Скотт Мейерс - Эффективный и современный С++. 42 рекомендации по использованию С++11 и С++14

В С++11 два ограничения предотвращают объявление функций-членов Point setXи setYкак constexpr. Во-первых, они модифицируют объект, с которым работают, а в С++11 функции-члены constexprнеявно являются const. Во-вторых, они имеют возвращаемый тип void, а voidне является литеральным типом в С++11. Оба эти ограничения сняты в С++14, так что в С++14 даже функции установки полей Pointмогут быть объявлены как constexpr:

class Point {

public:

constexprvoid setX(double newX) noexcept // С++14

{ x = newX;}

constexpr void setY(double newY) noexcept // С++14

{ y = newY; }

};

Это делает возможным написание функций наподобие следующей:

// Возвращает отражение точки p

// oтнocитeльнo начала координат (С++14)

constexpr Point reflection(const Point& p) noexcept {

Point result; // Нeкoнcтантный объект Point

result.setX(-p.xValue()); // Установка его полей x и y

result.setY(-p.yValue());

return result; // Возврат копии

}

Соответствующий клиентский код имеет вид:

constexpr Point p1(9.4, 27.7); // Как и выше

constexpr Point p2(28.8, 5.3);

constexpr auto mid = midpoint(p1, p2);

constexpr auto reflectedMid = // reflectedMid пpeдcтавляeт

reflection(mid); // собой (-19.1 -16.5) и

// известно во время компиляции

Совет из этого раздела заключается в том, чтобы использовать constexprвезде, где это только возможно, и теперь, надеюсь, вам понятно, почему: и объекты constexpr, и constexpr-функции могут применяться в более широком диапазоне контекстов, чем объекты и функции, не являющиеся constexpr. Применяя constexpr, где это возможно, вы максимизируете диапазон ситуаций, в которых ваши объекты и функции могут быть использованы.

Важно отметить, что constexprявляется частью интерфейса объекта или функции. constexprпровозглашает: “Меня можно использовать в контексте, где для С++ требуется константное выражение”. Если вы объявляете объект или функцию как constexpr, клиенты могут использовать их в указанных контекстах. Если позже вы решите, что такое использование constexprбыло ошибкой, и удалите его, то это может привести к тому, что большое количество клиентского кода перестанет компилироваться. (Простое действие, заключающееся в добавлении в функцию отладочного вывода для отладки или настройки производительности может привести к таким проблемам, поскольку инструкции ввода-вывода в общем случае в constexpr-функциях недопустимы.) Часть “где это возможно” совета является вашей доброй волей на придание долгосрочного характера данному ограничению на объекты и функции, к которым вы его применяете.

• Объекты constexprявляются константными и инициализируются объектами, значения которых известны во время компиляции.

• Функции constexprмогут производить результаты времени компиляции при вызове с аргументами, значения которых известны во время компиляции.

• Объекты и функции constexprмогут использоваться в более широком диапазоне контекстов по сравнению с объектами и функциями, не являющимися constexpr.

• constexprявляется частью интерфейса объектов и функций.

Если мы работаем в области математики, нам может пригодиться класс, представляющий полиномы. В этом классе было бы неплохо иметь функцию для вычисления корней полинома, т.e. значений, при которых значение полинома равно нулю. Такая функция не должна модифицировать полином, так что ее естественно объявить как const:

class Polynomial {

public:

using RootsType = // Структура данных, хранящая

std::vector; // значения, где полином равен нулю

… // (см. "using" в разделе 3.3)

RootsType roots() const;

};

Вычисление корней — трудная дорогостоящая операция, так что мы не хотим их вычислять до того, как они реально потребуются. Но если они нам требуются, то, определенно, требуются не один раз. Поэтому мы будем кешировать корни полиномов, если нам приходится их вычислять, и реализуем rootsтак, чтобы функция возвращала кешированное значение. Вот как выглядит такой подход:

class Polynomial {

public:

using RootsType = std::vector;

RootsType roots() const {

if (!rootsAreValid) { // Если кеш некорректен,

… // вычисляем корни и сохраняем

// их в in rootVals

rootsAreValid = true;

}

return rootVals;

}

private:

mutable bool rootsAreValid{ false }; // См. инициализаторы

mutable RootsType rootVals{}; // в разделе 3.1

};

Концептуально rootsне изменяет объект Polynomial, с которым работает, но в качестве части кеширующих действий может потребоваться изменение rootValsи rootsAreValid. Это классический случай использования mutable, и именно поэтому эти данные-члены объявлены с данным модификатором.

Представим теперь, что два потока одновременно вызывают rootsдля объекта Polynomial:

Polynomial p;

…

/*----- Поток 1 ----- */ /*------- Поток 2 ------- */

auto rootsOfP = p.roots(); auto valsGivingZero = p.roots();

Этот клиентский код совершенно разумен. Функция rootsявляется константной функцией-членом, и это означает, что она представляет операцию чтения. Выполнение операций чтения несколькими потоками одновременно без синхронизации вполне безопасно. Как минимум предполагается, что это так. В данном случае это не так, поскольку в функции rootsодин или оба эти потока могут попытаться изменить члены-данные rootsAreValidи rootVals. Это означает, что данный код может одновременно читать и записывать одни и те же ячейки памяти без синхронизации, а это — определение гонки данных. Такой код имеет неопределенное поведение.

Проблема заключается в том, что функция rootsобъявлена как const, но не является безопасной с точки зрения потоков. Объявление constявляется корректным как в С++11, так и в С++98 (вычисление корней полинома не изменяет сам полином), так что коррекция нужна для повышения безопасности потоков.

Простейший способ решения проблемы обычно один: применение mutex:

class Polynomial {

public:

using RootsType = std::vector;

RootsType roots() const {

std::lock_guard g(m);// Блокировка мьютекса

if (!rootsAreValid) { // Если кеш некорректен

… // Вычисление корней

rootsAreValid = true;

}

return rootVals;

} // Разблокирование

private:

mutable std::mutex m;

mutable bool rootsAreValid{ false };

mutable RootsType rootVals{};

};

Мьютекс std::mutex mобъявлен как mutable, поскольку его блокировка и разблокирование являются неконстантными функциями, а в противном случае в константной функции-члене rootsмьютекс mрассматривается как константный объект.