076 `owner` is used to mark owning pointers in code that cannot be upgraded to use proper resource handles.
21077 Reasons for that include:
21079 * Cost of conversion.
21080 * The pointer is used with an ABI.
21081 * The pointer is part of the implementation of a resource handle.
21083 An `owner<T>` differs from a resource handle for a `T` by still requiring an explicit `delete`.
21085 An `owner<T>` is assumed to refer to an object on the free store (heap).
21087 If something is not supposed to be `nullptr`, say so:
21089 * `not_null<T>`   // `T` is usually a pointer type (e.g., `not_null<int*>` and `not_null<owner<Foo*>>`) that must not be `nullptr`.
21090   `T` can be any type for which `==nullptr` is meaningful.
21092 * `span<T>`       // `[p:p+n)`, constructor from `{p, q}` and `{p, n}`; `T` is the pointer type
21093 * `span_p<T>`     // `{p, predicate}` `[p:q)` where `q` is the first element for which `predicate(*p)` is true
21095 A `span<T>` refers to zero or more mutable `T`s unless `T` is a `const` type.
21097 "Pointer arithmetic" is best done within `span`s.
21098 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`.
21100 * `zstring`    // a `char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `char` or `nullptr`
21101 * `czstring`   // a `const char*` supposed to be a C-style string; that is, a zero-terminated sequence of `const` `char` or `nullptr`
21103 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.
21104 A sequence of characters that is not assumed to be zero-terminated should be a `char*`, rather than a `zstring`.
21105 French accent optional.
21107 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?
21109 ## <a name="SS-ownership"></a>GSL.owner: Ownership pointers
21111 * `unique_ptr<T>`     // unique ownership: `std::unique_ptr<T>`
21112 * `shared_ptr<T>`     // shared ownership: `std::shared_ptr<T>` (a counted pointer)
21113 * `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.
21114 * `dyn_array<T>`      // ??? needed ??? A heap-allocated array. The number of elements are determined at construction and fixed thereafter.
21115   The elements are mutable unless `T` is a `const` type. Basically a `span` that allocates and owns its elements.
21117 ## <a name="SS-assertions"></a>GSL.assert: Assertions
21119 * `Expects`     // precondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
21120                 // `Expects(p)` terminates the program unless `p == true`
21121                 // `Expects` is under control of some options (enforcement, error message, alternatives to terminate)
21122 * `Ensures`     // postcondition assertion. Currently placed in function bodies. Later, should be moved to declarations.
21124 These assertions are currently macros (yuck!) and must appear in function definitions (only)
21125 pending standard committee decisions on contracts and assertion syntax.
21126 See [the contract proposal](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/p0380r1.pdf); using the attribute syntax,
21127 for example, `Expects(p)` will become `[[expects: p]]`.
21129 ## <a name="SS-utilities"></a>GSL.util: Utilities
21131 * `finally`        // `finally(f)` makes a `final_action{f}` with a destructor that invokes `f`
21132 * `narrow_cast`    // `narrow_cast<T>(x)` is `static_cast<T>(x)`
21133 * `narrow`         // `narrow<T>(x)` is `static_cast<T>(x)` if `static_cast<T>(x) == x` with no signedness promotions, or it throws `narrowing_error` (e.g., `narrow<unsigned>(-42)` throws)
21134 * `[[implicit]]`   // "Marker" to put on single-argument constructors to explicitly make them non-explicit.
21135 * `move_owner`     // `p = move_owner(q)` means `p = q` but ???
21136 * `joining_thread` // a RAII style version of `std::thread` that joins.
21137 * `index`          // a type to use for all container and array indexing (currently an alias for `ptrdiff_t`)
21139 ## <a name="SS-gsl-concepts"></a>GSL.concept: Concepts
21141 These concepts (type predicates) are borrowed from
21142 Andrew Sutton's Origin library,
21143 the Range proposal,
21144 and the ISO WG21 Palo Alto TR.
21145 They are likely to be very similar to what will become part of the ISO C++ standard.
21146 The notation is that of the ISO WG21 [Concepts TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4553.pdf).
21147 Most of the concepts below are defined in [the Ranges TS](http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2016/n4569.pdf).
21149 * `Range`
21150 * `String`   // ???
21151 * `Number`   // ???
21152 * `Sortable`
21153 * `EqualityComparable`
21154 * `Convertible`
21155 * `Common`
21156 * `Boolean`
21157 * `Integral`
21158 * `SignedIntegral`
21159 * `SemiRegular` // in C++20, `std::semiregular`
21160 * `Regular`     // in C++20, `std::regular`
21161 * `TotallyOrdered`
21162 * `Function`
21163 * `RegularFunction`
21164 * `Predicate`
21165 * `Relation`
21166 * ...
21168 ### <a name="SS-gsl-smartptrconcepts"></a>GSL.ptr: Smart pointer concepts
21170 * `Pointer`  // A type with `*`, `->`, `==`, and default construction (default construction is assumed to set the singular "null" value)
21171 * `Unique_pointer`  // A type that matches `Pointer`, is movable, and is not copyable
21172 * `Shared_pointer`   // A type that matches `Pointer`, and is copyable
21174 # <a name="S-naming"></a>NL: Naming and layout rules
21176 Consistent naming and layout are helpful.
21177 If for no other reason because it minimizes "my style is better than your style" arguments.
21178 However, there are many, many, different styles around and people are passionate about them (pro and con).
21179 Also, most real-world projects include code from many sources, so standardizing on a single style for all code is often impossible.
21180 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.
21181 IDEs and tools can help (as well as hinder).
21183 Naming and layout rules:
21185 * [NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code](#Rl-comments)
21186 * [NL.2: State intent in comments](#Rl-comments-intent)
21187 * [NL.3: Keep comments crisp](#Rl-comments-crisp)
21188 * [NL.4: Maintain a consistent indentation style](#Rl-indent)
21189 * [NL.5: Avoid encoding type information in names](#Rl-name-type)
21190 * [NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope](#Rl-name-length)
21191 * [NL.8: Use a consistent naming style](#Rl-name)
21192 * [NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only](#Rl-all-caps)
21193 * [NL.10: Prefer `underscore_style` names](#Rl-camel)
21194 * [NL.11: Make literals readable](#Rl-literals)
21195 * [NL.15: Use spaces sparingly](#Rl-space)
21196 * [NL.16: Use a conventional class member declaration order](#Rl-order)
21197 * [NL.17: Use K&R-derived layout](#Rl-knr)
21198 * [NL.18: Use C++-style declarator layout](#Rl-ptr)
21199 * [NL.19: Avoid names that are easily misread](#Rl-misread)
21200 * [NL.20: Don't place two statements on the same line](#Rl-stmt)
21201 * [NL.21: Declare one name (only) per declaration](#Rl-dcl)
21202 * [NL.25: Don't use `void` as an argument type](#Rl-void)
21203 * [NL.26: Use conventional `const` notation](#Rl-const)
21205 Most of these rules are aesthetic and programmers hold strong opinions.
21206 IDEs also tend to have defaults and a range of alternatives.
21207 These rules are suggested defaults to follow unless you have reasons not to.
21209 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.
21210 We are not "legislating" (see the previous paragraph).
21211 However, we have had many requests for a set of naming and layout conventions to use when there are no external constraints.
21213 More specific and detailed rules are easier to enforce.
21215 These rules bear a strong resemblance to the recommendations in the [PPP Style Guide](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf)
21216 written in support of Stroustrup's [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html).
21218 ### <a name="Rl-comments"></a>NL.1: Don't say in comments what can be clearly stated in code
21220 ##### Reason
21222 Compilers do not read comments.
21223 Comments are less precise than code.
21224 Comments are not updated as consistently as code.
21226 ##### Example, bad
21228     auto x = m * v1 + vv;   // multiply m with v1 and add the result to vv
21230 ##### Enforcement
21232 Build an AI program that interprets colloquial English text and see if what is said could be better expressed in C++.
21234 ### <a name="Rl-comments-intent"></a>NL.2: State intent in comments
21236 ##### Reason
21238 Code says what is done, not what is supposed to be done. Often intent can be stated more clearly and concisely than the implementation.
21240 ##### Example
21242     void stable_sort(Sortable& c)
21243         // sort c in the order determined by <, keep equal elements (as defined by ==) in
21244         // their original relative order
21245     {
21246         // ... quite a few lines of non-trivial code ...
21247     }
21249 ##### Note
21251 If the comment and the code disagree, both are likely to be wrong.
21253 ### <a name="Rl-comments-crisp"></a>NL.3: Keep comments crisp
21255 ##### Reason
21257 Verbosity slows down understanding and makes the code harder to read by spreading it around in the source file.
21259 ##### Note
21261 Use intelligible English.
21262 I might be fluent in Danish, but most programmers are not; the maintainers of my code might not be.
21263 Avoid SMS lingo and watch your grammar, punctuation, and capitalization.
21264 Aim for professionalism, not "cool."
21266 ##### Enforcement
21268 not possible.
21270 ### <a name="Rl-indent"></a>NL.4: Maintain a consistent indentation style
21272 ##### Reason
21274 Readability. Avoidance of "silly mistakes."
21276 ##### Example, bad
21278     int i;
21279     for (i = 0; i < max; ++i); // bug waiting to happen
21280     if (i == j)
21281         return i;
21283 ##### Note
21285 Always indenting the statement after `if (...)`, `for (...)`, and `while (...)` is usually a good idea:
21287     if (i < 0) error("negative argument");
21289     if (i < 0)
21290         error("negative argument");
21292 ##### Enforcement
21294 Use a tool.
21296 ### <a name="Rl-name-type"></a>NL.5: Avoid encoding type information in names
21298 ##### Rationale
21300 If names reflect types rather than functionality, it becomes hard to change the types used to provide that functionality.
21301 Also, if the type of a variable is changed, code using it will have to be modified.
21302 Minimize unintentional conversions.
21304 ##### Example, bad
21306     void print_int(int i);
21307     void print_string(const char*);
21309     print_int(1);          // repetitive, manual type matching
21310     print_string("xyzzy"); // repetitive, manual type matching
21312 ##### Example, good
21314     void print(int i);
21315     void print(string_view);    // also works on any string-like sequence
21317     print(1);              // clear, automatic type matching
21318     print("xyzzy");        // clear, automatic type matching
21320 ##### Note
21322 Names with types encoded are either verbose or cryptic.
21324     printS  // print a std::string
21325     prints  // print a C-style string
21326     printi  // print an int
21328 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).
21330 ##### Note
21332 Some styles use very general (not type-specific) prefixes to denote the general use of a variable.
21334     auto p = new User();
21335     auto p = make_unique<User>();
21336     // note: "p" is not being used to say "raw pointer to type User,"
21337     //       just generally to say "this is an indirection"
21339     auto cntHits = calc_total_of_hits(/*...*/);
21340     // note: "cnt" is not being used to encode a type,
21341     //       just generally to say "this is a count of something"
21343 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21345 ##### Note
21347 Some styles distinguish members from local variable, and/or from global variable.
21349     struct S {
21350         int m_;
21351         S(int m) : m_{abs(m)} { }
21352     };
21354 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21356 ##### Note
21358 Like C++, some styles distinguish types from non-types.
21359 For example, by capitalizing type names, but not the names of functions and variables.
21361     typename<typename T>
21362     class HashTable {   // maps string to T
21363         // ...
21364     };
21366     HashTable<int> index;
21368 This is not harmful and does not fall under this guideline because it does not encode type information.
21370 ### <a name="Rl-name-length"></a>NL.7: Make the length of a name roughly proportional to the length of its scope
21372 **Rationale**: The larger the scope the greater the chance of confusion and of an unintended name clash.
21374 ##### Example
21376     double sqrt(double x);   // return the square root of x; x must be non-negative
21378     int length(const char* p);  // return the number of characters in a zero-terminated C-style string
21380     int length_of_string(const char zero_terminated_array_of_char[])    // bad: verbose
21382     int g;      // bad: global variable with a cryptic name
21384     int open;   // bad: global variable with a short, popular name
21386 The use of `p` for pointer and `x` for a floating-point variable is conventional and non-confusing in a restricted scope.
21388 ##### Enforcement
21392 ### <a name="Rl-name"></a>NL.8: Use a consistent naming style
21394 **Rationale**: Consistence in naming and naming style increases readability.
21396 ##### Note
21398 There are many styles and when you use multiple libraries, you can't follow all their different conventions.
21399 Choose a "house style", but leave "imported" libraries with their original style.
21401 ##### Example
21403 ISO Standard, use lower case only and digits, separate words with underscores:
21405 * `int`
21406 * `vector`
21407 * `my_map`
21409 Avoid double underscores `__`.
21411 ##### Example
21413 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
21414 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
21416 * `int`
21417 * `vector`
21418 * `My_map`
21420 ##### Example
21422 CamelCase: capitalize each word in a multi-word identifier:
21424 * `int`
21425 * `vector`
21426 * `MyMap`
21427 * `myMap`
21429 Some conventions capitalize the first letter, some don't.
21431 ##### Note
21433 Try to be consistent in your use of acronyms and lengths of identifiers:
21435     int mtbf {12};
21436     int mean_time_between_failures {12}; // make up your mind
21438 ##### Enforcement
21440 Would be possible except for the use of libraries with varying conventions.
21442 ### <a name="Rl-all-caps"></a>NL.9: Use `ALL_CAPS` for macro names only
21444 ##### Reason
21446 To avoid confusing macros with names that obey scope and type rules.
21448 ##### Example
21450     void f()
21451     {
21452         const int SIZE{1000};  // Bad, use 'size' instead
21453         int v[SIZE];
21454     }
21456 ##### Note
21458 This rule applies to non-macro symbolic constants:
21460     enum bad { BAD, WORSE, HORRIBLE }; // BAD
21462 ##### Enforcement
21464 * Flag macros with lower-case letters
21465 * Flag `ALL_CAPS` non-macro names
21467 ### <a name="Rl-camel"></a>NL.10: Prefer `underscore_style` names
21469 ##### Reason
21471 The use of underscores to separate parts of a name is the original C and C++ style and used in the C++ Standard Library.
21473 ##### Note
21475 This rule is a default to use only if you have a choice.
21476 Often, you don't have a choice and must follow an established style for [consistency](#Rl-name).
21477 The need for consistency beats personal taste.
21479 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21480 This rule was added after many requests for guidance.
21482 ##### Example
21484 [Stroustrup](http://www.stroustrup.com/Programming/PPP-style.pdf):
21485 ISO Standard, but with upper case used for your own types and concepts:
21487 * `int`
21488 * `vector`
21489 * `My_map`
21491 ##### Enforcement
21493 Impossible.
21495 ### <a name="Rl-literals"></a>NL.11: Make literals readable
21497 ##### Reason
21499 Readability.
21501 ##### Example
21503 Use digit separators to avoid long strings of digits
21505     auto c = 299'792'458; // m/s2
21506     auto q2 = 0b0000'1111'0000'0000;
21507     auto ss_number = 123'456'7890;
21509 ##### Example
21511 Use literal suffixes where clarification is needed
21513     auto hello = "Hello!"s; // a std::string
21514     auto world = "world";   // a C-style string
21515     auto interval = 100ms;  // using <chrono>
21517 ##### Note
21519 Literals should not be sprinkled all over the code as ["magic constants"](#Res-magic),
21520 but it is still a good idea to make them readable where they are defined.
21521 It is easy to make a typo in a long string of integers.
21523 ##### Enforcement
21525 Flag long digit sequences. The trouble is to define "long"; maybe 7.
21527 ### <a name="Rl-space"></a>NL.15: Use spaces sparingly
21529 ##### Reason
21531 Too much space makes the text larger and distracts.
21533 ##### Example, bad
21535     #include < map >
21537     int main(int argc, char * argv [ ])
21538     {
21539         // ...
21540     }
21542 ##### Example
21544     #include <map>
21546     int main(int argc, char* argv[])
21547     {
21548         // ...
21549     }
21551 ##### Note
21553 Some IDEs have their own opinions and add distracting space.
21555 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21556 This rule was added after many requests for guidance.
21558 ##### Note
21560 We value well-placed whitespace as a significant help for readability. Just don't overdo it.
21562 ### <a name="Rl-order"></a>NL.16: Use a conventional class member declaration order
21564 ##### Reason
21566 A conventional order of members improves readability.
21568 When declaring a class use the following order
21570 * types: classes, enums, and aliases (`using`)
21571 * constructors, assignments, destructor
21572 * functions
21573 * data
21575 Use the `public` before `protected` before `private` order.
21577 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21578 This rule was added after many requests for guidance.
21580 ##### Example
21582     class X {
21583     public:
21584         // interface
21585     protected:
21586         // unchecked function for use by derived class implementations
21587     private:
21588         // implementation details
21589     };
21591 ##### Example
21593 Sometimes, the default order of members conflicts with a desire to separate the public interface from implementation details.
21594 In such cases, private types and functions can be placed with private data.
21596     class X {
21597     public:
21598         // interface
21599     protected:
21600         // unchecked function for use by derived class implementations
21601     private:
21602         // implementation details (types, functions, and data)
21603     };
21605 ##### Example, bad
21607 Avoid multiple blocks of declarations of one access (e.g., `public`) dispersed among blocks of declarations with different access (e.g. `private`).
21609     class X {   // bad
21610     public:
21611         void f();
21612     public:
21613         int g();
21614         // ...
21615     };
21617 The use of macros to declare groups of members often leads to violation of any ordering rules.
21618 However, using macros obscures what is being expressed anyway.
21620 ##### Enforcement
21622 Flag departures from the suggested order. There will be a lot of old code that doesn't follow this rule.
21624 ### <a name="Rl-knr"></a>NL.17: Use K&R-derived layout
21626 ##### Reason
21628 This is the original C and C++ layout. It preserves vertical space well. It distinguishes different language constructs (such as functions and classes) well.
21630 ##### Note
21632 In the context of C++, this style is often called "Stroustrup".
21634 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21635 This rule was added after many requests for guidance.
21637 ##### Example
21639     struct Cable {
21640         int x;
21641         // ...
21642     };
21644     double foo(int x)
21645     {
21646         if (0 < x) {
21647             // ...
21648         }
21650         switch (x) {
21651         case 0:
21652             // ...
21653             break;
21654         case amazing:
21655             // ...
21656             break;
21657         default:
21658             // ...
21659             break;
21660         }
21662         if (0 < x)
21663             ++x;
21665         if (x < 0)
21666             something();
21667         else
21668             something_else();
21670         return some_value;
21671     }
21673 Note the space between `if` and `(`
21675 ##### Note
21677 Use separate lines for each statement, the branches of an `if`, and the body of a `for`.
21679 ##### Note
21681 The `{` for a `class` and a `struct` is *not* on a separate line, but the `{` for a function is.
21683 ##### Note
21685 Capitalize the names of your user-defined types to distinguish them from standards-library types.
21687 ##### Note
21689 Do not capitalize function names.
21691 ##### Enforcement
21693 If you want enforcement, use an IDE to reformat.
21695 ### <a name="Rl-ptr"></a>NL.18: Use C++-style declarator layout
21697 ##### Reason
21699 The C-style layout emphasizes use in expressions and grammar, whereas the C++-style emphasizes types.
21700 The use in expressions argument doesn't hold for references.
21702 ##### Example
21704     T& operator[](size_t);   // OK
21705     T &operator[](size_t);   // just strange
21706     T & operator[](size_t);   // undecided
21708 ##### Note
21710 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21711 This rule was added after many requests for guidance.
21713 ##### Enforcement
21715 Impossible in the face of history.
21718 ### <a name="Rl-misread"></a>NL.19: Avoid names that are easily misread
21720 ##### Reason
21722 Readability.
21723 Not everyone has screens and printers that make it easy to distinguish all characters.
21724 We easily confuse similarly spelled and slightly misspelled words.
21726 ##### Example
21728     int oO01lL = 6; // bad
21730     int splunk = 7;
21731     int splonk = 8; // bad: splunk and splonk are easily confused
21733 ##### Enforcement
21737 ### <a name="Rl-stmt"></a>NL.20: Don't place two statements on the same line
21739 ##### Reason
21741 Readability.
21742 It is really easy to overlook a statement when there is more on a line.
21744 ##### Example
21746     int x = 7; char* p = 29;    // don't
21747     int x = 7; f(x);  ++x;      // don't
21749 ##### Enforcement
21751 Easy.
21753 ### <a name="Rl-dcl"></a>NL.21: Declare one name (only) per declaration
21755 ##### Reason
21757 Readability.
21758 Minimizing confusion with the declarator syntax.
21760 ##### Note
21762 For details, see [ES.10](#Res-name-one).
21765 ### <a name="Rl-void"></a>NL.25: Don't use `void` as an argument type
21767 ##### Reason
21769 It's verbose and only needed where C compatibility matters.
21771 ##### Example
21773     void f(void);   // bad
21775     void g();       // better
21777 ##### Note
21779 Even Dennis Ritchie deemed `void f(void)` an abomination.
21780 You can make an argument for that abomination in C when function prototypes were rare so that banning:
21782     int f();
21783     f(1, 2, "weird but valid C89");   // hope that f() is defined int f(a, b, c) char* c; { /* ... */ }
21785 would have caused major problems, but not in the 21st century and in C++.
21787 ### <a name="Rl-const"></a>NL.26: Use conventional `const` notation
21789 ##### Reason
21791 Conventional notation is more familiar to more programmers.
21792 Consistency in large code bases.
21794 ##### Example
21796     const int x = 7;    // OK
21797     int const y = 9;    // bad
21799     const int *const p = nullptr;   // OK, constant pointer to constant int
21800     int const *const p = nullptr;   // bad, constant pointer to constant int
21802 ##### Note
21804 We are well aware that you could claim the "bad" examples more logical than the ones marked "OK",
21805 but they also confuse more people, especially novices relying on teaching material using the far more common, conventional OK style.
21807 As ever, remember that the aim of these naming and layout rules is consistency and that aesthetics vary immensely.
21809 This is a recommendation for [when you have no constraints or better ideas](#S-naming).
21810 This rule was added after many requests for guidance.
21812 ##### Enforcement
21814 Flag `const` used as a suffix for a type.
21816 # <a name="S-faq"></a>FAQ: Answers to frequently asked questions
21818 This section covers answers to frequently asked questions about these guidelines.
21820 ### <a name="Faq-aims"></a>FAQ.1: What do these guidelines aim to achieve?
21822 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.
21824 ### <a name="Faq-announced"></a>FAQ.2: When and where was this work first announced?
21826 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).
21828 ### <a name="Faq-maintainers"></a>FAQ.3: Who are the authors and maintainers of these guidelines?
21830 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!"
21832 ### <a name="Faq-contribute"></a>FAQ.4: How can I contribute?
21834 See [CONTRIBUTING.md](https://github.com/isocpp/CppCoreGuidelines/blob/master/CONTRIBUTING.md). We appreciate volunteer help!
21836 ### <a name="Faq-maintainer"></a>FAQ.5: How can I become an editor/maintainer?
21838 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!
21840 ### <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?
21842 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.
21844 ### <a name="Faq-isocpp"></a>FAQ.7: If these guidelines are not approved by the committee, why are they under `github.com/isocpp`?
21846 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.
21848 ### <a name="Faq-cpp98"></a>FAQ.8: Will there be a C++98 version of these Guidelines? a C++11 version?
21850 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.
21852 ### <a name="Faq-language-extensions"></a>FAQ.9: Do these guidelines propose new language features?
21854 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.
21856 ### <a name="Faq-markdown"></a>FAQ.10: What version of Markdown do these guidelines use?
21858 These coding standards are written using [CommonMark](http://commonmark.org), and `<a>` HTML anchors.
21860 We are considering the following extensions from [GitHub Flavored Markdown (GFM)](https://help.github.com/articles/github-flavored-markdown/):
21862 * fenced code blocks (consistently using indented vs. fenced is under discussion)
21863 * tables (none yet but we'll likely need them, and this is a GFM extension)
21865 Avoid other HTML tags and other extensions.
21867 Note: We are not yet consistent with this style.
21869 ### <a name="Faq-gsl"></a>FAQ.50: What is the GSL (guidelines support library)?
21871 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.
21873 ### <a name="Faq-msgsl"></a>FAQ.51: Is [github.com/Microsoft/GSL](https://github.com/Microsoft/GSL) the GSL?
21875 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.
21877 ### <a name="Faq-gsl-implementation"></a>FAQ.52: Why not supply an actual GSL implementation in/with these guidelines?
21879 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.
21881 ### <a name="Faq-boost"></a>FAQ.53: Why weren't the GSL types proposed through Boost?
21883 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.
21885 ### <a name="Faq-gsl-iso"></a>FAQ.54: Has the GSL (guidelines support library) been approved by the ISO C++ standards committee?
21887 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.
21889 ### <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`?
21891 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>`.
21893 ### <a name="Faq-gsl-owner"></a>FAQ.56: Is `owner` the same as the proposed `observer_ptr`?
21895 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.
21897 ### <a name="Faq-gsl-stack-array"></a>FAQ.57: Is `stack_array` the same as the standard `array`?
21899 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.
21901 ### <a name="Faq-gsl-dyn-array"></a>FAQ.58: Is `dyn_array` the same as `vector` or the proposed `dynarray`?
21903 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.
21905 ### <a name="Faq-gsl-expects"></a>FAQ.59: Is `Expects` the same as `assert`?
21907 No. It is a placeholder for language support for contract preconditions.
21909 ### <a name="Faq-gsl-ensures"></a>FAQ.60: Is `Ensures` the same as `assert`?
21911 No. It is a placeholder for language support for contract postconditions.
21913 # <a name="S-libraries"></a>Appendix A: Libraries
21915 This section lists recommended libraries, and explicitly recommends a few.
21917 ??? Suitable for the general guide? I think not ???
21919 # <a name="S-modernizing"></a>Appendix B: Modernizing code
21921 Ideally, we follow all rules in all code.
21922 Realistically, we have to deal with a lot of old code:
21924 * application code written before the guidelines were formulated or known
21925 * libraries written to older/different standards
21926 * code written under "unusual" constraints
21927 * code that we just haven't gotten around to modernizing
21929 If we have a million lines of new code, the idea of "just changing it all at once" is typically unrealistic.
21930 Thus, we need a way of gradually modernizing a code base.
21932 Upgrading older code to modern style can be a daunting task.
21933 Often, the old code is both a mess (hard to understand) and working correctly (for the current range of uses).
21934 Typically, the original programmer is not around and the test cases incomplete.
21935 The fact that the code is a mess dramatically increases the effort needed to make any change and the risk of introducing errors.
21936 Often, messy old code runs unnecessarily slowly because it requires outdated compilers and cannot take advantage of modern hardware.
21937 In many cases, automated "modernizer"-style tool support would be required for major upgrade efforts.
21939 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.
21940 Making code "look pretty" or "follow modern style" are not by themselves reasons for change.
21941 There are risks implied by every change and costs (including the cost of lost opportunities) implied by having an outdated code base.
21942 The cost reductions must outweigh the risks.
21944 But how?
21946 There is no one approach to modernizing code.
21947 How best to do it depends on the code, the pressure for updates, the backgrounds of the developers, and the available tool.
21948 Here are some (very general) ideas:
21950 * The ideal is "just upgrade everything." That gives the most benefits for the shortest total time.
21951   In most circumstances, it is also impossible.
21952 * 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.
21953 * 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.
21954 * We could start by focusing on the interfaces, e.g., make sure that no resources are lost and no pointer is misused.
21955   This would be a set of changes across the whole code base, but would most likely have huge benefits.
21956   Afterwards, code hidden behind those interfaces can be gradually modernized without affecting other code.
21958 Whichever way you choose, please note that the most advantages come with the highest conformance to the guidelines.
21959 The guidelines are not a random set of unrelated rules where you can randomly pick and choose with an expectation of success.
21961 We would dearly love to hear about experience and about tools used.
21962 Modernization can be much faster, simpler, and safer when supported with analysis tools and even code transformation tools.
21964 # <a name="S-discussion"></a>Appendix C: Discussion
21966 This section contains follow-up material on rules and sets of rules.
21967 In particular, here we present further rationale, longer examples, and discussions of alternatives.
21969 ### <a name="Sd-order"></a>Discussion: Define and initialize member variables in the order of member declaration
21971 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.
21973     class Employee {
21974         string email, first, last;
21975     public:
21976         Employee(const char* firstName, const char* lastName);
21977         // ...
21978     };
21980     Employee::Employee(const char* firstName, const char* lastName)
21981       : first(firstName),
21982         last(lastName),
21983         // BAD: first and last not yet constructed
21984         email(first + "." + last + "@acme.com")
21985     {}
21987 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.
21989 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.
21991 **References**:
21993 [\[Cline99\]](#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
21995 ### <a name="Sd-init"></a>Discussion: Use of `=`, `{}`, and `()` as initializers
21999 ### <a name="Sd-factory"></a>Discussion: Use a factory function if you need "virtual behavior" during initialization
22001 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:
22003 * *Pass the buck:* Just document that user code must call the post-initialization function right after constructing an object.
22004 * *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.
22005 * *Use virtual base class semantics:* Language rules dictate that the constructor of the most-derived class decides which base constructor will be invoked; you can use that to your advantage. (See [\[Taligent94\]](#Taligent94).)
22006 * *Use a factory function:* This way, you can easily force a mandatory invocation of a post-constructor function.
22008 Here is an example of the last option:
22010     class B {
22011     public:
22012         B()
22013         {
22014             /* ... */
22015             f(); // BAD: C.82: Don't call virtual functions in constructors and destructors
22016             /* ... */
22017         }
22019         virtual void f() = 0;
22020     };
22022     class B {
22023     protected:
22024         class Token {};
22026     public:
22027         // constructor needs to be public so that make_shared can access it.
22028         // protected access level is gained by requiring a Token.
22029         explicit B(Token) { /* ... */ }  // create an imperfectly initialized object
22030         virtual void f() = 0;
22032         template<class T>
22033         static shared_ptr<T> create()    // interface for creating shared objects
22034         {
22035             auto p = make_shared<T>(typename T::Token{});
22036             p->post_initialize();
22037             return p;
22038         }
22040     protected:
22041         virtual void post_initialize()   // called right after construction
22042             { /* ... */ f(); /* ... */ } // GOOD: virtual dispatch is safe
22043         }
22044     };
22047     class D : public B {                 // some derived class
22048     protected:
22049         class Token {};
22051     public:
22052         // constructor needs to be public so that make_shared can access it.
22053         // protected access level is gained by requiring a Token.
22054         explicit D(Token) : B{ B::Token{} } {}
22055         void f() override { /* ...  */ };
22057     protected:
22058         template<class T>
22059         friend shared_ptr<T> B::create();
22060     };
22062     shared_ptr<D> p = D::create<D>();    // creating a D object
22064 This design requires the following discipline:
22066 * 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`.
22067 * Allocation is limited to `operator new`. `B` can, however, override `new` (see Items 45 and 46 in [SuttAlex05](#SuttAlex05)).
22068 * `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.
22070 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.
22072 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).
22074 **References**: [\[Alexandrescu01\]](#Alexandrescu01) §3, [\[Boost\]](#Boost), [\[Dewhurst03\]](#Dewhurst03) §75, [\[Meyers97\]](#Meyers97) §46, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §15.4.3, [\[Taligent94\]](#Taligent94)
22076 ### <a name="Sd-dtor"></a>Discussion: Make base class destructors public and virtual, or protected and non-virtual
22078 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.
22080 ##### Example
22082 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>`:
22084     class Base {
22085     public:
22086         ~Base();                   // BAD, not virtual
22087         virtual ~Base();           // GOOD
22088         // ...
22089     };
22091     class Derived : public Base { /* ... */ };
22093     {
22094         unique_ptr<Base> pb = make_unique<Derived>();
22095         // ...
22096     } // ~pb invokes correct destructor only when ~Base is virtual
22098 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:
22100     class My_policy {
22101     public:
22102         virtual ~My_policy();      // BAD, public and virtual
22103     protected:
22104         ~My_policy();              // GOOD
22105         // ...
22106     };
22108     template<class Policy>
22109     class customizable : Policy { /* ... */ }; // note: private inheritance
22111 ##### Note
22113 This simple guideline illustrates a subtle issue and reflects modern uses of inheritance and object-oriented design principles.
22115 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.
22117 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:
22119 * Whether it should behave virtually or not.
22120 * Whether it should be publicly available to all callers using a pointer to `Base` or else be a hidden internal implementation detail.
22122 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.
22124 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.
22126 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.)
22128 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.
22130 ##### Exception
22132 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.
22134 Consider also this rare case:
22136 * `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.
22137 * 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.
22139 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.
22141 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`.
22143 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.
22145 **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
22147 ### <a name="Sd-noexcept"></a>Discussion: Usage of noexcept
22151 ### <a name="Sd-never-fail"></a>Discussion: Destructors, deallocation, and swap must never fail
22153 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.
22155 ##### Example
22157     class Nefarious {
22158     public:
22159         Nefarious() { /* code that could throw */ }    // ok
22160         ~Nefarious() { /* code that could throw */ }   // BAD, should not throw
22161         // ...
22162     };
22164 1. `Nefarious` objects are hard to use safely even as local variables:
22167         void test(string& s)
22168         {
22169             Nefarious n;          // trouble brewing
22170             string copy = s;      // copy the string
22171         } // destroy copy and then n
22173     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.
22175 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:
22178         class Innocent_bystander {
22179             Nefarious member;     // oops, poisons the enclosing class's destructor
22180             // ...
22181         };
22183         void test(string& s)
22184         {
22185             Innocent_bystander i;  // more trouble brewing
22186             string copy2 = s;      // copy the string
22187         } // destroy copy and then i
22189     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`.
22191 3. You can't reliably create global or static `Nefarious` objects either:
22194         static Nefarious n;       // oops, any destructor exception can't be caught
22196 4. You can't reliably create arrays of `Nefarious`:
22199         void test()
22200         {
22201             std::array<Nefarious, 10> arr; // this line can std::terminate(!)
22202         }
22204     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.
22206 5. You can't use `Nefarious` objects in standard containers:
22209         std::vector<Nefarious> vec(10);   // this line can std::terminate()
22211     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.
22213 ##### Note
22215 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.
22217 Consider the following advice and requirements found in the C++ Standard:
22219 > 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)
22221 > 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)
22223 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.
22224 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`:
22226     T& T::operator=(const T& other)
22227     {
22228         auto temp = other;
22229         swap(temp);
22230         return *this;
22231     }
22233 (See also Item 56. ???)
22235 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).
22237 When using exceptions as your error handling mechanism, always document this behavior by declaring these functions `noexcept`. (See Item 75.)
22239 **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
22241 ## <a name="Sd-consistent"></a>Define Copy, move, and destroy consistently
22243 ##### Reason
22245  ???
22247 ##### Note
22249 If you define a copy constructor, you must also define a copy assignment operator.
22251 ##### Note
22253 If you define a move constructor, you must also define a move assignment operator.
22255 ##### Example
22257     class X {
22258     public:
22259         X(const X&) { /* stuff */ }
22261         // BAD: failed to also define a copy assignment operator
22263         X(x&&) noexcept { /* stuff */ }
22265         // BAD: failed to also define a move assignment operator
22267         // ...
22268     };
22270     X x1;
22271     X x2 = x1; // ok
22272     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22274 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.
22276     class X {
22277         HANDLE hnd;
22278         // ...
22279     public:
22280         ~X() { /* custom stuff, such as closing hnd */ }
22281         // suspicious: no mention of copying or moving -- what happens to hnd?
22282     };
22284     X x1;
22285     X x2 = x1; // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22286     x2 = x1;   // pitfall: either fails to compile, or does something suspicious
22288 If you define copying, and any base or member has a type that defines a move operation, you should also define a move operation.
22290     class X {
22291         string s; // defines more efficient move operations
22292         // ... other data members ...
22293     public:
22294         X(const X&) { /* stuff */ }
22295         X& operator=(const X&) { /* stuff */ }
22297         // BAD: failed to also define a move construction and move assignment
22298         // (why wasn't the custom "stuff" repeated here?)
22299     };
22301     X test()
22302     {
22303         X local;
22304         // ...
22305         return local;  // pitfall: will be inefficient and/or do the wrong thing
22306     }
22308 If you define any of the copy constructor, copy assignment operator, or destructor, you probably should define the others.
22310 ##### Note
22312 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:
22314 * 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.)
22315 * 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.
22316 * 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.
22318 In many cases, holding properly encapsulated resources using RAII "owning" objects can eliminate the need to write these operations yourself. (See Item 13.)
22320 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.
22322 **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.
22323 In rare cases, classes that have members of strange types (such as reference members) are an exception because they have peculiar copy semantics.
22324 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.)
22326 **References**: [\[SuttAlex05\]](#SuttAlex05) Item 52; [\[Cline99\]](#Cline99) §30.01-14, [\[Koenig97\]](#Koenig97) §4, [\[Stroustrup00\]](#Stroustrup00) §5.5, §10.4, [\[SuttHysl04b\]](#SuttHysl04b)
22328 Resource management rule summary:
22330 * [Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource](#Cr-safety)
22331 * [Never return or throw while holding a resource not owned by a handle](#Cr-never)
22332 * [A "raw" pointer or reference is never a resource handle](#Cr-raw)
22333 * [Never let a pointer outlive the object it points to](#Cr-outlive)
22334 * [Use templates to express containers (and other resource handles)](#Cr-templates)
22335 * [Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)](#Cr-value-return)
22336 * [If a class is a resource handle, it needs a constructor, a destructor, and copy and/or move operations](#Cr-handle)
22337 * [If a class is a container, give it an initializer-list constructor](#Cr-list)
22339 ### <a name="Cr-safety"></a>Discussion: Provide strong resource safety; that is, never leak anything that you think of as a resource
22341 ##### Reason
22343 Prevent leaks. Leaks can lead to performance degradation, mysterious error, system crashes, and security violations.
22345 **Alternative formulation**: Have every resource represented as an object of some class managing its lifetime.
22347 ##### Example
22349     template<class T>
22350     class Vector {
22351     private:
22352         T* elem;   // sz elements on the free store, owned by the class object
22353         int sz;
22354         // ...
22355     };
22357 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.).
22359 ##### Example
22361     ??? "odd" non-memory resource ???
22363 ##### Enforcement
22365 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.
22367 ### <a name="Cr-never"></a>Discussion: Never return or throw while holding a resource not owned by a handle
22369 ##### Reason
22371 That would be a leak.
22373 ##### Example
22375     void f(int i)
22376     {
22377         FILE* f = fopen("a file", "r");
22378         ifstream is { "another file" };
22379         // ...
22380         if (i == 0) return;
22381         // ...
22382         fclose(f);
22383     }
22385 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:
22387     void f(int i)
22388     {
22389         unique_ptr<FILE, int(*)(FILE*)> f(fopen("a file", "r"), fclose);
22390         // ...
22391         if (i == 0) return;
22392         // ...
22393     }
22395 Better:
22397     void f(int i)
22398     {
22399         ifstream input {"a file"};
22400         // ...
22401         if (i == 0) return;
22402         // ...
22403     }
22405 ##### Enforcement
22407 A checker must consider all "naked pointers" suspicious.
22408 A checker probably must rely on a human-provided list of resources.
22409 For starters, we know about the standard-library containers, `string`, and smart pointers.
22410 The use of `span` and `string_view` should help a lot (they are not resource handles).
22412 ### <a name="Cr-raw"></a>Discussion: A "raw" pointer or reference is never a resource handle
22414 ##### Reason
22416 To be able to distinguish owners from views.
22418 ##### Note
22420 This is independent of how you "spell" pointer: `T*`, `T&`, `Ptr<T>` and `Range<T>` are not owners.
22422 ### <a name="Cr-outlive"></a>Discussion: Never let a pointer outlive the object it points to
22424 ##### Reason
22426 To avoid extremely hard-to-find errors. Dereferencing such a pointer is undefined behavior and could lead to violations of the type system.
22428 ##### Example
22430     string* bad()   // really bad
22431     {
22432         vector<string> v = { "This", "will", "cause", "trouble", "!" };
22433         // leaking a pointer into a destroyed member of a destroyed object (v)
22434         return &v[0];
22435     }
22437     void use()
22438     {
22439         string* p = bad();
22440         vector<int> xx = {7, 8, 9};
22441         // undefined behavior: x might not be the string "This"
22442         string x = *p;
22443         // undefined behavior: we don't know what (if anything) is allocated a location p
22444         *p = "Evil!";
22445     }
22447 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.
22449 ##### Enforcement
22451 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.
22453 ### <a name="Cr-templates"></a>Discussion: Use templates to express containers (and other resource handles)
22455 ##### Reason
22457 To provide statically type-safe manipulation of elements.
22459 ##### Example
22461     template<typename T> class Vector {
22462         // ...
22463         T* elem;   // point to sz elements of type T
22464         int sz;
22465     };
22467 ### <a name="Cr-value-return"></a>Discussion: Return containers by value (relying on move or copy elision for efficiency)
22469 ##### Reason
22471 To simplify code and eliminate a need for explicit memory management. To bring an object into a surrounding scope, thereby extending its lifetime.
22473 **See also**: [F.20, the general item about "out" output values](#Rf-out)
22475 ##### Example
22477     vector<int> get_large_vector()
22478     {
22479         return ...;
22480     }
22482     auto v = get_large_vector(); //  return by value is ok, most modern compilers will do copy elision
22484 ##### Exception
22486 See the Exceptions in [F.20](#Rf-out).
22488 ##### Enforcement
22490 Check for pointers and references returned from functions and see if they are assigned to resource handles (e.g., to a `unique_ptr`).
22492 ### <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
22494 ##### Reason
22496 To provide complete control of the lifetime of the resource. To provide a coherent set of operations on the resource.
22498 ##### Example
22500     ??? Messing with pointers
22502 ##### Note
22504 If all members are resource handles, rely on the default special operations where possible.
22506     template<typename T> struct Named {
22507         string name;
22508         T value;
22509     };
22511 Now `Named` has a default constructor, a destructor, and efficient copy and move operations, provided `T` has.
22513 ##### Enforcement
22515 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.
22517 ### <a name="Cr-list"></a>Discussion: If a class is a container, give it an initializer-list constructor
22519 ##### Reason
22521 It is common to need an initial set of elements.
22523 ##### Example
22525     template<typename T> class Vector {
22526     public:
22527         Vector(std::initializer_list<T>);
22528         // ...
22529     };
22531     Vector<string> vs { "Nygaard", "Ritchie" };
22533 ##### Enforcement
22535 When is a class a container? ???
22537 # <a name="S-tools"></a>Appendix D: Supporting tools
22539 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
22540 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.
22542 ### <a name="St-clangtidy"></a>Tools: [Clang-tidy](http://clang.llvm.org/extra/clang-tidy/checks/list.html)
22544 Clang-tidy has a set of rules that specifically enforce the C++ Core Guidelines. These rules are named in the pattern `cppcoreguidelines-*`.
22546 ### <a name="St-cppcorecheck"></a>Tools: [CppCoreCheck](https://docs.microsoft.com/en-us/visualstudio/code-quality/using-the-cpp-core-guidelines-checkers)
22548 The Microsoft compiler's C++ code analysis contains a set of rules specifically aimed at enforcement of the C++ Core Guidelines.
22550 # <a name="S-glossary"></a>Glossary
22552 A relatively informal definition of terms used in the guidelines
22553 (based off the glossary in [Programming: Principles and Practice using C++](http://www.stroustrup.com/programming.html))
22555 More information on many topics about C++ can be found on the [Standard C++ Foundation](https://isocpp.org)'s site.
22557 * *ABI*: Application Binary Interface, a specification for a specific hardware platform combined with the operating system. Contrast with API.
22558 * *abstract class*: a class that cannot be directly used to create objects; often used to define an interface to derived classes.
22559   A class is made abstract by having a pure virtual function or only protected constructors.
22560 * *abstraction*: a description of something that selectively and deliberately ignores (hides) details (e.g., implementation details); selective ignorance.
22561 * *address*: a value that allows us to find an object in a computer's memory.
22562 * *algorithm*: a procedure or formula for solving a problem; a finite series of computational steps to produce a result.
22563 * *alias*: an alternative way of referring to an object; often a name, pointer, or reference.
22564 * *API*: Application Programming Interface, a set of functions that form the communication between various software components. Contrast with ABI.
22565 * *application*: a program or a collection of programs that is considered an entity by its users.
22566 * *approximation*: something (e.g., a value or a design) that is close to the perfect or ideal (value or design).
22567   Often an approximation is a result of trade-offs among ideals.
22568 * *argument*: a value passed to a function or a template, in which it is accessed through a parameter.
22569 * *array*: a homogeneous sequence of elements, usually numbered, e.g., `[0:max)`.
22570 * *assertion*: a statement inserted into a program to state (assert) that something must always be true at this point in the program.
22571 * *base class*: a type that is intended to be derived from (e.g., has a non-`final` virtual function), and objects of the type are intended to be used only indirectly (e.g., by pointer). \[In strict terms, "base class" could be defined as "something we derived from" but we are specifying in terms of the class designer's intent.\] Typically a base class has one or more virtual functions.
22572 * *bit*: the basic unit of information in a computer. A bit can have the value 0 or the value 1.
22573 * *bug*: an error in a program.
22574 * *byte*: the basic unit of addressing in most computers. Typically, a byte holds 8 bits.
22575 * *class*: a user-defined type that can contain data members, function members, and member types.
22576 * *code*: a program or a part of a program; ambiguously used for both source code and object code.
22577 * *compiler*: a program that turns source code into object code.
22578 * *complexity*: a hard-to-precisely-define notion or measure of the difficulty of constructing a solution to a problem or of the solution itself.
22579   Sometimes complexity is used to (simply) mean an estimate of the number of operations needed to execute an algorithm.
22580 * *computation*: the execution of some code, usually taking some input and producing some output.
22581 * *concept*: (1) a notion, and idea; (2) a set of requirements, usually for a template argument.
22582 * *concrete type*: a type that is not a base class, and objects of the type are intended to be used directly (not only by pointer/indirection), its size is known, it can typically be allocated anywhere the programmer wants (e.g., stack or statically).
22583 * *constant*: a value that cannot be changed (in a given scope); not mutable.
22584 * *constructor*: an operation that initializes ("constructs") an object.
22585   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).
22586 * *container*: an object that holds elements (other objects).
22587 * *copy*: an operation that makes two object have values that compare equal. See also move.
22588 * *correctness*: a program or a piece of a program is correct if it meets its specification.
22589   Unfortunately, a specification can be incomplete or inconsistent, or can fail to meet users' reasonable expectations.
22590   Thus, to produce acceptable code, we sometimes have to do more than just follow the formal specification.
22591 * *cost*: the expense (e.g., in programmer time, run time, or space) of producing a program or of executing it.
22592   Ideally, cost should be a function of complexity.
22593 * *customization point*: ???
22594 * *data*: values used in a computation.
22595 * *debugging*: the act of searching for and removing errors from a program; usually far less systematic than testing.
22596 * *declaration*: the specification of a name with its type in a program.
22597 * *definition*: a declaration of an entity that supplies all information necessary to complete a program using the entity.
22598   Simplified definition: a declaration that allocates memory.
22599 * *derived class*: a class derived from one or more base classes.
22600 * *design*: an overall description of how a piece of software should operate to meet its specification.
22601 * *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.
22602 * *encapsulation*: protecting something meant to be private (e.g., implementation details) from unauthorized access.
22603 * *error*: a mismatch between reasonable expectations of program behavior (often expressed as a requirement or a users' guide) and what a program actually does.
22604 * *executable*: a program ready to be run (executed) on a computer.
22605 * *feature creep*: a tendency to add excess functionality to a program "just in case."
22606 * *file*: a container of permanent information in a computer.
22607 * *floating-point number*: a computer's approximation of a real number, such as 7.93 and 10.78e-3.
22608 * *function*: a named unit of code that can be invoked (called) from different parts of a program; a logical unit of computation.
22609 * *generic programming*: a style of programming focused on the design and efficient implementation of algorithms.
22610   A generic algorithm will work for all argument types that meet its requirements. In C++, generic programming typically uses templates.
22611 * *global variable*: technically, a named object in namespace scope.
22612 * *handle*: a class that allows access to another through a member pointer or reference. See also resource, copy, move.
22613 * *header*: a file containing declarations used to share interfaces between parts of a program.
22614 * *hiding*: the act of preventing a piece of information from being directly seen or accessed.
22615   For example, a name from a nested (inner) scope can prevent that same name from an outer (enclosing) scope from being directly used.
22616 * *ideal*: the perfect version of something we are striving for. Usually we have to make trade-offs and settle for an approximation.
22617 * *implementation*: (1) the act of writing and testing code; (2) the code that implements a program.
22618 * *infinite loop*: a loop where the termination condition never becomes true. See iteration.
22619 * *infinite recursion*: a recursion that doesn't end until the machine runs out of memory to hold the calls.
22620   In reality, such recursion is never infinite but is terminated by some hardware error.
22621 * *information hiding*: the act of separating interface and implementation, thus hiding implementation details not meant for the user's attention and providing an abstraction.
22622 * *initialize*: giving an object its first (initial) value.
22623 * *input*: values used by a computation (e.g., function arguments and characters typed on a keyboard).
22624 * *integer*: a whole number, such as 42 and -99.
22625 * *interface*: a declaration or a set of declarations specifying how a piece of code (such as a function or a class) can be called.
22626 * *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.
22627 * *iteration*: the act of repeatedly executing a piece of code; see recursion.
22628 * *iterator*: an object that identifies an element of a sequence.
22629 * *ISO*: International Organization for Standardization. The C++ language is an ISO standard, ISO/IEC 14882. More information at [iso.org](http://iso.org).
22630 * *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.
22631 * *lifetime*: the time from the initialization of an object until it becomes unusable (goes out of scope, is deleted, or the program terminates).
22632 * *linker*: a program that combines object code files and libraries into an executable program.
22633 * *literal*: a notation that directly specifies a value, such as 12 specifying the integer value "twelve."
22634 * *loop*: a piece of code executed repeatedly; in C++, typically a for-statement or a `while`-statement.
22635 * *move*: an operation that transfers a value from one object to another leaving behind a value representing "empty." See also copy.
22636 * *move-only type*: a concrete type that is movable but not copyable.
22637 * *mutable*: changeable; the opposite of immutable, constant, and invariable.
22638 * *object*: (1) an initialized region of memory of a known type which holds a value of that type; (2) a region of memory.
22639 * *object code*: output from a compiler intended as input for a linker (for the linker to produce executable code).
22640 * *object file*: a file containing object code.
22641 * *object-oriented programming*: (OOP) a style of programming focused on the design and use of classes and class hierarchies.
22642 * *operation*: something that can perform some action, such as a function and an operator.
22643 * *output*: values produced by a computation (e.g., a function result or lines of characters written on a screen).
22644 * *overflow*: producing a value that cannot be stored in its intended target.
22645 * *overload*: defining two functions or operators with the same name but different argument (operand) types.
22646 * *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.
22647 * *owner*: an object responsible for releasing a resource.
22648 * *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.
22649 * *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.
22650 * *pointer*: (1) a value used to identify a typed object in memory; (2) a variable holding such a value.
22651 * *post-condition*: a condition that must hold upon exit from a piece of code, such as a function or a loop.
22652 * *pre-condition*: a condition that must hold upon entry into a piece of code, such as a function or a loop.
22653 * *program*: code (possibly with associated data) that is sufficiently complete to be executed by a computer.
22654 * *programming*: the art of expressing solutions to problems as code.
22655 * *programming language*: a language for expressing programs.
22656 * *pseudo code*: a description of a computation written in an informal notation rather than a programming language.
22657 * *pure virtual function*: a virtual function that must be overridden in a derived class.
22658 * *RAII*: ("Resource Acquisition Is Initialization") a basic technique for resource management based on scopes.
22659 * *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.
22660 * *recursion*: the act of a function calling itself; see also iteration.
22661 * *reference*: (1) a value describing the location of a typed value in memory; (2) a variable holding such a value.
22662 * *regular expression*: a notation for patterns in character strings.
22663 * *regular*: a semiregular type that is equality-comparable (see `std::regular` concept). After a copy, the copied object compares equal to the original object. A regular type behaves similarly to built-in types like `int` and can be compared with `==`.
22664 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*.
22665 * *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.
22666 * *resource*: something that is acquired and must later be released, such as a file handle, a lock, or memory. See also handle, owner.
22667 * *rounding*: conversion of a value to the mathematically nearest value of a less precise type.
22668 * *RTTI*: Run-Time Type Information. ???
22669 * *scope*: the region of program text (source code) in which a name can be referred to.
22670 * *semiregular*: a concrete type that is copyable (including movable) and default-constructible (see `std::semiregular` concept). The result of a copy is an independent object with the same value as the original. A semiregular type behaves roughly like an built-in type like `int`, but possibly without a `==` operator. See also *regular type*.
22671 * *sequence*: elements that can be visited in a linear order.
22672 * *software*: a collection of pieces of code and associated data; often used interchangeably with program.
22673 * *source code*: code as produced by a programmer and (in principle) readable by other programmers.
22674 * *source file*: a file containing source code.
22675 * *specification*: a description of what a piece of code should do.
22676 * *standard*: an officially agreed upon definition of something, such as a programming language.
22677 * *state*: a set of values.
22678 * *STL*: the containers, iterators, and algorithms part of the standard library.
22679 * *string*: a sequence of characters.
22680 * *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.
22681 * *subtype*: derived type; a type that has all the properties of a type and possibly more.
22682 * *supertype*: base type; a type that has a subset of the properties of a type.
22683 * *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.
22684 * *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.
22685 * *template*: a class or a function parameterized by one or more types or (compile-time) values; the basic C++ language construct supporting generic programming.
22686 * *testing*: a systematic search for errors in a program.
22687 * *trade-off*: the result of balancing several design and implementation criteria.
22688 * *truncation*: loss of information in a conversion from a type into another that cannot exactly represent the value to be converted.
22689 * *type*: something that defines a set of possible values and a set of operations for an object.
22690 * *uninitialized*: the (undefined) state of an object before it is initialized.
22691 * *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.
22692 * *use case*: a specific (typically simple) use of a program meant to test its functionality and demonstrate its purpose.
22693 * *value*: a set of bits in memory interpreted according to a type.
22694 * *value type*: a term some people use to mean a regular or semiregular type.
22695 * *variable*: a named object of a given type; contains a value unless uninitialized.
22696 * *virtual function*: a member function that can be overridden in a derived class.
22697 * *word*: a basic unit of memory in a computer, often the unit used to hold an integer.
22699 # <a name="S-unclassified"></a>To-do: Unclassified proto-rules
22701 This is our to-do list.
22702 Eventually, the entries will become rules or parts of rules.
22703 Alternatively, we will decide that no change is needed and delete the entry.
22705 * No long-distance friendship
22706 * Should physical design (what's in a file) and large-scale design (libraries, groups of libraries) be addressed?
22707 * Namespaces
22708 * Avoid using directives in the global scope (except for std, and other "fundamental" namespaces (e.g. experimental))
22709 * 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?
22710 * Should there be inline namespaces (à la `std::literals::*_literals`)?
22711 * Avoid implicit conversions
22712 * 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
22713 * Always initialize variables, use initialization lists for member variables.
22714 * 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. :)
22715 * Use `const`-ness wherever possible: member functions, variables and (yippee) `const_iterators`
22716 * Use `auto`
22717 * `(size)` vs. `{initializers}` vs. `{Extent{size}}`
22718 * Don't overabstract
22719 * Never pass a pointer down the call stack
22720 * falling through a function bottom
22721 * 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?
22722 * 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?
22723 * Speaking of lambdas, what would weigh in on the decision between lambdas and (local?) classes in algorithm calls and other callback scenarios?
22724 * 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?
22725 * What to do with leaks out of temporaries? : `p = (s1 + s2).c_str();`
22726 * pointer/iterator invalidation leading to dangling pointers:
22728         void bad()
22729         {
22730             int* p = new int[700];
22731             int* q = &p[7];
22732             delete p;
22734             vector<int> v(700);
22735             int* q2 = &v[7];
22736             v.resize(900);
22738             // ... use q and q2 ...
22739         }
22741 * LSP
22742 * private inheritance vs/and membership
22743 * avoid static class members variables (race conditions, almost-global variables)
22745 * Use RAII lock guards (`lock_guard`, `unique_lock`, `shared_lock`), never call `mutex.lock` and `mutex.unlock` directly (RAII)
22746 * Prefer non-recursive locks (often used to work around bad reasoning, overhead)
22747 * 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`?
22748 * If two or more mutexes must be acquired at the same time, use `std::lock` (or another deadlock avoidance algorithm?)
22749 * 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.
22750 * 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)
22751 * 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)
22752 * 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)
22754 * rules for arithmetic
22756 # Bibliography
22758 * <a name="Abrahams01"></a>
22759   \[Abrahams01]:  D. Abrahams. [Exception-Safety in Generic Components](http://www.boost.org/community/exception_safety.html).
22760 * <a name="Alexandrescu01"></a>
22761   \[Alexandrescu01]:  A. Alexandrescu. Modern C++ Design (Addison-Wesley, 2001).
22762 * <a name="Cplusplus03"></a>
22763   \[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).
22764 * <a name="Cargill92"></a>
22765   \[Cargill92]:       T. Cargill. C++ Programming Style (Addison-Wesley, 1992).
22766 * <a name="Cline99"></a>
22767   \[Cline99]:         M. Cline, G. Lomow, and M. Girou. C++ FAQs (2ndEdition) (Addison-Wesley, 1999).
22768 * <a name="Dewhurst03"></a>
22769   \[Dewhurst03]:      S. Dewhurst. C++ Gotchas (Addison-Wesley, 2003).
22770 * <a name="Henricson97"></a>
22771   \[Henricson97]:     M. Henricson and E. Nyquist. Industrial Strength C++ (Prentice Hall, 1997).
22772 * <a name="Koenig97"></a>
22773   \[Koenig97]:        A. Koenig and B. Moo. Ruminations on C++ (Addison-Wesley, 1997).
22774 * <a name="Lakos96"></a>
22775   \[Lakos96]:         J. Lakos. Large-Scale C++ Software Design (Addison-Wesley, 1996).
22776 * <a name="Meyers96"></a>
22777   \[Meyers96]:        S. Meyers. More Effective C++ (Addison-Wesley, 1996).
22778 * <a name="Meyers97"></a>
22779   \[Meyers97]:        S. Meyers. Effective C++ (2nd Edition) (Addison-Wesley, 1997).
22780 * <a name="Meyers01"></a>
22781   \[Meyers01]:        S. Meyers. Effective STL (Addison-Wesley, 2001).
22782 * <a name="Meyers05"></a>
22783   \[Meyers05]:        S. Meyers. Effective C++ (3rd Edition) (Addison-Wesley, 2005).
22784 * <a name="Meyers15"></a>
22785   \[Meyers15]:        S. Meyers. Effective Modern C++ (O'Reilly, 2015).
22786 * <a name="Murray93"></a>
22787   \[Murray93]:        R. Murray. C++ Strategies and Tactics (Addison-Wesley, 1993).
22788 * <a name="Stroustrup94"></a>
22789   \[Stroustrup94]:    B. Stroustrup. The Design and Evolution of C++ (Addison-Wesley, 1994).
22790 * <a name="Stroustrup00"></a>
22791   \[Stroustrup00]:    B. Stroustrup. The C++ Programming Language (Special 3rdEdition) (Addison-Wesley, 2000).
22792 * <a name="Stroustrup05"></a>
22793   \[Stroustrup05]:    B. Stroustrup. [A rationale for semantically enhanced library languages](http://www.stroustrup.com/SELLrationale.pdf).
22794 * <a name="Stroustrup13"></a>
22795   \[Stroustrup13]:    B. Stroustrup. [The C++ Programming Language (4th Edition)](http://www.stroustrup.com/4th.html). Addison Wesley 2013.
22796 * <a name="Stroustrup14"></a>
22797   \[Stroustrup14]:    B. Stroustrup. [A Tour of C++](http://www.stroustrup.com/Tour.html).
22798   Addison Wesley 2014.
22799 * <a name="Stroustrup15"></a>
22800   \[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).
22801 * <a name="SuttHysl04b"></a>
22802   \[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).
22803 * <a name="SuttAlex05"></a>
22804   \[SuttAlex05]:      H. Sutter and  A. Alexandrescu. C++ Coding Standards. Addison-Wesley 2005.
22805 * <a name="Sutter00"></a>
22806   \[Sutter00]:        H. Sutter. Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2000).
22807 * <a name="Sutter02"></a>
22808   \[Sutter02]:        H. Sutter. More Exceptional C++ (Addison-Wesley, 2002).
22809 * <a name="Sutter04"></a>
22810   \[Sutter04]:        H. Sutter. Exceptional C++ Style (Addison-Wesley, 2004).
22811 * <a name="Taligent94"></a>
22812   \[Taligent94]: Taligent's Guide to Designing Programs (Addison-Wesley, 1994).