强大的C++——库扩充语言

[longshanks]

通常，一种编程语言都会有一套基础的库如影随形。语言本身负责提供运算和处理，而库（基本上）利用语言提供的机制实现一些特定的功能，如IO。但离开了基础库，语言也就顶多做个加减乘除，而且你连结果都看不到。
但是，在C++中，库不再是一个陪衬，不再仅仅提供与系统相关的操作。得益于C++强大灵活的语言机制，库甚至具备了扩展语言机制的能力。这种能力在各类语言中算是凤毛麟角的。在主流的语言中，几乎是独此一家的。（Ada也是足够强大的语言，但我不清楚是否也具备这种能力。若有高手知晓，请明示）。
在此，我举两个例子：一个是“模板表达式”，另一个是Type Traits。
模板表达式，Template Expression，是缓式评估（Lazy Evaluate）技术的一个运用。（关于缓式评估，More Effection C++有详细论述）。先看下面的代码片段：
template<typename T>
vector<T> operator+(const vector<T>& op1, const vector<T>& op2) {
…
}

template<typename T>
vector<T> operator*(const vector<T>& op1, const vector<T>& op2) {
…
}

vector<double> prise(1000), quantity1(1000), quantity2(1000), result(1000);
… //初始化v1,v2,v3
result=prise*(quantity1+quantity2);
这里我们已经为vecotr<>定义了+和*，着两个操作将两个vector的对应元素相加和相乘。这段代码似乎是在对两个仓库进行合并盘货。我们先不去管它干什么，来谈谈效率问题。

[nevergone]

mark

顶taodm的话

[lisen07]

mark

[dl_27]

mark 虽然看的不太懂，也要顶一个

[AiNiLife]

mark

[longshanks]

表达式result=prise*(quantity1+quantity2);很正确，但也很糟糕。因为每当调用+或*时，编译器便会产生一个用于装载结果的vector临时对象。即使考虑编译器优化，仅这个表达式本身，就产生至少两个临时对象。如果运算的是int或double，这些临时对象也没什么。但这里是vector，是个类，是有构造函数和析构函数。并且还需要将临时对象的内容来回拷贝。对于数值计算而言，这种性能下降是无法忍受的。（或许Java程序员能够忍受，但是我肯定受不了。）。
为了消除这个问题，我们应该用手工循环代替一个单独的表达式：
for(int i=0; i<prise.size(); ++i) {
result[i]=prize[i]*(quantity1[i]+quantity2[i]);
}
这样够正确，也够快，但不够简洁。要简洁，还是原来的表达式好。模板表达式为我们提供了这样的能力：用数学运算的表达式，但拥有手工循环的性能。
这里只是大概描述一下模板表达式的概念，具体细讲，可以写本书了。详细的内容可以很容易在网上搜到。
模板表达式的基本原理是，通过重载*和+操作符。这些重载不立即计算，而是将操作数存放在一个中间类的对象中，并记录相应的运算操作，然后返回这个对象。下一个运算操作符对中间类进行了重载，将他的操作数存放在这个对象中，记录运算操作，然后也返回这个对象。以此类推。这个过程实际上生成了一个解析树。最后，在=的作用下，中间类对象提取出vector的每一个元素，代入解析树计算，得出最终的结果。这样，所有计算只需一个循环，并且不产生临时对象，也无需反复拷贝。同时，模板的展开机制使得整个表达式在编译时展开，并最终形成类似手工循环的结构。（可惜我们看不到具体的代码，只能想象了）。
除了提高性能外，表达式模板还为我们带来所谓的“higher-ordering programming”（高阶编程）。简单地讲，高阶编程就是将函数作为值使用的能力。C++中最杰出的代表就是Lambda表达式。Lambda是Boost中的一个库，尽管不是标准库，但也很接近了。
下面的代码给出了Lambda的一个典型应用（来源于真实的应用）：
string p(…), k(…);
vector<unsigned char> c(p.size());

transform(p.begin(), p.end(), k.begin(), c.begin(), _1^_2);
很简单吧。这段代码将p的每个字符异或k的每个字符，结果存放到c中。如果没有Lambda，我们只能写个for循环，或者写一个函数对象进行操作。
实际上，Lambda表达式通过占位符_1和_2（最多到_3，但可以扩展）和重载后的操作符相互作用，最终生成一个包含对应此表达式解析树的函数对象，传入transform算法。
其它的应用还很多，比如我要删除一个字符串中的’-‘和’/’，那么可以这样写：
remove_if(s.begin(), s.end(), _1==’-’|| _2==’/’)
再多也没问题。很神奇吧。
小结一下，C++语言本身没有缓式计算和Lambda的功能。但由于C++强大灵活的功能，使得我们可以通过库实现这些语言特性。而这些特性通常在其它语言中，只有扩展语言才能办到。
Type Traits主要用来描述一个类型的特性，比如一个类型是否是内置类型（int，long等），是否是指针，是否是类，是否是函数等等。这些功能通常必须由语言提供，但C++根本不提供这类东西，反而是库实现了它们。Boost中专门有一个Type traits库，提供了几十个分析类型特性的模板（也叫meta-function）。
这里不打算对特性分析作演示，它们太“平常”了。这里有个很酷的：去除指针类型的指针。也就是：要去掉int***的***，得到int。实现的代码很简单：
template<typename T>
struct remove_pointer
{
typedef T result;
};

template<typename T>
struct remove_pointer<T*>
{
typedef typename remove_pointer<T>::result result;
};
这里使用了模板局部特化和递归。两者相结合，一层一层地剥去T上的*。
好了，对于库扩展语言这个话题就到这里。其它好玩的东西，以后再讲。

[freshui]

makel

[lidongri]

make

[jixingzhong]

just have a look

[taodm]

说实话，虽然只在钻研C++，也很喜欢C++界的挑战自我，可还是认为扩展语言更好。
更自然，更概念完整。
有高手给的评价是：leaky Abstraction是个非常严重的缺陷。这样的结果就是写出一堆看似“精巧”，其实丑陋的、冗余的、违反概念完整性的、难以理解的代码。

[chenm91]

mark

[longshanks]

补充一点，那么remove_pointer的用法如下：
//有人定义了这个，而你需要用：
typedef int********* IntWithStars; //哪个王八蛋干了这等鸟事！！！

//你可以将其化解于无形：
remove_pointer<IntWithStars>::result i=100;

[不想低调]

哈

[longtramp]

look

[roger_77]

mark
学习了

[michaeldg]

谢谢楼主！让我打开眼界！