Szablony wyrażeń i C++11

Zastanawiałem się, czy lambda razem z semantyką move, czy jakakolwiek inna nowa funkcja może zrobić tak dobrze jak ETs. Jakieś pomysły?

Szybka Odpowiedź

Semantyka Move sama w sobie nie jest panaceum-techniki takie jak szablony wyrażeń (ETs) są nadal potrzebne w C++11, aby wyeliminować koszty ogólne, takie jak przenoszenie danych! Tak więc, aby szybko odpowiedzieć na twoje pytanie przed nurkowaniem do reszty mojej odpowiedzi, przenieść semantykę itp. nie do końca zastąp ETs, jak moja odpowiedź ilustruje poniżej.

Szczegółowa Odpowiedź

ETs zazwyczaj zwraca obiekty proxy, aby odroczyć ewaluację na później, więc nie ma natychmiastowej widocznej korzyści z funkcji języka C++11, dopóki kod nie uruchomi obliczeń. To powiedziawszy, nie chciaĹ ' oby siÄ ™ jednak pisaÄ ‡ kodu ET, ktĂłry uruchamia generowanie kodu w czasie wykonywania podczas budowania drzewa wyrazăłw z proxy. Ładnie, semantyka ruchu C++11 i doskonałe przekazywanie mogą pomóż uniknąć takich kosztów ogólnych, jeśli w przeciwnym razie wystąpi. (Nie byłoby to możliwe w C++03.)

Zasadniczo, pisząc ETs, chcemy wykorzystać cechy języka w taki sposób, aby wygenerować optymalny kod po wywołaniu funkcji Członkowskich zaangażowanych obiektów proxy. W C++11 będzie to m.in. używanie perfect forwarding, przenoszenie semantyki nad kopiowaniem, itp. jeśli taka jest rzeczywiście nadal potrzebna ponad to, co kompilator może już zrobić. Nazwa gry ma na celu zminimalizowanie generowany kod czasu pracy i / lub maksymalizuje szybkość czasu pracy i / lub minimalizuje obciążenie czasu pracy.

Chciałem wypróbować jakiś ETs z funkcjami C++11, aby zobaczyć, czy mogę ominąć wszystkie pośrednie tymczasowe instancje za pomocą wyrażenia a = b + c + d;. (Ponieważ była to tylko zabawa przerwa od moich normalnych działań, więc nie porównuję go do lub napisać kod et wyłącznie za pomocą C++03. Nie martwiłem się również o wszystkie aspekty polerowania kodu, które pojawiają się poniżej.)

Na początek, nie użyj lambda - ponieważ wolałem używać jawnych typów i funkcji-więc nie będę argumentował za/przeciw lambda w odniesieniu do twojego pytania. Domyślam się, że byłyby one podobne do używania funktorów i nie byłyby lepsze od poniższego kodu non-ET (tzn. wymagane byłyby ruchy) - przynajmniej dopóki Kompilatory nie będą mogły automatycznie zoptymalizować lambda używając do tego własnego wewnętrznego ETs. Kod, który napisałem, jednak exploity poruszają semantykę i doskonałe przekazywanie. Oto co zrobiłem zaczynając od wyników i w końcu prezentujemy kod.

Stworzyłem klasę math_vector<N> gdzie N==3 i definiuje wewnętrzną prywatną instancję std::array<long double, N>. Elementy składowe są konstruktorem domyślnym, konstruktorami kopiowania i przenoszenia oraz przypisaniami, konstruktorem listy inicjalizacyjnej, destruktorem, składnikiem swap (), operatorem [], aby uzyskać dostęp do elementów wektora i operatorem+=. Używany bez szablonów wyrażeń, kod ten:

{
  cout << "CASE 1:\n";
  math_vector<3> a{1.0, 1.1, 1.2};
  math_vector<3> b{2.0, 2.1, 2.2};
  math_vector<3> c{3.0, 3.1, 3.2};
  math_vector<3> d{4.0, 4.1, 4.2};
  math_vector<3> result = a + b + c + d;
  cout << '[' << &result << "]: " << result << "\n";
}

Wyjścia (przy kompilacji z clang++ 3.1 lub g++ 4.8 z -std=c++11 -O3):

CASE 1:
0x7fff8d6edf50: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edef0: math_vector(initlist)
0x7fff8d6ede90: math_vector(initlist)
0x7fff8d6ede30: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edd70: math_vector(copy: 0x7fff8d6edf50)
0x7fff8d6edda0: math_vector(move: 0x7fff8d6edd70)
0x7fff8d6eddd0: math_vector(move: 0x7fff8d6edda0)
0x7fff8d6edda0: ~math_vector()
0x7fff8d6edd70: ~math_vector()
[0x7fff8d6eddd0]: (10,10.4,10.8)
0x7fff8d6eddd0: ~math_vector()
0x7fff8d6ede30: ~math_vector()
0x7fff8d6ede90: ~math_vector()
0x7fff8d6edef0: ~math_vector()
0x7fff8d6edf50: ~math_vector()

Tj. cztery jawnie skonstruowane instancje za pomocą list inicjujących (tj. pozycje initlist), zmienna result (tj. 0x7fff8d6eddd0), a także sprawia, że dodatkowe trzy obiekty kopiują i przenoszą.

{
  cout << "CASE 2:\n";
  math_vector<3> result =
    math_vector<3>{1.0, 1.1, 1.2} +
    math_vector<3>{2.0, 2.1, 2.2} +
    math_vector<3>{3.0, 3.1, 3.2} +
    math_vector<3>{4.0, 4.1, 4.2}
  ;
  cout << '[' << &result << "]: " << result << "\n";
}

Który wyświetla to (ponownie, gdy ETs nie są używane):

CASE 2:
0x7fff8d6edcb0: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edc50: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edce0: math_vector(move: 0x7fff8d6edcb0)
0x7fff8d6edbf0: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edd10: math_vector(move: 0x7fff8d6edce0)
0x7fff8d6edb90: math_vector(initlist)
0x7fff8d6edd40: math_vector(move: 0x7fff8d6edd10)
0x7fff8d6edb90: ~math_vector()
0x7fff8d6edd10: ~math_vector()
0x7fff8d6edbf0: ~math_vector()
0x7fff8d6edce0: ~math_vector()
0x7fff8d6edc50: ~math_vector()
0x7fff8d6edcb0: ~math_vector()
[0x7fff8d6edd40]: (10,10.4,10.8)
0x7fff8d6edd40: ~math_vector()

Co jest lepsze: tylko dodatkowy ruch tworzone są obiekty.

Ale chciałem czegoś lepszego: chciałem zero dodatkowych tymczasowych i mieć kod tak, jakbym go zakodował na twardo z jednym normalnym zastrzeżeniem kodowania: wszystkie jawnie utworzone typy byłyby nadal tworzone (tj. cztery konstruktory initlist i result). Aby to osiągnąć, dodałem kod szablonu wyrażenia w następujący sposób:

1. Klasa proxy math_vector_expr<LeftExpr,BinaryOp,RightExpr> została stworzona do przechowywania wyrażenia jeszcze nie obliczonego,
2. Klasa proxy plus_op została stworzona do przechowywania dodawania operacja,
3. konstruktor został dodany do math_vector, aby zaakceptować math_vector_expr obiekt, oraz
4. dodano funkcje" starter", aby wywołać tworzenie szablonu wyrażenia.

Wyniki korzystania z ETs są wspaniałe: żadnych dodatkowych tymczasowych w obu przypadkach! Dwa poprzednie przypadki powyżej teraz wyjście:

CASE 1:
0x7fffe7180c60: math_vector(initlist)
0x7fffe7180c90: math_vector(initlist)
0x7fffe7180cc0: math_vector(initlist)
0x7fffe7180cf0: math_vector(initlist)
0x7fffe7180d20: math_vector(expr: 0x7fffe7180d90)
[0x7fffe7180d20]: (10,10.4,10.8)
0x7fffe7180d20: ~math_vector()
0x7fffe7180cf0: ~math_vector()
0x7fffe7180cc0: ~math_vector()
0x7fffe7180c90: ~math_vector()
0x7fffe7180c60: ~math_vector()

CASE 2:
0x7fffe7180dd0: math_vector(initlist)
0x7fffe7180e20: math_vector(initlist)
0x7fffe7180e70: math_vector(initlist)
0x7fffe7180eb0: math_vector(initlist)
0x7fffe7180d20: math_vector(expr: 0x7fffe7180dc0)
0x7fffe7180eb0: ~math_vector()
0x7fffe7180e70: ~math_vector()
0x7fffe7180e20: ~math_vector()
0x7fffe7180dd0: ~math_vector()
[0x7fffe7180d20]: (10,10.4,10.8)
0x7fffe7180d20: ~math_vector()

Czyli dokładnie 5 wywołań konstruktora i 5 wywołań destruktora w każdym przypadku. W rzeczywistości, jeśli poprosisz kompilator o wygenerowanie kodu asemblera pomiędzy 4 initlist wywołania konstruktora i wyjście result otrzymuje się piękny ciąg kodu asemblera:

fldt    128(%rsp)
leaq    128(%rsp), %rdi
leaq    80(%rsp), %rbp
fldt    176(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    224(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    272(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fstpt   80(%rsp)
fldt    144(%rsp)
fldt    192(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    240(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    288(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fstpt   96(%rsp)
fldt    160(%rsp)
fldt    208(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    256(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fldt    304(%rsp)
faddp   %st, %st(1)
fstpt   112(%rsp)

Z g++ i clang++ wyprowadza podobny (nawet mniejszy) kod. Brak wywołań funkcji itp. -- tylko kilka dodatków, które jest dokładnie to, co chcesz!

Kod C++11, aby to osiągnąć, znajduje się poniżej. Po prostu #define DONT_USE_EXPR_TEMPL nie używać ETs lub nie definiować go w ogóle używać ETs.

#include <array>
#include <algorithm>
#include <initializer_list>
#include <type_traits>
#include <iostream>

//#define DONT_USE_EXPR_TEMPL

//===========================================================================

template <std::size_t N> class math_vector;

template <
  typename LeftExpr,
  typename BinaryOp,
  typename RightExpr
>
class math_vector_expr
{
  public:
    math_vector_expr() = delete;

    math_vector_expr(LeftExpr l, RightExpr r) : 
      l_(std::forward<LeftExpr>(l)), 
      r_(std::forward<RightExpr>(r))
    {
    }

    // Prohibit copying...
    math_vector_expr(math_vector_expr const&) = delete;
    math_vector_expr& operator =(math_vector_expr const&) = delete;

    // Allow moves...
    math_vector_expr(math_vector_expr&&) = default;
    math_vector_expr& operator =(math_vector_expr&&) = default;

    template <typename RE>
    auto operator +(RE&& re) const ->
      math_vector_expr<
        math_vector_expr<LeftExpr,BinaryOp,RightExpr> const&,
        BinaryOp,
        decltype(std::forward<RE>(re))
      >
    {
      return 
        math_vector_expr<
          math_vector_expr<LeftExpr,BinaryOp,RightExpr> const&,
          BinaryOp,
          decltype(std::forward<RE>(re))
        >(*this, std::forward<RE>(re))
      ;
    }

    auto le() -> 
      typename std::add_lvalue_reference<LeftExpr>::type
      { return l_; }

    auto le() const ->
      typename std::add_lvalue_reference<
        typename std::add_const<LeftExpr>::type
      >::type
      { return l_; }

    auto re() -> 
      typename std::add_lvalue_reference<RightExpr>::type
      { return r_; }

    auto re() const -> 
      typename std::add_lvalue_reference<
        typename std::add_const<RightExpr>::type
      >::type
      { return r_; }

    auto operator [](std::size_t index) const ->
      decltype(
        BinaryOp::apply(this->le()[index], this->re()[index])
      )
    {
      return BinaryOp::apply(le()[index], re()[index]);
    }

  private:
    LeftExpr l_;
    RightExpr r_;
};

//===========================================================================

template <typename T>
struct plus_op
{
  static T apply(T const& a, T const& b)
  {
    return a + b;
  }

  static T apply(T&& a, T const& b)
  {
    a += b;
    return std::move(a);
  }

  static T apply(T const& a, T&& b)
  {
    b += a;
    return std::move(b);
  }

  static T apply(T&& a, T&& b)
  {
    a += b;
    return std::move(a);
  }
};

//===========================================================================

template <std::size_t N>
class math_vector
{
  using impl_type = std::array<long double, N>;

  public:
    math_vector()
    {
      using namespace std;
      fill(begin(v_), end(v_), impl_type{});
      std::cout << this << ": math_vector()" << endl;
    }

    math_vector(math_vector const& mv) noexcept
    {
      using namespace std;
      copy(begin(mv.v_), end(mv.v_), begin(v_));
      std::cout << this << ": math_vector(copy: " << &mv << ")" << endl;
    }

    math_vector(math_vector&& mv) noexcept
    {
      using namespace std;
      move(begin(mv.v_), end(mv.v_), begin(v_));
      std::cout << this << ": math_vector(move: " << &mv << ")" << endl;
    }

    math_vector(std::initializer_list<typename impl_type::value_type> l)
    {
      using namespace std;
      copy(begin(l), end(l), begin(v_));
      std::cout << this << ": math_vector(initlist)" << endl;
    }

    math_vector& operator =(math_vector const& mv) noexcept
    {
      using namespace std;
      copy(begin(mv.v_), end(mv.v_), begin(v_));
      std::cout << this << ": math_vector op =(copy: " << &mv << ")" << endl;
      return *this;
    }

    math_vector& operator =(math_vector&& mv) noexcept
    {
      using namespace std;
      move(begin(mv.v_), end(mv.v_), begin(v_));
      std::cout << this << ": math_vector op =(move: " << &mv << ")" << endl;
      return *this;
    }

    ~math_vector()
    {
      using namespace std;
      std::cout << this << ": ~math_vector()" << endl;
    }

    void swap(math_vector& mv)
    {
      using namespace std;
      for (std::size_t i = 0; i<N; ++i)
        swap(v_[i], mv[i]);
    }

    auto operator [](std::size_t index) const
      -> typename impl_type::value_type const&
    {
      return v_[index];
    }

    auto operator [](std::size_t index)
      -> typename impl_type::value_type&
    {
      return v_[index];
    }

    math_vector& operator +=(math_vector const& b)
    {
      for (std::size_t i = 0; i<N; ++i)
        v_[i] += b[i];
      return *this;
    }

  #ifndef DONT_USE_EXPR_TEMPL

    template <typename LE, typename Op, typename RE>
    math_vector(math_vector_expr<LE,Op,RE>&& mve)
    {
      for (std::size_t i = 0; i < N; ++i)
        v_[i] = mve[i];
      std::cout << this << ": math_vector(expr: " << &mve << ")" << std::endl;
    }

    template <typename RightExpr>
    math_vector& operator =(RightExpr&& re)
    {
      for (std::size_t i = 0; i<N; ++i)
        v_[i] = re[i];
      return *this;
    }

    template <typename RightExpr>
    math_vector& operator +=(RightExpr&& re)
    {
      for (std::size_t i = 0; i<N; ++i)
        v_[i] += re[i];
      return *this;
    }

    template <typename RightExpr>
    auto operator +(RightExpr&& re) const ->
      math_vector_expr<
        math_vector const&, 
        plus_op<typename impl_type::value_type>,
        decltype(std::forward<RightExpr>(re))
      >
    {
      return 
        math_vector_expr<
          math_vector const&, 
          plus_op<typename impl_type::value_type>, 
          decltype(std::forward<RightExpr>(re))
        >(
          *this, 
          std::forward<RightExpr>(re)
        )
      ;
    }

  #endif // #ifndef DONT_USE_EXPR_TEMPL

  private:
    impl_type v_;
};

//===========================================================================

template <std::size_t N>
inline void swap(math_vector<N>& a, math_vector<N>& b)
{
  a.swap(b);
}

//===========================================================================

#ifdef DONT_USE_EXPR_TEMPL

template <std::size_t N>
inline math_vector<N> operator +(
  math_vector<N> const& a, 
  math_vector<N> const& b
)
{
  math_vector<N> retval(a);
  retval += b;
  return retval;
}

template <std::size_t N>
inline math_vector<N> operator +(
  math_vector<N>&& a, 
  math_vector<N> const& b
)
{
  a += b;
  return std::move(a);
}

template <std::size_t N>
inline math_vector<N> operator +(
  math_vector<N> const& a, 
  math_vector<N>&& b
)
{
  b += a;
  return std::move(b);
}

template <std::size_t N>
inline math_vector<N> operator +(
  math_vector<N>&& a, 
  math_vector<N>&& b
)
{
  a += std::move(b);
  return std::move(a);
}

#endif // #ifdef DONT_USE_EXPR_TEMPL

//===========================================================================

template <std::size_t N>
std::ostream& operator <<(std::ostream& os, math_vector<N> const& mv)
{
  os << '(';
  for (std::size_t i = 0; i < N; ++i)
    os << mv[i] << ((i+1 != N) ? ',' : ')');
  return os;
}

//===========================================================================

int main()
{
  using namespace std;

  try
  {
    {
      cout << "CASE 1:\n";
      math_vector<3> a{1.0, 1.1, 1.2};
      math_vector<3> b{2.0, 2.1, 2.2};
      math_vector<3> c{3.0, 3.1, 3.2};
      math_vector<3> d{4.0, 4.1, 4.2};
      math_vector<3> result = a + b + c + d;
      cout << '[' << &result << "]: " << result << "\n";
    }
    cout << endl;
    {
      cout << "CASE 2:\n";
      math_vector<3> result =
        math_vector<3>{1.0, 1.1, 1.2} +
        math_vector<3>{2.0, 2.1, 2.2} +
        math_vector<3>{3.0, 3.1, 3.2} +
        math_vector<3>{4.0, 4.1, 4.2}
      ;
      cout << '[' << &result << "]: " << result << "\n";
    }
  }
  catch (...)
  {
    return 1;
  }
}

//===========================================================================