Параметрический полиморфизм

Шаблоны функций. Шаблоны, которые называют иногда родовыми или параметризованными типами, позволяют создавать (конструировать) семейства родственных функций и классов.

Цель введения шаблонов функций – автоматизация создания функций, которые могут обрабатывать разнотипные данные. В отличие от механизма перегрузки, когда для каждого набора формальных параметров определяется своя функция, шаблон семейства функций определяется один раз, но это определение параметризуется. Параметризовать в шаблоне функций можно тип возвращаемого функцией значения и типы любых параметров, количество и порядок размещения которых должны быть фиксированы. Для параметризации используется список параметров шаблона.

В определении шаблона семейства функций используется служебное слово template. Для параметризации используется список формальных параметров шаблона, который заключает­ся в угловые скобки <>. Каждый формальный параметр шаблона обозначается служебным словом class, за которым следует имя параметра (идентификатор). Пример определения шаблона функций, вычисляющих абсолютные значения числовых величин разных типов:

template <class type>

type abs (type x) { return x > 0? x: -x;}

Шаблон семейства функций состоит из двух частей – заголовка шаблона:

template <список_параметров_шаблона>

и тела определения функции. В списке параметров шаблона слово class может относиться как к базовому, так и к абстрактному типу данных. Таким образом, список параметров шаблона <class T> просто означает, что Т представляет собой тип, который будет задан позднее. Так как Т является параметром, обозначающим тип, шаблоны иногда называют параметризованными типами.

В качестве еще одного примера рассмотрим шаблон семейства функций для обмена значений двух передаваемых им параметров:

template <class T>

void swap (T* x, T* y)

{ T z = *x;

*x = *y; *y = z; }

 

Здесь параметр T шаблона функций используется не только в заголовке для спецификации формальных параметров, но и в теле определения функции, где он задает тип вспомогатель­ной переменной z.

Шаблон семейства функций служит для автоматического формирования конкретных определений функций по тем вызовам, которые транслятор обнаруживает в теле программы. Например, если программист употребляет обращение abs(-10.3), то на основе приведенного ранее шаблона компилятор сформирует следующее определение функции:

double abs (double x) {return x > 0? x: -x;}

Далее будет организовано выполнение именно этой функции и в точку вызова в качестве результата вернется вещественное значение 10.3.

Если в программе присутствует приведенный ранее шаблон семейства функций swap() и имеет место, скажем, следующий вызов этой функции:

long k = 4, d = 8, swap (&k, &d);

то компилятор сформирует определение функции:

void swap (long* x, long* y)

{ long z = *x;

*x = *y; *y = z; }

Затем будет выполнено обращение именно к этой функции и значения переменных k, d поменяются местами. Если в той же программе присутствуют операторы:

double a = 2.44, b = 66.3; swap (&a, &b);

то сформируется и выполнится функция

void swap (double* x, double* y)

{ double z = *x;

*x = *y; *y = z; }

Проиллюстрируем сказанное о шаблонах на более конкретном примере. Рассмотрим программу, используя некоторые возможности функций, возвращающих значение типа «ссылка». Но тип ссылки будет определяться параметром шаблона:

#include <iostream.h>

//Функция определяет ссылку на элемент с максимальным значением

templat <class type>

type& rmax (int n, type d[])

{ int im = 0;

for (int i = 1; i < n; i++)

im = d[im] > d[i]? im: i;

return d[im]; }

 

void main ()

{ int n = 4;

int x[] = { 10, 20, 30, 14}; //Массив целых чисел

cout << "rmax(n,x) = " << rmax (n,x); // rmax(n,x) = 30

rmax(n,x) = 0;

for (int i = 0; i < n; i++)

cout << "x[" << i << "] =" << x[i]; // x[0] = 10 x[1]...

int m = 3;

float arx[] = { 10.3, 20.4, 10.5}; //Массив вещественных чисел

cout << "rmax(m,arx) = " << rmax (m,arx); //rmax(m,arx) = 20.4

rmax(m, arx) = 0;

for (int i = 0; i < m; i++)

cout << "arx[" << i << "] =" << arx[i]; //arx[0] = 10.3...

}

В программе используются два разных обращения к функции rmax(). В одном случае параметр – целочисленный массив и возвращаемое значение – ссылка типа int. Во втором случае фактический параметр – имя массива типа float и возвращаемое значение имеет тип ссылки на float.

По существу механизм шаблонов функций позволяет автоматизировать подготовку переопределений перегруженных функций. При использовании шаблонов уже нет необходимости готовить заранее все варианты функций с перегруженным именем. Компилятор автоматически, анализируя вызовы функций в тексте программы, формирует необходимые определения именно для таких типов параметров, которые использованы в обращениях. Дальнейшая обработка выполняется так же, как и для перегруженных функций.

Параметры шаблонов. Можно считать, что параметры шаблона являются его формаль­ными параметрами, а типы тех параметров, которые используются в конкретных обращениях к функции, служат фактическими параметрами шаблона. Именно по ним выполняется пара­метрическая настройка и с учетом этих типов генерируется конкретный текст определения функции. Однако, говоря о шаблоне семейства функций, обычно употребляют термин «список параметров шаблона», не добавляя определения «формальных».

Перечислим основные свойства параметров шаблона:

1. Имена параметров шаблона должны быть уникальными во всем определении шаблона.

2. Список параметров шаблона функции не может быть пустым, так как при этом теряется возможность параметризации, и шаблон функций становится обычным определением конкретной функции.

3. В списке параметров шаблона функций может быть несколько параметров. Каждый из них должен начинаться со служебного слова class. Например, допустим такой заголовок шаблона:

template <class type1, class type2>

Соответственно, неверен заголовок:

template <class type1, type2>

4. Недопустимо использовать в заголовке шаблона параметры с одинаковыми именами, то есть ошибочен такой заголовок:

template <class type, class type>

5. Имя параметра шаблона (в примерах – type1, type2) имеет в определяемой шаблоном функции все права имени типа, то есть с его помощью могут специализироваться формальные параметры, определяться тип возвращаемого функцией значения и типы любых объектов, локализованных в теле функции. Имя параметра шаблона видно во всем определении и скрывает другие использования того же идентификатора в области, глобальной по отношению к данному шаблону функций. Если внутри тела определяемой функции необходим доступ к внешним объектам с тем же именем, нужно применять операцию изменения области видимости (оператор разрешения контекста). Следующая программа иллюстрирует указанную особенность имени параметра шаблона функций:

#include <iostream.h>

int N = 0; // глобальная

template <class N>

N max (N x, N y)

{ N a = x;

cout << "\nСчетчик обращений N = " << ++::N;

if (a < y) a = y;

return a;

}

 

void main ()

{ int a = 12, b = 42;

max (a,b); //Счетчик обращений N = 1

float z = 66.3, f = 222.4;

max (z,f); //Счетчик обращений N = 2

}

 

Итак, одно имя нельзя использовать для обозначения нескольких параметров одного шаблона, но в разных шаблонах функций могут быть одинаковые имена у параметров шаблонов. Ситуация здесь такая же, как и у формальных параметров при определении обычных функций, и на ней можно не останавливаться подробнее. Действительно, раз действие параметра шаблона заканчивается в конце определения шаблона, то соответствующий идентификатор свободен для последующего использования, в том числе и в качестве имени параметра другого шаблона.

Все параметры шаблона функций должны быть обязательно использованы в спецификациях параметров определения функции. Таким образом, будет ошибочным такой шаблон:

template <class A, class B, class C>

B func (A n, C m) {B value;... }

В данном неверном примере остался неиспользованным параметр шаблона с именем B. Его применение в качестве типа возвращаемого функцией значения и для определения объекта value в теле функции недостаточно.

Определяемая с помощью шаблона функция может иметь любое количество не параметризованных формальных параметров. Может быть не параметризовано и возвращаемое функцией значение. Например, в следующей программе шаблон определяет семейство функций, каждая из которых подсчитывает количество нулевых элементов одномерного массива параметризованного типа:

#include <iostream.h>

template <class D>

long count0 (int, D *); //Прототип шаблона

 

viod main ()

{ int A[] = {1,0,6,0,4,10};

int n = sizeof(A)/sizeof(A[0]);

cout << "count0(n,A) = " << count0(n,A) << endl;

float X[] = {10.0, 0.0, 3.3, 0.0, 2.1};

n = sizeof(X)/sizeof X[];

cout << "count0(n,X) = " << count0(n,X) << endl;

}

 

template <class T>

long count0 (int size, T* array)

{ long k = 0;

for (int i = 0; i < size; i++)

if (int(array[i]) == 0) k++;

return k;

}

 

В шаблоне функций count0 параметр T используется только в спецификации одного формального параметра array. Параметр size и возвращаемое функцией значение имеют явно заданные не параметризованные типы.

Как и при работе с обычными функциями, для шаблонов функций существуют определения и описания. В качестве описания шаблона функций используется прототип шаблона:

template < список_параметров_шаблона > заголовок_функции;

В списке параметров прототипа шаблона имена параметров не обязаны совпадать с именами тех же параметров в определении шаблона. Это и продемонстрировано в программе.

При конкретизации шаблонного определения функции необходимо, чтобы при вызове функции типы фактических параметров, соответствующие одинаково параметризованным формальным параметрам, были одинаковыми. Для определенного выше шаблона функций с прототипом

template < class E > void swap (E,E);

недопустимо использовать такое обращение к функции:

int n = 4; double d = 4.3;

swap (n,d); // Ошибка в типах параметров

Для правильного обращения к такой функции требуется явное приведение типа одного из параметров. Например, вызов

swap (double (n), d); // Правильные типы параметров

приведет к конкретизации шаблонного определения функций с параметром типаdouble.

При использовании шаблонов функций возможна перегрузка, как шаблонов, так и функций. Могут быть шаблоны с одинаковыми именами, но разными параметрами. Или с помощью шаблона может создаваться функция с таким же именем, что и явно определенная функция. В обоих случаях «распознавание» конкретного вызова выполняется по сигнатуре, т.е. по типам, порядку и количеству фактических параметров.

Шаблоны классов. Аналогично шаблонам функций определяется шаблон семейства классов:

template <список_параметров_шаблона> определение_класса

Шаблон семейства классов определяет способ построения отдельных классов подобно тому, как класс определяет правила построения и формат отдельных объектов. В определении класса, входящего в шаблон, особую роль играет имя класса. Оно является не именем отдельного класса, а параметризованным именем семейства классов.

Как и для шаблонов функций, определение шаблона класса может быть только глобальным.

Следуя авторам языка и компилятора C++, рассмотрим векторный класс (в число данных входит одномерный массив). Какой бы тип ни имели элементы массива (целый, вещественный, с двойной точностью и т.д.), в этом классе должны быть определены одни и те же базовые операции, например доступ к элементу по индексу и т.д. Если тип элементов вектора задавать как параметр шаблона класса, то система будет формировать вектор нужного типа (и соответствующий класс) при каждом определении конкретного объекта.

Следующий шаблон автоматически формирует классы векторов с указанными свойствами:

// TEMPLATE.VEC - шаблон векторов

template <class T> // T - параметр шаблона

ckass Vector

{ T *data; // Начало одномерного массива

int size; // Количество элементов в иассиве

public:

Vector (int); // Конструктор класса vector

Vector () { delete [] data; } // Деструктор

// Расширение действия (перегрузка) операции «[]»:

T& operator [] (int i) { return data [i];}

};

 

// Внешнее определение конструктора класса:

template <class T>

Vector <T>:: Vector (int n)

{ data = new T [n];

size = n; };

 

Когда шаблон введен, у программиста появляется возможность определять конкретные объекты конкретных классов, каждый из которых параметрически порожден из шаблона. Формат определения объекта одного из классов, порождаемых шаблоном классов:

имя_параметризованного_класса <фактические_параметры_шаблона>

имя_объекта (параметры_конструктора);

В нашем случае определить вектор, имеющий восемь вещественных координат типа double, можно следующим образом:

Vector <double> z (8);

Проиллюстрируем все вышесказанное следующей программой формирования классов с помощью шаблонов:

// формирование классов с помощью шаблона

# inclub <iostream.h>

# inclub «template.vec» // Шаблон класса «вектор»

void main (void)

{

Vector <int> X(5); //Создаем объект класса «целочисленный вектор»

Vector <char> C(5);//Создаем объект класса «символьный вектор»

 

for (int i = 0; i < 5; i++)// Определяем компоненты векторов

{ X [i] = i; C[i] = ‘A’ + i;}

 

for (i = 0; i < 5; i++)

cout << ² ² << X[i] << ² ² << C[i];// 0 A 1 B 2 C 3 D 4 E

} // end main()

В программе шаблон семейства классов с общим именем Vector используется для форми­рования двух классов с массивами целого и символьного типов. В соответствии с требовани­ем синтаксиса имя параметризованного класса, определенное в шаблоне (в примере Vector), используется в программе только с последующим конкретным фактическим пара­метром (аргументом), заключенным в угловые скобки. Параметром может быть имя базового или определенного пользователем типа (класса). В данном примере использованы стан­дартные типы int и char. Использовать имя Vector без указания фактического параметра шаблона нельзя – никакое умалчиваемое значение при этом не предусматривается.

В списке параметров шаблона могут присутствовать формальные параметры, не определяющие тип, точнее – это параметры, для которых тип фиксирован:

#include <iostream.h>

template <class T, int size = 64>

class row { T *data;

int length;

public: row ()

{ length = size;

data = new T [size];

}

~row () { delete [] data; }

T& operator [] (int i)

{ return data [i]; }

};

void main ()

{ row <float,8> rf;

row <int,8> ri;

for (int i = 0; i < 8; i++)

{ rf [i] = i; ri [i] = i * i; }

for (i = 0; i < 8, i++)

cout << ² ² << rf[i] << ² ² << ri[i]; } //0 0 1 1 2 4 3 9 4 16 5 25 6 36 7 49

 

В качестве аргумента, заменяющего при обращении к шаблону параметр size, взята константа. В общем случае может быть использовано константное выражение, однако выражения, содержащие переменные, использовать в качестве фактических параметров шаблонов нельзя.

И еще пара замечаний относительно применения шаблонов семейства классов. Во-первых, использовать имя шаблона класса без указания фактического параметра шаблона нельзя (об этом мы уже говорили), но если программист считает, что такая конструкция класса затрудняет читабельность кода, то можно воспользоваться оператором typedef, например, следующим образом

typedef Vector <int> iVector;

и в дальнейшем работать с типом iVector.

И второе замечание. При написании программ описания отдельных функций и классов может быть разбито на несколько файлов, образующих проект. Очень часто описание классов помещается в заголовочные файлы, имеющие имя «.h», а описание функций-членов, входящих в этот класс, – в виде отдельного «.cpp» файла. Так вот, если используются шаблоны классов, то описания классов и функций-членов этих классов должны находиться в одном файле.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: