Rabochy_stol / 6 шаблоны и обобщенное прогарммирование

6/ Шаблоны и обобщенное программирование

Изначально шаблоны в C++ появились для того, чтобы можно было реализовать безопасные относительно типов контейнеры: vector, list, map и им подобные. Однако по мере обретения опыта работы с шаблонами стали обнаруживаться все новые и новые способы их применения. Контейнеры были хороши сами по себе, но обобщенное программирование – возможность писать код, не зависящий от типа объектов, которыми он манипулирует, – оказалось еще лучше. Примерами такого программирования являются алгоритмы STL, такие как for_each, find и merge. В конечном итоге выяснилось, что механизм шаблонов C++ сам по себе является машиной Тьюринга: он может быть использован для вычисления любых вычисляемых значений. Это привело к метапрограммированию шаблонов: созданию программ, которые исполняются внутри компилятора C++ и завершают свою работу вместе с окончанием компиляции. В наши дни контейнеры – это лишь малая толика того, на что способны шаблоны C++. Но, несмотря на огромное разнообразие применений, в основе программирования шаблонов лежит небольшое число базовых идей.

Разберитесь в том, что такое неявные интерфейсы и полиморфизм на этапе компиляции

• И классы, и шаблоны поддерживают интерфейсы и полиморфизм.

• Для классов интерфейсы определены явно и включают главным образом сигнатуры функций. Полиморфизм проявляется во время исполнения – через виртуальные функции.

• Для параметров шаблонов интерфейсы неявны и основаны на корректных выражениях. Полиморфизм проявляется во время компиляции – через конкретизацию и разрешение перегрузки функций.

Правило 42: Усвойте оба значения ключевого слова typename

Вопрос: какая разница между «class» и «typename» в следующем объявлении шаблона:

template <class T> class Widget; // использует “class”

template <typename T> class Widget; // использует “typename”

• В объявлениях параметров шаблона ключевые слова class и typename взаимозаменяемы.

• Используйте typename для идентификации вложенных зависимых имен типов, если они не встречаются в списке базовых классов или в качестве идентификатора базового класса в списках инициализации членов.

Правило 43: Необходимо знать, как обращаться к именам в шаблонных базовых классах

Предположим, что нам нужно написать программу, которая будет посылать сообщения нескольким компаниям. Сообщения должны отправляться как в зашифрованной форме, так и в форме открытого текста. Если во время компиляции у нас достаточно информации для определения того, какие сообщения должны быть отправлены каким компаниям, то мы можем прибегнуть к решению, основанному на шаблонах:

• В шаблонах производных классов ссылки на имена из шаблонов базовых классов осуществляются с помощью префикса «this->», using-объявления либо посредством явного указания базового класса.

Правило 44: Размещайте независимый от параметров код вне шаблонов

Шаблоны – чудесный способ сэкономить время и избежать дублирования кода. Вместо того чтобы вводить код 20 похожих классов, в каждом из которых по 15 функций-членов, вы набираете текст одного шаблона и поручаете компилятору сгенерировать 20 конкретных классов и все 300 необходимых вам функций. (Функции-члены шаблонов классов неявно генерируются, только когда программа к ним обращается, поэтому все 300 функций-членов вы получите, лишь если будете все их использовать.) Шаблоны функций не менее привлекательны. Вместо написания множества однотипных функций вы пишете один шаблон и позволяете компиляторам проделать все остальное. Ну разве не восхитительная технология?

• Шаблоны генерируют множество классов и функций, поэтому любой встречающийся в шаблоне код, который не зависит от параметров шаблона, приводит к разбуханию кода.

• Разбухания из-за параметров шаблонов, не являющихся типами, часто можно избежать, заменив параметры шаблонов параметрами функций или данными-членами класса.

• Разбухание из-за параметров-типов можно ограничить, обеспечив общие реализации для случаев, когда шаблон конкретизируется типами с одинаковым двоичным представлением.

Правило 45: Разрабатывайте шаблоны функций-членов так, чтобы они принимали «все совместимые типы»

Интеллектуальные указатели – это объекты, которые ведут себя во многом подобно обычным указателям, но добавляют функциональность, которую последние не предоставляют. Например, в правиле 13 объясняется, как можно использовать стандартные классы auto_ptr и tr1::shared_ptr для автоматического удаления динамически выделенных ресурсов в нужное время. Итераторы STL-контейнеров почти всегда являются интеллектуальными указателями. Понятно, что от обычного указателя нельзя ожидать, что он будет сдвигаться на следующий узел связанного списка в результате выполнения операции «++», но итератор списка list::iterator работает именно так.

Для чего обычные указатели хороши – так это для поддержки неявных преобразований типов. Указатели на объекты производных классов неявно преобразуются в указатели на объекты базовых классов, указатели на неконстантные объекты – в указатели на константные и т. п

• Используйте шаблонные функции-члены для генерации функций, принимающих все совместимые типы.

• Если вы объявляете шаблоны обобщенных конструкторов копирования или обобщенного оператора присваивания, то по-прежнему должны объявить обычный конструктор копирования и оператор присваивания.

Правило 46: Определяйте внутри шаблонов функции, не являющиеся членами, когда желательны преобразования типа

В правиле 24 объясняется, почему только к свободным функциям применяются неявные преобразования типов всех аргументов. В качестве примера была приведена функция operator* для класса Rational. Прежде чем продолжить чтение, рекомендую вам освежить этот пример в памяти, потому что сейчас мы вернемся к этой теме, рассмотрев безобидные, на первый взгляд, модификации примера из правила 24. Отличие только в том, что и класс Rational, и operator* в нем сделаны шаблонами:

• Когда вы пишете шаблон класса, в котором есть функции, нуждающиеся в неявных преобразованиях типа для всех параметров, определяйте такие функции как друзей внутри шаблона класса.

Правило 47: Используйте классы-характеристики для предоставления информации о типах

В основном библиотека STL содержит шаблоны контейнеров, итераторов и алгоритмов, но есть в ней и некоторые служебные шаблоны. Один из них называется advance. Шаблон advance перемещает указанный итератор на заданное расстояние:

• Классы-характеристики делают доступной информацию о типах во время компиляции. Они реализованы с применением шаблонов и их специализаций.

• В сочетании с перегрузкой классы-характеристики позволяют проверять типы во время компиляции.

Правило 48: Изучите метапрограммирование шаблонов

Метапрограммирование шаблонов (template metaprogramming – TMP) – это процесс написания основанных на шаблонах программ на C++, исполняемых во время компиляции. На минуту задумайтесь об этом: шаблонная метапрограмма – это программа, написанная на C++, которая исполняется внутри компилятора C+ +. Когда TMP-программа завершает исполнение, ее результат – фрагменты кода на C++, конкретизированные из шаблонов, – компилируется как обычно.

• Метапрограммирование шаблонов позволяет перенести часть работы со стадии исполнения на стадию компиляции. За счет этого можно раньше обнаружить ошибки и повысить производительность программ.

• Технология TMP может быть использована для генерации кода на основе комбинации политик, а также чтобы предотвратить генерацию кода, некорректного для определенных типов данных.