* законченный учебник и руководство по языку
| Вид материала | Закон |
- Евгений Гришковец, 4370.48kb.
- Домашнее задание по русскому языку на 2 сессию Учебник, 136.34kb.
- Домашнее задание по русскому языку на 4 сессию Учебник, 95.55kb.
- Домашнее задание по русскому языку на 4 сессию Учебник, 85.3kb.
- Домашнее задание по русскому языку на 2 сессию Учебник, 96.88kb.
- Домашнее задание по русскому языку на III сессию Учебник, 71.08kb.
- Тематическое планирование по английскому языку предмет Класс, 508.61kb.
- Московский государственный институт международных отношений (университет) мид, 1816.26kb.
- Авторы: В. П. Канакина, В. Г. Горецкий, 503.03kb.
- Домашняя работа по русскому языку за 5 класс к учебнику "Русский язык: учебник для, 9.85kb.
p = new stack
// в свободной памяти
for ( int i = 0; i<400; i++) {
p->push(i);
sp.push(Point(i,i+400));
}
// ...
}
Поскольку все функции-члены класса stack являются подстановками,
и в этом примере транслятор создает вызовы функций только для
размещения в свободной памяти и освобождения.
Функции в шаблоне типа могут и не быть подстановками, шаблонный
класс stack с полным правом можно определить и так:
template
T* v;
T* p;
int sz;
public:
stack(int);
~stack();
void push(T);
T pop();
int size() const;
};
В этом случае определение функции-члена stack должно быть дано
где-то в другом месте, как это и было для функций- членов
обычных, нешаблонных классов. Подобные функции так же
параметризируются типом, служащим параметром для их шаблонного
класса, поэтому определяются они с помощью шаблона типа для
функции. Если это происходит вне шаблонного класса, это надо делать
явно:
template
{
*p++ = a;
}
template
{
v = p = new T[sz=s];
}
Отметим, что в пределах области видимости имени stack
Задача системы программирования, а вовсе не программиста,
предоставлять версии шаблонных функций для каждого фактического
параметра шаблона типа. Поэтому для приводившегося выше примера
система программирования должна создать определения конструкторов для
классов stack
и stack
stack
, версии функций push() для stack
stack
и версию функции pop() для stack
Такие создаваемые функции будут совершенно обычными функциями-членами,
например:
void stack
Здесь отличие от обычной функции-члена только в форме имени класса.
Точно так же, как в программе может быть только одно определение
функции-члена класса, возможно только одно определение шаблона
типа для функции-члена шаблонного класса. Если требуется определение
функции-члена шаблонного класса для конкретного типа, то задача системы
программирования найти шаблон типа для этой функции-члена и создать
нужную версию функции. В общем случае система программирования
может рассчитывать на указания от программиста, которые помогут
найти нужный шаблон типа.
Важно составлять определение шаблона типа таким образом, чтобы
его зависимость от глобальных данных была минимальной. Дело в том,
шаблон типа будет использоваться для порождения функций и классов
на основе заранее неизвестного типа и в неизвестных контекстах.
Практически любая, даже слабая зависимость от контекста может
проявиться как проблема при отладке программы пользователем, который,
вероятнее всего, не был создателем шаблона типа. К совету избегать,
насколько это возможно, использований глобальных имен, следует
относиться особенно серьезно при разработке шаблона типа.
8.3 Шаблоны типа для списка
На практике при разработке класса, служащего коллекцией объектов,
часто приходится учитывать взаимоотношения использующихся в реализации
классов, управление памятью и необходимость определить итератор по
содержимому коллекции. Часто бывает так, что несколько родственных
классов разрабатываются совместно ($$12.2). В качестве примера мы
предложим семейство классов, представляющих односвязные списки и
шаблоны типа для них.
8.3.1 Список с принудительной связью
Вначале определим простой список, в котором предполагается, что
в каждом заносимом в список объекте есть поле связи. Потом этот
список будет использоваться как строительный материал для создания
более общих списков, в которых объект не обязан иметь поле связи.
Сперва в описаниях классов будет приведена только общая часть,
а реализация будет дана в следующем разделе. Это делается за тем,
чтобы вопросы проектирования классов не затемнялись деталями их
реализации.
Начнем с типа slink, определяющего поле связи в односвязном списке:
struct slink {
slink* next;
slink() { next = 0; }
slink(slink* p) { next = p; }
};
Теперь можно определить класс, который может содержать объекты
любого, производного от slink, класса:
class slist_base {
// ...
public:
int insert(slink*); // добавить в начало списка
int append(slink*); // добавить к концу списка
slink* get(); // удалить и возвратить начало списка
// ...
};
Такой класс можно назвать списком с принудительной связью, поскольку
его можно использовать только в том случае, когда все элементы имеют
поле slink, которое используется как указатель на slist_base.
Само имя slist_base (базовый односвязный список) говорит, что этот
класс будет использоваться как базовый для односвязных списочных
классов. Как обычно, при разработке семейства родственных классов
возникает вопрос, как выбирать имена для различных членов семейства.
Поскольку имена классов не могут перегружаться, как это делается
для имен функций, для обуздания размножения имен перегрузка нам не
поможет.
Класс slist_base можно использовать так:
void f()
{
slist_base slb;
slb.insert(new slink);
// ...
slink* p = slb.get();
// ...
delete p;
}
Но поскольку структура slink не может содержать никакой информации
помимо связи, этот пример не слишком интересен. Чтобы воспользоваться
slist_base, надо определить полезный, производный от slink, класс.
Например, в трансляторе используются узлы дерева программы name
(имя), которые приходится связывать в список:
class name : public slink {
// ...
};
void f(const char* s)
{
slist_base slb;
slb.insert(new name(s));
// ...
name* p = (name*)slb.get();
// ...
delete p;
}
Здесь все нормально, но поскольку определение класса slist_base
дано через структуру slink, приходится использовать явное приведение
типа для преобразования значения типа slink*, возвращаемого
функцией slist_base::get(), в name*. Это некрасиво. Для большой
программы, в которой много списков и производных от slink классов,
это к тому же чревато ошибками. Нам пригодилась бы надежная по
типу версия класса slist_base:
template
class Islist : private slist_base {
public:
void insert(T* a) { slist_base::insert(a); }
T* get() { return (T*) slist_base::get(); }
// ...
};
Приведение в функции Islist::get() совершенно оправдано и надежно,
поскольку в классе Islist гарантируется, что каждый объект в списке
действительно имеет тип T или тип производного от T класса. Отметим,
что slist_base является частным базовым классом Islist. Мы нет хотим,
чтобы пользователь случайно натолкнулся на ненадежные детали
реализации.
Имя Islist (intrusive singly linked list) обозначает
односвязный список с принудительной связью. Этот шаблон типа
можно использовать так:
void f(const char* s)
{
Islist
ilst.insert(new name(s));
// ...
name* p = ilst.get();
// ...
delete p
}
Попытки некорректного использования будет выявлены на стадии
трансляции:
class expr : public slink {
// ...
};
void g(expr* e)
{
Islist
ilst.insert(e); // ошибка: Islist
// а нужно name*
// ...
}
Нужно отметить несколько важных моментов относительно нашего примера.
Во-первых, решение надежно в смысле типов (преграда тривиальным
ошибкам ставится в очень ограниченной части программы, а именно,
в функциях доступа из Islist). Во-вторых, надежность типов
достигается без увеличения затрат времени и памяти, поскольку
функции доступа из Islist тривиальны и реализуются подстановкой.
В-третьих, поскольку вся настоящая работа со списком делается в
реализации класса slist_base (пока еще не представленной), никакого
дублирования функций не происходит, а исходный текст реализации,
т.е. функции slist_base, вообще не должен быть доступен пользователю.
Это может быть существенно в коммерческом использовании служебных
программ для списков. Кроме того, достигается разделение между
интерфейсом и его реализацией, и становится возможной смена реализации
без перетрансляции программ пользователя. Наконец, простой список
с принудительной связью близок по использованию памяти и времени
к оптимальному решению. Иными словами, такой подход близок к
оптимальному по времени, памяти, упрятыванию данных и контролю
типов и в тоже время он обеспечивает большую гибкость и компактность
выражений.
К сожалению, объект может попасть в Islist только, если он
является производным от slink. Значит нельзя иметь список Islist
из значений типа int, нельзя составить список из значений какого-то
ранее определенного типа, не являющегося производным от slink.
Кроме того, придется постараться, чтобы включить объект в два списка
Islist ($$6.5.1).
8.3.2 Список без принудительной связи
После "экскурса" в вопросы построения и использования списка с
принудительной связью перейдем к построению списков без принудительной
связи. Это значит, что элементы списка не обязаны содержать
дополнительную информацию, помогающую в реализации списочного класса.
Поскольку мы больше не можем рассчитывать, что объект в списке
имеет поле связи, такую связь надо предусмотреть в реализации:
template
struct Tlink : public slink {
T info;
Tlink(const T& a) : info(a) { }
};
Класс Tlink
идет от его базового класса slink. Отметим, что используется
инициализатор в виде info(a), а не присваивание info=a. Это
существенно для эффективности операции в случае типов, имеющих
нетривиальные конструкторы копирования и операции присваивания
($$7.11). Для таких типов (например, для String) определив конструктор
как
Tlink(const T& a) { info = a; }
мы получим, что будет строиться стандартный объект String, а уже
затем ему будет присваиваться значение.
Имея класс, определяющий связь, и класс Islist, получить
определение списка без принудительной связи совсем просто:
template
class Slist : private slist_base {
public:
void insert(const T& a)
{ slist_base::insert(new Tlink
void append(const T& a)
{ slist_base::append(new Tlink
T get();
// ...
};
template
T Slist
{
Tlink
T i = lnk->info;
delete lnk;
return i;
}
Работать со списком Slist так же просто, как и со списком Ilist.
Различие в том, что можно включать в Slist объект, класс которого не
является производным от slink, а также можно включать один объект
в два списка:
void f(int i)
{
Slist
Slist
lst1.insert(i);
lst2.insert(i);
// ...
int i1 = lst1.get();
int i2 = lst2.get();
// ...
}
Однако, список с принудительной связью, например Islist, позволял
создавать существенно более эффективную программу и давал более
компактное представление. Действительно, при каждом включении
объекта в список Slist нужно разместить объект Tlink, а при каждом
удалении объекта из Slist нужно удалить объект Tlink, причем
каждый раз копируется объект типа T. Когда возникает такая проблема
дополнительных расходов, могут помочь два приема. Во-первых,
Tlink является прямым кандидатом для размещения с помощью практически
оптимальной функции размещения специального назначения (см. $$5.5.6).
Тогда дополнительные расходы при выполнении программы сократятся
до обычно приемлемого уровня. Во-вторых, полезным оказывается такой
прием, когда объекты хранятся в "первичном" списке, имеющим
принудительную связь, а списки без принудительной связи используются
только, когда требуется включение объекта в несколько списков:
void f(name* p)
{
Islist
Slist
lst1.insert(p); // связь через объект `*p'
lst2.insert(p); // для хранения `p' используется
// отдельный объект типа список
// ...
}
Конечно, подобные трюки можно делать только в отдельном компоненте
программы, чтобы не допустить путаницы списочных типов в
интерфейсах различных компонент. Но это именно тот случай, когда
ради эффективности и компактности программы на них стоит идти.
Поскольку конструктор Slist копирует параметр для insert(),
список Slist пригоден только для таких небольших объектов, как
целые, комплексные числа или указатели. Если для объектов копирование
слишком накладно или неприемлемо по смысловым причинам, обычно
выход бывает в том, чтобы вместо объектов помещать в список
указатели на них. Это сделано в приведенной выше функции f() для
lst2.
Отметим, что раз параметр для Slist::insert() копируется, передача
объекта производного класса функции insert(), ожидающей объект
базового класса, не пройдет гладко, как можно было (по наивности)
подумать:
class smiley : public circle { /* ... */ };
void g1(Slist
{
olist.insert(grin); // ловушка!
}
В список будет включена только часть circle объекта типа smiley.
Отметим, что эта неприятность будет обнаружена транслятором в том
случае, который можно считать наиболее вероятным. Так, если бы
рассматриваемый базовый класс был абстрактным, транслятор запретил
бы "урезание" объекта производного класса:
void g2(Slist
{
olist.insert(c); // ошибка: попытка создать объект
// абстрактного класса
}
Чтобы избежать "урезания" объекта нужно использовать указатели:
void g3(Slist
{
olist.insert(&grin); // прекрасно
}
Не нужно использовать параметр-ссылку для шаблонного класса:
void g4(Slist
{
rlist.insert(grin); // ошибка: будет созданы команды,
// содержащие ссылку на ссылку (shape&&)
}
При генерации по шаблону типа ссылки, используемые подобным образом,
приведут ошибкам в типах. Генерация по шаблону типа для функции
Slist::insert(T&);
приведет к появлению недопустимой функции
Slist::insert(shape&&);
Ссылка не является объектом, поэтому нельзя иметь ссылку на ссылку.
Поскольку список указателей является полезной конструкцией,
имеет смысл дать ему специальное имя:
template
class Splist : private Slist
public:
void insert(T* p) { Slist
void append(T* p) { Slist
T* get() { return (T*) Slist
};
class Isplist : private slist_base {
public:
void insert(T* p) { slist_base::insert(p); }
void append(T* p) { slist_base::append(p); }
T* get() { return (T*) slist_base::get(); }
};
Эти определения к тому же улучшают контроль типов и еще больше
сокращают необходимость дублировать функции.
Часто бывает полезно, чтобы тип элемента, указываемый в шаблоне
типа, сам был шаблонным классом. Например, разреженную матрицу,
содержащую даты, можно определить так:
typedef Slist< Slist
Обратите внимание на наличие пробелов в этом определении. Если между
первой и второй угловой скобкой > нет пробелов, возникнет
синтаксическая ошибка, поскольку >> в определении
typedef Slist
будет трактоваться как операция сдвига вправо. Как обычно, вводимое
в typedef имя служит синонимом обозначаемого им типа, а не является
новым типом. Конструкция typedef полезна для именования для
длинных имен шаблонных классов также, как она полезна для любых
других длинных имен типов.
Отметим, что параметр шаблона типа, который может по разному
использоваться в его определении, должен все равно указываться среди
списка параметров шаблона один раз. Поэтому шаблон типа, в котором
используется объект T и список элементов T, надо определять так:
template
T ob;
Slist
// ...
};
а вовсе не так:
template
T obj;
Slist
// ...
};
В $$8.6 и $$R.14.2 даны правила, что может быть параметром шаблона
типа.
8.3.3 Реализация списка
Реализация функций slist_base очевидна. Единственная трудность
связана с обработкой ошибок. Например, что делать если пользователь
с помощью функции get() пытается взять элемент из пустого списка.
Подобные ситуации разбираются в функции обработки ошибок
slist_handler(). Более развитый метод, рассчитанный на особые
ситуации, будет обсуждаться в главе 9.
Приведем полное описание класса slist_base:
class slist_base {
slink* last; // last->next является началом списка
public:
void insert(slink* a); // добавить в начало списка
void append(slink* a); // добавить в конец списка
slink* get(); // удалить и возвратить
// начало списка
void clear() { last = 0; }
slist_base() { last = 0; }
slist_base(slink* a) { last = a->next = a; }
friend class slist_base_iter;
};
Чтобы упростить реализацию обеих функций insert и append, хранится
указатель на последний элемент замкнутого списка:
void slist_base_insert(slink* a) // добавить в начало списка
{
if (last)
a->next = last->next;
else
last = a;
last->next = a;
}
Заметьте, что last->next - первый элемент списка.
void slist_base::append(slink* a) // добавить в конец списка
{
if (last) {
a->next = last->next;
last = last->next = a;
}
else
last = a->next = a;
}
slist* slist_base::get() // удалить и возвратить начало списка
{
if (last == 0)
slist_handler("нельзя взять из пустого списка");
slink* f = last->next;
if (f== last)
last = 0;
else
last->next = f->next;
return f;
}
Возможно более гибкое решение, когда slist_handler - указатель на
функцию, а не сама функция. Тогда вызов
slist_handler("нельзя взять из пустого списка");
будет задаваться так
(*slist_handler)(" нельзя взять из пустого списка");
Как мы уже делали для функции new_handler ($$3.2.6), полезно
завести функцию, которая поможет пользователю создавать свои
обработчики ошибок:
typedef void (*PFV)(const char*);
PFV set_slist_handler(PFV a)
{
PFV old = slist_handler;
slist_handler = a;
return old;
}
PFV slist_handler = &default_slist_handler;
Особые ситуации, которые обсуждаются в главе 9, не только дают
альтернативный способ обработки ошибок, но и способ реализации
slist_handler.
8.3.4 Итерация
В классе slist_base нет функций для просмотра списка, можно только
вставлять и удалять элементы. Однако, в нем описывается как друг
класс slist_base_iter, поэтому можно определить подходящий для
списка итератор. Вот один из возможных, заданный в том стиле, какой
был показан в $$7.8:
class slist_base_iter {
slink* ce; // текущий элемент
slist_base* cs; // текущий список
public:
inline slist_base_iter(slist_base& s);
inline slink* operator()()
};
slist_base_iter::slist_base_iter(slist_base& s)
{
cs = &s;
ce = cs->last;
}
slink* slist_base_iter::operator()()
// возвращает 0, когда итерация кончается
{
slink* ret = ce ? (ce=ce->next) : 0;
if (ce == cs->last) ce = 0;
return ret;
}
Исходя из этих определений, легко получить итераторы для Slist и
Islist. Сначала надо определить дружественные классы для итераторов
по соответствующим контейнерным классам:
template
template
friend class Islist_iter
// ...
};
template
template
friend class Slist_iter
// ...
};
Обратите внимание, что имена итераторов появляются без определения
их шаблонного класса. Это способ определения в условиях взаимной
зависимости шаблонов типа.
Теперь можно определить сами итераторы:
template
class Islist_iter : private slist_base_iter {
public:
Islist_iter(Islist
T* operator()()
{ return (T*) slist_base_iter::operator()(); }
};
template
class Slist_iter : private slist_base_iter {
public:
Slist_iter(Slist
inline T* operator()();
};
T* Slist_iter::operator()()
{
return ((Tlink
}
Заметьте, что мы опять использовали прием, когда из одного базового
класса строится семейство производных классов (а именно, шаблонный
класс). Мы используем наследование, чтобы выразить общность классов
и избежать ненужного дублирования функций. Трудно переоценить
стремление избежать дублирования функций при реализации таких простых
и часто используемых классов как списки и итераторы. Пользоваться
этими итераторами можно так:
void f(name* p)
{
Islist
Slist
lst1.insert(p);
lst2.insert(p);
// ...
Islist_iter
const name* p;
while (p=iter1()) {
list_iter
const name* q;
while (q=iter2()) {
if (p == q) cout << "найден" << *p << '\n';
}
}
}
Есть несколько способов задать итератор для контейнерного класса.
Разработчик программы или библиотеки должен выбрать один из них
и придерживаться его. Приведенный способ может показаться слишком
хитрым. В более простом варианте можно было просто переименовать
operator()() как next(). В обоих вариантах предполагается взаимосвязь
между контейнерным классом и итератором для него, так что можно
при выполнении итератора обработать случаи, когда элементы добавляются
или удаляются из контейнера. Этот и некоторые другие способы задания
итераторов были бы невозможны, если бы итератор зависел от функции
пользователя, в которой есть указатели на элементы из контейнера.
Как правило, контейнер или его итераторы реализуют понятие "установить
итерацию на начало" и понятие "текущего элемента".
Если понятие текущего элемента предоставляет не итератор, а сам
контейнер, итерация происходит в принудительном порядке по отношению
к контейнеру аналогично тому, как поля связи принудительно хранятся
в объектах из контейнера. Значит трудно одновременно вести две
итерации для одного контейнера, но расходы на память и время при такой
организации итерации близки к оптимальным. Приведем пример:
class slist_base {
// ...
slink* last; // last->next голова списка
slink* current; // текущий элемент
public:
// ...
slink* head() { return last?last->next:0; }
slink* current() { return current; }
void set_current(slink* p) { current = p; }
slink* first() { set_current(head()); return current; }
slink* next();
slink* prev();
};
Подобно тому, как в целях эффективности и компактности программы
можно использовать для одного объекта как список с принудительной
связью, так и список без нее, для одного контейнера можно
использовать принудительную и непринудительную итерацию:
void f(Islist
// медленный поиск имен-дубликатов
{
list_iter
name* p;
while (p = slow()) {
ilst.set_current(p); // рассчитываем на текущий элемент
name* q;
while (q = ilst.next())
if (strcmp(p->string,q->string) == 0)
cout << "дубликат" << p << '\n';
}
}
Еще один вид итераторов показан в $$8.8.
8.4 Шаблоны типа для функций
Использование шаблонных классов означает наличие шаблонных
функций-членов. Помимо этого, можно определить глобальные шаблонные
функции, т.е. шаблоны типа для функций, не являющихся членами класса.
Шаблон типа для функций порождает семейство функций точно также,
как шаблон типа для класса порождает семейство классов. Эту возможность
мы обсудим на последовательности примеров, в которых приводятся
варианты функции сортировки sort(). Каждый из вариантов в последующих
разделах будет иллюстрировать общий метод.
Как обычно мы сосредоточимся на организации программы, а не на
разработке ее алгоритма, поэтому использоваться будет тривиальный
алгоритм. Все варианты шаблона типа для sort() нужны для того,
чтобы показать возможности языка м полезные приемы программирования.
Варианты не упорядочены в соответствии с тем, насколько они хороши.
Кроме того, можно обсудить и традиционные варианты без шаблонов типа,
в частности, передачу указателя на функцию, производящую сравнение.
8.4.1 Простой шаблон типа для глобальной функции
Начнем с простейшего шаблона для sort():
template
void f(Vector