Шаблоны с языке С++. Лекция 11 (1)

Универсальным алгоритмом будем называть алгоритм, не привязанный к определенному типу входных и выходных данных, т.е. одинаково хорошо работающий с данными разного типа.
Например, любой из алгоритмов сортировки (выбором, обменом и т.д.) может применяться к массивам разного типа (int, float, double, и др.).
Универсальный алгоритм может быть реализован в виде функции С++, однако для каждого типа входных данных необходимо будет определить свою собственную функцию, то есть перегрузить функцию несколько раз.
Универсальный алгоритм

void bubble_sort(int data[], int n)
{
...
}
void bubble_sort(float data[], int n)
{
...
}
void bubble_sort(my_class data[], int n)
{
...
}
Такой способ реализации допустим в С++, но его нельзя считать удобным.

Решение 1: псевдоним типа (typedef)
typedef T int;
T summa(T array[], int size)
{
T res = 0;
for(int i=0; i
res += array[i];
return res;
}
Такая функция может работать с любыми числовыми данными, но
требует переопределения псевдонима T,
не может применяться одновременно к двум типам.

Универсальный алгоритм в С++ может быть реализован с помощью шаблона функции.
Определение шаблона похоже на определение обычной функции, но при этом используют ключевое слово template, вслед за которым указывают аргументы в угловых скобках.
Формальные параметры шаблона
перечисляются через запятую
могут быть именами типов, именами других шаблонов и именами объектов.
Параметр-тип описывается с помощью ключевых слов class или typename.
Решение 2: шаблон функции С++

Синтаксис определения
Определение шаблона функции
template <параметры_шаблона>
тип имя_функции(список_аргументов)
{
операторы; };
В теле шаблона функции могут использоваться и формальные аргументы функции, и формальные параметры шаблона.

template
T summa(T array[], int size)
{
T res = 0;
for (int i=0; i
res += array[i];
return res;
}
Пример: шаблон функции для расчета суммы элементов массива

При вызове функции-шаблона, после ее имени указывают фактические параметры шаблона в угловых скобках, а затем фактические аргументы функции в круглых скобках.
Вызов функции-шаблона
имя <факт_параметры>(факт_аргументы);
int iarray[10];
int i_sum;
//...
i_sum = summa
(iarray, 10);
Пример:

Шаблоны можно параметризовать не только именами типов, но и объектами, поэтому аргумент size можно указать в списке параметров шаблона
Объект – параметр шаблона
template
T summa (T array[])
{
...
}
i_sum = summa
(iarray);
объявление
вызов

Параметрами шаблона могут быть
− параметр-тип (имя типа – int, float, string и т.д.)
− параметр-шаблон (имя другого шаблона)
− параметр-объект или параметр-переменная
Параметром-переменной могут быть переменные следующих типов
интегральный (целые, символьные и логические)
перечислимый,
указатель на объект любого типа или на функцию
ссылка на объект любого типа или на функцию
указатель на член класса

Параметром-переменной в шаблоне не может быть:
− void
− пользовательский тип
− вещественный тип (float, double)
template
class X{ ... }; // ОК
template
class X{ ... }; // ошибка*
template
class X{ ... }; // OK
template
class X{ ... }; // OK
Примеры

Шаблон в языке С++ реализует принципы параметрического полиморфизма, то есть возможности применять один и тот же алгоритм для разных типов данных.
Шаблоны широко используются при разработке библиотек. Стандартная библиотека шаблонов (Standard Template Library, STL) – пример такой библиотеки.
Универсальные алгоритмы STL – find, replace, shuffle, accumulate, merge, и др.
Шаблоны и параметрический полиморфизм

Если к какому-либо конкретному типу аргументов шаблонный алгоритм неприменим, то можно определить обычную функцию, список типов аргументов и возвращаемого значения которой соответствуют объявлению шаблона.
Функция, перегружающая шаблон, называется специализацией шаблонной функции.
Специализация шаблона
Пример: алгоритм суммирования в применении к массиву символов (текстовой строке)

Иногда при вызове шаблона функции после имени можно не указывать фактические параметры в угловых скобках. В этом случае компилятор сам определит параметры шаблона по типу параметров функции.
Эта особенность называется выведением типов аргументов шаблона.
Выведение типов
int iarray[10];
int i_sum;
//...
i_sum = summa(iarray, 10);

При выведении типов могут применяться только преобразования точного отождествления, то есть:
Преобразование типов
T[] <-> T*
T <-> T&
T -> const T
точное совпадение
совпадение с точностью до typedef
тривиальные преобразования:

Пример преобразования типов
template
T max(T t1, T t2){...}
int main()
{ max(1,2); // max
(1,2);
max(’a’,’b’); // max
(’a’,’b’);
max(2.7, 4.9); // max
(2.7, 4.9);
//max(’a’,1); // ошибка – неоднозначность,
// станд. преобразования не
// допускаются
//max(2.5,4); // ошибка – неоднозначность,
// станд. преобразования не
// допускаются
}

Устранение неоднозначности
max
(’a’,1);
max
(2.5,4);
Неоднозначности не возникают при использовании явного квалификатора типа шаблона

Универсальным контейнером будем называть программную структуру, которая может использоваться для хранения данных разных типов.
Такие контейнеры также могут быть реализованы с помощью шаблонов С++. Однако в этом случае создается не шаблон функций, а шаблон целого класса.
Пример: контейнер vector для хранения коллекции однотипных данных (аналог массива). В контейнере vector могут храниться данные любого типа (int, float, double, char, и др.). Содержится в библиотеке STL.
Универсальные контейнеры

Синтаксис объявления
Объявление шаблона класса
template <параметры_шаблона>
class имя_класса
{
поля и методы;
};
В объявлении класса-шаблона используются формальные параметры шаблона.

Создание объекта шаблонного класса называется инстанцированием шаблона.
Синтаксис инстанцирования
Создание объекта
имя_класса <параметры_шаблона> объект;

Пример: пара чисел
template
class pair
{
private: T1 data1;
T2 data2;
public:
pair(T1 d1, T2 d2): data1(d1),data2(d2){};
void print()
{
cout << data1 << ”,” << data2 << endl;
}
}

pair
c1(5, ’S’);
pair
c2(0.39, false); c1.print();
c2.print();
Примеры инстанцирования шаблона класса pair
Для корректного функционирования шаблона с конкретными типами T1 и T2 необходимо, чтобы для этих типов были определены процедуры инициализации (data1(d2)) и вывода объекта в поток (ostream << data1).

Пример 2: шаблон массива
Задача: создать шаблон класса array, позволяющего хранить данные любого типа. Предусмотреть следующие возможности:
1) доступ к элементам по индексу
2) средства контроля выхода за пределы
3) массив произвольной длины
В качестве параметров шаблона будем использовать тип элементов T и количество элементов n.

#include
#include
template
class array
{
public: array();
~array();
T& operator[](int k);
private:
T *data;
};

template
array
::array()
{
data = new T[n];
}
template
array
::~array()
{
delete []data;
}

template
T& array
::operator[](int k)
{
if( k<0 || k>=n )
throw std::out_of_range("Out!");
return data[k];
}
template
std::ostream& operator <<
(std::ostream& os, array
& obj)
{
os << "\nСодержимое массива:";
for(int i=0; i
os << endl << obj[i];
return os;
}