Скотт Мейерс - Эффективное использование STL

• Название: Эффективное использование STL
• Автор: Скотт Мейерс
• Издательство: Питер
• Жанр: Программирование
• Год: 2002
• ISBN: 5-94723-382-7

В этой книге известный автор Скотт Мейерс раскрывает секреты настоящих мастеров, позволяющие добиться максимальной эффективности при работе с библиотекой STL.

Во многих книгах описываются возможности STL, но только в этой рассказано о том, как работать с этой библиотекой. Каждый из 50 советов книги подкреплен анализом и убедительными примерами, поэтому читатель не только узнает, как решать ту или иную задачу, но и когда следует выбирать то или иное решение — и почему именно такое.

---

В ситуациях с наследованием копирование становится причиной отсечения. Иначе говоря, если создать контейнер объектов базового класса и попытаться вставить в него объекты производного класса, «производность» этих объектов утрачивается при копировании объектов (копирующим конструктором базового класса) в контейнер:

vector<Widget> vw;

class Special Widget: // SpecialWidget наследует от класса

 public Widget{...};  // Widget (см. ранее)

SpecialWidget sw; // sw копируется в vw как объект базового класса

vw.push_back(sw); // Специализация объекта теряется (отсекается)

Проблема отсечения предполагает, что вставка объекта производного класса в контейнер объектов базового класса обычно приводит к ошибке. А если вы хотите, чтобы полученный объект обладал поведением объекта производного класса (например, вызывал виртуальные функции объектов производного класса), вставка всегда приводит к ошибке. За дополнительной информацией обращайтесь к «Effective C++», совет 22. Другой пример проявления этой проблемы в STL описан в совете 38.

Существует простое решение, обеспечивающее эффективное, корректное и свободное от проблемы отсечения копирование — вместо объектов в контейнере хранятся указатели. Иначе говоря, вместо контейнера для хранения Widget создается контейнер для Widget*. Указатели быстро копируются, результат точно совпадает с ожидаемым (поскольку копируется базовое двоичное представление), а при копировании указателя ничего не отсекается. К сожалению, у контейнеров указателей имеются свои проблемы, обусловленные спецификой STL. Они рассматриваются в советах 7 и 33. Пытаясь справиться с этими проблемами и при этом не нажить хлопот с эффективностью, корректностью и отсечением, вы, вероятно, обнаружите симпатичную альтернативу — умные указатели. За дополнительной информацией обращайтесь к совету 7.

Если вам показалось, что STL злоупотребляет копированием, не торопитесь с выводами. Да, копирование в STL выполняется довольно часто, но в целом библиотека спроектирована с таким расчетом, чтобы избежать лишнего копирования. Более того, она избегает лишнего создания объектов. Сравните с поведением классического массива — единственного встроенного контейнера C и C++:

Widget w[maxNumWidgets]; // Создать массив объектов Widget

 // Объекты инициализируются конструктором

 // по умолчанию

В этом случае конструируются maxNumWidgets объектов Widget, даже если на практике будут использоваться лишь некоторые из них или все данные, инициализированные конструктором по умолчанию, будут немедленно перезаписаны данными, взятыми из другого источника (например, из файла). Вместо массива можно воспользоваться контейнером STL vector и создать вектор, динамически увеличивающийся в случае необходимости:

vector<Widget> vw; // Создать вектор, не содержащий ни одного

 // объекта Widget и увеличивающийся по мере

 // необходимости

Можно также создать пустой вектор, в котором зарезервировано место для maxNumWidgets объектов Widget, но не сконструирован ни один из этих объектов:

vector<Widget> vw;

vw.reserve(maxNumWidgets); // Функция reserve описана в совете 14

По сравнению с массивами контейнеры STL ведут себя гораздо цивилизованнее. Они создают (посредством копирования) столько объектов, сколько указано, и только по вашему требованию, а конструктор по умолчанию выполняется только с вашего разрешения. Да, контейнеры STL создают копии; да, в особенностях их работы необходимо хорошо разбираться, но не стоит забывать и о том, что они означают большой шаг вперед по сравнению с массивами.

Совет 4. Вызывайте empty вместо сравнения size() с нулем

Для произвольного контейнера с следующие две команды фактически эквивалентны:

if (c.size()==0)...

if (c.empty())...

Возникает вопрос — почему же предпочтение отдается одной конструкции, особенно если учесть, что empty обычно реализуется в виде подставляемой (inline) функции, которая просто сравнивает size() с нулем и возвращает результат?

Причина проста: функция empty для всех стандартных контейнеров выполняется с постоянной сложностью, а в некоторых реализациях list вызов size требует линейных затрат времени.

Но почему списки так себя ведут? Почему они не обеспечивают выполнения size с постоянной сложностью? Это объясняется в основном уникальными свойствами функций врезки (splicing). Рассмотрим следующий фрагмент:

list<int> list1;

list<int> list2;

list1.splice(                                  // Переместить все узлы list2

 list1.end(),list2,                            // от первого вхождения 5

 find(list2.begin(), list2.end(), 5),          // до последнего вхождения 10

 find(list2.rbegin(), list2.rend(), 10).base() // в конец listl

);                                             // Вызов base() рассматривается

                                               // в совете 28

Приведенный фрагмент не работает, если только значение 10 не входит в list2 после 5, но пока не будем обращать на это внимания. Вместо этого зададимся вопросом: сколько элементов окажется в списке list1 после врезки? Разумеется, столько, сколько было до врезки, в сумме с количеством новых элементов. Последняя величина равна количеству элементов в интервале, определяемом вызовами find(list2.begin(), list2.end(), 5) и find(list2.rbegin(),list2.rend(),10).base(). Сколько именно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно перебрать и подсчитать элементы интервала. В этом и заключается проблема.

Допустим, вам поручено реализовать list. Это не просто контейнер, а стандартный контейнер, поэтому заранее известно, что класс будет широко использоваться. Естественно, реализация должна быть как можно более эффективной. Операция определения количества элементов в списке будет часто использоваться клиентами, поэтому вам хотелось бы, чтобы операция size работала с постоянной сложностью. Класс list нужно спроектировать так, чтобы он всегда знал количество содержащихся в нем элементов.

В то же время известно, что из всех стандартных контейнеров только list позволяет осуществлять врезку элементов без копирования данных. Можно предположить, что многие клиенты выбирают list именно из-за эффективности операции врезки. Они знают, что интервальная врезка из одного списка в другой выполняется за постоянное время; вы знаете, что они это знают, и постараетесь не обмануть их надежды на то, что функция splice работает с постоянными затратами времени.

Возникает дилемма. Чтобы операция size выполнялась с постоянной сложностью, каждая функция класса list должна обновлять размеры списков, с которыми она работает. К числу таких функций относится и splice. Но сделать это можно только одним способом — функция должна подсчитать количество вставляемых элементов, а это не позволит обеспечить постоянное время выполнения splice… чего мы, собственно, и пытались добиться. Если отказаться от обновления размеров списков функцией splice, добиться постоянного времени выполнения для splice можно, но тогда с линейной сложностью будет выполняться size — ей придется перебирать всю структуру данных и подсчитывать количество элементов. Как ни старайся, чем-то — size или splice — придется пожертвовать. Одна из этих операций может выполняться с постоянной сложностью, но не обе сразу.

В разных реализациях списков эта проблема решается разными способами в зависимости от того, какую из операций — size или splice — авторы хотят оптимизировать по скорости. При работе с реализацией list, в которой было выбрано постоянное время выполнения splice, лучше вызывать empty вместо size, поскольку empty всегда работает с постоянной скоростью. Впрочем, даже если вы не используете такую реализацию, не исключено, что это произойдет в будущем. Возможно, программа будет адаптирована для другой платформы с другой реализацией STL, или вы перейдете на новую реализацию STL для текущей платформы.

В любом случае вы ничем не рискуете, вызывая empty вместо проверки условия size()=0. Мораль: если вам потребовалось узнать, содержит ли контейнер ноль элементов — вызывайте empty.

Совет 5. Используйте интервальные функции вместо одноэлементных

Есть два вектора, v1 и v2. Как проще всего заполнить v1 содержимым второй половины v2? Только не надо мучительно размышлять над тем, что считать «половиной» при нечетном количестве элементов в v2. Просто постарайтесь быстро дать разумный ответ.