Эффективное использование STL - Скотт Мейерс

Данный пример убедительно показывает, что программирование циклов часто бывает связано с трудностями. Программисту приходится постоянно следить за тем, чтобы итераторы в процессе цикла не стали недействительными или с ними не были выполнены недопустимые операции. Другой пример скрытого перехода итераторов в недействительное состояние приведен при описании циклических вызовов erase в совете 9.

Применение недействительных итераторов приводит к непредсказуемым последствиям, которые редко проявляются на стадии разработки и тестирования. Так зачем идти на риск, если без этого можно обойтись? Поручите работу алгоритмам, пусть они беспокоятся о технических подробностях операций с итераторами.

Итак, я объяснил, почему алгоритмы обычно работают эффективнее «ручных» циклов и почему при работе с циклами возникают многочисленные трудности, отсутствующие при использовании алгоритмов. Если мне повезло, вы поверили в силу алгоритмов, но везение — вещь ненадежная, а я хочу окончательно разобраться в этом вопросе перед тем, как следовать дальше. Мы переходим к следующему фактору: наглядности кода. В долгосрочной перспективе принцип наглядности очень важен, поскольку наглядную программу проще понять, она проще усовершенствуется, сопровождается и адаптируется в соответствии с новыми требованиями. Циклические конструкции выглядят привычнее, но алгоритмы обладают значительными преимуществами.

Одним из ключевых преимуществ является семантическая сила стандартных имен. В STL существует 70 имен алгоритмов, с учетом перегрузки (overloading) получается более 100 различных шаблонов функций. Каждый алгоритм выполняет четко определенную задачу, и вполне логично ожидать, что профессиональный программист C++ знает эти задачи (или легко найдет нужную информацию). Таким образом, при виде вызова transform программист понимает, что некоторая функция применяется ко всем объектам в интервале, а результат куда-то записывается. При виде вызова replace_if он знает, что программа модифицирует все объекты интервала, удовлетворяющие некоторому предикату. Вызов partition наводит на мысль о том, что объекты интервала перемещаются с группировкой всех объектов, удовлетворяющих предикату (см. совет 31). Имена алгоритмов STL несут большую семантическую нагрузку и более четко выражают смысл происходящего, чем любые циклы.

При виде цикла for, while и do программист знает только одно — программа многократно выполняет некоторые действия. Чтобы получить хотя бы примерное представление о происходящем, необходимо изучить тело цикла. С алгоритмами дело обстоит иначе, сам вызов алгоритма характеризует суть происходящего. Конечно, для полноценного понимания необходимо проанализировать аргументы, передаваемые алгоритму, но обычно это требует меньшей работы, чем анализ обобщенной циклической конструкции.

Проще говоря, имена алгоритмов информативны, а ключевые слова for, while или do — нет. Впрочем, это относится практически ко всем компонентам стандартных библиотек C и C++. Никто не запрещает вам написать собственную реализацию strlen, memset или bsearch, но вы этого не делаете. Почему? Во-первых, кто-то уже сделал это за вас, и нет смысла повторять уже выполненную работу; во-вторых, имена этих функций стандартны, и все знают, что они делают; в-третьих, можно предположить, что автор библиотеки знает приемы оптимизации, недоступные для вас, и отказываться от возможного повышения эффективности было бы неразумно. А раз вы не пишете собственные версии strlen и т. д., то было бы нелогично программировать циклы, дублирующие функциональность готовых алгоритмов STL.

На этом я бы хотел завершить данный совет, поскольку финал выглядит довольно убедительно. К сожалению, тема не поддается столь однозначной трактовке.

Действительно, имена алгоритмов информативнее простых циклов, но четкая формулировка действий, выполняемых при каждой итерации, иногда бывает нагляднее вызова алгоритма. Допустим, нам потребовалось найти первый элемент вектора, значение которого лежит в заданном диапазоне <x, y>. В цикле это делается так:

vector<int> v;

int х, у;

vector<int>::iterator i=v.begin(); // Перебирать элементы, начиная

for(; i!=v.end(); ++i){            // с v.begin(), до нахождения нужного

 if(*i > x && *i < y)) break;      // элемента или достижения v.end()

}

… // После завершения цикла

  // i указывает на искомый элемент

  // или совпадает с v.end()

То же самое можно сделать и при помощи find_if, но для этого придется воспользоваться нестандартным адаптером объекта функции — например, compose2 из реализации SGI (см. совет 50):

vector<int>::iterator i =

 find_if(v.begin(), v.end(),   // Найти первое значение val,

 compose2(logical_and<bool>(), // для которого одновременно

 bind2nd(greater<int>(), x),   // истинны условия

 bind2nd(less<int>(), y)));    // val>x, и val<y

Но даже если бы нестандартные компоненты не использовались, многие программисты полагают, что вызов алгоритма значительно уступает циклу по наглядности, и я склонен с ними согласиться (см. совет 47).

Вызов find_if можно было бы упростить за счет выделения логики проверки в отдельный класс функтора.

template<typename T>

class BetweenValues:

 public unary_function<T, bool> { // См. совет 40

public:

 BetweenValues(const T& lowValue, const T& highValue) :

  lowVal(lowValue), highVal(highValue) {}

 bool operator()(const T& val) const {

  return val > lowVal && val < highVal;

 }

private:

 T lowVal;

 T highVal;

};

…

vector<int> iterator i = find_if(v.begin(), v.end(),

 BetweenValues<int>(x, y));

Однако у такого решения имеются свои недостатки. Во-первых, создание шаблона BetweenValues требует значительно большей работы, чем простое написание тела цикла. Достаточно посчитать строки в программе: тело цикла — одна строка, BetweenValues — четырнадцать строк. Соотношение явно не в пользу алгоритма. Во-вторых, описание критерия поиска физически отделяется от вызова. Чтобы понять смысл вызова find_if, необходимо найти определение BetweenValues, но оно должно располагаться вне функции, содержащей вызов find_if. Попытка объявить BetweenValues внутри функции, содержащей вызов find_if:

{ // Начало функции

 …

 template<typename T>

 class BetweenValues: public unary_function<T, bool> {…};

 vector<int>::iterator i = find_if(v.begin(), v.end(),

  BetweenValues<int>(x, у));

} // Конец функции

не компилируется, поскольку шаблоны не могут объявляться внутри функций. Если попробовать обойти это ограничение посредством реализации BetweenValues в виде класса:

{ // Начало функции

 …

 class BetweenValues: public unary_function<int, bool> {…};

 vector<int>::iterator i = find_if(v.begin(), v.end(),

  BetweenValues(x, y));

} // Конец функции

все равно ничего не получается, поскольку классы, определяемые внутри функций, являются локальными, а локальные классы не могут передаваться в качестве аргументов шаблонов (как функтор, передаваемый find_if). Печально, но классы функторов и шаблоны классов функторов не разрешается определять внутри функций, как бы удобно это ни было.

В контексте борьбы между вызовами алгоритмов и циклами это означает, что выбор определяется исключительно содержимым цикла. Если алгоритм уже умеет делать то, что требуется, или нечто очень близкое, вызов алгоритма более нагляден. Если задача элементарно решается в цикле, а при использовании алгоритма требует сложных нагромождений адаптеров или определения отдельного класса функтора, вероятно, лучше ограничиться циклом. Наконец, если в цикле приходится выполнять очень длинные и сложные операции, выбор снова склоняется в пользу алгоритмов, потому что длинные и сложные операции лучше оформлять в отдельных функциях. После того как тело цикла будет перенесено в отдельную функцию, почти всегда удается передать эту функцию алгоритму (особенно часто — алгоритму for_each) так, чтобы полученный код был более наглядным и прямолинейным.

Если вы согласны с тем, что вызовы алгоритмов обычно предпочтительнее циклов, а также с тем, что интервальные функции обычно предпочтительнее циклического вызова одноэлементных функций (см, совет 5), можно сделать интересный вывод: хорошо спроектированная программа C++, использующая STL, содержит гораздо меньше циклических конструкций, чем аналогичная программа, не использующая STL, и это хорошо. Замена низкоуровневых конструкций for, while и do высокоуровневыми терминами insert, find и foreach повышает уровень абстракции и упрощает программирование, документирование, усовершенствование и сопровождение программы.