原创转：过度使用C++模板(overdoing C++ templates)

 2009-4-28 13:49  1492 4 4 分类: 软件与OS

转：过度使用C++模板(overdoing C++ templates)

作者：Steve Donovan.
翻译: Winter
原文: Overdoing C++ Templates

大约每隔十年，都会出现一个编程新概念，宣布自己是以往概念的继承者。我们也再一次相信，从今往后软件比以前更可靠，更容易build，或者更有意思(没有人相信它会比以前更小或者更快)。在70年代，有结构编程；在80年代，开始了面向对象编程；从90年代中期，出现了范型编程(generic programming)。范型编程得名于其用模板而使代码重用的高效技术(范型类和范型函数)。

模板类和模板函数都是非常有用的工具。例如sqr()函数可以计算平方数，任何定义了乘法运算的数据类型（数字，矩阵）都适用。标准容器类(如list)都是模板，这样对于每个新类型无需重写了，这正是使用旧版的C++时真正头疼的事情，因此我认为ISO的标准是个伟大的进步。然而，在这个过程中有些东西用得过头了。

例如：标准库中得string 和iostream 都是使用"character traits"类型作为参数。这意味着同一个basic_string<>类可以用于ASCII字符串，也可用于Unicode，甚至用于火星人的三字节字符串（原则虽然如此，但许多版本都只是实现了ASCII字符串，看起来有点滑稽）。标准要求这些常用类必须实现成模板形式，而这些类几乎涉及到所有C++应用。

但是这对性能和调试会带来许多麻烦。下面几个试验解释了这个问题（本试验使用的编译器为VC++6.0)。编译器同时支持新风格的iostream（使用模板）和经典风格的iostream, 因此我们能比较他们二者的版本实现。第一个测试程序当然是使用"Hello, Word"了，新风格的编译时间是经典风格的2倍。另一个更正规的例子大约有200行，每行输出10个变量用于计数。这个测试程序最显著的结论是编译速度：新风格版本花了10秒编译完成，而旧版本只使用了1.5秒。10秒时间可并不少，可以完成很多事情。另外，新风格版本的可执行文件的大小为115K，而旧版本只有70K。你的测试数据可能有些出入，但是整体结论是一样的：当使用新版本时，会有更慢的编译速度和更大的可执行文件。这并不是因为微软公司编译器的问题，使用GCC测试也会得到同样的结论。

当然，和过去不一样，可执行文件的大小并不是那么重要，现在，可编程设备种类正快速增长，包括许多信息应用，如遥控、手机、智能冰箱、基于蓝牙技术的咖啡机等等，在这些应用中内存近几年都会是十分宝贵的资源。使用标准iostream 而产生的额外的二进制文件，来源于内联了整个模板类的代码，要是没有code bload工具，你很难优化那些重要的操作。对我来说，编译时间问题更严重一些，因为这样意味着更长的等待，从而失去了开发中非常重要原则：互动原则。

现在我们来考虑调试的问题。标准库中string 类的模板实现非常聪明，但并不适合于调试。你会面临使用超长名字的编译器和调试器的信息：

 std::basic_string<, std::char_traits<>, std::allocator<>>

同样对于非常有用的容器 map < string,string > , 你可以去想象其复杂性。这些名字太长了，以至于产生数十个内部名字被截断的警告。对于初学者来说，std::string 应该设计得尽可能透明，而不应该让他们面临许多语言内置得一些特性。当输出了编译错误信息后，在技术上讲，应该是可以查找到所有的 typedef 。我在 UnderC 项目中就试图这么做。Verity Stob 建议编写一个后置的处理器来翻译这些错误信息，我倒希望这是她这么做只是开个玩笑。如果不使用这么复杂的类型，这个问题就会容易处理的多。我在C++开发上的秘诀就是（我首次坦诚的公开这个秘密): 在稍微大一点的工程中使用一个兼容的string 类来替换std::string 的头文件. 有时我会重新build 这些标准的头文件，用来检测是否我的库还能正常使用，但让其他人为如何提高其性能而努力。

当然，在许多应用中我们都需要这种std::string提供的灵活性，例如，需要同时处理ASCII 和Unicode字符串，或者需要定制自己的allocator 等等。但这并不是普遍需求(通常程序员要么只处理ASCII，要么只处理Unicode ), 看起来对于程序员承担这种范型机制有些不公平。这种机制确实让标准库的设计者觉得很有意思，但增加了应用开发程序员使用的复杂度。这似乎颠倒了这个原则：良好的标准库设计应该隐藏其实现的复杂度，而让用户直接使用。但std::string 对其实现的复杂度隐藏得并不够，导致在用户使用过程中不断的遇到设计中的问题。我们不能要求标准库的用户都是专家。标准坚持要求这种特定的实现方式，和标准库的设计初衷相违背，其初衷是只提供公共的接口和包含一些特定功能的类库。自然，这种范型模板对于那些真正去要他们的人是一直有效的。

这些细节考虑同样应用于标准容器，例如list<>容器，list 有一些额外的默认模板参数，用于定义了默认的allocator。当然自己定义allocator 十分有用，但绝大多数人不需要自己去实现。这些泛化的版本完全可以作为单独的模板提供。我承认这样做会让标准库的设计在技术上变得没有以前有意思，但这些库在设计之初就应该考虑到最终用户。篡改一下C++的颂歌：用户不应该为他们不需要的东西买单。

当我们不需要模板的时候，我们不得不使用模板。除此之外，在C＋＋中用范型编程还会遇到另一个的问题。大多数人都同意，标准的algorithm 十分有用。如果你有一个整型的vector, 你可以直接使用下面的语句来排序：

sort(v.begin(),v.end());

因为int型数据的比较函数时内联的，而且这种范型算法比旧版本的qsort()函数速度还快，也更容易使用，特别是使用用户自定义类型的vector. copy()函数也可以在任何时候高效率地拷贝任何数据。

但有些应用理解起来十分晦涩：

copy_if(v.begin(),v.end(),ostream_iterator<>(cout) bind2nd(greater<>(),7));

如果要写得严格一点，每个名字都应该加上std::前缀，这里假定所有变量都是使用全局命名空间，或单独使用命令或用其他方法。用Stroustrup (C++的创始人)的例子更容易说明问题，这个例子把所有的整型数输出到终端：

vector<>::iterator li;
 (li = v.begin(); li != v.end(); ++li)
 (*li > 7) cout << *li;

Stroustrup 告诉我们如果使用显示的循环是"麻烦而又容易产生错误", 但我看不出使用第一个版本有什么优势。显然，人们能习惯这种方式，人类的适应性很强，作为专业人士，我们也不得不学习这个新概念。但是，这样做并没有减少多少麻烦，而且我们可以证明这样做可读性更差，更不灵活。同时，它还会限制你的设计。例如，假设我们有一个Shape * 的指针list, 我们可以通过下面的调用方式来画出他们自己的形状：

for_each(ls.begin(),ls.end(),
bind2nd(mem_fun(&Shape::draw),canvas));

也可以选择这种方式：

ShapeList::iterator li;
 (li = ls.begin(); li != ls.end(); ++li)
(*li)->draw(canvas);

现在假设我需要修改我的设计，我只想画那些满足某种要求的图形（而且不希望把这些需求包在shape类里面), 那么我只需要在显式的循环中增加一条if条件语句。如果要使用范型概念，我唯一能想到的方式定义一个函数，然后使用for_each()算法。使用设计模式一书中的术语，第一个例子是一个内部迭代器(internal iterator)，第二个例子式一个外部跌倒器(external iterator). 作者认为C++ 并不擅长使用内部迭代器，我想我们还是应该考虑语言的局限性。其实问题在于在C++中过度应用范型概念--从而导致不必要的难度。C++ 完全不支持一般的匿名函数(anonymous functions)如LIST, SmallTalk, Ruby等。C++中的匿名函数或许看起来和下面一样，可能某天有人会实现它：

for_each(ls.begin(),ls.end(),
 lambda(Shape *p) { p->draw(canvas); });

C++ 是一种不可思议的编程语言，小到手机，大到跨国际网络，都有其应用。它非常灵活，能够支持多种编程风格，但这种灵活同样也是其问题所在。编程的艺术在于为特定的问题选择合适编程风格，就像老师总提醒写作文是要选择好的风格一样。我并不想诋毁 C++ 标准库，这里面包含了许多人的辛勤劳动，并为大家提供了一个公共平台。我对于这个标准的态度是，它和范型编程联系过于紧密，从而变成了在说明什么风格是好的编程风格(例如，算法中明显倾向于不要使用显式循环), 同时它也让程序员们不得不介入一些实现细节(如basic_string<>)，这样做让人们更加觉得C++ 是只是内核工程师们的编程语言。