16

16. Шаблоны классов

В этой главе описывается, как определять и использовать шаблоны классов. Шаблон – это предписание для создания класса, в котором один или несколько типов либо значений параметризованы. Начинающий программист может использовать шаблоны, не понимая механизма, стоящего за их определениями и конкретизациями. Фактически на протяжении всей этой книги мы пользовались шаблонами классов, которые определены в стандартной библиотеке C++ (например, vector, list и т.д.), и при этом не нуждались в детальном объяснении механизма их работы. Только профессиональные программисты определяют собственные шаблоны классов и пользуются описанными в данной главе средствами. Поэтому этот материал следует рассматривать как введение в более сложные аспекты C++.

Глава 16 содержит вводные и продвинутые разделы. Во вводных разделах показано, как определяются шаблоны классов, иллюстрируются простые способы применения и обсуждается механизм их конкретизации. Мы расскажем, как можно задавать в шаблонах разные виды членов: функции-члены, статические данныечлены и вложенные типы. В продвинутых разделах представлен материал, необходимый для написания приложений промышленного уровня. Сначала мы рассмотрим, как компилятор конкретизирует шаблоны и какие требования в связи с этим предъявляются к организации нашей программы. Затем покажем, как определять специализации и частичные специализации для шаблона класса и для его члена. Далее мы остановимся на двух вопросах, представляющих интерес для проектировщиков: как разрешаются имена в определениях шаблона класса и как можно определять шаблоны в пространствах имен. Завершается эта глава примером определения и использования шаблона класса.

16.1. Определение шаблона класса

Предположим, что нам нужно определить класс, поддерживающий механизм очереди. Очередь – это структура данных для хранения коллекции объектов; они помещаются в конец очереди, а извлекаются из ее начала. Поведение очереди описывают аббревиатурой FIFO – “первым пришел, первым ушел”. (Определенный в стандартной библиотеке C++ тип, реализующий очередь, упоминался в разделе 6.17. В этой главе мы создадим упрощенный тип для знакомства с шаблонами классов.)

Необходимо, чтобы наш класс Queue поддерживал следующие операции:

∙добавить элемент в конец очереди:

void add( item );

∙удалить элемент из начала очереди:

item remove();

∙определить, пуста ли очередь:

индивидуальных типов никогда не кончается и очень сложен с точки зрения сопровождения.

К счастью, механизм шаблонов C++ позволяет автоматически генерировать такие типы. Шаблон класса можно использовать при создании Queue для очереди объектов любого

template <class Type> class Queue { public:

Queue();

~Queue();

Type& remove(); void add( const Type

& ); bool is_empty(); bool is_full();

private: // ...

типа. Определение шаблона этого класса могло бы выглядеть следующим образом:

};

Чтобы создать классы Queue, способные хранить целые числа, комплексные числа и

Queue<int> qi;

Queue< complex<double> > qc;

строки, программисту достаточно написать:

Queue<string> qs;

Реализация Queue представлена в следующих разделах с целью иллюстрации определения и применения шаблонов классов. В реализации используются две абстракции шаблона:

∙сам шаблон класса Queue предоставляет описанный выше открытый интерфейс и пару членов: front и back. Очередь реализуется с помощью связанного списка;

∙шаблон класса QueueItem представляет один узел связанного списка Queue. Каждый помещаемый в очередь элемент сохраняется в объекте QueueItem, который содержит два члена: value и next. Тип value будет различным в каждом экземпляре класса Queue, а next – это всегда указатель на следующий объект QueueItem в очереди.

Прежде чем приступать к детальному изучению реализации этих шаблонов, рассмотрим, как они объявляются и определяются. Вот объявление шаблона

template <class T>

класса QueueItem:

class QueueItem;

Как объявление, так и определение шаблона всегда начинаются с ключевого слова template. За ним следует заключенный в угловые скобки список параметров шаблона, разделенных запятыми. Список не бывает пустым. В нем могут быть параметры-типы, представляющие некоторый тип, и параметры-константы, представляющие некоторое константное выражение.

Параметр-тип шаблона состоит из ключевого слова class или typename (в списке параметров они эквивалентны), за которым следует идентификатор. (Ключевое слово typename не поддерживается компиляторами, написанными до принятия стандарта C++. В разделе 10.1 подробно объяснялось, зачем это слово было добавлено в язык.) Оба ключевых слова обозначают, что последующее имя параметра относится к встроенному или определенному пользователем типу. Например, в приведенном выше определении шаблона QueueItem имеется один параметр-тип T. Допустимым фактическим аргументом для T является любой встроенный или определенный пользователем тип, такой, как int, double, char*, complex или string.

template <class T1, class T2, class T3>

У шаблона класса может быть несколько параметров-типов: class Container;

Однако ключевое слово class или typename должно предшествовать каждому.

// ошибка: должно быть <typename T, class U> или

// <typename T, typename U> template <typename T, U>

Следующее объявление ошибочно: class collection;

Объявленный параметр-тип служит спецификатором типа в оставшейся части определения шаблона и употребляется точно так же, как любой встроенный или определенный пользователем тип в обычном определении класса. Например, параметртип можно использовать для объявления данных и функций-членов, членов вложенных классов и т.д.

Не являющийся типом параметр шаблона представляет собой обычное объявление. Он показывает, что следующее за ним имя – это потенциальное значение, употребляемое в определении шаблона в качестве константы. Так, шаблон класса Buffer может иметь параметр-тип, представляющий типы элементов, хранящихся в буфере, и параметр-

template <class Type, int size>

константу, содержащий его размер: class Buffer;

За списком параметров шаблона следует определение или объявление класса. Шаблон определяется так же, как обычный класс, но с указанием параметров:

template <class Type, size = 1024>

// правильно: рассматриваются аргументы по умолчанию из обоих объявлений

template <class Type=string, int size>

class Buffer; class Buffer;

(Отметим, что аргументы по умолчанию для параметров шаблонов не поддерживаются в компиляторах, реализованных до принятия стандарта C++. Чтобы примеры из этой книги, в частности из главы 12, компилировались большинством современных компиляторов, мы не использовали такие аргументы.)

Внутри определения шаблона его имя можно применять как спецификатор типа всюду, где допустимо употребление имени обычного класса. Вот более полная версия

template <class Type> class QueueItem { public:

QueueItem( const Type & );

private: Type item;

QueueItem *next;

определения шаблона QueueItem:

};

Обратите внимание, что каждое появление имени QueueItem в определении шаблона – это сокращенная запись для

QueueItem<Type>

Такую сокращенную нотацию можно употреблять только внутри определения QueueItem (и, как мы покажем в следующих разделах, в определениях его членов, которые находятся вне определения шаблона класса). Если QueueItem применяется как спецификатор типа в определении какого-либо другого шаблона, то необходимо задавать полный список параметров. В следующем примере шаблон класса используется в определении шаблона функции display. Здесь за именем шаблона класса QueueItem

template <class Type>

void display( QueueItem<Type> &qi )

{

QueueItem<Type> *pqi = &qi; // ...

должны идти параметры, т.е. QueueItem<Type>.

}