Использование собственной стандартной библиотеки C++ на практике: опыт и выводы

Продажи токенов ICO

Создание собственной стандартной библиотеки C++ — задача, которая долгое время оставалась предметом исследований и экспериментов для многих разработчиков. Но вопрос использования такой библиотеки в реальных проектах всегда оставался открытым — насколько она может действительно заменить привычный STL и насколько будет удобна и эффективна? В одном из недавних экспериментов под руководством Юсси Пакканена, известного создателя системы сборки Meson, был проведён глубокий тест с применением собственной библиотеки Pystd на практике, проверив её работоспособность и эффективность на примере реального программного продукта CapyPDF, довольно компактного проекта с кодовой базой около 15 тысяч строк на стандарте C++. Проект CapyPDF был перенесён с привычной стандартной библиотеки на Pystd, численность которой составляет около 4 тысяч строк кода. При этом функционал полностью сохранился, и тестовый набор успешно проходился — что само по себе уже серьёзный показатель стабильности и совместимости. Доступ к этой разработке открыт: достаточно клонировать репозиторий CapyPDF, переключиться на ветку pystdport и начать сборку с помощью Meson, который автоматически загрузит и подключит Pystd как подпроект.

Стоит учитывать, что данный эксперимент актуален для Linux со свежей версией компилятора GCC 15.1 и выше, а сама библиотека всё ещё находится в активной разработке и может содержать некоторые недоработки. Одним из главных мотивационных факторов для создания Pystd послужило желание уменьшить время компиляции, что является одной из распространённых проблем при использовании стандартной библиотеки. Для многих разработчиков, особенно работающих с крупными проектами, длительные сборки становятся серьёзным тормозом рабочего процесса. В ходе исследований стало ясно, что при использовании Pystd время компиляции на одном ядре в режиме отладки удалось сократить примерно до четверти от времени, требуемого при использовании стандартной библиотеки.

Эта тенденция сохранялась и при включении оптимизаций, что говорит о высокой эффективности упрощённой реализации без потери функционала. Не менее важным фактором является размер итогового бинарника. Широко известна критика C++ за избыточную «весомость» приложений именно из-за большого количества кода, порождаемого стандартной библиотекой. Анализ показал, что тюнинг кода с использованием Pystd даёт реальный выигрыш по размеру – отладочная информация, связанная с типами STL, согласно наблюдениям, даёт около 20 мегабайт дополнительного веса. При этом собственно исполняемый код с использованием Pystd оказался компактнее почти на 200 килобайт по сравнению с версией, собранной с использованием stdlibc++.

Симптоматично, что большую часть лишнего места занимает реализация std::variant, которая в Pystd реализована иначе и гораздо проще. Важно понимать, что в собственном проекте Юсси для чистоты эксперимента по умолчанию использовалась библиотека libsubc++, влияющая на размер бинарника, добавляя к нему более 100 килобайт, чего обычно не бывает при использовании стандартного runtime C++. Производительность — самая важная составляющая для любого продукта. Хотя многие любят сетовать на недостатки и тяжеловесность стандартной библиотеки, именно скорость выполнения кода является ключевым аргументом в её пользу. В этом эксперименте при изучении CapyPDF и замене STL на Pystd автор использовал собственный бенчмарк.

Несмотря на то, что Pystd ещё не проходила оптимизацию производительности, её показатели оказались весьма неожиданными. По памяти Pystd требует примерно на 10% больше, что можно считать приемлемым компромиссом на начальном этапе разработки. Гораздо более неочевидным оказался результат по времени выполнения: Pystd оказался почти на 25% быстрее, чем привычный стандартный вариант. Учитывая, что Pystd реализует более жёсткую проверку границ контейнеров, использует двойную валидацию UTF-8 и простой, не самый эффективный алгоритм хеширования, подобный результат говорит либо о недостатках оптимизаций стандартной библиотеки в конкретных сценариях, либо о некотором везении, связанном с компиляцией и архитектурой кода в Pystd. Автор не предоставил точного объяснения такому феномену, однако отметил, что на больших объёмах данных и при более длительных нагрузках, Pystd, вероятно, начнёт проигрывать по производительности, что пока не было исследовано.

Важно отметить практическую значимость подобного эксперимента. Он показал, что собственная стандартная библиотека C++ может быть реализована компактно, быстрее компилироваться и даже работать эффективнее в определённых сценариях. Это даёт надежду на развитие альтернативных реализаций и совершенствование инструментов разработки на C++. В то же время, сохранение полной совместимости с тестовым набором CapyPDF, который охватывает широкий спектр функций, подтверждает, что Pystd может служить полноценной заменой стандартной библиотеки в меньших или специализированных проектах. Эксперимент Юсси Пакканена — это не просто техническое упражнение, а манифест возможности изменения устоявшихся практик программирования.

Такая работа вдохновляет на поиск более лёгких, быстрых и удобных решений, что особенно важно в условиях роста сложности современных проектов. Работая с Pystd, программисты могут получить представление о том, как упростить и ускорить свои сборочные процессы, сделать итоговый код более компактным и даже улучшить показатели производительности без значительных изменений в исходнике приложения. Конечно же, на данный момент Pystd — это всё ещё молодая и экспериментальная библиотека. Перед тем, как отправить её в продуктивное использование, потребуется тщательно протестировать её на более крупных и разнообразных кодовых базах, проверить совместимость и устойчивость к нагрузкам, а также провести глубокую оптимизацию ключевых алгоритмов. Тем не менее, опыт, полученный в ходе исследования на CapyPDF, предоставляет ценный инсайт в возможность создания действительно эффективных альтернатив стандартным библиотекам.

В итоге, можно сделать вывод, что создавать собственную стандартную библиотеку — это не просто академическая задача, а реальный путь поиска новых решений для улучшения процесса разработки. Эксперимент с Pystd показал, что можно кардинально улучшить время компиляции, уменьшить размер итогового бинарника и при этом не потерять в производительности в некоторых случаях. Такая работа напоминает о необходимости постоянного пересмотра привычных инструментов и открывает возможности для инноваций в мире C++. Любопытно отметить, что, помимо технических преимуществ, собственная библиотека даёт полный контроль над реализацией и позволяет адаптировать её под конкретные нужды проекта или организации. Это может стать значительным конкурентным преимуществом в сфере разработки программного обеспечения с высокими требованиями к производительности и гибкости.