Шаблоны

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.

int x, y, z;
String s1, s2, s3;
. . .
// генерация функции min для класса String
s1 = min(s2, s3);
. . .
// генерация функции min для типа int
x = min(y, z);

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>
InIterator
find(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_класса

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.

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 3
int x = IntVector[1];
// произойдет исключительная ситуация
int 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.