Лабораторная работа № 9
Обобщенное программирование в языке С++
Цель работы: изучить основные понятия обобщенного программирования.
Краткие теоретические сведения
Назначение шаблонов. Алгоритм выполнения какого-либо действия можно записывать независимо от того, какого типа данные обрабатываются. Простейшим примером служит определение минимума из двух величин.
if (a < b) x = a;else x = b;Независимо от того, к какому именно типу принадлежат переменные a, b и x, если это один и тот же тип, для которого определена операция "меньше", запись будет одна и та же. Было бы естественно определить функцию min, возвращающую минимум из двух своих аргументов. Возникает вопрос, как описать аргументы этой функции? Конечно, можно определить min для всех известных типов, однако, во-первых, пришлось бы повторять одну и ту же запись многократно, а во-вторых, с добавлением новых классов добавлять новые функции.
Аналогичная ситуация встречается и в случае со многими сложными структурами данных. В классе, реализующем связанный список целых чисел, алгоритмы добавления нового атрибута списка, поиска нужного атрибута и так далее не зависят от того, что атрибуты списка – целые числа. Точно такие же алгоритмы нужно будет реализовать для списка вещественных чисел или указателей на класс Book.
Механизм шаблонов в языке Си++ позволяет эффективно решать многие подобные задачи.
Функции-шаблоны.
Запишем алгоритм поиска минимума двух величин, где в качестве параметра используется тип этих величин.
template <class T>const T& min(const T& a, const T& b){ if (a < b) return a; else return b;}Данная запись еще не создала ни одной функции, это лишь шаблон для определенной функции. Только тогда, когда происходит обращение к функции с аргументами конкретного типа, будет выполнена генерация конкретной функции.
Первое обращение к функции min генерирует функцию
const String& min(const String& a, const String& b);Второе обращение генерирует функцию
const int& min(const int& a, const int& b);Объявление шаблона функции min говорит о том, что конкретная функция зависит от одного параметра – типа T. Первое обращение к min в программе использует аргументы типа String. В шаблон функции подставляется тип String вместо T. Получается функция:
const String& min(const String& a, const String& b){ if (a < b) return a; else return b;}Эта функция компилируется и используется в программе. Аналогичные действия выполняются и при втором обращении, только теперь вместо параметра T подставляется тип int. Как видно из приведенных примеров, компилятор сам определяет, какую функцию надо использовать, и автоматически генерирует необходимое определение.
У функции-шаблона может быть несколько параметров. Так, например, функция find библиотеки STL (стандартной библиотеки шаблонов), которая ищет первый элемент, равный заданному, в интервале значений, имеет вид:
template <class InIterator, class T>InIteratorfind(InIterator first, InIterator last, const T& val);Класс T – это тип элементов интервала. Тип InIterator – тип указателя на его начало и конец.
Шаблоны классов
Шаблон класса имеет вид:
template <список параметров>class объявление_классаСписок параметров класса-шаблона аналогичен списку параметров функции-шаблона: список классов и переменных, которые подставляются в объявление класса при генерации конкретного класса.
Очень часто шаблоны используются для создания коллекций, т.е. классов, которые представляют собой набор объектов одного и того же типа. Простейшим примером коллекции может служить массив. Массив, несомненно, очень удобная структура данных, однако у него имеется ряд существенных недостатков, к которым, например, относятся необходимость задавать размер массива при его определении и отсутствие контроля использования значений индексов при обращении к атрибутам массива.
Попробуем при помощи шаблонов устранить два отмеченных недостатка у одномерного массива. При этом по возможности попытаемся сохранить синтаксис обращения к атрибутам массива. Назовем новую структуру данных вектор vector.
template <class T>class vector{public: vector(): nItem(0), items(0) {}; ~vector() { delete [] items; }; void insert(const T& t) { T* tmp = items; items = new T[nItem + 1]; memcpy(items, tmp, sizeof(T)* nItem); items[nItem++] = t; delete tmp; } void remove(void) { T* tmp = items; items = new T[--nItem]; memcpy(items, tmp, sizeof(T) * nItem); delete tmp; } const T& operator[](int index) const { if ((index < 0) || (index >= nItem)) throw IndexOutOfRange; return items[index]; } T& operator[](int index) { if ((index < 0) || (index >= nItem)) throw IndexOutOfRange; return items[index]; }private: T* items; int nItem;};Кроме конструктора и деструктора, у нашего вектора есть только три метода: метод insert добавляет в конец вектора новый элемент, увеличивая длину вектора на единицу, метод remove удаляет последний элемент вектора, уменьшая его длину на единицу, и операция [] обращается к n-ому элементу вектора.
vector<int> IntVector;IntVector.insert(2);IntVector.insert(3);IntVector.insert(25);// получили вектор из трех атрибутов: // 2, 3 и 25// переменная x получает значение 3int x = IntVector[1];// произойдет исключительная ситуацияint y = IntVector[4]; // изменить значение второго атрибута вектора.IntVector[1] = 5;Обратите внимание, что операция [] определена в двух вариантах – как константный метод и как неконстантный. Если операция [] используется справа от операции присваивания (в первых двух присваиваниях), то используется ее константный вариант, если слева (в последнем присваивании) – неконстантный. Использование операции индексирования [] слева от операции присваивания означает, что значение объекта изменяется, соответственно, нужна неконстантная операция.
Параметр шаблона vector – любой тип, у которого определены операция присваивания и стандартный конструктор. (Стандартный конструктор необходим при операции new для массива.)
Так же, как и с функциями-шаблонами, при задании первого объекта типа vector<int> автоматически происходит генерация конкретного класса из шаблона. Если далее в программе будет использоваться вектор вещественных чисел или строк, значит, будут сгенерированы конкретные классы и для них. Генерация конкретного класса означает, что генерируются все его методы, соответственно, размер исходного кода растет. Поэтому из небольшого шаблона может получиться большая программа. Ниже мы рассмотрим одну возможность сокращения размера программы, использующей почти однотипные шаблоны.
Сгенерировать конкретный класс из шаблона можно явно, записав:
template vector<int>;Этот оператор не создаст никаких объектов типа vector<int>, но, тем не менее, вызовет генерацию класса со всеми его методами.
"Интеллигентный указатель"
Рассмотрим еще один пример использования класса-шаблона. С его помощью мы попытаемся " усовершенствовать" указатели языка Си++. Если указатель указывает на объект, выделенный с помощью операции new, необходимо явно вызывать операцию delete тогда, когда объект становится не нужен. Однако далеко не всегда просто определить, нужен объект или нет, особенно если на него могут ссылаться несколько разных указателей. Разработаем класс, который ведет себя очень похоже на указатель, но автоматически уничтожает объект, когда уничтожается последняя ссылка на него. Назовем этот класс "интеллигентный указатель" (Smart Pointer). Идея заключается в том, что настоящий указатель мы окружим специальной оболочкой. Вместе со значением указателя мы будем хранить счетчик – сколько других объектов на него ссылается. Как только значение этого счетчика станет равным нулю, объект, на который указатель указывает, пора уничтожать.
Структура Ref хранит исходный указатель и счетчик ссылок.
template <class T>struct Ref{ T* realPtr; int counter;};Теперь определим интерфейс "интеллигентного указателя":
template <class T>class SmartPtr{public: // конструктор из обычного указателя SmartPtr(T* ptr = 0); // копирующий конструктор SmartPtr(const SmartPtr& s); ~SmartPtr(); SmartPtr& operator=(const SmartPtr& s); SmartPtr& operator=(T* ptr); T* operator->() const; T& operator*() const; private: Ref<T>* refPtr;};У класса SmartPtr определены операции обращения к элементу ->, взятия по адресу "*" и операции присваивания. С объектом класса SmartPtr можно обращаться практически так же, как с обычным указателем.
struct A{ int x; int y;};SmartPtr<A> aPtr(new A);int x1 = aPtr->x;(*aPtr).y = 3; // создать новый указатель // обратиться к элементу A // обратиться по адресуРассмотрим реализацию методов класса SmartPtr. Конструктор инициализирует объект указателем. Если указатель равен нулю, то refPtr устанавливается в ноль. Если же конструктору передается ненулевой указатель, то создается структура Ref, счетчик обращений в которой устанавливается в 1, а указатель – в переданный указатель:
template <class T>SmartPtr<T>::SmartPtr(T* ptr){ if (ptr == 0) refPtr = 0; else { refPtr = new Ref<T>; refPtr->realPtr = ptr; refPtr->counter = 1; }}Деструктор уменьшает количество ссылок на 1 и, если оно достигло 0, уничтожает объект
template <class T>SmartPtr <T>::~SmartPtr(){ if (refPtr!= 0) { refPtr->counter--; if (refPtr->counter <= 0) { delete refPtr->realPtr; delete refPtr; } }}Реализация операций -> и * довольно проста:
template <class T>T* SmartPtr<T>::operator->() const{ if (refPtr!= 0) return refPtr->realPtr; else return 0;}template <class T>T&SmartPtr<T>::operator*() const{ if (refPtr!= 0) return *refPtr->realPtr; else throw bad_pointer;}Самые сложные для реализации – копирующий конструктор и операции присваивания. При создании объекта SmartPtr – копии имеющегося – мы не будем копировать сам исходный объект. Новый "интеллигентный указатель" будет ссылаться на тот же объект, мы лишь увеличим счетчик ссылок.
template <class T>SmartPtr<T>::SmartPtr(const SmartPtr& s):refPtr(s.refPtr){ if (refPtr!= 0) refPtr->counter++;}При выполнении присваивания, прежде всего, нужно отсоединиться от имеющегося объекта, а затем присоединиться к новому, подобно тому, как это сделано в копирующем конструкторе.
template <class T>SmartPtr&SmartPtr<T>::operator=(const SmartPtr& s){ // отсоединиться от имеющегося указателя if (refPtr!= 0) { refPtr->counter--; if (refPtr->counter <= 0) { delete refPtr->realPtr; delete refPtr; } } // присоединиться к новому указателю refPtr = s.refPtr; if (refPtr!= 0) refPtr->counter++;}В следующей функции при ее завершении объект класса Complex будет уничтожен:
void foo(void){ SmartPtr<Complex> complex(new Complex); SmartPtr<Complex> ptr = complex; return;}Задание свойств класса
Одним из методов использования шаблонов является уточнение поведения с помощью дополнительных параметров шаблона. Предположим, мы пишем функцию сортировки вектора:
template <class T>void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (vec[i] < vec[j]) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}Эта функция будет хорошо работать с числами, но если мы захотим использовать ее для массива указателей на строки (char*), то результат будет несколько неожиданный. Сортировка будет выполняться не по значению строк, а по их адресам (операция "меньше" для двух указателей – это сравнение значений этих указателей, т.е. адресов величин, на которые они указывают, а не самих величин). Чтобы исправить данный недостаток, добавим к шаблону второй параметр:
template <class T, class Compare>void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (Compare::less(vec[i], vec[j])) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}Класс Compare должен реализовывать статическую функцию less, сравнивающую два значения типа T. Для целых чисел этот класс может выглядеть следующим образом:
class CompareInt{ static bool less(int a, int b) { return a < b; };};Сортировка вектора будет выглядеть так:
vector<int> vec;sort_vector<int, CompareInt>(vec);Для указателей на байт (строк) можно создать класс
class CompareCharStr{ static bool less(char* a, char* b) { return strcmp(a,b) >= 0; }};и, соответственно, сортировать с помощью вызова
vector<char*> svec;sort_vector<char*, CompareCharStr>(svec);Как легко заметить, для всех типов, для которых операция "меньше" имеет нужный нам смысл, можно написать шаблон класса сравнения:
template<class T> Compare{ static bool less(T a, T b) { return a < b; };};и использовать его в сортировке (обратите внимание на пробел между закрывающимися угловыми скобками в параметрах шаблона; если его не поставить, компилятор спутает две скобки с операцией сдвига):
vector<double> dvec;sort_vector<double, Compare<double> >(dvec);Чтобы не загромождать запись, воспользуемся возможностью задать значение параметра по умолчанию. Так же, как и для аргументов функций и методов, для параметров шаблона можно определить значения по умолчанию. Окончательный вид функции сортировки будет следующий:
template <class T, class C = Compare<T> >void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (C::less(vec[i], vec[j])) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}Второй параметр шаблона иногда называют параметром-штрих, поскольку он лишь модифицирует поведение класса, который манипулирует типом, определяемым первым параметром.
Порядок выполнения работы.
1. При домашней подготовке необходимо изучить литературу по теме лабораторной работы.
2. Получить задание у преподавателя.
3. Разработать алгоритм решения задачи и написать программу, реализующую задание.
4. Проверить правильность ее работы.
5. Составить отчет и защитить работу.
Требования к отчету.
Отчет по лабораторной работе должен соответствовать требованиям, предъявляемым стандартами ТулГУ. Он должен содержать титульный лист, цели и задачи работы, текст задания, алгоритм и программную реализацию решения, контрольные примеры.
Варианты заданий.
1. Спроектировать шаблон класса complex
2. Спроектировать шаблон класса vector
3. Спроектировать шаблон класса matrix
4. Спроектировать шаблон класса list
5. Спроектировать шаблон класса qeue
6. Спроектировать шаблон класса tree
7. Спроектировать шаблон класса graph
8. Спроектировать шаблон класса set
9. Спроектировать шаблон класса line
10. Спроектировать шаблон класса triangl
11. Спроектировать шаблон класса ellips
12. Спроектировать шаблон класса polinom
Контрольные вопросы.
1. Назначение шаблонов?
2. Понятие функции шаблона?
3. Шаблон класса?
4. Что такое smart pointer?