Бьерн Страуструп (947334), страница 44
Текст из файла (страница 44)
{
sc.push(complex(1,2));
complex z = 2.5*sc.pop();
stack<int>*p = 0; // указатель на стек целых
p = new stack<int>(800); // стек целых размещается
// в свободной памяти
for ( int i = 0; i<400; i++) {
p->push(i);
sp.push(Point(i,i+400));
}
// ...
}
Поскольку все функции-члены класса stack являются подстановками,
и в этом примере транслятор создает вызовы функций только для
размещения в свободной памяти и освобождения.
Функции в шаблоне типа могут и не быть подстановками, шаблонный
класс stack с полным правом можно определить и так:
template<class T> class stack {
T* v;
T* p;
int sz;
public:
stack(int);
~stack();
void push(T);
T pop();
int size() const;
};
В этом случае определение функции-члена stack должно быть дано
где-то в другом месте, как это и было для функций- членов
обычных, нешаблонных классов. Подобные функции так же
параметризируются типом, служащим параметром для их шаблонного
класса, поэтому определяются они с помощью шаблона типа для
функции. Если это происходит вне шаблонного класса, это надо делать
явно:
template<class T> void stack<T>::push(T a)
{
*p++ = a;
}
template<class T> stack<T>::stack(int s)
{
v = p = new T[sz=s];
}
Отметим, что в пределах области видимости имени stack<T> уточнение
<T> является избыточным, и stack<T>::stack - имя конструктора.
Задача системы программирования, а вовсе не программиста,
предоставлять версии шаблонных функций для каждого фактического
параметра шаблона типа. Поэтому для приводившегося выше примера
система программирования должна создать определения конструкторов для
классов stack<shape*>, stack<Point> и stack<int>, деструкторов для
stack<shape*> и stack<Point>, версии функций push() для stack<complex>,
stack<int> и stack<Point> и версию функции pop() для stack<complex>.
Такие создаваемые функции будут совершенно обычными функциями-членами,
например:
void stack<complex>::push(complex a) { *p++ = a; }
Здесь отличие от обычной функции-члена только в форме имени класса.
Точно так же, как в программе может быть только одно определение
функции-члена класса, возможно только одно определение шаблона
типа для функции-члена шаблонного класса. Если требуется определение
функции-члена шаблонного класса для конкретного типа, то задача системы
программирования найти шаблон типа для этой функции-члена и создать
нужную версию функции. В общем случае система программирования
может рассчитывать на указания от программиста, которые помогут
найти нужный шаблон типа.
Важно составлять определение шаблона типа таким образом, чтобы
его зависимость от глобальных данных была минимальной. Дело в том,
шаблон типа будет использоваться для порождения функций и классов
на основе заранее неизвестного типа и в неизвестных контекстах.
Практически любая, даже слабая зависимость от контекста может
проявиться как проблема при отладке программы пользователем, который,
вероятнее всего, не был создателем шаблона типа. К совету избегать,
насколько это возможно, использований глобальных имен, следует
относиться особенно серьезно при разработке шаблона типа.
8.3 Шаблоны типа для списка
На практике при разработке класса, служащего коллекцией объектов,
часто приходится учитывать взаимоотношения использующихся в реализации
классов, управление памятью и необходимость определить итератор по
содержимому коллекции. Часто бывает так, что несколько родственных
классов разрабатываются совместно ($$12.2). В качестве примера мы
предложим семейство классов, представляющих односвязные списки и
шаблоны типа для них.
8.3.1 Список с принудительной связью
Вначале определим простой список, в котором предполагается, что
в каждом заносимом в список объекте есть поле связи. Потом этот
список будет использоваться как строительный материал для создания
более общих списков, в которых объект не обязан иметь поле связи.
Сперва в описаниях классов будет приведена только общая часть,
а реализация будет дана в следующем разделе. Это делается за тем,
чтобы вопросы проектирования классов не затемнялись деталями их
реализации.
Начнем с типа slink, определяющего поле связи в односвязном списке:
struct slink {
slink* next;
slink() { next = 0; }
slink(slink* p) { next = p; }
};
Теперь можно определить класс, который может содержать объекты
любого, производного от slink, класса:
class slist_base {
// ...
public:
int insert(slink*); // добавить в начало списка
int append(slink*); // добавить к концу списка
slink* get(); // удалить и возвратить начало списка
// ...
};
Такой класс можно назвать списком с принудительной связью, поскольку
его можно использовать только в том случае, когда все элементы имеют
поле slink, которое используется как указатель на slist_base.
Само имя slist_base (базовый односвязный список) говорит, что этот
класс будет использоваться как базовый для односвязных списочных
классов. Как обычно, при разработке семейства родственных классов
возникает вопрос, как выбирать имена для различных членов семейства.
Поскольку имена классов не могут перегружаться, как это делается
для имен функций, для обуздания размножения имен перегрузка нам не
поможет.
Класс slist_base можно использовать так:
void f()
{
slist_base slb;
slb.insert(new slink);
// ...
slink* p = slb.get();
// ...
delete p;
}
Но поскольку структура slink не может содержать никакой информации
помимо связи, этот пример не слишком интересен. Чтобы воспользоваться
slist_base, надо определить полезный, производный от slink, класс.
Например, в трансляторе используются узлы дерева программы name
(имя), которые приходится связывать в список:
class name : public slink {
// ...
};
void f(const char* s)
{
slist_base slb;
slb.insert(new name(s));
// ...
name* p = (name*)slb.get();
// ...
delete p;
}
Здесь все нормально, но поскольку определение класса slist_base
дано через структуру slink, приходится использовать явное приведение
типа для преобразования значения типа slink*, возвращаемого
функцией slist_base::get(), в name*. Это некрасиво. Для большой
программы, в которой много списков и производных от slink классов,
это к тому же чревато ошибками. Нам пригодилась бы надежная по
типу версия класса slist_base:
template<class T>
class Islist : private slist_base {
public:
void insert(T* a) { slist_base::insert(a); }
T* get() { return (T*) slist_base::get(); }
// ...
};
Приведение в функции Islist::get() совершенно оправдано и надежно,
поскольку в классе Islist гарантируется, что каждый объект в списке
действительно имеет тип T или тип производного от T класса. Отметим,
что slist_base является частным базовым классом Islist. Мы нет хотим,
чтобы пользователь случайно натолкнулся на ненадежные детали
реализации.
Имя Islist (intrusive singly linked list) обозначает
односвязный список с принудительной связью. Этот шаблон типа
можно использовать так:
void f(const char* s)
{
Islist<name> ilst;
ilst.insert(new name(s));
// ...
name* p = ilst.get();
// ...
delete p
}
Попытки некорректного использования будет выявлены на стадии
трансляции:
class expr : public slink {
// ...
};
void g(expr* e)
{
Islist<name> ilst;
ilst.insert(e); // ошибка: Islist<name>::insert(),
// а нужно name*
// ...
}
Нужно отметить несколько важных моментов относительно нашего примера.
Во-первых, решение надежно в смысле типов (преграда тривиальным
ошибкам ставится в очень ограниченной части программы, а именно,
в функциях доступа из Islist). Во-вторых, надежность типов
достигается без увеличения затрат времени и памяти, поскольку
функции доступа из Islist тривиальны и реализуются подстановкой.
В-третьих, поскольку вся настоящая работа со списком делается в
реализации класса slist_base (пока еще не представленной), никакого
дублирования функций не происходит, а исходный текст реализации,
т.е. функции slist_base, вообще не должен быть доступен пользователю.
Это может быть существенно в коммерческом использовании служебных
программ для списков. Кроме того, достигается разделение между
интерфейсом и его реализацией, и становится возможной смена реализации
без перетрансляции программ пользователя. Наконец, простой список
с принудительной связью близок по использованию памяти и времени
к оптимальному решению. Иными словами, такой подход близок к
оптимальному по времени, памяти, упрятыванию данных и контролю
типов и в тоже время он обеспечивает большую гибкость и компактность
выражений.
К сожалению, объект может попасть в Islist только, если он
является производным от slink. Значит нельзя иметь список Islist
из значений типа int, нельзя составить список из значений какого-то
ранее определенного типа, не являющегося производным от slink.
Кроме того, придется постараться, чтобы включить объект в два списка
Islist ($$6.5.1).
8.3.2 Список без принудительной связи
После "экскурса" в вопросы построения и использования списка с
принудительной связью перейдем к построению списков без принудительной
связи. Это значит, что элементы списка не обязаны содержать
дополнительную информацию, помогающую в реализации списочного класса.
Поскольку мы больше не можем рассчитывать, что объект в списке
имеет поле связи, такую связь надо предусмотреть в реализации:
template<class T>
struct Tlink : public slink {
T info;
Tlink(const T& a) : info(a) { }
};
Класс Tlink<T> хранит копию объектов типа T помимо поля связи, которое
идет от его базового класса slink. Отметим, что используется
инициализатор в виде info(a), а не присваивание info=a. Это
существенно для эффективности операции в случае типов, имеющих
нетривиальные конструкторы копирования и операции присваивания
($$7.11). Для таких типов (например, для String) определив конструктор
как
Tlink(const T& a) { info = a; }
мы получим, что будет строиться стандартный объект String, а уже
затем ему будет присваиваться значение.
Имея класс, определяющий связь, и класс Islist, получить
определение списка без принудительной связи совсем просто:
template<class T>
class Slist : private slist_base {
public:
void insert(const T& a)
{ slist_base::insert(new Tlink<T>(a)); }
void append(const T& a)
{ slist_base::append(new Tlink<T>(a)); }
T get();
// ...
};
template<class T>
T Slist<T>::get()
{
Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base::get();
T i = lnk->info;
delete lnk;
return i;
}
Работать со списком Slist так же просто, как и со списком Ilist.
Различие в том, что можно включать в Slist объект, класс которого не
является производным от slink, а также можно включать один объект
в два списка:
void f(int i)
{
Slist<int> lst1;
Slist<int> lst2;
lst1.insert(i);
lst2.insert(i);
// ...
int i1 = lst1.get();
int i2 = lst2.get();
// ...
}
Однако, список с принудительной связью, например Islist, позволял
создавать существенно более эффективную программу и давал более
компактное представление. Действительно, при каждом включении
объекта в список Slist нужно разместить объект Tlink, а при каждом
удалении объекта из Slist нужно удалить объект Tlink, причем
каждый раз копируется объект типа T. Когда возникает такая проблема
дополнительных расходов, могут помочь два приема. Во-первых,
Tlink является прямым кандидатом для размещения с помощью практически
оптимальной функции размещения специального назначения (см. $$5.5.6).
Тогда дополнительные расходы при выполнении программы сократятся
до обычно приемлемого уровня. Во-вторых, полезным оказывается такой
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
