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Modern C++

使用 C++20、C++23 和 C++26 惯用法编写现代 C++ 的指南。重点介绍可消除漏洞类别并减少样板代码的模式，并融入 Trail of Bits 的安全侧重点。

何时使用此技能

• 编写新的 C++ 函数、类或库
• 现代化现有 C++ 代码（C++20 之前的模式）
• 在旧式方法和现代方法之间进行选择
• 处理安全关键或安全敏感的 C++ 代码
• 审查 C++ 代码是否采用了现代惯用法

何时不使用此技能

• 用户明确要求使用较旧的标准：遵循约束（嵌入式、旧版 ABI）
• 纯 C 代码：此技能仅适用于 C++
• 构建系统问题：CMake、Meson、Bazel 配置不在范围内
• 非 C++ 项目：C++ 并非主要语言的混合代码库

应避免的反模式

避免使用	改用	原因
new/delete	std::make_unique、std::make_shared	消除内存泄漏和重复释放
原始拥有型指针	std::unique_ptr、std::shared_ptr	RAII 所有权语义
C 数组（int arr[N]）	std::array<int, N>	可检查边界，具有值语义
指针 + 长度参数	std::span<T>	不拥有对象，可检查边界
printf / sprintf	std::format、std::print	类型安全，不会发生缓冲区溢出
C 风格转换 (int)x	static_cast<int>(x)	意图明确，便于审计
#define 常量	constexpr 变量	具有作用域和类型，便于调试
SFINAE / enable_if	概念 + requires	约束和错误信息更易读
错误码 + 输出参数	std::expected<T, E>	可组合，错误处理类型安全
union	std::variant	类型安全，不会产生隐式未定义行为
原始 mutex.lock()/unlock()	std::scoped_lock	异常安全，不会死锁
std::thread	std::jthread	自动汇合，支持停止令牌
assert() 宏	contract_assert（C++26）	工具可见，可配置
手动 CRTP	推导 this（C++23）	更简单，无模板样板代码
宏代码生成	反射（C++26）	零开销，可组合

完整表格（30 多种模式）请参阅 anti-patterns.md。

决策树

What are you doing?
|
+-- Writing new C++ code?
|   +-- Use modern idioms by default (C++20/23)
|   +-- Choose the newest standard your compiler supports
|   +-- See Feature Tiers below
|
+-- Modernizing existing code?
|   +-- Start with Tier 1 (C++20/23) replacements
|   +-- Prioritize by security impact (memory > types > style)
|   +-- See anti-patterns.md for the migration table
|
+-- Security-critical code?
|   +-- Enable compiler hardening flags (see below)
|   +-- Enable hardened libc++ mode
|   +-- Run sanitizers in CI
|   +-- See safe-idioms.md and compiler-hardening.md
|
+-- Using C++26 features?
    +-- Reflection: YES, plan for it (GCC 16+)
    +-- Contracts: cautiously, for new API boundaries
    +-- std::execution: wait for ecosystem maturity
    +-- See cpp26-features.md

特性分级

特性按当下的实际可用性分级，而非按标准版本分级。

第 1 级：现在即可使用（C++20/23，编译器支持成熟）

特性	替代内容	标准
概念 + requires	SFINAE、enable_if	C++20
范围 + 视图	原始迭代器循环	C++20
std::span<T>	指针 + 长度	C++20
std::format	sprintf、iostream 链式调用	C++20
三路比较 <=>	手动编写比较运算符	C++20
std::jthread	std::thread + 手动汇合	C++20
指定初始化器	按位置初始化结构体	C++20
std::expected<T,E>	错误码、边界处的异常	C++23
std::print / std::println	printf、std::cout <<	C++23
推导 this	CRTP、const/非 const 重复代码	C++23
std::flat_map	适用于读取密集型场景的 std::map	C++23
单子式 std::optional	对 optional 进行嵌套 if 检查	C++23

请参阅 cpp20-features.md 和 cpp23-features.md。

第 2 级：现在即可部署（无需升级标准）

这些方法可在不更改 C++ 标准版本的情况下提升安全性：

• 编译器加固标志 — -D_FORTIFY_SOURCE=3、-fstack-protector-strong、-ftrivial-auto-var-init=zero
• 加固版 libc++ — 使用 -D_LIBCPP_HARDENING_MODE=_LIBCPP_HARDENING_MODE_FAST，以约 0.3% 的开销进行边界检查
• 在 CI 中使用消毒器 — 至少使用 ASan + UBSan；并发代码使用 TSan
• 警告标志 — -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror

请参阅 compiler-hardening.md。

第 3 级：规划采用（C++26，值得围绕其重构）

反射是 C++26 中最具变革性的单项特性。它消除了：

• 序列化样板代码（一个通用函数即可替代每个结构体的 to_json）
• 代码生成器（protobuf 代码生成、Qt MOC）
• 基于宏的注册，以及枚举转字符串的变通方案

GCC 16（2026 年 4 月）已合并反射。规划新代码时应考虑借助这一特性。

第 4 级：持续关注（C++26，仍需成熟）

• 契约（pre/post/contract_assert）——优于 assert()，但不支持虚函数，编译器支持也有限。谨慎地将其用于新的 API 边界。
• std::execution（发送器/接收器）——功能强大的异步框架，但学习曲线陡峭、没有随附的调度器，文档也不完善。应等待生态系统成熟。

参见 cpp26-features.md。

编译器强化快速参考

必备标志（GCC + Clang）

-Wall -Wextra -Wpedantic -Werror
-D_FORTIFY_SOURCE=3
-fstack-protector-strong
-fstack-clash-protection
-ftrivial-auto-var-init=zero
-fPIE -pie
-Wl,-z,relro,-z,now

Clang 专用

-Wunsafe-buffer-usage

强化版 libc++（仅限 Clang/libc++）

-D_LIBCPP_HARDENING_MODE=_LIBCPP_HARDENING_MODE_FAST

Google 已在 Chrome 和其整个服务器集群中部署此方案：开销约为 0.3%，发现了 1000 多个漏洞，生产环境中的段错误减少了 30%。

完整指南请参见 compiler-hardening.md。

应当摒弃的自我安慰

自我安慰	错误之处
“没有警告就能编译”	警告取决于启用了哪些标志。添加 -Wall -Wextra -Wpedantic。
“ASan 在生产环境中太慢”	使用 GWP-ASan 进行基于采样的生产环境检测（开销约为 0%）。
“我们只使用安全容器”	迭代器失效和未经检查的 optional 访问仍可能被利用。
“智能指针更慢”	与原始指针相比，std::unique_ptr 的开销为零。提出此说法前先测量。
“我们的代码没有内存漏洞”	Google 启用强化版 libc++ 时发现了 1000 多个漏洞。其他团队也一样。
“C++26 特性还不可用”	C++20/23 特性已经可用。强化标志适用于任何标准。从这些开始。
“现代 C++ 更难读”	与通过 5 个输出参数检查错误码相比，std::expected 更易读。

最佳实践检查清单

• 使用智能指针表示所有权，仅使用原始指针进行非拥有式观察
• 函数参数优先使用 std::span，而非指针 + 长度
• 对可能因类型化错误而失败的函数使用 std::expected
• 使用概念约束模板，而非 SFINAE
• 在所有构建中启用编译器强化标志和强化版 libc++
• 在 CI 中运行 ASan + UBSan；并发代码还要添加 TSan
• 尽可能使用 constexpr / consteval（从设计上避免未定义行为）
• 忽略返回值可能导致错误时，为函数标记 [[nodiscard]]
• 优先采用值语义；使用 std::variant 替代 union，使用 enum class 替代 enum
• 在声明时初始化所有变量

接下来阅读

• anti-patterns.md — 完整的遗留代码到现代代码迁移对照表（30 多种模式）
• cpp20-features.md — 概念、范围、span、format、协程
• cpp23-features.md — expected、print、deducing this、flat_map
• cpp26-features.md — 反射、契约、内存安全改进
• compiler-hardening.md — 标志、消毒器、强化版 libc++
• safe-idioms.md — 按漏洞类别整理的安全模式