Библиотека программиста

Все, что необходимо начинающему и опытному программисту

88. В качестве аргументов алгоритмов и компараторов лучше использовать функциональные объекты, а не функции

Резюме

Предпочтительно передавать алгоритмам функциональные объекты, а не функции, а компараторы ассоциативных контейнеров просто должны быть функциональными объектами. Функциональные объекты адаптируемы и, вопреки ожиданиям, обычно дают более быстрый по сравнению с функциями код.

Обсуждение

Во-первых, функциональные объекты легко сделать адаптируемыми (и такими их и следует делать — см. рекомендацию 89). Даже если у вас есть готовая функция, иногда для ее использования требуется "обертка" из ptr_fun или mem_fun. Например, такая обертка требуется при построении более сложных выражений с использованием связывателей (см. также рекомендацию 84):

inline bool IsHeavy( const Thing& ) { /* ... */ }
find_if( v.begin(), v.end(), not1(IsHeavy));  //Ошибка

Обойти эту ошибку обычно можно путем применения ptr_fun (или, в случае функции-члена, mem_fun или mem_fun_ref), что, к сожалению, не работает в данном конкретном случае:

inline bool IsHeavy( const Thing& ) { /* ... */ }
find_if( v.begin(), v.end(),
         not1(ptr_fun(IsHeavy)));  // Героическая  попытка...

Беда в том, что этот способ не будет работать, даже если вы явно укажете аргументы шаблона ptr_fun. Коротко говоря, проблема в том, что ptr_fun точно выводит типы аргументов и возвращаемый тип (в частности, тип параметра будет выведен как const Thing&) и создает внутренний механизм, который, в свою очередь, пытается добавить другой &, а ссылка на ссылку в настоящее время в C++ не разрешена. Имеются способы исправлений языка и/или библиотека для решения данной проблемы (например, позволяя ссылке на ссылку свернуться в обычную ссылку; см. также рекомендацию 89), но на сегодняшний день проблема остается нерешенной.

Прибегать ко всем этим ухищрениям совершенно излишне, если у вас имеется корректно написанный функциональный объект (см. рекомендацию 89), который можно использовать без какого-либо специального синтаксиса:

struct IsHeavy : unary_function<Thing, bool> {
    bool operator()( const Thing& ) const { /* ... */ }
};
find_if( v.begin(), v.end(), not1(IsHeavy())); //OK

Еще более важно то, что для определения сравнения в ассоциативных контейнерах вам нужен именно функциональный объект, а не функция. Это связано с тем, что нельзя инстан-цировать шаблон с функцией в качестве параметра:

bool CompareThings( const Thing&, const Thing& );
set<Thing, CompareThings> s;   // Ошибка

Вместо этого следует написать:

struct CompareThings
: public binary_function<Thing,Thing,bool>
{
    bool operator()( const Thing&, const Thing& ) const;
};

set<Thing, CompareThings> s;  //OK

Наконец, имеется еще одно преимущество функциональных объектов — эффективность. Рассмотрим следующий знакомый алгоритм:

template<typename Iter, typename Compare>
Iter find_if( Iter first, Iter last, Compare comp );

Если мы передадим алгоритму в качестве компаратора функцию

inline bool Function( const Thing& ) { /* ... */ }
find_if( v.begin(), v.end(), Function );

то на самом деле будет передана ссылка на функцию. Компиляторы редко встраивают вызовы таких функций (за исключением некоторых относительно свежих компиляторов, которые в состоянии провести анализ всей программы в целом), даже если они объявлены как таковые и видимы в момент компиляции вызова find_if. Кроме того, как уже упоминалось, функции не адаптируемы.

Давайте передадим алгоритму find_if в качестве компаратора функциональный объект:

struct Functionobject : unary_function<Thing, bool> {
    bool operator()( const Thing& ) const { /* ... */ }
};

find_if( v.begin(), v.end(), FunctionObject() );

Если мы передаем объект, который имеет (явно или неявно) встраиваемый оператор operator(), то такие вызовы компиляторы C++ способны делать встраиваемыми уже очень давно.

Примечание. Эта методика не является преждевременной оптимизацией (см. рекомендацию 8); ее следует рассматривать как препятствие преждевременной пессимизации (см. рекомендацию 9). Если у вас имеется готовая функция — передавайте указатель на нее (кроме тех ситуаций, когда вы должны обязательно обернуть ее в ptr_fun или mem_fun). Но если вы пишете новый код для использования в качестве аргумента алгоритма, то лучше сделать его функциональным объектом.

89. Корректно пишите функциональные объекты

Резюме

Разрабатывайте функциональные объекты так, чтобы их копирование выполнялось как можно эффективнее. Там, где это возможно, делайте их максимально адаптируемыми путем наследования от unary_function или binary_function.

Обсуждение

Функциональные объекты моделируют указатели на функции. Подобно указателям на функции, они обычно передаются в функции по значению. Все стандартные алгоритмы передают объекты по значению, и то же должны делать и ваши алгоритмы, например:

template<class InputIter, class Func>
Function for_each(InputIter first, InputIter last, Function f);

Следовательно, функциональные объекты должны легко копироваться и быть мономорфными (для защиты от срезки), так что избегайте виртуальных функций (см. рекомендацию 54). Конечно, у вас могут быть большие и/или полиморфные функциональные объекты — их тоже вполне можно использовать; просто скройте их размер с помощью идиомы Pimpl (указателя на реализацию; см. рекомендацию 43). Эта идиома позволяет, как и требуется, получить внешний мономорфный класс малого размера, обеспечивающий доступ к богатой функциональности. Внешний класс должен удовлетворять следующим условиям.

• Быть адаптируемым. Наследуйте его от unary_function или binary_function.

• Использовать идиому Pimpl. Такой класс содержит указатель (например, shared_ptr) на (возможно, большого размера) реализацию необходимой функциональности.

• Иметь оператор(ы) вызова функции. Эти операторы передают вызовы объекту-реализации.

Этим ограничиваются требования к внешнему классу (не считая возможного наличия собственных (не генерируемых компилятором) конструкторов, оператора присваивания и/или деструктора.

Функциональные объекты должны быть адаптируемы. Стандартные связыватели и адаптеры полагаются на наличие определенных инструкций typedef, обеспечить которые легче всего при наследовании ваших функциональных объектов от unary_function или binary_function. Инстанцируйте unary_function или binary_function с теми типами, которые получает и возвращает ваш оператор operator() (при этом у каждого типа, не являющегося указателем, следует убрать все спецификаторы const верхнего уровня, а также все &).

Постарайтесь избежать наличия нескольких операторов operator(), поскольку это затрудняет адаптируемость. Дело в том, что обычно оказывается невозможно обеспечить корректные инструкции typedef, необходимые для адаптирования, поскольку один и тот же синоним типа, определяемый через инструкцию typedef, имеет разные значения для разных операторов operator().

Не все функциональные объекты являются предикатами — предикаты представляют собой подмножество функциональных объектов (см. рекомендацию 87).

Безопасность типов

Если вы лжете компилятору, он будет мстить.
— Генри Спенсер (Henry Spencer)

Всегда будут вещи, которые мы будем хотеть сказать в наших программах и которые трудно сформулировать на любом языке программирования.
— Алан Перлис (Alan Perlis)

Последней (не по важности) темой книги является корректность типов — очень важное свойство программ, которое вы должны изо всех сил стараться поддерживать. Теоретически корректная с точки зрения типов функция не может обратиться к нетипизированной памяти или вернуть неверные значения. На практике, если ваш код поддерживает корректность типов, он тем самым избегает большого количества неприятных ошибок, от непереносимости программ до порчи содержимого памяти и неопределенного поведения программ.

Основная идея поддержки корректности типов — всегда считывать информацию в том формате, в котором она была записана. Иногда C++ позволяет легко нарушить это правило; приведенные в этом разделе рекомендации помогут вам избежать подобных ошибок.

В этом разделе мы считаем наиболее значимой рекомендацию 91 — "Работайте с типами, а не с представлениями". Система типов — ваш друг и верный союзник. Воспользуйтесь ее помощью и попытайтесь не злоупотреблять ее доверием.

90. Избегайте явного выбора типов — используйте полиморфизм

Резюме

Избегайте явного выбора типа объекта для настройки поведения. Используйте шаблоны и виртуальные функции для того, чтобы поведение объекта определялось его типом, а не вызывающим кодом.

Обсуждение

Настройка поведения в зависимости от типа объекта с использованием инструкции выбора switch— это ненадежный, чреватый ошибками, небезопасный метод, представляющий собой перенос методов С или Fortran в C++. Это жесткая технология, заставляющая вас всякий раз при добавлении новых возможностей переписывать уже готовый и отлаженный код. Этот метод небезопасен еще и потому, что компилятор не может подсказать вам, что вы забыли внести дополнения в какую-то из инструкций switch при добавлении нового типа.

В идеале добавление новых возможностей в программу должно осуществляться добавлением нового кода, а не изменением старого (см. рекомендацию 37). В реальной жизни это не всегда так — зачастую в дополнение к написанию нового кода мы вынуждены вносить изменения в уже имеющийся код. Такие изменения, однако, крайне нежелательны и должны быть минимизированы по двум причинам. Во-первых, изменения могут нарушить имеющуюся функциональность. Во-вторых, они препятствуют масштабируемости при росте системы и добавлении новых возможностей, поскольку количество "узлов поддержки", к которым надо возвращаться и вносить изменения, все время возрастает. Это наблюдение приводит к принципу Открытости-Закрытости, который гласит: любая сущность (например, класс или модуль) должна быть открыта для расширений, но закрыта для изменений.

Каким же образом мы можем написать код, который будет легко расширяем без внесения изменений? Используйте полиморфизм для написания кода в терминах абстракций (см. также рекомендацию 36), после чего при необходимости добавления функциональности это можно будет сделать путем разработки и добавления различных реализаций упомянутых абстракций. Шаблоны и виртуальные функции образуют барьер для зависимостей между кодом, использующим абстракции, и кодом, их реализующим (см. рекомендацию 64).

Конечно, управление зависимостями обусловлено выбором верных абстракций. Если абстракции несовершенны, добавление новой функциональности потребует изменений интерфейса (а не просто добавления новых реализаций интерфейса), которые обычно влекут за собой значительные изменения существующего кода. Но абстракции потому и называются "абстракциями", что предполагается их большая стабильность по сравнению с "деталями", т.е. возможными реализациями абстракций.

Совсем иначе обстоит дело с предельно детализированным кодом, который использует мало абстракций или вовсе обходится без них, работая исключительно с конкретными типами и их отдельными операциями. Добавление новой функциональности в такой код — сущее мучение.

Примеры

Пример. Рисование фигур. Классический пример — рисование различных объектов. Типичный подход в стиле С использует выбор типа. Для этого определяется член-перечисление id_, который хранит тип каждой фигуры — прямоугольник, окружность и т.д. Рисующий код выполняет необходимые действия в зависимости от выбранного типа:

class Shape { // ...
    enum { RECTANGLE, TRIANGLE, CIRCLE } id_;

    void Draw() const {
        switch( id_ ) {      // Плохой метод
        case RECTANGLE:
            // ... Код для прямоугольника ...
            break;

        case TRIANGLE:
            // ... Код для треугольника ...
            break;

        case CIRCLE:
            // ... Код для окружности ...
            break;

        default:   // Плохое решение
            assert(!"при добавлении нового типа надо "
                    "обновить эту конструкцию");
            break;
        }
    }
};

Такой код сгибается под собственным весом, он хрупок, ненадежен и сложен. В частности, он страдает транзитивной циклической зависимостью, о которой говорилось в рекомендации 22. Ветвь по умолчанию конструкции switch — четкий симптом синдрома "не знаю, что мне делать с этим типом". И все эти болезненные неприятности полностью исчезают, стоит только вспомнить, что C++ — объектно-ориентированный язык программирования:

class Shape { // ...
    virtual void Draw() const = 0;   // каждый производный
                                     // класс реализует свою функцию
};

В качестве альтернативы (или в качестве дополнения) рассмотрим реализацию, которая следует совету по возможности принимать решения во время компиляции (см. рекомендацию 64):

template<class S>
void Draw( const S& shape ) {
    shape.Draw();   // может быть виртуальной, а может и не быть
};  // См. рекомендацию 64

Теперь ответственность за рисование каждой геометрической фигуры переходит к реализации самой фигуры, и синдром "не знаю, что делать с этим типом" просто невозможен.

<< Назад         В начало         Далее >>

Библиотека программиста. 2009.
Администратор: admin@programmer-lib.ru