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<class T> void sort(Vector<T>& v)

{

unsigned n = v.size();

for (int i=0; i<n-1; i++)

for (int j=n-1; i<j; j--)

if (Comparator<T>::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<int>& vi,

Vector<String>& vc,

Vector<int>& vi2,

Vector<char*>& vs)

{

sort(vi); // sort(Vector<int>&);

sort(vc); // sort(Vector<String>&);

sort(vi2); // sort(Vector<int>&);

sort(vs); // sort(Vector<char*>&);

}

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 T, class Comp> class Sort {

public:

static void sort(Vector<T>&);

};

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

использовать typedef в шаблоне Comparator:

template<class T> class Comparator {

public:

typedef T T; // определение Comparator<T>::T

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

return a < b;

}

// ...

};

В специальном варианте для указателей на строки это определение

выглядит так:

class Comparator<char*> {

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 T, class Comp> class Sort {

public:

static void sort(Vector<T>&);

};

Теперь можно использовать сортировку так:

void f(Vector<int>& vi,

Vector<String>& vc,

Vector<int>& vi2,

Vector<char*>& vs)

{

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

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

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

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

}

и определить функцию sort() следующим образом:

template<class T, class Comp>

void Sort<T,Comp>::sort(Vector<T>& v)

{

for (int i=0; i<n-1; i++)

for (int j=n-1; i<j; j--)

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<class T> 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<class T> 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<class T>

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<class T>

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<class T1, class T2>

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 T, int sz> class buffer {

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

// ...

};

void f()

{

buffer<char,128> buf1;

buffer<complex,20> 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<class T> void f1(T); // нормально

template<class T> void f2(T*); // нормально

template<class T> T f3(int); // ошибка

template<int i> void f4(int[][i]); // ошибка

template<int i> void f5(int = i); // ошибка

template<class T, class C> void f6(T); // ошибка

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

template<class T> void f8(Vector< List<T> >); // 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 T, int sz>

class buffer {

T v[sz];

// ...

};

void f()

{

buffer<char,20> buf1;

buffer<complex,20> buf2;

buffer<char,20> buf3;

buffer<char,100> 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<int i>

class X { /* ... */ };

void f(int a, int b)

{

X < a > b>; // Как это понимать: X<a> b и потом

// недопустимая лексема, или X< (a>b) >; ?

}

Этот пример синтаксически ошибочен, поскольку первая угловая скобка

> завершает параметр шаблона. В маловероятном случае, когда вам

понадобится параметр шаблона, являющийся выражением "больше чем",

используйте скобки: X< (a>b)>.

8.7 Шаблоны типа и производные классы

Мы уже видели, что сочетание производных классов (наследование) и

шаблонов типа может быть мощным средством. Шаблон типа выражает

общность между всеми типами, которые используются как его параметры,

а базовый класс выражает общность между всеми представлениями

(объектами) и называется интерфейсом. Здесь возможны некоторые

простые недоразумения, которых надо избегать.

Два созданных по одному шаблону типа будут различны и между ними

невозможно отношение наследования кроме единственного случая, когда

у этих типов идентичны параметры шаблона. Например:

template<class T>

class Vector { /* ... */ }

Vector<int> v1;

Vector<short> v2;

Vector<int> v3;

Здесь v1 и v3 одного типа, а v2 имеет совершенно другой тип. Из того

факта, что short неявно преобразуется в int, не следует, что есть

неявное преобразование Vector<short> в Vector<int>:

v2 = v3; // несоответствие типов

Но этого и следовало ожидать, поскольку нет встроенного преобразования

int[] в short[].

Аналогичный пример:

class circle: public shape { /* ... */ };

Vector<circle*> v4;

Vector<shape*> v5;

Vector<circle*> v6;

Здесь v4 и v6 одного типа, а v5 имеет совершенно другой тип. Из того

факта, что существует неявное преобразование circle в shape и

circle* в shape*, не следует, что есть неявные преобразования

Vector<circle*> в Vector<shape*> или Vector<circle*>* в

Vector<shape*>* :

v5 = v6; // несоответствие типов

Дело в том, что в общем случае структура (представление) класса,

созданного по шаблону типа, такова, что для нее не предполагаются

отношения наследования. Так, созданный по шаблону класс может

содержать объект типа, заданного в шаблоне как параметр, а не просто

указатель на него. Кроме того, допущение подобных преобразований

приводит к нарушению контроля типов:

void f(Vector<circle>* pc)

{

Vector<shape>* ps = pc; // ошибка: несоответствие типов

(*ps)[2] = new square; // круглую ножку суем в квадратное

// отверстие (память выделена для

// square, а используется для circle

}

На примерах шаблонов Islist, Tlink, Slist, Splist, Islist_iter,

Slist_iter и SortableVector мы видели, что шаблоны типа дают

удобное средство для создания целых семейств классов. Без шаблонов

создание таких семейств только с помощью производных классов

может быть утомительным занятием, а значит, ведущим к ошибкам.

С другой стороны, если отказаться от производных классов и использовать

только шаблоны, то появляется множество копий функций-членов шаблонных

классов, множество копий описательной части шаблонных классов и во

множестве повторяются функции, использующие шаблоны типа.