Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

единственного параметра шаблона. В этом случае в определениях класса Sort и функции Sort::sort() тип элемента будет обозначаться как Comp::T.

8.5Разрешение перегрузки для шаблонной функции

Кпараметрам 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 шага. 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.

Влюбом случае, если на первом шаге найдено более одной функции, вызов считается неоднозначным

иявляется ошибкой. Например:

template<class T>

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

}

Поскольку до генерации функции по шаблону не применяется никаких преобразований типа (правило

221

[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)

{

}

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; };

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

222

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:

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 { /* ... */ };

Этот пример синтаксически ошибочен, поскольку первая угловая скобка > завершает параметр шаблона. В маловероятном случае, когда вам понадобится параметр шаблона, являющийся

223

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:

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>:

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*>* :

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:

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.

224

8.7.1 Задание реализации с помощью параметров шаблона

В контейнерных классах часто приходится выделять память. Иногда бывает необходимо (или просто удобно) дать пользователю возможность выбирать из нескольких вариантов выделения памяти, а также позволить ему задавать свой вариант. Это можно сделать несколькими способами. Один из способов состоит в том, что определяется шаблон типа для создания нового класса, в интерфейс которого входит описание соответствующего контейнера и класса, производящего выделение памяти по способу, описанному в $$6.7.2:

template<class T, class A> class Controlled_container

: public Container<T>, private A {

// ...

void some_function()

{

// ...

T* p = new(A::operator new(sizeof(T))) T;

// ...

}

// ...

};

Шаблон типа здесь необходим, поскольку мы создаем контейнерный класс. Наследование от Container<T> нужно, чтобы класс Controlled_container можно было использовать как контейнерный класс. Шаблон типа с параметром A позволит нам использовать различные функции размещения:

class Shared : public Arena { /* ... */ }; class Fast_allocator { /* ... */ };

Controlled_container<Process_descriptor,Shared> ptbl;

Controlled_container<Node,Fast_allocator> tree;

Controlled_container<Personell_record,Persistent> payroll;

Это универсальный способ предоставлять производным классам содержательную информацию о реализации. Его положительными качествами являются систематичность и возможность использовать функции-подстановки. Для этого способа характерны необычно длинные имена. Впрочем, как обычно, typedef позволяет задать синонимы для слишком длинных имен типов:

typedef

Controlled_container<Personell_record,Persistent> pp_record; pp_record payroll;

Обычно шаблон типа для создания такого класса как pp_record используют только в том случае, когда добавляемая информация по реализации достаточно существенна, чтобы не вносить ее в производный класс ручным программированием. Примером такого шаблона может быть общий (возможно, для некоторых библиотек стандартный) шаблонный класс Comparator ($$8.4.2), а также нетривиальные (возможно, стандартные для некоторых библиотек) классы Allocator (классы для выделения памяти). Отметим, что построение производных классов в таких примерах идет по "основному проспекту", который определяет интерфейс с пользователем (в нашем примере это Container). Но есть и "боковые улицы", задающие детали реализации.

8.8 Ассоциативный массив

Из всех универсальных невстроенных типов самым полезным, по всей видимости, является ассоциативный массив. Его часто называют таблицей (map), а иногда словарем, и он хранит пары значений. Имея одно из значений, называемое ключом, можно получить доступ к другому, называемому просто значением. Ассоциативный массив можно представлять как массив, в котором индекс не обязан быть целым:

template<class K, class V> class Map {

225

Здесь ключ типа K обозначает значение типа V. Предполагается, что ключи можно сравнивать с помощью операций == и <, так что массив можно хранить в упорядоченном виде. Отметим, что класс Map отличается от типа assoc из $$7.8 тем, что для него нужна операция "меньше чем", а не функция хэширования.

Приведем простую программу подсчета слов, в которой используются шаблон Map и тип String:

#include <String.h> #include <iostream.h>

#include "Map.h"

int main()

{

Map<String,int> count;

String word;

while (cin >> word) count[word]++;

for (Mapiter<String,int> p = count.first(); p; p++) cout << p.value() << '\t' << p.key() << '\n';

return 0;

}

Мы используем тип String для того, чтобы не беспокоиться о выделении памяти и переполнении ее, о чем приходится помнить, используя тип char*. Итератор Mapiter нужен для выбора по порядку всех значений массива. Итерация в Mapiter задается как имитация работы с указателями. Если входной поток имеет вид

It was new. It was singular. It was simple. It must succeed.

программа выдаст

Конечно, определить ассоциативный массив можно многими способами, а, имея определение Map и связанного с ним класса итератора, мы можем предложить много способов для их реализации. Здесь выбран тривиальный способ реализации. Используется линейный поиск, который не подходит для больших массивов. Естественно, рассчитанная на коммерческое применение реализация будет создаваться, исходя из требований быстрого поиска и компактности представления (см. упражнение 4

из $$8.9).

Мы используем список с двойной связью Link:

template<class K, class V> class Map; template<class K, class V> class Mapiter; template<class K, class V> class Link {

friend class Map<K,V>; friend class Mapiter<K,V>; private:

const K key; V value; Link* pre;

Link* suc;

Link(const K& k, const V& v) : key(k), value(v) { }

~Link() { delete suc; } // рекурсивное удаление всех

226

// объектов в списке

};

Каждый объект Link содержит пару (ключ, значение). Классы описаны в Link как друзья, и это гарантирует, что объекты Link можно создавать, работать с ними и уничтожать только с помощью соответствующих классов итератора и Map. Обратите внимание на предварительные описания шаблонных классов Map и Mapiter.

Шаблон Map можно определить так:

template<class K, class V> class Map { friend class Mapiter<K,V>; Link<K,V>* head;

Link<K,V>* current; V def_val;

K def_key; int sz;

void find(const K&);

void init() { sz = 0; head = 0; current = 0; } public:

Map(const Map&);

Map& operator= (const Map&);

V& operator[] (const K&);

int size() const { return sz; }

void clear() { delete head; init(); }

void remove(const K& k); // функции для итерации

Mapiter<K,V> element(const K& k)

{

(void) operator[](k); // сделать k текущим элементом return Mapiter<K,V>(this,current);

}

Mapiter<K,V> first(); Mapiter<K,V> last();

};

Элементы хранятся в упорядоченном списке с дойной связью. Для простоты ничего не делается для ускорения поиска (см. упражнение 4 из $$8.9). Ключевой здесь является функция operator[]():

template<class K, class V>

V& Map<K,V>::operator[] (const K& k)

{

if (head == 0) {

current = head = new Link<K,V>(k,def_val); current->pre = current->suc = 0;

return current->value;

}

Link<K,V>* p = head;

for (;;) {

if (p->key == k) { // найдено current = p;

return current->value;

}

if (k < p->key) { // вставить перед p (в начало) current = new Link<K,V>(k,def_val);

227

Бьерн Страуструп. Язык программирования С++

current->pre = p->pre;

current->suc = p;

if (p == head) // текущий элемент становится начальным head = current;

else

p->pre->suc = current; p->pre = current;

return current->value;

}

Link<K,V>* s = p->suc;

if (s == 0) { // вставить после p (в конец) current = new Link<K,V>(k,def_val); current->pre = p;

current->suc = 0; p->suc = current; return current->value;

}

p = s;

}

}

Операция индексации возвращает ссылку на значение, которое соответствует заданному как параметр ключу. Если такое значение не найдено, возвращается новый элемент со стандартным значением. Это позволяет использовать операцию индексации в левой части присваивания. Стандартные значения для ключей и значений устанавливаются конструкторами Map. В операции индексации определяется значение current, используемое итераторами.

Реализация остальных функций-членов оставлена в качестве упражнения:

template<class K, class V>

void Map<K,V>::remove(const K& k)

{

// см. упражнение 2 из $$8.10

}

template<class K, class V> Map<K,V>::Map(const Map<K,V>& m)

{

// копирование таблицы Map и всех ее элементов

}

template<class K, class V>

Map& Map<K,V>::operator=(const Map<K,V>& m)

{

// копирование таблицы Map и всех ее элементов

}

Теперь нам осталось только определить итерацию. В классе Map есть функции-члены first(), last() и element(const K&), которые возвращают итератор, установленный соответственно на первый, последний или задаваемый ключом-параметром элемент. Сделать это можно, поскольку элементы хранятся в упорядоченном по ключам виде. Итератор Mapiter для Map определяется так:

template<class K, class V> class Mapiter { friend class Map<K,V>;

Map<K,V>* m; Link<K,V>* p;

Mapiter(Map<K,V>* mm, Link<K,V>* pp)

{ m = mm; p = pp; } public:

Mapiter() { m = 0; p = 0; } Mapiter(Map<K,V>& mm);

228

После позиционирования итератора функции key() и value() из Mapiter выдают ключ и значение того элемента, на который установлен итератор.

template<class K, class V> const K& Mapiter<K,V>::key()

{

if (p) return p->key; else return m->def_key;

}

template<class K, class V> V& Mapiter<K,V>::value()

{

if (p) return p->value; else return m->def_val;

}

По аналогии с указателями определены операции ++ и -- для продвижения по элементам Map вперед и назад:

Mapiter<K,V>& Mapiter<K,V>::operator--() //префиксный декремент

{

if (p) p = p->pre; return *this;

}

void Mapiter<K,V>::operator--(int) // постфиксный декремент

{

if (p) p = p->pre;

}

Mapiter<K,V>& Mapiter<K,V>::operator++() // префиксный инкремент

{

if (p) p = p->suc; return *this;

}

void Mapiter<K,V>::operator++(int) // постфиксный инкремент

{

if (p) p = p->suc;

}

Постфиксные операции определены так, что они не возвращают никакого значения. Дело в том, что затраты на создание и передачу нового объекта Mapiter на каждом шаге итерации значительны, а польза от него будет не велика.

Объект Mapiter можно инициализировать так, чтобы он был установлен на начало Map:

template<class K, class V> Mapiter<K,V>::Mapiter(Map<K,V>& mm)

{

m == &mm; p = m->head;

}

Операция преобразования operator void*() возвращает нуль, если итератор не установлен на элемент Map, и ненулевое значение иначе. Значит можно проверять итератор iter, например, так:

void f(Mapiter<const char*, Shape*>& iter)

{

229

Аналогичный прием используется для контроля потоковых операций ввода-вывода в $$10.3.2.

Если итератор не установлен на элемент таблицы, его функции key() и value() возвращают ссылки на стандартные объекты.

Если после всех этих определений вы забыли их назначение, можно привести еще одну небольшую программу, использующую таблицу Map. Пусть входной поток является списком пар значений следующего вида:

Нужно отсортировать список так, чтобы значения, соответствующие одному предмету, складывались, и напечатать получившийся список вместе с итоговым значением:

Вначале напишем функцию, которая читает входные строки и заносит предметы с их количеством в таблицу. Ключом в этой таблице является первое слово строки:

template<class K, class V> void readlines(Map<K,V>&key)

{

K word;

while (cin >> word) {

V val = 0;

if (cin >> val) key[word] +=val;

else return;

}

}

Теперь можно написать простую программу, вызывающую функцию readlines() и печатающую получившуюся таблицу:

main()

{

Map<String,int> tbl("nil",0); readlines(tbl);

int total = 0;

for (Mapiter<String,int> p(tbl); p; ++p) { int val = p.value();

total +=val;

230