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08 其他轻微调整

优质
小牛编辑
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2023-12-01

41 对于可拷贝的形参，如果移动成本低且一定会被拷贝则考虑传值

  • 一些函数的形参本身就是用于拷贝的，考虑性能，对左值实参应该执行拷贝，对右值实参应该执行移动
class A {
 public:
  void f(const std::string& s) { v.push_back(s); }
  void f(std::string&& s) { v.push_back(std::move(s)); }
 private:
  std::vector<std::string> v;
};
  • 为同一个功能写两个函数太过麻烦，因此改用为参数为转发引用的模板
class A {
 public:
  template<typename T>
  void f(T&& s)
  {
    v.push_back(std::forward<T>(s));
  }
 private:
  std::vector<std::string> v;
};
  • 但模板会带来复杂性，一是模板一般要在头文件中实现，它可能在对象代码中产生多个函数，二是如果传入了不正确的实参类型，将出现十分冗长的错误信息，难以调试。所以最好的方法是，针对左值拷贝，针对右值移动，并且在源码和目标代码中只需要处理一个函数，还能避开转发引用，而这种方法就是按值传递
class A {
 public:
  void f(std::string s) { v.push_back(std::move(s)); }
 private:
  std::vector<std::string> v;
};
  • C++98 中，按值传递一定是拷贝构造，但在 C++11 中，只在传入左值时拷贝，如果传入右值则移动
A a;
std::string s("hi");
a.f(s); // 以传左值的方式调用
a.f("hi"); // 以传右值的方式调用
  • 对比不同方法的开销，重载和模板的成本是，对左值一次拷贝，对右值一次移动（此外模板可以用转发实参直接构造，可能一次拷贝或移动都不要）。传值一定会对形参有一次拷贝（左值）或移动构造（右值），之后再移动进容器，因此对左值一次拷贝一次移动，对右值两次移动。对比之下，传值只多出了一次移动，虽然成本高一些，但极大避免了麻烦
  • 可拷贝的形参才考虑传值，因为 move-only 类型只需要一个处理右值类型的函数
class A {
 public:
  void f(std::unique_ptr<std::string>&& q) { p = std::move(q); }
 private:
  std::unique_ptr<std::string> p;
};
  • 如果使用传值，则同样的调用需要先移动构造形参，多出了一次移动
class A {
 public:
  void f(std::unique_ptr<std::string> q) { p = std::move(q); }
 private:
  std::unique_ptr<std::string> p;
};
  • 只有当移动成本低时，多出的一次移动才值得考虑，因此应该只对一定会被拷贝的形参传值
class A {
 public:
  void f(std::string s)
  {
    if (s.length() <= 15)
    { // 不满足条件则不添加，但多出了一次析构，不如直接传引用
      v.push_back(std::move(s));
    }
  }
 private:
  std::vector<std::string> v;
};
  • 之前的函数通过构造拷贝，如果通过赋值来拷贝，按值传递可能存在其他额外开销，这取决于很多方面，比如传入类型是否使用动态分配内存、使用动态分配内存时赋值运算符的实现、赋值目标和源对象的内存大小、是否使用 SSO
class A {
 public:
  explicit A(std::string x) : s(std::move(x)) {}
  void f(std::string x) { s = std::move(x); }
 private:
  std::string s;
};

std::string s("hello");
A a(s);

std::string x("hi");
a.f(x); // 额外的分配和回收成本，可能远高于 std::string 的移动成本
// 传引用则不会有此成本，因为现在 a.s 的长度比之前小

std::string y("hello world");
a.f(y); // a.s 比之前长，传值和传引用都有额外的分配和回收成本，开销区别不大
  • 还有一个与效率无关的问题，不同于按引用传递，按值传递容易遇见切片问题（the slicing problem）
class A {};
class B : public A {};
void f(A); // 接受 A 或 B
B b;
f(b); // 只能看到一个 A 而不是一个 B，B 的独有特征被切割掉

42 用 emplace 操作替代 insert 操作

template<class T, class Allocator = allocator<T>>
class vector {
 public:
  void push_back(const T& x);
  void push_back(T&& x);
};
  • 直接传入字面值时，会创建一个临时对象。使用 std::vector::emplace_back 则可以直接用传入的实参调用元素的构造函数，而不会创建任何临时对象
class A {
 public:
  A(int i) { std::cout << 1; }
  A(const A&) { std::cout << 2; }
  A(A&&) { std::cout << 3; }
  ~A() { std::cout << 4; }
};

std::vector<A> v;
v.push_back(1); // 134
// 先创建一个临时对象右值 A(1)
// 随后将临时对象传入 push_back，需要一次移动（不支持则拷贝）
// 最后析构临时对象

v.emplace_back(1); // 1：直接构造
  • 所有 insert 操作都有对应的 emplace 操作
push_back => emplace_back // std::list、std::deque、std::vector
push_front => emplace_front // std::list、std::deque、std::forward_list
insert_after => emplace_after // std::forward_list
insert => emplace // 除 std::forward_list、std::array 外的所有容器
insert => try_emplace// std:map、std::unordered_map
emplace_hint // 所有关联容器
  • 即使 insert 函数不需要创建临时对象，也可以用 emplace 函数替代，此时两者本质上做的是同样的事。因此 emplace 函数就能做到 insert 函数能做的所有事，有时甚至做得更好
std::vector<std::string> v;
std::string s("hi");
// 下面两个调用的效果相同
v.push_back(s);
v.emplace_back(s);
  • emplace 不一定比 insert 快。之前 emplace 添加元素到容器末尾，该位置不存在对象，因此新值会使用构造方式。但如果添加值到已有对象占据的位置，则会采用赋值的方式，于是必须创建一个临时对象作为移动的源对象，此时 emplace 并不会比 insert 高效
std::vector<std::string> v { "hhh", "iii" };
v.emplace(v.begin(), "hi"); // 创建一个临时对象后移动赋值
  • 对于 std::set 和 std::map，为了检查值是否已存在，emplace 会为新值创建一个 node，以便能与容器中已存在的 node 进行比较。如果值不存在，则将 node 链接到容器中。如果值已存在，emplace 就会中止，node 会被析构，这意味着构造和析构的成本被浪费了，此时 emplace 不如 insert 高效
#include <chrono>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <set>
#include <iomanip>

class A {
  int a, b, c;
 public:
  A(int _a, int _b, int _c) : a(_a), b(_b), c(_c) {}
  bool operator<(const A &other) const
  {
    if (a < other.a)  return true;
    if (a == other.a && b < other.b)  return true;
    return (a == other.a && b == other.b && c < other.c);
  }
};

constexpr int n = 100;

void set_emplace() {
  std::set<A> set;
  for (int i = 0; i < n; ++i)
    for (int j = 0; j < n; ++j)
      for (int k = 0; k < n; ++k) set.emplace(i, j, k);
}

void set_insert() {
  std::set<A> set;
  for (int i = 0; i < n; ++i)
    for (int j = 0; j < n; ++j)
      for (int k = 0; k < n; ++k) set.insert(A(i, j, k));
}

void test(std::function<void()> f)
{
  auto start = std::chrono::system_clock::now();
  f();
  auto stop = std::chrono::system_clock::now();
  std::chrono::duration<double, std::milli> time = stop - start;
  std::cout << std::fixed << std::setprecision(2) << time.count() << " ms" << '\n';
}

int main()
{
  test(set_insert);  // 7640.89 ms
  test(set_emplace); // 7662.36 ms
  test(set_insert);  // 7575.74 ms
  test(set_emplace); // 7661.48 ms
  test(set_insert);  // 7575.80 ms
  test(set_emplace); // 7664.50 ms
}

std::list<std::shared_ptr<A>> v;

void f(A*);
v.push_back(std::shared_ptr<A>(new A, f));
// 或者如下，意义相同
v.push_back({ new A, f });
  • 如果使用 emplace_back 会禁止创建临时对象。但这里临时对象带来的收益远超其成本。考虑如下可能发生的事件序列：
    • 创建一个 std::shared_ptr临时对象
    • push_back 以引用方式接受临时对象，分配内存时抛出了内存不足的异常
    • 异常传到 push_back 之外，临时对象被析构，于是删除器被调用，A 被释放
  • 即使发生异常，也没有资源泄露。push_back 的调用中，由 new 构造的 A 会在临时对象被析构时释放。如果使用的是 emplace_back，new 创建的原始指针被完美转发到 emplace_back 分配内存的执行点。如果内存分配失败，抛出内存不足的异常，异常传到 emplace_back 外，唯一可以获取堆上对象的原始指针丢失，于是就产生了资源泄漏
  • 实际上不应该把 new A 这样的表达式直接传递给函数，应该单独用一条语句来创建 std::shared_ptr 再将对象作为右值传递给函数
std::shared_ptr<A> p(new A, f);
v.push_back(std::move(p));
// emplace_back 的写法相同，此时两者开销区别不大
v.emplace_back(std::move(p));
  • emplace 函数在调用 explicit构造函数时存在一个隐患
std::vector<std::regex> v;
v.push_back(nullptr); // 编译出错
v.emplace_back(nullptr); // 能通过编译，运行时抛出异常，难以发现此问题

std::regex r = nullptr; // 错误
  • 而 emplace_back 直接传递实参给构造函数，这个行为在编译器看来等同于
std::regex r(nullptr); // 能编译但会引发异常，未定义行为
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