C++临时对象(2)

长平狐 发布于 2012/10/08 15:16
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与临时对象的斗争(下)

作者:唐风

原载:www.cnblos.com/liyiwen

上篇 里,我们看到了 (N)RVO 和右值引用,下面我们来看看表达式模板。

Expression Template(表达式模板,ET)

如果有“系统地”学习过 C++ 的模板编程,那么你应该已经知道 Expression Template 这个“东西”。在模板圣经《C++ templates》的第 18 章专门用了一整章来讲这个技巧,(是的,我认为它是一种技巧)。足以见得它比较复杂,也很重要。

说起 Expression Template 产生,“临时对象”也是“功臣”之一啊。还是来用例子来说明(你能很容易找到这样类似的例子,呵,我就是参照着别人写的):

 
 
 
  1. class MyVec  
  2. {  
  3. public:  
  4.     MyVec(){  
  5.         p = new int[SIZE];  
  6.     }  
  7.     MyVec(MyVec const& a_left) {  
  8.         p = new int[SIZE];  
  9.         memcpy(p, a_left.p, SIZE * sizeof(int));  
  10.     }  
  11.     ~MyVec(){delete [] p;}  
  12.     MyVec& operator=(MyVec const& a_left) {  
  13.         if (this != &a_left) {  
  14.             delete [] p;  
  15.             p = new int[SIZE];  
  16.             memcpy(p, a_left.p, SIZE * sizeof(int));  
  17.         }  
  18.         return *this;  
  19.     }  
  20.     intoperator [](size_t a_idx) {   
  21.         return p[a_idx];  
  22.     }  
  23.     int operator [](size_t a_idx)const {   
  24.         return p[a_idx];  
  25.     }  
  26.     MyVec const operator + (MyVec const& a_left) const {  
  27.         MyVec temp(*this);  
  28.         temp += a_left;  
  29.         return temp;  
  30.     }  
  31.     MyVec& operator += (MyVec const& a_left) {   
  32.         for (size_t i = 0; i < SIZE; ++i) {  
  33.             p[i] += a_left.p[i];  
  34.         }  
  35.         return *this;  
  36.     }  
  37. private:  
  38.     static int const SIZE = 100;  
  39.     int* p;  
  40. };  
  41.   
  42. int main(int argc, char* argv[])  
  43. {  
  44.     MyVec a, b, c;  
  45.     MyVec d = a + b + c;  
  46.     return 0;  
  47. }  

看,我们写下这么小段代码:


 
     

这是很常用的数学运算吧,而且代码很直观。但这个表达式有一个问题,就是产生了“不必要”的临时对象。因为 a + b 的结果会成为一个存在一个临时对象上 temp 上,然后这个 temp 再加上 c ,最后把结果传给 d 进行初始化。如果这些向量很长,或是表达式再加几节,可以想像这些 temp 会多让人不爽。

而且,如果我们写成这样:

MyVec d = a;
d += b;
d += c;

就可以避免产生多余的临时对象。但这样写,如果是不了解“行情”的人看了MyVec d = a + b + c;之后再看这段,是不是会觉得写这代码的人欠K?

好吧,你会问,上面不是说右值引用可以解决这样问题?是的,但在没有右值引用的“黑暗日子”里,我们就不用过活了?当然要,小学开始数学老师就教我们要一题多解吧,换个思路也有办法,这个办法就是ET。

怎么做的呢?a + b + c 会产生临时变量是因为 C++ 是即时求值的,在看到 a + b,就先算出一个 temp 的Vector对象,然后再向下算。如果能进行延迟求值,看完整个表达式再来计算,那么就可以避免这个temp的产生。

怎么做?

原来的做法中,operator + 直接进行了计算,既然我们不想它“过早”的计算,那么我们就在重新重载一个operator + 运算符,在这个运算中不进行真正的运算,只是生成一个对象,在这个对象中把加法运算符两边的操作数保留下来~然后让它参与到下一步的计算中去。(好吧,这个对象也是临时的,但它的代价非常非常小,我们先不理会它)。于是我们写下面的代码:

 
 
   

比起之前的代码来说,这段代码有几个重要的修改:首先,我们增加了一个模板类 ExpPlus,用它来代表加法计算的“表达式”,但在进行加法时,它本身并不进行真正的计算。对这个类,定义了下标运算符,这个运算符中才进行了真正的加法计算。然后,对于原来的 MyVec,我们重载它的赋值运算符,让它在赋值的时候通过ExpPlus的下标运算符来获得计算结果(也就是,在赋值操作时才真正的进行了计算!)。

上面这段话,对于不了解ET的人来说,也许一时间还不容易明白,我们一步一步来:

在 d = a + b + c 这个式子中,首先遇到 a + b,这时,模板函数 operator + 会被调用(代码中注释了“Point 1 ”),这时只是生成一个临时的ExpPlus<MyVec>对象(我们叫它 t1 吧),不做计算,只是保留计算的左右操作数(也就是a和b),接着,t1 + c ,再次调用同样的 operator + ,而且也只是生成一个对象(我们叫它 t2 吧),这个对象的类型是 ExpPlus<ExpPlus<MyVec>>,同样,t2 在这里只是保留了两边的操作数(也就是 t1 和 c)。直到整个表达式“做完”,没有任何东西进行了计算,所做的事情实际上只是用 ExpPlus 这个模板类把计算式的信息记录下来了(当然,这些信息就是参与计算的操作数)。

最后,当进行 d = t2 的时候,MyVec 的赋值运算符被调用(用 t2 作参数)。注意,这个调用中的语句 p[i] = t2[i],其中 t2[i] 通过重载的下标运算符,展开成 t1[i] + c[i],同理 t1[i] 又再次展开,成为 a[i]+b[i],最终,p[i] = t2[i] 就变成了:p[i] = a[i] + b[i] + c[i])(当然,里面参杂了内联的效果,这些函数都是非常容易被内联的)。就像变“魔术”一样,我们通过ExpPlus完成了“延迟计算”,并避免了大型的 MyVec 临时对象的产生。

这基本上就是 ET 的“原理”了吧。我们来“专门化”一下 ET 的好处:

  • To create a domain-specific embedded language (DSEL) in C++
  • To support lazy evaluation of C++ expressions (e.g., mathematical expressions), which can be executed much later in the program from the point of their definition.
  • To pass an expression — not the result of the expression — as a parameter to a function.

这样,用 ET 就能兼顾到“直观”和“效率”了。

ET 中 C++ 中的类库里已经有非常多的应用了(包括 boost 中的多个子库,以及 Blitz++ 等高性能数学库)

总结

(N)RVO 是编译器为我们做的优化手段,在能进行优化的情况下,NRVO 的表现是非常好的,因为它才真正的避免了临时对象的产生(rvalue reference 和 expression template 中都可能还存在一些小型临时对象),但 (N)RVO 有很多的限制条件。右值引用(rvalue reference )和 move 语意弥补了 (N)RVO 的不足之处,使得临时对象的开销最小化成为可能,但这也是有局限的,比如,嗯,如果一个类本身不动态地拥有资源……,那 move 就没有意义了。Expression Template 保持了表达式直观和效率两者,很强大,但很显然它太复杂,主要是作为类库的设计者的武器。另外,它也可能使得使用者要理解一些“新”东西,比如,如果我想存储表达式的中间值,那么 <ExpPlus<ExpPlus<...<MyVec>...> 一定会让我很头大(不过有了 C++0x 的 auto 就好多了,呵呵)。

 


原文链接:http://blog.csdn.net/ithzhang/article/details/6673057
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