Учетно аналитический цикл for

Сегодня необычный для меня формат статьи: я скорее задаю вопрос залу, нежели делюсь готовым рецептом. Впрочем, для инициирования дискуссии рецепт тоже предлагаю. Итак, сегодня мы поговорим о чувстве прекрасного.

Я довольно давно пишу код, и так вышло, что практически всегда на C++. Даже и не могу прикинуть, сколько раз я написал подобную конструкцию:

for (int i=0; i<size; i++) {
[…]
}

Хотя почему не могу, очень даже могу:

find . ( -name *.h -o -name *.cpp ) -exec grep -H “for (” {} ; | wc -l
43641

Наш текущий проект содержит 43 тысячи циклов. Проект пилю не я один, но команда маленькая и проект у меня не первый (и, надеюсь, не последний), так что в качестве грубой оценки пойдёт. А насколько такая запись цикла for хороша? Ведь на самом деле, важно даже не то количество раз, когда я цикл написал, а то количество раз, когда я цикл прочитал (см. отладка и code review). А тут речь очевидно идёт уже о миллионах.

На КПДВ узел под названием «совершенная петля» (perfection loop).

Так каков он, совершенный цикл?

Мы пишем много кода для математического моделирования; код довольно плотный, с огромным количеством целых чисел, которые являются индексами ячеек, функций и прочей лабуды. Чтобы был понятен масштаб проблемы, давайте я просто приведу крохотный кусочек кода из нашего проекта:

for (int iter=0; iter<nb_iter; iter++) { // some iterative computation
for (int c=0; c<mesh.cells.nb(); c++) // loop through all tetrahedra
for (int lv0=0; lv0<4; lv0++) // for every pair of
for (int lv1 = lv0+1; lv1<4; lv1++) // vertices in the tet
for (int d=0; d<3; d++) { // do stuff for each of 3 dimensions
nlRowScaling(weight);
nlBegin(NL_ROW);
nlCoefficient(mesh.cells.vertex(c, lv0)*3 + d, 1);
nlCoefficient(mesh.cells.vertex(c, lv1)*3 + d, -1);
nlEnd(NL_ROW);
}
[…]
}

У нас есть некая область, разбитая на тетраэдры, и мы на ней моделируем некий процесс. Для каждой итерации процесса мы проходимся по всем тетраэдрам сетки, затем по всем вершинам каждого тетраэдра, бла-бла-бла, и всё венчает цикл по всем трём измерениям нашего окружающего мира.

Мы обязаны иметь дело с кучей вложенных циклов; вышеприведённые пять вложенных далеко не предел. Мы уже довольно давно (лет пятнадцать как) пришли к выводу, что стандартный for (int i=0; i<size; i++) — это очень громоздкая конструкция: те самые пять вложенных заголовков for превращаются в совершенно нечитаемую кашу, и даже подсветка синтаксиса не спасает.

Когда мы читаем стандартный for(;;), мы должны на каждой строчке обратить внимание на три вещи: на инициализацию, на условие выхода и собственно на инкремент. Но ведь это совершеннейший оверкилл для тех случаев, когда нам нужно пройтись от 0 до size-1, а это подавляющее большинство всех циклов. Скажите, как часто вам приходится писать обратный цикл или итерацию с другими границами? Как мне кажется, один раз из десяти — это ещё щедрая оценка.

До появления c++11 мы в итоге пришли к страшной вещи, а именно ввели в самый верхний заголовок вот такой дефайн:

#define FOR(I,UPPERBND) for(int I = 0; I<int(UPPERBND); ++I)

И тогда вышеприведённый кусок кода превращается из тыквы в кабачок:

FOR(iter, nb_iter) {
FOR(c, mesh.cells.nb())
FOR(lv0, 4)
for (int lv1 = lv0+1; lv1<4; lv1++)
FOR(d, 3) {
nlRowScaling(weight);
nlBegin(NL_ROW);
nlCoefficient(mesh.cells.vertex(c, lv0)*3 + d, 1);
nlCoefficient(mesh.cells.vertex(c, lv1)*3 + d, -1);
nlEnd(NL_ROW);
}
[…]
}

Польза такой трансформации в том, что когда я встречаю for (;;), я знаю, что мне нужно насторожиться и внимательно смотреть на все три места (инициализацию, условие, инкремент). В то время как если я вижу FOR(,) то это совершенно стандартный пробег от 0 до n-1 без каких-либо тонкостей. Я совершенно не предлагаю пользоваться вышеприведённым дефайном, но точно знаю, что для нашей команды он сберёг много ресурсов мозга, поскольку мы кода гораздо больше читаем (см. отладка), нежели пишем (как, наверное, и все программисты).

То есть, вопрос, которым я задаюсь, звучит так: “Как выглядит цикл, имеющий минимальную когнитивную нагрузку при чтении кода?“

А как дела обстоят у соседей? Вы знаете, местами довольно недурно. Например, в лагере питонистов стандартный цикл выглядит следующим образом:

for i in range(n):
print(i)

Что любопытно, до третьего питона range() создавал в памяти массив индексов, и проходился по нему. И со времён c++11 мы вполне можем делать точно так же!

#include <iostream>
int main() {
int range[] = {0,1,2,3,4,5};
for (int i : range) {
std::cerr << i;
}
}

Разумеется, явно создавать в памяти массив индексов это несерьёзно, и с третьей версии в питоне это тоже поняли. Но и в C++ мы можем сделать не хуже!

Давайте посмотрим на следующую функцию range(int n):

#include <iostream>

constexpr auto range(int n) {
struct iterator {
int i;
void operator++() { ++i; }
bool operator!=(const iterator& rhs) const { return i != rhs.i; }
const int &operator*() const { return i; }
};
struct wrapper {
int n;
auto begin() { return iterator{0}; }
auto end() { return iterator{n}; }
};
return wrapper{n};
}

int main() {
for (int i: range(13)) {
std::cerr << i;
}
return 0;
}

Пожалуйста, не начинайте int vs size_t, разговор не об этом. Если скомпилировать этот код при помощи gcc 10.2 с флагами компиляции -std=c++17 -Wall -Wextra -pedantic -O1, то мы получим следующий ассемблерный код (проверьте тут):

[…]
.L2:
mov esi, ebx
mov edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cerr
call std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
add ebx, 1
cmp ebx, 13
jne .L2
[…]

То есть, компилятор начисто убрал все эти обёртки и оставил голый инкремент, ровно как если бы мы написали обычный for (int i=0; i<13; i++).

Лично мне кажется, что for (int i: range(n)) справляется с подчёркиванием обычности цикла чуть хуже, нежели FOR(,), но тоже вполне достойно, и за это не нужно платить дополнительными тактами процессора.

Range for в c++11 нанёс большую пользу. Давайте скажем, что у меня есть массив трёхмерных точек, и мне нужно распечатать икс координаты каждой точки, это можно сделать следующим образом:

#include <vector>
#include <iostream>

struct vec3 { double x,y,z; };

int main() {
std::vector<vec3> points = {{6,5,8},{1,2,3},{7,3,7}};
for (vec3 &p: points) {
std::cerr << p.x;
}
return 0;
}

for (vec3 &p: points) это прекрасная конструкция, никаких костылей, сразу из стандарта языка. Но что если у меня каждая точка из массива имеет цвет, вес или вкус? Это можно представить ещё одним массивом того же размера, что и массив точек. И тогда для доступа к атрибуту мне всё же понадобится индекс, который мы можем сгенерировать, например, вот таким образом:

std::vector<vec3> points = {{6,5,8},{1,2,3},{7,3,7}};
std::vector<double> weights = {4,6,9};
int i = 0;
for (vec3 &p: points) {
std::cerr << p.x << weights[i++];
}

Для этого кода компилятор генерирует следующий ассемблер:

В принципе, имеет право на жизнь, но гулять так гулять, давайте снимем с программиста заботу о создании параллельного индекса, ровно как сделали в питоне, благо стандарт c++17 имеет structural binding!

Итак, можно сделать следующим образом:

#include <vector>
#include <iostream>
#include “range.h”

struct vec3 {
double x,y,z;
};

int main() {
std::vector<vec3> points = {{6,5,8},{1,2,3},{7,3,7}};
std::vector<double> weights = {4,6,9};

for (auto [i, p]: enumerate(points)) {
std::cerr << p.x << weights[i];
}

return 0;
}

Функция enumerate() определена в следующем заголовочном файле:

При компиляции с флагами -std=c++17 -Wall -Wextra -pedantic -O2 мы получим следующий ассемблерный код (проверьте тут):

И снова компилятор начисто убрал обёртку (правда, для этого пришлось поднять уровень оптимизации с -O1 на -O2).
Кстати, в c++20 появился std::ranges, что ещё больше упрощает написание такой функции, но я пока не готов переходить на этот стандарт.

На ваш взгляд, каким должен быть совершенный цикл в 2020м году? Научите меня!

Если вы ещё не задавались этим вопросом, то скопируйте к себе в пет-проект заголовочный файл range.h и попробуйте его поиспользовать хотя бы несколько дней.

Тест на тему «Цикл for в C++»

Попробуйте пройти небольшой тест, чтобы проверить свои знания по данной теме.