C++11在时空性能方面的改进

C++11在时空性能方面的改进

这篇我们聊聊C++11在时间和空间上的改进点；
主要包括以下方面：
新增的高效容器：array、forward_list以及unordered containers；
以及常量表达式、静态断言和move语义；

大小固定容器 array

std::array是一个支持随机访问且大小（size）固定的容器，它是c++11中新增的容器。它有如下特点：

• 不预留多余空间，只分配必须空间（译注：size() == capacity()）。
• 可以使用初始化表（initializer list）的方式进行初始化。
• 保存了自己的size信息。
• 不支持隐式指针类型转换。

可以认为它是一个很不错的内建数组类型。示例：

array<int,6> a = { 1, 2, 3 };
a[3]=4;
int x = a[5];    // array的默认数据元素为0，所以x的值变成0
int* p1 = a; // 错误: std::array不能隐式地转换为指针
int* p2 = a.data(); // 正确，data()得到指向第一个元素的指针

可以认为array是一个紧缩版的vector，它比vector高效（没有自动空间分配），但缺少了push_back这样的神器，使得它的使用场景一般是用来替换c++内建的数组类型，而不是vector；

前向列表 forward_list

c++11新增的容器：前向列表 forward_list

前向列表是一个能够在任意位置快速插入和删除的容器（列表都这特性，前向列表当然也具有这特性），但不支持快速随机存取。

它是用单向链表实现的，相比较于它的C实现而言没有什么额外开销。相较于std::list而言，此容器耗费的空间更少，因为它是单向的，不是双向的。

std::forward_list<int> mylist (3,5);   // 3 ints with value 5
for (int& x : mylist ) std::cout << " " << x;

哈希表[无序容器] unordered containers

hash容器在很多之前的编译器中就包含进来了；比如gcc 较早的版本中，它存在于tr1命名空间中；

以unordered_map为例，unordered_map基于散列表实现，元素之间无序存储；

而map基于红黑树实现，元素之间有序（通过operator< 进行比较）；

hash版本的查找时间复杂度为O(1),在数据量很大时，比红黑树的版本效率高很多；

对比在C++11中和之前使用上的区别：

// c++0x中：
#include <tr1/unordered_map>
std::tr1:: unordered_map< char,int >  map1;
map1.insert(std::pair<char,int>('a',100) );

// C++11中：
#include <unordered_map>
std::unordered_map< char,int >  map1;
map1.insert(std::pair<char,int>('a',100) );

常量表达式 constexpr

编译期计算（Compile-time evaluation）：常量表达式

在程序中，有些计算是与运行时无关的；每次执行都是相同的结果；

常量表达式允许让这些计算发生在编译时，而不是在运行时；

这样利用编译时的计算能力，将显著提升程序执行时的效果；

eg:对函数申明为constexpr

constexpr int multiply (int x, int y)
{
    return x * y;
}

// 将在编译时计算
const int val = multiply( 10, 10 );
cin >> x;
// 由于输入参数x只有在运行时确定，所以以下这个不会在编译时计算，但执行没问题
const int val2 = mutliply（x,x);

静态断言 static_assert

static_assert提供一个编译时的断言检查。如果断言为真，什么也不会发生。如果断言为假，编译器会打印一个特殊的错误信息。由于是在编译期间执行的，所以它不会影响运行时的性能；

expression在编译期进行求值，当结果为false（即：断言失败）时，将string作为错误消息输出。例如：

static_assert(sizeof(long) >= 8,
   “64-bit code generation required for this library.”);
struct S { X m1; Y m2; };
static_assert(sizeof(S)==sizeof(X)+sizeof(Y), ”unexpected padding in S”);

static_assert在判断代码的编译环境方面十分有用，比如判断当前编译环境是否64位。但需要注意的是，由于static_assert在编译期进行求值，它不能对那些依赖于运行期计算的值的进行检验。例如：

int f(int* p, int n)
{
      //错误：表达式“p == 0”不是一个常量表达式
      static_assert(p == 0,
          “p is not null”);
}

正确的做法是在运行期进行判断，假如条件不成立则抛出异常；

下面这段代码原本期望只做用于整数类型。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
return t1 + t2;
}

但是如果有人写出如下代码，编译器并不会报错

std::cout << add(1, 3.14) << std::endl;
std::cout << add("one", 2) << std::endl;

程序会打印出4.14和”e”。但是如果我们加上编译时断言，那么以上两行将产生编译错误。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
   static_assert(std::is_integral<T1>::value, "Type T1 must be integral");
   static_assert(std::is_integral<T2>::value, "Type T2 must be integral");

   return t1 + t2;
}

error C2338: Type T2 must be integral
see reference to function template instantiation 'T2 add<int,double>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T2=double,
      T1=int
   ]
error C2338: Type T1 must be integral
see reference to function template instantiation 'T1 add<const char*,int>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T1=const char *,
      T2=int
   ]

move语义和右值引用

move语义和右值介绍

左值就是一个有名字的对象，而右值则是一个无名对象（临时对象）。move语义允许修改右值（以前右值被看作是不可修改的，等同于const T&类型）。

void incr(int& a) { ++a; }
int i = 0;
incr(i);    // i变为1
//错误：0不是一个左值
incr(0);
// 0不是左值，无法直接绑定到非const引用：int&。
// 假如可行，那么在调用时，将会产生一个值为0的临时变量，
// 用于绑定到int&中，但这个临时变量将在函数返回时被销毁，
// 因而，对于它的任何更改都是没有意义的，
// 所以编译器拒绝将临时变量绑定到非const引用，但对于const的引用，
// 则是可行的
”&&”表示“右值引用”。右值引用可以绑定到右值（但不能绑定到左值）：

X a;
X f();
X& r1 = a;        // 将r1绑定到a(一个左值)
X& r2 = f();    // 错误：f()的返回值是右值，无法绑定
X&& rr1 = f();    // OK：将rr1绑定到临时变量
X&& rr2 = a;    // 错误：不能将右值引用rr2绑定到左值a

考虑如下函数：

template<class T> swap(T& a, T& b) // 老式的swap函数
    {
        T tmp(a);// 现在有两份"a"
        a = b;      // 现在有两份"b"
        b = tmp;    // 现在有两份tmp(值同a)
    }

如果T是一个拷贝代价相当高昂的类型，例如string和vector，那么上述swap()操作也将煞费气力；我们的初衷其实并不是为了把这些变量拷来拷去，我是仅仅想将变量a,b,tmp的值做一个“移动”（即通过tmp来交换a,b的值）。

移动赋值操作背后的思想是，“赋值”不一定要通过“拷贝”来做，还可以通过把源对象简单地“偷换”给目标对象来实现。例如对于表达式s1=s2，我们可以不从s2逐字拷贝，而是直接让s1“侵占”s2内部的数据存储；

我们可以通过move()操作符来实现源对象的“移动”：

template <class T>
void swap(T& a, T& b)  //“完美swap”（大多数情况下）
{
      T tmp = move(a);  // 变量a现在失效（译注：内部数据被move到tmp中了）
      a = move(b);      // 变量b现在失效（译注：内部数据被move到a中了，变量a现在“满血复活”了）
      b = move(tmp);    // 变量tmp现在失效（译注：内部数据被move到b中了，变量b现在“满血复活”了）
}

move(x) 意味着“你可以把x当做一个右值”，把move()改名为rval()或许会更好，但是事到如今，move()已经使用很多年了。在C++11中，move()模板函数以及右值引用被正式引入。

将拷贝改进成移动操作，减少创建不必要的对象，节省了对象的空间分配消耗和构造析构的调用；

move对算法中的改进

基于move的std::sort()和std::set::insert()要比基于copy的对应版本快15倍以上。不过它对标准库中已有操作的性能改善不多，因为它们的实现中已经使用了类似的方法进行优化了（例如string，vector使用了调优过的swap操作来代替copy了）。当然如果你自己的代码中包含了move操作的话，就能自动从新标准库中获益了。

move对容器的改进

在C++11的标准库中，所有的容器都提供了移动构造函数和移动赋值操作符，那些插入新元素的操作，如insert()和push_back(), 也都有了可以接受右值引用的版本。最终的结果是，在没有用户干预的情况下，标准容器和算法的性能都提升了，而这些都应归功于拷贝操作的减少。

以vector为例，定义“移动构造函数(move constructors)”和“移动赋值操作符(move assignments”来“移动”而非复制它们的参数：

template<class T> class vector {
        // …
        vector(const vector&);  // 拷贝构造函数
        vector(vector&&);   // 移动构造函数
        vector& operator= (const vector&); // 拷贝赋值函数
        vector& operator =(vector&&);  // 移动赋值函数
}; //注意：移动构造函数和移动赋值操作符接受
// 非const的右值引用参数，而且通常会对传入的右值引用参数作修改

容器新增了move版的构造和赋值函数后，它最重要的内涵就是允许我们高效的从函数中返回一个容器：

vector<int> make_random(int n)
        {
            vector<int> ref(n);
            // 产生0-255之间的随机数
                for(auto x& : ref) x = rand_int(0,255);

                return ref;
        }

        vector<int> v = make_random(10000);
        for (auto x : make_random(1000000)) cout << x << '\n';

上边代码的关键点是vector没有被拷贝操作(vector ref的内存空间不会在函数返回时被stack自动回收了，move assignment通过右值引用精巧的搞定了这个问题)。对比我们现在的两种惯用法：在自由存储区来分配vector的空间，我们得负担上内存管理的问题了；通过参数传进已经分配好空间的vector，我们得要写不太美观的代码了。

原地安置操作 Emplace operations

在大多数情况下，push_back()使用移动构造函数（而不是拷贝构造函数）来保证它更有效率，不过在极端情况下我们可以走的更远。为何一定要进行拷贝/移动操作？为什么不能在vector中分配好空间，然后直接在这个空间上构造我们需要的对象呢？做这种事儿的操作被叫做”原地安置”（emplace，含义是：putting in place）。

举一个emplace_back()的例子：

vector<pair<string,int>> vp;
string s;
int i;
while(cin>>s>>i) vp.emplace_back(s,i);

emplace_back()接受了可变参数模板变量并通过它来构造所需类型。至于emplace_back()是否比push_back()更有效率，取决于它和可变参数模板的具体实现。如果你认为这是一个重要的问题，那就实际测试一下。否则，就从美感上来选择它们吧。

参考

http://www.stroustrup.com/C++11FAQ.html

https://www.chenlq.net/books/cpp11-faq

Posted by: 大CC | 07SEP,2015

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