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            woaidongmao

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            數據加載中……

            過度使用C++模板(overdoing C++ templates)

            大約每隔十年,都會出現一個編程新概念,宣布自己是以往概念的繼承者。我們也再一次相信,從今往后軟件比以前更可靠,更容易build,或者更有意思(沒有人相信它會比以前更小或者更快)。在70年代,有結構編程;在80年代,開始了面向對象編程;從90年代中期,出現了范型編程(generic programming)。范型編程得名于其用模板而使代碼重用的高效技術(范型類和范型函數)。

            模板類和模板函數都是非常有用的工具。例如sqr()函數可以計算平方數,任何定義了乘法運算的數據類型(數字,矩陣)都適用。標準容器類(如list)都是模板,這樣對于每個新類型無需重寫了,這正是使用舊版的C++時真正頭疼的事情,因此我認為ISO的標準是個偉大的進步。然而,在這個過程中有些東西用得過頭了。

            例如:標準庫中得string 和iostream 都是使用"character traits"類型作為參數。這意味著同一個basic_string<>類可以用于ASCII字符串,也可用于Unicode,甚至用于火星人的三字節字符串(原則雖然如此,但許多版本都只是實現了ASCII字符串,看起來有點滑稽)。標準要求這些常用類必須實現成模板形式,而這些類幾乎涉及到所有C++應用。

            但是這對性能和調試會帶來許多麻煩。下面幾個試驗解釋了這個問題(本試驗使用的編譯器為VC++6.0)。編譯器同時支持新風格的iostream(使用模板)和經典風格的iostream, 因此我們能比較他們二者的版本實現。第一個測試程序當然是使用"Hello, Word"了,新風格的編譯時間是經典風格的2倍。另一個更正規的例子大約有200行,每行輸出10個變量用于計數。這個測試程序最顯著的結論是編譯速度:新風格版本花了10秒編譯完成,而舊版本只使用了1.5秒。10秒時間可并不少,可以完成很多事情。另外,新風格版本的可執行文件的大小為115K,而舊版本只有70K。你的測試數據可能有些出入,但是整體結論是一樣的:當使用新版本時,會有更慢的編譯速度和更大的可執行文件。這并不是因為微軟公司編譯器的問題,使用GCC測試也會得到同樣的結論。

            當然,和過去不一樣,可執行文件的大小并不是那么重要,現在,可編程設備種類正快速增長,包括許多信息應用,如遙控、手機、智能冰箱、基于藍牙技術的咖啡機等等,在這些應用中內存近幾年都會是十分寶貴的資源。使用標準iostream 而產生的額外的二進制文件,來源于內聯了整個模板類的代碼,要是沒有code bload工具,你很難優化那些重要的操作。對我來說,編譯時間問題更嚴重一些,因為這樣意味著更長的等待,從而失去了開發中非常重要原則:互動原則。

            現在我們來考慮調試的問題。標準庫中string 類的模板實現非常聰明,但并不適合于調試。你會面臨使用超長名字的編譯器和調試器的信息:

            class std::basic_string<char,struct std::char_traits<char>,class std::allocator<char>>
            
            

            同樣對于非常有用的容器 map < string,string > , 你可以去想象其復雜性。這些名字太長了,以至于產生數十個內部名字被截斷的警告。對于初學者來說,std::string 應該設計得盡可能透明,而不應該讓他們面臨許多語言內置得一些特性。當輸出了編譯錯誤信息后,在技術上講,應該是可以查找到所有的 typedef 。我在 UnderC 項目中就試圖這么做。Verity Stob 建議編寫一個后置的處理器來翻譯這些錯誤信息,我倒希望這是她這么做只是開個玩笑。如果不使用這么復雜的類型,這個問題就會容易處理的多。我在C++開發上的秘訣就是(我首次坦誠的公開這個秘密): 在稍微大一點的工程中使用一個兼容的string 類來替換std::string 的頭文件. 有時我會重新build 這些標準的頭文件,用來檢測是否我的庫還能正常使用,但讓其他人為如何提高其性能而努力。

            當然,在許多應用中我們都需要這種std::string提供的靈活性,例如,需要同時處理ASCII 和Unicode字符串,或者需要定制自己的allocator 等等。但這并不是普遍需求(通常程序員要么只處理ASCII,要么只處理Unicode ), 看起來對于程序員承擔這種范型機制有些不公平。這種機制確實讓標準庫的設計者覺得很有意思,但增加了應用開發程序員使用的復雜度。這似乎顛倒了這個原則:良好的標準庫設計應該隱藏其實現的復雜度,而讓用戶直接使用。但std::string 對其實現的復雜度隱藏得并不夠,導致在用戶使用過程中不斷的遇到設計中的問題。我們不能要求標準庫的用戶都是專家。標準堅持要求這種特定的實現方式,和標準庫的設計初衷相違背,其初衷是只提供公共的接口和包含一些特定功能的類庫。自然,這種范型模板對于那些真正去要他們的人是一直有效的。

            這些細節考慮同樣應用于標準容器,例如list<>容器,list 有一些額外的默認模板參數,用于定義了默認的allocator。當然自己定義allocator 十分有用,但絕大多數人不需要自己去實現。這些泛化的版本完全可以作為單獨的模板提供。我承認這樣做會讓標準庫的設計在技術上變得沒有以前有意思,但這些庫在設計之初就應該考慮到最終用戶。篡改一下C++的頌歌:用戶不應該為他們不需要的東西買單。

            當我們不需要模板的時候,我們不得不使用模板。除此之外,在C++中用范型編程還會遇到另一個的問題。大多數人都同意,標準的algorithm 十分有用。如果你有一個整型的vector, 你可以直接使用下面的語句來排序:

            sort(v.begin(),v.end());
            
            

            因為int型數據的比較函數時內聯的,而且這種范型算法比舊版本的qsort()函數速度還快,也更容易使用,特別是使用用戶自定義類型的vector. copy()函數也可以在任何時候高效率地拷貝任何數據。

            但有些應用理解起來十分晦澀:

            copy_if(v.begin(),v.end(),ostream_iterator<int>(cout) bind2nd(greater<int>(),7));
            
            

            如果要寫得嚴格一點,每個名字都應該加上std::前綴,這里假定所有變量都是使用全局命名空間,或單獨使用命令或用其他方法。用Stroustrup (C++的創始人)的例子更容易說明問題,這個例子把所有的整型數輸出到終端:

            vector<int>::iterator li;
            for (li = v.begin(); li != v.end(); ++li)
            if (*li > 7) cout << *li;
            
            

            Stroustrup 告訴我們如果使用顯示的循環是"麻煩而又容易產生錯誤", 但我看不出使用第一個版本有什么優勢。顯然,人們能習慣這種方式,人類的適應性很強,作為專業人士,我們也不得不學習這個新概念。但是,這樣做并沒有減少多少麻煩,而且我們可以證明這樣做可讀性更差,更不靈活。同時,它還會限制你的設計。例如,假設我們有一個Shape * 的指針list, 我們可以通過下面的調用方式來畫出他們自己的形狀:

            for_each(ls.begin(),ls.end(),
            bind2nd(mem_fun(&Shape::draw),canvas));
            
            

            也可以選擇這種方式:

            ShapeList::iterator li;
            for (li = ls.begin(); li != ls.end(); ++li)
            (*li)->draw(canvas);
            
            

            現在假設我需要修改我的設計,我只想畫那些滿足某種要求的圖形(而且不希望把這些需求包在shape類里面), 那么我只需要在顯式的循環中增加一條if條件語句。如果要使用范型概念,我唯一能想到的方式定義一個函數,然后使用for_each()算法。使用設計模式一書中的術語,第一個例子是一個內部迭代器(internal iterator),第二個例子式一個外部跌倒器(external iterator). 作者認為C++ 并不擅長使用內部迭代器,我想我們還是應該考慮語言的局限性。其實問題在于在C++中過度應用范型概念--從而導致不必要的難度。C++ 完全不支持一般的匿名函數(anonymous functions)如LIST, SmallTalk, Ruby等。C++中的匿名函數或許看起來和下面一樣,可能某天有人會實現它:

            for_each(ls.begin(),ls.end(),
            void lambda(Shape *p) { p->draw(canvas); }); 
            
            

            C++ 是一種不可思議的編程語言,小到手機,大到跨國際網絡,都有其應用。它非常靈活,能夠支持多種編程風格,但這種靈活同樣也是其問題所在。編程的藝術在于為特定的問題選擇合適編程風格,就像老師總提醒寫作文是要選擇好的風格一樣。我并不想詆毀 C++ 標準庫,這里面包含了許多人的辛勤勞動,并為大家提供了一個公共平臺。我對于這個標準的態度是,它和范型編程聯系過于緊密,從而變成了在說明什么風格是好的編程風格(例如,算法中明顯傾向于不要使用顯式循環), 同時它也讓程序員們不得不介入一些實現細節(如basic_string<>),這樣做讓人們更加覺得C++ 是只是內核工程師們的編程語言。

            posted on 2008-08-31 21:50 肥仔 閱讀(540) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C++ 模板

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