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吾尝终日而思矣,不如须臾之所学也。吾尝跂而望矣,不如登高之博见也。……君子生非异也,善假于物也。

C++ 工程实践(8):值语义

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本文是前一篇《C++ 工程实践(7):iostream 的用途与局限》的后续,在这篇文章的“iostream 与标准库其他组件的交互”一节,我简单地提到iostream的对象和C++标准库中的其他对象(主要是容器和string)具有不同的语义,主要体现在iostream不能拷贝或赋值。今天全面谈一谈我对这个问题的理解。

本文的“对象”定义较为宽泛,a region of memory that has a type,在这个定义下,int、double、bool 变量都是对象。

什么是值语义

值语义(value sematics)指的是对象的拷贝与原对象无关,就像拷贝 int 一样。C++ 的内置类型(bool/int/double/char)都是值语义,标准库里的 complex<> 、pair<>、vector<>、map<>、string 等等类型也都是值语意,拷贝之后就与原对象脱离关系。Java 语言的 primitive types 也是值语义。

与值语义对应的是“对象语义/object sematics”,或者叫做引用语义(reference sematics),由于“引用”一词在 C++ 里有特殊含义,所以我在本文中使用“对象语义”这个术语。对象语义指的是面向对象意义下的对象,对象拷贝是禁止的。例如 muduo 里的 Thread 是对象语义,拷贝 Thread 是无意义的,也是被禁止的:因为 Thread 代表线程,拷贝一个 Thread 对象并不能让系统增加一个一模一样的线程。

同样的道理,拷贝一个 Employee 对象是没有意义的,一个雇员不会变成两个雇员,他也不会领两份薪水。拷贝 TcpConnection 对象也没有意义,系统里边只有一个 TCP 连接,拷贝 TcpConnection  对象不会让我们拥有两个连接。Printer 也是不能拷贝的,系统只连接了一个打印机,拷贝 Printer 并不能凭空增加打印机。凡此总总,面向对象意义下的“对象”是 non-copyable。

Java 里边的 class 对象都是对象语义/引用语义。ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>(); ArrayList<Integer> b = a; 那么 a 和 b 指向的是同一个ArrayList 对象,修改 a 同时也会影响 b。

值语义与 immutable 无关。Java 有 value object 一说,按(PoEAA 486)的定义,它实际上是 immutable object,例如 String、Integer、BigInteger、joda.time.DateTime 等等(因为 Java 没有办法实现真正的值语义 class,只好用 immutable object 来模拟)。尽管 immutable object 有其自身的用处,但不是本文的主题。muduo 中的 Date、Timestamp 也都是 immutable 的。

C++中的值语义对象也可以是 mutable,比如 complex<>、pair<>、vector<>、map<>、string 都是可以修改的。muduo 的 InetAddress 和 Buffer 都具有值语义,它们都是可以修改的。

值语义的对象不一定是 POD,例如 string 就不是 POD,但它是值语义的。

值语义的对象不一定小,例如 vector<int> 的元素可多可少,但它始终是值语义的。当然,很多值语义的对象都是小的,例如complex<>、muduo::Date、muduo::Timestamp。

值语义与生命期

值语义的一个巨大好处是生命期管理很简单,就跟 int 一样——你不需要操心 int 的生命期。值语义的对象要么是 stack object,或者直接作为其他 object 的成员,因此我们不用担心它的生命期(一个函数使用自己stack上的对象,一个成员函数使用自己的数据成员对象)。相反,对象语义的 object 由于不能拷贝,我们只能通过指针或引用来使用它。

一旦使用指针和引用来操作对象,那么就要担心所指的对象是否已被释放,这一度是 C++ 程序 bug 的一大来源。此外,由于 C++ 只能通过指针或引用来获得多态性,那么在C++里从事基于继承和多态的面向对象编程有其本质的困难——资源管理。

考虑一个简单的对象建模——家长与子女:a Parent has a Child, a Child knows his/her Parent。在 Java 里边很好写,不用担心内存泄漏,也不用担心空悬指针:

public class Parent
{
    private Child myChild;
}
    
public class Child
{
    private Parent myParent;
}

只要正确初始化 myChild 和 myParent,那么 Java 程序员就不用担心出现访问错误。一个 handle 是否有效,只需要判断其是否 non null。

在 C++ 里边就要为资源管理费一番脑筋:Parent 和 Child 都代表的是真人,肯定是不能拷贝的,因此具有对象语义。Parent 是直接持有 Child 吗?抑或 Parent 和 Child 通过指针互指?Child 的生命期由 Parent 控制吗?如果还有 ParentClub 和 School 两个 class,分别代表家长俱乐部和学校:ParentClub has many Parent(s),School has many Child(ren),那么如何保证它们始终持有有效的 Parent 对象和 Child 对象?何时才能安全地释放 Parent 和 Child ?

直接但是易错的写法:

class Child;

class Parent : boost::noncopyable
{
 private:
  Child* myChild;
};

class Child : boost::noncopyable
{
 private:
  Parent* myParent;
};

如果直接使用指针作为成员,那么如何确保指针的有效性?如何防止出现空悬指针?Child 和 Parent 由谁负责释放?在释放某个 Parent 对象的时候,如何确保程序中没有指向它的指针?在释放某个 Child 对象的时候,如何确保程序中没有指向它的指针?

这一系列问题一度是C++面向对象编程头疼的问题,不过现在有了 smart pointer,我们可以借助 smart pointer 把对象语义转换为值语义,从而轻松解决对象生命期:让 Parent 持有 Child 的 smart pointer,同时让 Child 持有 Parent 的 smart pointer,这样始终引用对方的时候就不用担心出现空悬指针。当然,其中一个 smart pointer 应该是 weak reference,否则会出现循环引用,导致内存泄漏。到底哪一个是 weak reference,则取决于具体应用场景。

如果 Parent 拥有 Child,Child 的生命期由其 Parent 控制,Child 的生命期小于 Parent,那么代码就比较简单:

class Parent;
class Child : boost::noncopyable
{
 public:
  explicit Child(Parent* myParent_)
    : myParent(myParent_)
  {
  }

 private:
  Parent* myParent;
};

class Parent : boost::noncopyable
{
 public:
  Parent()
    : myChild(new Child(this))
  {
  }

 private:
  boost::scoped_ptr<Child> myChild;
};

在上面这个设计中,Child 的指针不能泄露给外界,否则仍然有可能出现空悬指针。

如果 Parent 与 Child 的生命期相互独立,就要麻烦一些:

class Parent;
typedef boost::shared_ptr<Parent> ParentPtr;

class Child : boost::noncopyable
{
 public:
  explicit Child(const ParentPtr& myParent_)
    : myParent(myParent_)
  {
  }

 private:
  boost::weak_ptr<Parent> myParent;
};
typedef boost::shared_ptr<Child> ChildPtr;


class Parent : public boost::enable_shared_from_this<Parent>,
               private boost::noncopyable
{
 public:
  Parent()
  {
  }

  void addChild()
  {
    myChild.reset(new Child(shared_from_this()));
  }

 private:
  ChildPtr myChild;
};

int main()
{
  ParentPtr p(new Parent);
  p->addChild();
}

上面这个 shared_ptr+weak_ptr 的做法似乎有点小题大做。

考虑一个稍微复杂一点的对象模型:a Child has parents: mom and dad; a Parent has one or more Child(ren); a Parent knows his/her spouser. 这个对象模型用 Java 表述一点都不复杂,垃圾收集会帮我们搞定对象生命期。

public class Parent
{
    private Parent mySpouser;
    private ArrayList<Child> myChildren;
}

public class Child
{
    private Parent myMom;
    private Parent myDad;
}

如果用 C++ 来实现,如何才能避免出现空悬指针,同时避免出现内存泄漏呢?借助 shared_ptr 把裸指针转换为值语义,我们就不用担心这两个问题了:

class Parent;
typedef boost::shared_ptr<Parent> ParentPtr;

class Child : boost::noncopyable
{
 public:
  explicit Child(const ParentPtr& myMom_,
                 const ParentPtr& myDad_)
    : myMom(myMom_),
      myDad(myDad_)
  {
  }

 private:
  boost::weak_ptr<Parent> myMom;
  boost::weak_ptr<Parent> myDad;
};
typedef boost::shared_ptr<Child> ChildPtr;

class Parent : boost::noncopyable
{
 public:
  Parent()
  {
  }

  void setSpouser(const ParentPtr& spouser)
  {
    mySpouser = spouser;
  }

  void addChild(const ChildPtr& child)
  {
    myChildren.push_back(child);
  }

 private:
  boost::weak_ptr<Parent> mySpouser;
  std::vector<ChildPtr> myChildren;
};

int main()
{
  ParentPtr mom(new Parent);
  ParentPtr dad(new Parent);
  mom->setSpouser(dad);
  dad->setSpouser(mom);
  {
    ChildPtr child(new Child(mom, dad));
    mom->addChild(child);
    dad->addChild(child);
  }
  {
    ChildPtr child(new Child(mom, dad));
    mom->addChild(child);
    dad->addChild(child);
  }
}

如果不使用 smart pointer,用 C++ 做面向对象编程将会困难重重。

值语义与标准库

C++ 要求凡是能放入标准容器的类型必须具有值语义。准确地说:type 必须是 SGIAssignable concept 的 model。但是,由 于C++ 编译器会为 class 默认提供 copy constructor 和 assignment operator,因此除非明确禁止,否则 class 总是可以作为标准库的元素类型——尽管程序可以编译通过,但是隐藏了资源管理方面的 bug。

因此,在写一个 class 的时候,先让它继承 boost::noncopyable,几乎总是正确的。

在现代 C++ 中,一般不需要自己编写 copy constructor 或 assignment operator,因为只要每个数据成员都具有值语义的话,编译器自动生成的 member-wise copying&assigning 就能正常工作;如果以 smart ptr 为成员来持有其他对象,那么就能自动启用或禁用 copying&assigning。例外:编写 HashMap 这类底层库时还是需要自己实现 copy control。

值语义与C++语言

C++ 的 class 本质上是值语义的,这才会出现 object slicing 这种语言独有的问题,也才会需要程序员注意 pass-by-value 和 pass-by-const-reference 的取舍。在其他面向对象编程语言中,这都不需要费脑筋。

值语义是C++语言的三大约束之一,C++ 的设计初衷是让用户定义的类型(class)能像内置类型(int)一样工作,具有同等的地位。为此C++做了以下设计(妥协):

  • class 的 layout 与 C struct 一样,没有额外的开销。定义一个“只包含一个 int 成员的 class ”的对象开销和定义一个 int 一样。
  • 甚至 class data member 都默认是 uninitialized,因为函数局部的 int 是 uninitialized。
  • class 可以在 stack 上创建,也可以在 heap 上创建。因为 int 可以是 stack variable。
  • class 的数组就是一个个 class 对象挨着,没有额外的 indirection。因为 int 数组就是这样。
  • 编译器会为 class 默认生成 copy constructor 和 assignment operator。其他语言没有 copy constructor 一说,也不允许重载 assignment operator。C++ 的对象默认是可以拷贝的,这是一个尴尬的特性。
  • 当 class type 传入函数时,默认是 make a copy (除非参数声明为 reference)。因为把 int 传入函数时是 make a copy。
  • 当函数返回一个 class type 时,只能通过 make a copy(C++ 不得不定义 RVO 来解决性能问题)。因为函数返回 int 时是 make a copy。
  • 以 class type 为成员时,数据成员是嵌入的。例如 pair<complex<double>, size_t> 的 layout 就是 complex<double> 挨着 size_t。

这些设计带来了性能上的好处,原因是 memory locality。比方说我们在 C++ 里定义 complex<double> class,array of complex<double>, vector<complex<double> >,它们的 layout 分别是:(re 和 im 分别是复数的实部和虚部。)

value1

而如果我们在 Java 里干同样的事情,layout 大不一样,memory locality 也差很多:

value2

Java 里边每个 object 都有 header,至少有两个 word 的开销。对比 Java 和 C++,可见 C++ 的对象模型要紧凑得多。

待续

下一篇文章我会谈与值语义紧密相关的数据抽象(data abstraction),解释为什么它是与面向对象并列的一种编程范式,为什么支持面向对象的编程语言不一定支持数据抽象。C++在最初的时候是以 data abstraction 为卖点,不过随着时间的流逝,现在似乎很多人只知 Object-Oriented,不知 data abstraction 了。C++ 的强大之处在于“抽象”不以性能损失为代价,下一篇文章我们将看到具体例子。

posted on 2011-08-16 21:14 陈硕 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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