Geum.ru

* законченный учебник и руководство по языку

Вид материалаЗакон
Подобный материал:
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   34
& vi,

Vector& vc,

Vector& vi2,

Vector& vs)

{

sort(vi); // sort(Vector& v);

sort(vc); // sort(Vector& v);

sort(vi2); // sort(Vector& v);

sort(vs); // sort(Vector& v);

}


Какая именно функция sort() будет вызываться определяется фактическим

параметром. Программист дает определение шаблона типа для функции,

а задача системы программирования обеспечить создание правильных

вариантов функции по шаблону и вызов соответствующего варианта.

Например, простой шаблон с алгоритмом пузырьковой сортировки можно

определить так:


template void sort(Vector& v)

/*

Сортировка элементов в порядке возрастания

Используется сортировка по методу пузырька

*/

{

unsigned n = v.size();


for (int i=0; i
for (int j=n-1; i
if (v[j] < v[j-1]) { // меняем местами v[j] и v[j-1]

T temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


Советуем сравнить это определение с функцией сортировки с тем же

алгоритмом из $$4.6.9. Существенное отличие этого варианта в том,

что вся необходимая информация передается в единственном параметре

v. Поскольку тип сортируемых элементов известен (из типа фактического

параметра, можно непосредственно сравнивать элементы, а не передавать

указатель на производящую сравнение функцию. Кроме того, нет нужды

возиться с операцией sizeof. Такое решение кажется более красивым

и к тому же оно более эффективно, чем обычное. Все же оно сталкивается

с трудностью. Для некоторых типов операция < не определена, а для

других, например char*, ее определение противоречит тому, что

требуется в приведенном определении шаблонной функции. (Действительно,

нам нужно сравнивать не указатели на строки, а сами строки).

В первом случае попытка создать вариант sort() для таких типов

закончится неудачей (на что и следует надеяться) , а во втором

появиться функция, производящая неожиданный результат.

Чтобы правильно сортировать вектор из элементов char* мы можем

просто задать самостоятельно подходящее определение функции

sort(Vector&):


void sort(Vector& v)

{

unsigned n = v.size();


for (int i=0; i
for ( int j=n-1; i
if (strcmp(v[j],v[j-1])<0) {

// меняем местами v[j] и v[j-1]

char* temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


Поскольку для векторов из указателей на строки пользователь дал

свое особое определение функции sort(), оно и будет использоваться,

а создавать для нее определение по шаблону с параметром типа

Vector& не нужно. Возможность дать для особо важных или

"необычных" типов свое определение шаблонной функции дает ценное

качество гибкости в программировании и может быть важным средством

доведения программы до оптимальных характеристик.


8.4.2 Производные классы позволяют ввести новые операции


В предыдущем разделе функция сравнения была "встроенной" в теле

sort() (просто использовалась операция <). Возможно другое решение,

когда ее предоставляет сам шаблонный класс Vector. Однако, такое

решение имеет смысл только при условии, что для типов элементов

возможно осмысленное понятие сравнения. Обычно в такой ситуации

функцию sort() определяют только для векторов, на которых определена

операция < :


template void sort(SortableVector& v)

{

unsigned n = v.size();


for (int i=0; i
for (int j=n-1; i
if (v.lessthan(v[j],v[j-1])) {

// меняем местами v[j] и v[j-1]

T temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


Класс SortableVector (сортируемый вектор) можно определить так:


template class SortableVector

: public Vector, public Comparator {

public:

SortableVector(int s) : Vector(s) { }

};


Чтобы это определение имело смысл еще надо определить шаблонный

класс Comparator (сравниватель):


template class Comparator {

public:

inline static lessthan(T& a, T& b) // функция "меньше"

{ return strcmp(a,b)<0; }

// ...

};


Чтобы устранить тот эффект, что в нашем случае операция < дает

не тот результат для типа char*, мы определим специальный вариант

класса сравнивателя:


class Comparator {

public:

inline static lessthan(const char* a, const char* b)

// функция "меньше"

{ return strcmp(a,b)<0; }

// ...

};


Описание специального варианта шаблонного класса для char* полностью

подобно тому, как в предыдущем разделе мы определили специальный

вариант шаблонной функции для этой же цели. Чтобы описание специального

варианта шаблонного класса сработало, транслятор должен обнаружить

его до использования. Иначе будет использоваться создаваемый по

шаблону класс. Поскольку класс должен иметь в точности одно

определение в программе, использовать и специальный вариант класса,

и вариант, создаваемый по шаблону, будет ошибкой.

Поскольку у нас уже специальный вариант класса Comparator для

char*, специальный вариант класса SortableVector для char* не

нужен, и можем, наконец, попробовать сортировку:


void f(SortableVector& vi,

SortableVector& vc,

SortableVector& vi2,

SortableVector& vs)

{

sort(vi);

sort(vc);

sort(vi2);

sort(vs);

}


Возможно иметь два вида векторов и не очень хорошо, но, по крайней

мере, SortableVector является производным от Vector. Значит если

в функции не нужна сортировка, то в ней и не надо знать о классе

SortableVector, а там, где нужно, сработает неявное преобразование

ссылки на производный класс в ссылку на общий базовый класс. Мы

ввели производный от Vector и Comparator класс SortableVector

(вместо того, чтобы добавить функции к классу, производному от одного

Vector) просто потому, что класс Comparator уже напрашивался в

предыдущим примере. Такой подход типичен при создании больших

библиотек. Класс Comparator естественный кандидат для библиотеки,

поскольку в нем можно указать различные требования к операциям

сравнения для разных типов.


8.4.3 Передача операций как параметров функций


Можно не задавать функцию сравнения как часть типа

Vector, а передавать ее как второй параметр функции sort().

Этот параметр является объектом класса, в котором определена

реализация операции сравнения:


template void sort(Vector& v, Comparator& cmp)

{

unsigned n = v.size();


for (int i = 0; i
for ( int j = n-1; i
if (cmp.lessthan(v[j],v[j-1])) {

// меняем местами v[j] и v[j-1]

T temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


Этот вариант можно рассматривать как обобщение традиционного приема,

когда операция сравнения передается как указатель на функцию.

Воспользоваться этим можно так:


void f(Vector& vi,

Vector& vc,

Vector& vi2,

Vector& vs)

{

Comparator ci;

Comparator cs;

Comparator cc;


sort(vi,ci); // sort(Vector&);

sort(vc,cc); // sort(Vector&);

sort(vi2,ci); // sort(Vector&);

sort(vs,cs); // sort(Vector&);

}


Отметим, что включение в шаблон класса Comparator как параметра

гарантирует, что функция lessthan будет реализовываться подстановкой.

В частности, это полезно, если в шаблонной функции используется

несколько функций, а не одна операция сравнения, и особенно это

полезно, когда эти функции зависят от хранящихся в том же объекте

данных.


8.4.4 Неявная передача операций


В примере из предыдущего раздела объекты Comparator на самом деле

никак не использовались в вычислениях. Это просто "искусственные"

параметры, нужные для правильного контроля типов. Введение таких

параметров достаточно общий и полезный прием, хотя и не слишком

красивый. Однако, если объект используется только для передачи

операции (как и было в нашем случае), т.е. в вызываемой функции

не используется ни значение, ни адрес объекта, то можно вместо этого

передавать операцию неявно:


template void sort(Vector& v)

{

unsigned n = v.size();


for (int i=0; i
for (int j=n-1; i
if (Comparator::lessthan(v[j],v[j-1])) {

// меняем местами v[j] и v[j-1]

T temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


В результате мы приходим к первоначальному варианту использования

sort():


void f(Vector& vi,

Vector& vc,

Vector& vi2,

Vector& vs)

{


sort(vi); // sort(Vector&);

sort(vc); // sort(Vector&);

sort(vi2); // sort(Vector&);

sort(vs); // sort(Vector&);

}


Основное преимущество этого варианта, как и двух предыдущих, по

сравнению с исходным вариантом в том, что часть программы, занятая

собственно сортировкой, отделена от частей, в которых находятся

такие операции, работающие с элементами, как, например lessthan.

Необходимость подобного разделения растет с ростом программы, и

особенный интерес это разделение представляет при проектировании

библиотек. Здесь создатель библиотеки не может знать типы параметров

шаблона, а пользователи не знают (или не хотят знать) специфику

используемых в шаблоне алгоритмов. В частности, если бы в функции

sort() использовался более сложный, оптимизированный и рассчитанный

на коммерческое применение алгоритм, пользователь не очень бы

стремился написать свою особую версию для типа char*, как это было

сделано в $$8.4.1. Хотя реализация класса Comparator для специального

случая char* тривиальна и может использоваться и в других ситуациях.


8.4.5 Введение операций с помощью параметров шаблонного класса


Возможны ситуации, когда неявность связи между шаблонной функцией

sort() и шаблонным классом Comparator создает трудности. Неявную

связь легко упустить из виду и в то же время разобраться в ней

может быть непросто. Кроме того, поскольку эта связь "встроена"

в функцию sort(), невозможно использовать эту функцию для

сортировки векторов одного типа, если операция сравнения рассчитана

на другой тип (см. упражнение 3 в $$8.9). Поместив функцию sort()

в класс, мы можем явно задавать связь с классом Comparator:


template class Sort {

public:

static void sort(Vector&);

};


Не хочется повторять тип элемента, и это можно не делать, если

использовать typedef в шаблоне Comparator:


template class Comparator {

public:

typedef T T; // определение Comparator::T

static int lessthan(T& a, T& b) {

return a < b;

}

// ...

};


В специальном варианте для указателей на строки это определение

выглядит так:


class Comparator {

public:

typedef char* T;

static int lessthan(T a, T b) {

return strcmp(a,b) < 0;

}

// ...

};


После этих изменений можно убрать параметр, задающий тип элемента,

из класса Sort:


template class Sort {

public:

static void sort(Vector&);

};


Теперь можно использовать сортировку так:


void f(Vector& vi,

Vector& vc,

Vector& vi2,

Vector& vs)

{

Sort< int,Comparator >::sort(vi);

Sort< String,Comparator >:sort(vc);

Sort< int,Comparator >::sort(vi2);

Sort< char*,Comparator >::sort(vs);

}


и определить функцию sort() следующим образом:


template

void Sort::sort(Vector& v)

{

for (int i=0; i
for (int j=n-1; i
if (Comp::lessthan(v[j],v[j-1])) {

T temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}


Последний вариант ярко демонстрирует как можно соединять в одну

программу отдельные ее части. Этот пример можно еще больше

упростить, если использовать класс сравнителя (Comp) в качестве

единственного параметра шаблона. В этом случае в определениях класса

Sort и функции Sort::sort() тип элемента будет обозначаться как Comp::T.


8.5 Разрешение перегрузки для шаблонной функции


К параметрам шаблонной функции нельзя применять никаких преобразований

типа. Вместо этого при необходимости создаются новые варианты

функции:


template T sqrt(t);


void f(int i, double d, complex z)

{

complex z1 = sqrt(i); // sqrt(int)

complex z2 = sqrt(d); // sqrt(double)

complex z3 = sqrt(z); // sqrt(complex)

// ...

}


Здесь для всех трех типов параметров будет создаваться по шаблону

своя функция sqrt. Если пользователь захочет чего-нибудь иного,

например вызвать sqrt(double), задавая параметр int, нужно

использовать явное преобразование типа:


template T sqrt(T);


void f(int i, double d, complex z)

{

complex z1 = sqrt(double(i)); // sqrt(double)

complex z2 = sqrt(d); // sqrt(double)

complex z3 = sqrt(z); // sqrt(complex)

// ...

}


В этом примере по шаблону будут создаваться определения только для

sqrt(double) и sqrt(complex).

Шаблонная функция может перегружаться как простой, так и шаблонной

функцией того же имени. Разрешение перегрузки как шаблонных, так и

обычных функций с одинаковыми именами происходит за три шагаЬ:


Ь Эти правила слишком строгие, и, по всей видимости будут ослаблены,

чтобы разрешить преобразования ссылок и указателей, а, возможно,

и другие стандартные преобразования. Как обычно, при таких

преобразованиях будет действовать контроль однозначности.


[1] Найти функцию с точным сопоставлением параметров ($$R.13.2);

если такая есть, вызвать ее.

[2] Найти шаблон типа, по которому можно создать вызываемую

функцию с точным сопоставлением параметров; если такая есть,

вызвать ее.

[3] Попробовать правила разрешения для обычных функций ($$r13.2);

если функция найдена по этим правилам, вызвать ее, иначе

вызов является ошибкой.

В любом случае, если на первом шаге найдено более одной функции,

вызов считается неоднозначным и является ошибкой. Например:


template

T max(T a, T b) { return a>b?a:b; };


void f(int a, int b, char c, char d)

{

int m1 = max(a,b); // max(int,int)

char m2 = max(c,d); // max(char,char)

int m3 = max(a,c); // ошибка: невозможно

// создать max(int,char)

}


Поскольку до генерации функции по шаблону не применяется никаких

преобразований типа (правило [2]), последний вызов в этом

примере нельзя разрешить как max(a,int(c)). Это может сделать сам

пользователь, явно описав функцию max(int,int). Тогда вступает

в силу правило [3]:


template

T max(T a, T b) { return a>b?a:b; }


int max(int,int);


void f(int a, int b, char c, char d)

{

int m1 = max(a,b); // max(int,int)

char m2 = max(c,d); // max(char,char)

int m3 = max(a,c); // max(int,int)

}


Программисту не нужно давать определение функции max(int,int),

оно по умолчанию будет создано по шаблону.

Можно определить шаблон max так, чтобы сработал первоначальный

вариант нашего примера:


template

T1 max(T1 a, T2 b) { return a>b?a:b; };


void f(int a, int b, char c, char d)

{

int m1 = max(a,b); // int max(int,int)

char m2 = max(c,d); // char max(char,char)

int m3 = max(a,c); // max(int,char)

}


Однако, в С и С++ правила для встроенных типов и операций над ними

таковы, что использовать подобный шаблон с двумя параметрами

может быть совсем непросто. Так, может оказаться неверно задавать

тип результата функции как первый параметр (T1), или, по крайней

мере, это может привести к неожиданному результату, например для

вызова


max(c,i); // char max(char,int)


Если в шаблоне для функции, которая

может иметь множество параметров с различными арифметическими

типами, используются два параметра, то в результате по шаблону будет

порождаться слишком большое число определений разных функций.

Более разумно добиваться преобразования типа, явно описав функцию

с нужными типами.


8.6 Параметры шаблона типа


Параметр шаблона типа не обязательно должен быть именем типа

(см. $$R.14.2). Помимо имен типов можно задавать строки, имена

функций и выражения-константы. Иногда бывает нужно задать

как параметр целое:


template class buffer {

T v[sz]; // буфер объектов произвольного типа

// ...

};


void f()

{

buffer buf1;

buffer buf2;

// ...

}


Мы сделали sz параметром шаблона buffer, а не его объектов, и это

означает, что размер буфера должен быть известен на стадии

трансляции, чтобы его объекты было можно размещать, не используя

свободную память. Благодаря этому свойству такие шаблоны как buffer

полезны для реализации контейнерных классов, поскольку для последних

первостепенным фактором, определяющим их эффективность, является

возможность размещать их вне свободной памяти. Например, если в

реализации класса string короткие строки размещаются в стеке, это дает

существенный выигрыш для программы, поскольку в большинстве задач

практически все строки очень короткие. Для реализации таких типов как

раз и может пригодиться шаблон buffer.

Каждый параметр шаблона типа для функции должен влиять на тип

функции, и это влияние выражается в том, что он участвует по

крайней мере в одном из типов формальных параметров функций,

создаваемых по шаблону. Это нужно для того, чтобы функции можно было

выбирать и создавать, основываясь только на их параметрах:


template void f1(T); // нормально

template void f2(T*); // нормально

template T f3(int); // ошибка

template void f4(int[][i]); // ошибка

template void f5(int = i); // ошибка

template void f6(T); // ошибка

template void f7(const T&, complex); // нормально

template void f8(Vector< List >); // нормально


Здесь все ошибки вызваны тем, что параметр-тип шаблона никак не

влияет на формальные параметры функций.

Подобного ограничения нет в шаблонах типа для классов. Дело в том,

что параметр для такого шаблона нужно указывать всякий раз, когда

описывается объект шаблонного класса. С другой стороны, для шаблонных

классов возникает вопрос: когда два созданных по шаблону типа можно

считать одинаковыми? Два имени шаблонного класса обозначают один и

тот же класс, если совпадают имена их шаблонов, а используемые в этих

именах параметры имеют одинаковые значения (с учетом возможных

определений typedef, вычисления выражений-констант и т.д.). Вернемся

к шаблону buffer:


template

class buffer {

T v[sz];

// ...

};


void f()

{

buffer buf1;

buffer buf2;

buffer buf3;

buffer buf4;


buf1 = buf2; // ошибка: несоответствие типов

buf1 = buf3; // нормально

buf1 = buf4; // ошибка: несоответствие типов

// ...

}


Если в шаблоне типа для класса используются параметры, задающие

не типы, возможно появление конструкций, выглядящих двусмысленно:


template