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C++中用賦值形式op=取代單獨形式op

編輯:關於C++

大多數程序員認為如果他們能這樣寫代碼:

x = x + y; x = x - y;

那他們也能這樣寫:

x += y; x -= y;

如果x和y是用戶定義的類型(user-defined type),就不能確保這樣。就C++來說,operator+、operator=和operator+=之間沒有任何關系,因此如果你想讓這三個operator同時存在並具有你所期望的關系,就必須自己實現它們。同理,operator -, *, /, 等等也一樣。

確保operator的賦值形式(assignment version)(例如operator+=)與一個operator的單獨形式(stand-alone)(例如 operator+ )之間存在正常的關系,一種好方法是後者(指operator+ 譯者注)根據前者(指operator+= 譯者注)來實現(參見條款6)。這很容易:

class Rational {
 public:
  ...
  Rational& operator+=(const Rational& rhs);
  Rational& operator-=(const Rational& rhs);
};
// operator+ 根據operator+=實現;
//有關為什麼返回值是const的解釋,
//參見Effective C++條款21 和 109頁 的有關實現的警告
const Rational operator+(const Rational& lhs,const Rational& rhs)
{
 return Rational(lhs) += rhs;
}
// operator- 根據 operator -= 來實現
const Rational operator-(const Rational& lhs,const Rational& rhs)
{
 return Rational(lhs) -= rhs;
}

在這個例子裡,從零開始實現operator+=和-=,而operator+ 和operator- 則是通過調用前述的函數來提供自己的功能。使用這種設計方法,只用維護operator的賦值形式就行了。而且如果假設operator賦值形式在類的public接口裡,這就不用讓operator的單獨形式成為類的友元(參見Effective C++ 條款19)。

如果你不介意把所有的operator的單獨形式放在全局域裡,那就可以使用模板來替代單獨形式的函數的編寫:

template<class T>
const T operator+(const T& lhs, const T& rhs)
{
 return T(lhs) += rhs; // 參見下面的討論
}
template<class T>
const T operator-(const T& lhs, const T& rhs)
{
 return T(lhs) -= rhs; // 參見下面的討論
}
...

使用這些模板,只要為operator賦值形式定義某種類型,一旦需要,其對應的operator單獨形式就會被自動生成。

這樣編寫確實不錯,但是到目前為止,我們還沒有考慮效率問題,效率畢竟是本章的主題。在這裡值得指出的是三個效率方面的問題。第一、總的來說operator的賦值形式比其單獨形式效率更高,因為單獨形式要返回一個新對象,從而在臨時對象的構造和釋放上有一些開銷。operator的賦值形式把結果寫到左邊的參數裡,因此不需要生成臨時對象來容納operator的返回值。

第二、提供operator的賦值形式的同時也要提供其標准形式,允許類的客戶端在便利與效率上做出折衷選擇。也就是說,客戶端可以決定是這樣編寫:

Rational a, b, c, d, result;
...
result = a + b + c + d; // 可能用了3個臨時對象
// 每個operator+ 調用使用1個

還是這樣編寫:

result = a; //不用臨時對象
result += b; // 不用臨時對象
result += c; //不用臨時對象
result += d; //不用臨時對象

前者比較容易編寫、debug和維護,並且在80%的時間裡它的性能是可以被接受的(參見條款16)。後者具有更高的效率,估計這對於匯編語言程序員來說會更直觀一些。通過提供兩種方案,你可以讓客戶端開發人員用更容易閱讀的單獨形式的operator來開發和debug代碼,同時保留用效率更高的operator賦值形式替代單獨形式的權力。而且根據operator的賦值形式實現其單獨形式,這樣你能確保當客戶端從一種形式切換到另一種形式時,操作的語義可以保持不變。

最後一點,涉及到operator單獨形式的實現。再看看operator+ 的實現:

template<class T>
const T operator+(const T& lhs, const T& rhs)
{ return T(lhs) += rhs; }

表達式T(lhs)調用了T的拷貝構造函數。它建立一個臨時對象,其值與lhs一樣。這個臨時對象用來與rhs一起調用operator+= ,操作的結果被從operator+.返回。這個代碼好像不用寫得這麼隱密。這樣寫不是更好麼?

template<class T>
const T operator+(const T& lhs, const T& rhs)
{
 T result(lhs); // 拷貝lhs 到 result中
 return result += rhs; // rhs與它相加並返回結果
}

這個模板幾乎與前面的程序相同,但是它們之間還是存在重要的差別。第二個模板包含一個命名對象,result。這個命名對象意味著不能在operator+ 裡使用返回值優化(參見條款20)。第一種實現方法總可以使用返回值優化,所以編譯器為其生成優化代碼的可能就會更大。

廣告中的事實迫使我指出表達式:

return T(lhs) += rhs;

比大多數編譯器希望進行的返回值優化更復雜。上面第一個函數實現也有這樣的臨時對象開銷,就象你為使用命名對象result而耗費的開銷一樣。然而未命名的對象在歷史上比命名對象更容易清除,因此當我們面對在命名對象和臨時對象間進行選擇時,用臨時對象更好一些。它使你耗費的開銷不會比命名的對象還多,特別是使用老編譯器時,它的耗費會更少。

這裡談論的命名對象、未命名對象和編譯優化是很有趣的,但是主要的一點是operator的賦值形式(operator+=)比單獨形式(operator+)效率更高。做為一個庫程序設計者,應該兩者都提供,做為一個應用程序的開發者,在優先考慮性能時你應該考慮考慮用operator賦值形式代替單獨形式。

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