Список 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.
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.
19.3.1 "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":
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 адресу
Рассмотрим 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:
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:
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<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; }};
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):
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.
Конспект лекций составлен в основе по материалам Интернет-Университета информационных технологий «ИНТУИТ» www.intuit.ru.
1. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста 654600 – Информатика и вычислительная техника. Квалификация – инженер. Москва, 2000.
2. И.Г.Гоулд, Дж.С.Тутилл. Терминологическая работа IFIP (Международная федерация по обработке информации) и ICC (Международный вычислительный центр) // Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 1965, #2. - С. 377-386.
3. Г.Майерс. Надежность программного обеспечения. - М.: Мир, 1980.
4. Ian Sommerville. Software engineering. - Addison-Wesley Publishing Company, 1992.
5. Э. Дейкстра. Заметки по структурному программированию / У. Дал, Э. Дейкстра, К. Хоор. Структурное программирование. - М.: Мир, 1975. - С. 7-97.
6. Criteria for evaluation of software. - ISO TC97/SC7 #367 (Supersedes Document #327).
7. С.И. Ожегов. Словарь русского языка. - М.: Советская энциклопедия, 1975.
8. Ф.Я. Дзержинский, И.М. Калиниченко. Дисциплина программирования Д: концепция и опыт реализации методических средств программной инженерии. - М.: ЦНИИ информации и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, 1988.
9. В. Турский. Методология программирования. - М.: Мир, 1981.
10. Г. Буч. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. - М.: Конкорд, 1992.
11. Е.А. Жоголев. Система программирования с использованием библиотеки подпрограмм / Система автоматизация программирования. - М.: Физматгиз, 1961. - С. 15-52.
12. Ф.П. Брукс, мл. Как проектируются и создаются программные комплексы. - М.: Наука, 1979.
13. R.C. Holt. Structure of computer programs: A Survey // Proceedings of the IEEE, 1975, 63(6). - P. 879-893.
14. Дж. Хьюз, Дж. Мичтом. Структурный подход к программированию. - М.: Мир, 1980.
15. Е.А. Жоголев. Технологические основы модульного программирования // Программирование, 1980, #2. - С. 44-49.
16. Б. Боэм, Дж. Браун, Х. Каспар и др. Характеристики качества программного обеспечения. - М.: Мир, 1981.
17. В.В. Липаев. Качество программного обеспечения. - М.: Финансы и статистика, 1983.
18. Б. Шнейдерман. Психология программирования. - М.: Радио и связь, 1984.
19. Revised version of DP9126 - Criteria of the evaluation of software quality characteristics. ISO TC97/SC7 #610. Part 6.
20. В.Ш. Кауфман. Языки программирования. Концепции и принципы. - М.: Радио и связь, 1993.
21. Требования и спецификации в разработке программ. - М.: Мир, 1984.
22. В.Н. Агафонов. Спецификация программ: понятийные средства и их организация. - Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1987.
23. В.В. Липаев, Е.Н Филиппов. Мобильность программ и данных в открытых информационных системах. - М.: Научная книга, 1997.
24. Шауцукова Л.3. Информатика: Учеб. пособие для 10 - 11 кл. общеобразоват. учреждений / Л.З. Шауцукова. – М.: Просвещение, 2000.
25. Островейковский В.А. Информатика: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2000.
