Программирование на C / C++ / Ален И. Голуб. Правила программирования на Си и Си++ [pdf]

T* operator+( I, T* );

Да, формирование множества кандидатов для разрешения оператора, использованного с применением операторного синтаксиса, утомительно. Но после того как оно построено, устоявшие функции и наилучшая из них находятся, как и прежде, путем анализа преобразований, применимых к операндам отобранных кандидатов.

15.12.2. Устоявшие функции

Множество устоявших операторных функций формируется из множества кандидатов путем отбора лишь тех операторов, которые могут быть вызваны с заданными операндами. Например, какие из семи найденных выше кандидатов устоят? Оператор

NS::SmallInt si(15);

использован в следующем контексте: si + 5.66;

Левый операнд имеет тип SmallInt, а правый – double.

Первый кандидат является устоявшей функцией для данного использования operator+():

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, double );

Левый операнд типа SmallInt в качестве инициализатора точно соответствует формальному параметру-ссылке этого перегруженного оператора. Правый, имеющий тип double, также точно соответствует второму формальному параметру.

Следующая функция-кандидат также устоит:

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, int );

Левый операнд si типа SmallInt в качестве инициализатора точно соответствует формальному параметру-ссылке перегруженного оператора. Правый имеет тип int и

может быть приведен к типу второго формального параметра с помощью стандартного преобразования.

Устоит и третья функция-кандидат:

NS::SmallInt NS::SmallInt::operator+( const myFloat & );

Левый операнд si имеет тип SmallInt, т.е. тип того класса, членом которого является перегруженный оператор. Правый имеет тип int и приводится к типу класса myFloat с

помощью определенного пользователем преобразования в виде конструктора myFloat(double).

int operator+( int, int );

Четвертой и пятой устоявшими функциями являются встроенные операторы: double operator+( double, double );

Класс SmallInt содержит конвертер, который может привести значение типа SmallInt к типу int. Этот конвертер используется вместе с первым встроенным оператором для преобразования левого операнда в тип int. Второй операнд типа double трансформируется в тип int с помощью стандартного преобразования. Что касается второго встроенного оператора, то конвертер приводит левый операнд от типа SmallInt к типу int, после чего результат стандартно преобразуется в double. Второй же операнд типа double точно соответствует второму параметру.

Лучшей из этих пяти устоявших функций является первая, operator+(), объявленная в пространстве имен NS:

NS::SmallInt NS::operator+( const SmallInt &, double );

Оба ее операнда точно соответствуют параметрам.

15.12.3. Неоднозначность

Наличие в одном и том же классе конвертеров, выполняющих неявные преобразования во встроенные типы, и перегруженных операторов может приводить к неоднозначности при выборе между ними. Например, есть следующее определение класса String с функцией

class String { // ...

public:

String( const char * = 0 );

bool operator== ( const String & ) const; // нет оператора operator== ( const char * )

сравнения:

};

и такое использование оператора operator==:

String flower( "tulip" ); void foo( const char *pf ) {

// вызывается перегруженный оператор String::operator==() if ( flower == pf )

cout << pf << " is a flower!\en"; // ...

}

Тогда при сравнении flower == pf

вызывается оператор равенства класса String:

String::operator==( const String & ) const;

Для трансформации правого операнда pf из типа const char* в тип String параметра operator==() применяется определенное пользователем преобразование, которое вызывает конструктор:

String( const char * )

class String { // ...

public:

String( const char * = 0 );

bool operator== ( const String & ) const; operator const char*(); // новый конвертер

Если добавить в определение класса String конвертер в тип const char*:

};

// проверка на равенство больше не компилируется!

то показанное использование operator==() становится неоднозначным: if (flower == pf)

Из-за добавления конвертера operator const char*() встроенный оператор сравнения

bool operator==( const char *, const char * )

тоже считается устоявшей функцией. С его помощью левый операнд flower типа String может быть преобразован в тип const char *.

Теперь для использования operator==() в foo() есть две устоявших операторных функции. Первая из них

String::operator==( const String & ) const;

требует применения определенного пользователем преобразования правого операнда pf из типа const char* в тип String. Вторая

bool operator==( const char *, const char * )

требует применения пользовательского преобразования левого операнда flower из типа

String в тип const char*.

Таким образом, первая устоявшая функция лучше для левого операнда, а вторая – для правого. Поскольку наилучшей функции не существует, то вызов помечается компилятором как неоднозначный.

При проектировании интерфейса класса, включающего объявление перегруженных операторов, конструкторов и конвертеров, следует быть весьма аккуратным. Определенные пользователем преобразования применяются компилятором неявно. Это может привести к тому, что встроенные операторы окажутся устоявшими при разрешении перегрузки для операторов с операндами типа класса.

Упражнение 15.17

Назовите пять множеств функций-кандидатов, рассматриваемых при разрешении перегрузки оператора с операндами типа класса.

Упражнение 15.18

Какой из операторов operator+() будет выбран в качестве наилучшего из устоявших для оператора сложения в main()? Перечислите все функции-кандидаты, все устоявшие функции и преобразования типов, которые надо применить к аргументам для каждой

namespace NS { class complex {

complex( double ); // ...

};

class LongDouble {

friend LongDouble operator+( LongDouble &, int ) { /* ... */ } public:

LongDouble( int ); operator double();

LongDouble operator+( const complex & ); // ...

};

LongDouble operator+( const LongDouble &, double );

}

int main() {

NS::LongDouble ld(16.08);

double res = ld + 15.05; // какой operator+? return 0;

устоявшей функции.

}

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 данные- члены 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:

bool is_empty();

∙определить, заполнена ли очередь:

bool is_full();

class Queue { public:

Queue();

~Queue();

Type& remove();

void add( const Type & ); bool is_empty();

bool is_full(); private:

// ...

Определение Queue могло бы выглядеть так:

};

Вопрос в том, какой тип использовать вместо Type? Предположим, что мы решили реализовать класс Queue, заменив Type на int. Тогда Queue может управлять коллекциями объектов типа int. Если бы понадобилось поместить в очередь объект другого типа, то его пришлось бы преобразовать в тип int, если же это невозможно,

Queue qObj;

string str( "vivisection" );

qObj.add( 3.14159 ); // правильно: в очередь помещен объект 3

компилятор выдаст сообщение об ошибке:

Поскольку любой объект в коллекции имеет тип int, то язык C++ гарантирует, что в очередь можно поместить либо значение типа int, либо значение, преобразуемое в такой тип. Это подходит, если предстоит работа с очередями объектов только типа int. Если же класс Queue должен поддерживать также коллекции объектов типа double, char, комплексные числа или строки, подобная реализация оказывается слишком ограничительной.

Конечно, эту проблему можно решить, создав копию класса Queue для работы с типом double, затем для работы с комплексными числами, затем со строками и т.д. А поскольку имена классов перегружать нельзя, каждой реализации придется дать уникальное имя:

IntQueue, DoubleQueue, ComplexQueue, StringQueue. При необходимости работать с другим классом придется снова копировать, модифицировать и переименовывать.

Такой метод дублирования кода крайне неудобен. Создание различных уникальных имен для Queue представляет лексическую сложность. Имеются и трудности администрирования: любое изменение общего алгоритма придется вносить в каждую реализацию класса. В общем случае процесс ручной генерации копий для

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,

template <class T>

как они объявляются и определяются. Вот объявление шаблона 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, параметр- тип 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> class QueueItem { public:

//...

private:

//Type представляет тип члена

Type item;

QueueItem *next;

};

В этом примере Type используется для обозначения типа члена item. По ходу

выполнения программы вместо Type могут быть подставлены различные встроенные или определенные пользователем типы. Такой процесс подстановки называется

конкретизацией шаблона.

Имя параметра шаблона можно употреблять после его объявления и до конца объявления или определения шаблона. Если в глобальной области видимости объявлена переменная с таким же именем, как у параметра шаблона, то это имя будет скрыто. В следующем

typedef double Type;

template <class Type> class QueueItem { public:

//...

private:

//тип Item - не double Type item;

QueueItem *next;

примере тип item равен не double, а типу параметра:

};

template <class Type> class QueueItem { public:

//...

private:

//ошибка: член не может иметь то же имя, что и

//параметр шаблона Type

typedef double Type; Type item; QueueItem *next;

Член класса внутри определения шаблона не может быть одноименным его параметру:

};

Имя параметра шаблона может встречаться в списке только один раз. Поэтому следующее объявление компилятор помечает как ошибку:

// ошибка: неправильное использование имени параметра шаблона Type template <class Type, class Type>

class container;

Такое имя разрешается повторно использовать в объявлениях или определениях других

// правильно: повторное использование имени Type в разных шаблонах template <class Type>

class QueueItem;

template <class Type>

шаблонов:

class Queue;

Имена параметров в опережающем объявлении и последующем определении одного и того же шаблона не обязаны совпадать. Например, все эти объявления QueueItem

//все три объявления QueueItem

//относятся к одному и тому же шаблону класса

//объявления шаблона

template <class T> class QueueItem; template <class U> class QueueItem;

// фактическое определение шаблона template <class Type>

относятся к одному шаблону класса: class QueueItem { ... };

У параметров могут быть аргументы по умолчанию (это справедливо как для параметров- типов, так и для параметров-констант) – тип или значение, которые используются в том случае, когда при конкретизации шаблона фактический аргумент не указан. В качестве такого аргумента следует выбирать тип или значение, подходящее для большинства конкретизаций. Например, если при конкретизации шаблона класса Buffer не указан

template <class Type, size = 1024>

размер буфера, то по умолчанию принимается 1024: class Buffer;

В последующих объявлениях шаблона могут быть заданы дополнительные аргументы по умолчанию. Как и в объявлениях функций, если для некоторого параметра задан такой аргумент, то он должен быть задан и для всех параметров, расположенных в списке

template <class Type, size = 1024>

правее (даже в другом объявлении того же шаблона): class Buffer;