将与参数无关的代码抽离templates——条款44

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原创最新推荐文章于 2026-08-23 14:56:14 发布 377 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

基于卷积神经网络的人脸识别算法摘要：近年来,随着科学技术的不断发展,人脸识别技术日渐成熟,使得人脸识别技术的使用率不断增大。例如:门禁、ATM机、公安系统以及新兴起的人机交互等领域,都应用到了人脸识别系统。在人脸识别研究领域中,深度学习扮演着重要的角色。由于深度学习的人脸识别技术凭借其识别率高、识别快等特点,逐渐成为整个领域的主流技术。在众多深度学习算法中,以卷积神经网络为代表的人脸识别系统得到了广泛应用,主要研究内容如下:首先,通过对经典损失函数进行研究,对比每种损失函数的特点,然后根据A-Softmax函数进行改进,借助Margin 阅读详情

Templates是节省时间和避免代码重复的一个奇方妙法。不再需要键入20个类似的classes而每一个带有15个成员函数，你只需键入一个class template，留给编译器去具现化那20个你需要的相关classes和300个函数。（class templates的成员函数只有在被使用时才被暗中具现化，所以只有在这300个函数的每一个都被使用，你才会获得这300个函数。）Function templates有类似的诉求。替换写许多函数，你只需要写一个function templates，然后让编译器做剩余的事情。

有时候，如果你不小心，使用templates可能会导致代码膨胀：其二进制码带着重复（或几乎重复）的代码、数据，或两者。其结果又可能源码看起来合身而整齐，但目标码（object code）却不是那么回事。

当你编写某个函数，而你明白其中某些部分的实现码和另一个函数的实现码实质相同，你会很单纯地重复这些码码？当然不。你会抽出两个函数的共同部分，把它们放进第三个函数中，然后令原先两个函数调用这个新函数。也就是说，你分析了两个函数，找出共同的部分和变化的部分，把共同部分搬到一个新函数去，保留变化的部分在原函数中不动。

编写templates时，也是做相同的分析，以相同的方式避免重复，但其中有个窍门。在non-template代码中，重复十分明确：你可以“看”到两个函数或两个classes之间有所重复。然而在template代码中，重复是隐晦的：毕竟只存在一份template源码，所以你必须训练自己去感受当template被具现化多次时可能发生的重复。

举个例子，假设你想为固定尺寸的正方矩阵编写一个template。该矩阵的性质之一是支持逆矩阵运算。

template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix {
public:
    ...
    void invert();        // 求逆矩阵
};

这个template接受一个类型参数T，除此之外还接受一个类型为size_t的参数，那是个非类型参数。这种参数和类型参数比起来较不常见，但它们完全合法，而且就像本例一样，相当自然。

现在，考虑这些代码：

SquareMatrix<double,5> sml;
...
sm1.invert();                     // 调用SquareMatrix<double,5>::invert
SquareMatrix<double,10> sm2;
...
sm2.invert();                     // 调用SquareMatrix<double,10>::invert

这回具现化两份invert。这些函数并非完完全全相同，因为其中一个操作的是5*5矩阵而另一个操作的是10*10矩阵，但除了常量5和10，两个函数的其他部分完全相同。这是template引出代码膨胀的一个典型例子。

如果你看到两个函数完全相同，只除了一个使用5而另一个使用10，你会怎么做？你的本能会为它们建立一个带数值参数的函数，然后以5和10来调用这个带参数的函数，而不重复代码。下面是对SquareMatrix第一次修改：

template<typename T>
class SquareMatrixBase {
protected:
    ...
    void invert(std::size_t matrixSize);    // 以给定的尺寸求逆矩阵
    ...
};

template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> {
private:
    using SquareMatrixBase<T>::invert;     // 避免遮掩base班的invert；见条款33
public:
    ...
    void invert() { this->invert(n); }    // 制造一个inline调用，调用base class版的invert。
};

目前为止一切都好，但还有一些棘手的问题没有解决。SquareMatrixBase::invert如何知道该操作什么数据？虽然它从参数中知道矩阵尺寸，但它如何知道哪个特定矩阵的数据在哪儿？想必只有derived class知道。我们可以令SquareMatrixBase贮存一个指针，指向矩阵数值所在的内存。而只要它存储了那些东西，也就可能存储矩阵尺寸。成果看起来像这样：

template<typename T>
class SquareMatrixBase {
protected:
    SquareMatrixBase(std::size_t n, T* pMem)      // 存储矩阵大小和一个指针，指向矩阵数值
    : size(n), pData(pMem) {}
    void setDataPtr(T* ptr) { pData = ptr; }      // 重新赋值给pData
    ...
private:
    std::size_t size;                             // 矩阵大小
    T* pData;                                     // 指针，指向矩阵内容
};

这允许derived classes决定内存分配方式。某些实现版本也许会决定将矩阵数据存储在SquareMatrix对象内部：

template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> {
public:
    SquareMatrix()                       // 送出矩阵大小和数据指针给base class
    : SquareMatrixBase<T>(n, data) {}
    ...
private:
    T data[n*n];
};

这种类型的对象不需要动态分配内存，但对象自身可能非常大。另一种做法是每一个矩阵的数据放进heap(也就是通过new来分配内存)：

template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> {
public:
    SquareMatrix()                     // 将base class的数据指针设为null，为矩阵内容分配内存
    : SquareMatrixBase<T>(n, 0),       
    pData(new T[n*n])                      // 将指向该内存的指针存储起来，
    { this->setDataPtr(pData.get()); }     // 然后将它的一个副本交给base class
    ...
private:
    bosst::scoped_array<T> pData; 
};

这个条款只讨论由non-type template parameters（非类型模板参数）带来的膨胀，其实type parameters（类型参数）也会导致膨胀。例如在许多平台上int和long有相同的二进制表述，所以像vector<int>和vector<long>的成员函数有可能完全相同——这正是最佳定义。

请记住

Templates生成多个classes和多个函数，所以任何template代码都不该与某个造成膨胀的template参数产生相依关系。
因非类型模板参数（non-type template parameters）而造成的代码膨胀，往往可以消除，做法是以函数参数或class成员变量替换template参数。
因类型参数（type parameters）而造成的代码膨胀，往往可降低，做法是让带有完全相同的二进制表述的具现类型共享实现码。

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