<<C++之旅>>阅读笔记

高性能架构探索

发布于 2024-02-01 15:59:38

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发布于 2024-02-01 15:59:38

文章被收录于专栏：技术随笔心得

你好，我是雨乐！

几周前，出版社赠了本C++之父新作<<C++之旅>>，因为当时比较忙，所以一直在手边放着，有时间的时候随意翻几页，断断续续也看了一部分，今天借助本文，分享下。

constexpr

constexpr的隐含意思是在编译阶段求值，对于一些求值操作，如果声明为constexpr，那么会编译器会尝试在编译阶段进行计算求值，如果求值成功，则用结果进行替换。

一个常用的例子是如下：

constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

int main() {
  auto num = factorial(10); // 编译阶段求得值，可从汇编查看
  return 0;
}

如果一个变量声明为constexpr，那么意味着在编译阶段就要获得其值，比如如下这个例子：

#include <iostream>


constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : (n * factorial(n - 1));
}

int main() {
   int i = 10;
   constexpr auto num = factorial(i);
   return 0;
}

因为num被声明为constexpr，所以正如前面所说，在编译阶段求值，又因为i是一个非常量表达式，所以编译器报错如下：

<source>: In function 'int main()':
<source>:10:35: error: the value of 'i' is not usable in a constant expression
   10 |    constexpr auto num = factorial(i);
      |                                   ^
<source>:9:8: note: 'int i' is not const
    9 |    int i = 10;
      |        ^
Compiler returned: 1

if语句初始化

这个是自C++17才支持的，可以在if语句中进行初始化，随后进行条件判断，如下：

if (int a = 0; a != 10);

也可以像下面这样：

std::vector<int> v;
// operation
if (auto size = v.size());

引用赋值不会改变其初始指向

示例：

int x = 2, y = 3;
int &r1 = x;
int &r2 = y;
r1 = r2;
std::cout << x  << " " << y << " " <<  r1 << " " << r2;

在上述代码中，虽然最后r1被赋值为r2，但是其仍然指向x，这样的结果就是x的值也被修改了。最后输出结果为3 3 3 3

enum vs enum类

传统的enum，如果像下面这样定义：

enum Colors {
    Red,
    Green,
    Blue
  };
  
  enum OtherColors {
    Yellow,
    Blue
  };

编译器会报如下错误：

<source>:16:5: error: 'Blue' conflicts with a previous declaration
   16 |     Blue
      |     ^~~~
<source>:11:5: note: previous declaration 'Colors Blue'
   11 |     Blue
      |     ^~~~

为了解决这个问题，引入了enum class，如下：

enum class Colors {
    Red,
    Green,
    Blue
  };
  
  enum class OtherColors {
    Yellow,
    Blue
  };

modules

示例如下：

// Vector.h:

class Vector {
 public:
  Vector(int s);
  double& operator[](int i);
  int size();
 private:
  double∗ elem; // elem points to an array of sz doubles
  int sz;
};

// Vector.cpp:

#include "Vector.h" // get Vector’s interface
Vector::Vector(int s) :elem{new double[s]}, sz{s} {
}
double& Vector::operator[](int i) {
  return elem[i];
}
int Vector::size() {
  return sz;
}

// user.cpp

#include "Vector.h" // get Vector’s interface
#include <cmath> // get the standard-librar y math function interface including sqrt()
double sqrt_sum(Vector& v) {
  double sum = 0;
  for (int i=0; i!=v.siz e(); ++i)
  sum+=std::sqr t(v[i]); // sum of square roots
  return sum;
}

最终格式如下：

可以单独对user.cpp 和 Vector.cpp编译，生成.o文件，这是因为上述示例使用了#include操作，预处理器在遇到#include的时候，会将其中的内容完整的拷贝一份到相应的文件，这就导致每个.cpp都有头文件Vector.h的一个副本，代码体积膨胀不说，还增加了编译时间。

为了解决上述问题，引入了modules，使用module优化上述代码，如下：

// Vector.cpp

module;
export module Vector; // defining the module called "Vector"
export class Vector {
 public:
  Vector(int s);
  double& operator[](int i);
  int size();
 private:
  double∗ elem; // elem points to an array of sz doubles
  int sz;
};

Vector::Vector(int s) :elem{new double[s]}, sz{s} {
}
double& Vector::operator[](int i) {
return elem[i];
}
int Vector::siz e() {
return sz;
}
expor t int size(const Vector& v) { return v.siz e(); }

// user.cpp

import Vector; // get Vector’s interface
#include <cmath> // get the standard-librar y math function interface including sqrt()
double sqrt_sum(Vector& v) {
  double sum = 0;
  for (int i=0; i!=v.siz e(); ++i)
  sum+=std::sqr t(v[i]); // sum of square roots
  return sum;
}

对于这块的内容，可以详细阅读之前的文章:

未来已来：C++ modules初探

纯虚函数

如果其中一个成员函数使用= 0，那么该函数为纯虚函数，继承于存在纯虚函数的子类，其必须实现该函数：

class Base {
 public:
  void fun() = 0;
};

class Derived : public Base {
 public:
  void fun() {}
}

如果声明一个存在纯虚函数的类，那边编译器会报错如下：

<source>:21:8: error: initializer specified for non-virtual method 'void Base::fun()'
   21 |   void fun() = 0;
      |        ^~~

派生

判断一个类是否继承于另外一个类，可以使用如下方式：

template<typename Base, typename T>
inline bool IsDerivedOf(T *ptr) {
  return dynamic_cast<Base*>(ptr) != nullptr;
}

智能指针

智能指针可以避免内存泄漏，此处文章较多，可以参考：

智能指针-使用、避坑和实现

一次诡异的内存泄漏

显式构造

对于如下这种：

class Vector {
 public:
  Vector(int sz);
}

可以使用Vector v = 3;这种方式进行初始化，往往这种并不是我们希望看到的，所以可以使用关键字explicit来强制显式初始化：

class Vector {
 public:
 explicit Vector(int sz);
}

move语义

自C++11起引入了move语义，不过这个很容易引起初学者的误解，其实move()本身并不做任何操作，其只是进行了简单的类型转换，而真正的移动操作需要类实现者进行定义。

STL对其定义如下：

template<typename _Tp>
    constexpr typename std::remove_reference<_Tp>::type&&
    move(_Tp&& __t) noexcept
    { return static_cast<typename std::remove_reference<_Tp>::type&&>(__t); }

如果需要深入了解其特性，可以参考文章：

【Modern C++】深入理解移动语义

CTAD

CTAD为Class Template Argument Deduction的缩写，中文称为类模板参数推导，在C++17之前，我们需要像下面这样写：

std::pair<int, double> p1 = {1, 3.41};

现在我们可以如下这样写：

std::pair              p2 = {1, 3.41};

可以参考文章【ModernCpp】新特性之CTAD

字面量

如果我们像下面这样写：

auto s = "hello";

s会被编译器推导为const char*，为了使得其为std::string类型，有以下几种方式：

auto s1 = std::string("hello");
std::string s2 = "hello";
auto s3 = "hello"s;

前两种方式比较常见，第三种方式是Modern cpp的新特性，俗称字面量。在这个语法中，"hello"是字符串字面值，而"s"是用户定义字面量的后缀，它将字符串字面值转换为std::string对象。

COW VS SSO

COW，想必大家都清楚其原理，这个机制很常用，比较常见的如fork等操作，在STL中也有用到这个，比如gcc5.1之前的string中，先看如下代码：

std::string s("str");
 std::string s1 = s;
 char *p = const_cast<char*>(s1.data());
 p[2] = '\0';
 
 std::cout << s << std::endl;
 std::cout << s1 << std::endl;

输出结果无非以下两种：