Шаблоны и

безопасность

типов

Хотя стандарты шаблонов опубликованы уже давно, они все еще распространены недостаточно широко. Конечно, трудно использовать нечто, не поддерживаемое вашим компилятором, - наверное, это первая причина, по которой большинство программистов C++ не умеет работать с шаблонами. К счастью, сейчас все основные компиляторы уже вошли в двадцатый век, так что эта проблема уже отпала. Остается лишь понять, что такое шаблон, как обойти все синтаксические ловушки, но прежде всего - для чего он все-таки нужен. Эта глава не ограничивается обзором синтаксиса. В ней также рассматриваются основы безопасности типов в C++, причем особое внимание уделяется шаблонам.

Что такое шаблоны и зачем они нужны?

Интерфейс простого класса-коллекции (на примере связанного списка) выглядит так: class ListNode { private:

ListNode* next; void* data; public:

ListNode(void* d, ListNode* n = NULL) : next(n), data(d) {} ~ListNode() { delete next; } void* Data() { return data; } ListNode* Next() { return next; }

Заметили что-нибудь особенное?

Проблемы

Прежде всего, в глаза бросаются все эти void*. И вы, и я прекрасно знаем, что на самом деле за ними кроется нечто совершенно иное. Где-то в клиентском коде придется сделать что-нибудь подобное:

for (ListNode* n = listHead; n != NULL; n = n->Next()) f((Foo*)n->Data());

Иначе говоря, вам придется постоянно приводить void* к конкретному типу Но как убедиться в том, что полученный указатель действительно имеет тип Foo*? Здесь придется рассчитывать только на себя, потому что компилятор со словами «Надеюсь, ты знаешь, что делаешь» умывает руки. Допустим, вы уверены, что ваше использование класса надежно по отношению к типам. Но можно ли гарантировать, что другой программист не выкинет какую-нибудь глупость и не занесет в коллекцию объект другого типа? Если вы свято верите в это, я рекомендую держаться подальше от рискованных инвестиций и вложить деньги в правительственные бумаги, вряд ли вам повезет в этой жизни.

Вторая проблема заключается в том, что элементы списка не знают, на какой тип они указывают. Предположим, вам хочется, чтобы деструктор списка удалял не только сами узлы, но и данные, на которые они ссылаются. Нельзя передать оператору delete указатель void* и надеяться, что он сам выберет нужный деструктор.

Обходные решения

Одно из возможных решений - потребовать, чтобы все объекты вашей коллекции происходили от общего предка. В этом случае void* можно будет заменить указателем на базовый класс, создавая хотя бы видимость порядка. Если деструктор базового класса является виртуальным, по крайней мере мы сможем переписать деструктор ListNode так, чтобы при самоубийстве он уничтожал и содержимое списка. Но если этот базовый класс имеет производные классы, вы наверняка вернетесь к необходимости выполнения ненадежных операций приведения к этим производным типам.

Другое обходное решение - создать список, рассчитанный на конкретный тип. Скажем, для ведения списка объектов класса Foo создается класс-коллекция ListOfFoos. В этом случае вам не придется выполнять приведения типов, если Foo не имеет производных классов. Но стоит ли плодить классы-двойники, которые отличаются только типами, с которыми они работают? Конечно, вырезание и вставка в текстовых редакторах - замечательная вещь, а сценарии обработки текстов помогают быстро размножить код. Но если вам потребуется изменить представление всех этих списков, дело неизбежно кончится масштабной головной болью.

В прошлом подобные проблемы часто решались с помощью макросов #define: #define ListNode(Type) \ class ListNode##Type { \ private: \

ListNode##Type* next; \ Type* data; \ public: \

ListNode##Type(Type* d, ListNode* n = NULL) : next(n), data(d) {} \ ~ListNode() { delete next; } \ void* Data() { return data; } \ ListNode* Next() { return next; } \

Если вы нечаянно забудете поставить знак \, компилятор разразится громкими негодующими воплями, но при должной осторожности эта методика работает. Символы ## означают конкатенацию. Конструкция становится еще уродливее, но с этим приходится мириться - вы должны обеспечить уникальность имен типов коллекций. Такая методика обладает многочисленными недостатками. Если функции класса не являются подставляемыми (inline), вам придется создавать для них дополнительные макросы и следить, чтобы они были реализованы в одном модуле компиляции. У некоторых компиляторов возникают проблемы со слишком длинными макросами. Директивы #define не могут быть вложенными, поэтому рекурсивные, безопасные по отношению к типам структуры данных отпадают. Хуже всего, что при обнаружении ошибки в макросе отладчик складывает руки и сообщает, что где-то в макросе допущена ошибка, но не указывает конкретного номера строки.

Шаблоны - усовершенствованные макросы

На сцену выходит механизм шаблонов - усовершенствованный макропроцессор для директив #define. Шаблоны представляют собой ничто иное, как макросы без всех перечисленных ограничений. Они могут быть вложенными. Вам не придется беспокоиться о дублировании их функций. Большинство отладчиков C++ при возникновении ошибки правильно указывает строку шаблона. Размер шаблона не вызовет никаких проблем. Наконец, вам не придется уродовать свою прекрасную программу закорючками вроде \ и ##.

Синтаксис шаблонов

Если вы собираетесь использовать шаблоны, привыкайте к тому, что в вашей речи будет часто звучать термин параметризованный (parameterized). Шаблоны используются для создания параметризованных типов (обычно классов) и параметризованных функций.

Параметризованные типы

Параметризованный тип внешне представляет собой обычное объявление класса, которому предшествует магическое заклинание template <c1ass Type>, где Type - выбранное вами символическое имя (остальные элементы задаются жестко). Всюду, где символическое имя Type (или другое имя) встречается в объявлении класса оно интерпретируется как макрос, вместо которого при использовании класса подставляется конкретный тип. Класс ListNode, переписанный как параметризованный тип, выглядит следующим образом:

template <c1ass Type> class ListNode { private:

ListNode<Type>* next;

Type* data; public:

ListNode(Type* d, ListNode<Type>* n = NULL) : next(n), data(d) {} ~ListNode() { delete next; } Type* Data() { return data; } ListNode<Type>* Next() { return next; }

ListNode<Foo> list = new ListNode<Foo> (new Foo);

Foo* f = 1ist->Data(); Возвращает правильный тип

В теле объявления класса формальный параметр шаблона резервирует место, на которое при использовании класса подставляется фактический параметр. При этом компилятор буквально генерирует правильный, безопасный по отношению к типам код.

Параметризованные функции

Параметризованные функции объявляются точно так же - перед их объявлениями указывается формула template. ... Синтаксис шаблона должен повторяться как при объявлении, так и при определении функции. Помните, шаблоны на самом деле являются макросами, поэтому они должны находиться в файлах .h. Если определение будет находиться в файле .срр, программа работать не будет (если только это не единственный файл .срр, в котором вызывается данная функция).

Объявление функции template <c1ass Type> Type* fn(Type* t); Определение ее реализации template <c1ass Type> Type* fn(Type* t) {

Тело функции, в котором имя Type

используется в качестве параметра макроса

Foo* f = fn<Foo>(new Foo);

Определение генерируется компилятором при необходимости, то есть при вызове функции. На этот раз параметризовано имя функции, а не имя класса.