Соображения эффективности A

В общем случае объект класса эффективнее передавать функции по указателю или по ссылке, нежели по значению. Например, если дана функция с сигнатурой:

bool sufficient_funds( Account acct, double );

то при каждом ее вызове требуется выполнить почленную инициализацию формального параметра acct значением фактического аргумента-объекта класса Account. Если же функция имеет любую из таких сигнатур:

bool sufficient_funds( Account *pacct, double );

bool sufficient_funds( Account & acct, double );

то достаточно скопировать адрес объекта Account. В этом случае никакой инициализации класса не происходит (см. обсуждение взаимосвязи между ссылочными и указательными параметрами в разделе 7.3).

Хотя возвращать указатель или ссылку на объект класса также более эффективно, чем сам объект, но корректно запрограммировать это достаточно сложно. Рассмотрим такой оператор сложения:

// задача решается, но для больших матриц эффективность может // оказаться неприемлемо низкой Matrix operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 ) { Matrix result; // выполнить арифметические операции... return result;

}

Этот перегруженный оператор позволяет пользователю писать

Matrix a, b; //...   // в обоих случаях вызывается operator+() Matrix c = a + b;

a = b + c;

Однако возврат результата по значению может потребовать слишком больших затрат времени и памяти, если Matrix представляет собой большой и сложный класс. Если эта операция выполняется часто, то она, вероятно, резко снизит производительность.

Следующая пересмотренная реализация намного увеличивает скорость:

// более эффективно, но после возврата адрес оказывается недействительным // это может привести к краху программы Matrix& operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 ) { Matrix result; // выполнить сложение... return result;

}

но при этом происходят частые сбои программы. Дело в том, что значение переменной result не определено после выхода из функции, в которой она объявлена. (Мы возвращаем ссылку на локальный объект, который после возврата не существует.)

Значение возвращаемого адреса должно оставаться действительным после выхода из функции. В приведенной реализации возвращаемый адрес не затирается:

// нет возможности гарантировать отсутствие утечки памяти // поскольку матрица может быть большой, утечки будут весьма заметными Matrix& operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 ) { Matrix *result = new Matrix; // выполнить сложение... return *result;

}

Однако это неприемлемо: происходит большая утечка памяти, так как ни одна из частей программы не отвечает за применение оператора delete к объекту по окончании его использования.

Вместо оператора сложения лучше применять именованную функцию, которой в качестве третьего параметра передается ссылка, где следует сохранить результат:

// это обеспечивает нужную эффективность, // но не является интуитивно понятным для пользователя void mat_add( Matrix & result,     const Matrix& m1, const Matrix& m3 ) { // вычислить результат

}

Таким образом, проблема производительности решается, но для класса уже нельзя использовать операторный синтаксис, так что теряется возможность инициализировать объекты

// более не поддерживается

Matrix c = a + b;

и использовать их в выражениях:

// тоже не поддерживается

if ( a + b > c )...

Неэффективный возврат объекта класса – слабое место С++. В качестве одного из решений предлагалось расширить язык, введя имя возвращаемого функцией объекта:

Matrix& operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 ) name result { Matrix result; //... return result;

}

Тогда компилятор мог бы самостоятельно переписать функцию, добавив к ней третий параметр-ссылку:

// переписанная компилятором функция // в случае принятия предлагавшегося расширения языка void operator+( Matrix & result, const Matrix& m1, const Matrix& m2 ) name result { // вычислить результат

}

и преобразовать все вызовы этой функции, разместив результат непосредственно в области, на которую ссылается первый параметр. Например:

Matrix c = a + b;

было бы трансформировано в

Matrix c;

operator+(c, a, b);

Это расширение так и не стало частью языка, но предложенная оптимизация прижилась. Компилятор в состоянии распознать, что возвращается объект класса и выполнить трансформацию его значения и без явного расширения языка. Если дана функция общего вида:

classType functionName( paramList ) { classType namedResult; // выполнить какие-то действия... return namedResult;

}

то компилятор самостоятельно трансформирует как саму функцию, так и все обращения к ней:

void functionName( classType & namedResult, paramList ) { // вычислить результат и разместить его по адресу namedResult

}

что позволяет уйти от необходимости возвращать значение объекта и вызывать копирующий конструктор. Чтобы такая оптимизация была применена, в каждой точке возврата из функции должен возвращаться один и тот же именованный объект класса.

И последнее замечание об эффективности работы с объектами в C++. Инициализация объекта класса вида

Matrix c = a + b;

всегда эффективнее присваивания. Например, результат следующих двух инструкций такой же, как и в предыдущем случае:

Matrix c;

c = a + b;

но объем требуемых вычислений значительно больше. Аналогично эффективнее писать:

for ( int ix = 0; ix < size-2; ++ix ) { Matrix matSum = mat[ix] + mat[ix+1]; //...

}

чем

Matrix matSum; for ( int ix = 0; ix < size-2; ++ix ) { matSum = mat[ix] + mat[ix+1]; //...

}

Причина, по которой присваивание всегда менее эффективно, состоит в том, что возвращенный локальный объект нельзя подставить вместо объекта в левой части оператора присваивания. Иными словами, в то время как инструкцию

Point3d p3 = operator+( p1, p2 );

можно безопасно трансформировать:

// Псевдокод на C++ Point3d p3;

operator+( p3, p1, p2 );

преобразование

Point3d p3;

p3 = operator+( p1, p2 );

в

// Псевдокод на C++ // небезопасно в случае присваивания

operator+( p3, p1, p2 );

небезопасно.

Преобразованная функция требует, чтобы переданный ей объект представлял собой неформатированную область памяти. Почему? Потому что к объекту сразу применяется конструктор, который уже был применен к именованному локальному объекту. Если переданный объект уже был сконструирован, то делать это еще раз с семантической точки зрения неверно.

Что касается инициализируемого объекта, то отведенная под него память еще не подвергалась обработке. Если же объекту присваивается значение и в классе объявлены конструкторы (а именно этот случай мы и рассматриваем), можно утверждать, что эта память уже форматировалась одним из них, так что непосредственно передавать объект функции небезопасно.

Вместо этого компилятор должен создать неформатированную область памяти в виде временного объекта класса, передать его функции, а затем почленно присвоить возвращенный временный объект объекту, стоящему в левой части оператора присваивания. Наконец, если у класса есть деструктор, то он применяется к временному объекту. Например, следующий фрагмент

Point3d p3;

p3 = operator+( p1, p2 );

трансформируется в такой:

// Псевдокод на C++ Point3d temp; operator+( temp, p1, p2 ); p3.Point3d:: operator=( temp );

temp.Point3d:: ~Point3d();

Майкл Тиманн (Michael Tiemann), автор компилятора GNU C++, предложил назвать это расширение языка именованным возвращаемым значением (return value language extension). Его точка зрения изложена в работе [LIPPMAN96b]. В нашей книге “Inside the C++ Object Model” ([LIPPMAN96a]) приводится детальное обсуждение затронутых в этой главе тем.

15

15. Перегруженные операторы и определенные пользователем преобразования

В главе 15 мы рассмотрим два вида специальных функций: перегруженные операторы и определенные пользователем преобразования. Они дают возможность употреблять объекты классов в выражениях так же интуитивно, как и объекты встроенных типов. В этой главе мы сначала изложим общие концепции проектирования перегруженных операторов. Затем представим понятие друзей класса со специальными правами доступа и обсудим, зачем они применяются, обратив особое внимание на то, как реализуются некоторые перегруженные операторы: присваивание, взятие индекса, вызов, стрелка для доступа к члену класса, инкремент и декремент, а также специализированные для класса операторы new и delete. Другая категория специальных функций, которая рассматривается в этой главе, – это функции преобразования членов (конвертеры), составляющие набор стандартных преобразований для типа класса. Они неявно применяются компилятором, когда объекты классов используются в качестве фактических аргументов функции или операндов встроенных или перегруженных операторов. Завершается глава развернутым изложением правил разрешения перегрузки функций с учетом передачи объектов в качестве аргументов, функций-членов класса и перегруженных операторов.

Перегрузка операторов

В предыдущих главах мы уже показывали, что перегрузка операторов позволяет программисту вводить собственные версии предопределенных операторов (см. главу 4) для операндов типа классов. Например, в классе String из раздела 3.15 задано много перегруженных операторов. Ниже приведено его определение:

#include < iostream>   class String; istream& operator> > ( istream &, const String & ); ostream& operator< < ( ostream &, const String & );   class String { public: // набор перегруженных конструкторов // для автоматической инициализации    String( const char* = 0 );    String( const String & );   // деструктор: автоматическое уничтожение    ~String();   // набор перегруженных операторов присваивания    String& operator=( const String & );    String& operator=( const char * );   // перегруженный оператор взятия индекса    char& operator[]( int );   // набор перегруженных операторов равенства // str1 == str2;    bool operator==( const char * );    bool operator==( const String & );   // функции доступа к членам    int size() { return _size; };    char * c_str() { return _string; } private:    int _size;    char *_string;

};

В классе String есть три набора перегруженных операторов. Первый – это набор операторов присваивания:

// набор перегруженных операторов присваивания String& operator=( const String & );

String& operator=( const char * );

Сначала идет копирующий оператор присваивания. (Подробно они обсуждались в разделе 14.7.) Следующий оператор поддерживает присваивание C-строки символов объекту типа String:

String name;

name = " Sherlock"; // использование оператора operator=( char * )

 (Операторы присваивания, отличные от копирующих, мы рассмотрим в разделе 15.3.)

Во втором наборе есть всего один оператор – взятия индекса:

// перегруженный оператор взятия индекса

char& operator[]( int );

Он позволяет программе индексировать объекты класса String точно так же, как массивы объектов встроенного типа:

if ( name[0]! = 'S' )

cout < < " увы, что-то не так\n";

(Детально этот оператор описывается в разделе 15.4.)

В третьем наборе определены перегруженные операторы равенства для объектов класса String. Программа может проверить равенство двух таких объектов или объекта и C-строки:

// набор перегруженных операторов равенства // str1 == str2; bool operator==( const char * );

bool operator==( const String & );

Перегруженные операторы позволяют использовать объекты типа класса с операторами, определенными в главе 4, и манипулировать ими так же интуитивно, как объектами встроенных типов. Например, желая определить операцию конкатенации двух объектов класса String, мы могли бы реализовать ее в виде функции-члена concat(). Но почему concat(), а не, скажем, append()? Выбранное нами имя логично и легко запоминается, но пользователь все же может забыть, как мы назвали функцию. Зачастую имя проще запомнить, если определить перегруженный оператор. К примеру, вместо concat() мы назвали бы новую операцию operator+=(). Такой оператор используется следующим образом:

#include " String.h" int main() { String name1 " Sherlock"; String name2 " Holmes";   name1 += " "; name1 += name2;   if (! ( name1 == " Sherlock Holmes" ) ) cout < < " конкатенация не сработала\n";

}

Перегруженный оператор объявляется в теле класса точно так же, как обычная функция-член, только его имя состоит из ключевого слова operator, за которым следует один из множества предопределенных в языке C++ операторов (см. табл. 15.1). Так можно объявить operator+=() в классе String:

class String { public: // набор перегруженных операторов += String& operator+=( const String & ); String& operator+=( const char * ); //... private: //...

};

и определить его следующим образом:

#include < cstring>   inline String& String:: operator+=( const String & rhs ) { // Если строка, на которую ссылается rhs, непуста    if ( rhs._string )    {    String tmp( *this );      // выделить область памяти, достаточную    // для хранения конкатенированных строк    _size += rhs._size;    delete [] _string;    _string = new char[ _size + 1 ];      // сначала скопировать в выделенную область исходную строку    // затем дописать в конец строку, на которую ссылается rhs    strcpy( _string, tmp._string );    strcpy( _string + tmp._size, rhs._string ); }    return *this; }   inline String& String:: operator+=( const char *s ) { // Если указатель s ненулевой    if ( s )    {    String tmp( *this );      // выделить область памяти, достаточную    // для хранения конкатенированных строк    _size += strlen( s );    delete [] _string;    _string = new char[ _size + 1 ];    // сначала скопировать в выделенную область исходную строку    // затем дописать в конец C-строку, на которую ссылается s    strcpy( _string, tmp._string );    strcpy( _string + tmp._size, s ); }    return *this;

}

Члены и не члены класса

Рассмотрим операторы равенства в нашем классе String более внимательно. Первый оператор позволяет устанавливать равенство двух объектов, а второй – объекта и C-строки:

#include " String.h"   int main() { String flower; // что-нибудь записать в переменную flower   if ( flower == " lily" ) // правильно //... else if ( " tulip" == flower ) // ошибка //...

}

При первом использовании оператора равенства в main() вызывается перегруженный operator==(const char *) класса String. Однако на второй инструкции if компилятор выдает сообщение об ошибке. В чем дело?

Перегруженный оператор, являющийся членом некоторого класса, применяется только тогда, когда левым операндом служит объект этого класса. Поскольку во втором случае левый операнд не принадлежит к классу String, компилятор пытается найти такой встроенный оператор, для которого левым операндом может быть C-строка, а правым – объект класса String. Разумеется, его не существует, поэтому компилятор говорит об ошибке.

Но можно же создать объект класса String из C-строки с помощью конструктора класса. Почему компилятор не выполнит неявно такое преобразование:

if ( String( " tulip" ) == flower ) //правильно: вызывается оператор-член

Причина в его неэффективности. Перегруженные операторы не требуют, чтобы оба операнда имели один и тот же тип. К примеру, в классе Text определяются следующие операторы равенства:

class Text { public: Text( const char * = 0 ); Text( const Text & );   // набор перегруженных операторов равенства bool operator==( const char * ) const; bool operator==( const String & ) const; bool operator==( const Text & ) const;   //...

};

и выражение в main() можно переписать так:

if ( Text( " tulip" ) == flower ) // вызывается Text:: operator==()

Следовательно, чтобы найти подходящий для сравнения оператор равенства, компилятору придется просмотреть все определения классов в поисках конструктора, способного привести левый операнд к некоторому типу класса. Затем для каждого из таких типов нужно проверить все ассоциированные с ним перегруженные операторы равенства, чтобы понять, может ли хоть один из них выполнить сравнение. А после этого компилятор должен решить, какая из найденных комбинаций конструктора и оператора равенства (если таковые нашлись) лучше всего соответствует операнду в правой части! Если потребовать от компилятора выполнения всех этих действий, то время трансляции программ C++ резко возрастет. Вместо этого компилятор просматривает только перегруженные операторы, определенные как члены класса левого операнда (и его базовых классов, как мы покажем в главе 19).

Разрешается, однако, определять перегруженные операторы, не являющиеся членами класса. При анализе строки в main(), вызвавшей ошибку компиляции, подобные операторы принимались во внимание. Таким образом, сравнение, в котором C-строка стоит в левой части, можно сделать корректным, если заменить операторы равенства, являющиеся членами класса String, на операторы равенства, объявленные в области видимости пространства имен:

bool operator==( const String &, const String & );

bool operator==( const String &, const char * );

Обратите внимание, что эти глобальные перегруженные операторы имеют на один параметр больше, чем операторы-члены. Если оператор является членом класса, то первым параметром неявно передается указатель this. То есть для операторов-членов выражение

flower == " lily"

переписывается компилятором в виде:

flower.operator==( " lily" )

и на левый операнд flower в определении перегруженного оператора-члена можно сослаться с помощью this. (Указатель this введен в разделе 13.4.) В случае глобального перегруженного оператора параметр, представляющий левый операнд, должен быть задан явно.

Тогда выражение

flower == " lily"

вызывает оператор

bool operator==( const String &, const char * );

Непонятно, какой оператор вызывается для второго случая использования оператора равенства:

" tulip" == flower

Мы ведь не определили такой перегруженный оператор:

bool operator==( const char *, const String & );

Но это необязательно. Когда перегруженный оператор является функцией в пространстве имен, то как для первого, так и для второго его параметра (для левого и правого операндов) рассматриваются возможные преобразования, т.е. компилятор интерпретирует второе использование оператора равенства как

operator==( String(" tulip" ), flower );

и вызывает для выполнения сравнения следующий перегруженный оператор:

bool operator==( const String &, const String & );

Но тогда зачем мы предоставили второй перегруженный оператор:

bool operator==( const String &, const char * );

Преобразование типа из C-строки в класс String может быть применено и к правому операнду. Функция main() будет компилироваться без ошибок, если просто определить в пространстве имен перегруженный оператор, принимающий два операнда String:

bool operator==( const String &, const String & );

Предоставлять ли только этот оператор или еще два:

bool operator==( const char *, const String & );

bool operator==( const String &, const char * );

зависит от того, насколько велики затраты на преобразование из C-строки в String во время выполнения, то есть от “стоимости” дополнительных вызовов конструктора в программах, пользующихся нашим классом String. Если оператор равенства будет часто использоваться для сравнения C-строк и объектов, то лучше предоставить все три варианта. (Мы вернемся к вопросу эффективности в разделе, посвященном друзьям.

Подробнее о приведении к типу класса с помощью конструкторов мы расскажем в разделе 15.9; в разделе 15.10 речь пойдет о разрешении перегрузки функций с помощью описанных преобразований, а в разделе 15.12 – о разрешении перегрузки операторов.)

Итак, на основе чего принимается решение, делать ли оператор членом класса или членом пространства имен? В некоторых случаях у программиста просто нет выбора:

· если перегруженный оператор является членом класса, то он вызывается лишь при условии, что левым операндом служит член этого класса. Если же левый операнд имеет другой тип, оператор обязан быть членом пространства имен;

· язык требует, чтобы операторы присваивания (" =" ), взятия индекса (" []" ), вызова (" ()" ) и доступа к членам по стрелке (" -> " ) были определены как члены класса. В противном случае выдается сообщение об ошибке компиляции:

// ошибка: должен быть членом класса

char& operator[]( String &, int ix );

(Подробнее оператор присваивания рассматривается в разделе 15.3, взятия индекса – в разделе 15.4, вызова – в разделе 15.5, а оператор доступа к члену по стрелке – в разделе 15.6.)

В остальных случаях решение принимает проектировщик класса. Симметричные операторы, например оператор равенства, лучше определять в пространстве имен, если членом класса может быть любой операнд (как в String).

Прежде чем закончить этот подраздел, определим операторы равенства для класса String в пространстве имен:

bool operator==( const String & str1, const String & str2 ) { if ( str1.size()! = str2.size() ) return false; return strcmp( str1.c_str(), str2.c_str() )? false: true; }   inline bool operator==( const String & str, const char *s ) { return strcmp( str.c_str(), s )? false: true;

}

⇐ Предыдущая70717273747576777879Следующая ⇒

Поделиться: