C++非性能相关特性及应用探讨

# C++非性能相关特性及应用探讨 ## 1. C++非性能相关特性概述 在C++与其他编程语言的讨论中，有人认为只有在对性能有高要求时才应使用C++，否则手动内存管理会增加代码复杂度，可能导致内存泄漏和难以追踪的错误。但现代C++程序员可借助标准模板库（STL）中的容器和智能指针类型，减少手动内存管理。以下将介绍C++两个易被忽视的强大特性：值语义和常量正确性。 ### 1.1 值语义 C++支持值语义和引用语义。值语义允许按值传递对象，而非仅传递对象引用，且值语义是C++的默认行为。当传递类或结构体实例时，其行为与传递基本类型（如int、float）相同；若要使用引用语义，则需显式使用引用或指针。 C++类型系统能明确对象所有权。以下是C++和Java中简单类的实现对比： ```cpp // C++ class Bagel { public: Bagel(const std::set<std::string>& ts) : toppings_(ts) {} private: std::set<std::string> toppings_; }; ``` ```java // Java class Bagel { public Bagel(ArrayList<String> ts) { toppings_ = ts; } private ArrayList<String> toppings_; } ``` 在C++版本中，程序员表明配料被Bagel类完全封装；若想让多个Bagel共享配料列表，可声明为`std::shared_ptr`（多个Bagel共享所有权）或`std::weak_ptr`（由其他对象拥有并在程序执行时修改）。而在Java中，对象间通过共享所有权相互引用，无法区分配料列表是否被多个Bagel共享，或是否由其他地方处理。 以下是具体函数对比： | 语言 | 代码示例 | 说明 | | ---- | ---- | ---- | | C++ | ```cpp<br>auto t = std::set<std::string>{};<br>t.insert("salt");<br>auto a = Bagel{t};<br>t.insert("pepper");<br>auto b = Bagel{t};<br>t.insert("oregano");<br>``` | 多个Bagel不共享配料 | | Java | ```java<br>TreeSet<String> t = new TreeSet<String>();<br>t.add("salt");<br>Bagel a = new Bagel(t);<br>t.add("pepper");<br>Bagel b = new Bagel(t);<br>toppings.add("oregano");<br>``` | 多个Bagel共享配料 | ### 1.2 常量正确性 C++具备编写常量正确代码的能力，这是Java等许多语言所缺乏的。常量正确性指类的每个成员函数签名能明确告知调用者对象是否会被修改；若调用者尝试修改声明为const的对象，代码将无法编译。 以下是使用常量成员函数防止对象意外修改的示例： ```cpp class Person { public: auto age() const { return age_; } auto set_age(int age) { age_ = age; } private: int age_{}; }; class Team { public: auto& leader() const { return leader_; } auto& leader() { return leader_; } private: Person leader_{}; }; auto nonmutating_func(const std::vector<Team>& teams) { auto tot_age = int{0}; for (const auto& team: teams) tot_age += team.leader().age(); for (auto& team: teams) team.leader().set_age(20); // 编译失败 } auto mutating_func(std::vector<Team>& teams) { auto tot_age = int{0}; for (const auto& team: teams) tot_age += team.leader().age(); for (auto& team: teams) team.leader().set_age(20); // 编译成功 } ``` 在`nonmutating_func`中，参数`teams`被声明为const，尝试修改会导致编译失败；而在`mutating_func`中，移除了const声明，可对`teams`进行修改。 ### 1.3 对象所有权和垃圾回收 除极少数情况外，C++程序员应将内存管理交给容器和智能指针，避免手动内存管理。理论上，可使用`std::shared_ptr`在C++中模拟Java的垃圾回收模型，但`std::shared_ptr`基于引用计数算法，若对象存在循环依赖会导致内存泄漏；而支持垃圾回收的语言有更复杂的方法处理循环依赖对象。 强制严格的所有权可避免因默认共享对象而产生的微妙错误。减少C++中的共享所有权，可使代码更易用且更难被滥用。 ### 1.4 避免使用空对象 C++中的引用概念与Java不同。C++引用本质上是指针，但不允许为空或重新指向其他对象，传递引用给函数时不涉及复制操作。 C++函数签名可明确限制程序员传递空对象作为参数，而Java程序员需使用文档或注解来表明非空参数。以下是Java和C++中计算球体体积的函数示例： ```java // Java float getVolume1(Sphere s) { float cube = Math.pow(s.radius(), 3); return (Math.PI * 4 / 3) * cube; } float getVolume2(Sphere s) { float rad = a == null ? 0.0f : s.radius(); float cube = Math.pow(rad, 3); return (Math.PI * 4 / 3) * cube; } ``` ```cpp // C++ auto get_volume1(const Sphere& s) { auto cube = std::pow(s.radius(), 3); auto pi = 3.14f; return (pi * 4 / 3) * cube; } auto get_volume2(const Sphere* s) { auto rad = s ? s->radius() : 0.0f; auto cube = std::pow(rad, 3); auto pi = 3.14f; return (pi * 4 / 3) * cube; } ``` 在C++中，使用引用作为参数表示不允许空值，使用指针作为参数表示会处理空对象；而在Java中，调用者需检查函数实现才能确定是否允许空对象。 ### 1.5 C++的缺点 C++学习曲线较陡，有更多概念需要学习，正确且充分利用其潜力有一定难度。其主要缺点包括： - 编译时间长：依赖过时的导入系统，导入的头文件直接粘贴到包含它们的文件中。目前，基于模块的现代导入系统正在标准化，但在标准化版本可用之前，项目管理仍很繁琐。 - 手动处理复杂：依赖手动处理前向声明、头文件/源文件，导入库的过程复杂。 - 库支持不足：与其他语言相比，C++仅提供基本的算法、线程和文件系统处理（C++17起），其他功能需依赖外部库。 尽管存在这些缺点，但如果使用得当，C++的健壮性使其适合大型项目，即使性能不是最高优先级。 ### 1.6 类接口和异常 在深入探讨C++高性能概念之前，需强调编写C++代码时不应妥协的一些概念。 #### 1.6.1 严格的类接口 编写类时，应通过暴露严格接口让用户无需处理类的内部状态。在C++中，类的复制语义是接口的一部分，也应尽可能严格。 类应要么进行深拷贝，要么在复制时编译失败，复制类不应产生副作用（如复制后的类可修改原始类）。以下是一个示例： ```cpp class Engine { public: auto set_oil_amount(float v) { oil_ = v; } auto get_oil_amount() const { return oil_; } private: float oil_{}; }; class YamahaEngine : public Engine { //... }; // 接口松散的Boat类 class Boat { public: Boat(std::shared_ptr<Engine> e, float l) : engine_{e} , length_{l} {} auto set_length(float l) { length_ = l; } auto& get_engine() { return engine_; } private: std::shared_ptr<Engine> engine_; float length_{}; }; // 接口严格的Boat类 class Boat { private: Boat(const Boat& b) = delete; // Noncopyable auto operator=(const Boat& b) -> Boat& = delete; // Noncopyable public: Boat(std::shared_ptr<Engine> e, float l) : engine_{e}, length_{l} {} auto set_length(float l) { length_ = l; } auto& get_engine() { return engine_; } private: float length_{}; std::shared_ptr<Engine> engine_; }; ``` 在接口松散的`Boat`类中，复制`Boat`对象可能导致意外修改；而在接口严格的`Boat`类中，禁止复制，避免了此类问题。 #### 1.6.2 错误处理和资源获取 不同C++代码库中异常的使用方式多样，这是因为不同应用在处理运行时错误时有不同需求。对于一些关键应用（如起搏器、电厂控制系统），需处理所有可能的异常情况，保持应用运行；而在大多数应用中，可保存当前状态并优雅退出。 异常应因环境因素（如内存不足、磁盘空间不足）抛出，不应作为错误代码的逃逸途径或信号系统。 ### 1.6.3 保存有效状态 考虑以下示例，若`branches_ = ot.branches_`操作因内存不足抛出异常，`tree0`将处于无效状态： ```cpp struct Leaf { /* ... */ }; struct Branch { /* ... */ }; class OakTree { public: auto& operator=(const OakTree& other) { leafs_ = other.leafs_; branches_ = other.branches_; *this; } std::vector<Leaf> leafs_; std::vector<Branch> branches_; }; auto save_to_disk(const std::vector<OakTree>& trees) { // Persist all trees ... } auto oaktree_func() { auto tree0 = OakTree{std::vector<Leaf>{1000}, std::vector<Branch>{100}}; auto tree1 = OakTree{std::vector<Leaf>{50}, std::vector<Branch>{5}} try { tree0 = tree1; } catch(const std::exception& e) { // tree0 might be broken save_to_disk({tree0, tree1}); } } ``` 可使用“复制并交换”（copy-and-swap）惯用法解决此问题： ```cpp class OakTree { public: auto& operator=(const OakTree& other) { auto leafs = other.leafs_; auto branches = other.branches_; std::swap(leads_, leafs); std::swap(branches_, branches); return *this; } std::vector<Leaf> leafs_; std::vector<Branch> branches_; }; ``` 先创建局部副本，在不修改对象状态的情况下执行可能抛出异常的操作，再使用非抛出的交换函数修改对象状态。 ### 1.6.4 资源获取 C++对象的析构是可预测的，能完全控制资源释放的时间和顺序。以下示例中，`std::lock_guard`在退出作用域时会自动释放互斥锁： ```cpp auto func(std::mutex& m, int val, bool b) { auto guard = std::lock_guard<std::mutex>{m}; // The mutex is locked if (b) { // The guard automatically releases the mutex at early exit return; } if (val == 313) { // The guard automatically releases if an exception is thrown throw std::exception{}; } // The guard automatically releases the mutex at function exit } ``` ### 1.6.5 异常与错误码 2000年代中期，在C++中使用异常会对性能产生负面影响，即使异常未被抛出；性能关键代码常使用错误码返回值表示异常。但在现代C++编译器中，异常仅在抛出时影响性能。考虑到抛出异常情况较少，可在性能关键系统中安全使用异常，享受其带来的优势。 ### 1.6.6 库的使用 C++提供的库有限，常需依赖外部库。最常用的C++库可能是Boost库（http://www.boost.org），为减少使用库的数量，可使用Boost库进行硬件相关优化（如SIMD和GPU）。 在标准C++库不足时，可使用Boost库；许多即将纳入C++标准的部分在Boost中已可用（如filesystem、any、optional和variant）。仅使用Boost库的头文件部分，使用时只需包含指定头文件，无需特定的构建设置。 综上所述，C++虽有缺点，但在编写代码时遵循严格的类接口、正确处理异常和资源获取等原则，能发挥其健壮性优势，适用于大型项目。 ```mermaid graph LR A[C++特性] --> B[值语义] A --> C[常量正确性] A --> D[对象所有权和垃圾回收] A --> E[避免空对象] A --> F[类接口和异常] B --> B1[明确对象所有权] B --> B2[避免共享对象问题] C --> C1[防止对象意外修改] D --> D1[使用容器和智能指针] D --> D2[避免循环依赖问题] E --> E1[函数签名限制空对象] F --> F1[严格类接口] F --> F2[错误处理和资源获取] F1 --> F11[深拷贝或禁止复制] F2 --> F21[保存有效状态] F2 --> F22[资源获取可预测] F2 --> F23[异常与错误码选择] ``` 以上是C++非性能相关特性及应用的详细介绍，希望能帮助你更好地理解和使用C++。 ## 2. 总结与实际应用建议 ### 2.1 特性总结 为了更清晰地对比C++与其他语言在这些特性上的差异，我们可以通过以下表格进行总结： | 特性 | C++ | 其他语言（以Java为例） | | ---- | ---- | ---- | | 值语义 | 默认按值传递对象，可明确对象所有权，避免共享对象带来的潜在问题 | 对象默认通过共享所有权相互引用，难以区分配料列表等是否共享 | | 常量正确性 | 能编写常量正确代码，成员函数签名明确告知对象是否会被修改，修改const对象会编译失败 | 缺乏此特性 | | 对象所有权和垃圾回收 | 可使用容器和智能指针管理内存，强制严格所有权可避免微妙错误，但`std::shared_ptr`有循环依赖问题 | 有垃圾回收机制，能处理循环依赖对象 | | 避免空对象 | 函数签名可明确限制传递空对象，引用不允许为空或重新指向 | 需使用文档或注解表明非空参数 | | 类接口 | 强调严格的类接口，复制语义应严格，可避免复制副作用 | 没有如此严格的要求 | | 异常处理 | 现代编译器中异常仅在抛出时影响性能，可使用“复制并交换”惯用法保存有效状态 | 异常处理方式多样，但缺乏C++的一些处理技巧 | ### 2.2 实际应用建议 在实际应用中，我们可以根据不同的场景充分利用C++的这些特性： - **性能关键系统**：尽管C++有编译时间长等缺点，但由于现代编译器对异常的优化，在性能关键系统中，若异常抛出情况较少，可放心使用异常处理，同时利用值语义和常量正确性确保代码的健壮性。 - **大型项目开发**：在大型项目中，严格的类接口和明确的对象所有权能让代码更易于维护和扩展。例如，在开发一个复杂的游戏引擎时，使用严格的类接口可以避免不同模块之间的意外干扰。 - **资源管理**：利用C++对象析构的可预测性进行资源管理，如使用`std::lock_guard`管理互斥锁，可避免资源泄漏问题。 ### 2.3 代码示例整合 为了更直观地展示如何在实际代码中运用这些特性，我们可以将之前的代码示例进行整合： ```cpp // 值语义示例 class Bagel { public: Bagel(const std::set<std::string>& ts) : toppings_(ts) {} private: std::set<std::string> toppings_; }; // 常量正确性示例 class Person { public: auto age() const { return age_; } auto set_age(int age) { age_ = age; } private: int age_{}; }; class Team { public: auto& leader() const { return leader_; } auto& leader() { return leader_; } private: Person leader_{}; }; // 避免空对象示例 class Sphere { public: float radius() const { return 1.0f; } // 示例半径 }; auto get_volume1(const Sphere& s) { auto cube = std::pow(s.radius(), 3); auto pi = 3.14f; return (pi * 4 / 3) * cube; } auto get_volume2(const Sphere* s) { auto rad = s ? s->radius() : 0.0f; auto cube = std::pow(rad, 3); auto pi = 3.14f; return (pi * 4 / 3) * cube; } // 严格类接口示例 class Engine { public: auto set_oil_amount(float v) { oil_ = v; } auto get_oil_amount() const { return oil_; } private: float oil_{}; }; class YamahaEngine : public Engine { //... }; class Boat { private: Boat(const Boat& b) = delete; // Noncopyable auto operator=(const Boat& b) -> Boat& = delete; // Noncopyable public: Boat(std::shared_ptr<Engine> e, float l) : engine_{e}, length_{l} {} auto set_length(float l) { length_ = l; } auto& get_engine() { return engine_; } private: float length_{}; std::shared_ptr<Engine> engine_; }; // 异常处理示例 struct Leaf { /* ... */ }; struct Branch { /* ... */ }; class OakTree { public: auto& operator=(const OakTree& other) { auto leafs = other.leafs_; auto branches = other.branches_; std::swap(leafs_, leafs); std::swap(branches_, branches); return *this; } std::vector<Leaf> leafs_; std::vector<Branch> branches_; }; auto save_to_disk(const std::vector<OakTree>& trees) { // Persist all trees ... } auto oaktree_func() { auto tree0 = OakTree{std::vector<Leaf>{1000}, std::vector<Branch>{100}}; auto tree1 = OakTree{std::vector<Leaf>{50}, std::vector<Branch>{5}}; try { tree0 = tree1; } catch(const std::exception& e) { // tree0 might be broken save_to_disk({tree0, tree1}); } } // 资源管理示例 #include <mutex> auto func(std::mutex& m, int val, bool b) { auto guard = std::lock_guard<std::mutex>{m}; // The mutex is locked if (b) { // The guard automatically releases the mutex at early exit return; } if (val == 313) { // The guard automatically releases if an exception is thrown throw std::exception{}; } // The guard automatically releases the mutex at function exit } ``` ### 2.4 操作步骤总结 在实际使用C++这些特性时，可以遵循以下操作步骤： 1. **设计类时**： - 考虑类的复制语义，确保类要么进行深拷贝，要么禁止复制，避免复制副作用。 - 明确对象所有权，使用值语义或智能指针来管理对象。 - 为类的成员函数添加const修饰符，确保常量正确性。 2. **处理异常时**： - 使用“复制并交换”惯用法保存对象的有效状态。 - 在性能关键系统中，根据异常抛出的频率决定是否使用异常处理。 3. **资源管理时**： - 使用容器和智能指针管理内存，避免手动内存管理。 - 利用C++对象析构的可预测性，使用如`std::lock_guard`等工具管理资源。 4. **避免空对象时**： - 在函数签名中使用引用或指针明确是否允许空对象。 ```mermaid graph LR A[C++实际应用] --> B[设计类] A --> C[处理异常] A --> D[资源管理] A --> E[避免空对象] B --> B1[考虑复制语义] B --> B2[明确对象所有权] B --> B3[确保常量正确性] C --> C1[使用复制并交换惯用法] C --> C2[根据异常频率选择处理方式] D --> D1[使用容器和智能指针] D --> D2[利用析构可预测性] E --> E1[函数签名明确空对象情况] ``` 通过以上对C++非性能相关特性的详细介绍和实际应用建议，我们可以看到，虽然C++有一定的学习曲线和缺点，但只要正确使用这些特性，它在代码健壮性和可维护性方面具有很大的优势，适合用于各种大型项目的开发。希望这些内容能帮助你更好地掌握和运用C++。