C++防御性编程策略

博主介绍：程序喵大人

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• 《C++20高级编程》《C++23高级编程》等多本书籍著译者
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下面正文开始⬇️

内存安全管理

智能指针的应用

#include <memory>
#include <cstdio>

void safe_memory_management() {
    // 独占所有权场景
    auto unique = std::make_unique<int>(42);
    
    // 共享所有权场景
    auto shared = std::make_shared<double>(3.14);
    
    // 弱引用观察者
    std::weak_ptr<double> observer = shared;
    
    // 自定义删除器
    auto file = std::unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)>(
        fopen("data.txt", "r"), &fclose);
}

建议：

• 优先使用 std::make_unique 和 std::make_shared，它们提供异常安全保证
• 对于需要共享所有权的循环引用场景，使用 std::weak_ptr 打破循环
• 自定义删除器可用于管理非内存资源（如文件句柄）

容器与边界安全

现代容器使用模式

#include <vector>
#include <array>
#include <iostream>

void container_safety() {
    // 固定大小数组
    std::array<int, 100> fixed_array;
    
    // 动态数组
    std::vector<int> dynamic_array;
    
    // 安全遍历(C++11起)
    for (auto& elem : dynamic_array) {
        // 安全访问每个元素
    }

    // 安全访问方法
    try {
        int val = dynamic_array.at(42); // 边界检查
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        // 异常处理
    }
}

建议：

• 优先使用标准库容器而非原始数组
• 使用 at() 进行边界检查访问
• C++20 引入的 std::span 提供安全视图访问

输入验证策略

综合验证方法

#include <string>
#include <regex>
#include <charconv>
#include <stdexcept>
#include <iostream>

void validate_input(const std::string& input) {
    // 空值检查
    if (input.empty()) {
        throw std::invalid_argument("输入不能为空");
    }
    // 正则验证
    const std::regex name_pattern("^[\\w-]{3,50}$");
    if (!std::regex_match(input, name_pattern)) {
        throw std::invalid_argument("非法输入格式");
    }
    
    // 数值转换验证(C++17)
    int value;
    auto [ptr, ec] = std::from_chars(input.data(), 
                                     input.data() + input.size(), 
                                     value);
    if (ec != std::errc()) {
        throw std::invalid_argument("数值转换失败");
    }
}

建议：

• 建立输入验证的层次防御（前端+后端）
• 使用类型安全转换而非 C 风格转换

字符串安全处理

现代字符串处理

#include <string>
#include <string_view>
#include <format>

void string_operations() {
    // 安全构造
    std::string safe_str("可能包含危险内容", 0, 100); // 限制长度
    
    // 安全连接
    std::string result = safe_str + "附加内容";
    
    // 安全视图(C++17)
    std::string_view view(safe_str);
    
    // 格式化安全(C++20)
    std::string formatted = std::format("安全格式: {}", safe_str);
    
    // 避免缓冲区溢出
    char buffer[100];
    safe_str.copy(buffer, sizeof(buffer) - 1);
    buffer[safe_str.copy(buffer, sizeof(buffer) - 1)] = '\0';
}

建议：

• 禁用 strcpy、sprintf 等不安全 C 函数
• 使用 std::string 和 std::string_view 替代 C 风格字符串
• 对于格式化，优先使用 C++20 的 std::format 或第三方安全库

异常安全设计

资源管理策略

#include <memory>
#include <fstream>
#include <stdexcept>

class Resource {};

Resource* acquire_resource() { return new Resource(); }
void release_resource(Resource* res) { delete res; }

class ResourceHandler {
    std::unique_ptr<Resource> resource;
    
public:
    ResourceHandler() : resource(acquire_resource()) {}
    
    ~ResourceHandler() {
        if (resource) release_resource(resource.get());
    }
    // 禁止拷贝
    ResourceHandler(const ResourceHandler&) = delete;
    ResourceHandler& operator=(const ResourceHandler&) = delete;
    
    // 允许移动
    ResourceHandler(ResourceHandler&&) = default;
    ResourceHandler& operator=(ResourceHandler&&) = default;
};

void file_operation() {
    std::ofstream file("data.txt");
    if (!file) throw std::runtime_error("文件打开失败");
    
    // RAII保证文件关闭
    file << "安全写入数据";
    // 即使抛出异常，文件也会正确关闭
}

建议：

• 遵循 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 原则
• 使用"获取即初始化"模式管理资源
• 对于复杂操作，考虑事务模式或回滚机制

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