More Effective C++之考虑变更程序库

  程序库的设计就是一个折衷的过程。理想的程序库应该是短小的、快速的、强大的、灵活的、可扩展的、直观的、普遍适用的、具有良好的支持、没有使用约束、没有错误的。这也是不存在的。为尺寸和速度而进行优化的程序库一般不能被移植。具有大量功能的的程序库不会具有直观性。没有错误的程序库在使用范围上会有限制。真实的世界里,你不能拥有每一件东西,总得有付出。

  不同的设计者给这些条件赋予了不同的优先级。他们从而在设计中牺牲了不同的东西。因此一般两个提供相同功能的程序库却有着完全不同的性能特征。

  例如,考虑iostream和stdio程序库,对于C++程序员来说两者都是可以使用的。iostream程序库与C中的stdio相比有几个优点(参见Effective C++)。例如它是类型安全的(type-safe),它是可扩展的。然而在效率方面,iostream程序库总是不如stdio,因为stdio产生的执行文件与iostream产生的执行文件相比尺寸小而且执行速度快。

  首先考虑执行速度的问题。要想掌握iostream和stdio之间的性能差别,一种方法就是用这两个程序库来运行benchmark程序。不过你必须记住benchmark也会撒谎。不仅很难拿出一组能够代表程序或程序库典型用法的数据,而且就算拿出来也是没用,除非有可靠的方法判断出你或你的客户的具有什么样的特征。不过在解决一个问题的不用方法的比较上,benchmark还是能够提供一些信息,所以尽管完全依靠benchmark是愚蠢的,但是忽略它们也是愚蠢的。

  让我们测试一个简单的benchmark程序,只测试最基本的I/O功能。这个程序从标准输入读取30000个浮点数,然后把它们以固定的格式写到标准输出里。编译时预处理符号STDIO决定是使用stdio还是iostream。如果定义了这个符号,就是用stdio,否则就使用iostream程序库。





#ifdef STDIO
#include <stdio.h>
#else
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
#endif

const int VALUES = 30000; // # of values to read/write
int main()
{
 double d;
 for (int n = 1; n <= VALUES; ++n) {
  #ifdef STDIO
   scanf(“%lf”, &d);
   printf(“%10.5f”, d);
  #else
   cin >> d;
   cout << setw(10) // 设定field宽度
   << setprecision(5) // 设置小数位置
   << setiosflags(ios::showpoint) // keep trailing 0s
   << setiosflags(ios::fixed) // 使用这些设置
   << d;
  #endif
  if (n % 5 == 0) {
   #ifdef STDIO
    printf(“\n”);
   #else
    cout << ‘\n’;
   #endif
  }
 }
 return 0;
}

  当把正整数的自然对数传给这个程序,它会这样输出:





0.00000 0.69315 1.09861 1.38629 1.60944

1.79176 1.94591 2.07944 2.19722 2.30259

2.39790 2.48491 2.56495 2.63906 2.70805

2.77259 2.83321 2.89037 2.94444 2.99573

3.04452 3.09104 3.13549 3.17805 3.21888

  这种输出至少表明了使用iostreams也能这种也能产生fixed-format I/O。当然,





cout << setw(10)

<< setprecision(5)

<< setiosflags(ios::showpoint)

<< setiosflags(ios::fixed)

<< d;

  远不如 printf(“%10.5f”, d); 输入方便。

  但是操作符<<既是类型安全(type-safe)又可以扩展,而printf则不具有这两种优点。
 
  我做了几种计算机、操作系统和编译器的不同组合,在其上运行这个程序,在每一种情况下都是使用stdio的程序运行得较快。优势它仅仅快一些(大约20%),有时则快很多(接近200%),但是我从来没有遇到过一种iostream的实现和与其相对应的stdio的实现运行速度一样快。另外,使用stdio的程序的尺寸比与相应的使用iostream的程序要小(有时是小得多)。(对于程序现实中的尺寸,这点差异就微不足道了)。

  应该注意到stdio的高效性主要是由其代码实现决定的,所以我已经测试过的系统其将来的实现或者我没有测试过的系统的当前实现都可能表现出iostream和stdio并没有显著的差异。事实上,有理由相信会发现一种iostream的代码实现比stdio要快,因为iostream在编译时确定它们操作数的类型,而stdio的函数则是在运行时去解析格式字符串(format string)。iostream和stdio之间性能的对比不过是一个例子,这并不重要,重要的是具有相同功能的不同的程序库在性能上采取不同的权衡措施,所以一旦你找到软件的瓶颈,你应该知道是否可能通过替换程序库来消除瓶颈。比如如果你的程序有I/O瓶颈,你可以考虑用stdio替代iostream,如果程序在动态分配和释放内存上使用了大量时间,你可以想想是否有其他的operator new 和 operator delete的实现可用(参见条款8和Effective C++条款10)。因为不同的程序库在效率、可扩展性、移植性、类型安全和其他一些领域上蕴含着不同的设计理念,通过变换使用给予性能更多考虑的程序库,你有时可以大幅度地提高软件的效率。