Что такое обобщенные указатели и почему они полезны

Представим себе некий объект, который имеет перегруженную операцию operator->(). Мы можем его представить себе как некий обобщенный указатель, который не является указателем в полном смысле этого слова, но «прикидывается» им. Мы можем использовать его для доступа к полям и методам некоего объекта. Можно придумать много разных применений для обобщенных указателей: реализация различных вариантов умных указателей, осуществляющих некоторую форму сборки мусора или просто ведущих статистику обращений к объектам, можно использовать обобщенные указатели для реализации паттерна «Proxy», когда мы вместо объекта используем обобщенный указатель на него, а сам объект прячется где-либо из соображений инкапсуляции, можем использовать их для реализации стратегий ленивых и сверхэнергичных вычислений и для многого другого. Видно, что обобщенные указатели – весьма полезная штука.

СОВЕТ Для того, чтобы понять всю мощь и красоту обобщенных указателей весьма полезно почитать такие книги, как «Эффективное использование C++» и «Наиболее эффективное использование C++» Скотта Мейерса, «C++: библиотека программиста» Джеффа Элджера, а также более общую книгу «Приемы объектно-ориентированного программирования. Паттерны проектирования» Эриха Гаммы, Ричарда Хелма, Ральфа Джонсона и Джона Влиссидеса.

 

Но в чем тогда проблема?

Обобщенный указатель всего лишь «прикидывается» указателем и не может быть использован везде, где используются обычные указатели. Например, возьмем адаптер указателя на функцию-член класса из STL:

template

mem_fun_t mem_fun(R (T::*pm)());

template

struct mem_fun_t: public unary_function {

 explicit mem_fun_t(R (T::*pm)());

 R operator()(T *p);

};

Видно, что когда мы вызываем mem_fun(some_class::some_member), то получаем функциональный объект, который принимает указатель (обычный!) на объект класса some_class и вызывает функцию some_member по этому указателю. Но что будет, если мы попытаемся вызвать operator() с аргументом – обобщенным указателем на объект класса A, если у этого указателя нет неявного преобразования в указатель на объект класса?

ПРИМЕЧАНИЕ Такие объекты-заместители бывают нужны, если клиенту нельзя давать доступ к самому объекту: например, если тот размещен в специальной области памяти и его адрес может меняться после сборки мусора.

 

Проблемы с интерфейсом mem_fun_t

Для начала обратим внимание на то, что mem_fun_t::operator() принимает только указатель на объект класса, чьим членом является функция pm. От этого было бы неплохо избавиться. Рассмотрим такой вариант:

template

struct gen_mem_fun_t {

 explicit gen_mem_fun_t(R (T::*pm)());

 R operator()(TT p);

};

Сразу видна пара недостатков – во-первых, теперь адаптер может работать только с одним типом обобщенных указателей, а во-вторых, этот тип придется задавать при создании адаптера. Эти соображения должны натолкнуть нас на мысль воспользоваться шаблонными функциями-членами классов.

template

struct gen_mem_fun_t {

 explicit gen_mem_fun_t(R (T::*pm)());

 template R operator()(TT p);

};

Теперь все хорошо – при необходимости вызвать operator() для специфичного обобщенного указателя сгенерируется своя функция operator().

 

Реализация gen_mem_fun_t

Рассмотрим реализацию mem_fun_t:

template

struct mem_fun_t {

 explicit mem_fun_t(R (T::*pm_)()): pm(pm _) {}

 R operator()(T *p) const {return ((p->*pm)());}

private:

 R (T::*pm)();

};

Все кажется идеальным для работы с указателями, но ведь обобщенный указатель – это не указатель, он не знает, что такое operator->*! Нужно явно узнать, на какой объект он ссылается и потом уже выполнять операцию ->*

template

struct gen_mem_fun_t {

 explicit gen_mem_fun_t(R (T::*pm_)()): pm(pm_) {}

 template R operator()(TT p) {return (p.operator->()->*pm)();}

private:

 R (T::*pm)();

};

Правда, возникает другая одна проблема – если теперь мы захотим использовать наш адаптер с обычным указателем, то потерпим поражение: обычные указатели не понимают operator->(). Таким образом, нам необходимо специализировать нашу функцию operator() для работы с обычными указателями:

template<>

R operator()(T* p) {

 return (p->*pm)();

}

 

Реализация gen_mem_fun

Теперь реализация gen_mem_fun становится тривиальной:

template

gen_mem_fun_t gen_mem_fun(R (T::*pm)()) {

 return gen_mem_fun_t(pm);

}

 

Специализация шаблонных функций – членов шаблонного класса

К сожалению, вышеприведенный код не будет компилироваться на компиляторах, не поддерживающих специализацию шаблонов-функций – членов шаблонов классов.

ПРИМЕЧАНИЕ К таким относятся, например, gcc-2.95 и gcc-2.96

Попробуем обойтись без них. Специализация в той или иной форме нам в любом случае понадобится, так что воспользуемся тем, что есть – частичной специализацией классов. Введем вспомогательный класс и специализируем его для особого случая обычных указателей.

template

struct gen_mem_fun_operator {

 R operator()(TT p, R (T::*pm)()) {return (p.operator->()->*pm)();}

};

template

struct gen_mem_fun_operator {

 R operator()(T* p, R (T::*pm)()) {return (p->*pm)();}

};

Тогда наш gen_mem_fun_t запишется так:

tem pl ate

struct gen_mem_fun_t {

 explicit gen_mem_fun_t(R (T::*pm_)()): pm(pm_) {}

 template R operator()(TT p) {return gen_mem_fun_operator()(p, pm);}

private:

 R (T::*pm)();

};

 

Проблема “return void”

Посмотрим внимательнее на реализацию функции operator() в нашем адаптере. Что будет, если мы захотим в качестве типа возвращаемого значения функции использовать void? Наша функция запишется так: void operator() {return void;}. С точки зрения стандарта все хорошо, но все в нашем мире определяется стандартом: есть компиляторы, которые не воспринимают такую конструкцию как допустимую.

ПРИМЕЧАНИЕ Таков, к примеру, Microsoft Visual C++ 6.0/7.0

К счастью, на помощь нам опять приходит частичная специализация:

template

struct gen_mem_fun_operator {

 void operator()(TT p, void (T::*pm)()) {(p.operator->()->*pm)();}

};

template

struct gen_mem_fun_operator {

 void operator()(T* p, void (T::*pm)()) {(p->*pm)();}

};

 

Частичная специализация

К сожалению, не все компиляторы поддерживают частичную специализацию шаблонных классов.

ПРИМЕЧАНИЕ К таким относится и Microsoft Visual C++ 6.0/7.0

Для решения этой проблемы можно использовать паттерн «traits», специфичный для C++. К сожалению, он не сможет помочь в случае, когда один из параметров шаблона специализируется типом, зависящим от другого параметра шаблона, но в случае проблемы «return void» он помочь сможет.

ПРИМЕЧАНИЕ Вопрос, реально ли вообще симулировать частичную специализацию шаблонов, где специализируемый параметр шаблона зависит от неспециализируемого, на компиляторе, не поддерживающем частичную специализацию шаблонов и поддерживающем специализацию вообще только для глобальных классов и функций, остается открытым. Я такой возможности не вижу. Таким образом, создать без помощи препроцессора код нашего адаптера, компилирующийся и под gcc и под Visual C++, не представляется возможным.

Введем вспомогательный класс

template

struct gen_mem_fun_traits {

 template

 struct signature {

  typedef gen_mem_fun_base_t base;

 };

};

template<> struct gen_mem_fun_traits {

 template struct signature {

  typedef void_gen_mem_fun_base_t base;

 };

};

Этот класс специализирован для специального случая функции, возвращающей void. Таким образом, хоть нам и придется ввести дополнительный класс для функций, возвращающих void, для клиента это будет выглядеть единообразно: gen_mem_fun_traits::signature::base.

Сами по себе ветви вычислений различных вариантов тривиальны:

template

struct gen_mem_fun_base_t {

protected:

 gen_mem_fun_base_t(R (T::*pm_)()): pm(pm_) {}

public:

 template R operator()(TT p) {return (p.operator->()->*pm)();}

 template<> R operator()(T* p) {return (p->*pm)();}

private:

 R (T::*pm)();

};

template

struct void_gen_mem_fun_base_t {

protected:

 void_gen_mem_fun_base_t(void (T::*pm_)()): pm(pm_) {}

public:

 template void operator()(TT p) {(p.operator->()->*pm)();}

 template<> void operator()(T* p) {(p->*pm)();}

private:

 void (T::*pm)();

};

Теперь определим сам gen_mem_fun_t:

template

struct gen_mem_fun_t: gen_mem_fun_traits::template signature::base {

 typedef gen_mem_fun_traits::template signature::base base_;

 explicit gen_mem_fun_t(R (T::*pm_)()): base_(pm_) {}

};

Один момент здесь требует пояснения: typedef используется для того, чтобы компилятор понял, какому предку нужно передать в конструктор наш указатель на функцию-член.

И, наконец, gen_mem_fun вообще остался без изменений:

template

gen_mem_fun_t gen_mem_fun(R (T::*pm)()) {

 return gen_mem_fun_t(pm);

}