高效的函数式(C++11可以）

Efficient functional style (C++11 ok)

本文关键字：C++11 可以 函数 高效      更新时间：2023-10-16

假设我有以下内容：

struct point
{
  double x;
  double y;
  double z;
};

我可以写以下内容：

void point_mult(point& p, double c) { p.x *= c; p.y *= c; p.z *= c; }
void point_add(point& p, const point& p2) { p.x += p2.x; p.y += p2.y; p.z += p2.z; }

所以我可以做以下事情：

point p{1,2,3};
point_mult(p, 2);
point_add(p, point{4,5,6});

这不需要point的副本，只需要两个构造，即point{1,2,3}的构造和point{4,5,6}的构造。我相信这适用于即使point_add、point_mult和point{...}在单独的编译单元中（即不能内联）。

然而，我想用一种更实用的风格来编写代码，比如：

point p = point_add(point_mult(point{1,2,3}, 2), point{4,5,6});

我如何编写point_mult和point_add，从而不需要副本（即使point_mult和point_add在单独的编译单元中），或者函数式风格在C++中被迫没有那么高效？

让我们忽略这个问题隐含的谬误（即自动复制意味着效率降低）。我们也可以忽略这样一个问题，即是否真的会发生任何复制，或者是否所有复制都会被任何半吊子的编译器所消除。让我们从表面上看：这能在不复制的情况下完成吗？

是的，它可能是r值引用的唯一其他合法使用（尽管之前被忽视的规定使这个用例变得可疑）：

point &&point_mult(point &&p, double c);

当然，这只适用于临时措施。所以你需要一个l值的替代版本：

point &point_mult(point &p, double c);

关键是，您可以按原样传递引用，既可以作为对临时值的引用，也可以作为对l值的引用。

这可以用非常难看的模板元编程来完成。例如，eigen使用模板，这样像matrix1 + matrix2 * matrix3这样的表达式就不需要创建任何临时性。其工作原理是矩阵的+和*运算符不返回Matrix对象，而是返回某种基于表达式参数类型模板化的矩阵表达式对象。然后，这个矩阵表达式对象只能在需要时计算表达式的部分，而不是创建临时对象来存储子表达式的结果。

实际上，实现这一点可能会变得相当混乱。如果你感兴趣的话，可以看看艾根的来源。Boost的uBlas也做了类似的事情，尽管它没有本征那么广泛。

一种有效（通用）的技术是表达式模板。你可以在这里阅读一个很好的介绍性解释。

它很难实现，而且基于模板，不能使用单独的编译单元，但它非常高效。符号计算中一个有趣的应用是解析：BoostSpirit用它们构建了非常高效的解析器。

C++11auto关键字有助于在实际编程任务中使用，与处理复杂类型时一样，请参阅其他答案。

首先，为什么不使用"更好"的函数？

struct Point {
  double x;
  double y;
  double z;
  Point& operator+=(Point const& right) {
    x += right.x; y += right.y; z += right.z;
    return *this;
  }
  Point& operator*=(double f) {
    x *= f; y *= f; z *= f;
    return *this;
  }
};

现在它可以用作：

Point p = ((Point{1,2,3} *= 2) += Point{4,5,6});

但我真的认为你太担心这里的副本（和性能）了。

  1. 让它发挥作用
  2. 快一点

如果你没有任何已经有效的东西，谈论性能就像追逐工厂。。。瓶颈很少在我们想象的地方。

将point_mult()的定义更改为：

point& point_mult(point& p, double c) { p.x *= c; p.y *= c; p.z *= c; return p; }
^^^^^^                                                                ^^^^^^^^^

并称之为：

point & p = point_add(point_mult(*new point{1,2,3}, 2), point{4,5,6});
     ^^^                         ^^^^^

不存在任何复制。但是，您必须稍后执行delete &p;以释放内存。

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