double arrow

Тема №12 Шаблоны. 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 параметризируется. Параметризировать 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;}.

Описание шаблона семейства функций состоит из двух частей:

 

template<classтип_данных>тип_возвр_значенияимя_функции(список_параметров){тело_функции}.

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 = x;}.

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 такое 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 числовое значение 10.3.

Если в программе присутствует приведенный ранее шаблон семейства функций swap():

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

то компилятор сформирует определение функции:

void swap(long *x, long *y){long x = *x; *x = *y; *y = x;}.

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

voidswap(double *x, double *y){double x = *x; *x = *y;*y = x;}.

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



 

#include<iostream.h>//Функция определяет ссылку на элемент с максимальным значениемtemplate<class type> type &rmax(int n, type d[]){intim = 0;for (int i = 1; i < n; i++)im = d[im] > d[i] ? im: i;return d[im];}int main(void){int n = 4;int x[] = { 10, 20, 30, 14 }; //Массив целых чиселcout<< "\nrmax(n,x) = " <<rmax(n, x); // rmax(n,x) = 30rmax(n, x) = 0;for (int i = 0; i < n; i++)cout<< "\tx[" << i << "] =" << x[i]; // x[0] = 10 x[1] ...floatarx[] = { 10.3, 20.4, 10.5 }; //Массиввещественныхчиселcout<< "\nrmax(3,arx) = " <<rmax(3, arx); //rmax(3,arx) = 20.4rmax(3, arx) = 0;for (int i = 0; i < 3; i++)cout<< "\tarx[" << i << "] =" <<arx[i]; //arx[0] = 10.3 ...return 0;}.

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 floatи 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 не может быть пустым.

3. В списке параметров шаблона может быть несколько параметров, и каждому из них должно предшествовать ключевое слово class.

 

template<class type1, class type2>

Соответственно, неверен заголовок:

template<class type1, type2, type3>.

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

 

template<class t, class t, class t>.

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. Следующая программа иллюстрирует указанную особенность имени параметра шаблона функций:

 

#include<iostream.h>int N = 0; //статическая, инициализирована нулемtemplate<classN>Nmax(Nx, Ny){ N a = x;cout<< "\nСчетчик обращений N = " << ++::N;if (a < y) a = y;return a;}int main(void){int a = 12, b = 42;max(a, b); //СчетчикобращенийN = 1floatz = 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.

6. Определенная с помощью шаблона функция может иметь любое количество непараметризированых формальных параметров. Может бытьнепараметризировано 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 *); //Прототипшаблонаint main(void){int A[] = { 1, 0, 6, 0, 4, 10 };int n = sizeof(A) / sizeof A[0];cout<< "\ncount0(n,A) = " << count0(n, A);float X[] = { 10.0, 0.0, 3.3, 0.0, 2.1 }; n = sizeof(X) / sizeofX[];cout<< "\ncount0(n,X) = " << count0(n, X);}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 непараметризованные 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>.

7. В списке параметров прототипа шаблона имена параметров не обязаны совпадать с именами тех же параметров в определении шаблона.

8. 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 типа double. 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.

 







Сейчас читают про: