Язык программирования C++. Вводный курс. С для начинающих
 Скачать 5.41 Mb.
|
795Объект qs имеет тип Queue Функция-член шаблона конкретизируется только при реальном использовании в программе (т.е. при вызове или взятии ее адреса). От того, в какой именно момент конкретизируется функция-член, зависит разрешение имен в ее определении (см. раздел 16.11) и объявление ее специализации (см. раздел 16.9). 16.3.1. Функции-члены шаблонов Queue и QueueItem Чтобы понять, как определяются и используются функции-члены шаблонов классов, продолжим изучение шаблонов Queue и QueueItem: template Queue(); private: // ... }; template С++ для начинающих 796 }; Деструктор, а также функции-члены remove() и add() определены не в теле шаблона, а вне его. Деструктор Queue опустошает очередь: } Функция-член Queue } Функция-член Queue Queue() : front( 0 ), back ( 0 ) { } Queue(); Type& remove(); void add( const Type & ); bool is_empty() const { return front == 0; } private: QueueItem QueueItem Queue { while (! is_empty() ) remove(); template { // создать новый объект QueueItem QueueItem { back->next = pt; back = pt; } С++ для начинающих 797 } Мы поместили определения функций-членов в заголовочный файл Queue.h, включив его в каждый файл, где возможны конкретизации функций. (Обоснование этого решения, а также рассмотрение более общих вопросов, касающихся модели компиляции шаблонов, мы отложим до раздела 16.8.) В следующей программе иллюстрируется использование и конкретизация функции-члена шаблона Queue: } После компиляции и запуска программа выводит следующую строку: #include #include Type Queue { if ( is_empty() ) { cerr << "remove() вызвана для пустой очереди\n"; exit( -1 ); } QueueItem Type retval = pt->item; delete pt; return retval; #include #include "Queue.h" int main() { // конкретизируется класс Queue // оператор new требует, чтобы Queue Queue // конкретизируется функция-член add() p_qi->add( ival ); int err_cnt = 0; for ( ival = 0; ival < 10; ++ival ) { // конкретизируется функция-член remove() int qval = p_qi->remove(); if ( ival != qval ) err_cnt++; } if ( !err_cnt ) cout << "!! queue executed ok\n"; else cerr << "?? queue errors: " << err_cnt << endl; return 0; С++ для начинающих 798 !! queue executed ok Упражнение 16.5 Используя шаблон класса Screen, определенный в разделе 16.2, реализуйте функции- члены Screen (см. разделы 13.3, 13.4 и 13.6) в виде функций-членов шаблона. 16.4. Объявления друзей в шаблонах классов С++ для начинающих 799 • обычный (не шаблонный) дружественный класс или дружественная функция. В следующем примере функция foo(), функция-член bar() и класс foobar объявлены друзьями всех конкретизаций шаблона QueueItem: }; Ни класс foobar, ни функцию foo() не обязательно объявлять или определять в глобальной области видимости перед объявлением их друзьями шаблона QueueItem Однако перед тем как объявить другом какой-либо из членов класса Foo, необходимо определить его. Напомним, что член класса может быть введен в область видимости только через определение объемлющего класса. QueueItem не может ссылаться на Foo::bar(), пока не будет найдено определение Foo; • связанный дружественный шаблон класса или функции. В следующем примере определено взаимно однозначное соответствие между классами, конкретизированными по шаблону QueueItem, и их друзьями – также конкретизациями шаблонов. Для каждого класса, конкретизированного по шаблону QueueItem, ассоциированные конкретизации foobar, foo() и Queue::bar() являются друзьями. }; class Foo { void bar(); }; template // ... template // ... }; template // ... С++ для начинающих 800 Прежде чем шаблон класса можно будет использовать в объявлениях друзей, он сам должен быть объявлен или определен. В нашем примере шаблоны классов foobar и Queue, а также шаблон функции foo() следует объявить до того, как они объявлены друзьями в QueueItem. Синтаксис, использованный для объявления foo() другом, может показаться странным: friend void foo За именем функции следует список явных аргументов шаблона: foo Такой синтаксис показывает, что в качестве друга объявляется конкретизированный шаблон функции foo(). Если бы список явных аргументов был опущен: friend void foo( QueueItem QueueItem . Как отмечалось в разделе 10.6, шаблон функции и одноименная обычная функция могут сосуществовать, и присутствие объявления такого шаблона перед определением класса QueueItem не вынуждает компилятор соотнести объявление друга именно с ним. Для того, чтобы соотнесение было верным, в конкретизированном шаблоне функции необходимо указать список явных аргументов; • несвязанный дружественный шаблон класса или функции. В следующем примере имеется отображение один-ко-многим между конкретизациями шаблона класса QueueItem и его друзьями. Для каждой конкретизации типа QueueItem все конкретизации foobar, foo() и Queue }; Следует отметить, что этот вид объявлений друзей в шаблоне класса не поддерживается компиляторами, написанными до принятия стандарта C++. 16.4.1. Объявления друзей в шаблонах Queue и QueueItem Поскольку QueueItem не предназначен для непосредственного использования в вызывающей программе, то объявление конструктора этого класса помещено в закрытую template // ... С++ для начинающих 801 секцию шаблона. Теперь класс Queue необходимо объявить другом QueueItem, чтобы можно было создавать и манипулировать объектами последнего. Существует два способа объявить шаблон класса другом. Первый заключается в том, чтобы объявить любой экземпляр Queue другом любого экземпляра QueueItem: }; Однако нет смысла объявлять, например, класс Queue, конкретизированный типом string , другом QueueItem , конкретизированного типом complex Queue должен быть другом только для класса QueueItem QueueItem , конкретизированными одинаковыми типами. Чтобы добиться этого, применим второй метод объявления друзей: }; Данное объявление говорит о том, что для любой конкретизации QueueItem некоторым типом экземпляр Queue, конкретизированный тем же типом, является другом. Так, экземпляр Queue, конкретизированный типом int, будет другом экземпляра QueueItem, тоже конкретизированного типом int Но для экземпляров QueueItem , конкретизированных типами complex В любой точке программы у пользователю может понадобиться распечатать содержимое объекта Queue. Такая возможность предоставляется с помощью перегруженного оператора вывода. Этот оператор должен быть объявлен другом шаблона Queue, так как ему необходим доступ к закрытым членам класса. Какой же будет его сигнатура? ostream& operator<<( ostream &, ??? ); Поскольку Queue – это шаблон класса, то в имени конкретизированного экземпляра должен быть задан полный список аргументов: ostream& operator<<( ostream &, const Queue // любой экземпляр Queue является другом // любого экземпляра QueueItem template // для любого экземпляра QueueItem другом является // только конкретизированный тем же типом экземпляр Queue friend class Queue // ... // как задать аргумент типа Queue? С++ для начинающих 802 Так мы определили оператор вывода для класса, конкретизированного из шаблона Queue типом int. Но что, если Queue – это очередь элементов типа string? ostream& operator<<( ostream &, const Queue Вместо того чтобы явно определять нужный оператор вывода по мере необходимости, желательно сразу определить общий оператор, который будет работать для любой конкретизации Queue. Например: ostream& operator<<( ostream &, const Queue Однако из этого перегруженного оператора вывода придется сделать шаблон функции: operator<<( ostream &, const Queue Теперь всякий раз, когда оператору ostream передается конкретизированный экземпляр Queue , конкретизируется и вызывается шаблон функции. Вот одна из возможных реализаций оператора вывода в виде такого шаблона: } Если очередь объектов типа int содержит значения 3, 5, 8, 13, то распечатка ее содержимого с помощью такого оператора дает < 3 5 8 13 > Обратите внимание, что оператор вывода обращается к закрытому члену front класса Queue . Поэтому оператор необходимо объявить другом Queue: }; Здесь, как и при объявлении друга в шаблоне класса Queue, создается взаимно однозначное соответствие между конкретизациями Queue и оператора operator<<(). template { os << "< "; QueueItem // ... С++ для начинающих 803 Распечатка элементов Queue производится оператором вывода operator<<() класса QueueItem : os << *p; Этот оператор также должен быть реализован в виде шаблона функции; тогда можно быть уверенным, что в нужный момент будет конкретизирован подходящий экземпляр: } Поскольку здесь имеется обращение к закрытому члену item класса QueueItem, оператор следует объявить другом шаблона QueueItem. Это делается следующим образом: }; Оператор вывода класса QueueItem полагается на то, что item умеет распечатывать себя: os << qi.item; Это порождает тонкую зависимость типов при конкретизации Queue. Любой определенный пользователем и связанный с Queue класс, содержимое которого нужно распечатывать, должен предоставлять оператор вывода. В языке нет механизма, с помощью которого можно было бы задать такую зависимость в определении самого шаблона Queue. Но если оператор вывода не определен для типа, с которым конкретизируется данный шаблон, и делается попытка вывести содержимое конкретизированного экземпляра, то в том месте, где используется отсутствующий оператор вывода, компилятор выдает сообщение об ошибке. Шаблон Queue можно конкретизировать типом, не имеющим оператора вывода, – при условии, что не будет попытки распечатать содержимое очереди. Следующая программа демонстрирует конкретизацию и использование функций-друзей шаблонов классов Queue и QueueItem: template { os << qi.item; return os; template // ... С++ для начинающих 804 } После компиляции и запуска программа выдает результат: < > < 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 > < > !! queue executed ok Упражнение 16.6 Пользуясь шаблоном класса Screen, определенным в упражнении 16.5, реализуйте операторы ввода и вывода (см. упражнение 15.6 из раздела 15.2) в виде шаблонов. Объясните, почему вы выбрали тот, а не иной способ объявления друзей класса Screen, добавленных в его шаблон. 16.5. Статические члены шаблонов класса В шаблоне класса могут быть объявлены статические данные-члены. Каждый конкретизированный экземпляр имеет собственный набор таких членов. Рассмотрим операторы new() и delete() для шаблона QueueItem. В класс QueueItem нужно добавить два статических члена: static const unsigned QueueItem_chunk; Модифицированное определение шаблона QueueItem выглядит так: #include #include "Queue.h" int main() { Queue // конкретизируются оба экземпляра // ostream& operator<<(ostream &os, const Queue // ostream& operator<<(ostream &os, const QueueItem } cout << qi << endl; if ( !err_cnt ) cout << "!! queue executed ok\n"; else cout << "?? queue errors: " << err_cnt << endl; return 0; static QueueItem С++ для начинающих 805 }; Операторы new() и delete() объявлены закрытыми, чтобы предотвратить создание объектов типа QueueItem вызывающей программой: это разрешается только членам и друзьям QueueItem (к примеру, шаблону Queue). Оператор new() можно реализовать таким образом: } А реализация оператора delete() выглядит так: } Теперь остается инициализировать статические члены free_list и QueueItem_chunk. Вот шаблон для определения статических данных-членов: #include // ... private: void *operator new( size_t ); void operator delete( void *, size_t ); // ... static QueueItem *free_list; static const unsigned QueueItem_chunk; // ... template QueueItem { QueueItem { size_t chunk = QueueItem_chunk * size; free_list = p = reinterpret_cast< QueueItem ( new char[chunk] ); for ( ; p != &free_list[ QueueItem_chunk - 1 ]; ++p ) p->next = p + 1; p->next = 0; } p = free_list; free_list = free_list->next; return p; template { static_cast< QueueItem С++ для начинающих 806 QueueItem Определение шаблона статического члена должно быть вынесено за пределы определения самого шаблона класса, которое начинается с ключевого слово template с последующим списком параметров QueueItem , показывающий, что этот член принадлежит именно шаблону QueueItem . Определения таких членов помещаются в заголовочный файл Queue.h и должны включаться во все файлы, где производится их конкретизация. (В разделе 16.8 мы объясним, почему решили делать именно так, и затронем другие вопросы, касающиеся модели компиляции шаблонов.) Статический член конкретизируется по шаблону только в том случае, когда реально используется в программе. Сам такой член тоже является шаблоном. Определение шаблона для него не приводит к выделению памяти: она выделяется только для конкретизированного экземпляра статического члена. Каждая подобная конкретизация соответствует конкретизации шаблона класса. Таким образом, обращение к экземпляру статического члена всегда производится через некоторый конкретизированный экземпляр класса: int ival2 = QueueItem Упражнение 16.7 Реализуйте определенные в разделе 15.8 операторы new() и delete() и относящиеся к ним статические члены screenChunk и freeStore для шаблона класса Screen, построенного в упражнении 16.6. 16.6. Вложенные типы шаблонов классов Шаблон класса QueueItem применяется только как вспомогательное средство для реализации Queue. Чтобы запретить любое другое использование, в шаблоне QueueItem имеется закрытый конструктор, позволяющий создавать объекты этого класса исключительно функциям-членам класса Queue, объявленным друзьями QueueItem. Хотя шаблон QueueItem виден во всей программе, создать объекты этого класса или обратиться к его членам можно только при посредстве функций-членов Queue. /* для каждой конкретизации QueueItem сгенерировать * соответствующий free_list и инициализировать его нулем */ template QueueItem /* для каждой конкретизации QueueItem сгенерировать * соответствующий QueueItem_chunk и инициализировать его значением 24 */ template // ошибка: QueueItem - это не реальный конкретизированный экземпляр int ival0 = QueueItem::QueueItem_chunk; int ival1 = QueueItem С++ для начинающих 807 Альтернативный подход к реализации состоит в том, чтобы вложить определение шаблона класса QueueItem в закрытую секцию шаблона Queue. Поскольку QueueItem является вложенным закрытым типом, он становится недоступным вызывающей программе, и обратиться к нему можно лишь из шаблона класса Queue и его друзей (например, оператора вывода). Если же сделать члены QueueItem открытыми, то объявлять Queue другом QueueItem не понадобится. Семантика исходной реализации при этом сохраняется, но отношение между шаблонами QueueItem и Queue моделируется более элегантно. Поскольку при любой конкретизации шаблона Queue требуется конкретизировать тем же типом и QueueItem, то вложенный класс должен быть шаблоном. Вложенные классы шаблонов сами являются шаблонами классов, а параметры объемлющего шаблона можно использовать во вложенном: }; При каждой конкретизации Queue создается также класс QueueItem с подходящим аргументом для Type. Между конкретизациями шаблонов QueueItem и Queue имеется взаимно однозначное соответствие. Вложенный в шаблон класс конкретизируется только в том случае, если он используется в контексте, где требуется полный тип класса. В разделе 16.2 мы упоминали, что конкретизация шаблона класса Queue типом int не означает автоматической конкретизации и класса QueueItem QueueItem , а если объявлены только указатели на некоторый тип, то конкретизировать соответствующий класс не обязательно, хотя QueueItem вложен в шаблон класса Queue. QueueItem Внутри шаблона класса можно также объявлять перечисления и определять типы (с помощью typedef): template // ... private: class QueueItem { public: QueueItem( Type val ) : item( val ), next( 0 ) { ... } Type item; QueueItem *next; }; // поскольку QueueItem - вложенный тип, // а не шаблон, определенный вне Queue, // то аргумент шаблона QueueItem *front, *back; // ... С++ для начинающих 808 } Вместо того чтобы явно включать член Buf_size, в шаблоне класса Buffer объявляется перечисление с двумя элементами, которые инициализируются значением параметра шаблона. Например, объявление Buffer Buffer Открытый вложенный тип разрешается использовать и вне определения объемлющего класса. Однако вызывающая программа может ссылаться лишь на конкретизированные экземпляры подобного типа (или элементов вложенного перечисления). В таком случае имени вложенного типа должно предшествовать имя конкретизированного шаблона класса: Buffer Это правило применимо и тогда, когда во вложенном типе не используются параметры включающего шаблона: template BufType array[ size ]; // ... // ошибка: какая конкретизация Buffer? Buffer::Buf_vals bfv0; С++ для начинающих 809 } Во всех конкретизациях Q значения empty одинаковы, но при ссылке на empty необходимо указывать, какому именно экземпляру Q принадлежит перечисление. Упражнение 16.8 Определите класс List и вложенный в него ListItem из раздела 13.10 как шаблоны. Реализуйте аналогичные определения для ассоциированных членов класса. 16.7. Шаблоны-члены Шаблон функции или класса может быть членом обычного класса или шаблона класса. Определение шаблона-члена похоже на определение шаблона: ему предшествует ключевое слово template, за которым идет список параметров: template QA status; // ... }; #include Q Q ошибка реализации!" << endl; return 0; С++ для начинающих 810 } (Отметим, что шаблоны-члены не поддерживаются компиляторами, написанными до принятия стандарта C++. Эта возможность была добавлена в язык для поддержки реализации абстрактных контейнерных типов, представленных в главе 6.) Объявление шаблона-члена имеет собственные параметры. Например, у шаблона класса CL есть параметр Type, а у шаблона функции assign() – параметр Iter. Помимо этого, в определении шаблона-члена могут использоваться параметры объемлющего шаблона класса. Например, у шаблона CL есть член типа T, представляющего параметр включающего шаблона Queue. Объявление шаблона-члена в шаблоне класса Queue означает, что конкретизация Queue потенциально может содержать бесконечное число различных вложенных классов CL функций-членов assign(). Так, конкретизированный экземпляр Queue Queue Для шаблона-члена действуют те же правила доступа, что и для других членов класса. Так как шаблон CL является закрытым членом шаблона Queue, то лишь функции-члены и друзья Queue могут ссылаться на его конкретизации. С другой стороны, шаблон функции assign() объявлен открытым членом и, значит, доступен во всей программе. template // шаблон класса-члена template { Type member; T mem; }; // ... public: // шаблон функции-члена template { while ( ! is_empty() ) remove(); // вызывается Queue } Queue С++ для начинающих 811 Шаблон-член конкретизируется при его использовании в программе. Например, assign() конкретизируется в момент обращения к ней из main(): } Шаблон функции assign(), являющийся членом шаблона класса Queue, иллюстрирует необходимость применения шаблонов-членов для поддержки контейнерных типов. Предположим, имеется очередь типа Queue В функции main() шаблон-член assign() сначала конкретизируется типом int*, что позволяет поместить в qi содержимое массива элементов типа int. Затем шаблон-член конкретизируется типом vector } Вызываемая из assign() функция add() – это функция-член Queue Если Queue конкретизируется типом int, то у add() будет следующий прототип: void Queue Аргумент *first должен иметь тип int либо тип, которым можно инициализировать параметр-ссылку на const int. Преобразования типов допустимы. Например, если int main() { // конкретизация Queue Queue // конкретизация Queue // конкретизация Queue // vector { // удалить все элементы из очереди for ( ; first != last; ++first ) add( *first ); С++ для начинающих 812 воспользоваться классом SmallInt из раздела 15.9, то содержимое контейнера, в котором хранятся элементы типа SmallInt, с помощью шаблона-члена assign() помещается в очередь типа Queue } Первая конкретизация assign() правильна, так как существует неявное преобразование из типа SmallInt в тип int и, следовательно, обращение к add() корректно. Вторая же конкретизация ошибочна: объект типа int* не может инициализировать ссылку на тип const int , поэтому вызвать функцию add() невозможно. Для контейнерных типов из стандартной библиотеки C++ имеется функция assign(), которая ведет себя так же, как функция-шаблон assign() для нашего класса Queue. Любую функцию-член можно задать в виде шаблона. Это относится, в частности, к конструктору. Например, для шаблона класса Queue его можно определить следующим образом: class SmallInt { public: SmallInt( int ival = 0 ) : value( ival ) { } // конвертер: SmallInt ==> int operator int() { return value; } // ... private: int value; }; int main() { // конкретизация Queue Queue // заполнить вектор // конкретизация // Queue // vector // заполнить список // ошибка при конкретизации шаблона-члена assign(): // нет преобразования из int* в int qi.assign( lpi.begin(), lpi.end() ); С++ для начинающих 813 }; Такой конструктор позволяет инициализировать очередь содержимым другого контейнера. У контейнерных типов из стандартной библиотеки C++ также есть предназначенные для этой цели конструкторы в виде шаблонов-членов. Кстати, в первом (в данном разделе) определении функции main() использовался конструктор-шаблон для вектора: vector Это определение конкретизирует шаблон конструктора для контейнера vector Шаблон-член, как и обычные члены, может быть определен вне определения объемлющего класса или шаблона класса. Так, являющиеся членами шаблон класса CL или шаблон функции assign() могут быть следующим образом определены вне шаблона Queue : template // ... public: // шаблон-член конструктора template Queue( Iter first, Iter last ) : front( 0 ), back( 0 ) { for ( ; first != last; ++first ) add( * first ); } С++ для начинающих 814 } Определению шаблона-члена, которое находится вне определения объемлющего шаблона класса, предшествует список параметров объемлющего шаблона класса, а за ним должен следовать собственный такой список. Вот почему определение шаблона функции assign() (члена шаблона класса Queue) начинается с template Первый список параметров шаблона template Queue . Второй – к самому шаблону-члену assign(). Имена параметров не обязаны совпадать с теми, которые указаны внутри определения объемлющего шаблона класса. Приведенная инструкция по-прежнему определяет шаблон-член assign(): template { ... } 16.8. Шаблоны классов и модель компиляции A Определение шаблона класса – это лишь предписание для построения бесконечного множества типов классов. Сам по себе шаблон не определяет никакого класса. Например, когда компилятор видит: template // ... public: template // ... }; template { Type member; T mem; }; template { while ( ! is_empty() ) remove(); for ( ; first != last; ++first ) add( *first ); void Queue::assign( IterType first, IterType last ) С++ для начинающих 815 class Queue { ... }; он только сохраняет внутреннее представление Queue. Позже, когда встречается реальное использование класса, конкретизированного по шаблону, скажем: } компилятор конкретизирует тип класса Queue Шаблон конкретизируется только тогда, когда он употребляется в контексте, требующем полного определения класса. (Этот вопрос подробно обсуждался в разделе 16.2.) В примере выше класс Queue Компилятор может конкретизировать шаблон только тогда, когда он видел не только его объявление, но и фактическое определение, которое должно предшествовать тому месту программы, где этот шаблон используется: } Шаблон класса можно конкретизировать одним и тем же типом в нескольких файлах. Как и в случае с типами классов, когда определение класса должно присутствовать в каждом файле, где используются его члены, компилятор конкретизирует шаблон некоторым типом во всех файлах, в которых данный экземпляр употребляется в контексте, требующем полного определения класса. Чтобы определение шаблона было доступно везде, где может понадобиться конкретизация, его следует поместить в заголовочный файл. Функции-члены и статические данные-члены шаблонов классов, а также вложенные в них типы ведут себя почти так же, как сами шаблоны. Определения членов шаблона используются для порождения экземпляров членов в конкретизированном шаблоне. Если компилятор видит: template Queue // объявление шаблона класса template Queue // ошибка: необходима конкретизация // определение шаблона класса должно быть видимо Queue С++ для начинающих 816 { ... } он сохраняет внутреннее представление Queue Queue , компилятор конкретизирует Queue } Конкретизация шаблона класса некоторым типом не приводит к автоматической конкретизации всех его членов тем же типом. Член конкретизируется только при использовании в таком контексте, где необходимо его определение (т.е. вложенный тип употреблен так, что требуется его полное определение; вызвана функция-член или взят ее адрес; имеется обращение к значению статического члена). Конкретизация функций-членов и статических членов шаблонов класса поднимает те же вопросы, которые мы уже обсуждали для шаблонов функций в разделе 10.5. Чтобы компилятор мог конкретизировать функцию-член или статический член шаблона класса, должно ли определение члена быть видимым в момент конкретизации? Например, должно ли определение функции-члена add() появиться до ее конкретизации типом int в main()? Следует ли помещать определения функций-членов и статических членов шаблонов класса в заголовочные файлы (как мы поступаем с определениями встроенных функций), которые включаются всюду, где применяются их конкретизированные экземпляры? Или конкретизации определения шаблона достаточно для того, чтобы этими членами можно было пользоваться, так что определения членов можно оставлять в файлах с исходными текстами (где обычно располагаются определения невстроенных функций-членов и статических членов)? Для ответа на эти вопросы нам придется вспомнить модель компиляции шаблонов в C++, где формулируются требования к организации программы, в которой определяются и употребляются шаблоны. Обе модели (с включением и с разделением), описанные в разделе 10.5, в полной мере применимы и к определениям функций-членов и статических данных-членов шаблонов классов. В оставшейся части этого раздела описываются обе модели и объясняется их использование с определениями членов. 16.8.1. Модель компиляции с включением В этой модели мы включаем определения функций-членов и статических членов шаблонов классов в каждый файл, где они конкретизируются. Для встроенных функций- членов, определенных в теле шаблона, это происходит автоматически. В противном template #include "Queue.h" int main() { // конкретизация Queue Queue // ... // конкретизация Queue // ... С++ для начинающих 817 случае такое определение следует поместить в один заголовочный файл с определением шаблона класса. Именно этой моделью мы и пользуемся в настоящей книге. Например, определения шаблонов Queue и QueueItem, как и их функций-членов и статических членов, находятся в заголовочном файле Queue.h. Подобное размещение не лишено недостатков: определения функций-членов могут быть довольно большими и содержать детали реализации, которые неинтересны пользователям или должны быть скрыты от них. Кроме того, многократная компиляция одного определения шаблона при обработке разных файлов увеличивает общее время компиляции программы. Описанная модель (если она доступна) позволяет отделить интерфейс шаблона от реализации (т.е. от определений функций-членов и статических данных-членов). 16.8.2. Модель компиляции с разделением В этой модели определение шаблона класса и определения встроенных функций-членов помещаются в заголовочный файл, а определения невстроенных функций-членов и статических данных-членов – в файл с исходным текстом программы. Иными словами, определения шаблона класса и его членов организованы так же, как определения обычных классов (не шаблонов) и их членов: }; Type& Queue Программа, в которой используется конкретизированная функция-член, должна перед конкретизацией включить заголовочный файл: // ---- Queue.h ---- // объявляет Queue как экспортируемый шаблон класса export template // ... public: Type& remove(); void add( const Type & ); // ... // ---- Queue.C ---- // экспортированное определение шаблона класса Queue // находится в Queue.h #include "Queue.h" template С++ для начинающих 818 } Хотя определение шаблона для функции-члена add() не видно в файле User.C, конкретизированный экземпляр Queue Если он экспортируется, то для использования конкретизированных функций-членов или статических данных-членов необходимо знать лишь определение самого шаблона. Определения членов могут отсутствовать в тех файлах, где они конкретизируются. Чтобы объявить шаблон класса экспортируемым, перед словом template в его определении или объявлении нужно поставить ключевое слово export: class Queue { ... }; В нашем примере слово export применено к шаблону класса Queue в файле Queue.h; этот файл включен в файл Queue.C, содержащий определения функций-членов add() и remove() , которые автоматически становятся экспортируемыми и не должны присутствовать в других файлах перед конкретизацией. Отметим, что, хотя шаблон класса объявлен экспортируемым, его собственное определение должно присутствовать в файле User.C Конкретизация Queue в User.C вводит определение класса, в котором объявлены функции-члены Queue Экспортируемыми можно объявлять также отдельные члены шаблона. В этом случае ключевое слово export указывается не перед шаблоном класса, а только перед экспортируемыми членами. Например, если автор шаблона класса Queue хочет экспортировать лишь функцию-член Queue // ---- User.C ---- #include "Queue.h" int main() { // конкретизация Queue Queue // ... // правильно: конкретизация Queue // ... export template С++ для начинающих 819 Type& Queue Обратите внимание, что определение шаблона для функции-члена remove() перенесено в заголовочный файл Queue.h. Это необходимо, поскольку remove() более не находится в экспортируемом шаблоне и, следовательно, ее определение должно быть видно во всех файлах, где вызываются конкретизированные экземпляры. Определение функции-члена или статического члена шаблона объявляется экспортируемым только один раз во всей программе. Поскольку компилятор обрабатывает файлы последовательно, он обычно не в состоянии определить, что эти члены объявлены экспортируемыми в нескольких исходных файлах. В таком случае результаты могут быть следующими: • при редактировании связей возникает ошибка, показывающая, что один и тот же член шаблона класса определен несколько раз; • компилятор неоднократно конкретизирует некоторый член одним и тем же множеством аргументов шаблона, что приводит к ошибке повторного определения во время связывания программы; • компилятор конкретизирует член с помощью одного из экспортированных определений шаблона, игнорируя все остальные. Следовательно, нельзя утверждать, что при наличии в программе нескольких определений экспортированного члена шаблона обязательно будет сгенерирована ошибка. Создавая программу, надо быть внимательным и следить за тем, чтобы определения членов находились только в одном исходном файле. Модель с разделением позволяет отделить интерфейс шаблона класса от его реализации и организовать программу так, что эти интерфейсы помещаются в заголовочные файлы, а реализации – в файлы с исходным текстом. Однако не все компиляторы поддерживают данную модель, а те, которые поддерживают, не всегда делают это правильно: для этого требуется более изощренная среда программирования, которая доступна не во всех реализациях C++. // ---- Queue.h ---- template // ... public: Type& remove(); void add( const Type & ); // ... }; // необходимо, так как remove() не экспортируется template // ---- Queue.C ---- #include "Queue.h" // экспортируется только функция-член add() export template С++ для начинающих 820 В нашей книге используется только модель с включением, так как примеры работы с шаблонами небольшие и хотелось, чтобы они компилировались максимально большим числом компиляторов. 16.8.3. Явные объявления конкретизации При использовании модели с включением определение члена шаблона класса помещается в каждый исходный файл, где может употребляться конкретизированный экземпляр. Точно неизвестно, где и когда компилятор конкретизирует такое определение, и некоторые компиляторы (особенно более старые) конкретизируют определение члена данным множеством аргументов шаблона неоднократно. Для использования в программе (на этапе сборки или на одной из предшествующих ей стадий) выбирается один из полученных экземпляров, а остальные игнорируются. Результат работы программы не зависит от того, сколько раз конкретизировался шаблон: в конечном итоге употребляется лишь один экземпляр. Однако, если приложение состоит из большого числа файлов и некоторый шаблон конкретизируется в каждом из них, то время компиляции заметно возрастает. Подобные проблемы, характерные для старых компиляторов, затрудняли использование шаблонов. Чтобы помочь программисту управлять моментом, когда конкретизация происходит, в стандарте C++ введено понятие явного объявления конкретизации, где за ключевым словом template идет слово class и имя конкретизируемого шаблона класса. В следующем примере явно объявляется конкретизация шаблона Queue Если шаблон класса конкретизируется явно, то явно конкретизируются и все его члены, причем тем же типом аргумента. Следовательно, в файле, где встречается явное объявление, должно присутствовать не только определение шаблона, но и определения всех его членов. В противном случае выдается сообщение об ошибке: template class Queue Если в некотором исходном файле встречается явное объявление конкретизации, то что произойдет в других файлах, где используется такой же конкретизированный шаблон? Как сказать компилятору, что явное объявление имеется в другом файле и что при употреблении шаблона класса или его членов в этом файле конкретизировать ничего не надо? Здесь, как и при использовании шаблонов функций (см. раздел 10.5.3), необходимо применить опцию компилятора, подавляющую неявные конкретизации. Эта опция #include "Queue.h" // явное объявление конкретизации template // ошибка: шаблон Queue и его члены не определены С++ для начинающих 821 вынуждает компилятор предполагать, что все конкретизации шаблонов будут объявляться явно. Упражнение 16.9 Куда бы вы поместили определения функций-членов и статических данных-членов своих шаблонов классов, если имеющийся у вас компилятор поддерживает модель компиляции с разделением? Объясните почему. Упражнение 16.10 Имеется шаблон класса Screen, разработанный в упражнениях из предыдущих разделов (в том числе функции-члены, определенные в упражнении 16.5 из раздела 16.3, и статические члены, определенные в упражнении 16.7 из раздела 16.5). Организуйте программу так, чтобы воспользоваться преимуществами модели компиляции с разделением. 16.9. Специализации шаблонов классов A Прежде чем приступать к рассмотрению специализаций шаблонов классов и причин, по которым в них может возникнуть надобность, добавим в шаблон Queue функции-члены min() и max(). Они будут обходить все элементы очереди и искать среди них соответственно минимальное и максимальное значения (правильнее, конечно, использовать для этой цели обобщенные алгоритмы min() и max(), представленные в главе 12, но мы определим эти функции как члены шаблона Queue, чтобы познакомиться со специализациями.) template // ... public: Type min(); Type max(); // ... }; // найти минимальное значение в очереди Queue template Type Queue { assert( ! is_empty() ); Type min_val = front->item; for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next ) if ( pq->item < min_val ) min_val = pq->item; return min_val; } // найти максимальное значение в очереди Queue template Type Queue { assert( ! is_empty() ); Type max_val = front->item; for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next ) if ( pq->item > max_val ) max_val = pq->item; return max_val; С++ для начинающих 822 } Следующая инструкция в функции-члене min() сравнивает два элемента очереди Queue: pq->item < min_val Здесь неявно присутствует требование к типам, которыми может конкретизироваться шаблон класса Queue: такой тип должен либо иметь возможность пользоваться предопределенным оператором “меньше” для встроенных типов, либо быть классом, в котором определен оператор operator<(). Если же этого оператора нет, то попытка применить min() к очереди приведет к ошибке компиляции в том месте, где вызывается несуществующий оператор сравнения. (Аналогичная проблема существует и в max(), только касается оператора operator>()). Предположим, что шаблон класса Queue нужно конкретизировать таким типом: }; Но в этом классе нет оператора operator<(), позволяющего сравнивать два значения типа LongDouble, поэтому использовать для очереди типа Queue Queue используется функция-член compareLess. Эти глобальные операторы вызывались бы из min() и max() автоматически при сравнении объектов из очереди. Однако мы рассмотрим другое решение, связанное со специализацией шаблонов класса: вместо общих определений функций-членов min() и max() при конкретизации шаблона Queue типом LongDouble мы определим специальные экземпляры Queue и Queue Это можно сделать, если воспользоваться явным определением специализации, где после ключевого слова template идет пара угловых скобок <>, а за ней – определение специализации члена класса. В приведенном примере для функций-членов min() и max() класса Queue LongDouble( double dbval ) : value( dval ) { } bool compareLess( const LongDouble & ); private: double value; С++ для начинающих 823 } Хотя тип класса Queue Поскольку определения явных специализаций min() и max() – это определения невстроенных функций, помещать их в заголовочный файл нельзя: они обязаны находится в файле с текстом программы. Однако явную специализацию функции можно объявить, не определяя. Например: template <> LongDouble Queue Поместив эти объявления в заголовочный файл, а соответствующие определения – в исходный, мы можем организовать код так же, как и для определений функций-членов обычного класса. Иногда определение всего шаблона оказывается непригодным для конкретизации некоторым типом. В таком случае программист может специализировать шаблон класса целиком. Напишем полное определение класса Queue // определения явных специализаций template<> LongDouble Queue { assert( ! is_empty() ); LongDouble min_val = front->item; for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next ) if ( pq->item.compareLess( min_val ) ) min_val = pq->item; return min_val; } template<> LongDouble Queue { assert( ! is_empty() ); LongDouble max_val = front->item; for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next ) if ( max_val.compareLess( pq->item ) ) max_val = pq->item; return max_val; // объявления явных специализаций функций-членов template <> LongDouble Queue С++ для начинающих 824 }; Явную специализацию шаблона класса можно определять только после того, как общий шаблон уже был объявлен (хотя и не обязательно определен). Иными словами, должно быть известно, что специализируемое имя обозначает шаблон класса. Если в приведенном примере не включить заголовочный файл Queue.h перед определением явной специализации шаблона, компилятор выдаст сообщение об ошибке, указывая, что Queue – это не имя шаблона. Если мы определяем специализацию всего шаблона класса, то должны определить также все без исключения функции-члены и статические данные-члены. Определения членов из общего шаблона никогда не используются для создания определений членов явной специализации: множества членов этих шаблонов могут различаться. Чтобы предоставить определение явной специализации для типа класса Queue Если класс специализируется целиком, лексемы template<> помещаются только перед определением явной специализации всего шаблона: LongDouble Queue Класс не может в одних файлах конкретизироваться из общего определения шаблона, а в других – из специализированного, если задано одно и то же множество аргументов. Например, специализацию шаблона QueueItem // QueueLD.h: определяет специализацию класса Queue #include "Queue.h" template<> Queue Queue Queue LongDouble& remove(); void add( const LongDouble & ); bool is_empty() const; LongDouble min(); LongDouble max(); private: // Некоторая реализация #include "QueueLD.h" // определяет функцию-член min() // из специализированного шаблона класса // ---- File1.C ---- #include "Queue.h" void ReadIn( Queue // использование pq->add() // приводит к конкретизации QueueItem } С++ для начинающих 825 } Эта программа некорректна, хотя большинство компиляторов ошибку не обнаружат: заголовочный файл QueueLD.h следует включать во все файлы, где используется Queue , причем до первого использования. 16.10. Частичные специализации шаблонов классов A Если у шаблона класса есть несколько параметров, то можно специализировать его только для одного или нескольких аргументов, оставляя другие неспециализированными. Иными словами, допустимо написать шаблон, соответствующий общему во всем, кроме тех параметров, вместо которых подставлены фактические типы или значения. Такой механизм носит название частичной специализации шаблона класса. Она может понадобиться при определении реализации, более подходящей для конкретного набора аргументов. Рассмотрим шаблон класса Screen, введенный в разделе 16.2. Частичная специализации Screen |