C++拾趣——使用多态减少泛型带来的代码膨胀

Posted 2022-07-29 breaksoftware

        泛型编程是C++语言中一种非常重要的技术，它可以让我们大大减少相似代码编写量。有时候，我和同事提及该技术时，称它是“一种让编译器帮我们写代码的技术”。（转载请指明出于breaksoftware的csdn博客）

        C++是一门静态语言，它最终的编译成果是可以直接运行于冯诺依曼体系的计算机上，而不像其他动态语言，可以运行于虚拟机等容器中。由于对运行效率得追求，C++也是一门类型精确的语言，即object是什么类型，在编译时往往就要确定好，这种方式可以称为数据的静态绑定。

template<class T>
void call_function(T& f) 
	f();
;

class PrintA 
public:
	virtual void operator ()() 
		std::cout << "Print A" << std::endl;
	
;

class PrintB : public PrintA 
public:
	virtual void operator ()() 
		std::cout << "Print B" << std::endl;
	
;

int main() 
	PrintA a;
	PrintB b;
	call_function(a);
	call_function(b);
	return 0;

        上例中，我们只写了一个call_function模板函数，但是最终编译器会将其翻译成为两个独立的函数，分别是call_function<PrintA>()和call_function<PrintB>()。这也是之前所述“一种让编译器帮我们写代码的技术”的表现。

        我们逆向上述代码来验证下

        上图我们看到call_function<PrintA>()和call_function<PrintB>()方法的地址是不同的。这就意味着，这两个方法拥有各自的代码逻辑。再上升一个层次去看，使用call_function的模板方法的类有多少种，就会产生多少个相应的特化方法。我们只写了一个模板方法，但是编译器最终帮我们生成了多个，这个过程和现象我们称为发生了“代码膨胀”。

        编译器将类型特化，即精确指定了类型，这就使得C++程序在运行时直接跳转到相应函数地址就行，而不需要做类型判别后去路由。这也是C++高效的一个重要原因。

        除了静态绑定，C++还有半动态绑定。这也是C++实现多态的技术基础。我们可以使用该技术，部分的解决泛型技术带来的“代码膨胀”的问题。

        以上例为例，我们只要增加如下方法就行

void call(PrintA& f) 
	f();

        然后调用call(a)和call(b)

        可以看到，两次调用的call方法指向了同一个地址。于是不管call方法操作的类型有多少个，它都没有导致代码的膨胀。

        需要指出的是，泛型和多态在上例中，体现了“空间”和“时间”的选择问题。当我们在做优化代码时，往往最终会走到“时间换空间”或者“空间换时间”的选择中。

        上例泛型技术，生成了多份函数。在调用时，方法对应的函数地址是确定的，于是这是种调用是高效的。这是“空间换时间”的案例。

        上例多态技术，只生成了一份代码。在调用时，call方法需要找到object的虚表，然后计算出虚函数的地址，最后才能调用相应的虚函数。这个过程没有直接call一个地址快。这是“时间换空间”的案例。

        目前CPU的发展已经进入瓶颈，磁盘的空间却越来越便宜。很多人可能觉得“空间换时间”是个更好的选择，其实不可以一概而论。因为如果程序的最终编译产物小，其在CPU指令缓存中发生了cache miss也可能变小，最终效率可能还是可观的。