7. Робота з шаблонними, функціями та класами

Шаблон – це один з складних і потужних засобів мови програмування C++.Він не увійшов до початкової специфікації мови C++, і тільки в кінці 90-х років став невід'ємною частиною програмування нею. Шаблони дають змогу виконати одне з найважчих завдань у програмуванні – створювати програмний код, який можна використовувати для оброблення різних типів даних.

Використовуючи шаблони, можна створювати узагальнені функції та узагальнені класи. В узагальненій функції (або класі) оброблюваний нею (ним) тип даних задається як параметр. Таким чином, одну і ту саму функцію або клас можна використовувати для роботи з різними типами даних, не вказуючи безпосередньо конкретні її (його) версії для оброблення кожного з типів. Детальний аналіз механізму реалізації узагальнених функцій і класів якраз і проведено у цьому розділі.

7.1. Поняття про узагальнені функції

Узагальнена функція визначає загальний набір операцій, які згодом використовуватимуться для оброблення даних різних типів. Тип даних, який обробляється функцією, передається їй як параметр. Використовуючи узагальнену функцію для оброблення широкого діапазону даних, можна застосувати єдину загальну процедуру. На сьогодні відомо багато алгоритмів, які мають однакову логіку оброблення різних типів даних. Наприклад, один і той самий алгоритм сортування Quicksort застосовується і для впорядкування елементів масиву цілих чисел, і до масиву чисел з плинною крапкою. Відмінність тут полягає тільки в типі сортованих даних. Створюючи узагальнену функцію, можна запрограмувати роботу алгоритму незалежно від типу оброблюваних даних. Після цього компілятор автоматично згенерує коректний програмний код для типу даних, який насправді встановлюється у процесі виконання цієї функції. Загалом, створюючи узагальнену функцію, створюється функція, яка автоматично перевизначає себе саму.

Узагальнена функція - функція, яка перевизначає сама себе.

Узагальнена функція створюється за допомогою ключового слова template. Звичайне значення слова "template" точно відображає мету його застосування у мові програмування C++. Це ключове слово використовують для створення шаблону (або оболонки), який описує дії, виконувані функцією. Компіляторові ж залишається "доповнити відсутні деталі" відповідно до заданого значення параметра. Загальний формат визначення шаблонної функції має такий вигляд:

template <class tType> тип ім'я_функції (перелік_параметрів)

{

// тіло функції

}

У цьому записі елемент tType є "заповнювачем" для типу даних, які обробляються функцією. Це ім'я використовується в тілі самої функції. Але воно означаєвсього тільки заповнювач, замість якого компілятор автоматично підставить реальний тип даних при створенні конкретної версії функції. І хоча для задавання узагальненого типу в template-оголошенні за традицією застосовується ключове слово class, однак можна також використовувати ключове слово typename.

7.1.1. Механізм реалізації шаблонної функції з одним узагальненим типом

У наведеному нижче прикладі створюється шаблонна функція з одним узагальненим типом, яка міняє місцями значення двох змінних, що використовується під час її виклику. Оскільки загальний процес обміну значеннями змінних не залежить від їх типу, він є типовим претендентом для створення узагальненої функції.

Демонстрація механізму застосування шаблонної функції з одним узагальненим типом

#include <vcl>

#include <iostream> // Для потокового введення-виведення

#include <conio> // Для консольного режиму роботи

using namespace std; // Використання стандартного простору імен

// Визначення шаблонної функції.

template <class aType> void swapAB(aType &a, aType &b)

{

aType tmp; // Створення тимчасової змінної

tmp = a;

a = b;

b = tmp;

}

int main()

{

int i = 10, j = 20;

double x = 10.1, y = 23.3;

char a = 'x', b = 'z';

cout << "Початкові значення i, j: " << i << " " << j << endl;

cout << "Початкові значення x, y: " << x << " " << y << endl;

cout << "Початкові значення a, b: " << a << " " << b << endl;

swapAB(i, j); // Перестановка цілих чисел

swapAB(x, y); // Перестановка чисел з плинною крапкою

swapAB(a, b); // Перестановка символів

cout << "Після перестановки i, j: " << i << " " << j << endl;

cout << "Після перестановки x, y: " << x << " " << y << endl;

cout << "Після перестановки a, b: " << a << " " << b << endl;

getch();

return 0;

}

Внаслідок виконання ця програма відображає на екрані такі результати:

Початкові значення i, j: 10 20

Початкові значення x, у: 10.1 23.3

Початкові значення a, b: x z

Після перестановки i, j: 20 10

Після перестановки x, у: 23.3 10.1

Після перестановки a, b: z x

Отже, розглянемо уважно код програми. Рядок template <class aType> void swapAB(aType &a, aType &b) повідомляє компілятор, по-перше, що створюється шаблон, і, по-друге, що тут починається узагальнене визначення шаблонної функції. Позначення aType є узагальненим типом, який використовується як "заповнювач". За template-заголовком знаходиться оголошення функції swapAB(), у якому символ aType означає тип даних для значень, які мінятимуться місцями. У функції main() продемонстровано виклик функції swapAB() з використанням трьох різних типів даних: int, double і char. Оскільки функція swapAB() є узагальненою, то компілятор автоматично створює три версії функції swapAB(): одну для обміну цілих чисел, другу для обміну чисел з плинною крапкою і третю для обміну символів.

Тут необхідно уточнити деякі важливі терміни, пов'язані з шаблонами. Поперше, узагальнена функція (тобто функція, оголошення якої передує template-настанові) також називається шаблонною функцією. Обидва терміни використовуються у цьому навчальному посібнику як взаємозамінні. Коли компілятор створює конкретну версію цієї функції, то вважають, що створюється її спеціалізація (або конкретизація). Спеціалізація також називається породженою функцією (generated function). Дію породження функції визначають як її реалізацію (instantiating). Іншими словами, породжувана функція є конкретним примірником шаблонної функції.

Оскільки мова програмування C++ не розпізнає символ кінця рядка як ознаку кінця настанови, то template-частина визначення узагальненої функції може не знаходитися в одному рядку з іменем цієї функції. У наведеному нижче прикладі показано ще один (достатньо поширений) спосіб форматування функції swapAB():

template <class aType>

void swapAB(aType &a, aType &b)

{

aType tmp; // Створення тимчасової змінної

tmp = a;

a = b;

b = tmp;

}

При використанні цього формату важливо розуміти, що між template-настановою і початком визначення узагальненої функції ніякі інші настанови знаходитися не можуть. Наприклад, наведений нижче код програми не відкомпілюється:

// Цей програмний код не відкомпілюється

template <class aType>

int i; // Тут помилка!

void swapAB(aType &a, aType &b)

{

aType tmp; // Створення тимчасової змінної

tmp = a;

a = b;

b = tmp;

}

Як зазначено в коментарі, template-специфікація повинна знаходитися безпосередньо перед визначенням функції. Між ними не може знаходитися ні настанова оголошення змінної, ні будь-яка інша настанова.