8.3.2 Список без принудительной связи

После "экскурса" в вопросы построения и использования списка с принудительной связью перейдем к построению списков без принудительной связи. Это значит, что элементы списка не обязаны содержать дополнительную информацию, помогающую в реализации списочного класса. Поскольку мы больше не можем рассчитывать, что объект в списке имеет поле связи, такую связь надо предусмотреть в реализации:

template<class T>

struct Tlink : public slink {

T info;

Tlink(const T& a) : info(a) { }

};

Класс Tlink<T> хранит копию объектов типа T помимо поля связи, которое идет от его базового класса slink. Отметим, что используется инициализатор в виде info(a), а не присваивание info=a. Это существенно для эффективности операции в случае типов, имеющих нетривиальные конструкторы копирования и операции присваивания (§7.11). Для таких типов (например, для String) определив конструктор как

Tlink(const T& a) { info = a; }

мы получим, что будет строиться стандартный объект String, а уже затем ему будет присваиваться значение.

Имея класс, определяющий связь, и класс Islist, получить определение списка без принудительной связи совсем просто:

template<class T>

class Slist : private slist_base {

public:

void insert(const T& a)

{ slist_base::insert(new Tlink<T>(a)); }

void append(const T& a)

{ slist_base::append(new Tlink<T>(a)); }

T get();

// ...

};

template<class T>

T Slist<T>::get()

{

Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base::get();

T i = lnk->info;

delete lnk;

return i;

}

Работать со списком Slist так же просто, как и со списком Ilist. Различие в том, что можно включать в Slist объект, класс которого не является производным от slink, а также можно включать один объект в два списка:

void f(int i)

{

Slist<int> lst1;

Slist<int> lst2;

lst1.insert(i);

lst2.insert(i);

// ...

int i1 = lst1.get();

int i2 = lst2.get();

// ...

}

Однако, список с принудительной связью, например Islist, позволял создавать существенно более эффективную программу и давал более компактное представление. Действительно, при каждом включении объекта в список Slist нужно разместить объект Tlink, а при каждом удалении объекта из Slist нужно удалить объект Tlink, причем каждый раз копируется объект типа T. Когда возникает такая проблема дополнительных расходов, могут помочь два приема. Во-первых, Tlink является прямым кандидатом для размещения с помощью практически оптимальной функции размещения специального назначения (см. §5.5.6). Тогда дополнительные расходы при выполнении программы сократятся до обычно приемлемого уровня. Во-вторых, полезным оказывается такой прием, когда объекты хранятся в "первичном" списке, имеющим принудительную связь, а списки без принудительной связи используются только, когда требуется включение объекта в несколько списков:

void f(name* p)

{

Islist<name> lst1;

Slist<name*> lst2;

lst1.insert(p); // связь через объект `*p'

lst2.insert(p); // для хранения `p' используется

// отдельный объект типа список

// ...

}

Конечно, подобные трюки можно делать только в отдельном компоненте программы, чтобы не допустить путаницы списочных типов в интерфейсах различных компонент. Но это именно тот случай, когда ради эффективности и компактности программы на них стоит идти.

Поскольку конструктор Slist копирует параметр для insert(), список Slist пригоден только для таких небольших объектов, как целые, комплексные числа или указатели. Если для объектов копирование слишком накладно или неприемлемо по смысловым причинам, обычно выход бывает в том, чтобы вместо объектов помещать в список указатели на них. Это сделано в приведенной выше функции f() для lst2.

Отметим, что раз параметр для Slist::insert() копируется, передача объекта производного класса функции insert(), ожидающей объект базового класса, не пройдет гладко, как можно было (по наивности) подумать:

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

void g1(Slist<circle>& olist, const smiley& grin)

{

olist.insert(grin); // ловушка!

}

В список будет включена только часть circle объекта типа smiley. Отметим, что эта неприятность будет обнаружена транслятором в том случае, который можно считать наиболее вероятным. Так, если бы рассматриваемый базовый класс был абстрактным, транслятор запретил бы "урезание" объекта производного класса:

void g2(Slist<shape>& olist, const circle& c)

{

olist.insert(c); // ошибка: попытка создать объект

// абстрактного класса

}

Чтобы избежать "урезания" объекта нужно использовать указатели:

void g3(Slist<shape*>& plist, const smiley& grin)

{

olist.insert(&grin); // прекрасно

}

Не нужно использовать параметр-ссылку для шаблонного класса:

void g4(Slist<shape&>& rlist, const smiley& grin)

{

rlist.insert(grin); // ошибка: будет созданы команды,

// содержащие ссылку на ссылку (shape&&)

}

При генерации по шаблону типа ссылки, используемые подобным образом, приведут ошибкам в типах. Генерация по шаблону типа для функции

Slist::insert(T&);

приведет к появлению недопустимой функции

Slist::insert(shape&&);

Ссылка не является объектом, поэтому нельзя иметь ссылку на ссылку.

Поскольку список указателей является полезной конструкцией, имеет смысл дать ему специальное имя:

template<class T>

class Splist : private Slist<void*> {

public:

void insert(T* p) { Slist<void*>::insert(p); }

void append(T* p) { Slist<void*>::append(p); }

T* get() { return (T*) Slist<void*>::get(); }

};

class Isplist : private slist_base {

public:

void insert(T* p) { slist_base::insert(p); }

void append(T* p) { slist_base::append(p); }

T* get() { return (T*) slist_base::get(); }

};

Эти определения к тому же улучшают контроль типов и еще больше сокращают необходимость дублировать функции.

Часто бывает полезно, чтобы тип элемента, указываемый в шаблоне типа, сам был шаблонным классом. Например, разреженную матрицу, содержащую даты, можно определить так:

typedef Slist< Slist<date> > dates;

Обратите внимание на наличие пробелов в этом определении. Если между первой и второй угловой скобкой > нет пробелов, возникнет синтаксическая ошибка, поскольку >> в определении

typedef Slist<Slist<date>> dates;

будет трактоваться как операция сдвига вправо. Как обычно, вводимое в typedef имя служит синонимом обозначаемого им типа, а не является новым типом. Конструкция typedef полезна для именования для длинных имен шаблонных классов также, как она полезна для любых других длинных имен типов.

Отметим, что параметр шаблона типа, который может по разному использоваться в его определении, должен все равно указываться среди списка параметров шаблона один раз. Поэтому шаблон типа, в котором используется объект T и список элементов T, надо определять так:

template<class T> class mytemplate {

T ob;

Slist<T> slst;

// ...

};

а вовсе не так:

template<class T, class Slist<t> > class mytemplate {

T obj;

Slist<T> slst;

// ...

};

В §8.6 и §R.14.2 даны правила, что может быть параметром шаблона типа.

8.3.3 Реализация списка

Реализация функций slist_base очевидна. Единственная трудность связана с обработкой ошибок. Например, что делать если пользователь с помощью функции get() пытается взять элемент из пустого списка. Подобные ситуации разбираются в функции обработки ошибок slist_handler(). Более развитый метод, рассчитанный на особые ситуации, будет обсуждаться в лекции 9.

Приведем полное описание класса slist_base:

class slist_base {

slink* last; // last->next является началом списка

public:

void insert(slink* a); // добавить в начало списка

void append(slink* a); // добавить в конец списка

slink* get(); // удалить и возвратить

// начало списка

void clear() { last = 0; }

slist_base() { last = 0; }

slist_base(slink* a) { last = a->next = a; }

friend class slist_base_iter;

};

Чтобы упростить реализацию обеих функций insert и append, хранится указатель на последний элемент замкнутого списка:

void slist_base_insert(slink* a) // добавить в начало списка

{

if (last)

a->next = last->next;

else

last = a;

last->next = a;

}

Заметьте, что last->next - первый элемент списка.

void slist_base::append(slink* a) // добавить в конец списка

{

if (last) {

a->next = last->next;

last = last->next = a;

}

else

last = a->next = a;

}

slist* slist_base::get() // удалить и возвратить начало списка

{

if (last == 0)

slist_handler("нельзя взять из пустого списка");

slink* f = last->next;

if (f== last)

last = 0;

else

last->next = f->next;

return f;

}

Возможно более гибкое решение, когда slist_handler - указатель на функцию, а не сама функция. Тогда вызов

slist_handler("нельзя взять из пустого списка");

будет задаваться так

(*slist_handler)(" нельзя взять из пустого списка");

Как мы уже делали для функции new_handler (§3.2.6), полезно завести функцию, которая поможет пользователю создавать свои обработчики ошибок:

typedef void (*PFV)(const char*);

PFV set_slist_handler(PFV a)

{

PFV old = slist_handler;

slist_handler = a;

return old;

}

PFV slist_handler = &default_slist_handler;

Особые ситуации, которые обсуждаются в лекции 9, не только дают альтернативный способ обработки ошибок, но и способ реализации slist_handler.

8.3.4 Итерация

В классе slist_base нет функций для просмотра списка, можно только вставлять и удалять элементы. Однако, в нем описывается как друг класс slist_base_iter, поэтому можно определить подходящий для списка итератор. Вот один из возможных, заданный в том стиле, какой был показан в §7.8:

class slist_base_iter {

slink* ce; // текущий элемент

slist_base* cs; // текущий список

public:

inline slist_base_iter(slist_base& s);

inline slink* operator()()

};

slist_base_iter::slist_base_iter(slist_base& s)

{

cs = &s;

ce = cs->last;

}

slink* slist_base_iter::operator()()

// возвращает 0, когда итерация кончается

{

slink* ret = ce ? (ce=ce->next) : 0;

if (ce == cs->last) ce = 0;

return ret;

}

Исходя из этих определений, легко получить итераторы для Slist и Islist. Сначала надо определить дружественные классы для итераторов по соответствующим контейнерным классам:

template<class T> class Islist_iter;

template<class T> class Islist {

friend class Islist_iter<T>;

// ...

};

template<class T> class Slist_iter;

template<class T> class Slist {

friend class Slist_iter<T>;

// ...

};

Обратите внимание, что имена итераторов появляются без определения их шаблонного класса. Это способ определения в условиях взаимной зависимости шаблонов типа.

Теперь можно определить сами итераторы:

template<class T>

class Islist_iter : private slist_base_iter {

public:

Islist_iter(Islist<T>& s) : slist_base_iter(s) { }

T* operator()()

{ return (T*) slist_base_iter::operator()(); }

};

template<class T>

class Slist_iter : private slist_base_iter {

public:

Slist_iter(Slist<T>& s) : slist_base_iter(s) { }

inline T* operator()();

};

T* Slist_iter::operator()()

{

return ((Tlink<T>*) slist_base_iter::operator()())->info;

}

Заметьте, что мы опять использовали прием, когда из одного базового класса строится семейство производных классов (а именно, шаблонный класс). Мы используем наследование, чтобы выразить общность классов и избежать ненужного дублирования функций. Трудно переоценить стремление избежать дублирования функций при реализации таких простых и часто используемых классов как списки и итераторы. Пользоваться этими итераторами можно так:

void f(name* p)

{

Islist<name> lst1;

Slist<name> lst2;

lst1.insert(p);

lst2.insert(p);

// ...

Islist_iter<name> iter1(lst1);

const name* p;

while (p=iter1()) {

list_iter<name> iter2(lst1);

const name* q;

while (q=iter2()) {

if (p == q) cout << "найден" << *p << '\n';

}

}

}

Есть несколько способов задать итератор для контейнерного класса. Разработчик программы или библиотеки должен выбрать один из них и придерживаться его. Приведенный способ может показаться слишком хитрым. В более простом варианте можно было просто переименовать operator()() как next(). В обоих вариантах предполагается взаимосвязь между контейнерным классом и итератором для него, так что можно при выполнении итератора обработать случаи, когда элементы добавляются или удаляются из контейнера. Этот и некоторые другие способы задания итераторов были бы невозможны, если бы итератор зависел от функции пользователя, в которой есть указатели на элементы из контейнера. Как правило, контейнер или его итераторы реализуют понятие "установить итерацию на начало" и понятие "текущего элемента".

Если понятие текущего элемента предоставляет не итератор, а сам контейнер, итерация происходит в принудительном порядке по отношению к контейнеру аналогично тому, как поля связи принудительно хранятся в объектах из контейнера. Значит трудно одновременно вести две итерации для одного контейнера, но расходы на память и время при такой организации итерации близки к оптимальным. Приведем пример:

class slist_base {

// ...

slink* last; // last->next голова списка

slink* current; // текущий элемент

public:

// ...

slink* head() { return last?last->next:0; }

slink* current() { return current; }

void set_current(slink* p) { current = p; }

slink* first() { set_current(head()); return current; }

slink* next();

slink* prev();

};

Подобно тому, как в целях эффективности и компактности программы можно использовать для одного объекта как список с принудительной связью, так и список без нее, для одного контейнера можно использовать принудительную и непринудительную итерацию:

void f(Islist<name>& ilst)

// медленный поиск имен-дубликатов

{

list_iter<name> slow(ilst); // используется итератор

name* p;

while (p = slow()) {

ilst.set_current(p); // рассчитываем на текущий элемент

name* q;

while (q = ilst.next())

if (strcmp(p->string,q->string) == 0)

cout << "дубликат" << p << '\n';

}

}

Еще один вид итераторов показан в §8.8.

8.4 Шаблоны типа для функций

Использование шаблонных классов означает наличие шаблонных функций-членов. Помимо этого, можно определить глобальные шаблонные функции, т.е. шаблоны типа для функций, не являющихся членами класса. Шаблон типа для функций порождает семейство функций точно также, как шаблон типа для класса порождает семейство классов. Эту возможность мы обсудим на последовательности примеров, в которых приводятся варианты функции сортировки sort(). Каждый из вариантов в последующих разделах будет иллюстрировать общий метод.

Как обычно мы сосредоточимся на организации программы, а не на разработке ее алгоритма, поэтому использоваться будет тривиальный алгоритм. Все варианты шаблона типа для sort() нужны для того, чтобы показать возможности языка м полезные приемы программирования. Варианты не упорядочены в соответствии с тем, насколько они хороши. Кроме того, можно обсудить и традиционные варианты без шаблонов типа, в частности, передачу указателя на функцию, производящую сравнение.

8.4.1 Простой шаблон типа для глобальной функции

Начнем с простейшего шаблона для sort():

template<class T> void sort(Vector<T>&);

void f(Vector<int>& vi,

Vector<String>& vc,

Vector<int>& vi2,

Vector<char*>& vs)

{

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

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

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

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

}

Какая именно функция sort() будет вызываться определяется фактическим параметром. Программист дает определение шаблона типа для функции, а задача системы программирования обеспечить создание правильных вариантов функции по шаблону и вызов соответствующего варианта. Например, простой шаблон с алгоритмом пузырьковой сортировки можно определить так:

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

/*

Сортировка элементов в порядке возрастания

Используется сортировка по методу пузырька

*/

{

unsigned n = v.size();

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

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

if (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;

}

}

Советуем сравнить это определение с функцией сортировки с тем же алгоритмом из §4.6.9. Существенное отличие этого варианта в том, что вся необходимая информация передается в единственном параметре v. Поскольку тип сортируемых элементов известен (из типа фактического параметра, можно непосредственно сравнивать элементы, а не передавать указатель на производящую сравнение функцию. Кроме того, нет нужды возиться с операцией sizeof. Такое решение кажется более красивым и к тому же оно более эффективно, чем обычное. Все же оно сталкивается с трудностью. Для некоторых типов операция < не определена, а для других, например char*, ее определение противоречит тому, что требуется в приведенном определении шаблонной функции. (Действительно, нам нужно сравнивать не указатели на строки, а сами строки). В первом случае попытка создать вариант sort() для таких типов закончится неудачей (на что и следует надеяться) , а во втором появиться функция, производящая неожиданный результат.

Чтобы правильно сортировать вектор из элементов char* мы можем просто задать самостоятельно подходящее определение функции sort(Vector<char*>&):

void sort(Vector<char*>& v)

{

unsigned n = v.size();

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

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

if (strcmp(v[j],v[j-1])<0) {

// меняем местами v[j] и v[j-1]

char* temp = v[j];

v[j] = v[j-1];

v[j-1] = temp;

}

}

Поскольку для векторов из указателей на строки пользователь дал свое особое определение функции sort(), оно и будет использоваться, а создавать для нее определение по шаблону с параметром типа Vector<char*>& не нужно. Возможность дать для особо важных или "необычных" типов свое определение шаблонной функции дает ценное качество гибкости в программировании и может быть важным средством доведения программы до оптимальных характеристик.

8.4.2 Производные классы позволяют ввести новые операции

В предыдущем разделе функция сравнения была "встроенной" в теле sort() (просто использовалась операция <). Возможно другое решение, когда ее предоставляет сам шаблонный класс Vector. Однако, такое решение имеет смысл только при условии, что для типов элементов возможно осмысленное понятие сравнения. Обычно в такой ситуации функцию sort() определяют только для векторов, на которых определена операция < :

template<class T> void sort(SortableVector<T>& v)

{

unsigned n = v.size();

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

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

if (v.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;

}

}

Класс SortableVector (сортируемый вектор) можно определить так:

template<class T> class SortableVector

: public Vector<T>, public Comparator<T> {

public:

SortableVector(int s) : Vector<T>(s) { }

};

Чтобы это определение имело смысл еще надо определить шаблонный класс Comparator (сравниватель):

template<class T> class Comparator {

public:

inline static lessthan(T& a, T& b) // функция "меньше"

{ return strcmp(a,b)<0; }

// ...

};

Чтобы устранить тот эффект, что в нашем случае операция < дает не тот результат для типа char*, мы определим специальный вариант класса сравнивателя:

class Comparator<char*> {

public:

inline static lessthan(const char* a, const char* b)

// функция "меньше"

{ return strcmp(a,b)<0; }

// ...

};

Описание специального варианта шаблонного класса для char* полностью подобно тому, как в предыдущем разделе мы определили специальный вариант шаблонной функции для этой же цели. Чтобы описание специального варианта шаблонного класса сработало, транслятор должен обнаружить его до использования. Иначе будет использоваться создаваемый по шаблону класс. Поскольку класс должен иметь в точности одно определение в программе, использовать и специальный вариант класса, и вариант, создаваемый по шаблону, будет ошибкой.

Поскольку у нас уже специальный вариант класса Comparator для char*, специальный вариант класса SortableVector для char* не нужен, и можем, наконец, попробовать сортировку:

void f(SortableVector<int>& vi,

SortableVector<String>& vc,

SortableVector<int>& vi2,

SortableVector<char*>& vs)

{

sort(vi);

sort(vc);

sort(vi2);

sort(vs);

}

Возможно иметь два вида векторов и не очень хорошо, но, по крайней мере, SortableVector является производным от Vector. Значит если в функции не нужна сортировка, то в ней и не надо знать о классе SortableVector, а там, где нужно, сработает неявное преобразование ссылки на производный класс в ссылку на общий базовый класс. Мы ввели производный от Vector и Comparator класс SortableVector (вместо того, чтобы добавить функции к классу, производному от одного Vector) просто потому, что класс Comparator уже напрашивался в предыдущим примере. Такой подход типичен при создании больших библиотек. Класс Comparator естественный кандидат для библиотеки, поскольку в нем можно указать различные требования к операциям сравнения для разных типов.

8.4.3 Передача операций как параметров функций

Можно не задавать функцию сравнения как часть типа Vector, а передавать ее как второй параметр функции sort(). Этот параметр является объектом класса, в котором определена реализация операции сравнения:

template<class T> void sort(Vector<T>& v, Comparator<T>& cmp)

{

unsigned n = v.size();

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

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

if (cmp.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;

}

}

Этот вариант можно рассматривать как обобщение традиционного приема, когда операция сравнения передается как указатель на функцию.

Воспользоваться этим можно так:

void f(Vector<int>& vi,

Vector<String>& vc,

Vector<int>& vi2,

Vector<char*>& vs)

{

Comparator<int> ci;

Comparator<char*> cs;

Comparator<String> cc;

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

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

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

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

}

Отметим, что включение в шаблон класса Comparator как параметра гарантирует, что функция lessthan будет реализовываться подстановкой. В частности, это полезно, если в шаблонной функции используется несколько функций, а не одна операция сравнения, и особенно это полезно, когда эти функции зависят от хранящихся в том же объекте данных.