瘦身前后——兼谈C++语言进化

  前一阵子写了一篇文章,提到语言进化的职责之一,就是去除语言中的tricks(职责之二是去除非本质复杂性)。
  常看我blog的朋友肯定记得我曾写过的boost源码剖析系列。本来这个系列是打算成书的,但随着对C++的熟悉发生了一些转变,对语言级技术的热衷逐渐消退,再回过头来看boost库中的一些组件,发现原本觉得很有写的必要的东西顿时消失了。Scott Meyers的主页上也列有一个写Boost Under The Hood的计划,一直也不见成文,兴许也有类似的原因。
  一门语言应该是“Make simple things simple, make complex things possible”的。当我们用语言来表达思想的时候,这门语言应该能够提供这样的能力:即让我们能够最直接地表达我们的意思,多一分则太多,少一分则太少,好比古人形容美女:增一分则太肥,减一分则太瘦。
  这个问题上,有一个我认为是广泛的误解,就是“KISS便意味着要精简语言,并避免在编码中使用‘高阶’语言特性”。对此有一句话我觉得说得好:你不能通过从一门语言中去掉东西来增加表达力。高阶特性是一面利刃,用得不好固然伤了自己,但这并不表明就没有用。任何东西都是在它真正适用的地方适用,霸王硬上弓的话弓断弦崩反而伤及自身。所以,仅仅因为高阶特性轻易误用(而且高阶特性的确也轻易吸引人去用且轻易误用,不过这是另一个问题),就断然在任何地方都不用并宣称这样才是KISS的话,便因噎废食了。举个例子,高阶函数是有用的,假如在真正需要高阶函数的地方不用高阶函数,那不是KISS,只能让解决方案(或者更确切地说,workaround)更复杂。lambda函数是有用的,但假如在真正需要lambda的地方不使用lambda,也只能导致更复杂更不直观的workarounds。OOP是有用的,但假如你的程序本来就只是简单的“数据+操作”你偏要硬上OOP的话,不仅多了编码时间,而且还降低程序的可见度和可维护性,后者就意味着项目的money。拿C++来说,这是一个广为诟病的问题。C++的偏向底层的应用领域决定了有不少地方使用C++其实就是“数据+操作”,然而很多人却因为用的是C++编译器,便忍不住去使用高级特性,结果把本来简单的事情复杂化——我自己就有不少次这样的经历:用了一大堆类之后,做完了回过头来再看,这些类都干嘛来着?需要吗?最要害的就是要清楚自己做的是什么事情,以及什么工具才是对你所做的事情最适合的。
  说到这里不妨顺便说说另一个误解:“假如我反正用不着C++里面的高级特性,那还不如用C罢了”,鉴于C/C++的应用领域,的确有不少地方是可以用C++的C部分完成得很好的,所以这个误解被传播得还是蛮广泛的。这里的一个微妙的忽视在于:用C的话,你就用不到许多很好的C++库了。用C++的话,你完全可以在你自己的编码中不使用高阶特性(说实话,这需要清醒的头脑和丰富的经验,以及克制能力),但你还是可以利用众多的C++库来简化你的工作的:假如一个transform明明可以搞定的你偏要写一个for出来难道能叫KISS?假如一个vector就能避免绝大多数内存治理漏洞和简化内存治理工作你偏偏要手动malloc/free那能叫KISS(我见过不少用C++编码却到处都是malloc/free的)?假如最直接的方式是gc你偏偏要绕一大堆弯子才能保证正确释放那也不叫KISS(等C++09吧)。假如一个for_each(readdir_sequence(".", readdir_sequence::files), ::remove);能搞定的你偏要写:
  
  // in C
  DIR* dir = opendir(".");
  if(NULL != dir)
  {
  strUCt dirent* de;
  for(; NULL != (de = readdir(dir)); )
  {
  struct stat st;
  if( 0 == stat(de->d_name, &st) &&
  S_IFREG == (st.st_mode & S_IFMT))
  {
  remove(de->d_name);
  }
  }
  closedir(dir);
  }
  那能叫KISS?
  总之还是那句话:明确知道你想要表达的是什么并用最简洁(在不损害轻易理解性的前提下)的方式去表达它。但我认为,最KISS不代表最原始。
  进化——两个例子
  先举一个平易近人的例子(Walter Bright——D语言发明者——曾在他的一个presentation中使用这个例子),假如我们想要遍历一个数组,在C里面我们是这么做(或者用指针,不过指针有指针自己的问题):
  
  int arr[10];
  … // initialize arr
  for(int i = 0; i < 10; ++i)
  {
  int value = arr[i];
  …
  printf
  }
  这个貌似简单的循环其实有几个主要的问题:
  1. 下标索引不应该是int,而应该是size_t,int未必能足够存放一个数组的下标。
  2. value的类型依靠于arr内元素的类型,违反DRY,假如arr的类型改变为long或unsigned,就可能发生截断。
  3. 这种for只能对数组工作,假如是另一个自定义容器就不行了。
  在现代C++里面,则是这么做:
  
  for(std::vector<int>::iterator
  iter = v.begin();
  iter != v.end();
  ++iter) {
  …
  }
  其实最大的问题就是一天三遍的写,麻烦。for循环的这个问题上篇讲auto的时候也提到。
  Walter Bright然后就把D里面支持的foreach拿出来对比(当然,支持foreach的语言太多了,这也说明了这个结构的高效性)。
  
  foreach(i; v) {
  …
  }
  不多不少,刚好表达了意思:对v中的每个元素i做某某事情。
  这个例子有人说太Na?ve了,其实我也赞成,的确,天天不知道有多少程序员写下一个个的循环结构,究竟有多少出了上面提到的三个问题呢?最大的问题恐怕还是数组越界。此外大家也都亲身体验过违反DRY原则的后果:改了一处地方的类型,编译,发现到处都是类型错误,结果一通“查找——替换”是免不了的了,谁说程序员的时间是宝贵的来着?
  既然这个例子太Nave,那就说一个不那么Nave的。Java为什么要加入closure?以C++STL为例,假如我们要:
  transform(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v3.begin(), _1 + _2);
  也就是说将v1和v2里面的元素对应相加然后放到v3当中去。这里用了boost.lambda,但大家都知道boost.lambda又是一个经典的鸡肋。_1 + _2还算凑活,一旦表达式复杂了,或者其中牵涉到对其它函数的调用了,简直就是一场噩梦,比如说我们想把v1和v2中相应元素这样相加:f(_1) + f(_2),其中f是一个函数或仿函数,可以做加权或者其它处理,那么我们可以像下面这样写吗:
  transform(…, f(_1) + f(_2));
  答案是不行,你得这样写:
  
  transform(…,
  boost::bind(std::plus<int>(), boost::bind(f, _1), boost::bind(f, _1))
  );
  Lisper们笑了,Haskeller们笑了,就连Javaer们都笑了。It’s not even funny! 这显然违反了“simple things should be simple”原则。
  假如不想卷入C++ functional的噩梦的话,你也可以这么写:
  
  struct Op
  {
  int operator()(int a1, int a2) { return f(a1) + f(a2); }
  };
  transform(…, Op());
  稍微好一点,但这种做法也有很严重的问题。
  为什么Java加入closure,其实还是一个语法问题。从严格意义上,Java的anonymous class已经可以实现出一样的功能了,正如C++的functor一样。然而,代码是给人看的,语言是给人用来写代码的,代码的主要代价在维护,维护则需要阅读、理解。写代码的人不希望多花笔墨来写那些自己本不关心的东西,读代码的人也希望“所读即所表”,不想看到代码里面有什么弯子,最好是自然语言自然抽象才好呢。
  所以,尽管closure是一颗语法糖,但却是一颗很甜很甜的糖,因为有了closure你就可以写:
  
  transform(…, <>(a1, a2){ f(a1) + f(a2) });
  Simple things should be simple!
  此外,closure最强大的好处还是在于对局部变量的方便的引用,设想我们想要创建的表达式是:
  
  int weight1 = 0.3, weight2 = 0.6;
  transform(…, f(_1)*weight1 + f(_2)*weight2);
  当然,上面的语句是非法的,不过使用closure便可以写成:
  
  int weight1 = 0.3, weight2 = 0.6;
  transform(…, <&>(_1, _2){ f(_1)*weight1 + f(_2)*weight2 } );
  用functor class来实现同样的功能则要麻烦许多,一旦麻烦,就会error-prone,一旦error-prone,就会消耗人力,而人力,就是金钱。
  C++09也有希望加入lambda,不过这是另一个话题,下回再说。
  The Real Deal——variadic templates
  C++的callback类,Google一下,没有一打也有半打。其中尤数boost.function实现得最为灵活周到。然而,就在其灵活周到的接口下面,却是让人不忍卒读的实现;03年的时候我写的第一篇boost源码剖析就是boost.function的,当时还觉得能看懂那样的代码牛得不行...话说回来,那篇文章主要剖析了两个方面,一个是它对不同参数的函数类型是如何处理的,第二个是一个type-erase设施。其中第一个方面就占去了大部分的篇幅。
  简而言之,要实现一个泛型的callback类,就必须实现以下最常见的应用场景:
  
  function<int(int, int)> caller = f;
  int r = caller(1, 2); // call f
  为此function类模板里面肯定要有一个operator(),然而,接下来,如何定义这个operator()就成了问题:
  
  template<Signature>
  class function
  {
  operator()(???);
  };
  ???处填什么?返回值处的???可以解决,用一个traits:typename result_type<Signature>::type,但参数列表处的???呢?
  boost采用的办法也是C++98唯一的办法,就是为不同参数个数的Signature进行特化:
  
  template<typename R, typename T1>
  class function<R(T1)>
  {
  R operator()(T1 a1);
  };
  template<typename R, typename T1, typename T2>
  class function<R(T1, T2)>
  {
  R operator()(T1 a1, T2 a2);
  };
  template<typename R, typename T1, typename T2, typename T3>
  class function<R(T1, T2, T3)>
  {
  R operator()(T1 a1, T2 a2, T3 a3);
  };
  … // 再写下去页宽不够了,打住…
  如此一共N(N由一个宏控制)个版本。
  这种做法有两个问题:一,函数的参数个数始终还是受限的,你作出N个特化版本,那么对N+1个参数的函数就没辙了。boost::tuple也是这个问题。二,代码重复。每个特化版本里面除了参数个数不同之外基本其它都是相同的;boost解决这个问题的办法是利用宏,宏本身的一大堆问题就不说了,你只要打开boost.function的主体实现代码就知道有多糟糕了,近一千行代码,其中涉及元编程和宏技巧无数,可读性可以说基本为0。好在这是个标准库(boost.function将加入tr1)不用你维护,假如是你自己写了用的库,恐怕除了你谁也别想动了。所以第二个问题其实就是可读性可维护性问题,用Matthew Wilson的说法就是可发现性和透明性的问题,这是一个很严重的问题,许多C++现代库因为这个问题而遭到诟病。
  现在,让我们来看一看加入了variadic templates之后的C++09实现:
  
  template<typename R, typename... Args>
  struct invoker_base {
  virtual R invoke(Args...) = 0;
  virtual ~invoker_base() { }
  };
  template<typename F, typename R, typename... Args>
  struct functor_invoker : public invoker_base<R, Args...>
  {
  eXPlicit functor_invoker(F f) : f(f) { }
  R invoke(Args... args) { return f(args...); }
  private:
  F f;
  };
  template<typename Signature>
  class function;
  template<typename R, typename... Args>
  class function<R (Args...)>
  {
  public:
  template<typename F>
  function(F f) : invoker(0)
  {
  invoker = new functor_invoker<F, R, Args...>(f);
  }
  R operator()(Args... args) const
  {
  return invoker->invoke(args...);
  }
  private:
  invoker_base<R, Args...>* invoker;
  };
  整个核心实现就这些!一共才36行!加上析构函数拷贝构造函数等边角料一共也就70行!更重要的是,整个代码清楚无比,所有涉及到可变数目个模板参数的地方都由variadic templates代替。“Args…”恰如其分的表达了我们想要表达的意思——多个参数(数目不管)。与C++98的boost.function实现真是天壤之别!
  这里function_invoker是用的type-erase手法,具体可参见我以前写的boost.any源码剖析,或上篇讲auto的,或《C++ Template Metaprogramming》(内有元编程慎入!)。type-erase手法是像C++这样的弱RTTI支持的语言中少数真正实用的手法,某种程度上设计模式里面的adapter模式也是type-erase的一个变种。
  假如还觉得不够的话,可以参考variadic-templates的主页,上面的variadic templates proposal中带了三个tr1实现,分别是tuple,bind,function,当然,variadic-templates的好处远远不仅仅止于这三个实现,从本质上它提供了一种真正直接的表达意图的工具,完全避开了像下面这种horrible的workaround:
  
  template<class T1>
  cons(T1& t1, const null_type&, const null_type&, const null_type&,
  const null_type&, const null_type&, const null_type&,
  const null_type&, const null_type&, const null_type&)
  : head (t1) {}
  tuple的C++98实现,代码近千行。利用variadic-templates实现,代码仅百行。
  和这种更horrible的workaround:
  
  template<class R, class F, class A1, class A2, class A3, class A4, class A5, class A6>
  _bi::bind_t<R, F, typename _bi::list_av_6<A1, A2, A3, A4, A5, A6>::type>
  BOOST_BIND(boost::type<R>, F f, A1 a1, A2 a2, A3 a3, A4 a4, A5 a5, A6 a6)
  {
  typedef typename _bi::list_av_6<A1, A2, A3, A4, A5, A6>::type list_type;
  return _bi::bind_t<R, F, list_type>(f, list_type(a1, a2, a3, a4, a5, a6));
  }
  小小的boost.bind,实现代码逾两千行,其间重复代码无数。用了variadic-templates,实现不过百行。
  BTW. variadic templates在C++大会上一次性几乎全数投票通过。lambda能不能进标准则要看几个提案者的工作。目前还没有Wording出来。不过只要出了wording想必也会像variadic templates那样压倒性通过的。