Шаблоны

"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 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:

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.