2 семестр / Литература / Язык программирования С++. Краткий курс. Страуструп
.pdf
230
Глава
13.
Утилиты
13.1.
Введение
Не четко
все компоненты стандартной |
библиотеки входят |
в состав |
средств с |
помеченным функциональным |
предназначением, |
таким как |
"контей |
неры" или |
"ввод-вывод". В этом |
разделе приводится |
небольших |
широко используемых |
компонентов. Такие |
несколько примеров компоненты (классы
и
шаблоны)
часто
называют
словарными
типами
(vocabulary types),
потому
что
они
являются
частью
общего
словаря,
который
мы
используем
для
опи
сания
наших
проектов |
и |
программ.
Такие
библиотечные
компоненты
часто
выступают
в
качестве
строительных
блоков
для
более
мощных
библиотечных
средств,
включая
другие
компоненты
стандартной
библиотеки.
Чтобы
быть
полезными,
функция
или тип
не
обязаны
быть
сложными
или
тесно
связан
ными
с
массой
других
функций
и
типов.
13.2.
Управление
ресурсами
Одной
из
ключевых
задач
любой
нетривиальной
программы
является
управление
ресурсами.
Ресурс
-
это
то,
что
должно
быть
захвачено,
а поз
же
(явно
или
неявно)
освобождено.
Примерами
являются
память,
блокиров
ки,
сокеты,
дескрипторы
потоков
выполнения
и
файловые
дескрипторы.
Для
длительно
работающей
программы
неспособность
своевременно
освободить
ресурс
("утечка")
может
привести
к
серьезному
снижению
производительно
сти
и,
возможно,
даже
к
аварийному
завершению
программы.
Даже
для
ко
ротких
программ
утечка
может
стать
помехой,
например
из-за
нехватки
ре
сурсов, увеличивающей время выполнения на порядки.
Компоненты стандартной библиотеки разработаны
так,
чтобы
не
допус
кать
утечки
ресурсов.
Для
этого
они
полагаются
на базовую
языковую
под
держку
управления
ресурсами
с
использованием
пар
"конструктор/деструк
тор",
чтобы
гарантировать,
что
ресурс
не
переживет
объект,
ответственный
за
него.
Примером
является
использование
пары
"конструктор/деструктор"
в
Vector
для управления
временем
жизни
его
элементов
(§4.2.2),
и
все
кон
тейнеры
стандартной
библиотеки
реализованы
аналогичным
образом.
Важно
отметить,
что
этот
подход
корректно
взаимодействует
с
обработкой
ошибок
с
использованием
исключений.
Например,
этот
метод
используется
для
классов
блокировки
стандартной
библиотеки:
mutex
11 ...
m;
/ / //
Используется |
для защиты доступа |
к совместно |
используемым данным |
void
f
()
232
Глава
13.
Утилиты
могли
бы
решить
проблему,
просто
не
используя
указатель
и |
не |
используя
new:
void |
f(int |
i, |
int |
{ |
|
|
|
Х |
х; |
|
|
11 ... |
|
|
|
К |
сожалению, |
||
j) |
//Использование |
локальной |
переменной |
злоупотребление |
оператором |
new |
(а |
также |
указателями |
ссылками), похоже, становится все более и более серьезной проблемой.
и
Однако, когда |
вам действительно нужна |
ptr оказывается |
очень легким механизмом |
семантика указателей, unique
без накладных расходов памяти
и
времени
по
сравнению
с
правильным
применением
встроенного
указате
ля.
Его
применение
включает
передачу объектов
из
динамической
памяти
в
функции
и
их
возврат
из
них:
//
Создает
Х
и
передает
его
в
unique_ptr:
unique_ptr<X> make_X(int |
i) |
||
{ |
|
|
|
// |
... проверка i |
и |
прочие |
действия
return
unique_ptr<X>{new
X{i));
unique
_ptr
представляет
собой
дескриптор
отдельного
объекта
(или
мас
сива)
почти
так
же,
как
vector
представляет
собой
дескриптор
последова
тельности
объектов.
Оба
они
управляют
временем
жизни
других
объектов
(используя
идиому
RAII)
и
оба
используют
семантику
перемещения,
чтобы
сделать
возврат
с
помощью
return
простым
и
эффективным.
shared_ptr
похож
на
unique_ptr,
с
тем
отличием,
что
shared_ptr
ко
пируются,
а
не
перемещаются.
Интеллектуальные
указатели
shared_ptr
для
объекта
совместно
используют
владение
этим
объектом;
объект
уничтожает
ся,
когда
уничтожается
последний
из
указывающих
на
него
shared_ptr.
На
пример:
void void
f(shared_ptr<fstream>); g(shared_ptr<fstream>);
void
user(const
string&
name,
ios_base::openmode
mode)
shared_ptr<fstream> |
fp |
{new |
||
if |
( ! *fp) |
// Убеждаемся, |
||
|
throw |
No_file{); |
|
|
fstream(name ,mode));
что файл корректно открыт
f (fp); g(fp);
11
...
236
Глава
13.
Утилиты
Состояние
удаленного
объекта
в
общем
случае
не
определено,
но
все
типы
стандартной
библиотеки
оставляют
перемещенный
объект
в
состоянии,
в ко
тором
он
может
быть
уничтожен
и
присвоен.
Было
бы
неразумно
не
следо
вать
этому
примеру.
Для
контейнера
(например,
вектора
или
строки)
состоя
ние
после
перемещения
будет
"пустым
контейнером".
Для
многих
типов
пу
стое
состояние
представляет
собой
значение
по
умолчанию:
оно
имеет
смысл
и
дешево
устанавливается.
Передача
аргументов
является
важным
вариантом
использования,
который
требует
перемещения
(§7.4.2).
Иногда
мы
хотим
передать
набор
аргументов
другой
функции,
ничего
не меняя
(для
достижения
"прямой
передачи"):
template<typename Т, typename |
... Args> |
|
unique_ptr<T> make_unique(Args&& ... args) |
||
{ |
|
|
/ / |
Передача каждого аргумента: |
|
return unique_ptr<T>{new |
T{std::forward<Args>(args) |
|
...
));
Функция
forward
()
стандартной
библиотеки
отличается
от
более
про
стой
s
td:
: move
( ) ,
правильно
обрабатывая
тонкости,
связанные
с
1-
и
r-зна
чениями
(§5.2.2).
Используйте
std::
forward
()
исключительно
для
пере
дачи
и не
передавайте
что-либо
дважды;
как
только
вы
передали
объект,
вы
больше
не
можете
его
использовать.
13.3.
Проверка выхода за границы
диаnаэона:gsl: :span
Традиционно
ошибки
выхода
за
границы
диапазона
были
основным
источ
ником
серьезных
ошибок
в
программах
на
С
и
С++.
Использование
контей
неров
(глава
11,
"Контейнеры"),
алгоритмов
(глава
12,
"Алгоритмы")
и
цикла
for
по
диапазону
значительно
уменьшили
эту
проблему,
но
можно
сделать
больше.
Основным
источником
ошибок
выхода
за
границы
диапазона
явля
ется
то,
что
люди
передают
указатели
(обычные
или
интеллектуальные),
а
за
тем,
чтобы
узнать
количество
элементов,
на
которые
они
указывают,
полага
ются
на
соглашение.
Наилучший
совет
для
кода
вне
дескрипторов
ресурсов
состоит
в
том,
чтобы
предположить,
что
указатель
указывает
не
более
чем
на
один
объект
[CG:F.22],
но
без
соответствующей
поддержки
этот
совет
мало
что
дает.
Нам
может
помочь
string
view
(§9.3)
из
стандартной
библиоте
ки,
но
это
представление
доступно
только
для
чтения
и
только
для
символов.
Большинству программистов нужно большее.
В работе [61] предлагаются некоторые рекомендации
и
небольшая
библи
отека
для
их
поддержки
[23],
включая
тип
span
для
ссылки
на
диапазон
эле-
13.3.
Проверка
выхода
за
границы
диапазона:
gsl::span
237
ментов.
Этот
span
предложен
в
стандарт,
но
пока
что
это
просто
код,
который
вы можете загрузить, если он вам нужен.
string_span представляет собой пару
(указатель,
длина),
обозначающую
последовательность
элементов.
span<int>:
{begin(),
siz
е()}
Целыечисла:
+----------------- --
~l_!~2~!_з~!_s~!_в~_1_з~2_1~34~J_ss~I
span
предоставляет
доступ
к
непрерывной
последовательности
элемен
тов.
Элементы
могут
храниться
разными
способами,
в
том
числе
в
векторах
и
встроенных
массивах.
Как
и
указатель,
span
не
владеет
символами,
на
кото
рые
указывает.
В
этом
он
похож
на
string
_
view
(§9.3)
и
на
пару
итераторов
STL (§ 12.3). Рассмотрим
общий
стиль интерфейса:
void |
fpn(int* |
|
( |
|
|
|
for |
(int |
|
|
р [i] |
р,
i
О;
int
О;
n)
i<n;
++i)
Мы
предполагаем,
что
р
указывает
на
n
целых
чисел.
К
сожалению,
это
предположение
-
просто
соглашение,
поэтому
мы
не
можем использовать
его
для
написания цикла
for
для
диапазона,
а
компилятор
не может реализо
вать
дешевую
и
эффективную
проверку
выхода за
границы
диапазона.
Кроме
того,
наше
предположение
может
попросту
быть
неверным:
void |
use(int х) |
( |
|
|
int а[100]; |
|
fpn(a,100); |
|
fpn(a,1000); |
|
fpn(a+l0,100); |
|
fpn (а, х) ; |
// ОК |
|
|
|
//Просто |
опечатка! |
(Ошибка |
|
//Ошибка |
диапазона |
в |
fpn |
/ / Выглядит невинно, |
|
но . .. |
|
диапазона
в
fpn)
Можно
сделать
лучше,
если
использовать
span:
void |
fs(span<int> |
|||
( |
|
|
|
|
|
for |
(int |
х |
: |
|
|
х = |
О; |
|
р)
р)
Использовать
f
s
можно,
например,
так:
238
Глава
13. Утилиты
void |
use(int х) |
{ |
|
|
int a[lOOJ; |
|
fs(a); |
|
fs(a,1000); |
|
fs({a+l0,100}); |
|
f s ( {а, х} ) ; |
//Неявное |
создание |
span<int>{a,100} |
|
// |
Ошибка |
:ожидается |
span |
// |
Ошибка |
диапазона |
в fs |
/ / |
Очевидно подозрительно |
||
То
есть
распространенный
случай
создания
span
непосредственно
из
мас
сива теперь
безопасен
(компилятор
сам
вычисляет
количество
элементов)
и
прост
для
записи.
В
других
случаях
вероятность
ошибок
снижается,
потому
что программист должен явно составить диапазон.
Распространенный случай, когда диапазон передается
от
функции
к
функ
ции, оказывается проще, чем для интерфейсов
но, не требует дополнительной проверки:
(указатель,счетчик),
и,
очевид
void |
fl(span<int> |
void |
f2(span<int> |
{ |
|
|
11 ... |
|
f1 (р); |
р); р)
При
использовании
для
индексации
(например,
r
[
i])
выполняется
про
верка
выхода
за
границы
диапазона,
и
в
случае
ошибки
генерируется
исклю
чение
gsl::
fail
_
fast.
Проверка
выхода
за
границы
диапазона
может
быть
подавлена
для
кода,
критичного
к
производительности.
Когда
span
станет
стандартом,
я
ожидаю,
что
s
td:
:
span
будет
использовать
контракты
(20]
для управления ответами на нарушения границ диапазона. |
|
Обратите внимание, что для цикла необходима только |
одна |
проверка
диа
пазона.
Таким
образом,
для
распространенного
случая,
когда
тело
функции,
использующей
span,
представляет
собой
цикл
по
диапазону
span,
эта
про
верка оказывается практически бесплатной. |
|
Диапазон символов |
поддерживается |
непосредственно
и
называется
gsl:
:
string
_
span.
13.4.
Специализированные
контейнеры
не
Стандартная |
библиотека |
предоставляет несколько контейнеров, |
которые |
вписываются |
идеально в |
каркас STL (глава 11, "Контейнеры", |
глава 12, |
"Алгоритмы").
Примерами
являются
встроенные
массивы,
array
и
string.
Я
иногда
называю
их
"почти
контейнерами",
но
это
не
совсем
справедливо:
они
содержат
элементы,
поэтому
являются
контейнерами,
но
у каждого есть
ограничения
или
дополнительные
возможности,
которые
делают
их
выпада-
13.4.
Специализированные
контейнеры
239
ющими из |
контекста |
сание STL. |
|
STL.
Кроме
того,
их
отдельное
описание
упрощает
опи
T[N]
array<T,N>
Ьitset<N> vector<bool>
"Почти контейнеры"
Встроенный массив: непрерывная последовательность фиксиро |
|
ванного размера из N элементов типа т; неявно преобразуется в |
Т* |
Непрерывная последовательность фиксированного размера из N |
|
элементов типа т; подобна встроенному массиву, но с решением |
|
большинства проблем |
|
Последовательность фиксированного размера из N битов |
|
Последовательность битов, компактно хранящаяся в специализа |
|
ции vector |
|
pair<T,U>
tuple<T ...
>
Два элемента типов т и u |
|
Последовательность |
произвольного количества элементов |
произвольных типов |
|
basic
_
string<C>
Последовательность символов типа с; предоставляет строковые операции
valarray<T>
Массив числовых значений типа т; операции
предоставляет
числовые
Почему
стандартная
библиотека
предоставляет
так
много
контейнеров?
Они
служат
распространенным,
но
различным
(хотя
и
часто
перекрываю
щимся)
потребностям.
Если
бы
стандартная
библиотека
их
не
предоставляла,
многим
программистам
пришлось
бы
разрабатывать |
и |
реализовывать
соб
ственные
контейнеры.
•
•
•
•
•
pair и |
tuple - |
гетерогенные; все прочие контейнеры гомогенные |
||||
(все их |
элементы |
одного и того же типа). |
|
|
||
Элементы array, vector и tuple располагаются в памяти непрерыв |
||||||
но; forward_ list и map |
представляют |
собой связанные структуры. |
||||
bi tset и vector<bool> |
хранят биты и |
обращаются |
к ним через прок |
|||
си-объекты; все прочие |
контейнеры стандартной библиотеки могут хра |
|||||
нить различные типы и |
непосредственно обращаться |
к хранимым эле |
||||
ментам. |
|
|
|
|
|
|
basic_ string требует, |
чтобы все были некоторой |
разновидностью |
||||
символов и обеспечивали |
возможность работы со строками, как, напри |
|||||
мер, конкатенация или операции, чувствительные к локали. |
||||||
valarray требует, чтобы |
все элементы |
были числами и обеспечивали |
||||
возможность выполнения числовых операций. |
|
|||||