More effective C++:效率（2）

Item M21：通过重载避免隐式类型转换

通过函数重载来避免隐式类型转换带来的性能开销。当一个用户自定义类型（如 UPInt）与一个基本类型（如 int）一起使用算术运算符（如 +）时，C++ 编译器会尝试通过创建临时对象来进行隐式类型转换，以便能够调用相应的运算符重载函数。虽然这使得编程更加方便，但同时也带来了不必要的性能开销，因为每次都需要创建临时对象。

为了避免这种开销，建议显式地为不同类型的参数重载运算符。例如，对于 UPInt 类，可以重载 operator+ 以接受一个 UPInt 和一个 int 作为参数，或者两个 UPInt 作为参数。这样做可以让编译器直接选择正确的重载版本，而不是创建临时对象来匹配已有的重载版本。

cpp 复制代码

class UPInt { // 无限精度整数类
public:
    UPInt();
    UPInt(int value);
    // 其他成员函数...
};

// 重载运算符以支持不同类型的参数
const UPInt operator+(const UPInt& lhs, const UPInt& rhs); // 加两个 UPInt
const UPInt operator+(const UPInt& lhs, int rhs);           // 加一个 UPInt 和一个 int
const UPInt operator+(int lhs, const UPInt& rhs);           // 加一个 int 和一个 UPInt
// 示例使用
UPInt upi1, upi2;
UPInt upi3 = upi1 + upi2; // 直接调用两个 UPInt 参数的重载
upi3 = upi1 + 10;         // 直接调用一个 UPInt 和一个 int 参数的重载
upi3 = 10 + upi2;         // 直接调用一个 int 和一个 UPInt 参数的重载

作者强调了一个重要的点，即不应该重载只有基本类型参数的运算符，如 const UPInt operator+(int lhs, int rhs);，因为 C++ 规定每个重载的运算符至少需要一个用户定义类型的参数。这是因为如果允许对基本类型重载运算符，可能会导致预定义行为的意外改变，进而引发程序错误。

如果允许程序员重载这些基本类型的运算符，那么就有可能改变这些基本类型的默认行为。如果允许重载 int + int，那么 2 + 2 可能不再等于 4，而是其他值，这会导致程序行为不可预测。

Item M22：考虑用运算符的赋值形式（op=）取代其单独形式（op）

整理后的代码及解释

定义 Rational 类

首先，定义一个简单的 Rational 类，用于表示有理数，并实现 operator+= 和 operator-=：

cpp 复制代码

class Rational {
public:
    Rational(int numerator = 0, int denominator = 1) : num(numerator), den(denominator) {
        if (den == 0) {
            throw std::invalid_argument("Denominator cannot be zero");
        }
        normalize();
    }
    Rational& operator+=(const Rational& rhs) {
        num = num * rhs.den + rhs.num * den;
        den *= rhs.den;
        normalize();
        return *this;
    }
    Rational& operator-=(const Rational& rhs) {
        num = num * rhs.den - rhs.num * den;
        den *= rhs.den;
        normalize();
        return *this;
    }
private:
    void normalize() {
        int gcd = std::gcd(num, den);
        num /= gcd;
        den /= gcd;
    }
    int num; // 分子
    int den; // 分母
};

实现 operator+ 和 operator- 通过 operator+= 和 operator-=

接下来，通过 operator+= 和 operator-= 来实现 operator+ 和 operator-：

cpp 复制代码

const Rational operator+(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    return Rational(lhs) += rhs;
}
const Rational operator-(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
    return Rational(lhs) -= rhs;
}

使用模板实现通用的 operator+ 和 operator-

为了进一步简化代码，可以使用模板来实现通用的 operator+ 和 operator-：

cpp 复制代码

template<class T>
const T operator+(const T& lhs, const T& rhs) {
    return T(lhs) += rhs;
}
template<class T>
const T operator-(const T& lhs, const T& rhs) {
    return T(lhs) -= rhs;
}

效率：operator+= 和 operator-= 是赋值运算符，它们直接在左操作数上进行操作，不需要创建临时对象。这使得它们比单独的 operator+ 和 operator- 更高效。

代码复用：通过 operator+= 和 operator-= 来实现 operator+ 和 operator-，可以减少代码重复，只需要维护 operator+= 和 operator-=。

避免临时对象：operator+ 和 operator- 通过创建临时对象来调用 operator+= 和 operator-=，但这仍然是一个高效的实现方式，因为临时对象的创建和销毁开销相对较小。

临时对象：operator+ 和 operator- 会创建临时对象，这可能会带来一些开销。但是，现代编译器通常会进行返回值优化（RVO），减少临时对象的创建和销毁开销。

使用未命名的临时对象（如 return T(lhs) += rhs;）通常比命名对象（如 T result(lhs); return result += rhs;）更高效，因为未命名对象更容易被编译器优化。

通过实现 operator+= 和 operator-=，并利用这些赋值运算符来实现 operator+ 和 operator-，可以确保代码的高效性和一致性

Item M23：考虑变更程序库

理想的程序库应该是短小、快速、强大、灵活、可扩展、直观、普遍适用、有良好支持、没有使用约束、没有错误的。但现实中不可能同时具备所有这些特性。不同的设计者会对这些特性赋予不同的优先级，因此即使是提供相同功能的程序库，其性能特征也可能完全不同。

iostream 和 stdio 的比较：

类型安全和可扩展性：iostream 是类型安全的，支持面向对象的扩展，而 stdio 则不具备这些特性。

性能：stdio 通常在执行速度和生成的执行文件大小上优于 iostream。作者通过一个基准测试（benchmark）程序验证了这一点，结果显示 stdio 在大多数情况下更快，有时甚至快很多。

代码实现：stdio 的高效性主要来自于其代码实现，特别是在运行时解析格式字符串的方式。而 iostream 在编译时确定操作数的类型，理论上可以更高效，但实际表现取决于具体的实现。

性能优化：

一旦找到软件的瓶颈（通过性能分析工具如 profiler），可以考虑更换程序库来消除瓶颈。例如，如果程序有 I/O 瓶颈，可以考虑用 stdio 替代 iostream；如果程序在动态内存分配和释放上花费大量时间，可以考虑使用其他 operator new 和 operator delete 的实现。

Item M24：理解虚拟函数、多继承、虚基类和 RTTI 所需的代价

1. 虚拟函数（Virtual Functions）

虚拟函数的实现通常依赖于虚拟表（vtbl）和虚拟表指针（vptr）。每个包含虚函数的类都有一个 vtbl，其中包含指向虚函数实现的指针。每个对象都有一个 vptr，指向其类的 vtbl。

性能和内存开销：对象大小：每个包含虚函数的对象都会有一个额外的 vptr，增加了对象的大小。

类数据：每个类需要一个 vtbl，其大小与类中声明的虚函数数量成正比。

函数调用开销：调用虚函数需要通过 vptr 查找 vtbl，再通过 vtbl 查找函数指针，这比调用非虚函数稍微复杂一些，但通常不是性能瓶颈。

内联限制：虚函数不能内联，因为其调用只能在运行时确定。

2. 多继承（Multiple Inheritance）

在多继承中，对象可能有多个 vptr，每个基类对应一个 vptr。每个基类可能有自己的 vtbl，派生类还需要生成特殊的 vtbl。

对象大小：多继承增加了对象的复杂性，对象中可能有多个 vptr，增加了对象的大小。

类数据：多继承增加了 vtbl 的数量和复杂性，增加了类数据的大小。

函数调用开销：多继承使得查找 vptr 和 vtbl 更复杂，增加了函数调用的开销。

3. 虚基类（Virtual Base Classes）

虚基类用于避免多继承时基类数据成员的重复。

实现虚基类通常需要在对象中添加额外的指针，指向虚基类。

对象大小：虚基类增加了对象的大小，因为需要额外的指针。

类数据：虚基类可能需要额外的 vtbl 和 vptr，增加了类数据的大小。

函数调用开销：虚基类使得对象布局更复杂，增加了函数调用的开销。

4. 运行时类型识别（RTTI）

RTTI 通过 typeid 操作符获取对象的类型信息。

类的 vtbl 中包含一个指向 type_info 对象的指针，用于存储类型信息。

对象大小：RTTI 本身不会增加对象的大小，因为它依赖于 vtbl。

类数据：每个类需要一个 type_info 对象，增加了类数据的大小。

函数调用开销：RTTI 的开销主要在于查找 type_info 对象，通常不是性能瓶颈。