C++11在時空效能方面的改進

這篇我們聊聊C++11在時間和空間上的改進點；

主要包括以下方面：

新增的高效容器：array、forward_list以及unordered containers；

以及常量表示式、靜態斷言和move語義；

大小固定容器 array

std::array是一個支援隨機訪問且大小（size）固定的容器，它是c++11中新增的容器。它有如下特點：

• 不預留多餘空間，只分配必須空間（譯註：size() == capacity()）。
• 可以使用初始化表（initializer list）的方式進行初始化。
• 儲存了自己的size資訊。
• 不支援隱式指標型別轉換。

可以認為它是一個很不錯的內建陣列型別。示例：

array<int,6> a = { 1, 2, 3 };
a[3]=4;
int x = a[5];    // array的預設資料元素為0，所以x的值變成0
int* p1 = a; // 錯誤: std::array不能隱式地轉換為指標
int* p2 = a.data(); // 正確，data()得到指向第一個元素的指標

可以認為array是一個緊縮版的vector，它比vector高效（沒有自動空間分配），但缺少了push_back這樣的神器，使得它的使用場景一般是用來替換c++內建的陣列型別，而不是vector；

前向列表 forward_list

c++11新增的容器：前向列表 forward_list

前向列表是一個能夠在任意位置快速插入和刪除的容器（列表都這特性，前向列表當然也具有這特性），但不支援快速隨機存取。

它是用單向連結串列實現的，相比較於它的C實現而言沒有什麼額外開銷。相較於std::list而言，此容器耗費的空間更少，因為它是單向的，不是雙向的。

std::forward_list<int> mylist (3,5);   // 3 ints with value 5
for (int& x : mylist ) std::cout << " " << x;

雜湊表[無序容器] unordered containers

hash容器在很多之前的編譯器中就包含進來了；比如gcc 較早的版本中，它存在於tr1名稱空間中；

以unordered_map為例，unordered_map基於雜湊表實現，元素之間無序儲存；

而map基於紅黑樹實現，元素之間有序（通過operator< 進行比較）；

hash版本的查詢時間複雜度為O(1),在資料量很大時，比紅黑樹的版本效率高很多；

對比在C++11中和之前使用上的區別：

// c++0x中：
#include <tr1/unordered_map>
std::tr1:: unordered_map< char,int >  map1;
map1.insert(std::pair<char,int>('a',100) );

// C++11中：
#include <unordered_map>
std::unordered_map< char,int >  map1;
map1.insert(std::pair<char,int>('a',100) );

常量表示式 constexpr

編譯期計算（Compile-time evaluation）：常量表示式

在程式中，有些計算是與執行時無關的；每次執行都是相同的結果；

常量表示式允許讓這些計算髮生在編譯時，而不是在執行時；

這樣利用編譯時的計算能力，將顯著提升程式執行時的效果；

eg:對函式申明為constexpr

constexpr int multiply (int x, int y)
{
    return x * y;
}

// 將在編譯時計算
const int val = multiply( 10, 10 );
cin >> x;
// 由於輸入引數x只有在執行時確定，所以以下這個不會在編譯時計算，但執行沒問題
const int val2 = mutliply（x,x);

靜態斷言 static_assert

static_assert提供一個編譯時的斷言檢查。如果斷言為真，什麼也不會發生。如果斷言為假，編譯器會列印一個特殊的錯誤資訊。由於是在編譯期間執行的，所以它不會影響執行時的效能；

expression在編譯期進行求值，當結果為false（即：斷言失敗）時，將string作為錯誤訊息輸出。例如：

static_assert(sizeof(long) >= 8,
   “64-bit code generation required for this library.”);
struct S { X m1; Y m2; };
static_assert(sizeof(S)==sizeof(X)+sizeof(Y), ”unexpected padding in S”);

static_assert在判斷程式碼的編譯環境方面十分有用，比如判斷當前編譯環境是否64位。但需要注意的是，由於static_assert在編譯期進行求值，它不能對那些依賴於執行期計算的值的進行檢驗。例如：

int f(int* p, int n)
{
      //錯誤：表示式“p == 0”不是一個常量表示式
      static_assert(p == 0,
          “p is not null”);
}

正確的做法是在執行期進行判斷，假如條件不成立則丟擲異常；

下面這段程式碼原本期望只做用於整數型別。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
return t1 + t2;
}

但是如果有人寫出如下程式碼，編譯器並不會報錯

std::cout << add(1, 3.14) << std::endl;
std::cout << add("one", 2) << std::endl;

程式會列印出4.14和”e”。但是如果我們加上編譯時斷言，那麼以上兩行將產生編譯錯誤。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
   static_assert(std::is_integral<T1>::value, "Type T1 must be integral");
   static_assert(std::is_integral<T2>::value, "Type T2 must be integral");

   return t1 + t2;
}

error C2338: Type T2 must be integral
see reference to function template instantiation 'T2 add<int,double>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T2=double,
      T1=int
   ]
error C2338: Type T1 must be integral
see reference to function template instantiation 'T1 add<const char*,int>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T1=const char *,
      T2=int
   ]

move語義和右值引用

move語義和右值介紹

左值就是一個有名字的物件，而右值則是一個無名物件（臨時物件）。move語義允許修改右值（以前右值被看作是不可修改的，等同於const T&型別）。

void incr(int& a) { ++a; }
int i = 0;
incr(i);    // i變為1
//錯誤：0不是一個左值
incr(0);
// 0不是左值，無法直接繫結到非const引用：int&。
// 假如可行，那麼在呼叫時，將會產生一個值為0的臨時變數，
// 用於繫結到int&中，但這個臨時變數將在函式返回時被銷燬，
// 因而，對於它的任何更改都是沒有意義的，
// 所以編譯器拒絕將臨時變數繫結到非const引用，但對於const的引用，
// 則是可行的
”&&”表示“右值引用”。右值引用可以繫結到右值（但不能繫結到左值）：

X a;
X f();
X& r1 = a;        // 將r1繫結到a(一個左值)
X& r2 = f();    // 錯誤：f()的返回值是右值，無法繫結
X&& rr1 = f();    // OK：將rr1繫結到臨時變數
X&& rr2 = a;    // 錯誤：不能將右值引用rr2繫結到左值a

考慮如下函式：

template<class T> swap(T& a, T& b) // 老式的swap函式
    {
        T tmp(a);// 現在有兩份"a"
        a = b;      // 現在有兩份"b"
        b = tmp;    // 現在有兩份tmp(值同a)
    }

如果T是一個拷貝代價相當高昂的型別，例如string和vector，那麼上述swap()操作也將煞費氣力；我們的初衷其實並不是為了把這些變數拷來拷去，我是僅僅想將變數a,b,tmp的值做一個“移動”（即通過tmp來交換a,b的值）。

移動賦值操作背後的思想是，“賦值”不一定要通過“拷貝”來做，還可以通過把源物件簡單地“偷換”給目標物件來實現。例如對於表示式s1=s2，我們可以不從s2逐字拷貝，而是直接讓s1“侵佔”s2內部的資料儲存；

我們可以通過move()操作符來實現源物件的“移動”：

template <class T>
void swap(T& a, T& b)  //“完美swap”（大多數情況下）
{
      T tmp = move(a);  // 變數a現在失效（譯註：內部資料被move到tmp中了）
      a = move(b);      // 變數b現在失效（譯註：內部資料被move到a中了，變數a現在“滿血復活”了）
      b = move(tmp);    // 變數tmp現在失效（譯註：內部資料被move到b中了，變數b現在“滿血復活”了）
}

move(x) 意味著“你可以把x當做一個右值”，把move()改名為rval()或許會更好，但是事到如今，move()已經使用很多年了。在C++11中，move()模板函式以及右值引用被正式引入。

將拷貝改進成移動操作，減少建立不必要的物件，節省了物件的空間分配消耗和構造析構的呼叫；

move對演算法中的改進

基於move的std::sort()和std::set::insert()要比基於copy的對應版本快15倍以上。不過它對標準庫中已有操作的效能改善不多，因為它們的實現中已經使用了類似的方法進行優化了（例如string，vector使用了調優過的swap操作來代替copy了）。當然如果你自己的程式碼中包含了move操作的話，就能自動從新標準庫中獲益了。

move對容器的改進

在C++11的標準庫中，所有的容器都提供了移動建構函式和移動賦值操作符，那些插入新元素的操作，如insert()和push_back(), 也都有了可以接受右值引用的版本。最終的結果是，在沒有使用者干預的情況下，標準容器和演算法的效能都提升了，而這些都應歸功於拷貝操作的減少。

以vector為例，定義“移動建構函式(move constructors)”和“移動賦值操作符(move assignments”來“移動”而非複製它們的引數：

template<class T> class vector {
        // …
        vector(const vector&);  // 拷貝建構函式
        vector(vector&&);   // 移動建構函式
        vector& operator= (const vector&); // 拷貝賦值函式
        vector& operator =(vector&&);  // 移動賦值函式
}; //注意：移動建構函式和移動賦值操作符接受
// 非const的右值引用引數，而且通常會對傳入的右值引用引數作修改

容器新增了move版的構造和賦值函式後，它最重要的內涵就是允許我們高效的從函式中返回一個容器：

vector<int> make_random(int n)
        {
            vector<int> ref(n);
            // 產生0-255之間的隨機數
                for(auto x& : ref) x = rand_int(0,255);

                return ref;
        }

        vector<int> v = make_random(10000);
        for (auto x : make_random(1000000)) cout << x << '\n';

上邊程式碼的關鍵點是vector沒有被拷貝操作(vector ref的記憶體空間不會在函式返回時被stack自動回收了，move assignment通過右值引用精巧的搞定了這個問題)。對比我們現在的兩種慣用法：在自由儲存區來分配vector的空間，我們得負擔上記憶體管理的問題了；通過引數傳進已經分配好空間的vector，我們得要寫不太美觀的程式碼了。

原地安置操作 Emplace operations

在大多數情況下，push_back()使用移動建構函式（而不是拷貝建構函式）來保證它更有效率，不過在極端情況下我們可以走的更遠。為何一定要進行拷貝/移動操作？為什麼不能在vector中分配好空間，然後直接在這個空間上構造我們需要的物件呢？做這種事兒的操作被叫做”原地安置”（emplace，含義是：putting in place）。

舉一個emplace_back()的例子：

vector<pair<string,int>> vp;
string s;
int i;
while(cin>>s>>i) vp.emplace_back(s,i);

emplace_back()接受了可變引數模板變數並通過它來構造所需型別。至於emplace_back()是否比push_back()更有效率，取決於它和可變引數模板的具體實現。如果你認為這是一個重要的問題，那就實際測試一下。否則，就從美感上來選擇它們吧。

參考

http://www.stroustrup.com/C++11FAQ.html

https://www.chenlq.net/books/cpp11-faq