Определение шаблона для конкретного типа параметра называется. Функции-шаблоны

Оставьте комментарий 6,950

17 марта 2009 в 20:36

Трюки со специализацией шаблонов C++

Hello World

Как мы привыкли использовать шаблоны? Используем ключевое слово template, затем в угловых скобках имена параметров шаблона , после чего тип и имя. Для параметров также указывают что это такое: тип (typename) или значение (например, int). Тип самого шаблона может быть класс (class), структура (struct - вообщем-то тоже класс) или функция (bool foo() и так далее). Например, простейший шаблонный класс "A" можно задать вот так:

Через некоторое время мы захотим, чтобы наш класс для всех типов работал одинаково, а для какого-нибудь хитрого вроде int - по-другому. Фигня вопрос, пишем специализацию: выглядит так же как объявление но параметры шаблона в угловых скобках не указываем, вместо этого указываем конкретные аргументы шаблона после его имени:

Template<> class A< int > {}; // здесь int - это аргумент шаблона
Готово, можно писать методы и поля специальной реализации для int. Такая специализация обычно называется полной (full specialization или explicit specialization). Для большинства практических задач большего не требуется. А если требуется, то…

Специализированный шаблон - это новый шаблон

Если внимательно читать ISO стандарт С++, то можно обнаружить интересное утверждение: создав специализированный шаблонный класс мы создаем новый шаблонный класс (14.5.4.3). Что это нам дает? Специализированный шаблонный класс может содержать методы, поля или объявления типов которых нет в шаблонном классе который мы специализируем. Удобно, когда нужно чтобы метод шаблонного класса работал только для конкретной специализации - достаточно объявить метод только в этой специализации, остальное сделает компилятор:

Специализированный шаблон может иметь свои параметры шаблона

Дьявол, как известно, в деталях. То, что специализированный шаблонный класс это совсем-совсем новый и отдельный класс конечно интересно, но магии в этом мало. А магия есть в незначительном следствии - если это отдельный шаблонный класс, то он может иметь отдельные, никак не связанные с неспециализированным шаблонным классом параметры (параметры - это то, что после template в угловых скобках). Например, вот так:

Template< typename S, typename U > class A< int > {};
Правда, именно такой код компилятор не скомпилирует - новые параметры шаблона S и U мы никак не используем, что для специализированного шаблонного класса запрещено (а то что это класс специализированный компилятор понимает потому, что у него такое же имя "A" как у уже объявленного шаблонного класса). Компилятор даже специальную ошибку скажет: «explicit specialization is using partial specialization syntax, use template<> instead». Намекает, что если сказать нечего - то надо использовать template<> и не выпендриваться. Тогда для чего же в специализированном шаблонном классе можно использовать новые параметры? Ответ странный - для того, чтобы задать аргументы специализации (аргументы - это то, что после имени класса в угловых скобках). То есть специализируя шаблонный класс мы можем вместо простого и понятного int специализировать его через новые параметры :

Template< typename S, typename U > class A< std::map< S, U > > {};
Такая странная запись скомпилируется. И при использовании получившегося шаблонного класса с std::map будет использована специализация, где тип ключа std::map будет доступен как параметр нового шаблона S, а тип значения std::map как U.

Такая специализация шаблона, при которой задается новый список параметров и через эти параметры задаются аргументы для специализации называется частичной специализацией (partial specialization). Почему «частичной»? Видимо потому, что изначально задумывалась как синтаксис для специализации шаблона не по всем аргументам. Пример, где шаблонный класс с двумя параметрами специализируется только по одному из них (специализация будет работать когда первый аргумент, T, будет указан как int. При этом второй аргумент может быть любым - для этого в частичной специализации введен новый параметр U и указан в списке аргументов для специализации):

Template< typename T, typename S > class B {}; template< typename U > class B< int, U > {};

Магические последствия частичной специализации

Из двух вышеописанных свойств специализации шаблонов есть ряд интересных следствий. Например, при использовании частичной специализации можно, вводя новые параметры шаблона и описывая через них специализированные аргументы, разбивать составные типы на простейшие. В приведенном ниже примере специализированный шаблонный класс A будет использован, если аргументов шаблона является тип указателя на функцию. При этом через новые параметры шаблона S и U можно получить тип возвращаемого значения этой функции и тип ее аргумента:

Template< typename S, typename U > class A< S(*)(U) > {};
А если в специализированном шаблоне объявить typedef или static const int (пользуясь тем, что это новый шаблон), то можно использовать его для извлечения нужной информации из типа. Например, мы используем шаблонный класс для хранения объектов и хотим получить размер переданного объекта или 0, если это указатель. В две строчки:

Template< typename T > struct Get { const static int Size = sizeof(T); }; template< typename S > struct Get< S* > { const static int Size = 0; }; Get< int >::Size // например, 4 Get< int* >::Size // 0 - нашли указатель:)
Магия этого типа используется в основном в библиотеках: stl, boost, loki и так далее. Конечно, при высокоуровневом программировании использовать такие фокусы череповато - думаю, все помнят конструкцию для получения размера массива:). Но в библиотеках частичная специализация позволяет относительно просто реализовывать делегаты, события, сложные контейнеры и прочие иногда очень нужные и полезные вещи.

Коллеги, если найдете ошибку (а я, к сожалению, не гуру - могу ошибаться) или у Вас есть критика, вопросы али дополнения к вышеизложенному - буду рад комментариям.

Update: Обещанное продолжение

Функция-шаблон определяет общий набор операций, который будет применен к данным различных типов. Используя этот механизм, можно применять некоторые общие алгоритмы к широкому кругу данных. Как известно, многие алгоритмы логически одинаковы вне зависимости от типа данных, с которыми они оперируют. Например, алгоритм быстрой сортировки Quicksort один и тот же и для массива целых чисел, и для массива чисел с плавающей запятой. Отличается только тип данных, подлежащих сортировке. При помощи создания функции-шаблона (generic function) можно определить сущность алгоритма безотносительно к типу данных. После этого компилятор автоматически генерирует корректный код для того типа данных, для которого создается данная конкретная реализация функции на этапе компиляции. По существу, когда создается функция- шаблон, создается функция, которая может автоматически перегружать сама себя.

Функции-шаблоны создаются с использованием ключевого слова template (шаблон). Обычное значение слова «шаблон» достаточно полно отражает его использование в С++. Шаблон используется для создания каркаса функции, оставляя компилятору реализацию подробностей. Общая форма функции-шаблона имеет следующий вид:

template возвращаемый_тип имя_функции(список параметров)
{
// тело функции
}

Здесь птип является параметром-типом, «держателем места» (placeholder) для имени типа данных, которое используется функцией. Этот параметр-тип может быть использован в определении функции. Однако это только «держатель места», который будет автоматически заменен компилятором на фактический тип данных во время создания конкретной версии функции.

Ниже приведен короткий пример, в котором создается функция-шаблон, имеющая два параметра. Эта функция меняет между собой величины значений этих параметров. Поскольку общий процесс обмена значениями между двумя переменными не зависит от их типа, то он естественным способом может быть реализован с помощью функции-шаблона.

// пример шаблона функции
#include
// шаблон функции
template void swap(X &a, X &b)
{
X temp;
temp = a;
a = b;
b = temp;
}
int main()
{
int i=10, j = 20;
float x=10.1, у= 23.3;
char a="x", b="z";
cout << "Original i, j: " << i << " " << j << endl;
cout << "Original x, y: " << x << " " << у << endl;
cout << "Original a, b: " << a << " " << b << endl;
swap(i, j); // обмен целых
swap(x, у); // обмен вещественных значений
swap(a, b); // обмен символов
cout << "Swapped i, j: " << i << " " << j << endl;
cout << "Swapped x, y: " << x << " " << у << endl;
cout << "Swapped a, b: " << a << " " << b << endl;
return 0;
}

Рассмотрим эту программу более внимательно. Строка

Template void swap (X &а, X &b)

Указывает компилятору, что создается шаблон. Здесь X - шаблон типа, используемый в качестве параметра-типа. Далее следует объявление функции swap() с использованием типа данных X для тех параметров, которые будут обмениваться значениями. В функции main() функция swap() вызывается с передачей ей данных трех различных типов: целых чисел, чисел с плавающей запятой и символов. Поскольку функция swap() является функцией-шаблоном, то компилятор автоматически создаст три разные версии функции swap() - одну для работы с целыми числами, другую для работы с числами с плавающей запятой и, наконец, третью для работы с переменными символьного типа.

Урок 29. Использование шаблонов функций

При создании функций иногда возникают ситуации, когда две функции выполняют одинаковую обработку, но работают с разными типами данных (например, одна использует параметры типа int, а другая типа float). Вы уже знаете из урока 13, что с помощью механизма перегрузки функций можно использовать одно и то же имя для функций, выполняющих разные действия и имеющих разные типы параметров. Однако, если функции возвращают значения разных типов, вам следует использовать для них уникальные имена (см. примечание к уроку 13). Предположим, например, что у вас есть функция с именем тах, которая возвращает максимальное из двух целых значений. Если позже вам потребуется подобная функция, которая возвращает максимальное из двух значений с плавающей точкой, вам следует определить другую функцию, например fmax. Из этого урока вы узнаете, как использовать шаблоны C++ для быстрого создания функций, возвращающих значения разных типов. К концу данного урока вы освоите следующие основные концепции:

Шаблон определяет набор операторов, с помощью которых ваши программы позже могут создать несколько функций.

Программы часто используют шаблоны функций для быстрого определения нескольких функций, которые с помощью одинаковых операторов работают с параметрами разных типов или имеют разные типы возвращаемых значений.

Шаблоны функций имеют специфичные имена, которые соответствуют имени функции, используемому вами в программе.

После того как ваша программа определила шаблон функции, она в дальнейшем может создать конкретную функцию, используя этот шаблон для задания прототипа, который включает имя данного шаблона, возвращаемое функцией значение и типы параметров.

В процессе компиляции компилятор C++ будет создавать в вашей программе функции с использованием типов, указанных в прототипах функций, которые ссылаются на имя шаблона.

Шаблоны функций имеют уникальный синтаксис, который может быть на первый взгляд непонятен. Однако после создания одного или двух шаблонов вы обнаружите, что реально их очень легко использовать.

СОЗДАНИЕ ПРОСТОГО ШАБЛОНА ФУНКЦИИ

Шаблон функции определяет типонезависимую функцию. С помощью такого шаблона ваши программы в дальнейшем могут определить конкретные функции с требуемыми типами. Например, ниже определен шаблон для функции с именем тах, которая возвращает большее из двух значений:

template Т mах(Т а, Т b)

{ if (а > b) return(а); else return(b); }

Буква T данном случае представляет собой общий тип шаблона. После определения шаблона внутри вашей программы вы объявляете прототипы функций для каждого требуемого вам типа. В случае шаблона тах следующие прототипы создают функции типа float и int.

float max(float, float); int max(int, int);

Когда компилятор C++ встретит эти прототипы, то при построении функции он заменит тип шаблона T указанным вами типом. В случае с типом float функция тах после замены примет следующий вид:

template Т max(Т а, Т b)

{ if (a > b) return(а) ; else return(b); }

float max(float a, float b)

{ if (a > b) return(a) ; else return(b); }

Следующая программа МАХ_ТЕМР.СРР использует шаблон тах для создания функции типа int и float.

#include

template Т mах(Т а, Т b)

{ if (a > b) return(a); else return(b); }

float max(float, float);

int max(int, int);

{ cout << "Максимум 100 и 200 равен " << max(100, 200) << endl; cout << "Максимум 5.4321 и 1.2345 равен " << max(5.4321, 1.2345) << endl; }

В процессе компиляции компилятор C++ автоматически создает операторы для построения одной функции, работающей с типом int, и второй функции, работающей с типом float. Поскольку компилятор C++ управляет операторами, соответствующими функциям, которые вы создаете с помощью шаблонов, он позволяет вам использовать одинаковые имена для функций, которые возвращают значения разных типов. Вы не смогли бы это сделать, используя только перегрузку функций, как обсуждалось в уроке 13.

Использование шаблонов функций

По мере того как ваши программы становятся более сложными, возможны ситуации, когда вам потребуются подобные функции, выполняющие одни и те же операции, но с разными типами данных. Шаблон функции позволяет вашим программам определять общую, или типонезависимую, функцию. Когда программе требуется использовать функцию для определенного типа, например int или float, она указывает прототип функции, который использует имя шаблона функции и типы возвращаемого значения и параметров. В процессе компиляции C++ создаст соответствующую функцию. Создавая шаблоны, вы уменьшаете количество функций, которые должны кодировать самостоятельно, а ваши программы могут использовать одно и то же имя для функций, выполняющих определенную операцию, независимо от возвращаемого функцией значения и типов параметров.

ШАБЛОНЫ, КОТОРЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТ НЕСКОЛЬКО ТИПОВ

Предыдущее определение шаблона для функции max использовало единственный общий тип Т. Очень часто в шаблоне функции требуется указать несколько типов. Например, следующие операторы создают шаблон для функции show_array, которая выводит элементы массива. Шаблон использует тип Т для определения типа массива и тип Т1 для указания типа параметра count:

template

< count; index++) cout << array << " "; cout << endl; }

Как и ранее, программа должна указать прототипы функций для требуемых типов:

void show_array(int *, int); void show_array(float *, unsigned);

Следующая программа SHOW_TEM.CPP использует шаблон для создания функций, которые выводят массивы типа int и типа float.

#include

template void show_array(T *array,T1 count)

{ T1 index; for (index =0; index < count; index++) cout << array “ " "; cout << endl; }

void show_array(int *, int);

void show_array(float *, unsigned);

{ int pages = { 100, 200, 300, 400, 500 }; float pricesH = { 10.05, 20.10, 30.15 }; show_array(pages, 5); show_array(prices, 3); }

Шаблоны и несколько типов

По мере того как шаблоны функций становятся более сложными, они могут обеспечить поддержку нескольких типов. Например, ваша программа может создать шаблон для функции с именем array_sort, которая сортирует элементы массива. В данном случае функция может использовать два параметра: первый, соответствующий массиву, и второй, соответствующий количеству элементов массива. Если программа предполагает, что массив никогда не будет содержать более 32767 значений она может использовать тип int для параметра размера массива. Однако более универсальный шаблон мог бы предоставить программе возможность указать свой собственный тип этого параметра, как показано ниже:

template Т , class T1> void array_sort(T array, T1 elements)

{ // операторы }

С помощью шаблона array_sort программа может создать функции которые сортируют маленькие массивы типа float (менее 128 элементов) и очень большие массивы типа int, используя следующие прототипы:

void array_sort(float, char); void array_sort(int, long);

ЧТО ВАМ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Как вы уже знаете, использование шаблонов функций уменьшает объем программирования, позволяя компилятору C++ генерировать операторы для функций, которые отличаются только типами возвращаемых значений и параметров. Из урока 30 вы узнаете, как использовать шаблоны для создания типонезависимых, или общих, классов. До изучения урока 30 убедитесь, что вы освоили следующие основные концепции:

Шаблоны функций позволяют вам объявлять типонезависимые, или общие, функции.

Когда вашей программе требуется использовать функцию с определенными типами данных, она должна указать прототип функции, который определяет требуемые типы.

Когда компилятор C++ встретит такой прототип функции, он создаст операторы, соответствующие этой функции, подставляя требуемые типы.

Ваши программы должны создавать шаблоны для общих функций, которые работают с отличающимися типами. Другими словами, если вы используете с какой-либо функцией только один тип, нет необходимости применять шаблон.

Если функция требует несколько типов, шаблон просто назначает каждому типу уникальный идентификатор, например Т, T1 и Т2. Позже в процессе компиляции компилятор C++ корректно назначит типы, указанные вами в прототипе функции.

Специализация шаблонов является одной из «сложных» фичей языка с++ и использутся в основном при создании библиотек. К сожалению, некоторые особенности специализации шаблонов не очень хорошо раскрыты в популярных книгах по этому языку. Более того, даже 53 страницы официального ISO стандарта языка, посвященные шаблонам, описывают интересные детали сумбурно, оставляя многое на «догадайтесь сами - это же очевидно». Под катом я постарался ясно изложить базовые принципы специализации шаблонов и показать как эти принципы можно использовать в построении магических заклинаний.
Hello World
Как мы привыкли использовать шаблоны? Используем ключевое слово template, затем в угловых скобках имена параметров шаблона , после чего тип и имя. Для параметров также указывают что это такое: тип (typename) или значение (например, int). Тип самого шаблона может быть класс (class), структура (struct - вообщем-то тоже класс) или функция (bool foo() и так далее). Например, простейший шаблонный класс "A" можно задать вот так:

Через некоторое время мы захотим, чтобы наш класс для всех типов работал одинаково, а для какого-нибудь хитрого вроде int - по-другому. Фигня вопрос, пишем специализацию: выглядит так же как объявление но параметры шаблона в угловых скобках не указываем, вместо этого указываем конкретные аргументы шаблона после его имени:
Template<> class A< int > {}; // здесь int - это аргумент шаблона
Готово, можно писать методы и поля специальной реализации для int. Такая специализация обычно называется полной (full specialization или explicit specialization). Для большинства практических задач большего не требуется. А если требуется, то…
Специализированный шаблон - это новый шаблон
Если внимательно читать ISO стандарт С++, то можно обнаружить интересное утверждение: создав специализированный шаблонный класс мы создаем новый шаблонный класс (14.5.4.3). Что это нам дает? Специализированный шаблонный класс может содержать методы, поля или объявления типов которых нет в шаблонном классе который мы специализируем. Удобно, когда нужно чтобы метод шаблонного класса работал только для конкретной специализации - достаточно объявить метод только в этой специализации, остальное сделает компилятор:
Специализированный шаблон может иметь свои параметры шаблона
Дьявол, как известно, в деталях. То, что специализированный шаблонный класс это совсем-совсем новый и отдельный класс конечно интересно, но магии в этом мало. А магия есть в незначительном следствии - если это отдельный шаблонный класс, то он может иметь отдельные, никак не связанные с неспециализированным шаблонным классом параметры (параметры - это то, что после template в угловых скобках). Например, вот так:
Template< typename S, typename U > class A< int > {};
Правда, именно такой код компилятор не скомпилирует - новые параметры шаблона S и U мы никак не используем, что для специализированного шаблонного класса запрещено (а то что это класс специализированный компилятор понимает потому, что у него такое же имя "A" как у уже объявленного шаблонного класса). Компилятор даже специальную ошибку скажет: «explicit specialization is using partial specialization syntax, use template<> instead». Намекает, что если сказать нечего - то надо использовать template<> и не выпендриваться. Тогда для чего же в специализированном шаблонном классе можно использовать новые параметры? Ответ странный - для того, чтобы задать аргументы специализации (аргументы - это то, что после имени класса в угловых скобках). То есть специализируя шаблонный класс мы можем вместо простого и понятного int специализировать его через новые параметры :
Template< typename S, typename U > class A< std::map< S, U > > {};
Такая странная запись скомпилируется. И при использовании получившегося шаблонного класса с std::map будет использована специализация, где тип ключа std::map будет доступен как параметр нового шаблона S, а тип значения std::map как U.
Такая специализация шаблона, при которой задается новый список параметров и через эти параметры задаются аргументы для специализации называется частичной специализацией (partial specialization). Почему «частичной»? Видимо потому, что изначально задумывалась как синтаксис для специализации шаблона не по всем аргументам. Пример, где шаблонный класс с двумя параметрами специализируется только по одному из них (специализация будет работать когда первый аргумент, T, будет указан как int. При этом второй аргумент может быть любым - для этого в частичной специализации введен новый параметр U и указан в списке аргументов для специализации):
Template< typename T, typename S > class B {}; template< typename U > class B< int, U > {};
Магические последствия частичной специализации
Из двух вышеописанных свойств специализации шаблонов есть ряд интересных следствий. Например, при использовании частичной специализации можно, вводя новые параметры шаблона и описывая через них специализированные аргументы, разбивать составные типы на простейшие. В приведенном ниже примере специализированный шаблонный класс A будет использован, если аргументов шаблона является тип указателя на функцию. При этом через новые параметры шаблона S и U можно получить тип возвращаемого значения этой функции и тип ее аргумента:
Template< typename S, typename U > class A< S(*)(U) > {};
А если в специализированном шаблоне объявить typedef или static const int (пользуясь тем, что это новый шаблон), то можно использовать его для извлечения нужной информации из типа. Например, мы используем шаблонный класс для хранения объектов и хотим получить размер переданного объекта или 0, если это указатель. В две строчки:
Template< typename T > struct Get { const static int Size = sizeof(T); }; template< typename S > struct Get< S* > { const static int Size = 0; }; Get< int >::Size // например, 4 Get< int* >::Size // 0 - нашли указатель:)
Магия этого типа используется в основном в библиотеках: stl, boost, loki и так далее. Конечно, при высокоуровневом программировании использовать такие фокусы череповато - думаю, все помнят конструкцию для получения размера массива:). Но в библиотеках частичная специализация позволяет относительно просто реализовывать делегаты, события, сложные контейнеры и прочие иногда очень нужные и полезные вещи.
Коллеги, если найдете ошибку (а я, к сожалению, не гуру - могу ошибаться) или у Вас есть критика, вопросы али дополнения к вышеизложенному - буду рад комментариям.
Update: Обещанное продолжение