Начнем с наиболее простых операций: конструктора копий, оператора присвоения копии и деструктора. Операции перемещения (введенные новым стандартом) рассматриваются в разделе 13.6.

 

13.1.1. Конструктор копий

Если первый параметр конструктора — ссылка на тип класса, а все дополнительные параметры имеют значения по умолчанию, то это конструктор копий:

class Foo {

public:

 Foo(); // стандартный конструктор

 Foo(const Foo&); // конструктор копий

 // ...

}

По причинам, которые будут описаны ниже, первый параметр должен иметь ссылочный тип. Он почти всегда является ссылкой на константу, хотя вполне можно определить конструктор копий, получающий ссылку на не константу. При некоторых обстоятельствах конструктор копий используется неявно. Следовательно, конструктор копий обычно не следует объявлять как explicit (см. раздел 7.5.4).

Синтезируемый конструктор копий

Если конструктор копий не определен для класса явно, компилятор синтезирует его сам. В отличие от синтезируемого стандартного конструктора (см. раздел 7.1.4), конструктор копий синтезируется, даже если определены другие конструкторы.

Как будет продемонстрировано в разделе 13.1.6, синтезируемый конструктор копий (synthesized copy constructor) некоторых классов препятствует копированию объектов этого типа. В противном случае синтезируемый конструктор копий осуществляет почленное копирование (memberwise copy) членов своего аргумента в создаваемый объект (см. раздел 7.1.5). Компилятор по очереди копирует каждую нестатическую переменную-член заданного объекта в создаваемый.

Способ копирования каждой переменной-члена определяет ее тип: для типов класса применяется конструктор копий этого класса, а члены встроенного типа копируются непосредственно. Хотя нельзя непосредственно скопировать массив (см. раздел 3.5.1), синтезируемый конструктор копий копирует члены типа массива поэлементно. Элементы типа класса копируются с использованием конструкторов копий элементов.

Например, синтезируемый конструктор копий для класса Sales_data эквивалентен следующему:

class Sales_data {

public:

 // другие члены и конструкторы как прежде

 // объявление, эквивалентное синтезируемому конструктору копий

 Sales_data(const Sales_data&);

private:

 std::string bookNo;

 int units_sold = 0;

 double revenue = 0.0;

};

// эквивалент конструктора копий, синтезированный для класса Sales_data

Sales_data::Sales_data(const Sales_data &orig):

 bookNo(orig.bookNo), // использование конструктора копий string

 units_sold(orig.units_sold), // копирует orig.units_sold

 revenue(orig.revenue)        // копирует orig.revenue

{ }                           // пустое тело

Инициализация копией

Теперь можно полностью рассмотреть различия между прямой инициализацией и инициализацией копией (см. раздел 3.2.1):

string dots(10, '.');               // прямая инициализация

string s(dots);                     // прямая инициализация

strings2 = dots;                    // инициализация копией

string null_book = "9-999-99999-9"; // инициализация копией

string nines = string(100, '9');    // инициализация копией

При прямой инициализации от компилятора требуется использовать обычный выбор функции (см. раздел 6.4) для подбора конструктора, наилучшим образом соответствующего предоставленным аргументам. Когда используется инициализация копией (copy initialization), от компилятора требуется скопировать правый операнд в создаваемый объект, осуществляя преобразования в случае необходимости (см. раздел 7.5.4).

Инициализация копией обычно использует конструктор копий. Но, как будет продемонстрировано в разделе 13.6.2, если у класса есть конструктор перемещения, то инициализация копией иногда использует конструктор перемещения вместо конструктора копий, а пока достаточно знать, что при инициализации копией требуется либо конструктор копий, либо конструктор перемещения.

Инициализация копией осуществляется не только при определении переменных с использованием оператора =, но и при:

• передаче объекта как аргумента параметру не ссылочного типа;

• возвращении объекта из функции с не ссылочным типом возвращаемого значения;

• инициализации списком в скобках элементов массива или членов агрегатного класса (см. раздел 7.5.5)

Некоторые классы используют также инициализацию копией для резервируемых объектов. Например, библиотечные контейнеры инициализируют копией свои элементы при инициализации контейнера, либо при вызове функции insert() или функции push() элемента (см. раздел 9.3.1). Элементы, созданные функцией emplace(), напротив, отличаются прямой инициализацией (см. раздел 9.3.1).

Параметры и возвращаемые значения

Во время вызова функции с параметрами не ссылочного типа осуществляется инициализация копией (см. раздел 6.2.1). Точно так же, когда у функции не ссылочный тип возвращаемого значения, возвращаемое значение используется в точке вызова для инициализации копией результата оператора вызова (см. раздел 6.3.2).

Тот факт, что конструктор копий используется для инициализации не ссылочных параметров типа класса, объясняет, почему собственный параметр конструктора копий должен быть ссылкой. Если бы этот параметр не был ссылкой, то вызов не был бы успешным — при вызове конструктора копий должен быть использован конструктор копий для копирования аргумента, но для копирования аргумента следует вызвать конструктор копий и так далее до бесконечности.

Ограничения на инициализацию копией

Как уже упоминалось, используется ли инициализация копией или прямая инициализация, если используется инициализатор, то потребуется преобразование в явный конструктор (см. раздел 7.5.4):

vector v1(10);  // ok: прямая инициализация

vector v2 = 10; // ошибка: конструктор, получающий размер,

                     //  является явным

void f(vector); // параметр f() инициализируется копией

f(10); // ошибка: нельзя использовать явный конструктор для

       //  копирования аргумента

f(vector(10));  // ok: непосредственно создать временный вектор

                     // из int

Прямая инициализация вектора v1 корректна, но на первый взгляд эквивалентная инициализация копией вектора v2 ошибочна, поскольку конструктор вектора, получающий один параметр размера, является явным. По тем же причинам недопустима инициализация копией вектора v2 — нельзя неявно использовать явный конструктор при передаче аргумента или возвращении значения из функции. Если нужно использовать явный конструктор, то сделать это следует явно, как в последней строке примера, приведенного выше.

Компилятор может обойти конструктор копий

Во время инициализации копией компилятору можно (но не обязательно) пропустить конструктор копий или перемещения и создать объект непосредственно. Таким образом, код

string null_book = "9-999-99999-9"; // инициализация копией

компилятор может выполнить так:

string null_book("9-999-99999-9"); // компилятор пропускает конструктор

                                   // копий

Но даже если компилятор обойдет вызов конструктора копий или перемещения, то он все равно должен существовать и быть доступен (не должен быть закрытым, например) в этой точке программы.

Упражнения раздела 13.1.1

Упражнение 13.1. Что такое конструктор копий? Когда он используется?

Упражнение 13.2. Объясните, почему следующее объявление недопустимо:

Sales_data::Sales_data(Sales_data rhs);

Упражнение 13.3. Объясните, что происходит при копировании объектов классов StrBlob и StrBlobPtr?

Упражнение 13.4. Предположим, класс Point имеет открытый конструктор копий. Укажите каждый случай использования конструктора копий в этом фрагменте кода:

Point global;

Point foo_bar(Point arg) {

 Point local = arg, *heap = new Point(global);

 *heap = local;

 Point pa[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
= { local, *heap };

 return *heap;

}

Упражнение 13.5. Напишите с учетом следующего эскиза класса конструктор копий, копирующий все переменные-члены. Конструктор должен динамически резервировать новую строку (см. раздел 12.1.2) и копировать объект, на который указывает ps, а не сам указатель ps.

class HasPtr {

public:

 HasPtr(const std::string &s = std::string()) :

  ps(new std::string(s)), i(0) { }

private:

 std::string *ps;

 int i;

};

 

13.1.2. Оператор присвоения копии

Подобно тому, как класс контролирует инициализацию своих объектов, он контролирует также присваивание своих объектов:

Sales_data trans, accum;

trans = accum; // использует оператор присвоения копии

               //  класса Sales_data

Компилятор сам синтезирует оператор присвоения копии, если он не определен в классе явно.

Перегруженный оператор присвоения

Прежде чем перейти к синтезируемому оператору присвоения, необходимо ознакомиться с перегрузкой операторов (overloaded operator), подробно рассматриваемой в главе 14.

Перегруженные операторы — это функции, имена которых состоят из слова operator и символа определяемого оператора. Следовательно, оператор присвоения — это функция operator=. Подобно любой другой функции, у функции оператора есть тип возвращаемого значения и список параметров.

Параметрами перегруженного оператора являются его операнды. Некоторые операторы, например присвоение, должны быть определены, как функции-члены. Когда оператор является функцией-членом, левый операнд связан с неявным параметром this (см. раздел 7.1.2). Правый операнд бинарного оператора, такого как присвоение, передается как явный параметр. Оператор присвоения копии получает аргумент того же типа, что и класс:

class Foo {

public:

 Foo& operator=(const Foo&); // оператор присвоения

 // ...

};

Для совместимости с оператором присвоения встроенных типов (см. раздел 4.4) операторы присвоения обычно возвращают ссылку на свой левый операнд. Следует также заметить, что библиотека обычно требует от типов, хранимых в контейнере, наличия операторов присвоения, возвращающих ссылку на левый операнд.

Операторы присвоения обычно должны возвращать ссылку на свой левый операнд.

Синтезируемый оператор присвоения копии

Подобно конструктору копий, компилятор создает синтезируемый оператор присвоения копии (synthesized assignment operator) для класса, если в нем не определен собственный. Аналогично конструктору копий, у некоторых классов синтезируемый оператор присвоения копии не подразумевает присвоения (раздел 13.1.6). В противном случае он присваивает значение каждой нестатической переменной-члена правого объекта соответствующей переменной-члену левого объекта с использованием оператора присвоения копии типа этой переменной. Массивы присваиваются поэлементно. Синтезируемый оператор присвоения копии возвращает ссылку на свой левый операнд.

Например, следующий код эквивалентен синтезируемому оператору присвоения копии класса Sales_data:

// эквивалент синтезируемого оператора присвоения копии

Sales_data&

Sales_data::operator=(const Sales_data &rhs) {

 bookNo = rhs.bookNo;         // вызов string::operator=

 units_sold = rhs.units_sold; // использует встроенное присвоение

 int revenue = rhs.revenue;   // использует встроенное

                              //  присвоение double

 return *this;                // возвратить этот объект

}

Упражнения раздела 13.1.2

Упражнение 13.6. Что такое оператор присвоения копии? Когда он используется? Что делает синтезируемый оператор присвоения копии? Когда он синтезируется?

Упражнение 13.7. Что произойдет при присвоении одного объекта класса StrBlob другому? Что произойдет при присвоении объектов класса StrBlobPtr?

Упражнение 13.8. Напишите оператор присвоения для класса HasPtr из упражнения 13.5 раздела 13.1.1. Подобно конструктору копий, данный оператор присвоения должен копировать объект, на который указывает указатель рs.

 

13.1.3. Деструктор

Действие деструктора противоположно действию конструктора: конструкторы инициализируют нестатические переменные-члены объекта, а также могут выполнять другие действия; деструкторы осуществляют все действия, необходимые для освобождения использованных объектом ресурсов и удаления нестатических переменных-членов объекта.

Деструктор — это функция-член с именем класса, предваряемым тильдой (~). У нее нет ни параметров, ни возвращаемого значения:

class Foo {

public:

 ~Foo(); // деструктор

 // ...

};

Поскольку деструктор не получает никаких параметров, он не может быть перегружен. Для каждого класса возможен только один деструктор.

Что делает деструктор

Подобно тому, как конструктор имеет часть инициализации и тело (см. раздел 7.5.1), деструктор имеет тело и часть удаления. В конструкторе переменные-члены инициализируются перед выполнением тела, а инициализация членов осуществляется в порядке их объявления в классе. В деструкторе сначала выполняется тело, а затем происходит удаление членов. Переменные- члены удаляются в порядке, обратном их инициализации.

Тело деструктора осуществляет все операции, которые разработчик класса считает необходимыми выполнить после использования объекта. Как правило, деструктор освобождает ресурсы объекта, зарезервированные на протяжении его существования.

У деструктора нет ничего похожего на список инициализации конструктора для контроля удаления переменных-членов; часть удаления неявна. Происходящее при удалении переменной-члена зависит от его типа. Члены типа класса удаляются за счет выполнения его собственного деструктора. У встроенных типов нет деструкторов, поэтому для удаления членов встроенного типа не делается ничего.

Неявное удаление члена-указателя встроенного типа не удаляет объект, на который он указывает.

В отличие от обычных указателей, интеллектуальные указатели (см. раздел 12.1.1) являются классами и имеют деструкторы. Поэтому, в отличие от обычных указателей, члены, являющиеся интеллектуальными указателями, автоматически удаляются на фазе удаления.

Когда происходит вызов деструктора

Деструктор автоматически используется всякий раз, когда удаляется объект его типа.

• Переменные удаляются, когда выходят из области видимости.

• Переменные-члены объекта удаляются при удалении объекта, которому они принадлежат.

• Элементы в контейнере (будь то библиотечный контейнер или массив) удаляются при удалении контейнера.

• Динамически созданные объекты удаляются при применении оператора delete к указателю на объект (см. раздел 12.1.2).

• Временные объекты удаляются в конце выражения, в котором они были созданы.

Поскольку деструкторы выполняются автоматически, программы могут резервировать ресурсы и (обычно) не заботиться о том, когда они освобождаются.

Например, следующий фрагмент кода определяет четыре объекта класса Sales_data:

{ // новая область видимости

 // p и p2 указывают на динамически созданные объекты Sales_data

 *p = new Sales_data;                 // p - встроенный указатель

 auto p2 = make_shared(); // p2 - shared_ptr

 Sales_data item(*p);    // конструктор копий копирует *p в item

 vector vec; // локальный объект

 vec.push_back(*p2);     // копирует объект, на который указывает p2

 delete p;               // деструктор вызывается для объекта, на

                         // который указывает p

} // выход из локальной области видимости; деструктор вызывается

  // для item, p2 и vec

  // удаление p2 уменьшает его счетчик пользователей; если значение

  // счетчика дойдет до 0, объект освобождается

  // удаление вектора vec удалит и его элементы

Каждый из этих объектов содержит член типа string, который резервирует динамическую память для содержания символов переменной-члена bookNo. Но единственная память, которой код должен управлять непосредственно, — это самостоятельно зарезервированный объект. Код непосредственно освобождает только динамически созданный объект, связанный с указателем p.

Другие объекты класса Sales_data автоматически удаляются при выходе из области видимости. По завершении блока vec, p2 и item выходят из области видимости, это означает вызов деструкторов классов vector, shared_ptr и Sales_data для соответствующих объектов. Деструктор класса vector удалит элемент, помещенный в вектор vec. Деструктор класса shared_ptr осуществит декремент счетчика ссылок объекта, на который указывает указатель p2. В данном примере этот счетчик достигнет нуля, поэтому деструктор класса shared_ptr удалит объект класса Sales_data, зарезервированный с использованием указателя p2.

Во всех случаях деструктор класса Sales_data неявно удаляет переменную-член bookNo. Удаление переменной-члена bookNo запускает деструктор класса string, который освобождает память, используемую для хранения ISBN.

Когда из области видимости выходит ссылка или указатель на объект, деструктор не выполняется.

Синтезируемый деструктор

Компилятор определяет синтезируемый деструктор (synthesized destructor) для любого класса, который не определяет собственный деструктор. Подобно конструкторам копий и операторам присвоения копии, определение для некоторых классов синтезируемого деструктора предотвращает удаление объектов этого типа (раздел 13.1.6). В противном случае у синтезируемого деструктора будет пустое тело.

Например, синтезируемый деструктор класса Sales_data эквивалентен следующему:

class Sales_data {

public:

 // не делать ничего, кроме удаления переменных-членов,

 // осуществляемого автоматически

 ~Sales_data() { }

 // другие члены как прежде

};

Переменные-члены автоматически удаляются после выполнения (пустого) тела деструктора. В частности, деструктор класса string будет выполнен для освобождения памяти, используемой переменной-членом bookNo.

Важно понять, что само тело деструктора не удаляет переменные-члены непосредственно. Они удаляются в ходе неявной фазы удаления, которая следует за телом деструктора. Тело деструктора выполняется в дополнение к удалению членов, осуществляемому в ходе удаления объекта.

Упражнения раздела 13.1.3

Упражнение 13.9. Что такое деструктор? Что делает синтезируемый деструктор? Когда деструктор синтезируется?

Упражнение 13.10. Что произойдет при удалении объекта класса StrBlob? А класса StrBlobPtr?

Упражнение 13.11. Добавьте деструктор в класс HasPtr из предыдущих упражнений.

Упражнение 13.12. Сколько вызовов деструктора происходит в следующем фрагменте кода?

bool fcn(const Sales_data *trans, Sales_data accum) {

 Sales_data item1(*trans), item2(accum);

 return item1.isbn() != item2.isbn();

}

Упражнение 13.13. Наилучший способ изучения функций-членов управления копированием и конструкторов — это определить простой класс с этими функциями-членами, каждая из которых выводит свое имя:

struct X {

 X() {std::cout << "X()" << std::endl;}

 X(const X&) {std::cout << "X(const X&)" << std::endl;}

};

Добавьте в структуру X оператор присвоения копии и деструктор, а затем напишите программу, использующую объекты класса X различными способами: передайте их как ссылочный и не ссылочный параметры; динамически зарезервируйте их; поместите в контейнеры и т.д. Изучайте вывод, пока не начнете хорошо понимать, когда и почему используется каждая функция-член управления копированием. По мере чтения вывода помните, что компилятор может обойти вызовы конструктора копий.

 

13.1.4. Правило три/пять

Как уже упоминалось, существуют три базовых функции, контролирующих копирование объектов класса: конструктор копий, оператор присвоения копии и деструктор. Кроме того, как будет продемонстрировано в разделе 13.6, по новому стандарту класс может также определить конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении.

Определять все эти функции не обязательно: вполне можно определить один или два из них, не определяя все. Эти функции можно считать модулями. Если нужен один, не обязательно определять их все.

Классы, нуждающиеся в деструкторах, нуждаются в копировании и присвоении

Вот эмпирическое правило, используемое при принятии решения о необходимости определения в классе собственных версий функций-членов управления копированием: сначала следует решить, нужен ли классу деструктор. Зачастую потребность в деструкторе более очевидна, чем потребность в операторе присвоения или конструкторе копий. Если класс нуждается в деструкторе, он почти наверняка нуждается также в конструкторе копий и операторе присвоения копии.

Используемый в упражнениях класс HasPtr отлично подойдет для примера (см. раздел 13.1.1). Этот класс резервирует динамическую память в конструкторе. Синтезируемый деструктор не будет удалять указатель-член. Поэтому данный класс должен определить деструктор для освобождения памяти, зарезервированной конструктором.

Хоть это и не очевидно, но согласно эмпирическому правилу класс HasPtr нуждается также в конструкторе копий и операторе присвоения копии.

Давайте посмотрим, что было бы, если бы у класса HasPtr был деструктор и синтезируемые версии конструктора копий и оператора присвоения копии:

class HasPtr {

public:

 HasPtr(const std::string &s = std::string()):

  ps(new std::string(s)), i(0) { }

 ~HasPtr() { delete ps; }

 // ошибка: HasPtr нуждается в конструкторе копий и операторе

 // присвоения копии

 // другие члены, как прежде

};

В этой версии класса зарезервированная в конструкторе память будет освобождена при удалении объекта класса HasPtr. К сожалению, здесь есть серьезная ошибка! Данная версия класса использует синтезируемые версии операторов копирования и присвоения. Эти функции копируют указатели-члены, а значит, несколько объектов класса HasPtr смогут указывать на ту же область памяти:

HasPtr f(HasPtr hp) // HasPtr передан по значению, поэтому он

                    // копируется

{

 HasPtr ret = hp; // копирует данный HasPtr

 // обработка ret

 return ret; // ret и hp удаляются

}

Когда функция f() завершает работу, объекты hp и ret удаляются и деструктор класса HasPtr выполняется для каждого из них. Этот деструктор удалит указатель-член и в объекте ret, и в объекте hp. Но эти объекты содержат одинаковое значение указателя. Код удалит тот же указатель дважды, что является серьезной ошибкой (см. раздел 12.1.2) с непредсказуемыми результатами.

Кроме того, вызывающая сторона функции f() может все еще использовать переданный ей объект:

HasPtr p("some values");

f(p); // по завершении f() память, на которую указывает p.ps,

      // освобождается

HasPtr q(p); // теперь и p, и q указывают на недопустимую память!

Память, на которую указывает указатель p (и q), больше недопустима. Она была возвращена операционной системе, когда был удален объект hp (или ret)!

Если класс нуждается в деструкторе, он почти наверняка нуждается также в операторе присвоения копии и конструкторе копий.

Классы, нуждающиеся в копировании, нуждаются также в присвоении, и наоборот

Хотя большинству классов требуется определить все функции-члены управления копированием (или ни один из них), у некоторых классов есть необходимость только в копировании или присвоении объектов, но нет никакой необходимости в деструкторе.

В качестве примера рассмотрим класс, присваивающий каждому своему объекту уникальный последовательный номер. Такому классу нужен конструктор копий для создания нового уникального последовательного номера для создаваемого объекта. Этот конструктор копировал бы все остальные переменные-члены заданного объекта. Класс нуждался бы также в собственном операторе присвоения копии, чтобы избежать присвоения объекту слева последовательного номера. Однако у этого класса не было бы никакой потребности в деструкторе.

Этот пример иллюстрирует второе эмпирическому правило: если класс нуждается в конструкторе копий, то он почти наверняка нуждается в операторе присвоения копии, и наоборот, — если класс нуждается в операторе присвоения, то он почти наверняка нуждается также в конструкторе копий. Однако нужда в конструкторе копий или операторе присвоения копии не означает потребности в деструкторе.

Упражнения раздела 13.1.4

Упражнение 13.14. Предположим, что класс numbered имеет стандартный конструктор, создающий уникальный последовательный номер для каждого объекта, который хранится в переменной-члене mysn. Класс numbered использует синтезируемые функции-члены управления копированием и имеет следующую функцию:

void f(numbered s) { cout << s.mysn << endl; }

Какой вывод создаст следующий код?

numbered a, b = a, с = b;

f(a); f(b); f(c);

Упражнение 13.15. Предположим, что у класса numbered есть конструктор копий, создающий новый последовательный номер. Изменит ли это вывод вызовов в предыдущем упражнении? Если да, то почему? Какой вывод получится?

Упражнение 13.16. Что если параметром функции f() будет const numbered&? Это изменяет вывод? Если да, то почему? Какой вывод получится?

Упражнение 13.17. Напишите версии класса numbered и функции f(), соответствующие трем предыдущим упражнениям, и проверьте правильность предсказания вывода.

 

13.1.5. Использование спецификатора

= default

Используя спецификатор = default, можно явно указать компилятору на необходимость создать синтезируемые версии функций-членов управления копированием (см. раздел 7.1.4):

class Sales_data {

public:

 // управление копированием; версии по умолчанию

 Sales_data() = default;

 Sales_data(const Sales_data&) = default;

 Sales_data& operator=(const Sales_data &);

 ~Sales_data() = default;

 // другие члены как прежде

};

Sales_data& Sales_data::operator=(const Sales_data&) = default;

Когда в объявлении функции-члена в теле класса использован спецификатор = default, синтезируемая функция неявно становится встраиваемой (как и любая другая функция-член, определенная в теле класса). Если синтезируемая функция-член класса не должна быть встраиваемой функцией, можно добавить часть = default в ее определение, как это было сделано в определении оператора присвоения копии.

Спецификатор = default можно использовать только для тех функций-членов, у которых есть синтезируемая версия (т.е. стандартный конструктор или функция-член управления копированием).

 

13.1.6. Предотвращение копирования

Большинство классов должно определить (явно или неявно) стандартный конструктор, конструктор копий и оператор присвоения копии.

Хотя большинство классов должно определять (и, как правило, определяет) конструктор копий и оператор присвоения копии, у некоторых классов нет реальной необходимости в этих функциях. В таких случаях класс должен быть определен так, чтобы предотвращать копирование и присвоение. Например, классы iostream предотвращают копирование, чтобы не позволять нескольким объектам писать или читать из того же буфера ввода-вывода. Казалось бы, предотвратить копирование можно, и не определяя функции-члены управления копированием. Но эта стратегия не сработает: если класс не определит эти функции, то компилятор синтезирует их сам.

Определение функции как удаленной

По новому стандарту можно предотвратить копирование, определив конструктор копий и оператор присвоения копии как удаленные функции (deleted function). Удаленной называется функция, которая была объявлена, но не может использована никаким другим способом. Чтобы определить функцию как удаленную, за списком ее параметров следует расположить часть = delete:

struct NoCopy {

 NoCopy() = default; // использовать синтезируемый стандартный

                     // конструктор

 NoCopy(const NoCopy&) = delete;            // без копирования

 NoCopy &operator=(const NoCopy&) = delete; // без присвоения

 ~NoCopy() = default; // используйте синтезируемый деструктор

 // другие члены

};

Часть = delete указывает компилятору (и читателям кода), что эти функции-члены не определяются преднамеренно.

В отличие от части = default, часть = delete должна присутствовать в первом объявлении удаленной функции. Это различие согласуется со смыслом данных объявлений. Часть = default влияет только на то, какой код создает компилятор; следовательно, она необходима, только пока компилятор не создаст код. С другой стороны, компилятор должен знать, что функция удалена, и запретить ее использование другими функциями.

Также в отличие от части = default, часть = delete можно применить для любой функции (= default применима только к стандартному конструктору или функции-члену управления копированием, которую компилятор может синтезировать). Хотя изначально удаленные функции предназначались для подавления функций-членов управления копированием, они иногда применимы также для воздействия на процесс подбора функции.

Деструктор не должен быть удаленной функцией-членом

Следует заметить, что удалять деструктор нельзя. Если его удалить, то не будет никакого способа освободить объект этого типа. Компилятор не позволит определять переменные или создавать временные объекты типа, у которого удален деструктор. Кроме того, нельзя определять переменные или временные объекты класса, обладающего членом, у типа которого удален деструктор. Если у переменной-члена класса удален деструктор, то она не может быть освобождена. Если не может быть удалена переменная-член, не может быть удален и весь объект в целом.

Хотя определить переменные или переменные-члены таких типов нельзя, вполне можно динамически резервировать объекты с удаленным деструктором. Однако впоследствии их нельзя будет освободить:

struct NoDtor {

 NoDtor() = default; // использовать синтезируемый стандартный

                     // конструктор

 ~NoDtor() = delete; // нельзя удалять объекты типа NoDtor

};

NoDtor nd; // ошибка: у NoDtor удаленный деструктор

NoDtor *p = new NoDtor(); // ok: но нельзя удалить p

delete p; // ошибка: у NoDtor удаленный деструктор

Невозможно определить объект или удалить указатель на динамически созданный объект типа с удаленным деструктором.

Функции-члены управления копированием могут быть синтезированы как удаленные

Как уже упоминалось, если не определены функции-члены управления копированием, компилятор определит их сам. Аналогично, если класс не определяет конструктор, компилятор синтезирует стандартный конструктор для этого класса сам (см. раздел 7.1.4). Для некоторых классов компилятор определяет эти синтезируемые функции-члены как удаленные.

• Синтезируемый деструктор определяется как удаленный, если у класса есть переменная-член, собственный деструктор которой удален или недоступен (например, private).

• Синтезируемый конструктор копий определяется как удаленный, если у класса есть переменная-член, собственный деструктор которой удален или недоступен. Он также будет удаленным, если у класса есть переменная-член с удаленным или недоступным деструктором.

• Синтезируемый оператор присвоения копии определяется как удаленный, если у класса есть переменная-член с удаленным или недоступным оператором присвоения копии, либо если у класса есть константный или ссылочный член.

• Синтезируемый стандартный конструктор определяется как удаленный, если у класса есть переменная-член с удаленным или недоступным деструктором; или имеется ссылочный член без внутриклассового инициализатора (см. раздел 2.6.1); или есть константная переменная-член, тип которой не определяет стандартный конструктор явно и не имеет внутриклассового инициализатора.

Короче говоря, эти правила означают, что если у класса есть переменная-член, которая не может быть стандартно создана, скопирована, присвоена или удалена, то соответствующая функция-член класса будет удаленной функцией.

Как ни удивительно, но переменная-член, класс которой имеет удаленный или недоступный деструктор, приводит к определению синтезируемого стандартного конструктора копий удаленным. Основание для этого правила в том, что без него возможно создание объектов, которые невозможно удалить.

Однако в том, что компилятор не будет синтезировать стандартный конструктор для класса со ссылочным или с константным членом, который не может быть создан стандартно, ничего удивительного нет. Нет ничего удивительного и в том, что класс с константным членом не может использовать синтезируемый оператор присвоения копии: в конце концов, этот оператор пытается присвоить значения всем членам классов. Однако присвоить новое значение константному объекту невозможно.

Хотя вполне возможно присвоить новое значение ссылке, это изменит значение объекта, на который она ссылается. Если бы оператор присвоения копии синтезировался для таких классов, то левый операнд продолжил бы ссылаться на тот же объект, что и перед присвоением. Он не ссылался бы на тот же объект, что и правый операнд. Поскольку это поведение вряд ли будет желательно, синтезируемый оператор присвоения копии определяется как удаленный, если у класса есть ссылочный член.

Как будет продемонстрировано в разделах 13.6.2, 15.7.2 и 19.6, есть и другие аспекты, в связи с которыми функции-члены копирования могут быть определены как удаленные.

Как правило, функции-члены управления копированием синтезируются как удаленные, когда невозможно скопировать, присвоить или удалить член класса.

Закрытые функции управления копированием

До появления нового стандарта классы предотвращали копирование, объявляя свой конструктор копий и оператор присвоения копии как закрытые (private):

class PrivateCopy {

 // нет спецификатора доступа; следующие члены являются закрытыми

 // по умолчанию; см. p. 7.2

 // функции управления копированием закрыты, а потому недоступны

 // обычному пользовательскому коду

 PrivateCopy(const PrivateCopy&);

 PrivateCopy &operator=(const PrivateCopy&);

 // другие члены

public:

 PrivateCopy() = default; // использовать синтезируемый стандартный

                          // конструктор

 ~PrivateCopy(); // пользователи могут определять объекты этого типа,

                 // но не копировать их

};

Поскольку деструктор является открытым (public), пользователи смогут определять объекты класса PrivateCopy. Но так как конструктор копий и оператор присвоения копии являются закрытыми (private), пользовательский код не сможет копировать такие объекты. Но дружественные классы и члены класса вполне могут создавать копии. Чтобы предотвратить копирование и друзьями, и членами класса, эти функции-члены объявляют закрытыми и не определяют их.

За одним исключением, рассматриваемым в разделе 15.2.1, вполне допустимо объявлять, но не определять функции-члены (см. раздел 6.1.2). Попытка использования неопределенной функции-члена приведет к отказу во время компоновки. При объявлении (без определения) закрытого конструктора копий можно предотвратить любую попытку скопировать объект класса: пользовательский код, пытающийся сделать копию, будет помечен как ошибочный во время компиляции; попытки копирования в функциях-членах или дружественных классах будут отмечены как ошибка во время редактирования.

Для классов, которые должны предотвратить копирование, следует определить собственный конструктор копий и оператор присвоения копии, используя часть = delete вместо объявления их закрытыми.

Упражнения раздела 13.1.6

Упражнение 13.18. Определите класс Employee, содержащий имя сотрудника и его уникальный идентификатор. Снабдите класс стандартным конструктором и конструктором, получающим строку, представляющую имя сотрудника. Каждый конструктор должен создавать уникальный идентификатор за счет приращения статической переменной-члена.

Упражнение 13.19. Должен ли класс Employee определить собственные версии функций-членов управления копированием? Если да, то почему? Если нет, то тоже почему? Реализуйте все члены управления копированием, в которых, на ваш взгляд, нуждается класс Employee.

Упражнение 13.20. Объясните, что происходит при копировании, присвоении и удалении объектов классов TextQuery и QueryResult из раздела 12.3.

Упражнение 13.21. Должны ли классы TextQuery и QueryResult определять собственные версии функций-членов управления копированием? Если да, то почему? Если нет, то почему? Реализуйте функции управления копированием, необходимые, по-вашему, в этих классах.

 

Обычно классы, управляющие ресурсами, расположенными вне его, должны определять функции-члены управления копированием. Как упоминалось в разделе 13.6, такие классы нуждаются в деструкторах, освобождающих зарезервированные объектом ресурсы. Если класс нуждается в деструкторе, он почти наверняка нуждается также в конструкторе копий и операторе присвоения копии.

Чтобы определить эти функции-члены, сначала следует решить, что будет означать копирование объекта данного типа. Вообще, есть два способа: операцию копирования можно определить так, чтобы класс вел себя, как значение или как указатель.

У классов, которые ведут себя, как значения, есть собственное состояние. При копировании объекта как значения копия и оригинал независимы друг от друга. Внесенные в копию изменения никак не влияют на оригинал, и наоборот.

Классы, действующие как указатели, используют состояние совместно. При копировании объектов таких классов копии и оригиналы используют те же данные. Изменения, внесенные в копии, изменяют также оригинал, и наоборот.

Из использованных ранее библиотечных классов поведением, подобным значениям, обладали классы библиотечных контейнеров и класс string. Ничего удивительного, что класс shared_ptr демонстрирует поведение, подобное указателю, как и класс StrBlob (см. раздел 12.1.1). Типы ввода-вывода и класс unique_ptr не допускают ни копирования, ни присвоения, поэтому их поведение не похоже ни на значение, ни на указатель.

Чтобы проиллюстрировать эти два подхода, определим для используемого в упражнениях класса HasPtr функции-члены управления копированием. Сначала заставим класс действовать, как значение, а затем повторно реализуем его в версии, ведущей себя, как указатель.

У класса HasPtr есть два члена типа int и указатель на тип string. Обычно классы непосредственно копируют переменные-члены встроенного типа (кроме указателей); такие члены являются значениями, а следовательно, ведут себя обычно, как значения. Происходящее при копировании указателя-члена определяет то, должно ли у такого класса, как HasPtr, быть поведение, подобное значению или указателю.

Упражнения раздела 13.2

Упражнение 13.22. Предположим, класс HasPtr должен вести себя, как значение. Таким образом, у каждого его объекта должна быть собственная копия строки, на которую указывает объект. Определения функций-членов управления копированием рассматривается в следующем разделе, но уже сейчас известно все необходимое для их реализации. Напишите конструктор копий класса HasPtr и оператор присвоения копии прежде, чем продолжите чтение.

 

13.2.1. Классы, действующие как значения

Для обеспечения поведения, подобного значению, у каждого объекта должна быть собственная копия ресурса, которым управляет класс. Это значит, что у каждого объекта класса HasPtr должна быть собственная копия строки, на которую указывает указатель ps. Для реализации поведения, подобного значению, классу HasPtr нужно следующее.

• Конструктор копий, который копирует строку, а не только указатель.

• Деструктор, освобождающий строку.

• Оператор присвоения копии, освобождающий строку существующего объекта и копирующий ее значение в строку правого операнда.

Вот подобная значению версия класса HasPtr:

class HasPtr {

public:

 HasPtr(const std::string &s = std::string()):

  ps(new std::string(s)), i(0) { }

 // у каждого объекта класса HasPtr есть собственный экземпляр строки,

 // на которую указывает указатель ps

 HasPtr(const HasPtr &p) :

  ps(new std::string(*p.ps)), i(p.i) { }

 HasPtr& operator=(const HasPtr &);

 ~HasPtr() { delete ps; }

private:

 std::string *ps;

 int i;

};

Класс достаточно прост, все, кроме оператора присвоения, определено в теле класса. Первый конструктор получает (необязательный) аргумент типа string. Он динамически резервирует собственную копию этой строки и сохраняет ее адрес в указателе ps. Конструктор копий также резервирует собственный экземпляр строки. Деструктор освобождает память, зарезервированную ее конструкторами, выполняя оператор delete для указателя-члена ps.

Подобный значению оператор присвоения копии

Обычно операторы присвоения объединяют действия деструктора и конструктора копий. Подобно деструктору, оператор присвоения освобождает ресурсы левого операнда. Подобно конструктору копий, оператор присвоения копирует данные из правого операнда. Однако критически важно, чтобы эти действия осуществлялись в правильной последовательности, даже если объект присваивается сам себе. Кроме того, по возможности следует писать собственные операторы присвоения так, чтобы они оставляли левый операнд в корректном состоянии, иначе произойдет исключение (см. раздел 5.6.2).

В данном случае можно отработать случай присвоения самому себе (и сделать код устойчивым к исключению), осуществляя сначала копирование правого операнда. После копирования освобождается левый операнд и указатель модифицируется так, чтобы он указывал на вновь зарезервированную строку:

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs) {

 auto newp = new string(*rhs.ps); // скопировать строку

 delete ps; // освободить прежнюю память

 ps = newp; // копировать данные из rhs в этот объект

 i = rhs.i;

 return *this; // возвратить этот объект

};

В этом операторе присвоения, безусловно, сначала выполняется работа конструктора: инициализатор newp идентичен инициализатору ps в конструкторе копий класса HasPtr. Затем, как в деструкторе, удаляется строка, на которую в настоящее время указывает указатель ps. Остается только скопировать указатель на недавно созданную строку и значение типа int из rhs в этот объект.

Ключевая концепция. Операторы присвоения

Создавая оператор присвоения, следует учитывать два момента.

• Операторы присвоения должны работать правильно, если объект присваивается сам себе.

• Большинство операторов присвоения делят работу с деструктором и конструктором копий.

Шаблон разработки оператора присвоения подразумевает сначала копирование правого операнда в локальный временный объект. После копирования вполне безопасно удалить существующие члены левого операнда. Как только левый операнд будет освобожден, копировать данные из временного объекта в переменные-члены левого операнда.

Для иллюстрации важности принятия мер против присвоения самому себе рассмотрим, что случилось бы, выгляди оператор присвоения так:

// НЕПРАВИЛЬНЫЙ способ написания оператора присвоения!

HasPtr&

HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs) {

 delete ps; // освобождает строку, на которую указывает этот объект

 // если rhs и *this - тот же объект, произойдет копирование удаленной

 // памяти!

 ps = new string(*(rhs.ps));

 i = rhs.i;

 return *this;

}

Если rhs и этот объект совпадают, удаление ps освободит строку, на которую указывают и *this, и rhs. При попытке копирования *(rhs.ps) в операторе new этот указатель указывает уже на недопустимую область памяти. Результат непредсказуем.

Для операторов присвоения критически важно работать правильно, даже если объект присваивается сам себе. Проще всего обеспечить это, скопировав правый операнд перед удалением левого.

Упражнения раздела 13.2.1

Упражнение 13.23. Сравните функции-члены управления копированием, написанные для решения упражнений предыдущего раздела, с кодом, представленным здесь. Убедитесь, что понимаете различия, если таковые вообще есть, между вашим кодом и приведенным в книге.

Упражнение 13.24. Что будет, если в версии класса HasPtr данного раздела не определен деструктор? Что если не определен конструктор копий?

Упражнение 13.25. Предположим, необходимо определить версию класса StrBlob, действующего как значение. Предположим также, что необходимо продолжить использовать указатель shared_ptr, чтобы класс StrBlobPtr все еще мог использовать указатель weak_ptr для вектора. Переделанный класс будет нуждаться в конструкторе копий и операторе присвоения копии, но не в деструкторе. Объясните, что должны делать конструктор копий и оператор присвоения копий. Объясните, почему класс не нуждается в деструкторе.

Упражнение 13.26. Напишите собственную версию класса StrBlob, описанного в предыдущем упражнении.

 

13.2.2. Определение классов, действующих как указатели

Чтобы класс HasPtr действовал как указатель, конструктор копий и оператор присвоения копии должны копировать указатель-член, а не строку, на которую он указывает. Класс все еще будет нуждаться в собственном деструкторе, чтобы освободить память, зарезервированную получающим строку конструктором (см. раздел 13.6). Тем не менее в данном случае деструктор не может односторонне освободить связанную с ним строку. Это можно сделать только тогда, когда исчезнет последний указатель на строку.

Простейший способ заставить класс действовать как указатель — это использовать указатель shared_ptr для управления ресурсами в классе. При копировании (или присвоении) копируется (или присваивается) указатель shared_ptr. Класс shared_ptr сам отслеживает количество пользователей, совместно использующих объект, на который он указывает. Когда пользователей больше нет, класс shared_ptr освобождает ресурс.

Но иногда управлять ресурсом следует непосредственно. В таких случаях может пригодиться счетчик ссылок (reference count) (см. раздел 12.1.1). Для демонстрации работы счетчика ссылок переопределим класс HasPtr так, чтобы обеспечить поведение, подобное указателю, но с использованием собственного счетчика ссылок.

Счетчики ссылок

Счетчик ссылок работает следующим образом.

• В дополнение к инициализации объекта каждый конструктор (кроме конструктора копий) создает счетчик. Этот счетчик отслеживает количество объектов, совместно использующих создаваемые данные. Сразу после создания объект только один, поэтому счетчик инициализируется значением 1.

• Конструктор копий не создает новый счетчик; он копирует переменные-члены переданного ему объекта, включая счетчик. Конструктор копий увеличивает значение этого совместно используемого счетчика, указывая на наличие еще одного пользователя данных этого объекта.

• Деструктор уменьшает значение счетчика, указывая, что стало на одного пользователя совместно используемых данных меньше. Если значение счетчика достигает нуля, деструктор удаляет данные.

• Оператор присвоения копии увеличивает счетчик правого операнда и уменьшает счетчик левого. Если счетчик левого операнда достигает нуля, значит, пользователей больше нет. В данном случае оператор присвоения копии должен удалить данные левого операнда.

Единственное затруднение — это решить, где разместить счетчик ссылок. Счетчик не может быть членом непосредственно класса объекта HasPtr. Чтобы убедиться почему, рассмотрим происходящее в следующем примере:

HasPtr p1("Hiya!");

HasPtr p2(p1); // p1 и p2 указывают на ту же строку

HasPtr p3(p1); // p1, p2 и p3 указывают на ту же строку

Если счетчик ссылок будет храниться в каждом объекте, то как модифицировать его правильно при создании объекта p3? Можно увеличить счетчик в объекте p1 и скопировать счет в p3, но как модифицировать счетчик в p2?

Один из способов решения этой проблемы в том, чтобы хранить счетчик в динамической памяти. При создании объекта резервируется также и новый счетчик. При копировании или присвоении объекта копируется и указатель на счетчик. Таким образом, и копия, и оригинал укажут на тот же счетчик.

Определение класса счетчика ссылок

Используя счетчик ссылок, можно написать подобную указателю версию класса HasPtr следующим образом:

class HasPtr {

public:

 // конструктор резервирует новую строку и новый счетчик,

 // устанавливаемый в 1

 HasPtr(const std::string &s = std::string()):

  ps(new std::string(s)), i(0), use(new std::size_t(1)) {}

 // конструктор копий копирует все три переменные-члена и увеличивает

 // счетчик

 HasPtr(const HasPtr &p):

  ps(p.ps), i(p.i), use(p.use) { ++*use; }

 HasPtr& operator=(const HasPtr&);

 ~HasPtr();

private:

 std::string *ps;

 int i;

 std::size_t *use; // член, отслеживающий количество объектов,

                   // совместно использующих *ps

};

Здесь была добавлена новая переменная-член use, отслеживающая количество объектов, совместно использующих ту же строку. Получающий строку конструктор резервирует счетчик и инициализирует его значением 1, означающим наличие одного пользователя строкового члена класса этого объекта.

Функции-члены копирования подобного указателю класса используют счетчик ссылок

При копировании или присвоении объектов класса HasPtr необходимо, чтобы копия и оригинал указывали на ту же строку. Таким образом, когда копируется объект класса HasPtr, копируется сам указатель ps, а не строка, на которую он указывает. При копировании увеличивается также счетчик, связанный с этой строкой.

Конструктор копий (определенный в классе) копирует все три члена переданного ему объекта класса HasPtr. Этот конструктор увеличивает также значение указателя-члена use, означая, что у строки, на которую указывают указатели ps и p.ps, появился другой пользователь.

Деструктор не может безоговорочно удалить указатель ps, поскольку могли бы быть и другие объекты, указывающие на ту же область памяти. Вместо этого деструктор осуществляет декремент счетчика ссылок, означая, что строку совместно используют на один объект меньше. Если счетчик достигает нуля, деструктор освобождает память, на которую указывают указатели ps и use:

HasPtr::~HasPtr() {

 if (--*use == 0) { // если счетчик ссылок достиг 0,

  delete ps;        // удалить строку

  delete use;       // и счетчик

 }

}

Оператор присвоения копии, как обычно, выполняет действия, общие для конструктора копий и деструктора. Таким образом, оператор присвоения должен увеличить счетчик правого операнда (действие конструктора копий) и декремент счетчика левого операнда, освобождая по мере необходимости используемую память (действие деструктора).

Кроме того, как обычно, оператор должен учитывать присвоение себя самому. Для этого инкремент счетчика rhs осуществляется прежде декремента счетчика в левом операнде.

Таким образом, если оба операнда являются тем же объектом, значение счетчика будет увеличено прежде проверки необходимости удаления указателей ps и use:

HasPtr& HasPtr::operator=(const HasPtr &rhs) {

 ++*rhs.use; // инкремент счетчика пользователей правого операнда

 if (--*use == 0) { // затем декремент счетчика этого объекта

  delete ps;        // если никаких других пользователей нет

  delete use;       // освободить резервированные члены этого объекта

 }

 ps = rhs.ps;       // копировать данные из rhs в этот объект

 i = rhs.i;

 use = rhs.use;

 return *this;      // возвратить этот объект

}

Упражнения раздела 13.2.2

Упражнение 13.27. Определите собственную версию класса HasPtr со счетчиком ссылок.

Упражнение 13.28. С учетом следующих классов реализуйте стандартный конструктор и необходимые функции-члены управления копированием.

(a) class TreeNode {    (b) class BinStrTree {

    private:                private:

     std::string value;      TreeNode *root;

     int count;             };

     TreeNode *left;

     TreeNode *right;

    };

 

Одной из главных особенностей нового стандарта является способность перемещать объект, а не копировать. Как упоминалось в разделе 13.1.1, копирование осуществляется при многих обстоятельствах. При некоторых из них объект разрушается немедленно после копирования. В этих случаях перемещение объекта вместо копирования способно обеспечить существенное увеличение производительности.

Как было продемонстрировано только что, наш класс StrVec — хороший пример лишнего копирования. Во время пересоздания нет никакой необходимости в копировании элементов из старой памяти в новую, лучше перемещение. Вторая причина предпочесть перемещение копированию — это такие классы как unique_ptr и классы ввода-вывода. У этих классов есть ресурс (такой как указатель или буфер ввода-вывода), который не допускает совместного использования. Следовательно, объекты этих типов не могут быть скопированы, но могут быть перемещены.

В прежних версиях языка не было непосредственного способа перемещения объекта. Копию приходилось делать, даже если в этом не было никакой потребности. Когда объекты велики или когда они требуют резервирования памяти (например, строки), бесполезное копирование может обойтись очень дорого. Точно так же в предыдущих версиях библиотеки классы хранимых в контейнере объектов должны были допускать копирование. По новому стандарту в контейнерах можно хранить объекты типов, которые не допускают копирования, но могут быть перемещены.

Контейнеры библиотечных типов, классы string и shared_ptr поддерживают как перемещение, так и копирование. Классы ввода-вывода и класс unique_ptr допускают перемещение, но не копирование.

 

13.6.1. Ссылки на r-значение

Для обеспечения операции пересылки, новый стандарт вводит новый вид ссылок — ссылки на r-значение. Ссылка на r-значение (r-value reference) — это ссылка, которая должна быть связана с r-значением. Ссылку на r-значение получают с использованием символа &&, а не &. Как будет продемонстрировано далее, у ссылок на r-значение есть важное свойство — они могут быть связаны только с тем объектом, который будет удален. В результате можно "перемещать" ресурсы от ссылки на r-значение в другой объект.

Напомним, что l- и r-значение — свойства выражения (см. раздел 4.1.1). Некоторые выражения возвращают или требуют l-значений; другие возвращают или требуют r-значений. Как правило, выражение l-значения относится к идентификатору объекта, тогда как выражение r-значения — к значению объекта.

Как и любая ссылка, ссылка на r-значение — это только другое имя для объекта. Как известно, нельзя связать обычные ссылки (которые далее будем называть ссылками на l-значение (l-value reference), чтобы отличить их от ссылок на r-значения) с выражениями, требующими преобразования, с литералами и с выражениями, которые возвращают r-значение (см. раздел 2.3.1). У ссылок на r-значение противоположные свойства привязки: можно связать ссылку на r-значение с выражениями, приведенными выше, но нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с l-значением:

int i = 42;

int &r = i;   // ok: r ссылается на i

int &&rr = i; // ошибка: нельзя связать ссылку на r-значение

              // с l-значением

int &r2 = i * 42; // ошибка: i * 42 - это r-значение

const int &r3 = i * 42; // ok: ссылку на константу можно

                        // связать с r-значением

int &&rr2 = i * 42; // ok: связать rr2 с результатом умножения

Функции, возвращающие ссылки на l-значение, наряду с присвоением, индексированием, обращением к значению, а также префиксные операторы инкремента и декремента являются примерами выражений, возвращающих l-значения. Ссылку на l-значение можно также связать с результатом любого из этих выражений.

Все функции, возвращающие не ссылочный тип, наряду с арифметическими, реляционными, побитовыми и постфиксными операторами инкремента и декремента возвращают r-значения. С этими выражениями нельзя связать ссылку на l-значение, но можно связать либо константную ссылку на l-значение, либо ссылку на r-значение.

l-значения — устойчивы; r-значения — эфемерны

Глядя на список выражений l- и r-значений, становится понятно, что l- и r-значения существенно отличаются друг от друга: у l-значений есть постоянное состояние, тогда как r-значения, литералы и временные объекты создаются лишь в ходе вычисления выражений.

Поскольку ссылки на r-значение могут быть связаны только с временным объектом, известно, что:

• упомянутый объект будет удален,

• у этого объекта не может быть других пользователей.

Совместно эти факты означают, что использующий ссылку на r-значение код способен получать ресурсы от объекта, на который ссылается ссылка.

Ссылки на r-значение ссылаются на объекты, которые будут вскоре удалены. Следовательно, можно "захватить" состояние объекта, связанного со ссылкой на r-значение.

Переменные являются l-значениями

Хотя мы редко думаем об этом, переменная — это выражение с одним операндом и без оператора. Подобно любому другому выражению, переменная как выражение имеет свойства l- и r-значения. Переменные как выражения — это l-значения. Удивительно, но как следствие невозможно связать ссылку на r-значение с переменной, определенной как тип ссылки на r-значение:

int &&rr1 = 42;  // ok: литералы - это r-значения

int &&rr2 = rr1; // ошибка: выражение rr1 - это l-значение!

С учетом предыдущего наблюдения, согласно которому r-значения представляют эфемерные объекты, нет ничего удивительного в том, что переменная представляет собой l-значение. В конце концов, переменная сохраняется, пока не выйдет из области видимости.

Переменная — это l-значение; нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с переменной, даже если эта переменная была определена как тип ссылки на r-значение.

#C11.png Библиотечная функция move()

Хотя нельзя непосредственно связать ссылку на r-значение с l-значением, можно явно привести l-значение к соответствующему типу ссылки на r-значение. Вызов новой библиотечной функции move(), определенной в заголовке utility, позволяет также получить ссылку на r-значение, привязанную к l-значению. Для возвращения ссылки на r-значение на данный объект функция move() использует средства, описываемые в разделе 16.2.6:

int &&rr3 = std::move(rr1); // ok

Вызов функции move() указывает компилятору, что имеющееся l-значение следует рассматривать как r-значение. Следует помнить, что приведенный выше вызов функции move() обещает не использовать rr1 ни для чего, кроме присвоения или удаления. После вызова функции move() нельзя сделать никаких предположений о значении уже перемещенного объекта.

Перемещенный объект можно удалить, а можно присвоить ему новое значение, но значение уже перемещенного объекта использовать нельзя.

Как уже упоминалось, для использования большинства имен из библиотеки, включая функцию move() (см. раздел 13.5), не нужно предоставлять объявление using (см. раздел 3.1). Произойдет вызов функции std::move(), а не move(). Причины этого рассматриваются в разделе 18.2.3.

Код, применяющий функцию move(), должен использовать синтаксис std::move(), а не move(). Это позволит избежать возможных конфликтов имен.

Упражнения раздела 13.6.1

Упражнение 13.45. В чем разница между ссылкой на r-значение и ссылкой на l-значение.

Упражнение 13.46. Какой вид ссылки может быть связан со следующими инициализаторами?

int f();

vector vi(100);

int? r1 = f();

int? r2 = vi[0] ;

int? r3 = r1;

int? r4 = vi[0] * f();

Упражнение 13.47. Снабдите конструктором копий и оператором присвоения копии класса String из упражнения 13.44 раздела 13.5, функции которого выводят сообщения при каждом вызове.

Упражнение 13.48. Определите вектор vector и вызовите для него функцию push_back() несколько раз. Запустите программу и посмотрите, как часто копируются строки.

 

13.6.2. Конструктор перемещения и присваивание при перемещении

Подобно классу string (и другим библиотечным классам), наши собственные классы могут извлечь пользу из способности перемещения ресурсов вместо копирования. Чтобы позволить собственным типам операции перемещения, следует определить конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении. Эти члены подобны соответствующим функциям копирования, но они захватывают ресурсы заданного объекта, а не копируют их.

Как и у конструктора копий, у конструктора перемещения есть начальный параметр, являющийся ссылкой на тип класса. В отличие от конструктора копии, ссылочный параметр конструктора перемещения является ссылкой на r-значение. Подобно конструктору копий, у всех дополнительных параметров должны быть аргументы по умолчанию.

Кроме перемещения ресурсов, конструктор перемещения должен гарантировать такое состояние перемещенного объекта, при котором его удаление будет безопасно. В частности, сразу после перемещения ресурса оригинальный объект больше не должен указывать на перемещенный ресурс, ответственность за него принимает вновь созданный объект. 

В качестве примера определим конструктор перемещения для класса StrVec, чтобы перемещать, а не копировать элементы из одного объекта класса StrVec в другой:

StrVec::StrVec(StrVec &&s) noexcept // перемещение не будет передавать

                                    // исключений

 // инициализаторы членов получают ресурсы из s

 : elements(s.elements), first_free(s.first_free), cap(s.cap) {

 // оставить s в состоянии, при котором запуск деструктора безопасен

 s.elements = s.first_free = s.cap = nullptr;

}

Оператор noexcept (уведомляющий о том, что конструктор не передает исключений) описан ниже, а пока рассмотрим, что делает этот конструктор.

В отличие от конструктора копий, конструктор перемещения не резервирует новую память; он получает ее от заданного объекта класса StrVec. Получив область памяти от своего аргумента, тело конструктора присваивает указателям заданного объекта значение nullptr. После перемещения оригинальный объект продолжает существовать. В конечном счете оригинальный объект будет удален, а значит, будет выполнен его деструктор. Деструктор класса StrVec вызывает функцию deallocate() для указателя first_free. Если забыть изменить указатель s.first_free, то удаление оригинального объекта освободит область памяти, которая была только что передана.

#magnify.png Операции перемещения, библиотечные контейнеры и исключения

Поскольку операция перемещения выполняется при "захвате" ресурсов, она обычно не резервирует ресурсы. В результате операции перемещения обычно не передают исключений. Когда создается функция перемещения, неспособная передавать исключения, об этом факте следует сообщить библиотеке. Как будет описано вскоре, если библиотека не знает, что конструктор перемещения не будет передавать исключений, она предпримет дополнительные меры по отработке возможности передачи исключения при перемещении объекта этого класса.

Один из способов сообщить об этом библиотеке — определить оператор noexcept в конструкторе. Введенный новым стандартом оператор noexcept подробно рассматривается в разделе 18.1.4, а пока достаточно знать, что он позволяет уведомить, что функция не будет передавать исключений. Оператор noexcept указывают после списка параметров функции. В конструкторе его располагают между списком параметров и символом :, начинающим список инициализации конструктора:

class StrVec {

public:

 StrVec(StrVec&&) noexcept; // конструктор перемещения

                            // другие члены, как прежде

};

StrVec::StrVec(StrVec &&s) noexcept : /* инициализаторы членов */

{ /* тело конструктора */ }

Оператор noexcept следует объявить и в заголовке класса, и в определении, если оно расположено вне класса.

Конструкторы перемещения и операторы присваивания при перемещении, которые не могут передавать исключения, должны быть отмечены как noexcept.

Понимание того, почему необходим оператор noexcept, может помочь углубить понимание того, как библиотека взаимодействует с объектами написанных вами типов. В основе требования указывать, что функция перемещения не будет передавать исключения, лежат два взаимосвязанных факта: во- первых, хотя функции перемещения обычно не передают исключений, им это разрешено. Во-вторых, библиотечные контейнеры предоставляют гарантии относительно того, что они будут делать в случае исключения. Например, класс vector гарантирует, что, если исключение произойдет при вызове функции push_back(), сам вектор останется неизменным.

Теперь рассмотрим происходящее в функции push_back(). Подобно соответствующей функции класса StrVec (см. раздел 13.5), функция push_back() класса vector могла бы потребовать пересоздания вектора. При пересоздании вектор перемещает элементы из прежней своей области памяти в новую, как в функции reallocate() (см. раздел 13.5).

Как только что упоминалось, перемещение объекта обычно изменяет состояние оригинального объекта. Если пересоздание использует конструктор перемещения и этот конструктор передает исключение после перемещения некоторых, но не всех элементов, возникает проблема. Перемещенные элементов в прежнем пространстве были бы изменены, а незаполненные элементы в новом пространстве еще не будут созданы. В данном случае класс vector не удовлетворял бы требованию оставаться неизменным при исключении.

С другой стороны, если класс vector использует конструктор копий, то при исключении он может легко удовлетворить это требование. В данном случае, пока элементы создаются в новой памяти, прежние элементы остаются неизменными. Если происходит исключение, вектор может освободить зарезервированное пространство (оно могло бы и не быть успешно зарезервировано) и прекратить операцию. Элементы оригинального вектора все еще существуют.

Во избежание этой проблемы класс vector должен использовать во время пересоздания конструктор копий вместо конструктора перемещения, если только не известно, что конструктор перемещения типа элемента не может передать исключение. Если необходимо, чтобы объекты типа были перемещены, а не скопированы при таких обстоятельствах, как пересоздание вектора, то следует явно указать библиотеке, что использовать конструктор перемещения безопасно. Для этого конструктор перемещения (и оператора присваивания при перемещении) следует отметить как noexcept.

Оператор присваивания при перемещении

Оператор присваивания при перемещении делает то же, что и деструктор с конструктором перемещения. Подобно конструктору перемещения, если оператор присваивания при перемещении не будет передавать исключений, то его следует объявить как noexcept. Подобно оператору присвоения копии, оператор присваивания при перемещении должен принять меры против присвоения себя себе:

StrVec &StrVec::operator=(StrVec &&rhs) noexcept {

 // прямая проверка на присвоение себя себе

 if (this != &rhs) {

  free(); // освободить существующие элементы

  elements = rhs.elements; // получить ресурсы от rhs

  first_free = rhs.first_free;

  cap = rhs.cap;

  // оставить rhs в удаляемом состоянии

  rhs.elements = rhs.first_free = rhs.cap = nullptr;

 }

 return *this;

}

В данном случае осуществляется прямая проверка совпадения адресов в указателях rhs и this. Если это так, то правый и левый операнды относятся к тому же объекту, и делать ничего не надо. В противном случае следует освободить память, которую использовал левый операнд, а затем принять память от заданного объекта. Как и в конструкторе перемещения, указателю rhs присваивается значение nullptr.

Может показаться удивительным, что мы потрудились проверить присвоение себя самому. В конце концов, присваивание при перемещении требует для правого операнда r-значения. Проверка осуществляется потому, что то r-значение могло быть результатом вызова функции move(). Подобно любому другому оператору присвоения, крайне важно не освобождать ресурсы левого операнда прежде, чем использовать (возможно, те же) ресурсы правого операнда.

#magnify.png Исходный объект перемещения должен быть в удаляемом состоянии

Перемещение объекта не удаляет его оригинал: иногда после завершения операции перемещения оригинальный объект следует удалить. Поэтому, создавая функцию перемещения, следует гарантировать, что после перемещения оригинальный объект будет находиться в состоянии, допускающем запуск деструктора. Функция перемещения класса StrVec выполняет это требование и присваивает указателям-членам оригинального объекта значение nullptr.

Кроме гарантии безопасного удаления оригинального объекта, функции перемещения должны оставлять объект в допустимом состоянии. Обычно допустимым считается тот объект, которому может быть безопасно присвоено новое значение или который может быть использован другими способами, не зависящими от его текущего значения. С другой стороны, у функций перемещения нет никаких требований относительно значения, которое остается в оригинальном объекте. Таким образом, программы никогда не должны зависеть от значения оригинального объекта после перемещения.

Например, при перемещении объекта библиотечного класса string или контейнера известно, что оригинальный объект перемещения остается допустимым. В результате для оригинальных объектов перемещения можно выполнять такие функции, как empty() или size(). Однако предсказать результат их выполнения затруднительно. Логично было бы ожидать, что оригинальный объект перемещения будет пуст, но это не гарантируется.

Функции перемещения класса StrVec оставляют оригинальный объект перемещения в том же состоянии, в котором он находился бы после инициализации по умолчанию. Поэтому все функции класса StrVec продолжат выполняться с его объектом точно так же, как с любым другим инициализированным по умолчанию объектом класса StrVec. Другие классы, с более сложной внутренней структурой, могут вести себя по-другому.

После операции перемещения "оригинальный объект" должен остаться корректным, допускающим удаление объектом, но для пользователей его значение непредсказуемо.

Синтезируемые функции перемещения

Подобно конструктору копий и оператору присвоения копии, компилятор способен сам синтезировать конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении. Однако условия, при которых он синтезирует функции перемещения, весьма отличаются от тех, при которых он синтезирует функции копирования.

Помните, что если не объявить собственный конструктор копий или оператор присвоения копии, компилятор всегда синтезирует их сам (см. раздел 13.1.1 и раздел 13.1.2). Функции копирования определяются или как функции почленного копирования либо присвоения объекта, или как удаленные функции.

В отличие от функций копирования, для некоторых классов компилятор не синтезирует функции перемещения вообще. В частности, если класс определяет собственный конструктор копий, оператор присвоения копии или деструктор, конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении не синтезируются. В результате у некоторых классов нет конструктора перемещения или оператора присваивания при перемещении. Как будет продемонстрировано вскоре, когда у класса нет функции перемещения, вместо него в результате обычного подбора функции будет использована соответствующая функция копирования.

Компилятор синтезирует конструктор перемещения или оператор присваивания при перемещении, только если класс не определяет ни одной из собственных функций-членов управления копированием и если каждая нестатическая переменная-член класса может быть перемещена. Компилятор может перемещать члены встроенного типа, а также члены типа класса, если у него есть соответствующая функция-член перемещения:

// компилятор синтезирует функции перемещения для X и hasX

struct X {

 int i; // встроенные типы могут быть перемещены

 std::string s; // string определяет собственные функции перемещения

};

struct hasX {

 X mem; // для X синтезированы функции перемещения

};

X x, х2 = std::move(x); // использует синтезируемый конструктор

                        // перемещения

hasX hx, hx2 = std::move(hx); // использует синтезируемый конструктор

                              // перемещения

Компилятор синтезирует конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении, только если класс не определяет ни одной из собственных функций-членов управления копированием и только если все переменные-члены могут быть созданы перемещением и присвоены при перемещении соответственно.

• В отличие от функций копирования, функции перемещения никогда не определяются неявно как удаленные. Но если явно запросить компилятор создать функцию перемещения, применив = default (см. раздел 7.1.4), но компилятор окажется неспособен переместить все члены, то функция перемещения будет определена как удаленная. Важное исключение из правила, согласно которому синтезируемая функция перемещения определяется как удаленная, подобно таковому для функций копирования (см. раздел 13.1.6).

• В отличие от конструктора копий, конструктор перемещения определяется как удаленный, если у класса есть член, определяющий собственный конструктор копий, но не определяющий конструктор перемещения, или если у класса есть член, который не определяет собственные функции копирования и для которого компилятор неспособен синтезировать конструктор перемещения. То же относится к присваиванию при перемещении.

• Конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении определяются как удаленные, если у класса есть член, собственный конструктор перемещения которого или оператор присваивания при перемещении которого удален или недоступен.

• Как и конструктор копий, конструктор перемещения определяется как удаленный, если деструктор удален или недоступен.

• Как и оператор присвоения копии, оператор присваивания при перемещении определяется как удаленный, если у класса есть константный или ссылочный член.

Предположим, например, что в классе Y определен собственный конструктор копий, но не определен собственный конструктор перемещения:

// класс Y определяет собственный конструктор копий, но не конструктор

// перемещения

struct hasY {

 hasY() = default;

 hasY(hasY&&) = default;

 Y mem; // hasY будет иметь удаленный конструктор перемещения

};

hasY hy, hy2 = std::move(hy); // ошибка: конструктор перемещения удален

Компилятор может скопировать объекты типа Y, но не может переместить их. Класс hasY явно запросил конструктор перемещения, который компилятор не способен создать. Следовательно, класс hasY получит удаленный конструктор перемещения. Если бы у класса hasY отсутствовало объявление конструктора перемещения, то компилятор не синтезировал бы конструктор перемещения вообще. Функции перемещения не синтезируются, если в противном случае они были определены как удаленные.

И последнее взаимоотношение между функциями перемещения и синтезируемыми функциями-членами управления копированием: тот факт, определяет ли класс собственные функции перемещения, влияет на то, как синтезируются функции копирования. Если класс определит любой конструктор перемещения и (или) оператор присваивания при перемещении, то синтезируемый конструктор копий и оператор присвоения копии для этого класса будут определены как удаленные.

Классы, определяющие конструктор перемещения или оператор присваивания при перемещении, должны также определять собственные функции копирования. В противном случае эти функции-члены по умолчанию удаляются.

R-значения перемещаются, а l-значения копируются…

Когда у класса есть и конструктор перемещения и конструктор копий, компилятор использует обычный подбор функции, чтобы выяснить, какой из конструкторов использовать (см. раздел 6.4). С присвоением точно так же. Например, в классе StrVec версия копирования получает ссылку на const StrVec. В результате она применима к любому типу, допускающему приведение к классу StrVec. Версия перемещения получает StrVec&& и применима только к аргументам r-значениям (неконстантным):

StrVec v1, v2;

v1 = v2;                  // v2 - l-значение; присвоение копии

StrVec getVec(istream &); // getVec возвращает r-значение

v2 = getVec(cin);         // getVec(cin) - r-значение;

                          // присвоение перемещения

В первом случае оператору присвоения передается объект v2. Его типом является StrVec, а выражение v2 является l-значением. Версия присвоения при перемещении не является подходящей (см. раздел 6.6), поскольку нельзя неявно связать ссылку на r-значение с l-значением. Следовательно, в этом случае используется оператор присвоения копии.

Во втором случае присваивается результат вызова функции getVec(), — это r-значение. Теперь подходящими являются оба оператора присвоения — результат вызова функции getVec() можно связать с любым параметром оператора. Вызов оператора присвоения копии требует преобразования в константу, в то время как StrVec&& обеспечивает точное соответствие. Следовательно, второе присвоение использует оператор присваивания при перемещении.

…но r-значения копируются, если нет конструктора перемещения

Что если класс имеет конструктор копий, но не определяет конструктор перемещения? В данном случае компилятор не будет синтезировать конструктор перемещения. Это значит, что у класса есть конструктор копий, но нет конструктора перемещения. Если у класса нет конструктора перемещения, подбор функции гарантирует, что объекты этого типа будут копироваться, даже при попытке перемещения их вызовом функции move():

class Foo {

public:

 Foo() = default;

 Foo(const Foo&); // конструктор копий

 // другие члены, но Foo не определяет конструктор перемещения

};

Foo x;

Foo y(x);            // конструктор копий; x - это l-значение

Foo z(std::move(x)); // конструктор копий, поскольку конструктора

                     // перемещения нет

Вызов функции move(x) при инициализации объекта z возвращает указатель Foo&&, привязанный к объекту x. Конструктор копий для класса Foo является подходящим, поскольку вполне допустимо преобразовать Foo&& в const Foo&. Таким образом, инициализация объекта z использует конструктор копий класса Foo.

Следует заметить, что использование конструктора копий вместо конструктора перемещения почти безусловно безопасно (то же справедливо и для оператора присвоения). Обычно конструктор копий отвечает требованиям соответствующего конструктора перемещения: он копирует заданный объект и оставляет оригинальный объект в допустимом состоянии. Конструктор копий, напротив, не будет изменять значение оригинального объекта.

Если у класса будет пригодный конструктор копий и не будет конструктора перемещения, то объекты будут перемещены конструктором копий. То же справедливо для оператора присвоения копии и присвоения при перемещении.

Операторы присвоения копии и обмена и перемещение

Версия класса HasPtr, определявшая оператор присвоения копии и обмена (copy-and-swap assignment operator) (см. раздел 13.3), — хорошая иллюстрация взаимодействия механизма подбора функции и функций перемещения. Если в этот класс добавить конструктор перемещения, то фактически будет получен также оператор присваивания при перемещении:

class HasPtr {

public:

 // добавлен конструктор перемещения

 HasPtr(HasPtr &&p) noexcept : ps(p.ps), i(p.i) {p.ps = 0;}

 // оператор присвоения - и оператор перемещения, и присвоения копии

 HasPtr& operator=(HasPtr rhs)

  { swap(*this, rhs); return *this; }

 // другие члены как в p. 13.2.1

};

В этой версии класса добавлен конструктор перемещения, получающий значения из своего аргумента. Тело конструктора обнуляет указатель-член данного объекта класса HasPtr, чтобы гарантировать безопасное удаление оригинального объекта перемещения. Эта функция не делает ничего, она не может передать исключение, поэтому отметим ее как noexcept (см. раздел 13.6.2).

Теперь рассмотрим оператор присвоения. У него есть не ссылочный параметр, а значит, этот параметр инициализируется копией (см. раздел 13.1.1). В зависимости от типа аргумента инициализация копией использует либо конструктор копий, либо конструктор перемещения; l-значения копируются, а r-значения перемещаются. В результате этот оператор однократного присвоения действует и как присвоение копии, и как присваивание при перемещении.

Предположим, например, что объекты hp и hp2 являются объектами класса HasPtr:

hp = hp2; // hp2 - l-значение; для копирования hp2 используется

          // конструктор копий

hp = std::move(hp2); // hp2 перемещает конструктор перемещения

В первом случае присвоения правый операнд — l-значение, поэтому конструктор перемещения не подходит. Для инициализации rhs будет использоваться конструктор копий. Он будет резервировать новую строку и копировать ту строку, на которую указывает hp2.

Во втором случае присвоения вызывается функция std::move() для связывания ссылки на r-значение с объектом hp2. В данном случае подходят и конструктор копий, и конструктор перемещения. Но поскольку аргумент — это ссылка на r-значение, точное соответствие обеспечит конструктор перемещения. Конструктор перемещения копирует указатель из объекта hp2 и не резервирует память.

Независимо от того, использовался ли конструктор копии или перемещения, тело оператора присвоения обменивает содержимое двух своих операндов. Обмен объектов класса HasPtr приводит к обмену указателями-членами и переменными-членами (типа int) этих двух объектов. После вызова функции swap() правый операнд будет содержать указатель на строку, который ранее принадлежал левому. При выходе rhs из области видимости эта строка будет удалена.

Совет. Обновленное правило трех

Все пять функций-членов управления копированием можно считать единым блоком: если класс определяет любую из этих функций, он должен обычно определять их все. Как уже упоминалось, для правильной работы некоторые классы должны определять конструктор копий, оператор присвоения копии и деструктор (см. раздел 13.6). Как правило, у таких классов есть ресурс, который должны копировать функции-члены копирования. Обычно копирование ресурса влечет за собой некоторые дополнительные затраты. Классы, определяющие конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении, могут избежать этих затрат в тех обстоятельствах, где копия не обязательна.

Функции перемещения для класса Message

Классы, определяющие собственный конструктор копий и оператор присвоения копии, обычно определяют и функции перемещения. Например, наши классы Message и Folder (см. раздел 13.4), должны определять функции перемещения. При определении функций перемещения класс Message может использовать функции перемещения классов string и set, чтобы избежать дополнительных затрат при копировании членов contents и folders.

Но в дополнение к перемещению члена folders следует также обновить каждый объект класса Folder, указывавший на оригинал объекта класса Message. Следует также удалить указатели на прежний объект класса Message и добавить указатели на новый.

И конструктор перемещения, и оператор присваивания при перемещении должны обновлять указатели Folder, поэтому начнем с определения функций для выполнения этих действий:

// переместить указатели Folder из m в данное Message

void Message::move_Folders(Message *m) {

 folders = std::move(m->folders); // использует присвоение перемещения

                                  // класса set

 for (auto f : folders) { // для каждого Folder

  f->remMsg(m);    // удалить старый Message из Folder

  f->addMsg(this); // добавить этот Message в этот Folder

 }

 m->folders.clear(); // гарантировать безопасное удаление m

}

Функция начинает работу с перемещения набора folders. При вызове функции move() используется оператор присвоения при перемещении класса set, а не его оператор присвоения копии. Если пропустить вызов функции move(), код все равно будет работать, но осуществляя ненужное копирование. Затем функция перебирает папки, удаляя указатель на оригинал сообщения и добавляя указатель на новое сообщение.

Следует заметить, что вставка элемента в набор может привести к передаче исключения, поскольку добавление элемента на контейнер требует резервирования памяти, вполне может быть передано исключение bad_alloc (см. раздел 12.1.2). Таким образом, в отличие от функций перемещения классов HasPtr и StrVec, конструктор перемещения и операторы присваивания при перемещении класса Message могли бы передать исключения, поэтому не будем отмечать их как noexcept (см. раздел 13.6.2).

Функция заканчивается вызовом функции clear() объекта m.folders. Известно, что после перемещения объект m.folders вполне допустим, но его содержимое непредсказуемо. Поскольку деструктор класса Message перебирает набор folders, необходимо убедиться, что набор пуст.

Конструктор перемещения класса Message вызывает функцию move(), чтобы переместить содержимое и инициализировать по умолчанию свой член folders:

Message::Message(Message &&m): contents(std::move(m.contents)) {

 move_Folders(&m); // переместить folders и обновить указатели Folder

}

В теле конструктора происходит вызов функции move_Folders(), чтобы удалить указатели на m и вставить указатели на данное сообщение.

Оператор присваивания при перемещении непосредственно проверяет случай присвоения себя себе:

Messages Message::operator=(Message &&rhs) {

 if (this != &rhs) { // прямая проверка присвоения себя себе

  remove_from_Folders();

  contents = std::move(rhs.contents); // присвоение при перемещении

  move_Folders(&rhs); // сбросить папки, чтобы указывать на это

                      // сообщение

 }

 return *this;

}

Подобно любым операторам присвоения, оператор присваивания при перемещении должен удалить прежние данные левого операнда. В данном случае удаление левого операнда требует удаления указателей на это сообщение из существующих папок, что и делает вызов функции remove_from_Folders(). После удаления из папок происходит вызов функции move(), чтобы переместить contents из объекта rhs в this. Остается только вызвать функцию move_Folders(), чтобы модифицировать указатели Folder.

Итераторы перемещения

Функция reallocate() класса StrVec (см. раздел 13.5) использовала вызов функции construct() в цикле for для копирования элементов из прежней памяти в новую. Альтернативой циклу был бы просто вызов функции uninitialized_copy() для создания нового пространства в памяти. Однако функция uninitialized_copy() делает именно то, о чем говорит ее имя: она копирует элементы. Нет никакой аналогичной библиотечной функции для перемещения объектов в пустую память.

Вместо нее новая библиотека определяет адаптер итератора перемещения (move iterator) (см. раздел 10.4). Итератор перемещения адаптирует переданный ему итератор, изменяя поведение его оператора обращения к значению. Обычно оператор обращения к значению итератора возвращает ссылку на l-значение элемента. В отличие от других итераторов, оператор обращения к значению итератора перемещения возвращает ссылку на r-значение.

Обычный итератор преобразуется в итератор перемещения при вызове библиотечной функции make_move_iterator(), которая получает итератор и возвращает итератор перемещения.

Все остальные функции первоначального итератора работают, как обычно. Поскольку эти итераторы поддерживают обычные функции итераторов, пару итераторов перемещения вполне можно передать алгоритму. В частности, итераторы перемещения можно передать алгоритму uninitialized_copy():

void StrVec::reallocate() {

 // зарезервировать вдвое больше пространства, чем для текущего

 // количества элементов

 auto newcapacity = size() ? 2 * size() : 1;

 auto first = alloc.allocate(newcapacity);

 // переместить элементы

 auto last = uninitialized_copy(make_move_iterator(begin()),

                                make_move_iterator(end()),

                                first);

 free();           // освободить прежнее пространство

 elements = first; // обновить указатели

 first_free = last;

 cap = elements + newcapacity;

}

Алгоритм uninitialized_copy() вызывает функцию construct() для каждого элемента исходной последовательности, чтобы скопировать элемент по назначению. Для выбора элемента из исходной последовательности данный алгоритм использует оператор обращения к значению итератора. Поскольку был передан итератор перемещения, оператор обращения к значению возвращает ссылку на r-значение. Это означает, что функция construct() будет использовать для создания элементов конструктор перемещения.

Следует заметить, что стандартная библиотека не дает гарантий применимости всех алгоритмов с итераторами перемещения. Так как перемещение объекта способно удалить оригинал, итераторы перемещения следует передать алгоритмам, только тогда, когда вы уверены, что алгоритм не будет обращаться к элементам после того, как он присвоил этот элемент или передал его пользовательской функции.

Совет. Не слишком спешите с перемещением

Поскольку состояние оригинального объекта перемещения неопределенно, вызов для него функции std::move() — опасная операция. Когда происходит вызов функции move() , следует быть абсолютно уверенным в том, что у оригинального объекта перемещения не может быть никаких других пользователей.

Взвешенно использованная в коде класса, функция move() способна обеспечить существенный выигрыш в производительности. Небрежное ее использование в обычном пользовательском коде (в отличие от кода реализации класса), вероятней всего, приведет к загадочным и трудно обнаруживаемым ошибкам, а не к повышению производительности приложения.

За пределами кода реализации класса, такого как конструкторы перемещения или операторы присваивания при перемещении, используйте функцию std::move() только при абсолютной уверенности в необходимости перемещения и в том, что перемещение гарантированно будет безопасным.

Упражнения раздела 13.6.2

Упражнение 13.49. Добавьте конструктор перемещения и оператор присваивания при перемещении в классы StrVec, String и Message.

Упражнение 13.50. Снабдите функции перемещения класса String операторами вывода и снова запустите программу из упражнения 13.48 раздела 13.6.1, в котором использовался вектор vector, и посмотрите, когда теперь удается избежать копирования.

Упражнение 13.51. Хотя указатель unique_ptr не может быть скопирован, в разделе 12.1.5 была написана функция clone(), которая возвратила указатель unique_ptr по значению. Объясните, почему эта функция допустима и как она работает.

Упражнение 13.52. Объясните подробно, что происходит при присвоении объектов класса HasPtr. В частности, опишите шаг за шагом, что происходит со значениями hp, hp2 и параметром rhs в операторе присвоения класса HasPtr.

Упражнение 13.53. С точки зрения низкоуровневой эффективности оператор присвоения класса HasPtr не идеален. Объясните почему. Реализуйте для класса HasPtr оператор присвоения копии и присваивания при перемещении и сравните действия, выполняемые в новом операторе присваивания при перемещении, с версией копии и обмена.

Упражнение 13.54. Что бы случилось, если бы мы определи оператор присваивания при перемещении для класса HasPtr, но не изменили оператор копии и обмена? Напишите код для проверки вашего ответа.

 

13.6.3. Ссылки на r-значение и функции-члены

Все функции-члены, кроме конструкторов и операторов присвоения, могут извлечь пользу из предоставления версии копирования и перемещения. Такие функции-члены с поддержкой перемещения обычно используют ту же схему параметров, что и конструктор копий/перемещения и операторы присвоения, — одна версия получает ссылку на константное l-значение, а вторая — ссылку на не константное r-значение.

Например, библиотечные контейнеры, определяющие функцию push_back(), предоставляют две версии: параметр одной является ссылкой на r-значение, а другой — ссылкой на константное l-значение. С учетом того, что X является типом элемента, эти функции контейнера определяются так:

void push_back(const X&); // копирование: привязка к любому X

void push_back(X&&);      // перемещение: привязка только к изменяемым

                          // r-значениям типа X

Первой версии функции push_back() можно передать любой объект, который может быть приведен к типу X. Эта версия копирует данные своего параметра. Второй версии можно передать только r-значение, которое не является константой. Эта версия точнее и лучшее соответствует неконстантным r-значениям и будет выполнена при передаче поддающегося изменению r-значения (см. раздел 13.6.2). Эта версия способна захватить ресурсы своего параметра.

Обычно нет никакой необходимости определять версии функций получающих const X&& или просто X&. Обычно ссылку на r-значение передают при необходимости "захватить" аргумент. Для этого аргумент не должен быть константой. Точно так же копирование объекта не должно изменять скопированный объект. В результате обычно нет никакой необходимости определять версию, получающую простой параметр X&.

У перегруженных функций, различающих перемещение и копирование параметра, обычно есть одна версия, получающая параметр типа const Т&, и вторая, получающая параметр типа T&&.

В качестве более конкретного примера придадим классу StrVec вторую версию функции push_back():

class StrVec {

public:

 void push_back(const std::string&); // копирует элемент

 void push_back(std::string&&);      // перемещает элемент

 // другие члены как прежде

};

// неизменно с оригинальной версии в разделе 13.5

void StrVec::push_back(const string& s) {

 chk_n_alloc(); // удостовериться в наличии места для другого элемента

 // создать копию s в элементе, на который указывает first_free

 alloc.construct(first_free++, s);

}

void StrVec::push_back(string &&s) {

 chk_n_alloc(); // пересоздает StrVec при необходимости

 alloc.construct(first_free++, std::move(s));

}

Эти функции-члены почти идентичны. Различие в том, что версия ссылки на r-значение функции push_back() вызывает функцию move(), чтобы передать этот параметр функции construct(). Как уже упоминалось, функция construct() использует тип своего второго и последующих аргументов для определения используемого конструктора. Поскольку функция move() возвращает ссылку на r-значение, аргумент функции construct() будет иметь тип string&&. Поэтому для создания нового последнего элемента будет использован конструктор перемещения класса string.

Когда вызывается функция push_back(), тип аргумента определяет, копируется ли новый элемент в контейнер или перемещается:

StrVec vec; // пустой StrVec

string s = "some string or another";

vec.push_back(s);      // вызов push_back(const string&)

vec.push_back("done"); // вызов push_back(string&&)

Эти вызовы различаются тем, является ли аргумент l-значением (s) или r-значением (временная строка, созданная из слова "done"). Вызовы распознаются соответственно.

Ссылки на l-значения, r-значения и функции-члены

Обычно функцию-член объекта можно вызвать независимо от того, является ли этот объект l- или r-значением. Например:

string s1 = "a value", s2 = "another";

auto n = (s1 + s2).find('a');

Здесь происходит вызов функции-члена find() (см. раздел 9.5.3) для r-значения класса string, полученного при конкатенации двух строк. Иногда такой способ применения может удивить:

s1 + s2 = "wow!";

Здесь r-значению присваивается результат конкатенации двух строк.

До нового стандарта не было никакого способа предотвратить подобное применение. Для обеспечения совместимости с прежней версией библиотечные классы продолжают поддерживать присвоение r-значению; в собственных классах такое может понадобиться предотвратить. В таком случае левый операнд (т.е. объект, на который указывает указатель this) обязан быть l-значением.

Свойство l- или r-значения указателя this задают таким же образом, как и константность функции-члена (см. раздел 7.1.2): помещая квалификатор ссылки (reference qualifier) после списка параметров:

class Foo {

public:

 Foo &operator=(const Foo&) &; // возможно присвоение только

                               // изменяемым l-значениям

 // другие члены класса Foo

};

Foo &Foo::operator=(const Foo &rhs) & {

 // сделать все необходимое для присвоения rhs этому объекту

 return *this;

}

Квалификаторы ссылки & или && означают, что указатель this может указывать на r- или l-значение соответственно. Подобно спецификатору const, квалификатор ссылки может быть применен только к (нестатической) функции-члену и должен присутствовать как в объявлении, так и в определении функции.

Функцию, квалифицированную символом &, можно применить только к l-значению, а функцию, квалифицированную символом &&,— только к r-значению:

Foo &retFoo(); // возвращает ссылку;

               //  вызов retFoo() является l-значением

Foo retVal();  // возвращает значение; вызов retVal() - r-значение

Foo i, j;      // i и j - это l-значения

i = j;         // ok: i - это l-значение

retFoo() = j;  // ok: retFoo() возвращает l-значение

retVal() = j;  // ошибка: retVal() возвращает r-значение

i = retVal();  // ok: вполне можно передать r-значение как правый

               // операнд присвоения

Функция может быть квалифицирована и ссылкой, и константой. В таких случаях квалификатор ссылки должен следовать за спецификатором const:

class Foo {

public:

 Foo someMem() & const;    // ошибка: первым должен быть

                           //  спецификатор const

 Foo anotherMem() const &; // ok: спецификатор const расположен первым

};

Перегрузка и ссылочные функции

Подобно тому, как можно перегрузить функцию-член на основании константности параметра (см. раздел 7.3.2), ее можно перегрузить на основании квалификатора ссылки. Кроме того, функцию можно перегрузить на основании квалификатора ссылки и константности. В качестве примера придадим классу Foo член типа vector и функцию sorted(), возвращающую копию объекта класса Foo, в котором сортируется вектор:

class Foo {

public:

 Foo sorted() &&;      // применимо к изменяемым r-значениям

 Foo sorted() const &; // применимо к любому объекту класса Foo

 // другие члены класса Foo

private:

 vector data;

};

// этот объект - r-значение, поэтому его можно сортировать на месте

Foo Foo::sorted() && {

 sort(data.begin(), data.end());

 return *this;

}

// этот объект либо константа, либо l-значение;

//  так или иначе, его нельзя сортировать на месте

Foo Foo::sorted() const & {

 Foo ret(*this);                         // создает копию

 sort(ret.data.begin(), ret.data.end()); // сортирует копию

 return ret;                             // возвращает копию

}

При выполнении функции sorted() для r-значения вполне безопасно сортировать вектор-член data непосредственно. Объект является r-значением, а это означает, что у него нет никаких других пользователей, поэтому данный объект можно изменить непосредственно. При выполнении функции sorted() для константного r- или l-значения изменить этот объект нельзя, поэтому перед сортировкой вектор-член data необходимо скопировать.

Поиск перегруженной функции использует свойство l-значение/r-значение объекта, вызвавшего функцию sorted() для определения используемой версии:

retVal().sorted(); // retVal() - это r-value, вызов Foo::sorted() &&

retFoo().sorted(); // retFoo() - это l-value,

                   //  вызов Foo::sorted() const &

При определении константных функций-членов можно определить две версии, отличающиеся только тем, что одна имеет квалификатор const, а другая нет. Для ссылочной квалификации функций ничего подобного по умолчанию нет. При определении двух или более функций-членов с тем же именем и тем же списком параметров следует предоставить квалификатор ссылки для всех или ни для одной из этих функций:

class Foo {

public:

 Foo sorted() &&;

 Foo sorted() const; // ошибка: должен быть квалификатор ссылки

 // Comp - псевдоним для типа функции (см. p. 6.7)

 // он применим для сравнения целочисленных значений

 using Comp = bool(const int&, const int&);

 Foo sorted(Comp*);       // ok: другой список параметров

 Foo sorted(Comp*) const; // ok: ни одна из версий не квалифицирована

                          // как ссылка

};

Здесь объявление константной версии функции sorted() без параметров является ошибкой. Есть вторая версия функции sorted() без параметров, и у нее есть квалификатор ссылки, поэтому у константной версии этой функции также должен быть квалификатор ссылки. С другой стороны, те версии функции sorted(), которые получают указатель на функцию сравнения, прекрасно работают, поскольку ни у одной из функций нет спецификатора.

Если у функции-члена есть квалификатор ссылки, то у всех версий этой функции-члена с тем же списком параметров должны быть квалификаторы ссылки.

Упражнения раздела 13.6.3

Упражнение 13.55. Добавьте в класс StrBlob функцию push_back() в версии ссылки на r-значение.

Упражнение 13.56. Что бы было при таком определении функции sorted():

Foo Foo::sorted() const & {

 Foo ret(*this);

 return ret.sorted();

}

Упражнение 13.57. Что если бы функция sorted() была определена так:

Foo Foo::sorted() const & {

 return Foo(*this).sorted();

}

Упражнение 13.58. Напишите версию класса Foo с операторами вывода в функциях sorted(), чтобы проверить свои ответы на два предыдущих упражнения.

 

Как уже упоминалось, библиотека IO использует операторы >> и << для ввода и вывода соответственно. Сама библиотека IO определяет версии этих операторов для ввода и вывода данных встроенных типов. Классы, нуждающиеся во вводе и выводе, обычно определяют версии этих операторов для объектов данного класса.

 

14.2.1. Перегрузка оператора вывода

<<

Обычно первый параметр оператора вывода является ссылкой на неконстантный объект класса ostream. Объект класса ostream неконстантен потому, что запись в поток изменяет его состояние. Параметр является ссылкой потому, что нельзя копировать объект класса ostream.

Второй параметр обычно должен быть ссылкой на константу типа класса, объект которого необходимо вывести. Параметр должен быть ссылкой во избежание копирования аргумента. Но он может быть константной ссылкой потому, что вывод объекта обычно не изменяет его.

Для совместимости с другими операторами вывода оператор operator<< обычно возвращает свой параметр типа ostream.

Оператор вывода класса Sales_data

Для примера напишем оператор вывода для класса Sales_data:

ostream &operator<<(ostream &os, const Sales_data &item) {

 os << item.isbn() << " " << item.units_sold << " "

    << item.revenue << " " << item.avg_price();

 return os;

}

За исключением имени эта функция идентична прежней версии функции print() (см. раздел 7.1.3). Вывод объекта класса Sales_data требует вывода значений всех его трех переменных-членов, а также вычисления средней цены (average price). Каждый элемент отделяется пробелом. После вывода значений оператор возвращает ссылку на использованный для этого объект класса ostream.

Операторы вывода обеспечивают минимум форматирования

Операторы вывода встроенных типов форматирования практически не обеспечивают. В частности, они не выводят символ новой строки. Пользователи ожидают, что операторы вывода класса будут вести себя так же. Если бы оператор выводил новую строку, то пользователь не смог бы вывести содержимое объекта с описывающим его текстом в одной строке. Оператор вывода, обеспечивающий минимум форматирования, позволяет контролировать подробности вывода пользователям.

Обычно операторы вывода должны выводить содержимое объекта с минимальным форматированием. Они не должны выводить новую строку. 

Операторы ввода-вывода не должны быть функциями-членами класса

Операторы ввода и вывода, соответствующие соглашениям библиотеки iostream, должны быть обычными функциям, а не членами класса. Эти операторы не могут быть членами нашего класса. Если бы это было так, то левый операнд должен был быть объектом типа нашего класса:

Sales_data data;

data << cout; // если бы оператор operator<<

              //  был членом класса Sales_data

Если бы эти операторы были членами некоего класса, то они должны были бы быть членами класса istream или ostream. Но эти классы являются частью стандартной библиотеки, а добавлять члены в библиотечные классы нельзя.

Таким образом, если необходимо определить операторы ввода-вывода для собственного типа, их следует определить как функции, не являющиеся членами класса. Конечно, операторы ввода-вывода обычно должны читать или выводить данные не открытых переменных-членов. Как следствие, операторы ввода-вывода обычно объявляют дружественными (см. раздел 7.2.1).

Упражнения раздела 14.2.1

Упражнение 14.6. Определите оператор вывода для класса Sales_data.

Упражнение 14.7. Определите оператор вывода для класса String, написанного для упражнений раздела 13.5.

Упражнение 14.8. Определите оператор вывода для класса, который был выбран в упражнении 7.40 раздела 7.5.1.

 

14.2.2. Перегрузка оператора ввода

>>

Обычно первый параметр оператора ввода является ссылкой на поток, из которого осуществляется чтение, а второй параметр — ссылкой на некий неконстантный объект, в который предстоит прочитать данные. Обычно оператор возвращает ссылку на свой поток. Второй параметр не должен быть константным потому, что задачей оператора ввода и является собственно запись данных в этот объект.

Оператор ввода класса Sales_data

В качестве примера напишем оператор ввода для класса Sales_data:

istream &operator>>(istream &is, Sales_data &item) {

 double price; // инициализировать не нужно; читать в price

               // прежде, чем использовать

 is >> item.bookNo >> item.units_sold >> price;

 if (is) // проверить успех ввода данных

  item.revenue = item.units_sold * price;

 else

  item = Sales_data(); // ввод неудачен: вернуть объект в

                       // стандартное состояние

 return is;

}

За исключением оператора if это определение подобно прежней функции read() (см. раздел 7.1.3). Оператор if проверяет, было ли чтение успешно. Если произойдет ошибка ввода-вывода, он вернет объект Sales_data в состояние пустого объекта. Это гарантирует корректность состояния объекта.

Операторы ввода должны учитывать возможность неудачи ввода, а операторы вывода об этом могут не заботиться.

Ошибки во время ввода

В операторе ввода возможны следующие ошибки.

• Операция чтения может потерпеть неудачу из-за наличия в потоке данных неподходящего типа. Например, после чтения переменной-члена bookNo оператор ввода подразумевает, что следующие два элемента будут числовыми данными. Если во вводе окажутся не числовые данные, поток будет недопустим и все последующее попытки чтения из него потерпят неудачу.

• Во время любой из операций чтения может встретиться конец файла или произойти другая ошибка потока ввода.

Чтобы не проверять каждую часть прочитанных данных, можно проверить состояние потока в целом и только потом использовать прочитанные данные

if (is) // проверить успех ввода данных

 item.revenue = item.units_sold * price;

else

 item = Sales_data(); // ввод неудачен: вернуть объект в

                      // стандартное состояние

При сбое любой из операций чтения значение переменной-члена price останется неопределенным. Следовательно, перед ее использованием следует проверить, допустим ли еще поток ввода. Если это так, осуществляется вычисление значения переменной revenue. В случае ошибки ничего страшного не произойдет, поскольку будет возвращен пустой объект класса Sales_data. Для этого объекту item присваивается новый объект класса Sales_data, созданный при помощи стандартного конструктора. После этого присвоения переменная-член bookNo объекта item будет содержать пустую строку, а его переменные члены revenue и units_sold — нулевое значение.

Возвращение объекта в допустимое состояние особенно важно, если объект мог быть частично изменен прежде, чем произошла ошибка. Например, в данном операторе ввода ошибка могла бы произойти уже после успешного чтения в переменную-член bookNo. В результате значения переменных-членов units_sold и revenue останутся неизменными. Таким образом, новое значение bookNo будет связано с данными прежнего объекта.

Оставляя объект в допустимом состоянии, можно в некоторой степени защитить пользователя, который игнорирует возможность ошибки ввода. Объект будет находиться в пригодном для использования состоянии — все его члены окажутся определены. Кроме того, объект не будет вводить в заблуждение — его данные останутся единообразными.

Проектируя оператор ввода, очень важно решить, что делать в случае ошибки и как вновь сделать объект доступным.

Оповещение об ошибке

Некоторые операторы ввода нуждаются в дополнительной проверке данных. Например, оператор ввода мог бы проверить соответствие формату данных, читаемых в переменную bookNo. В таких случаях оператору ввода возможно понадобится установить флаг состояния потока так, чтобы он означал отказ (см. раздел 8.1.2), хотя с технической точки зрения чтение было успешно. Обычно оператор ввода устанавливает только флаг failbit. Флаг eofbit подразумевал бы конец файла, а бит badbit — нарушение потока. Установку этих флагов лучше оставить библиотеке IO.

Упражнения раздела 14.2.2

Упражнение 14.9. Определите оператор ввода для класса Sales_data.

Упражнение 14.10. Опишите поведение оператора ввода класса Sales_data при следующем вводе:

(а) 0-201-99999-9 10 24.95 (b) 10 24.95 0-210-99999-9

Упражнение 14.11. Что не так со следующим оператором ввода класса Sales_data? Что будет при передаче этому оператору данных предыдущего упражнения?

istream& operator>>(istream& in, Sales_data& s) {

 double price;

 in >> s.bookNo >> s.units_sold >> price;

 s.revenue = s.units_sold * price;

 return in;

}

Упражнение 14.12. Определите оператор ввода для класса, использованного в упражнении 7.40 раздела 7.5.1. Обеспечьте обработку оператором ошибок ввода.

 

Как правило, арифметические операторы и операторы отношения определяют как функции не члены класса, чтобы обеспечить преобразования и для левого, и для правого операнда (см. раздел 7.1.5). Эти операторы не должны изменять состояние любого из операндов, поэтому их параметры обычно являются ссылками на константу.

Обычно арифметический оператор создает новое значение, являющееся результатом вычисления двух своих операндов. Это значение отлично от каждого из операндов и вычисляется в локальной переменной. Оператор возвращает как результат копию этого локального значения. Классы, определяющие арифметический оператор, определяют также соответствующий составной оператор присвоения. Когда у класса есть два оператора, как правило, эффективней определять арифметический оператор для составного присвоения:

// подразумевается, что оба объекта относятся к той же книге

Sales_data

operator+(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs) {

 Sales_data sum = lhs; // копирование переменных-членов из lhs в sum

 sum += rhs;           // добавить rhs к sum

 return sum;

}

Это определение очень похоже на оригинальную функцию add() (см. раздел 7.1.3). Значение lhs копируется в локальную переменную sum. Затем оператор составного присвоения класса Sales_data (определенный в разделе 14.4) добавляет значение rhs к sum. Функция завершает работу, возвращая копию значения переменной sum.

Классы, в которых определен арифметический оператор и соответствующий ему составной оператор, обычно реализуют арифметический оператор при помощи составного.

Упражнения раздела 14.3

Упражнение 14.13. Какие еще арифметические операторы (см. табл. 4.1), если таковые вообще есть, должны, по-вашему, поддержать класс Sales_data? Определите эти операторы.

Упражнение 14.14. Почему оператор operator+ эффективней определять как вызывающий оператор operator+=, а не наоборот?

Упражнение 14.15. Должен ли класс, выбранный в упражнении 7.40 раздела 7.5.1, определять какие-либо арифметические операторы? Если да, то реализуйте их. В противном случае объясните, почему нет.

 

14.3.1. Операторы равенства

Классы языка С++ используют оператор равенства для проверки эквивалентности объектов. Он сравнивает каждую переменную-член обоих объектов и признает их равными, если все значения одинаковы. В соответствии с этой концепцией оператор равенства класса Sales_data должен сравнить переменные bookNo двух объектов, а также значения их остальных переменных.

bool operator==(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs) {

 return lhs.isbn() == rhs.isbn() &&

  lhs.units_sold == rhs.units_sold &&

  lhs.revenue == rhs.revenue;

}

bool operator!=(const Sales_data &lhs, const Sales_data &rhs) {

 return !(lhs == rhs);

}

Определение этих функций тривиально. Однако важнее всего принципы, которые здесь используются.

• Если в классе определен оператор, позволяющий выяснить равенство двух объектов данного класса, его функция должна иметь имя operator==. Не стоит изобретать для нее другое имя, поскольку пользователи ожидают, что для сравнения объектов можно использовать именно оператор ==. Кроме того, это гораздо проще, чем каждый раз запоминать новые имена.

• Если в классе определен оператор ==, то два объекта могут содержать одинаковые данные.

• Обычно оператор равенства должен быть транзитивным, т.е. если оба выражения, а == b и b == с, являются истинными, то а == с тоже должно быть истиной.

• Если в классе определен оператор operator==, следует также определить и оператор operator!=. Пользователи вполне резонно будут полагать, что если применимо равенство, то применимо и неравенство.

• Определяя операторы равенства и неравенства, почти всегда имеет смысл использовать один из них для создания другого. Один оператор должен фактически сравнивать объекты, а второй — использовать его в своих целях.

Классы, в которых определен оператор operator==, гораздо проще использовать со стандартной библиотекой. Если оператор == определен в классе, то такие алгоритмы к нему можно применять без всякой дополнительной подготовки.

Упражнения раздела 14.3.1

Упражнение 14.16. Определите операторы равенства и неравенства для классов StrBlob (см. раздел 12.1.1), StrBlobPtr (см. раздел 12.1.6), StrVec (см. раздел 13.5) и String (см. раздел 13.5).

Упражнение 14.17. Должен ли класс, выбранный в упражнении 7.40 раздела 7.5.1, определять операторы равенства? Если да, то реализуйте их. В противном случае объясните, почему нет.

 

14.3.2. Операторы отношения

Классы, для которых определен оператор равенства, зачастую (но не всегда) обладают операторами отношения. В частности, это связано с тем, что ассоциативные контейнеры и некоторые из алгоритмов используют оператор меньше (operator<).

Обычно операторы отношения должны определять следующее.

1. Порядок отношений, совместимый с требованиями для ключей ассоциативных контейнеров (см. раздел 11.2.2);

2. Отношение, совместимое с равенством, если у класса есть оба оператора. В частности, если два объекта не равны, то один объект должен быть меньше другого.

Вполне резонно предположить, что класс Sales_data должен поддерживать операторы отношения, хотя это и не обязательно. Причины не столь очевидны, поэтому рассмотрим их подробнее.

Можно подумать, что оператор < будет определен так же, как функция compareIsbn() (см. раздел 11.2.2). Эта функция сравнивала объекты класса Sales_data за счет сравнения их ISBN. Хотя функция compareIsbn() обеспечивает порядок отношений, что соответствует первому требованию, она возвращает результат, противоречащий определению равенства. В результате она не удовлетворяет второму требованию.

Оператор == класса Sales_data считает две транзакции с одинаковым ISBN неравными, если у них отличаются значения переменных-членов revenue или units_sold. Если бы оператор < был определен как сравнивающий только значения ISBN, то два объекта с одинаковым ISBN, но разными units_sold или revenue считались бы неравными, но ни один из объектов не был бы меньше другого. Как правило, если имеются два объекта, ни один из которых не меньше другого, то вполне логично ожидать, что эти объекты равны.

Создается впечатление, что имеет смысл определить оператор operator< для сравнения каждой переменной-члена по очереди. Его можно было бы определить так, чтобы при равных isbn объекты сравнивались по переменной-члену units_sold, а затем revenue.

Однако никаких оснований для упорядочивания здесь нет. В зависимости от того, как планируется использовать класс, определить порядок можно сначала на основании переменных revenue и units_sold. Можно было бы установить, что объекты с меньшим значением переменной units_sold были "меньше", чем таковые с большим. Либо можно было бы установить, что объекты с меньшим значением переменной-члена revenue "меньше", чем таковые с большим значением.

Для класса Sales_data нет единого логического определения значения "меньше". Таким образом, для этого класса лучше вообще не определять оператор operator<.

Если есть однозначное логическое определение значения "меньше", то классы обычно должны определять оператор operator<. Но если у класса есть также оператор operator==, то определяйте оператор operator<, только если определения смысла понятий "меньше" и "равно" не противоречат друг другу.

Упражнения раздела 14.3.2

Упражнение 14.18. Определите операторы отношения для классов StrBlob, StrBlobPtr, StrVec и String.

Упражнение 14.19. Определяет ли класс, выбранный в упражнении 7.40 раздел 7.5.1, операторы отношения? Если да, то реализуйте их. В противном случае объясните, почему нет.

 

Классы, перегружающие оператор вызова, позволяют использовать объекты этого типа как функции. Поскольку объекты таких классов способны хранить состояние, они могут оказаться существенно гибче обычных функций.

В качестве простого примера рассмотрим структуру absInt, обладающую оператором вызова, возвращающим абсолютное значение своего аргумента:

struct absInt {

 int operator()(int val) const {

  return val < 0 ? -val : val;

 }

};

Этот класс определяет одну функцию: оператор вызова функции. Этот оператор получает аргумент типа int и возвращает абсолютное значение аргумента.

Оператор вызова используется применительно к списку аргументов объекта класса absInt способом, который выглядит как вызов функции:

int i = -42;

absInt absObj;      // объект класса с оператором вызова функции

int ui = absObj(i); // передача i в absObj.operator()

Хотя absObj — это объект, а не функция, его вполне можно вызвать. При вызове объект выполняет свой перегруженный оператор вызова. В данном случае этот оператор получает значение типа int и возвращает его абсолютное значение.

Оператор вызова функции должен быть функцией-членом. Класс может определить несколько версий оператора вызова, каждая из которых должна отличаться количеством или типом параметров.

Объект класса, определяющего оператор вызова, называется объектом функции (function object). Такие объекты действуют как функции, поскольку их можно вызвать.

Классы объектов функций с состоянием

У класса объекта функции, как у любого другого класса, могут быть и другие члены, кроме оператора operator(). Классы объекта функции зачастую содержат переменные-члены, используемые для настройки действий в операторе вызова.

В качестве примера определим класс, выводящий строковый аргумент. По умолчанию класс будет писать в поток cout и выводить пробел после каждой строки. Позволим также пользователям класса предоставлять другой поток для записи и другой разделитель. Этот класс можно определить следующим образом:

class PrintString {

public:

 PrintString(ostream &o = cout, char c = ' '):

  os(o), sep(c) { }

 void operator()(const string &s) const { os << s << sep; }

private:

 ostream &os; // поток для записи

 char sep;    // символ завершения после каждого вывода

};

У класса есть конструктор, получающий ссылку на поток вывода, и символ, используемый как разделитель. Как аргументы по умолчанию (см. раздел 6.5.1) для этих параметров используется поток cout и пробел. Тело оператора вызова функции использует эти члены при выводе данной строки.

При определении объектов класса PrintString можно использовать аргументы по умолчанию или предоставлять собственные значения для разделителя или потока вывода:

PrintString printer; // использует аргументы по умолчанию; вывод в cout

printer(s);          // выводит s и пробел в cout

PrintString errors(cerr, '\n');

errors(s);           // выводит s и новую строку в cerr

Объекты функции обычно используют как аргументы для обобщенных алгоритмов. Например, для вывода содержимого контейнера можно использовать класс PrintString и библиотечный алгоритм for_each() (см. раздел 10.3.2):

for_each(vs.begin(), vs.end(), PrintString(cerr, '\n'));

Третий аргумент алгоритма for_each() является временным объектом типа PrintString, инициализируемый потоком cerr и символом новой строки. Вызов функции for_each() выводит каждый элемент vs в поток cerr, разделяя их новой строкой.

Упражнения раздела 14.8

Упражнение 14.33. Сколько операндов может иметь перегруженный оператор вызова функции?

Упражнение 14.34. Определите класс объекта функции для выполнения действий условного оператора: оператор вызова этого класса должен получать три параметра. Он должен проверить свой первый параметр и, если эта проверка успешна, возвратить свой второй параметр; в противном случае он должен возвратить свой третий параметр.

Упражнение 14.35. Напишите класс, подобный классу PrintString, который читает строку из потока istream и возвращает строку, представляющую прочитанное. При неудаче чтения следует возвратить пустую строку.

Упражнение 14.36. Используя класс из предыдущего упражнения, организуйте чтение со стандартного устройства ввода, сохраняя каждую строку в векторе как элемент.

Упражнение 14.37. Напишите класс, проверяющий равенство двух значений. Используйте этот объект и библиотечные алгоритмы для написания кода замены всех экземпляров заданного значения в последовательности.

 

14.8.1. Лямбда-выражения — объекты функции

В предыдущем разделе объект PrintString использовался как аргумент в вызове функции for_each(). Это похоже на программу, написанную в разделе 10.3.2, где использовалось лямбда-выражение. Написанное лямбда-выражение компилятор преобразовывает в безымянный объект безымянного класса (см. раздел 10.3.3). Классы, созданные из лямбда-выражения, содержат перегруженный оператор вызова функции. Рассмотрим, например, лямбда-выражение, передававшееся как последний аргумент функции stable_sort():

// сортировать слова по размеру, поддерживая алфавитный порядок среди

// слов того же размера

stable_sort(words.begin(), words.end(),

            [](const string &a, const string &b)

             { return a.size() < b.size();});

Это действует как безымянный объект класса, который выглядел бы примерно так:

class ShorterString {

public:

 bool operator()(const string &s1, const string &s2) const

  { return s1.size() < s2.size(); }

};

У этого класса есть один член, являющийся оператором вызова функции, получающим две строки и сравнивающий их длины. Список параметров и тело функции те же, что и у лямбда-выражения. Как уже упоминалось в разделе 10.3.3, по умолчанию лямбда-выражения не могут изменять свои захваченные переменные. В результате по умолчанию оператор вызова функции в классе, созданном из лямбда-выражения, является константной функцией-членом. Если лямбда-выражение объявляется как mutable, то оператор вызова не будет константным.

Вызов функции stable_sort() можно переписать так, чтобы использовать этот класс вместо лямбда-выражения:

stable_sort(words.begin(), words.end(), ShorterString());

Третий аргумент — недавно созданный составной объект класса ShorterString. Код в функции stable_sort() будет вызывать этот объект каждый раз, когда он сравнивает две строки. При вызове объекта будет выполнено тело его оператора вызова, возвращающего значение true, если размер первой строки будет меньше, чем второй.

Классы, представляющие лямбда-выражения с захваченными переменными

Как уже упоминалось, при захвате лямбда-выражением переменной по ссылке разработчик должен сам гарантировать существование переменной, на которую ссылается ссылка, во время выполнения лямбда-выражения (см. раздел 10.3.3). Поэтому компилятору разрешено использовать ссылку непосредственно, не сохраняя ее как переменную-член в созданном классе.

Переменные, которые захватываются по значению, напротив, копируются в лямбда-выражение (см. раздел 10.3.3). В результате классы, созданные из лямбда-выражений, переменные которых захватываются по значению, имеют переменные-члены, соответствующие каждой такой переменной. У этих классов есть также конструктор для инициализации этих переменных-членов значениями захваченных переменных. В примере раздела 10.3.2 лямбда-выражение использовалось для поиска первой строки, длина которой была больше или равна заданному значению:

// получить итератор на первый элемент, размер которого >= sz

auto wc = find_if(words.begin(), words.end(),

                  [sz](const string &a)

Созданный класс выглядел бы примерно так:

class SizeComp {

 SizeComp(size_t n) : sz(n) {} // параметр для каждой захваченной

                               // переменной

 // оператор вызова с тем же типом возвращаемого значения, параметрами

 // и телом, как у лямбда-выражения

 bool operator()(const string &s) const

  { return s.size() >= sz; }

private:

 size_t sz; // переменная-член для каждой переменной, захваченной

            // по значению

};

В отличие от класса ShorterString, у этого класса есть переменная-член и конструктор для ее инициализации. У этого синтезируемого класса нет стандартного конструктора; чтобы использовать этот класс, следует передать аргумент:

// получить итератор на первый элемент, размер которого >= sz

auto wc = find_if(words.begin(), words.end(), SizeComp(sz));

У классов, созданных из лямбда-выражения, есть удаленный стандартный конструктор, удаленные операторы присвоения и стандартный деструктор. Будет ли у класса стандартный или удаленный конструктор копий/перемещения, зависит обычно от способа и типа захватываемых переменных-членов (см. раздел 13.1.6 и раздел 13.6.2).

Упражнения раздела 14.8.1

Упражнение 14.38. Напишите класс, проверяющий соответствие длины заданной строки указанному значению. Используйте такой объект в программе для оповещения о количестве слов во входном файле, имеющих размеры от 1 до 10 включительно.

Упражнение 14.39. Перепишите предыдущую программу так, чтобы сообщать количество слов размером от 1 до 9 и 10 или более.

Упражнение 14.40. Перепишите функцию biggies() из раздела 10.3.2 так, чтобы использовать объект функции вместо лямбда-выражения.

Упражнение 14.41. Как по-вашему, существенно ли добавление лямбда-выражений по новому стандарту? Объясните, когда имеет смысл использовать лямбда-выражение, а когда класс вместо него.

 

14.8.2. Библиотечные объекты функций

Стандартная библиотека определяет набор классов, представляющих арифметические, реляционные и логические операторы. Каждый класс определяет оператор вызова, который применяет одноименный оператор. Например, у класса plus есть оператор вызова функции, который применяет оператор + к паре операндов; класс modulus определяет оператор вызова, применяющий бинарный оператор %; класс equal_to применяет оператор ==; и т.д.

Эти классы являются шаблонами, которым передается один тип. Он определяет тип параметра оператора вызова. Например, класс plus применяет строковый оператор суммы к объектам класса string; у класса plus типом операндов будет int; класс plus применяет оператор + к объектам класса Sales_data; и т.д.:

plus intAdd;      // объект функции, способный сложить

                       // два значения типа int

negate intNegate; // объект функции, способный изменить знак

                       // значения типа int

// использование оператора intAdd::operator(int, int) для

// сложения чисел 10 и 20

int sum = intAdd(10, 20);        // эквивалент sum = 30

sum = intNegate(intAdd(10, 20)); // эквивалент sum = 30

// использование оператора intNegate::operator(int) для создания

// числа -10 как второго параметра выражения intAdd::operator(int, int)

sum = intAdd(10, intNegate(10)); // sum = 0

Эти типы, перечислены в табл. 4.2, определены в заголовке functional.

Таблица 14.2. Библиотечные объекты функций

Применение библиотечного объекта функции с алгоритмами

Классы объектов функций, представляющие операторы, зачастую используются для переопределения заданного по умолчанию оператора, используемого алгоритмом. Как уже упоминалось, по умолчанию алгоритмы сортировки используют оператор operator< для сортировки последовательности в порядке возрастания. Для сортировки в порядке убывания можно передать объект типа greater. Этот класс создает оператор вызова, который вызывает оператор "больше" основного типа элемента. Предположим, например, что svec — это вектор типа vector:

// передает временный объект функции, который применяет

// оператор > к двум строкам

sort(svec.begin(), svec.end(), greater());

Это сортирует вектор в порядке убывания. Третий аргумент — безымянный объект типа greater. Когда функция sort() сравнит элементы, вместо оператора < типа элемента она применит переданный объект функции greater. Этот объект применит оператор > к элементам типа string.

Одним из важнейших аспектов этих библиотечных объектов функций является то, что библиотека гарантирует их работоспособность с указателями. Помните, что результат сравнения двух несвязанных указателей непредсказуем (см. раздел 3.5.3). Но может понадобиться сортировать вектор указателей на основании их адреса в памяти. Хотя сделать это самостоятельно непросто, вполне можно применить один из библиотечных объектов функции:

vector nameTable; // вектор указателей

// ошибка: указатели в nameTable не связаны, результат < непредсказуем

sort(nameTable.begin(), nameTable.end(),

     [](string *a, string *b) { return a < b; });

// ok: библиотека гарантирует, что less для типов указателя определен

sort(nameTable.begin(), nameTable.end(), less());

Стоит также обратить внимание на то, что ассоциативные контейнеры используют для упорядочивания своих элементов объект типа less. В результате можно определить набор (set) указателей или использовать указатель как ключ в карте (map) без необходимости определять тип less самостоятельно.

Упражнения раздела 14.8.2

Упражнение 14.42. Используя библиотечные объекты и адаптеры функций, определите объекты для:

(a) Подсчета количеств значений больше 1024

(b) Поиска первой строки, не равной pooh

(c) Умножения всех значений на 2

Упражнение 14.43. Используя библиотечные объекты функций, определите, делимо ли переданное значение типа int на некий элемент в контейнере целых чисел.

 

14.8.3. Вызываемые объекты и тип

function

В языке С++ есть несколько видов вызываемых объектов: функции и указатели на функции, лямбда-выражения (см. раздел 10.3.2), объекты, созданные функцией bind() (см. раздел 10.3.4), и классы с перегруженным оператором вызова функции.

Подобно любому другому объекту, у вызываемого объекта есть тип. Например, у каждого лямбда-выражения есть собственный уникальный (безымянный) тип класса. Типы функций и указателей на функции зависят от типа возвращаемого значения, типа аргумента и т.д.

Однако два вызываемых объекта с разными типами могут иметь ту же сигнатуру вызова (call signature). Сигнатура вызова определяет тип возвращаемого значения вызываемого объекта и тип (типы) аргумента, которые следует передать при вызове. Сигнатура вызова соответствует типу функции. Например:

int(int, int)

Функция этого типа получает два числа типа int и возвращает значение типа int.

Разные типы могут иметь одинаковую сигнатуру вызова

Иногда необходимо использовать несколько вызываемых объектов с одинаковой сигнатурой вызова, как будто это тот же тип. Рассмотрим, например, следующие разные типы вызываемых объектов:

// обычная функция

int add(int i, int j) { return i + j; }

// лямбда-выражение, создающее безымянный класс объекта функции

auto mod = [](int i, int j) { return i % j; };

// класс объекта функции

struct div {

 int operator()(int denominator, int divisor) {

  return denominator / divisor;

 }

};

Каждый из этих вызываемых объектов применяет арифметическую операцию к своим параметрам. Даже при том, что у каждого из них разный тип, сигнатура вызова у них одинакова:

int(int, int)

Эти вызываемые объекты можно использовать для написания простого калькулятора. Для этого следует определить таблицу функций (function table), хранящую "указатели" на вызываемые объекты. Когда программе понадобится выполнить некую операцию, она просмотрит таблицу и найдет соответствующую функцию.

В языке С++ таблицы функций довольно просто реализовать при помощи карт (map). В данном случае как ключ используем строку, соответствующую символу оператора; значение будет функцией, реализующей этот оператор. При необходимости выполнить заданный оператор индексируется карта и осуществляется вызов возвращенного элемента. Если бы все эти функции были автономными и необходимо было использовать только парные операторы для типа int, то карту можно было бы определить так:

// сопоставляет оператор с указателем на функцию, получающую два целых

// числа и возвращающую целое число

map binops;

Указатель add можно поместить в карту binops следующим образом:

// ok: add - указатель на функцию соответствующего типа

binops.insert({"+", add}); // {"+", add} - пара раздел 11.2.3

Но сохранить в карте binops объекты mod или div не получится:

binops.insert({"%", mod}); // ошибка: mod - не указатель на функцию

Проблема в том, что mod — это лямбда-выражение, и у каждого лямбда-выражения есть собственный тип класса. Этот тип не соответствует типу значений, хранимых в карте binops.

Библиотечный тип function

Эту проблему можно решить при помощи нового библиотечного типа function, определенного в заголовке functional; возможные операции с типом function приведены в табл. 14.3.

Таблица 14.3. Операции с типом function

Тип function — это шаблон. Подобно другим шаблонам, при создании его экземпляра следует указать дополнительную информацию. В данном случае этой информацией является сигнатура вызова объекта, который сможет представлять данный конкретный тип function. Как и у других шаблонов, этот тип определяют в угловых скобках:

function

Здесь был объявлен тип function, способный представлять вызываемые объекты, возвращающие целочисленный результат и имеющие два параметра типа int. Этот тип можно использовать для представления любого из типов приложения калькулятора:

function f1 = add;   // указатель на функцию

function f2 = div(); // объект класса объекта функции

function f3 = [](int i, int j) // лямбда-выражение

                              { return i * j; };

cout << f1(4,2) << endl; // выводит 6

cout << f2(4,2) << endl; // выводит 2

cout << f3(4,2) << endl; // выводит 8

Теперь карту можно переопределить, используя тип function:

// таблица вызываемых объектов,

//  соответствующих всем бинарным операторам

// все вызываемые объекты должны получать по два int и возвращать int

// элемент может быть указателем на функцию, объектом функции или

// лямбда-выражением

map> binops;

В эту карту можно добавить каждый из вызываемых объектов приложения, будь то указатель на функцию, лямбда-выражение или объект функции:

map> binops = {

 {"+", add},               // указатель на функцию

 {"-", std::minus()}, // объект библиотечной функции

 {"/", div()},             // пользовательский объект функции

 {"*", [](int i, int j) { return i * j; }}, // безымянное

                                            // лямбда-выражение

 {"%", mod} };             // именованный объект лямбда-выражения

В карте пять элементов. Хотя все лежащие в основе вызываемые объекты имеют различные типы, каждый из них можно хранить в общем типе function.

Как обычно, при индексировании карты возвращается ссылка на ассоциированное значение. При индексировании карты binops возвращается ссылка на объект типа function. Тип function перегружает оператор вызова. Этот оператор вызова получает собственные аргументы и передает их хранимому вызываемому объекту:

binops["+"](10, 5); // вызов add(10, 5)

binops["-"](10, 5); // использует оператор; вызов объекта minus

binops["/"](10, 5); // использует оператор; вызов объекта div

binops["*"](10, 5); // вызов объекта лямбда-функции

binops["%"](10, 5); // вызов объекта лямбда-функции

Здесь происходит вызов каждой из операций, хранимых в карте binops. В первом вызове возвращаемый элемент является указателем на функцию, указывающим на функцию add(). Вызов binops["+"](10, 5) использует этот указатель для вызова функции add с передачей ей значений 10 и 5. Следующий вызов, binops["-"], возвращает объект класса function, хранящий объект типа std::minus. Затем можно вызвать оператор этого объекта и других.

Перегруженные функции и тип function

Нельзя непосредственно хранить имя перегруженной функции в объекте типа function:

int add(int i, int j) { return i + j; }

Sales_data add(const Sales_data&, const Sales_data&);

map> binops;

binops.insert({"+", add}); // ошибка: какой именно add?

Один из способов разрешения двусмысленности подразумевает хранение указателя на функцию (см. раздел 6.7) вместо имени функции:

int (*fp)(int, int) = add; // указатель на версию add,

                           //  получающую два int

binops.insert({"+", fp});  // ok: fp указывает на правую версию add

В качестве альтернативы для устранения неоднозначности можно использовать лямбда-выражение:

// ok: использование лямбда-выражения

//  для устранения неоднозначности при

// выборе используемой версии add

binops.insert({"+", [](int a, int b) {return add(a, b);} });

Вызов в теле лямбда-выражения передает два целых числа. Этому вызову может соответствовать только та версия функции add(), которая получает два целых числа, а следовательно, эта функция и применяется при выполнении лямбда-выражения.

Класс function в новой библиотеке никак не связан с классами unary_function и binary_function, которые были частью прежних версий библиотеки. Эти классы были заменены более общей функцией bind() (см. раздел 10.3.4).

Упражнения раздела 14.8.3

Упражнение 14.44. Напишите собственную версию простого калькулятора, способного выполнять бинарные операции.

 

В разделе 7.5.4 упоминалось, что неявный конструктор, который может быть вызван с одним аргументом, определяет неявное преобразование. Такие конструкторы преобразовывают объект типа аргумента в тип класса. Можно также определить преобразование из типа класса. Для этого нужно определить оператор преобразования. Конструкторы преобразования и операторы преобразования определяют преобразования типа класса (class-type conversion). Такие преобразования называются также пользовательскими преобразованиями (user-defined conversion).

 

14.9.1. Операторы преобразования

Оператор преобразования (conversion operator) — это специальный вид функции-члена класса. Общий синтаксис функции преобразования имеет следующий вид:

operator тип () const;

где тип — это имя типа. Операторы преобразования могут быть определены для любого типа (кроме void), который может быть типом возвращаемого значения функции (см. раздел 6.1). Преобразование в тип массива или функции недопустимо. Однако преобразование в тип указателя на данные или функцию, а также ссылочные типы вполне возможны.

У операторов преобразования нет явно заданного типа возвращаемого значения и нет параметров, их следует определять как функции-члены. Операции преобразования обычно не должны изменять преобразуемый объект. В результате операторы преобразования обычно определяют как константные члены.

Функция преобразования должна быть функцией-членом, у нее не определен тип возвращаемого значения и пустой список параметров. Функция обычно должна быть константой.

Определение класса с оператором преобразования

Для примера определим небольшой класс, представляющий целое число в диапазоне от 0 до 255:

class SmallInt {

public:

 SmallInt(int i = 0): val(i) {

  if (i < 0 || i > 255)

   throw std::out_of_range("Bad SmallInt value");

 }

 operator int() const { return val; }

private:

 std::size_t val;

};

Класс SmallInt определяет преобразования в и из своего типа. Конструктор преобразует значения арифметического типа в тип SmallInt. Оператор преобразования преобразует объекты класса SmallInt в тип int:

SmallInt si;

si = 4; // неявно преобразует 4 в SmallInt, а затем

        // вызывает SmallInt::operator=

si + 3; // неявно преобразует si в int с последующим целочисленным

        // суммированием

Хотя компилятор применяет только одно пользовательское преобразование за раз (см. раздел 4.11.2), неявное пользовательское преобразование можно предварить или сопроводить стандартным (встроенным) преобразованием (см. раздел 4.11.1). В результате конструктору SmallInt можно передать любой арифметический тип. Точно так же можно использовать оператор преобразования для преобразования объекта класса SmallInt в int, а затем преобразовать полученное значение типа int в другой арифметический тип:

// аргумент типа double преобразуется в int с использованием

//  встроенного преобразования

SmallInt si = 3.14; // вызов конструктора SmallInt(int)

// оператор преобразования класса SmallInt преобразует si в int

si + 3.14; // int преобразуется в double с использованием встроенного

           // преобразования

Поскольку операторы преобразования применяются неявно, нет никакого способа передать аргументы этим функциям. Следовательно, операторы преобразования не могут быть определены как получающие параметры. Хотя функция преобразования не определяет тип возвращаемого значения, каждая из них должна возвратить значение соответствующего типа:

class SmallInt;

operator int(SmallInt&); // ошибка: не член класса

class SmallInt {

public:

 int operator int() const; // ошибка: тип возвращаемого значения

 operator int(int = 0) const;         // ошибка: список параметров

 operator int*() const { return 42; } // ошибка: 42 не указатель

};

Внимание! Не злоупотребляйте функциями преобразования

Как и в случае с перегруженными операторами, разумное использование функций преобразования помогает существенно упростить работу разработчика класса и сделать полученный класс удобным в применении. Однако здесь есть две потенциальные ловушки: определение слишком большого количества функций преобразования может привести к неоднозначности кода, а некоторые преобразования могут оказаться скорее вредными, чем полезными.

Для примера рассмотрим класс Date , представляющий данные о дате. Вполне очевидно, что имеет смысл предоставить способ преобразования объекта класса Date в объект типа int . Но какое значение должна возвращать функция преобразования? Она могла бы возвратить десятичное представление года, месяца и дня. Например, 30 июля 1989 года могло бы быть представлено как значение 19800730 типа int . В качестве альтернативы оператор преобразования мог бы возвращать целое число, соответствующее количеству дней, начиная с некоторой эпохальной даты. Счетчик мог бы считать дни с 1 января 1970 года или некой другой отправной точки. У обоих преобразований есть желаемое свойство, что более поздние даты соответствуют большим целым числам, что может быть очень полезно.

Проблема в том, что нет единого и полного соответствия между объектом типа Date и значением типа int . В таких случаях лучше не определять оператор преобразования. Вместо него класс должен определить один или несколько обычных членов, чтобы извлекать эту информацию в различных форматах.

Операторы преобразования могут привести к удивительным результатам

На практике классы редко предоставляют операторы преобразования. Пользователи, вероятней всего, будут просто удивлены, случись преобразование автоматически, без помощи явного преобразования. Но из этого эмпирического правила есть одно важное исключение: преобразование в тип bool является вполне общепринятым для классов.

По прежним версиям стандарта перед классами с преобразованием в тип bool стояла проблема: поскольку тип bool арифметический, объект этого типа, допускающего преобразование в тип bool, применим в любом контексте, где ожидается арифметический тип. Такие преобразования могут происходить весьма удивительными способами. В частности, если бы у класса istream было преобразование в тип bool, то следующий код вполне компилировался бы:

int i = 42;

cin << i; // этот код был бы допустим, если бы преобразование

          //  в тип bool не было явным!

Эта программа пытается использовать оператор вывода для входного потока. Для класса istream оператор << не определен, поэтому такой код безусловно ошибочен. Но этот код мог бы использовать оператор преобразования в тип bool, чтобы преобразовать объект cin в bool. Полученное значение типа bool было бы затем преобразовано в тип int, который вполне применим как левый операнд встроенной версии оператора сдвига влево. В результате преобразованное значение типа bool (1 или 0) было бы сдвинуто влево на 42 позиции.

#C11.png Явный оператор преобразования

Чтобы предотвратить подобные проблемы, новый стандарт вводит явный оператор преобразования (explicit conversion operator):

class SmallInt { public:

 // компилятор не будет автоматически применять это преобразование

 explicit operator int() const { return val; }

 // другие члены как прежде

};

Подобно явным конструкторам (см. раздел 7.5.4), компилятор не будет (обычно) использовать явный оператор преобразования для неявных преобразований:

SmallInt si = 3; // ok: конструктор класса SmallInt не является явным

si + 3; // ошибка: нужно неявное преобразование, но оператор int

        // является явным

static_cast(si) + 3; // ok: явный запрос преобразования

Если оператор преобразования является явным, такое преобразование вполне можно осуществить. Но за одним исключением такое приведение следует осуществить явно.

Исключение состоит в том, что компилятор применит явное преобразование в выражении, используемом как условие. Таким образом, явное преобразование будет использовано неявно для преобразования выражения, используемого как:

• условие оператора if, while или do;

• выражение условия в заголовке оператора for;

• операнд логического оператора NOT (!), OR (||) или AND (&&);

• выражение условия в условном операторе (?:).

Преобразование в тип bool

В прежних версиях библиотеки типы ввода-вывода определяли преобразование в тип void*. Это было сделано во избежание проблем, описанных выше. По новому стандарту библиотека ввода-вывода определяет вместо этого явное преобразование в тип bool.

Всякий раз, когда потоковый объект используется в условии, применяется оператор operator bool(), определенный для типов ввода-вывода. Например:

while (std::cin >> value)

Условие в операторе while выполняет оператор ввода, который читает в переменную value и возвращает объект cin. Для обработки условия объект cin неявно преобразуется функцией преобразования istream::operator bool(). Эта функция возвращает значение true, если флагом состояния потока cin является good (см. раздел 8.1.2), и false в противном случае.

Преобразование в тип bool обычно используется в условиях. В результате оператор operator bool обычно должен определяться как явный.

Упражнения раздела 14.9.1

Упражнение 14.45. Напишите операторы преобразования для преобразования объекта класса Sales_data в значения типа string и double. Какие значения, по-вашему, должны возвращать эти операторы?

Упражнение 14.46. Объясните, является ли определение этих операторов преобразования класса Sales_data хорошей идеей и должны ли они быть явными.

Упражнение 14.47. Объясните различие между этими двумя операторами преобразования:

struct Integral {

 operator const int();

 operator int() const;

};

Упражнение 14.48. Должен ли класс из упражнения 7.40 раздела 7.5.1 использовать преобразование в тип bool. Если да, то объясните почему и укажите, должен ли оператор быть явным. В противном случае объясните, почему нет.

Упражнение 14.49. Независимо от того, хороша ли эта идея, определите преобразование в тип bool для класса из предыдущего упражнения.

 

14.9.2. Избегайте неоднозначных преобразований

Если у класса есть один или несколько операторов преобразования, важно гарантировать наличие только одного способа преобразования из типа класса в необходимый тип. Если будет больше одного способа осуществления преобразования, то будет весьма затруднительно написать однозначный код.

Есть два случая, когда возникает несколько путей осуществления преобразования. Первый — когда два класса обеспечивают взаимное преобразование. Например, взаимное преобразование осуществляется тогда, когда класс А определяет конструктор преобразования, получающий объект класса B, а класс в определяет оператор преобразования в тип А.

Второй случай возникновения нескольких путей преобразования — определение нескольких преобразований в и из типов, которые сами связаны преобразованиями. Самый очевидный пример — встроенные арифметические типы. Каждый класс обычно должен определять не больше одного преобразования в или из арифметического типа.

Обычно не следует определять классы со взаимными преобразованиями или определять преобразования в или из арифметических типов.

Распознавание аргумента и взаимные преобразования

В следующем примере определены два способа получения объекта класса А из В: либо при помощи оператора преобразования класса В, либо при помощи конструктора класса А, получающего объект класса В:

// обычно взаимное преобразование между двумя типами - плохая идея

struct B;

struct А {

 А() = default;

 A(const В&); // преобразует В в A

 // другие члены

};

struct В {

 operator A() const; // тоже преобразует В в A

 // другие члены

};

A f (const A&);

A a = f(b); // ошибка неоднозначности: f(B::operator A())

            // или f(A::A(const B&))

Поскольку существуют два способа получения объекта класса А из В, компилятор не знает, какой из них использовать; поэтому вызов функции f() неоднозначен. Для получения объекта класса В этот вызов может использовать конструктор класса А или оператор преобразования класса В, преобразующий объект класса В в А. Поскольку обе эти функции одинаково хороши, вызов неоднозначен и ошибочен.

Если этот вызов необходим, оператор преобразования или конструктор следует вызвать явно:

A a1 = f(b.operator А()); // ok: использовать оператор преобразования В

A а2 = f(A(b));           // ok: использовать конструктор класса А

Обратите внимание: нельзя решить неоднозначность при помощи приведения — у самого приведения будет та же двусмысленность.

Двусмысленность и множественность путей преобразования во встроенные типы

Двусмысленность возникает также в случае, когда класс определяет несколько преобразований в (или из) типы, которые сами связываются преобразованиями. Самый простой и наглядный пример (а также особенно проблематичный) — это когда класс определяет конструкторы преобразования в или из более, чем один арифметический тип.

Например, у следующего класса есть конструкторы преобразования из двух разных арифметических типов и операторы преобразования в два разных арифметических типа:

struct A {

 A(int = 0);              // обычно плохая идея иметь два

 A(double);               // преобразования из арифметических типов

 operator int() const;    // обычно плохая идея иметь два

 operator double() const; // преобразования в арифметические типы

 // другие члены

};

void f2(long double);

A a;

f2(a); // ошибка неоднозначности: f(A::operator int())

       // или f (A::operator double ())

long lg;

A a2(lg); // ошибка неоднозначности: A::A(int) или A::A(double)

В вызове функции f2() ни одно из преобразований не соответствует точно типу long double. Но для его получения применимо любое преобразование, сопровождаемое стандартным преобразованием. Следовательно, никакое из преобразований не лучше другого, значит, вызов неоднозначен.

Возникает та же проблема, что и при попытке инициализации объекта a2 значением типа long. Ни один из конструкторов не соответствует точно типу long. Каждый требовал преобразования аргумента прежде, чем использовать конструктор.

• Стандартное преобразование long в double, затем A(double).

• Стандартное преобразование long в int, затем A(int).

Эти последовательности преобразований равнозначны, поэтому вызов неоднозначен.

Вызов функции f2() и инициализация объекта a2 неоднозначны, поскольку у необходимых стандартных преобразований одинаковый ранг (см. раздел 6.6.1). Когда используется пользовательское преобразование, ранг стандартного преобразования, если таковые вообще имеются, позволяет выбрать наилучшее соответствие:

short s = 42;

// преобразование short в int лучше, чем short в double

А a3(s); // используется A::A(int)

В данном случае преобразование short в int предпочтительней, чем short в double. Следовательно, объект a3 создается с использованием конструктора A::A(int), который запускается для преобразования значения s.

Когда используются два пользовательских преобразования, ранг стандартного преобразования, если таковое вообще имеется, используется для выбора наилучшего соответствия.

Перегруженные функции и конструкторы преобразования

Выбор из нескольких возможных преобразований еще более усложняется, когда происходит вызов перегруженной функции. Если два или более преобразования обеспечивают подходящее соответствие, то преобразования считаются одинаково хорошими.

Например, могут возникнуть проблемы неоднозначности, когда перегруженные функции получают параметры, отличающиеся типами классов, которые определяют те же конструкторы преобразования:

Внимание! Преобразования и операторы

Корректная разработка перегруженных операторов, конструкторов преобразования и функций преобразования для класса требует большой осторожности. В частности, если в классе определены и операторы преобразования, и перегруженные операторы, вполне возможны неоднозначные ситуации. Здесь могут пригодиться следующие эмпирические правила.

• Никогда не создавайте взаимных преобразований типов. Другими словами, если класс Foo имеет конструктор, получающий объект класса Bar , не создавайте в классе Bar оператор преобразования для типа Foo .

• Избегайте преобразований во встроенные арифметические типы. Но если преобразование в арифметический тип необходимо, то придется учесть следующее.

  - Не создавайте перегруженных версий тех операторов, которые получают аргументы арифметических типов. Если пользователи используют эти операторы, функция преобразования преобразует объект данного типа, а затем применит встроенный оператор.

  - Не создавайте функций преобразования больше, чем в один арифметический тип. Позвольте осуществлять преобразования в другие арифметические типы стандартным функциям преобразования.

Самое простое правило: за исключением явного преобразования в тип bool , избегайте создания функций преобразования и ограничьте неявные конструкторы теми, которые безусловно необходимы.

struct C {

 C(int);

 // другие члены

};

struct D {

 D(int);

 // другие члены

};

void manip(const С&);

void manip(const D&);

manip(10); // ошибка неоднозначности: manip(С(10)) или manip(D(10))

Здесь у структур С и D есть конструкторы, получающие значение типа int. Для версий функции manip() подходит любой конструктор. Следовательно, вызов неоднозначен: он может означать преобразование int в С и вызов первой версии manip() или может означать преобразование int в D и вызов второй версии.

Вызывающая сторона может устранить неоднозначность при явном создании правильного типа:

manip(С(10)); // ok: вызов manip(const C&)

Необходимость в использовании конструктора или приведения для преобразования аргумента при обращении к перегруженной функции — это признак плохого проекта.

Перегруженные функции и пользовательские преобразования

Если при вызове перегруженной функции два (или больше) пользовательских преобразования обеспечивают подходящее соответствие, они считаются одинаково хорошими. Ранг любых стандартных преобразований, которые могли бы (или не могли) быть обязательными, не рассматриваются. Необходимость встроенного преобразования также рассматривается, только если набор перегруженных версий может быть подобран и использован той же функцией преобразования.

Например, вызов функции manip() был бы неоднозначен, даже если бы один из классов определил конструктор, который требовал бы для аргумента стандартного преобразования:

struct E {

 E(double);

 // другие члены

};

void manip2(const C&);

void manip2(const E&);

// ошибка неоднозначности: применимы два разных пользовательских

// преобразования

manip2(10); // manip2(C(10) или manip2(E(double(10)))

В данном случае у класса С есть преобразование из типа int и у класса E есть преобразование из типа double. Для вызова manip2(10) подходят обе версии функции manip2():

• Версия manip2(const C&) подходит потому, что у класса С есть конструктор преобразования, получающий тип int. Этот конструктор точно соответствует аргументу.

• Версия manip2(const E&) подходит потому, что у класса E есть конструктор преобразования, получающий тип double и возможность использовать стандартное преобразование для преобразования аргумента типа int, чтобы использовать этот конструктор преобразования.

Поскольку вызовы перегруженных функций требуют разных пользовательских преобразований друг от друга, этот вызов неоднозначен. В частности, даже при том, что один из вызовов требует стандартного преобразования, а другой является точным соответствием, компилятор все равно отметит этот вызов как ошибку.

Ранг дополнительного стандартного преобразования (если оно есть) при вызове перегруженной функции имеет значение, только если подходящие функции требуют того же пользовательского преобразования. Если необходимы разные пользовательские преобразования, то вызов неоднозначен.

Упражнения раздела 14.9.2

Упражнение 14.50. Представьте возможные последовательности преобразований типов для инициализации объектов ex1 и ex2. Объясните, допустима ли их инициализация или нет.

struct LongDouble {

 LongDouble(double = 0.0);

 operator double();

 operator float();

};

LongDouble IdObj;

int ex1 = IdObj;

float ex2 = IdObj;

Упражнение 14.51. Представьте последовательности преобразования (если они есть), необходимые для вызова каждой версии функции calc(), и объясните, как подбирается наилучшая подходящая функция.

void calc(int);

void calc(LongDouble);

double dval;

calc(dval); // которая calc()?

 

14.9.3. Подбор функций и перегруженные операторы

Перегруженные операторы — это перегруженные функции. При выявлении, который из встроенных или перегруженных операторов применяется для данного выражения, используется обычный подбор функции (см. раздел 6.4). Однако, когда в выражении используется функция оператора, набор функций-кандидатов шире, чем при вызове функций, использующих оператор вызова. Если объект а имеет тип класса, то выражение a sym b может быть следующим:

a.operator sym (b);  // класс а содержит оператор sym как функцию-член

operator sym (a, b); // оператор sym - обычная функция 

В отличие от обычных вызовов функции, нельзя использовать форму вызова для различения функции-члена или не члена класса.

Когда используется перегруженный оператор с операндом типа класса, функции-кандидаты включают обычные версии, не являющиеся членами класса этого оператора, а также его встроенные версии. Кроме того, если левый операнд имеет тип класса, определенные в нем перегруженные версии оператора (если они есть) также включаются в набор кандидатов.

Когда вызывается именованная функция, функции-члены и не члены класса с тем же именем не перегружают друг друга. Перегрузки нет потому, что синтаксис, используемый для вызова именованной функции, различает функции- члены и не члены класса. При вызове через объект класса (или ссылку, или указатель на такой объект) рассматриваются только функции-члены этого класса. При использовании в выражении перегруженного оператора нет никакого способа указать на использование функции-члена или не члена класса. Поэтому придется рассматривать версии и функции-члены, и не члены класса.

Набор функций-кандидатов для используемого в выражении оператора может содержать функции-члены и не члены класса.

Определим, например, оператор суммы для класса SmallInt:

class SmallInt {

 friend

 SmallInt operator*(const SmallInt&, const SmallInt&);

public:

 SmallInt(int = 0);                   // преобразование из int

 operator int() const { return val; } // преобразование в int

private:

 std::size_t val;

};

Этот класс можно использовать для суммирования двух объектов класса SmallInt, но при попытке выполнения смешанных арифметических операций возникнет проблема неоднозначности:

SmallInt s1, s2;

SmallInt s3 = s1 + s2; // использование перегруженного оператора +

int i = s3 + 0;        // ошибка: неоднозначность

Первый случай суммирования использует перегруженную версию оператора + для суммирования двух значений типа SmallInt. Второй случай неоднозначен, поскольку 0 можно преобразовать в тип SmallInt и использовать версию оператора + класса SmallInt либо преобразовать объект s3 в тип int и использовать встроенный оператор суммы для типа int.

Предоставление функции преобразования в арифметический тип и перегруженных операторов для того же типа может привести к неоднозначности между перегруженными и встроенными операторами.

Упражнения раздела 14.9.3

Упражнение 14.52. Какой из операторов operator+, если таковые вообще имеются, будет выбран для каждого из следующих выражений суммы? Перечислите функции-кандидаты, подходящие функции и преобразования типов для аргументов каждой подходящей функции:

struct LongDouble {

 // оператор-член operator+ только для демонстрации;

 // обычно он не является членом класса

 LongDouble operator+(const SmallInt&); // другие члены как в p. 14.9.2

};

LongDouble operator+(LongDouble&, double);

SmallInt si;

LongDouble ld;

ld = si + ld;

ld = ld + si;

Упражнение 14.53. С учетом определения класса SmallInt определите, допустимо ли следующее выражение суммы. Если да, то какой оператор суммы используется? В противном случае, как можно изменить код, чтобы сделать его допустимым?

SmallInt s1;

double d = s1 + 3.14;

 

Во многих, но не всех случаях базовые и производные классы определяются, как и другие классы, но отличия все же имеются. В этом разделе рассматриваются основные возможности, используемые при определении классов, связанных наследованием.

 

15.2.1. Определение базового класса

Для начала завершим определение класса Quote:

class Quote {

public:

 Quote() = default; // = default см. раздел 7.1.4

 Quote(const std::string &book, double sales_price):

  bookNo(book), price(sales_price) { }

 std::string isbn() const { return bookNo; }

 // возвращает общую цену за определенное количество проданных

 // экземпляров, а различные системы скидок определяют и

 // применяют производные классы

 virtual double net_price(std::size_t n) const

  { return n * price; }

 virtual ~Quote() = default; // динамическое связывание для

                             // деструктора

private:

 std::string bookNo; // идентификатор экземпляра

protected:

 double price = 0.0; // стандартная цена (без скидки)

};

Новым в этом классе являются использование ключевого слова virtual в функции net_price() и деструкторе, а также спецификатора доступа protected. Виртуальные деструкторы рассматриваются в разделе 15.7.1, а пока следует заметить, что корневой класс иерархии наследования почти всегда определяет виртуальный деструктор.

Базовые классы обычно должны определять виртуальный деструктор. Виртуальные деструкторы необходимы, даже если они не делают ничего.

Функции-члены и наследование

Производные классы наследуют члены своих базовых классов. Но производный класс должен быть в состоянии обеспечить собственное определение таких зависимых от типа операций, как net_price(). В таких случаях производный класс должен переопределить унаследованное от базового класса определение, обеспечив собственное определение.

В языке С++ базовый класс должен отличать функции, которые предполагается переопределить в производных классах, от тех, которые производные классы, вероятно, наследуют без изменений. Функции, переопределение которых предполагается в производных классах, базовый класс определяет как virtual. Когда вызов виртуальной функции происходит через указатель или ссылку, он будет привязан динамически. В зависимости от типа объекта, с которым связана ссылка или указатель, будет выполнена версия базового или одного из его производных классов.

Базовый класс определяет, что функция-член должна быть привязана динамически, предваряя ее объявление ключевым словом virtual. Любая нестатическая функция-член (см. раздел 7.6), кроме конструктора, может быть виртуальной. Ключевое слово virtual присутствует только в объявлении в классе и не может использоваться в определении функции вне тела класса. Функция, объявленная виртуальной в базовом классе, неявно является виртуальной и в производных классах. Более подробная информация о виртуальных функциях приведена в разделе 15.3.

Функции-члены, которые не объявлены как virtual, распознаются во время компиляции, а не во время выполнения. Это именно то поведение, которое необходимо для функции isbn(). Она не зависит от подробностей производного типа и ведет себя одинаково как с объектами класса Quote, так и Bulk_quote. В нашей иерархии наследования будет только одна версия функции isbn(). Таким образом, не будет никаких вопросов относительно выполняемой версии функции isbn() при вызове.

Управление доступом и наследование

Производный класс наследует члены, определенные в его базовом классе. Но функции-члены производного класса не обязаны обращаться к членам, унаследованным от базового класса. Подобно любому другому коду, использующему базовый класс, производный класс может обращаться к открытым членам своего базового класса, но не может обратиться к закрытым членам. Но иногда у базового класса могут быть члены, которые следует позволить использовать в производных классах, но все же запретить доступ к ним другим пользователям. В определении таких членов используется спецификатор доступа protected.

Класс Quote ожидает, что его производные классы определят собственную функцию net_price(). Для этого им потребуется доступ к члену price. В результате класс Quote определяет эту переменную-член как protected. Производные классы получат доступ к переменной bookNo таким же образом, как и обычные пользователи, — при вызове функции isbn(). Следовательно, переменная-член bookNo останется закрытой и недоступной классам, производным от класса Quote. Более подробная информация о защищенных членах приведена в разделе 15.5.

Упражнения раздела 15.2.1

Упражнение 15.1. Что такое виртуальный член класса?

Упражнение 15.2. Чем спецификатор доступа protected отличается от private?

Упражнение 15.3. Определите собственные версии класса Quote и функции print_total().

 

15.2.2. Определение производного класса

Производный класс должен определить, от какого класса (классов) он происходит. Для этого используется находящийся после двоеточия список наследования класса (class derivation list), представляющий собой разделяемый запятыми список имен определенных ранее классов. Каждому имени базового класса может предшествовать необязательный спецификатор доступа: public, protected или private. 

Производный класс должен объявить каждую унаследованную функцию-член, которую он намеревается переопределить. Поэтому класс Bulk_quote должен включать функцию-член net_price():

class Bulk_quote : public Quote { // Bulk_quote происходит от Quote

 Bulk_quote() = default;

 Bulk_quote(const std::string&, double, std::size_t, double);

 // переопределить базовую версию и реализовать политику

 // скидок при оптовых закупках

 double net_price(std::size_t) const override;

private:

 std::size_t min_qty = 0; // минимальная покупка для скидки

 double discount = 0.0;   // доля применяемой скидки

};

Класс Bulk_quote унаследовал функцию isbn(), а также переменные-члены bookNo и price из своего базового класса Quote. Он определяет собственную версию функции net_price() и имеет две дополнительные переменные-члена — min_qty и discount, которые определяют минимальное количество экземпляров и скидку, применяемую при его покупке.

Более подробная информация об используемых в списке наследования спецификаторах доступа приведена в разделе 15.5, а пока достаточно знать, что спецификатор доступа определяет, разрешено ли пользователям производного класса знать, что он унаследован от базового класса.

При открытом наследовании открытые члены базового класса становятся частью интерфейса производного. Кроме того, объект открытого производного типа можно привязать к указателю или ссылке на базовый тип. Поскольку в списке наследования использован спецификатор public, интерфейс класса Bulk_quote неявно содержит функцию isbn(), объект класса Bulk_quote можно использовать там, где ожидается указатель или ссылка на объект класса Quote.

Большинство классов непосредственно происходит только от одного базового класса. Эта форма наследования, известная как "одиночное наследование", и является темой данной главы. В разделе 18.3 будут описаны классы, у которых в списке наследования больше одного базового класса.

Виртуальные функции в производном классе

Производные классы часто, но не всегда, переопределяют унаследованные виртуальные функции. Если производный класс не переопределяет виртуальную функцию своего базового класса, то, подобно любому другому члену, производный класс наследует версию, определенную в его базовом классе.

Производный класс может применять к переопределяемым функциям ключевое слово virtual, но не обязательно. По причинам, рассматриваемым в разделе 15.3, новый стандарт позволяет производному классу явно указывать, что функция-член предназначена для переопределения унаследованной виртуальной функции. Для этого применяется спецификатор override в определении после списка параметров, либо после ключевого слова const, либо квалификатора ссылки, если член класса константен (см. раздел 7.1.2), или ссылки на функцию (см. раздел 13.6.3).

Объекты производного класса и преобразование производного в базовый

Объект производного класса состоит из несколькими частей: нестатических членов, определенных в самом производном классе, а также объекта, состоящего из нестатических членов каждого его базового класса, от которых он происходит. Таким образом, объект класса Bulk_quote будет содержать четыре части данных: переменные-члены bookNo и price, унаследованные от класса Quote, и переменные-члены min_qty и discount, определенные в классе Bulk_quote.

Хотя стандарт не определяет расположение в памяти производных объектов, объект Bulk_quote можно считать состоящим из двух частей (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Концептуальная структура объекта класса Bulk_quote

Базовые и производные части объекта вовсе не обязательно будут располагаться рядом. Рис. 15.1 — это концептуальное, не физическое представление работы класса.

Поскольку производная часть объекта соответствует его базовому классу (классам), объект производного типа можно использовать так, как будто это объект его базового класса (классов). В частности, ссылку или указатель на базовый класс можно связать с частью базового класса производного объекта.

Quote item;       // объект базового типа

Bulk_quote bulk;  // объект производного типа

Quote *p = &item; // p указывает на объект Quote

p = &bulk;        // p указывает на часть bulk объекта Quote

Quote &r = bulk;  // r связан с частью bulk объекта Quote

 Это преобразование обычно называют преобразованием производного в базовый (derived-to-base conversion). Подобно любому другому преобразованию, компилятор применяет его неявно (см. раздел 4.11).

Факт неявного преобразования производного в базовый означает возможность использования объекта производного типа или ссылки на него там, где нужна ссылка на базовый тип. Точно так же можно использовать указатель на производный тип там, где требуется указатель на базовый тип.

Факт наличия в объекте производного класса частей объектов его базовых классов является основой работы наследования.

Конструкторы производного класса

Хотя объект производного класса содержит члены, унаследованные им от базового, он не может инициализировать их непосредственно. Как и любой другой код, создающий объект базового класса, производный класс должен использовать конструктор базового класса для инициализации своей части базового класса.

Каждый класс сам контролирует инициализацию своих членов.

Часть базового класса объекта, наряду с переменными-членами производного класса, инициализируется на этапе инициализации конструктора (см. раздел 7.5.1). Аналогично инициализации переменных-членов, для передачи аргументов конструктору базового класса конструктор производного класса использует свой список инициализации. Рассмотрим конструктор Bulk_quote() с четырьмя параметрами:

Bulk_quote(const std::string& book, double p,

           std::size_t qty, double disc) :

 Quote(book, p), min_qty(qty), discount(disc) { }

 // как прежде

};

Для инициализации переменных-членов конструктору класса Quote передаются его первые два параметра (представляющие ISBN и цену). Этот конструктор инициализирует базовую часть класса Bulk_quote (т.е. переменные-члены bookNo и price). Когда (пустое) тело конструктора класса Quote закончит работу, часть базового класса создаваемого объекта будет инициализирована. Затем инициализируются прямые переменные-члены min_qty и discount. И наконец, выполняется (пустое) тело конструктора класса Bulk_quote.

Подобно переменной-члену, если не определено иное, базовая часть производного объекта инициализируется по умолчанию. Чтобы использовать другой конструктор базового класса, следует предоставить список инициализации конструктора, используя имя базового класса, сопровождаемое, как обычно, заключенным в скобки списком аргументов. Эти аргументы используются для выбора конкретного конструктора базового класса для инициализации базовой части объекта производного класса.

Сначала инициализируются члены базового класса, а затем члены производного класса в порядке их объявления.

Использование членов базового класса из производного

Производный класс может обращаться к открытым и защищенным членам своего базового класса:

// если приобретено достаточное количество экземпляров,

// использовать цену со скидкой

double Bulk_quote::net_price(size_t cnt) const {

 if (cnt >= min_qty)

  return cnt * (1 - discount) * price;

 else

  return cnt * price;

}

Эта функция вычисляет цену со скидкой: если приобретенное количество экземпляров превышает значение переменной min_qty, к цене (price) применяется скидка (discount).

Более подробная информация об областях видимости приведена в разделе 15.6, а пока достаточно знать, что область видимости производного класса вкладывается в область видимости его базового класса. В результате нет никакого различия между тем, как член производного класса использует члены, определенные в его собственном классе (например, min_qty и discount), и как он использует члены, определенные в его базовом классе (например, price).

Ключевая концепция. Соблюдение интерфейса базового класса

Важно понимать, что каждый класс определяет собственный интерфейс. Для взаимодействия с объектом типа класса следует использовать интерфейс этого класса, даже если он — часть базового класса в объекте производного.

В результате конструкторы производного класса не могут непосредственно инициализировать члены своего базового класса. Тело конструктора производного класса может присваивать значения его открытых или защищенных членов базового класса. Хотя он может присвоить значения этим членам, обычно это не применяется . Как и любой другой пользователь базового класса, производный класс должен соблюдать интерфейс своего базового класса, используя для инициализации своих унаследованных членов его конструктор.

Наследование и статические члены

Если в базовом классе определен статический (static) член (см. раздел 7.6), для всей иерархии существует только один его экземпляр. Независимо от количества классов, производных от базового класса, существовать будет только один экземпляр каждого статического члена.

class Base {

public:

 static void statmem();

};

class Derived : public Base {

 void f(const Derived&);

};

Статические члены подчиняются обычным правилам управления доступом: если член класса объявлен в базовом классе закрытым, производные классы не получат к нему доступа. Когда статический член класса доступен, к нему можно обращаться как из базового, так и из производного класса:

void Derived::f(const Derived &derived_obj) {

 Base::statmem();    // ok: statmem() определена в Base

 Derived::statmem(); // ok: Derived наследует statmem()

 // ok: объект производного класса применим для доступа к

 // статическому члену базового

 derived_obj.statmem(); // доступ в объекте класса Derived

 statmem();             // доступ в объекте этого класса

}

Объявления производных классов

Производный класс объявляется как любой другой класс (см. раздел 7.3.3). Объявление содержит имя класса, но не включает его список наследования:

class Bulk_quote : public Quote; // ошибка: здесь не может быть списка

                                 // наследования

class Bulk_quote;                // ok: правильный способ объявления

                                 // производного класса

Задача объявления в том, чтобы сообщить о существовании имени и какую сущность он обозначает: класс, функцию или переменную. Список наследования и все другие подробности определения должны присутствовать в теле класса.

Классы, используемые как базовые

Класс должен быть определен, а не только объявлен, прежде чем его можно будет использовать как базовый класс:

class Quote; // объявлен, но не определен

// ошибка: класс Quote следует определить

class Bulk_quote : public Quote { ... };

Причина этого ограничения очевидна: каждый производный класс содержит и может использовать члены, унаследованные от его базового класса. Чтобы использовать эти члены, производный класс должен знать, что они из себя представляют. Одним из следствий этого правила является невозможность наследования класса от себя самого.

Базовый класс сам может быть производным классом:

class Base { /* ... */ };

class D1: public Base { /* ... */ };

class D2: public D1 { /*...*/ };

В этой иерархии класс Base является прямым базовым (direct base class) для класса D1 и косвенным базовым (indirect base class) для класса D2. Прямой базовый класс указывают в списке наследования. Косвенный базовый класс наследуется производным через его прямой базовый класс.

Каждый класс наследует все члены своего прямого базового класса. Большинство производных классов наследует члены своего прямого базового класса. Члены прямого базового класса включают унаследованные из его базового класса и т.д. по цепи наследования. Фактически самый последний производный объект содержит часть его прямого базового класса и каждого из его косвенных базовых классов.

Предотвращение наследования

Иногда определяют класс, от которого не следует получать другие производные классы. Либо может быть определен класс, который не предусматривается как подходящий на роль базового. По новому стандарту можно воспрепятствовать использованию класса как базового, расположив за его именем спецификатор final:

class NoDerived final { /* */ }; // класс NoDerived

                                 //  не может быть базовым

class Base { /* */ };

// класс Last финальный; нельзя наследовать класс Last

class Last final : Base { /* */ }; // класс Last не может быть базовым

class Bad : NoDerived { /* */ }; // ошибка: класс NoDerived финальный

class Bad2 : Last { /* */ };     // ошибка: класс Last финальный

Упражнения раздела 15.2.2

Упражнение 15.4. Какие из следующих объявлений (если они есть) некорректны? Объясните, почему.

class Base { ... };

(a) class Derived : public Derived { ... };

(b) class Derived : private Base { ... };

(c) class Derived : public Base;

Упражнение 15.5. Напишите собственную версию класса Bulk_quote.

Упражнение 15.6. Проверьте свою функцию print_total() из упражнения раздела 15.2.1, передав ей объекты класса Quote и Bulk_quote.

Упражнение 15.7. Определите класс, реализующий ограниченную стратегию скидок, которая применяет скидку только к покупкам до заданного предела. Если количество экземпляров превышает этот предел, к остальным применяется обычная цена.

 

15.2.3. Преобразования и наследование

Понимание того, как происходит преобразование типов между базовыми и производными классами, очень важно для освоения принципов объектно-ориентированного программирования на языке С++.

Обычно ссылку или указатель можно связать только с тем объектом, тип которого либо совпадает с типом ссылки или указателя (см. раздел 2.3.1 и раздел 2.3.2), либо допускает константное преобразование в него (см. раздел 4.11.2). Классы, связанные наследованием, являются важным исключением: с объектом производного типа можно связать указатель или ссылку на тип базового класса. Например, ссылку Quote& можно использовать для обращения к объекту Bulk_quote, а адрес объекта Bulk_quote можно сохранить в указателе Quote*.

У факта возможности привязки ссылки (или указателя) на тип базового класса к объекту производного есть очень важное следствие: при использовании ссылки (или указателя) на тип базового класса неизвестен фактический тип объекта, с которым он связан. Этот объект может быть как объектом базового класса, так и производного.

Подобно встроенным указателям, классы интеллектуальных указателей (см. раздел 12.1) обеспечивают преобразование производного в базовый, позволяя хранить указатель на объект производного типа в интеллектуальном указателе на базовый.

#magnify.png Статический и динамический типы

При использовании связанных наследованием типов нередко приходится отличать статический тип (static type) переменной или выражения от динамического типа (dynamic type) объекта, который представляет выражение. Статический тип выражения всегда известен на момент компиляции — это тип, с которым переменная объявляется или возвращает выражение. Динамический тип — это тип объекта в области памяти, которую представляет переменная или выражение. Динамический тип не может быть известен во время выполнения.

Рассмотрим пример, когда функция print_total() вызывает функцию net_price() (см. раздел 15.1):

double ret = item.net_price(n);

Известно, что статическим типом параметра item является Quote&. Динамический тип зависит от типа аргумента, с которым связан параметр item. Этот тип не может быть известен, пока не произойдет вызов во время выполнения. Если функции print_total() передать объект класса Bulk_quote, то статический тип параметра item будет отличаться от его динамического типа. Как уже упоминалось, статический тип параметра item — это Quote&, но в данном случае динамическим типом будет Bulk_quote.

Динамический тип выражения, которое не является ни ссылкой, ни указателем, всегда будет совпадать со статическим типом этого выражения. Например, переменная типа Quote всегда будет объектом класса Quote; нельзя сделать ничего, что изменит тип объекта, которому соответствует эта переменная.

Крайне важно понять, что статический тип указателя или ссылки на базовый класс может отличаться от его динамического типа.

Не существует неявного преобразования из базового типа в производный…

Преобразование из производного в базовый существует благодаря тому, что каждый объект производного класса содержит часть базового класса, с которой и могут быть связаны указатели или ссылки на тип базового класса. Для объектов базового класса подобной гарантии нет. Объект базового класса может существовать либо как независимый объект, либо как часть объекта производного класса. У объекта базового класса, не являющегося частью объекта производного, есть только те члены, которые определены базовым классом; в нем не определены члены производного класса.

Поскольку объект базового класса может быть, а может и не быть частью производного объекта, нет никаких автоматических преобразований из базового класса в класс (классы), производный от него:

Quote base;

Bulk_quote* bulkP = &base;  // ошибка: нельзя преобразовать базовый в

                            // производный

Bulk_quote& bulkRef = base; // ошибка: нельзя преобразовать базовый в

                            // производный

Если бы эти присвоения были допустимы, то можно было бы попытаться использовать указатель bulkP или ссылку bulkRef для доступа к членам, которые не существуют в объекте base.

Немного удивительно то, что невозможно преобразование из базового в производный, даже когда с объектом производного класса связан указатель или ссылка на базовый класс:

Bulk_quote bulk;

Quote * itemP = &bulk;     // ok: динамический тип Bulk quote

Bulk_quote *bulkP = itemP; // ошибка: нельзя преобразовать базовый в

                           // производный

У компилятора нет никакого способа узнать (во время компиляции), что некое преобразование окажется безопасно во время выполнения. Компилятор рассматривает только статические типы указателей или ссылок, определяя допустимость преобразования. Если у базового класса есть одна или несколько виртуальных функций, для запроса преобразования, проверяемого во время выполнения, можно использовать оператор dynamic_cast (рассматриваемый в разделе 19.2.1). В качестве альтернативы, когда известно, что преобразование из базового в производный безопасно, для обхода запрета компилятора можно использовать оператор static_cast (см. раздел 4.11.3).

#magnify.png …и нет преобразований между объектами

Автоматическое преобразование производного класса в базовый применимо только для ссылок и указателей. Нет способа преобразования типа производного класса в тип базового класса. Однако нередко вполне возможно преобразовать объект производного класса в тип базового класса. Но такие преобразования не всегда ведут себя так, как хотелось бы.

Помните, что при инициализации или присвоении объекта типа класса фактически происходит вызов функции. При инициализации происходит вызов конструктора (см. раздел 13.1.1 и раздел 13.6.2), а при присвоении — вызов оператора присвоения (см. раздел 13.1.2 и раздел 13.6.2). У этих функций-членов обычно есть параметр, являющийся ссылкой на константную версию типа класса.

Поскольку эти функции-члены получают ссылки, преобразование производного класса в базовый позволяет передавать функциям копирования и перемещения базового класса объект производного класса. Эти функции не являются виртуальными. При передаче объекта производного класса конструктору базового выполняется конструктор, определенный в базовом классе. Этому конструктору известно только о членах самого базового класса. Точно так же, если объект производного класса присваивается объекту базового, выполняется оператор присвоения, определенный в базовом классе. Этот оператор также знает только о членах самого базового класса.

Например, классы приложения книжного магазина используют синтезируемые версии операторов копирования и присвоения (см. раздел 13.1.1 и раздел 13.1.2). Более подробная информация об управлении копированием и наследовании приведена в разделе 15.7.2, а пока достаточно знать, что синтезируемые версии осуществляют почленное копирование или присвоение переменных-членов класса тем же способом, что и у любого другого класса:

Bulk_quote bulk;  // объект производного типа

Quote item(bulk); // используется конструктор

                  //  Quote::Quote(const Quote&)

item = bulk;      // вызов Quote::operator=(const Quote&)

При создании объекта item выполняется конструктор копий класса Quote. Этот конструктор знает только о переменных-членах bookNo и price. Он копирует эти члены из части Quote объекта bulk и игнорирует члены, являющиеся частью Bulk_quote объекта bulk. Аналогично при присвоении объекта bulk объекту item ему присваивается только часть Quote объекта bulk.

Поскольку часть Bulk_quote игнорируется, говорят, что она была отсечена (sliced down).

При инициализации объекта базового типа (или присвоении) объектом производного типа копируется, перемещается или присваивается только часть базового класса производного объекта. Производная часть объекта игнорируется.

Ключевая концепция. Преобразования между типами, связанными наследованием

Есть три правила преобразования связанных наследованием классов, о которых следует помнить.

• Преобразование из производного класса в базовый применимо только к указателю или ссылке.

• Нет неявного преобразования из типа базового класса в тип производного.

• При преобразовании производного в базовый член класса может быть недоступен из за спецификатора управления доступом. Доступность рассматривается в разделе 15.5.

Хотя автоматическое преобразование применимо только к указателям и ссылкам, большинство классов в иерархии наследования (явно или неявно) определяют функции-члены управления копированием (см. главу 13). В результате зачастую вполне можно копировать, перемещать и присваивать объекты производного типа объектам базового. Однако копирование, перемещение или присвоение объекта производного типа объекту базового копирует, перемещает или присваивает только члены части базового класса объекта.

Упражнения раздела 15.2.3

Упражнение 15.8. Определите статический и динамический типы.

Упражнение 15.9. Когда может возникнуть отличие статического типа выражения от его динамического типа? Приведите три примера, в которых статический и динамический типы отличаются.

Упражнение 15.10. Возвращаясь к обсуждению в разделе 8.1, объясните, как работает программа из раздела 8.2.1, где функции read() класса Sales_data передавался объект ifstream.

 

Подобно любому другому классу, класс в иерархии наследования контролирует происходящее при создании, копировании, перемещении, присвоении или удалении объектов его типа. Как и у любого другого класса, если класс (базовый или производный) сам не определяет одну из функций управления копированием, ее синтезирует компилятор. Кроме того, как обычно, синтезируемая версия любой из этих функций-членов может быть удаленной функцией.

 

15.7.1. Виртуальные деструкторы

Основное воздействие, которое наследование оказывает на управление копированием для базового класса, заключается в том, что базовый класс обычно должен определять виртуальный деструктор (см. раздел 15.2.1). Деструктор должен быть виртуальной функцией, чтобы обеспечить объектам в иерархии наследования возможность динамического создания.

Помните, что деструктор выполняется при удалении указателя на динамически созданный объект (см. раздел 13.1.3). Если это указатель на тип в иерархии наследования, вполне возможно, что статический тип указателя может отличаться от динамического типа удаляемого объекта (см. раздел 15.2.2). Например, при удалении указателя типа Quote* может оказаться, что он указывал на объект класса Bulk_quote. Если он указывает на объект типа Bulk_quote, компилятор должен знать, что следует выполнить деструктор именно класса Bulk_quote. Подобно любой другой функции, чтобы был выполнен надлежащий деструктор, в базовом классе его следует определить как виртуальную функцию:

class Quote {

public:

 // виртуальный деструктор необходим при удалении указателя на

 // базовый тип, указывающего на объект производного

 virtual ~Quote() = default; // динамическое связывание для

                             // деструктора

};

Подобно любой другой виртуальной функции, виртуальный характер деструктора наследуется. Таким образом, у классов, производных от класса Quote, окажутся виртуальные деструкторы, будь то синтезируемый деструктор или собственный. Пока деструктор базового класса остается виртуальной функцией, при удалении указателя на базовый класс будет выполнен соответствующий деструктор:

Quote *itemP = new Quote; // статический и динамический типы совпадают

delete itemP;             // вызов деструктора для Quote

itemP = new Bulk_quote;   // статический и динамический типы разные

delete itemP;             // вызов деструктора для Bulk_quote

Выполнение оператора delete для указателя на базовый класс, который указывает на объект производного класса, приведет к непредсказуемым последствиям, если деструктор базового класса не будет виртуальным.

Деструкторы базовых классов — важное исключение из эмпирических правил, согласно которым, если класс нуждается в деструкторе, то он также нуждается в функциях копирования и присвоения (см. раздел 13.6). Базовый класс почти всегда нуждается в деструкторе, поэтому он может сделать деструктор виртуальным. Если базовый класс обладает пустым деструктором, только чтобы сделать его виртуальным, то наличие у класса деструктора вовсе не означает, что также необходим оператор присвоения или конструктор копий.

Виртуальный деструктор отменяет синтез функций перемещения

Тот факт, что базовый класс нуждается в виртуальном деструкторе, имеет важное косвенное последствие для определения базовых и производных классов: если класс определит деструктор (даже с использованием синтаксиса = default, чтобы использовать синтезируемую версию), то компилятор не будет синтезировать функцию перемещения для этого класса (см. раздел 13.6.2).

Упражнения раздела 15.7.1

Упражнение 15.24. Какие виды классов нуждаются в виртуальном деструкторе? Какие задачи должен выполнять виртуальный деструктор?

 

15.7.2. Синтезируемые функции управления копированием и наследование

Синтезируемые функции-члены управления копированием в базовом или производном классе выполняются, как любой другой синтезируемый конструктор, оператор присвоения или деструктор: они почленно инициализируют, присваивают или удаляют члены самого класса. Кроме того, эти синтезируемые члены инициализируют, присваивают или удаляют прямую базовую часть объекта при помощи соответствующей функции базового класса. Соответствующие примеры приведены ниже.

• Синтезируемый стандартный конструктор класса Bulk_quote запускает стандартный конструктор класса Disc_quote, который в свою очередь запускает стандартный конструктор класса Quote.

• Стандартный конструктор класса Quote инициализирует по умолчанию переменную-член bookNo пустой строкой и использует внутриклассовый инициализатор для инициализации переменной-члена price нулем.

• Когда конструктор класса Quote завершает работу, конструктор класса Disc_quote продолжает ее, используя внутриклассовые инициализаторы для инициализации переменных qty и discount. 

• Когда завершает работу конструктор класса Disc_quote, конструктор класса Bulk_quote продолжает ее, но не выполняет никаких других действий.

Точно так же синтезируемый конструктор копий класса Bulk_quote использует (синтезируемый) конструктор копий класса Disc_quote, который использует (синтезируемый) конструктор копий класса Quote. Конструктор копий класса Quote копирует переменные-члены bookNo и price; а конструктор копий класса Disc_quote копирует переменные-члены qty и discount.

Следует заметить, что не имеет значения, синтезируется ли функция-член базового класса (как в случае иерархии Quote) или имеет предоставленное пользователем определение. Важно лишь то, что соответствующая функция-член доступна (см. раздел 15.5) и что она не удаленная.

Каждый из классов иерархии Quote использует синтезируемый деструктор. Производные классы делают это неявно, тогда как класс Quote делает это явно, определяя свой (виртуальный) деструктор как = default. Синтезируемый деструктор (как обычно) пуст, и его неявная часть удаляет члены класса (см. раздел 13.1.3). В дополнение к удалению собственных членов фаза удаления деструктора в производном классе удаляет также свою прямую базовую часть. Этот деструктор в свою очередь вызывает деструктор своего прямого базового класса, если он есть. И так далее до корневого класса иерархии.

Как уже упоминалось, у класса Quote нет синтезируемых функций перемещения, поскольку он определяет деструктор. При каждом перемещении объекта Quote (см. раздел 13.6.2) будут использоваться (синтезируемые) функции копирования. Как будет продемонстрировано ниже, тот факт, что у класса Quote нет функций перемещения, означает, что его производные классы также не будут их иметь.

#C11.png Базовые классы и удаленные функции управления копированием в производном классе

Синтезируемый стандартный конструктор или любая из функций-членов управления копированием базового либо производного класса может быть определена как удаленная по тем же причинам, что и в любом другом классе (см. раздел 13.1.6 и раздел 13.6.2). Кроме того, способ определения базового класса может вынудить член производного класса стать удаленным.

• Если стандартный конструктор, конструктор копий, оператор присвоения копии или деструктор в базовом классе удалены или недоступны (раздел 15.5), то соответствующая функция-член в производном классе определяется как удаленная, поскольку компилятор не может использовать функцию-член базового класса для создания, присвоения или удаления части объекта базового класса.

• Если у базового класса недоступен или удален деструктор, то синтезируемые стандартный конструктор и конструктор копий в производных классах определяются как удаленные, поскольку нет никакого способа удалить базовую часть производного объекта.

• Как обычно, компилятор не будет синтезировать удаленную функцию перемещения. Если использовать синтаксис = default для создания функции перемещения, то это будет удаленная функция в производном классе, если соответствующая функция в базовом классе будет удалена или недоступна, поскольку часть базового класса не может быть перемещена. Конструктор перемещения также будет удален, если деструктор базового класса окажется удален или недоступен.

Для примера рассмотрим базовый класс В:

class B {

public:

 B();

 B(const B&) = delete;

 // другие члены, исключая конструктор перемещения

};

class D : public B {

 // нет конструкторов

};

D d; // ok: синтезируемый стандартный конструктор класса D использует

     // стандартный конструктор класса В

D d2(d); // ошибка: синтезируемый конструктор копий класса D удален

D d3(std::move(d)); // ошибка: неявно использованный удаленный

                    // конструктор копий класса D

Класс имеет доступный стандартный конструктор и явно удаленный конструктор копий. Поскольку конструктор копий определяется, компилятор не будет синтезировать для класса В конструктор перемещения (см. раздел 13.6.2). В результате невозможно ни переместить, ни скопировать объекты типа В. Если бы класс, производный от типа В, хотел позволить своим объектам копирование или перемещение, то этот производный класс должен был бы определить свои собственные версии этих конструкторов. Конечно, этот класс должен был бы решить, как скопировать или переместить члены в эту часть базового класса. Практически, если у базового класса нет стандартного конструктора копий или конструктора перемещения, то его производные классы также обычно не будут их иметь.

Функции перемещения и наследование

Как уже упоминалось, большинство базовых классов определяет виртуальный деструктор. В результате по умолчанию базовые классы вообще не получают синтезируемых функций перемещения. Кроме того, по умолчанию классы, производные от базового класса, у которого нет функций перемещения, также не получают синтезируемых функций перемещения.

Поскольку отсутствие функции перемещения в базовом классе подавляет синтез функций перемещения в его производных классах, базовые классы обычно должны определять функции перемещения, если это имеет смысл. Наш класс Quote может использовать синтезируемые версии. Однако класс Quote должен определить эти члены явно. Как только он определит собственные функции перемещения, он должен будет также явно определить версии копирования (см. раздел 13.6.2):

class Quote {

public:

 Quote() = default; // почленная инициализация по умолчанию

 Quote(const Quote&) = default; // почленное копирование

 Quote(Quote&&) = default;      // почленное копирование

 Quote& operator=(const Quote&) = default; // присвоение копии

 Quote& operator=(Quotes&) = default;      // перемещение

 virtual ~Quote() = default;

 // другие члены, как прежде

};

Теперь объекты класса Quote будут почленно копироваться, перемещаться, присваиваться и удаляться. Кроме того, классы, производные от класса Quote, также автоматически получат синтезируемые функции перемещения, если у них не будет членов, которые воспрепятствуют перемещению.

Упражнения раздела 15.7.2

Упражнение 15.25. Зачем определять стандартный конструктор для класса Disc_quote? Как повлияет на поведение класса Bulk_quote, если вообще повлияет, удаление этого конструктора?

 

15.7.3. Функции-члены управления копированием производного класса

Как упоминалось в разделе 15.2.2, фаза инициализации конструктора производного класса инициализирует часть (части) базового класса производного объекта наряду с инициализацией его собственных членов. В результате конструкторы копирования и перемещения для производного класса должны копировать и перемещать члены своей базовой части наравне с производной. Точно так же оператор присвоения производного класса должен присваивать члены базовой части производного объекта.

В отличие от конструкторов и операторов присвоения, деструктор несет ответственность только за освобождение ресурсов, зарезервированных производным классом. Помните, что члены объекта освобождаются неявно (см. раздел 13.1.3). Точно так же часть базового класса объекта производного класса освобождается автоматически.

Когда производный класс определяет функцию копирования или перемещения, эта функция несет ответственность за копирование или перемещение всего объекта, включая члены базового класса.

#magnify.png Определение конструктора копии или перемещения производного класса

При определении конструктора копии или перемещения (см. раздел 13.1.1 и раздел 13.6.2) для производного класса обычно используется соответствующий конструктор базового класса, инициализирующий базовую часть объекта:

class Base { /* ... */ };

class D: public Base {

public:

 // по умолчанию стандартный конструктор базового класса

 // инициализирует базовую часть объекта

 // чтобы использовать конструктор копии или перемещения, его следует

 // вызвать явно

 // конструктор в списке инициализации конструктора

 D(const D& d) : Base(d) // копирование базовых членов

  /* инициализаторы для членов класса D */ { /* ... */ }

 D(D&& d): Base(std::move(d)) // перемещение базовых членов

  /* инициализаторы для членов класса D */ { /* ... */ }

};

Инициализатор Base(d) передает объект класса D конструктору базового класса. Хотя в принципе у класса Base может быть конструктор с параметром типа D, на практике это очень маловероятно. Вместо этого инициализатор Base(d) будет (обычно) соответствовать конструктору копий класса Base. В этом конструкторе объект d будет связан с параметром типа Base&. Конструктор копий класса Base скопирует базовую часть объекта d в создаваемый объект. Будь инициализатор для базового класса пропущен, для инициализации базовой части объекта класса D будет использован стандартный конструктор класса Base.

// вероятно, неправильное определение конструктора копий D

// часть базового класса инициализируется по умолчанию, а не копией

D(const D& d) /* инициализаторы членов класса, но не базового класса */

 { /* ... */ }

Предположим, что конструктор класса D копирует производные члены объекта d. Этот вновь созданный объект был бы настроен странно: его члены класса Base содержали бы значения по умолчанию, в то время как его члены класса D были бы копиями данных из другого объекта.

По умолчанию стандартный конструктор базового класса инициализирует часть базового класса объекта производного. Если необходимо копирование (или перемещение) части базового класса, следует явно использовать конструктор копий (или перемещения) для базового класса в списке инициализации конструктора производного.

Оператор присвоения производного класса

Подобно конструктору копирования и перемещения, оператор присвоения производного класса (см. раздел 13.1.2 и раздел 13.6.2) должен присваивать свою базовую часть явно:

// Base::operator=(const Base&) не вызывается автоматически

D &D::operator=(const D &rhs) {

 Base::operator=(rhs); // присваивает базовую часть

 // присвоение членов в производном классе, как обычно,

 // отработка самоприсвоения и освобождения ресурсов

 return *this;

}

Этот оператор начинается с явного вызова оператора присвоения базового класса, чтобы присвоить члены базовой части объекта производного. Оператор базового класса (по-видимому, правильно) отработает случай присвоения себя себе и, если нужно, освободит прежнее значение в базовой части левого операнда и присвоит новое значение правой. По завершении работы оператора продолжается выполнение всего необходимого для присвоения членов в производном классе.

Следует заметить, что конструктор или оператор присвоения производного класса может использовать соответствующую функцию базового класса независимо от того, определил ли базовый класс собственную версию этого оператора или использует синтезируемую. Например, вызов оператора Base::operator= выполняет оператор присвоения копии в классе Base. При этом несущественно, определяется ли этот оператор классом Base явно или синтезируется компилятором.

Деструктор производного класса

Помните, переменные-члены объекта неявно удаляются после завершения выполнения тела деструктора (см. раздел 13.1.3). Точно так же части базового класса объекта тоже удаляются неявно. В результате, в отличие от конструкторов и операторов присвоения, производный деструктор отвечает за освобождение только тех ресурсов, которые зарезервировал производный класс:

class D: public Base {

public:

 // Base::~Base вызывается автоматически

 ~D() { /* освободить члены производного класса */ }

};

Объекты удаляются в порядке, противоположном их созданию: сначала выполняется деструктор производного класса, а затем деструкторы базового класса, назад по иерархии наследования.

Вызовы виртуальных функций в конструкторах и деструкторах

Как уже упоминалось, сначала создается часть базового класса в объекте производного. Пока выполняется конструктор базового класса, производная часть объекта остается неинициализированной. Точно так же производные объекты удаляются в обратном порядке, чтобы при выполнении деструктора базового класса производная часть уже была удалена. В результате на момент выполнения членов базового класса объект оказывается в незавершенном состоянии.

Чтобы приспособиться к этой незавершенности, компилятор рассматривает объект как изменяющий свой тип во время создания или удаления. Таким образом, во время создания объекта он считается объектом того же класса, что и конструктор; вызовы виртуальной функции будут связаны так, как будто у объекта тот же тип, что и у самого конструктора. Аналогично для деструктора. Эта привязка относится к виртуальным функциям, вызванным непосредственно или косвенно, из функции, которую вызывает конструктор (или деструктор).

Чтобы понять это поведение, рассмотрим, что произошло бы, если бы версия виртуальной функции производного класса была вызвана из конструктора базового класса. Эта виртуальная функция, вероятно, обратится к членам производного объекта. В конце концов, если бы виртуальная функция не должна была использовать члены производного объекта, то производный класс, вероятно, мог бы использовать ее версию в базовом классе. Но во время выполнения конструктора базового класса эти члены остаются неинициализированными. Если бы такой доступ был разрешен, то работа программы, вероятно, закончилась бы катастрофически.

Если конструктор или деструктор вызывает виртуальную функцию, то выполняемая версия будет соответствовать типу самого конструктора или деструктора.

Упражнения раздела 15.7.3

Упражнение 15.26. Определите для классов Quote и Bulk_quote функции-члены управления копированием, осуществляющие те же действия, что и синтезируемые версии. Снабдите их и другие конструкторы операторами вывода, идентифицирующими выполняемую функцию. Напишите программу с использованием этих классов и укажите, какие объекты будут созданы и удалены. Сравните свои предположения с выводом и продолжите экспериментировать, пока ваши предположения не станут правильными.

 

15.7.4. Унаследованные конструкторы

По новому стандарту производный класс может многократно использовать конструкторы, определенные его прямым базовым классом. Хотя, как будет продемонстрировано далее, такие конструкторы не наследуются в обычном смысле этого слова, о них, тем не менее, говорят как об унаследованных. По тем же причинам, по которым класс может инициализировать только свой прямой базовый класс, класс может наследовать конструкторы только от своего прямого базового класса. Класс не может унаследовать стандартный конструктор, конструктор копий и перемещения. Если производный класс не определяет эти конструкторы сам, то компилятор синтезирует их, как обычно.

Производный класс наследует конструкторы своего базового класса при помощи объявления using, в котором указан его (прямой) базовый класс. В качестве примера можно переопределить класс Bulk_quote (см. раздел 15.4) так, чтобы он унаследовал конструкторы от класса Disc_quote:

class Bulk_quote : public Disc_quote {

public:

 using Disc_quote::Disc_quote; // наследует конструкторы Disc_quote

 double net_price(std::size_t) const;

};

Обычно объявление using просто делает имя видимым в текущей области видимости. Применительно к конструктору объявление using приводит к созданию компилятором кода. Компилятор создает в производном классе конструктор, соответствующий каждому конструктору в базовом классе. Таким образом, для каждого конструктора в базовом классе компилятор создает в производном классе конструктор с таким же списком параметров.

Эти созданные компилятором конструкторы имеют такую форму:

производный ( параметры ) : базовый ( аргументы ) { }

где производный — имя производного класса; базовый — имя базового класса; параметры — список параметров конструктора; аргументы передают параметры из конструктора производного класса в конструктор базового. В классе Bulk_quote унаследованный конструктор был бы эквивалентен следующему:

Bulk_quote(const std::string& book, double price,

           std::size_t qty, double disc):

            Disc_quote(book, price, qty, disc) { }

Если у производного класса есть какие-нибудь собственные переменные-члены, они инициализируются по умолчанию (см. раздел 7.1.4).

Характеристики унаследованного конструктора

В отличие от объявлений using для обычных членов, объявление using для конструктора не изменяет уровень доступа унаследованного конструктора (конструкторов). Например, независимо от того, где расположено объявление using, закрытый конструктор в базовом классе остается закрытым в производном; то же относится к защищенным и открытым конструкторам.

Кроме того, объявление using не может использовать определение как explicit или constexpr. Если конструктор объявлен как explicit (см. раздел 7.5.4) или constexpr (см. раздел 7.5.6) в базовом классе, у унаследованного конструктора будет то же свойство.

Если у конструктора базового класса есть аргументы по умолчанию (см. раздел 6.5.1), они не наследуются. Вместо этого производный класс получает несколько унаследованных конструкторов, в которых каждый параметр с аргументом по умолчанию благополучно пропущен. Например, если у базового класса будет конструктор с двумя параметрами, у второго из которых будет аргумент по умолчанию, то производный класс получит два конструктора: один с обоими параметрами (и никакого аргумента по умолчанию) и второй конструктор с одним параметром, соответствующим левому параметру без аргумента по умолчанию в базовом классе.

Если у базового класса есть несколько конструкторов, то за двумя исключениями производный класс унаследует каждый из конструкторов своего базового класса. Первое исключение — производный класс может унаследовать некоторые конструкторы и определить собственные версии других конструкторов. Если производный класс определяет конструктор с теми же параметрами, что и конструктор в базовом классе, то этот конструктор не наследуется. Конструктор, определенный в производном классе, используется вместо унаследованного конструктора.

Второе исключение — стандартный конструктор, конструктор копий и конструктор перемещения не наследуются. Эти конструкторы синтезируются с использованием обычных правил. Унаследованный конструктор не рассматривается как пользовательский конструктор. Поэтому у класса, который содержит только унаследованные конструкторы, будет синтезируемый стандартный конструктор.

Упражнения раздела 15.7.4

Упражнение 15.27. Переопределите свой класс Bulk_quote так, чтобы унаследовать его конструкторы.

 

При использовании контейнера для хранения объектов из иерархии наследования их обычно хранят косвенно. Нельзя поместить объекты связанных наследованием типов непосредственно в контейнер, поскольку нет никакого способа определить контейнер, содержащий элементы разных типов.

В качестве примера определим вектор, содержащий несколько объектов для книг, которые клиент желает купать. Вполне очевидно, что не получится использовать вектор, содержащий объекты класса Bulk_quote. Нельзя преобразовать объекты класса Quote в объекты класса Bulk_quote (см. раздел 15.2.3), поэтому объекты класса Quote в этот вектор поместить не получится.

Может быть и не так очевидно, но вектор объектов типа Quote также нельзя использовать. В данном случае можно поместить объекты класса Bulk_quote в контейнер, но эти объекты перестанут быть объектами класса Bulk_quote:

vector basket;

basket.push_back(Quote("0-2 01-82 4 7 0-1", 50));

// ok, но в basket копируется только часть Quote объекта

basket.push_back(Bulk_quote("0-201-54848-8", 50, 10, .25));

// вызов версии, определенной в Quote, выводит 750, т.е. 15 * $50

cout << basket.back().net_price(15) << endl;

Элементами вектора basket являются объекты класса Quote. Когда в вектор добавляется объект класса Bulk_quote, его производная часть игнорируется (см. раздел 15.2.3).

Поскольку при присвоении объекту базового класса объект производного класса усекается, контейнеры не очень удобны для хранения объектов разных классов, связанных наследственными отношениями.

Помещайте в контейнеры указатели (интеллектуальные), а не объекты

Когда необходим контейнер, содержащий объекты, связанные наследованием, как правило, определяют контейнер указателей (предпочтительно интеллектуальных (см. раздел 12.1)) на базовый класс. Как обычно, динамический тип объекта, на который указывает этот указатель, мог бы быть типом базового класса или типом, производным от него:

vector> basket;

basket.push_back(make_shared("0-201-82470-1", 50));

basket.push_back(

 make_shared("0-201-54848-8", 50, 10, .25));

// вызов версии, определенной в Quote, выводит 562.5,

// т.е. со скидкой, меньше, чем 15 * $50

cout << basket.back()->net_price(15) << endl;

Поскольку вектор basket содержит указатели shared_ptr, для получения объекта, функция net_price() которого выполнится, следует обратиться к значению, возвращенному функцией basket.back(). Для этого в вызове функции net_price() используется оператор ->. Как обычно, вызываемая версия функции net_price() зависит от динамического типа объекта, на который указывает этот указатель.

Следует заметить, что вектор basket был определен как shared_ptr, все же во втором вызове функции push_back() был передан указатель на объект класса Bulk_quote. Подобно тому, как можно преобразовать обычный указатель на производный тип в указатель на тип базового класса (см. раздел 15.2.2), можно также преобразовать интеллектуальный указатель на производный тип в интеллектуальный указатель на тип базового класса. Таким образом, вызов функции make_shared() возвращает объект shared_ptr, в который преобразуется shared_ptr при вызове функции push_back(). В результате, несмотря на внешний вид, у всех элементов вектора basket будет тот же тип.

Упражнения раздела 15.8

Упражнение 15.28. Определите вектор для содержания объектов класса Quote, но поместите в него объекты класса Bulk_quote. Вычислите общую сумму результатов вызова функции net_price() для всех элементов вектора.

Упражнение 15.29. Повторите предыдущую программу, но на сей раз храните указатели shared_ptr на объекты типа Quote. Объясните различие в сумме данной версии программы и предыдущей. Если никакой разницы нет, объясните почему.

 

15.8.1. Разработка класса

Basket

Ирония объектно-ориентированного программирования на языке С++ в том, что невозможно использовать объекты непосредственно. Вместо них приходится использовать указатели и ссылки. Поскольку указатели усложняют программы, зачастую приходится определять вспомогательные классы, чтобы избежать осложнений. Для начала определим класс, представляющий корзину покупателя:

class Basket {

public:

 // Basket использует синтезируемый стандартный конструктор и

 // функции-члены управления копированием

 void add_item(const std::shared_ptr &sale)

  { items.insert(sale); }

 // выводит общую стоимость каждой книги и общий счет для всех

 // товаров в корзинке

 double total_receipt(std::ostream&) const;

private:

 // функция сравнения shared_ptr, необходимая элементам

 // набора multiset

 static bool compare(const std::shared_ptr &lhs,

                     const std::shared_ptr &rhs)

  { return lhs->isbn() < rhs->isbn(); }

 // набор multiset содержит несколько стратегий расценок,

 // упорядоченных по сравниваемому элементу

 std::multiset, decltype(compare)*>

  items{compare};

}

Для хранения транзакций класс использует контейнер multiset (см. раздел 11.2.1), позволяющий содержать несколько транзакций по той же книге, чтобы все транзакции для данной книги находились вместе (см. раздел 11.2.2).

Элементами контейнера multiset будут указатели shared_ptr, и для них нет оператора "меньше". В результате придется предоставить собственный оператор сравнения для упорядочивания элементов (см. раздел 11.2.2). Здесь определяется закрытая статическая функция-член compare(), сравнивающая isbn объектов, на которые указывают указатели shared_ptr. Инициализируем контейнер multiset с использованием этой функции сравнения и внутриклассового инициализатора (см. раздел 7.3.1):

// набор multiset содержит несколько стратегий расценок,

// упорядоченных по сравниваемому элементу

std::multiset, decltype(compare)*>

 items{compare};

Это объявление может быть трудно понять, но, читая его слева направо, можно заметить, что определяется контейнер multiset указателей shared_ptr на объекты класса Quote. Для упорядочивания элементов контейнер multiset будет использовать функцию с тем же типом, что и функция-член compare(). Элементами контейнера multiset будут объекты items, которые инициализируются для использования функции compare().

Определение членов класса Basket

Класс Basket определяет только две функции. Функция-член add_item() определена в классе. Она получает указатель shared_ptr на динамически созданный объект класса Quote и помещает его в контейнер multiset. Вторая функция-член, total_receipt(), выводит полученный счет для содержимого корзины и возвращает цену за все элементы в ней:

double Basket::total_receipt(ostream &os) const {

 double sum = 0.0; // содержит текущую сумму

 // iter ссылается на первый элемент в пакете элементов с тем же ISBN

 // upper_bound() возвращает итератор на элемент сразу после

 // конца этого пакета

 for (auto iter = items.cbegin();

      iter != items.cend();

      iter = items.upper_bound(*iter)) {

  // известно, что в Basket есть по крайней мере один элемент

  // с этим ключом

  // вывести строку для элемента этой книги

  sum += print_total(os, **iter, items.count(*iter));

 }

 os << "Total Sale: " << sum << endl; // вывести в конце общий счет

 return sum;

}

Цикл for начинается с определения и инициализации итератора iter на первый элемент контейнера multiset. Условие проверяет, не равен ли iter значению items.cend(). Если да, то обработаны все покупки и цикл for завершается. В противном случае обрабатывается следующая книга.

Интересный момент — выражение "инкремента" в цикле for. Это не обычный цикл, читающий каждый элемент и перемещающий итератор iter на следующий. При вызове функции upper_bound() (см. раздел 11.3.5) он перескакивает через все элементы, которые соответствуют текущему ключу. Вызов функции upper_bound() возвращает итератор на элемент сразу после последнего с тем же ключом, что и iter. Возвращаемый итератор обозначает или конец набора, или следующую книгу.

Для вывода подробностей по каждой книге в корзине в цикле for происходит вызов функции print_total() (см. раздел 15.1):

sum += print_total(os, **iter, items.count(*iter));

Аргументами функции print_total() являются поток ostream для записи, обрабатываемый объект Quote и счет. При обращении к значению итератора iter возвращается указатель shared_ptr, указывающий на объект, который предстоит вывести. Чтобы получить этот объект, следует обратиться к значению этого указателя shared_ptr. Таким образом, выражение **iter возвращает объект класса Quote (или класса производного от него). Для выяснения количества элементов в контейнере multiset с тем же ключом (т.е. с тем же ISBN) используется его функция-член count() (см. раздел 11.3.5).

Как уже упоминалось, функция print_total() осуществляет вызов виртуальной функции net_price(), поэтому полученная цена зависит от динамического типа **iter. Функция print_total() выводит общую сумму для данной книги и возвращает вычисленную общую стоимость. Результат добавляется в переменную sum, которая выводится после завершения цикла for.

Сокрытие указателей

Пользователи класса Basket все еще должны иметь дело с динамической памятью, поскольку функция add_item() получает указатель shared_ptr. В результате пользователи вынуждены писать код так:

Basket bsk;

bsk.add_item(make_shared("123", 45));

bsk.add_item(make_shared("345", 45, 3, .15));

На следующем этапе переопределим функцию add_item() так, чтобы она получала объект класса Quote вместо указателя shared_ptr. Эта новая версия функции add_item() отработает резервирование памяти так, чтобы пользователи больше не должны были делать это сами. Определим две ее версии: одна будет копировать переданный ей объект, а другая перемещать его (см. раздел 13.6.3):

void add_item(const Quote& sale); // копирует переданный объект

void add_item(Quote&& sale);      // перемещает переданный объект

Единственная проблема в том, что функция add_item() не знает, какой тип резервировать. При резервировании памяти функция add_item() скопирует (или переместит) свой параметр sale. Выражение new будет выглядеть примерно так:

new Quote(sale)

К сожалению, это выражение будет неправильным: оператор new резервирует объект запрошенного типа. Оно резервирует объект типа Quote и копирует часть Quote параметра sale. Но если переданный параметру sale объект будет иметь тип Bulk_quote, то он будет усечен.

#magnify.png Имитация виртуального копирования

Эту проблему можно решить, снабдив класс Quote виртуальной функцией-членом, резервирующей его копию.

class Quote {

 public:

 // виртуальная функция, возвращающая динамически созданную копию

 // эти члены используют квалификаторы ссылки; раздел 13.6.3

 virtual Quote* clone() const & {return new Quote(*this);}

 virtual Quote* clone() &&

  {return new Quote(std::move(*this));}

 // другие члены как прежде

};

class Bulk_quote : public Quote {

 Bulk_quote* clone() const & {return new Bulk_quote(*this);}

 Bulk_quote* clone() &&

  {return new Bulk_quote(std::move(*this));}

 // другие члены, как прежде

};

Поскольку функция add_item() имеет версии копирования и перемещения, были определены версии l- и r-значения функции clone() (см. раздел 13.6.3). Каждая функция clone() резервирует новый объект ее собственного типа. Функция-член константной ссылки на l-значение копирует себя во вновь зарезервированный объект; функция-член ссылки на r-значение перемещает свои данные.

Используя функцию clone(), довольно просто написать новые версии функции add_item():

class Basket {

public:

 void add_item(const Quote& sale) // копирует переданный объект

  { items.insert(std::shared_ptr(sale.clone())); }

 void add_item(Quote&& sale)      // перемещает переданный объект

  { items.insert(

     std::shared_ptr(std::move(sale).clone())); }

 // другие члены, как прежде

};

Как и сама функция add_item(), функция clone() перегружается на основании того, вызвана ли она для l- или r-значения. Таким образом, первая версия функции add_item() вызывает константную версию l-значения функции clone(), а вторая версия вызывает версию ссылки на r-значение. Обратите внимание, что хотя в версии r-значения типом параметра sale является ссылка на r-значение, сам параметр sale (как и любая другая переменная) является l-значением (см. раздел 13.6.1). Поэтому для привязки ссылки на r-значение к параметру sale вызывается функция move().

Наша функция clone() является также виртуальной. Будет ли выполнена функция из класса Quote или Bulk_quote, зависит (как обычно) от динамического типа параметра sale. Независимо от того, копируются или перемещаются данные, функция clone() возвращает указатель на вновь зарезервированный объект его собственного типа. С этим объектом связывается указатель shared_ptr, и вызывается функция insert() для добавления этого вновь зарезервированного объекта к items. Обратите внимание: так как указатель shared_ptr поддерживает преобразование производного класса в базовый (см. раздел 15.2.2), указатель shared_ptr можно привязать к Bulk_quote*.

Упражнения раздела 15.8.1

Упражнение 15.30. Напишите собственную версию класса Basket и используйте ее для вычисления цены за те же транзакции, что и в предыдущих упражнениях.

 

В качестве последнего примера наследования дополним приложение текстового запроса из раздела 12.3. Написанные в этом разделе классы позволят искать вхождения данного слова в файле. Дополним эту систему возможностью создавать более сложные запросы. В этих примерах запросы будут выполняться к тексту следующей истории:

Alice Emma has long flowing red hair.

Her Daddy says when the wind blows

through her hair, it looks almost alive,

like a fiery bird in flight.

A beautiful fiery bird, he tells her,

magical but untamed.

"Daddy, shush, there is no such thing,"

she tells him, at the same time wanting

him to tell her more.

Shyly, she asks, "I mean, Daddy, is there?"

Система должна поддерживать следующие запросы.

• Запросы слов находят все строки, соответствующие заданной строке:

Executing Query for: Daddy

Daddy occurs 3 times

(line 2) Her Daddy says when the wind blows

(line 7) "Daddy, shush, there is no such thing,"

(line 10) Shyly, she asks, "I mean, Daddy, is there?"

• Инверсный запрос с использованием оператора ~ возвращает строки, которые не содержат заданную строку:

Executing Query for: ~(Alice)

~(Alice) occurs 9 times

(line 2) Her Daddy says when the wind blows

(line 3) through her hair, it looks almost alive,

(line 4) like a fiery bird in flight.

...

• Запросы ИЛИ с использованием оператора | возвращают строки, содержащие любую из двух заданных строк:

Executing Query for: (hair | Alice)

(hair | Alice) occurs 2 times

(line 1) Alice Emma has long flowing red hair,

(line 3) through her hair, it looks almost alive,

• Запросы И с использованием оператора & возвращают строки, содержащие обе заданные строки:

Executing query for: (hair & Alice)

(hair & Alice) occurs 1 time

(line 1) Alice Emma has long flowing red hair.

Кроме того, нужна возможность объединить эти операторы так

fiery & bird | wind

Для обработки составных выражений, таких как в этом примере, будут использованы обычные правила приоритета С++ (см. раздел 4.1.2). Таким образом, этому запросу соответствует строка, в которой присутствуют слова fiery и bird или слово wind:

Executing Query for: ((fiery & bird) | wind)

((fiery & bird) | wind) occurs 3 times

(line 2) Her Daddy says when the wind blows

(line 4) like a fiery bird in flight.

(line 5) A beautiful fiery bird, he tells her,

В отображаемом результате для указания способа интерпретации запроса используются круглые скобки. Подобно первоначальной реализации, система не должна отображать одинаковые строки несколько раз.

 

15.9.1. Объектно-ориентированное решение

Для представления запросов на поиск слов вполне логично было бы использовать класс TextQuery (см. раздел 12.3.2), а другие классы запросов можно было бы получить как производные от этого класса.

Однако такой подход неверен. Концептуально инверсный запрос не является разновидностью запроса на поиск слова. Инверсный запрос — это скорее запрос типа "имеет" (запрос на поиск слова или любой другой тип запроса), результат которого интерпретируется негативно.

Исходя из этого можно сделать вывод, что разные виды запросов следует оформить как независимые классы, которые совместно используют общий базовый класс:

WordQuery // Daddy

NotQuery  // ~Alice

OrQuery   // hair | Alice

AndQuery  // hair & Alice

Эти классы будет иметь только две функции.

• Функция eval(), получающая объект класса TextQuery и возвращающая объект класса QueryResult. Для поиска запрошенной строки функция eval() будет использовать переданный объект класса TextQuery.

• Функция rep(), возвращающая строковое представление базового запроса. Эту функцию использует функция eval() для создания объекта класса QueryResult, представляющего соответствия, а также оператор вывода, отображающий выражение запроса.

Абстрактный базовый класс

Как уже упоминалось, все четыре типа запроса не связаны друг с другом наследованием; концептуально они элементы одного уровня. Каждый класс использует тот же интерфейс, а значит, для представления этого интерфейса следует определить абстрактный базовый класс (см. раздел 15.4). Назовем этот абстрактный базовый класс Query_base, поскольку он должен служить корневым классом иерархии запроса.

Ключевая концепция. Наследование или композиция

Проектирование иерархии наследования — это достаточно сложная тема, которая выходит за рамки данного вводного курса. Однако имеет смысл упомянуть об одном достаточно важном факторе проектирования, с которым должен быть знаком каждый программист.

При определении класса как открыто производного от другого производный и базовый классы реализуют взаимоотношения типа " является " (is а). В хорошо проработанных иерархиях объекты открыто унаследованных классов применимы везде, где ожидается объект базового класса.

Еще одним популярным способом взаимоотношений классов является принцип " имеет " (has а). Типы, связанные отношениями " имеет ", подразумевают принадлежность.

В рассматриваемом примере с книжным магазином базовый класс представляет концепцию книги, продаваемой по предусмотренной цене, а класс Bulk_quote " является " конкретной книгой, продаваемой по розничной цене с определенной стратегией скидок. Классы приложения книжного магазина " имеют " цену и ISBN.

Класс Query_base определит функции eval() и rep() как чистые виртуальные (см. раздел 15.4). Каждый из классов, представляющих специфический вид запроса, должен переопределить эти функции. Классы WordQuery и NotQuery унаследуем непосредственно от класса Query_base. У классов AndQuery и OrQuery будет одна общая особенность, которой не будет у остальных классов в системе: у каждого будет по два операнда. Для моделирования этой особенности определим другой абстрактный базовый класс, BinaryQuery, представляющий запросы с двумя операндами. Классы AndQuery и OrQuery наследуются от класса BinaryQuery, который в свою очередь наследуется от класса Query_base. Результатом этих решений будет проект классов, представленный на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Иерархия наследования Query_base

Сокрытие иерархии в классе интерфейса

Рассматриваемая программа будет отрабатывать запросы, а не создавать их. Но чтобы запустить программу на выполнение, необходимо определить способ создания запроса. Проще всего сделать это непосредственно в коде при помощи выражения С++. Например, чтобы создать описанный ранее составной запрос, можно использовать следующий код:

Query q = Query("fiery") & Query("bird") | Query ("wind");

Это довольно сложное описание неявно предполагает, что код пользовательского уровня не будет использовать унаследованные классы непосредственно. Вместо этого будет создан класс интерфейса по имени Query (Запрос), который и скроет иерархию. Класс Query будет хранить указатель на класс Query_base. Этот указатель будет связан с объектом типа, производного от класса Query_base. Класс Query будет предоставлять те же функции, что и классы Query_base: функцию eval() для обработки соответствующего запроса и функцию rep() для создания строковой версии запроса. В нем также будет определен перегруженный оператор вывода, чтобы отображать соответствующий запрос.

Пользователи будут создавать объекты класса Query_base и работать с ними только косвенно, через функции объектов класса Query. Для класса Query, наряду с получающим строку конструктором, определим три перегруженных оператора. Каждая из этих функций будет динамически резервировать новый объект типа, производного от класса Query_base:

• Оператор & создает объект класса Query, связанный с новым объектом класса AndQuery.

• Оператор | создает объект класса Query, связанный с новым объектом класса OrQuery.

• Оператор ~ создает объект класса Query, связанный с новым объектом класса NotQuery.

• Конструктор класса Query, получающий строку и создающий новый объект класса WordQuery.

Как работают эти классы

Следует понять, что работа этого приложения состоит в основном из построения объектов для представления запросов пользователя. Например, приведенное выше выражение создает коллекцию взаимодействовавших объектов, представленных на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Объекты, созданные выражениями запросов

Как только создано дерево объектов, обработка (или отображение) данного запроса сводится к простому процессу (осуществляемому компилятором), который, следуя по линиям, опрашивает каждый объект дерева, чтобы выполнить (или отобразить) необходимые действия. Например, если происходит вызов функции eval() объекта q (т.е. корневого класса дерева), функция eval() опросит объект класса OrQuery, на который он указывает. Обработка этого объекта класса OrQuery приведет к вызову функции eval() для двух его операндов, что, в свою очередь, приведет к вызову функции eval() для объектов классов AndQuery и WordQuery, которые осуществляют поиск слова wind. Обработка объекта класса AndQuery, в свою очередь, приведет к обработке двух его объектов класса WordQuery, создав результаты для слов fiery и bird соответственно.

Новичкам в объектно-ориентированном программировании зачастую трудней всего разобраться в проекте программы. Но как только проект станет абсолютно понятен, его реализация не вызывает проблем. Чтобы проще было понять суть проекта, все используемые в этом примере классы были обобщены в табл. 15.1.

Таблица 15.1. Обзор проекта программы

Упражнения раздела 15.9.1

Упражнение 15.31. При условии, что s1, s2, s3 и s4 являются строками укажите, какие объекты создаются в следующих выражениях:

(a) Query(s1) | Query(s2) & ~ Query(s3);

(b) Query(s1) | (Query(s2) & ~ Query(s3));

(c) (Query(s1) & (Query(s2)) | (Query(s3) & Query(s4)));

 

15.9.2. Классы

Query_base

и

Query

Начнем реализацию с определения класса Query_base:

// абстрактный класс, являющийся базовым для конкретных типов запроса;

// все члены закрыты

class Query_base {

 friend class Query;

protected:

 using line_no = TextQuery::line_no; // используется в функциях eval()

 virtual ~Query_base() = default;

private:

 // eval() возвращает соответствующий запросу QueryResult

 virtual QueryResult eval(const TextQuery&) const = 0;

 // rep() строковое представление запроса

 virtual std::string rep() const = 0;

};

Обе функции, eval() и rep(), являются чистыми виртуальными, что делает класс Query_base абстрактным базовым (см. раздел 15.4). Поскольку класс Query_base не предназначен для пользователей и непосредственного использования в производных классах, у него нет открытых членов. Класс Query_base будет использоваться только через объекты класса Query. Класс предоставляет дружественные отношения классу Query, поскольку его члены вызывают виртуальные функции класса Query_base.

Защищенный член line_no будет использоваться в функциях eval(). Деструктор также будет защищен, поскольку он используется (неявно) деструкторами в производных классах.

Класс Query

Класс Query предоставляет интерфейс к иерархии наследования Query_base и скрывает ее. Каждый объект класса Query содержит указатель shared_ptr на соответствующий объект класса Query_base. Поскольку класс Query — единственный интерфейс к классам иерархии Query_base, он должен определить собственные версии функций eval() и rep().

Конструктор Query(), получающий строку, создаст новый объект класса WordQuery и свяжет его указатель-член shared_ptr с этим недавно созданным объектом. Операторы &, | и ~ создают объекты AndQuery, OrQuery и NotQuery соответственно. Эти операторы возвращают объект класса Query, связанный с созданным им объектом. Для поддержки этих операторов класс Query нуждается в конструкторе, получающем указатель shared_ptr на класс Query_base и сохраняющем его. Сделаем этот конструктор закрытым, поскольку объекты класса Query_base не предназначены для определения общим пользовательским кодом. Так как этот конструктор является закрытым, операторы следует сделать дружественными.

Исходя из приведенного выше проекта, сам класс Query довольно прост:

// класс интерфейса для взаимодействия с иерархией

// наследования Query_base

class Query {

 // эти операторы должны обращаться к указателю shared_ptr

 friend Query operator~(const Query &);

 friend Query operator|(const Query&, const Query&);

 friend Query operator&(const Query&, const Query&);

public:

 Query(const std::string&); // создает новый WordQuery

 // функции интерфейса: вызывают соответствующий оператор Query_base

 QueryResult eval(const TextQuery &t) const

  { return q->eval(t); }

 std::string rep() const { return q->rep(); }

private:

 Query(std::shared_ptr query): q(query) { }

 std::shared_ptr q;

};

Начнем с объявления дружественных операторов, создающих объекты класса Query. Эти операторы должны быть друзьями, чтобы использовать закрытый конструктор.

В открытом интерфейсе для класса Query объявляется, но еще не может быть определен получающий строку конструктор. Этот конструктор создает объект класса WordQuery, поэтому невозможно определить этот конструктор, пока не определен сам класс WordQuery.

Два других открытых члена представляют интерфейс для класса Query_base. В каждом случае оператор класса Query использует свой указатель класса Query_base для вызова соответствующей (виртуальный) функции класса Query_base. Фактически вызываемая версия определяется во время выполнения и будет зависеть от типа объекта, на который указывает указатель q.

#magnify.png Оператор вывода класса Query

Оператор вывода — хороший пример того, как работает вся система запросов:

std::ostream &

operator<<(std::ostream &os, const Query &query) {

 // Query::rep() осуществляет виртуальный вызов через свой

 // указатель Query_base на rep()

 return os << query.rep();

}

При выводе объекта класса Query оператор вывода вызывает (открытую) функцию-член rep() класса Query. Эта функция осуществляет виртуальный вызов через свой указатель-член функции-члена rep() объекта, на который указывает данный объект класса Query.

Query andq = Query(sought1) & Query(sought2);

cout << andq << endl;

Таким образом, когда в коде встречается оператор вывода, он вызывает функцию Query::rep() объекта andq. Функция Query::rep() в свою очередь осуществляет виртуальный вызов через свой указатель класса Query_base на версию функции rep() класса Query_base. Поскольку объект andq указывает на объект класса AndQuery, этот вызов выполнит функцию AndQuery::rep().

Упражнения раздела 15.9.2

Упражнение 15.32. Что будет при копировании, перемещении, присвоении и удалении объекта класса Query?

Упражнение 15.33. А объектов класса Query_base?

 

15.9.3. Производные классы

Самая интересная часть классов, производных от класса Query_base, в том, как они представляются. Класс WordQuery проще всех. Его задача — хранение искомого слова.

Другие классы работают на одном или двух операндах. У класса NotQuery один операнд, а у классов AndQuery и OrQuery — по два. Операндами в каждом из этих классов могут быть объекты любого из реальных классов, производных от класса Query_base: NotQuery может быть применен к WordQuery, как и AndQuery, OrQuery или NotQuery. Для обеспечения такой гибкости операнды следует хранить как указатели на класс Query_base. Таким образом, можно привязать указатель на любой необходимый реальный класс.

Но вместо того, чтобы хранить указатель на класс Query_base, классы будут сами использовать объект Query. Подобно тому, как пользовательский код упрощается при использовании класса интерфейса, можно упростить код собственного класса, используя тот же класс.

Теперь, когда конструкция этих классов известна, их можно реализовать.

Класс WordQuery

Класс WordQuery отвечает за поиск заданной строки. Это единственная операция, которая фактически выполняет запрос для данного объекта класса TextQuery:

class WordQuery: public Query_base {

 friend class Query; // Query использует конструктор WordQuery

 WordQuery(const std::string &s) : query_word (s) { }

 // конкретный класс: WordQuery определяет все унаследованные чистые

 // виртуальные функции

 QueryResult eval(const TextQuery &t) const

  { return t.query(query_word); }

 std::string rep() const { return query_word; }

 std::string query_word; // искомое слово

};

Подобно классу Query_base, у класса WordQuery нет открытых членов; он должен сделать класс Query дружественным, чтобы позволить ему получать доступ к конструктору WordQuery().

Каждый из конкретных классов запроса должен определить унаследованные чистые виртуальные функции eval() и rep(). Обе функции определены в теле класса WordQuery: функция eval() вызывает функцию-член query() своего параметра типа TextQuery, который фактически осуществляет поиск в файле; функция rep() возвращает строку, которую данный объект класса WordQuery представляет (т.е. query_word).

Определив класс WordQuery, можно определить конструктор Query(), получающий строку:

inline

Query::Query(const std::string &s): q(new WordQuery(s)) { }

Этот конструктор резервирует объект класса WordQuery и инициализирует его указатель-член так, чтобы он указывал на этот недавно созданный объект.

Класс NotQuery и оператор ~

Оператор ~ подразумевает создание объекта класса NotQuery, содержащего инверсный запрос:

class NotQuery: public Query_base {

 friend Query operator~(const Query &);

 NotQuery(const Query &q): query(q) { }

 // конкретный класс: NotQuery определяет все унаследованные

 // чистые виртуальные функции

 std::string rep() const {return + query.rep() + ")";}

 QueryResult eval(const TextQuery&) const;

 Query query;

};

inline Query operator~(const Query &operand) {

 return std::shared_ptr(new NotQuery(operand));

}

Поскольку все члены класса NotQuery являются закрытыми, объявляем оператор ~ дружественным. Чтобы отобразить объект класса NotQuery, следует вывести символ "~" сопровождаемый основным запросом. Чтобы сделать приоритет очевидным для читателя, заключим запрос в скобки.

Следует заметить то, что вызов функции rep() объекта класса NotQuery в конечном счете приводит к виртуальному вызову функции собственной функции-члена rep(): query.rep() — это невиртуальный вызов функции-члена rep() класса Query. Функция Query::rep() в свою очередь осуществляет вызов q->rep(), являющийся виртуальным вызовом через указатель Query_base.

Оператор ~ динамически резервирует новый объект класса NotQuery. Оператор return (неявно) использует конструктор Query(), получающий указатель shared_ptr. Таким образом, оператор return эквивалентен следующему:

// резервировать новый объект NotQuery

// связать новый объект NotQuery с указателем shared_ptr

shared_ptr tmp(new NotQuery(expr));

return Query(tmp); // использовать конструктор Query(), получающий

                   // указатель shared_ptr

Функция-член eval() достаточно сложна, поэтому реализуем ее вне тела класса. Более подробно функция eval() рассматривается в разделе 15.9.4.

Класс BinaryQuery

Класс BinaryQuery — это абстрактный базовый класс, содержащий данные, необходимые двум классам запроса, AndQuery и OrQuery, которые используют по два операнда:

class BinaryQuery: public Query_base {

protected:

 BinaryQuery(const Query &l, const Query &r, std::string s):

  lhs(l), rhs(r), opSym(s) { }

 // абстрактный класс: BinaryQuery функцию eval() не определяет

 std::string rep() const { return "(" + lhs.rep() + " "

                                      + opSym + " "

                                      + rhs.rep() + ")"; }

 Query lhs, rhs;    // правый и левый операнды

 std::string opSym; // имя оператора

};

Данными класса BinaryQuery являются два операнда запроса и символ оператора. Конструктор получает эти два операнда и символ оператора, каждый из которых он хранит в соответствующих переменных-членах.

Чтобы отобразить объект класса BinaryOperator, следует вывести выражение в скобках, состоящее из левого операнда, оператора и правого операнда. Как и в случае класса NotQuery, вызов функции rep() в конечном счете осуществляет вызов виртуальных функций rep() объектов класса Query_base, на которые указывают параметры lhs и rhs.

Класс BinaryQuery не переопределяет функцию eval(), а следовательно, наследует ее чистой виртуальной. Таким образом, класс BinaryQuery остается абстрактным и его объекты создавать нельзя.

Классы AndQuery , OrQuery и их операторы

Классы AndQuery и OrQuery, а также соответствующие им операторы очень похожи:

class AndQuery: public BinaryQuery {

 friend Query operators(const Query&, const Query&);

 AndQuery(const Query &left, const Query &right):

  BinaryQuery(left, right, "&") { }

 // конкретный класс: AndQuery наследует функцию rep(),

 // а остальные чистые виртуальные функции переопределяет

 QueryResult eval(const TextQuery&) const;

};

inline Query operator&(const Query &lhs, const Query &rhs) {

 return std::shared_ptr(new AndQuery(lhs, rhs));

}

class OrQuery: public BinaryQuery {

 friend Query operator|(const Query&, const Query&);

 OrQuery(const Query &left, const Query &right):

  BinaryQuery(left, right, "|") { }

 QueryResult eval(const TextQuery&) const;

};

inline Query operator|(const Query &lhs, const Query &rhs) {

 return std::shared_ptr(new OrQuery(lhs, rhs));

}

Эти классы объявляют соответствующий оператор дружественным и определяют конструктор, создающий их базовую часть класса BinaryQuery с соответствующим оператором. Они наследуют определение функции rep() от класса BinaryQuery, но каждый из них определяет собственную версию функции eval().

Как и оператор операторы & и | возвращают указатель shared_ptr на вновь созданный объект соответствующего типа. Этот указатель shared_ptr приводится к типу Query в операторе return каждого из этих операторов.

Упражнения раздела 15.9.3

Упражнение 15.34. Исходя из выражения, представленного на рис. 15.3:

(a) Перечислите конструкторы, задействованные при обработке этого выражения;

(b) Перечислите обращения к функции rep() из выражения cout << q;

(c) Перечислите обращения к функции eval() из выражения q.eval.

Упражнение 15.35. Реализуйте классы Query и Query_base, включая определение функции rep(), но исключая определение функции eval().

Упражнение 15.36. Добавьте операторы вывода в конструкторы и функции-члены rep(). Запустите код на выполнение, чтобы проверить свои ответы на вопросы (а) и (b) первого упражнения.

Упражнение 15.37. Какие изменения следовало бы внести в классы, если бы у производных классов были члены типа shared_ptr, а не типа Query?

Упражнение 15.38. Допустимы ли следующие объявления? Если нет, то почему? Если да, то что они означают?

BinaryQuery а = Query("fiery") & Query("bird");

AndQuery b = Query("fiery") & Query("bird");

OrQuery с = Query("fiery") & Query("bird");

 

15.9.4. Виртуальные функции

eval()

Функции eval() — основа системы запросов. Каждая из них вызывает функцию eval() своего операнда (операндов), а затем применяет собственную логику вычислений: функция eval() класса OrQuery возвращает объединение результатов своих операндов, а функция eval() класса AndQuery возвращает их пересечение. Функция eval() класса NotQuery немного сложней: она должна возвращать номера строк, не входящих в набор операнда.

Для обеспечения обработки в функциях eval() необходимо использовать ту версию класса QueryResult, в который определены члены, добавленные в упражнениях раздела 12.3.2. Подразумевается, что у класса QueryResult есть функции-члены begin() и end(), позволяющие перебрать набор номеров строк, которые содержит объект класса QueryResult. Подразумевается также, что у класса QueryResult есть функция-член get_file(), возвращающая указатель shared_ptr на файл, к которому осуществляется запрос.

Класс Query использует функции-члены begin() и end(), определенные для класса QueryResult в упражнении 12.3.2.

Функция OrQuery::eval()

Функция eval() класса OrQuery объединяет наборы номеров строк, возвращенных его операндами, т.е. ее результатом является объединение результатов двух операндов.

Объект класса OrQuery представляет объединение результатов двух своих операндов, полученных при вызове функции-члена eval() каждого из них. Поскольку эти операнды являются объектами класса Query, вызов функции eval() является вызовом Query::eval(), который в свою очередь осуществляет виртуальный вызов функции eval() объекта базового класса Query_base. Каждый из этих вызовов возвращает объект класса QueryResult, представляющий номера строк, в которых присутствует его операнд. Эти номера строк объединяются в новый набор:

// возвращает объединение наборов результатов своих операндов

QueryResult

OrQuery::eval(const TextQuery& text) const {

 // виртуальные вызовы через члены Query, lhs и rhs

 // вызовы eval() возвращают QueryResult для каждого операнда

 auto right = rhs.eval(text), left = lhs.eval(text);

 // копировать номера строк левого операнда в результирующий набор

 auto ret_lines =

  make_shared>(left.begin(), left.end());

 // вставить строки из правого операнда

 ret_lines->insert(right.begin(), right.end());

 // возвратить новый QueryResult, представляющий объединение lhs и rhs

 return QueryResult(rep(), ret_lines, left.get_file());

}

Набор ret_lines инициализируется с использования того конструктора, который получает пару итераторов. Функции-члены begin() и end() класса QueryResult возвращают итераторы на номера строк набора. Таким образом, набор ret_lines создается при копировании элементов из набора left. Затем для вставки элементов из набора right вызывается функция insert(). После этого вызова набор ret_lines содержит номера строк из наборов, которые присутствуют в наборах left или right.

Функция eval() завершает работу, создавая и возвращая объект класса QueryResult, представляющий объединение соответствий. Конструктор QueryResult() (см. раздел 12.3.2) получает три аргумента: строку, представляющую запрос, указатель shared_ptr на набор соответствующих номеров строк и указатель shared_ptr на вектор, представляющий входной файл. Вызов функции rep() позволяет создать строку, а вызов функции get_file() — получить указатель shared_ptr на файл. Поскольку оба набора, left и right, относятся к тому же файлу, не имеет значения, который из них использовать для функции get_file().

Функция AndQuery::eval()

Версия функции eval() класса AndQuery подобна версии класса OrQuery, за исключением того, что она использует библиотечный алгоритм для поиска строк, общих для обоих запросов:

// возвращает пересечение наборов результатов своих операндов

QueryResult

AndQuery::eval(const TextQuery& text) const {

 // виртуальный вызов через операнды класса Query для получения

 // результирующих наборов для операндов

 auto left = lhs.eval(text), right = rhs.eval(text);

 // набор для хранения пересечения left и right

 auto ret_lines = make_shared>();

 // выводит пересечение двух диапазонов в итератор назначения

 // итератор назначения в этом вызове добавляет элементы в ret

 set_intersection(left.begin(), left.end(),

                  right.begin(), right.end(),

                  inserter(*ret_lines, ret_lines->begin()));

 return QueryResult(rep(), ret_lines, left.get_file());

}

Здесь для объединения двух наборов используется библиотечный алгоритм set_intersection, описанный в приложении А.2.8.

Алгоритм set_intersection получает пять итераторов. Первые четыре он использует для обозначения двух исходных последовательностей (см. раздел 10.5.2). Его последний аргумент обозначает получателя. Алгоритм выводит элементы, присутствующие в обеих исходных последовательностях, в результирующую.

В данном вызове получателем является итератор вставки (см. раздел 10.4.1). Результатом записи алгоритмом set_intersection в этот итератор будет вставка нового элемента в набор ret_lines.

Подобно функции eval() класса OrQuery, эта завершается созданием и возвращением объекта класса QueryResult, представляющего объединение соответствий.

Функция NotQuery::eval()

Функция eval() класса NotQuery ищет в тексте все строки, в которых операнд отсутствует.

// возвращает строки, отсутствующие в наборе результатов

//  операнда QueryResult

NotQuery::eval(const TextQuery& text) const {

 // виртуальный вызов для вычисления операнда Query

 auto result = query.eval(text);

 // начать с пустого результирующего набора данных

 auto ret_lines = make_shared>();

 // следует перебрать строки, в которых присутствует операнд

 auto beg = result.begin(), end = result.end();

 // для каждой строки во входном файле, если она отсутствует

 // в result, добавить ее номер в ret_lines

 auto sz = result.get_file()->size();

 for (size_t n = 0; n != sz; ++n) {

  // если не обработаны все строки в result

  // проверить присутствие этой строки

  if (beg == end || *beg != n)

   ret_lines->insert(n); // если нет в result, добавить строку

  else if (beg != end)

   ++beg; // в противном случае получить следующий номер строки

          // в result, если она есть

 }

 return QueryResult(rep(), ret_lines, result.get_file());

}

Как и другие функции eval(), данная начинается с вызова функции eval() операнда объекта. Этот вызов возвращает объект класса QueryResult, содержащий номера строк, в которых присутствует операнд. Однако вернуть необходимо набор номеров строк, в которых операнд отсутствует. Как и в других функциях eval(), данная начинается с вызова функции eval() операнда объекта. Вызов возвращает объект класса QueryResult, содержащий номера строк, в которых операнд присутствует, но необходимы номера строки, на которых операнд отсутствует. Поэтому следует найти в файле все строки, отсутствующие в наборе результатов.

Набор создается в результате последовательного перебора целых чисел до размера входного файла. Каждое число, отсутствующее в наборе result, помещается в набор ret_lines. Итераторы beg и end устанавливаются на первый и следующий после последнего элементы в наборе result. Поскольку речь идет о наборе, при переборе номера строк будут следовать в порядке возрастания.

Тело цикла проверяет наличие текущего числа в наборе result. Если его нет, то число добавляется в набор ret_lines. Если он есть, осуществляется приращение итератора beg набора result.

Как только все номера строк будут обработаны, возвращается объект класса QueryResult, содержащий набор ret_lines наряду с результатами выполнения функций rep() и get_file(), как и у предыдущих функций eval().

Упражнения раздела 15.9.4

Упражнение 15.39. Реализуйте классы Query и Query_base. Проверьте приложение на вычислении и выводе запроса, представленного на рис. 15.3.

Упражнение 15.40. Что будет, если параметр rhs функции-члена eval() класса OrQuery возвратит пустой набор? Что, если так поступит ее параметр lhs? Что если и rhs, и lhs возвратят пустые множества?

Упражнение 15.41. Переделайте свои классы так, чтобы использовать встроенные указатели на класс Query_base, а не интеллектуальные указатели shared_ptr. Помните, что ваши классы больше не смогут использовать синтезируемые функции-члены управления копированием.

Упражнение 15.42. Разработайте и реализуйте одно из следующих дополнений.

(a) Организуйте вывод слов только однажды в предложении, а не однажды в строке.

(b) Снабдите систему историей, позволяющей пользователю обратиться к предыдущему запросу по номеру, а также добавлять или комбинировать их с другими.

(c) Позвольте пользователю ограничивать результаты так, чтобы отображался набор соответствий только в заданном диапазоне строк.

 

Предположим, необходимо написать функцию, которая сравнивает два значения и указывает, является ли первое из них меньшим, равным или большим, чем второе. Фактически придется создать несколько таких функций, каждая из которых сможет сравнивать значения определенного типа. На первом этапе можно было бы определить несколько перегруженных функций.

// возвращает 0, если значения равны, -1, если v1 меньше, и 1,

// если меньше v2

int compare(const string &v1, const string &v2) {

 if (v1 < v2) return -1;

 if (v2 < v1) return 1;

 return 0;

}

int compare(const double &v1, const double &v2) {

 if (v1 < v2) return -1;

 if (v2 < v1) return 1;

 return 0;

}

Эти функции почти идентичны и отличаются только типом параметров. Тела у обеих функций одинаковы.

Повторение тела функции для каждого сравниваемого типа не только утомительно, но и повышает вероятность возникновения ошибок. Однако важней всего то, что в этом случае необходимо заранее знать все типы, которые придется сравнивать. Этот подход не сработает в случае, когда функцию предполагается использовать для типов, неизвестных на данный момент.

 

16.1.1. Шаблоны функций

Вместо того чтобы определять новую функцию для каждого типа, мы можем определить шаблон функции (function template). Шаблон функции — это проект, по которому можно создать некую версию данной функции, специфическую для заданного типа. Шаблон функции compare() может выглядеть так:

template

int compare(const T &v1, const T &v2) {

 if (v1 < v2) return -1;

 if (v2 < v1) return 1;

 return 0;

}

Определение шаблона начинается с ключевого слова template, за которым следует разделяемый запятыми и заключенный в угловые скобки (<>) список параметров шаблона (template parameter list), один или несколько параметров шаблона (template parameter).

Список параметров в определении шаблона не может быть пустым

Список параметров шаблона очень похож на список параметров функции. Список параметров функции задает имена и типы локальных переменных, но оставляет их неинициализированными. Инициализацию параметров во время выполнения обеспечивают аргументы.

Аналогично параметры шаблона представляют типы или значения, используемые при определении класса или функции. При использовании шаблона необходимо (явно или неявно) определить аргументы шаблона (template argument), чтобы связать их с соответствующими параметрами шаблона.

Например, рассматриваемая функция compare() объявляет единственный параметр типа Т. В шаблоне compare имя Т можно использовать там, где должно быть название типа данных. Фактический тип Т будет определен компилятором на основании способа применения функции.

Создание экземпляра шаблона функции

Когда происходит вызов шаблона функции, для вывода типов аргументов шаблона компилятор обычно использует аргументы вызова. Таким образом, когда происходит вызов шаблона compare, компилятор использует тип аргументов для определения типа, связанного с параметром шаблона Т. Рассмотрим следующий вызов:

cout << compare(1, 0) << endl; // Т - тип int

Здесь аргумент имеет тип int. Компилятор выведет и использует тип int как аргумент шаблона, а также свяжет этот аргумент с параметром Т шаблона.

При создании экземпляра (instantiation) специфической версии функции компилятор сам использует выведенные параметры шаблона. При этом он подставляет фактические аргументы шаблона вместо соответствующих параметров шаблона. Рассмотрим следующий вызов:

// создание экземпляра int compare(const int&, const int&)

cout << compare(1, 0) << endl; // T - тип int

// создание

// экземпляра int compare(const vector&, const vector&)

vector vec1{1, 2, 3}, vec2{4, 5, 6};

cout << compare(vec1, vec2) << endl; // T - тип vector

Здесь компилятор создает два экземпляра разных версий функции compare(). В первой из них параметр Т заменен типом int.

int compare(const int &v1, const int &v2) {

 if (v1 < v2) return -1;

 if (v2 < v1) return 1;

 return 0;

}

Во втором вызове создается версия функции compare() с параметром Т, замененным типом vector. Такое создание компилятором функций обычно и называют созданием экземпляра шаблона.

Параметры типа шаблона

У функции compare() есть один параметр типа (type parameter) шаблона. Как правило, параметр типа можно использовать как спецификатор типа таким же образом, как и встроенный спецификатор типа или класса. В частности, параметр типа применим при назначении типа возвращаемого значения или типа параметра функции, а также в объявлениях переменных или приведениях в теле функции:

// ok: для возвращаемого значения и параметра используется тот же тип

template Т foo(Т* p) {

 Т tmp = *p; // тип tmp совпадает с типом, на который указывает p

 // ...

 return tmp;

}

Каждому параметру типа должно предшествовать ключевое слово class или typename:

// ошибка: U должно предшествовать либо typename, либо class

template Т calc(const T&, const U&);

В списке параметров шаблона эти ключевые слова имеют одинаковый смысл и применяются взаимозаменяемо. Оба ключевых слова применимы одновременно:

// ok: в списке параметров шаблона нет никакой разницы между ключевыми

// словами typename и class

template calc(const T&, const U&);

Для обозначения параметра типа шаблона интуитивно понятней использовать ключевое слово typename, а не class; в конце концов, для фактического типа параметра вполне может быть использован встроенный тип, а не только класс. Кроме того, ключевое слово typename более точно указывает на то, что следующее за ним имя принадлежит типу. Однако ключевое слово typename было добавлено в язык С++ как часть стандарта С++, поэтому в устаревших программах, вероятнее всего, осталось исключительно ключевое слово class.

Параметры значения шаблона

Кроме параметров типа, в определении шаблона могут быть использованы параметры значения (nontype parameter). Параметр значения представляет значение, а не тип. При определении параметров значения вместо ключевого слова class или typename используются имена типов.

При создании экземпляра шаблона такие параметры заменяются значением, предоставленным пользователем или выведенным компилятором. Чтобы компилятор смог создать экземпляр шаблона во время компиляции, эти значения должны быть константными выражениями (см. раздел 2.4.4).

В качестве примера напишем версию функции compare(), работающую со строковыми литералами. Такие литералы представляют собой массивы типа const char. Поскольку скопировать массив нельзя, определим параметры как ссылки на массив (раздел 6.2.4). Поскольку необходима возможность сравнивать литералы разных длин, снабдим шаблон двумя параметрами значения. Первый параметр шаблона представляет размер первого массива, а второй — размер второго:

template

int compare(const char (&p1)[N], const char (&p2)[M]) {

 return strcmp(p1, p2);

}

При вызове следующей версии функции compare() компилятор будет использовать размер литералов для создания экземпляра шаблона с размерами, которыми заменяют параметры N и M:

compare("hi", "mom")

Не забывайте, что компилятор завершает строковый литерал пустым символом (см. раздел 2.1.3). В результате компилятор создаст такой экземпляр:

int compare(const char (&p1)[3]Согласно другой трактовке, исключение — это объект системного или пользовательского класса, создаваемого операционной системой или кодом программы в ответ на обстоятельства, либо не допускающие дальнейшего нормального выполнения программы, либо определенные пользователем. Обработка исключений в приложении позволяет корректно выйти из затруднительной ситуации. — Примеч. ред .
, const char (&p2)[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
)

Параметр значения может быть целочисленным типом, указателем, ссылкой на объект (l-значением) или на тип функции. Аргумент, связанный с целочисленным параметром значения, должен быть константным выражением. У аргументов, привязанных к указателю или ссылочному параметру значения, должна быть статическая продолжительность существования (см. главу 12). Нельзя использовать обычный (нестатический) локальный или динамический объект как аргумент шаблона для параметра значения шаблона в виде ссылки или указателя. Параметр-указатель может быть также создан как nullptr или нулевое константное выражение.

Параметр значения шаблона — это константное значение в определении шаблона. Параметр значения применим там, где требуются константные выражения, например, при определении размера массива.

Аргументы шаблона, используемые для параметров значения, должны быть константными выражениями.

Шаблоны функции со спецификаторами inline и constexpr

Шаблон функции может быть объявлен как inline (встраиваемый) или constexpr, как и обычная функция. Спецификаторы inline и constexpr располагаются после списка параметров шаблона, но перед типом возвращаемого значения.

// ok: спецификатор inline следует за списком параметров шаблона

template inline Т min(const Т&, const Т&);

// ошибка: неправильное размещение спецификатора inline

inline template T min(const T&, const T&);

#magnify.png Создание кода, независимого от типа

Продемонстрируем два наиболее важных принципа создания обобщенного кода на примере функции compare().

• Параметры функций в шаблоне должны быть ссылками на константу.

• При проверке в теле шаблона следует использовать только оператор сравнения <.

Объявление параметров функций ссылками на константы гарантирует возможность применения функции к типам, которые не допускают копирования. Большинство типов, включая встроенные типы, но исключая указатели unique_ptr и типы ввода-вывода, а также все использованные ранее библиотечные типы допускают копирование. Но вполне могут встретиться и другие типы, которые не допускают копирования. Сделав параметры ссылками на константы, можно гарантировать применимость таких типов в функции compare(). Кроме того, если функция compare() будет применена для больших объектов, такая конструкция позволит избежать копирования и сэкономит время при выполнении.

Некоторые читатели могут подумать, что для сравнения было бы целесообразней использовать оба оператора < и >.

// ожидаемое сравнение

if (v1 < v2) return -1;

if (v1 > v2) return 1;

return 0;

Однако написание кода, использующего только оператор <, снизит требования к типам, которые применимы в функции compare(). Эти типы должны поддерживать оператор <, но не обязаны поддерживать оператор >.

Фактически, если действительно следует обеспечить независимость от типа и переносимость кода, лучше определить свою функцию, используя тип less (см. раздел 14.8.2):

// версия функции compare(), корректно работающая даже с

// указателями; см. p. 14.8.2

template int compare(const T &v1, const T &v2) {

 if (less()(v1, v2)) return -1;

 if (less()(v2, v1)) return 1;

 return 0;

}

Проблема первоначальной версии в том, что если пользователь вызовет ее с двумя указателями, не указывающими на тот же массив, то результат выполнения кода будет непредсказуем.

При написании кода шаблонов следует постараться минимизировать количество требований, накладываемых на типы аргументов.

#magnify.png Компиляция шаблона

Когда компилятор встречает определение шаблона, он не создает код. Код создается только при создании специфического экземпляра шаблона. Тот факт, что код создается только при использовании шаблона (а не при его определении), влияет как на организацию исходного кода, так и на способы обнаружения ошибок.

Обычно, когда происходит вызов функции, компилятору достаточно объявления функции. Точно так же при использовании объекта класса должно быть доступно определение класса, но определения функций-членов не обязательны. В результате определения классов и объявления функций имеет смысл размещать в файлах заголовка, а определения обычных функций и функций-членов — в файлах исходного кода.

С шаблонами все не так: для создания экземпляра у компилятора должен быть код, определяющий шаблон функции или функцию-член шаблона класса. В результате, в отличие от обычного кода, заголовки для шаблонов обычно включают определения наравне с объявлениями.

Определения шаблонов функций и функций-членов шаблонов классов обычно помещаются в файлы заголовка.

Ключевая концепция. Шаблоны и заголовки

Шаблоны содержат два вида имен:

• не зависящие от параметров шаблона;

• зависящие от параметров шаблона.

Именно разработчик шаблона гарантирует, что все имена, не зависящие от параметров шаблона, будут видимы на момент использования шаблона. Кроме того, разработчик шаблона должен гарантировать видимость определения шаблона, включая определения членов шаблона класса, на момент создания экземпляра шаблона.

Пользователь шаблона должен обеспечить видимость объявлений всех функций, типов и связанных с ними операторов, используемых при создании экземпляра шаблона.

Выполнение этих требований невозможно без хорошо организованной структуры программы, в которой заголовки используются соответствующим образом. Автор шаблона должен предоставить заголовок, который содержит объявления всех имен, используемых в шаблоне класса или в определениях его членов. Прежде чем создать экземпляр шаблона для определенного типа или использовать член класса, созданного по этому шаблону, пользователь должен подключить заголовок для типа шаблона и заголовок, в котором определен используемый тип.

Ошибки компиляции проявляются, главным образом, во время создания экземпляра

Тот факт, что код не создается до создания экземпляра шаблона, влияет на то, когда проявляются ошибки компиляции в коде шаблона. В процессе создания шаблона есть три этапа, во время которых компилятор может сообщить об ошибке.

Первый — когда компилируется само определение шаблона. На этом этапе компилятор, как правило, не может найти большую часть ошибок. Здесь обнаруживаются в основном синтаксические ошибки, такие как пропущенная точка с запятой или неправильно написанное имя переменной, но не более.

Второй этап обнаружения ошибок — когда компилятор встречает применение шаблона. На данном этапе компилятор также способен проверить немногое. Для вызова шаблона функции компилятор обычно проверяя количество и типы аргументов. Он может также проверить совпадение типов двух аргументов. Для шаблона класса компилятор может проверить количество и правильность предоставленных аргументов шаблона, но не более.

Третий этап обнаружения ошибок — момент создания экземпляра. Только теперь обнаруживаются ошибки, связанные с типами. В зависимости от того, как компилятор осуществляет создание экземпляра, он может сообщить об этих ошибках во время редактирования.

При написании шаблона код не может быть открыто специфическим для типа, но можно сделать некоторые предположения об используемых типах. Например, код первоначальной функции compare() подразумевал, что тип аргумента имеет оператор <.

if (v1 < v2) return -1; // для объектов типа Т требуется оператор <

if (v2 < v1) return 1;  // для объектов типа Т требуется оператор <

return 0;               // возвращает int; не зависит от Т

Когда компилятор обрабатывает тело этого шаблона, он не может проверить корректность условий в операторах if. Если переданные функции compare() аргументы имеют оператор <, то код сработает прекрасно, но не в противном случае. Например:

Sales_data data1, data2;

cout << compare(data1, data2) << endl; // ошибка: у Sales_data нет

                                       // оператора <

Этот вызов создает экземпляр функции compare() с параметром Т, замененным классом Sales_data. Если условия попытаются использовать оператор < для объектов класса Sales_data, то окажется, что такого оператора нет. В результате получится экземпляр функции, которая не будет откомпилирована. Такие ошибки, как эта, не могут быть обнаружены, пока компилятор не создаст экземпляр определения функции compare() для типа Sales_data.

Вызывающая сторона должна гарантировать, что переданные шаблону аргументы поддерживают все используемые им операторы, а также то, что эти операторы будут вести себя правильно в том контексте, в котором шаблон использует их.

Упражнения раздела 16.1.1

Упражнение 16.1. Определите создание экземпляра.

Упражнение 16.2. Напишите и проверьте собственные версии функций compare().

Упражнение 16.3. Вызовите собственную функцию compare() для объекта класса Sales_data и посмотрите, как ваш компилятор обрабатывает ошибки во время создания экземпляра.

Упражнение 16.4. Напишите шаблон, действующий как библиотечный алгоритм find(). Функция будет нуждаться в двух параметрах типа шаблона: один — для представления параметров-итераторов функции и другой — для типа значения. Используйте свою функцию для поиска заданного значение в векторе vector и списке list.

Упражнение 16.5. Напишите шаблон функции print() из раздела 6.2.4, которая получает ссылку на массив и может обрабатывать массивы любого размера и любого типа элементов.

Упражнение 16.6. Как работают библиотечные функции begin() и end(), получающие аргумент в виде массива? Определите собственные версии этих функций.

Упражнение 16.7. Напишите шаблон constexpr, возвращающий размер заданного массива.

Упражнение 16.8. В разделе "Ключевая концепция" в разделе 3.4.1 упоминалось о том, что программисты С++ привыкли использовать оператор !=, а не <. Объясните причину этой привычки.

 

16.1.2. Шаблоны класса

Шаблон класса (class template) — своего рода проект для создания классов. Шаблоны классов отличаются от шаблонов функций, для которых компилятор не может вывести типы параметров шаблона. Вместо этого, как уже демонстрировалось не раз, для использования шаблона класса следует предоставить дополнительную информацию в угловых скобках после имени шаблона (см. раздел 3.3). Эта дополнительная информация — список аргументов шаблона, подставляемых вместо параметров шаблона.

Определение шаблона класса

В качестве примера реализуем шаблонную версию класса StrBlob (см. раздел 12.1.1). Присвоим шаблону имя Blob, указывающее, что он больше не специфичен только для строк. Как и класс StrBlob, этот шаблон будет предоставлять совместный (и проверяемый) доступ к своим членам. В отличие от класса, шаблон применяется к элементам практически любого типа. Подобно библиотечным контейнерам, используя шаблон Blob, пользователи должны будут определить тип элемента.

Как и шаблоны функции, шаблоны класса начинаются с ключевого слова template, за которым следует список параметров шаблона. В определении шаблона класса (и его членов) используются параметры шаблона как знакоместа типов или значений, которые будут подставлены при использовании шаблона:

template class Blob {

public:

 typedef T value_type;

 typedef typename std::vector::size_type size_type;

 // конструкторы

 Blob();

 Blob(std::initializer_list il);

 // количество элементов в Blob

 size_type size() const { return data->size(); }

 bool empty() const { return data->empty(); }

 // добавление и удаление элементов

 void push_back(const T &t) {data->push_back(t);}

 // версия перемещения; см. p. 13.6.3

 void push_back(T &&t) { data->push_back(std::move(t)); }

 void pop_back();

 // доступ к элементу

 T& back();

 Т& operator[](size_type i); // определено в разделе 14.5

private:

 std::shared_ptr> data;

 // выдать сообщение, если data[i] недопустим

 void check(size_type i, const std::string &msg) const;

}

У шаблона Blob есть один параметр типа Т. Он используется везде, где ожидается тип элемента, хранимый классом Blob. Например, тип возвращаемого значения функции доступа к элементам Blob определен как Т&. Когда пользователь создаст экземпляр шаблона Blob, он использует параметр Т для замены конкретным типом аргумента шаблона.

За исключением списка параметров шаблона и использования Т вместо string, этот класс совпадает с тем, что было определено в разделе 12.1.1 и модифицировано в разделе 12.1.6, а также в главах 13 и 14.

Создание экземпляра шаблона класса

Как уже неоднократно упоминалось, при использовании шаблона класса следует предоставить дополнительную информацию. Как можно теперь утверждать, эта дополнительная информация является списком явных аргументов шаблона (explicit template argument), которые привязаны к параметрам шаблона. Компилятор использует эти аргументы для создания специфического экземпляра класса по шаблону.

Например, чтобы определить тип для шаблона Blob, следует предоставить тип элемента:

Blob ia; // пустой Blob

Blob ia2 = {0,1,2,3,4}; // Blob с пятью элементами

Оба объекта, ia и ia2, используют ту же специфическую для типа версию шаблона Blob (т.е. Blob). Из этих определений компилятор создает экземпляр класса, который эквивалентен следующему:

template <> class Blob {

 typedef typename std::vector::size_type size_type;

 Blob();

 Blob(std::initializer_list il);

 // ...

 int& operator[](size_type i);

private:

 std::shared_ptr> data;

 void check (size_type i, const std::string &msg) const;

};

Когда компилятор создает экземпляр класса из шаблона Blob, он переписывает его, заменяя каждый экземпляр параметра T заданным аргументом шаблона, которым в данном случае является int.

Компилятор создает разный класс для каждого заданного типа элемента:

// эти определения создают экземпляр двух разных типов Blob

Blob names;  // Blob содержащий строки

Blob prices; // другой тип элемента

Эти определения привели бы к созданию двух разных экземпляров класса: определение names создает класс Blob, в котором каждое вхождение Т заменено на string. Определение prices создает класс Blob, где Т заменено на double.

При каждом создании экземпляра шаблона класса получается независимый класс. У типа Blob нет никаких отношений с другим типом класса Blob или специальных прав доступа к его членам.

#magnify.png Ссылки на тип шаблона в пределах шаблона

При чтении кода шаблона класса не следует забывать, что имя шаблона класса не является именем самого класса (см. раздел 3.3). Шаблон класса используется для создания экземпляра класса, при этом всегда используются аргументы шаблона.

Непонятным может показаться то, что код в шаблоне класса вообще не использует имя фактического типа (или значения) как аргумент шаблона. Вместо этого как аргументы шаблона зачастую используются собственные параметры. Например, переменная-член data использует два шаблона, vector и shared_ptr. Каждый раз, когда используется шаблон, следует предоставить аргументы шаблона. В данном случае предоставляемый аргумент шаблона имеет тот же тип, который используется при создании экземпляра шаблона Blob. Следовательно, определение переменной-члена data с использованием параметра типа шаблона Blob свидетельствует о том, что переменная-член data является экземпляром указателя shared_ptr на экземпляр шаблона vector, содержащего объекты типа Т.

std::shared_ptr> data;

При создании экземпляра специфического класса Blob, такого как Blob, переменная-член data будет такой:

shared_ptr>

Если создать экземпляр Blob, то переменная-член data будет такой: shared_ptr>, и т.д.

Функции-члены шаблонов класса

Подобно любому классу, функции-члены шаблона класса можно определить как в, так и вне тела класса. Как и у любых других классов, члены, определенные в теле, неявно являются встраиваемыми.

Функция-член шаблона класса сама по себе является обычной функцией. Однако у каждого экземпляра шаблона класса есть собственная версия каждого члена. В результате у функции-члена шаблона класса будут те же параметры шаблона, что и у самого класса. Поэтому функция-член, определенная вне тела шаблона класса, начинается с ключевого слова template, сопровождаемого списком параметров шаблона класса.

Как обычно, при определении члена класса вне его тела следует указать, к какому классу он принадлежит. Так же, как обычно, имя созданного из шаблона класса включает его аргументы шаблона. При определении члена аргументы шаблона совпадают с параметрами шаблона. Таким образом, для функции-члена класса StrBlob, определенной следующим образом:

тип_возвращаемого_значения StrBlob:: имя_члена ( список_парам )

соответствующий член шаблона Blob будет выглядеть так:

template

тип_возвращаемого_значения Blob<Т>:: имя_члена ( список_парам )

Функция check() и функции доступа к членам

Начнем с определения функции-члена check(), проверяющей предоставленный индекс:

template

void Blob::check(size_type i, const std::string &msg) const {

 if (i >= data->size())

  throw std::out_of_range(msg);

}

Кроме отличия в имени класса и использовании списка параметров шаблона, эта функция идентична первоначальной функции-члену класса StrBlob.

Оператор индексирования и функция back() используют параметр шаблона для определения типа возвращаемого значения, но в остальном они неизменны:

template

Т& Blob::back() {

 check(0, "back on empty Blob");

 return data->back();

}

template

T& Blob::operator[](size_type i) {

 // если i слишком велико, check() передаст сообщение и предотвратит

 // доступ к несуществующему элементу

 check(i, "subscript out of range");

 return (*data)[i];

}

В первоначальном классе StrBlob эти операторы возвращали тип string&. Шаблонная версия возвращает ссылку на любой тип, использованный при создании экземпляра шаблона Blob.

Функция pop_back() почти идентична оригинальной функции-члену класса StrBlob:

template void Blob::pop_back() {

 check(0, "pop_back on empty Blob");

 data->pop_back();

}

Оператор индексирования и функция-член back() перегружены как const. Оставим определение этих функций-членов и функции front() читателю в качестве самостоятельного упражнения.

Конструкторы Blob()

Подобно любым другим функциям-членам, определенным вне шаблона класса, конструктор начинается с объявления параметров шаблона для шаблона класса, членом которого он является:

template

Blob::Blob(): data(std::make_shared>()) { }

Здесь функция-член Blob() определяется в пределах шаблона Blob. Как и стандартный конструктор StrBlob() (см. раздел 12.1.1), данный конструктор резервирует пустой вектор и сохраняет указатель на него в переменной data. Как уже упоминалось, в качестве аргумента резервируемого шаблона vector используется собственный параметр типа класса.

Точно так же конструктор, получающий параметр типа initializer_list, использует свой параметр типа T как тип элемента для своего параметра типа initializer_list:

template

Blob::Blob(std::initializer_list il):

 data(std::make_shared>(il)) { }

Подобно стандартному конструктору, этот конструктор резервирует новый вектор. В данном случае этот вектор инициализируется из параметра il.

Чтобы использовать этот конструктор, следует передать список инициализации, тип элементов которого совместим с типом элемента Blob:

Blob articles = {"a", "an", "the"};

Параметр этого конструктора имеет тип initializer_list. Каждый строковый литерал в списке неявно преобразуется в тип string.

Создание функций-членов шаблона класса

По умолчанию экземпляр функции-члена шаблона класса создается, только если программа использует эту функцию-член. Рассмотрим следующий код:

// создает экземпляр Blob и конструктор initializer_list

Blob squares = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

// создает экземпляр Blob::size() const

for (size_t i = 0; i != squares.size(); ++i)

 squares[i] = i*i; // создает экземпляр Blob::operator[](size_t)

Этот код создает экземпляр класса Blob и трех его функций-членов: operator[](), size() и конструктора initializer_list().

Если функция-член не используется, ее экземпляр не создается. Благодаря этому факту можно создавать экземпляры класса, используя типы, которые не отвечают требованиям для некоторых из операций шаблона (см. раздел 9.2).

По умолчанию экземпляр члена шаблона класса создается, только если он используется.

Упрощение использования имени шаблона класса в коде класса

Из правила, согласно которому следует предоставить аргументы шаблона при использовании шаблона класса, есть одно исключение. В области видимости самого шаблона класса имя шаблона можно использовать без аргументов:

// BlobPtr передает исключение при попытке доступа к несуществующему

// элементу

template class BlobPtr

public:

 BlobPtr(): curr(0) { }

 BlobPtr(Blob &a, size_t sz = 0):

  wptr(a.data), curr(sz) { } T& operator*() const {

  auto p = check{curr, "dereference past end");

  return (*p)[curr]; // (*p) - вектор, на который указывает этот

                     // объект

 }

 // инкремент и декремент

 BlobPtr& operator++(); // префиксные операторы

 BlobPtr& operator--();

private:

 // если проверка успешна, check() возвращает shared_ptr на вектор

 std::shared_ptr>

  check(std::size_t, const std::string&) const;

 // хранит weak_ptr, а значит, базовый вектор может быть удален

 std::weak_ptr> wptr;

 std::size_t curr; // текущая позиция в пределах массива

};

Внимательные читатели, вероятно, обратили внимание на то, что префиксные функции-члены инкремента и декремента шаблона класса BlobPtr возвращают тип BlobPtr&, а не BlobPtr&. В области видимости шаблона класса компилятор рассматривает ссылки на сам шаблон так, как будто были подставлены аргументы шаблона, соответствующие собственным параметрам. Таким образом, этот код эквивалентен следующему:

BlobPtr& operator++();

BlobPtr& operator--();

Использование имени шаблона класса вне тела шаблона

При определении функций-членов вне тела шаблона класса следует помнить, что код находится не в области видимости класса, пока не встретилось имя класса (см. раздел 7.4):

// постфикс: осуществляет инкремент/декремент объекта, но возвращает

// неизменное значение

template

BlobPtr BlobPtr::operator++(int) {

 // никакой проверки здесь не нужно; ее выполнит вызов префиксного

 // инкремента

 BlobPtr ret = *this; // сохранить текущее значение

 ++*this;             // перемещение на один элемент; префиксный ++

                      // проверяет инкремент

 return ret;          // возвратить сохраненное состояние

}

Поскольку тип возвращаемого значения присутствует вне области видимости класса, следует указать, что он возвращает экземпляр BlobPtr, созданный с тем же типом, что и класс. В теле функции код находится в пределах класса, поэтому не нужно повторять аргумент шаблона при определении ret. Когда аргументы шаблона не предоставлены, компилятор подразумевает, что используется тот же тип, что и при создании экземпляра функции-члена. Следовательно, определение ret будет эквивалентно следующему:

BlobPtr ret = *this;

В области видимости шаблона класса можно обращаться к шаблону, не определяя его аргументы.

Шаблоны классов и дружественные отношения

Когда класс объявляет дружественные отношения (см. раздел 7.2.1), класс и его друг могут быть или не быть шаблонами. Шаблон класса, у которого есть друг, не являющийся шаблоном, предоставляет дружественный доступ ко всем экземплярам шаблона. Когда друг сам является шаблоном, предоставляющий дружественные отношения класс контролирует, распространяются ли они на все экземпляры шаблона или только на некий специфический экземпляр.

Дружественные отношения "один к одному"

Наиболее распространенная форма дружественных отношений между шаблоном класса и другим шаблоном (класса или функции) подразумевает дружбу между соответствующими экземплярами класса и его друга. Например, класс Blob должен объявить дружественным класс BlobPtr и шаблонную версию оператора равенства класса Blob (первоначально определенную для класса StrBlob в упражнении раздела 14.3.1).

Чтобы обратиться к определенному экземпляру шаблона (класса или функции), следует сначала объявить сам шаблон. Объявление шаблона включает список параметров шаблона:

// для объявления дружественных отношений в шаблоне Blob нужны

// предварительные объявления

template class BlobPtr;

template class Blob; // необходимо для параметров operator==

template

 bool operator==(const Blob&, const Blob&);

template class Blob {

 // каждый экземпляр Blob предоставляет доступ к версии BlobPtr и

 // оператору равенства экземпляра, созданного с тем же типом

 friend class BlobPtr;

 friend bool operator==

  (const Blob&, const Blob&);

 // другие члены, как в разделе 12.1.1

};

Начнем с объявления Blob, BlobPtr и operator== шаблонами. Эти объявления необходимы для объявления параметра в функции operator== и дружественных объявлений в шаблоне Blob.

Объявления дружественными используют параметр шаблона Blob как собственный аргумент шаблона. Таким образом, дружба ограничивается этими экземплярами шаблона BlobPtr и оператора равенства, которые создаются с тем же типом:

Blob ca; // BlobPtr и operator== друзья

Blob ia;  // BlobPtr и operator== друзья

Члены класса BlobPtr могут обращаться к не открытым членам объекта ca (или любого другого объекта класса Blob), но объект ca не имеет никаких специальных прав доступа к объекту ia (или любому другому объекту класса Blob) или любому другому экземпляру класса Blob.

Общие и специфические дружественные отношения шаблонов

Класс может также сделать дружественным каждый экземпляр шаблона или ограничить дружбу специфическим экземпляром:

// предварительное объявление необходимо для объявления дружественных

// отношений со специфическим экземпляром шаблона

template class Pal;

class С { // С - обычный, не шаблонный класс

 friend class Pal; // экземпляр Pal создается с классом С как

                      // дружественным

 // все экземпляры Раl2 дружественны С;

 // при предоставлении дружественных отношений всем экземплярам

 // предварительное объявление не обязательно

 template friend class Раl2;

};

template class C2 { // C2 - сам шаблон класса

 // у каждого экземпляра C2 есть тот же экземпляр Pal, что и у друга

 friend class Pal; // объявление шаблона для Pal должно быть в

                      // области видимости

 // все экземпляры Раl2 - друзья каждого экземпляра C2; необходимо

 // предварительное объявление

 template friend class Раl2;

 // Pal3 - не шаблонный класс, являющийся другом каждого экземпляра C2

 friend class Раl3; // предварительное объявление для Раl3

                    // не обязательно

};

Чтобы позволить создавать все экземпляры как дружественные, объявление дружественных отношений должно использовать параметры шаблона, которые отличаются от используемых самим классом.

#C11.png Объявление параметра типа шаблона дружественным

По новому стандарту параметр типа шаблона можно сделать дружественным:

template class Bar {

 friend Type; // предоставить доступ к типу, используемому для создания

              // экземпляра Bar

 // ...

};

Здесь указано, что, независимо от используемого для создания экземпляра типа, класс Bar будет дружественным. Таким образом, для некоего типа под названием Foo он был бы другом для Bar, а тип Sales_data — другом для Bar и т.д.

Следует заметить, что хотя другом обычно бывает класс или функция, для класса Bar вполне допустимо создание экземпляра со встроенным типом. Такие дружественные отношения позволяют создавать экземпляры таких классов, как Bar со встроенными типами.

Псевдонимы типа шаблона

Экземпляр шаблона класса определяет тип класса, и, подобно любому другому типу класса, для экземпляра класса можно определить псевдоним при помощи ключевого слова typedef (см. раздел 2.5.1):

typedef Blob StrBlob;

Это определение типа позволит выполнить код, написанный в разделе 12.1.1, используя текущую версию шаблона Blob, экземпляр которого создан для типа string. Поскольку шаблон не тип, ключевое слово typedef к шаблону неприменимо. Таким образом, нет никакого способа определить typedef для шаблона Blob<Т>.

Однако новый стандарт позволяет определять псевдоним типа для шаблона класса:

template using twin = pair;

twin authors; // authors - это pair

где имя twin определено как синоним для пар с одинаковыми типами членов. Пользователям типа twin достаточно определить его только однажды.

Псевдоним типа шаблона — это синоним для целого семейства классов:

twin win_loss; // win_loss - это pair

twin area;  // area - это pair

Как и при использовании шаблона класса, при использовании псевдонима twin следует указать, какой именно вид twin необходим.

При определении псевдонима типа шаблона можно зафиксировать один или несколько параметров шаблона:

template using partNo = pair;

partNo books; // books - это pair

partNo cars; // cars - это pair

partNo kids; // kids - это pair

Здесь имя partNo определено как синоним семейства типов, которые являются парами, вторая переменная-член которого имеет тип unsigned. Пользователи partNo определяют тип первой переменной-члена пары, но не второй.

Статические члены шаблонов класса

Подобно любому другому классу, шаблон класса способен объявить статические члены (см. раздел 7.6):

template class Foo {

public:

 static std::size_t count() { return ctr; }

 // другие члены интерфейса

private:

 static std::size_t ctr;

 // другие члены реализации

};

где Foo — шаблон класса, у которого есть открытая статическая функция-член count() и закрытая статическая переменная-член ctr. У каждого экземпляра шаблона Foo будет собственный экземпляр статических членов. Таким образом, для любого конкретного типа X будет по одной переменной Foo::ctr и одной функции Foo::count(). Все объекты типа Foo будут совместно использовать ту же переименую ctr и функцию count(). Например:

// создает экземпляр статических членов Foo::ctr

// и Foo::count

Foo fs;

// все три объекта совместно используют те же члены Foo::ctr

// и Foo::count

Foo fi, fi2, fi3;

Подобно любой другой статической переменной-члену, у каждой статической переменной-члена шаблона класса должно быть только одно определение. Однако для каждого экземпляра шаблона класса будет отдельный объект. В результате статическую переменную-член шаблона определяют таким же образом, как и функции-члены этого шаблона:

template

size_t Foo::ctr = 0; // определение и инициализация ctr

Подобно любым другим членам шаблона класса, начнем с определения списка параметров шаблона, сопровождаемого типом и именем определяемого члена. Как обычно, имя члена включает имя класса, которое включает для класса, созданного из шаблона, его аргументы шаблона. Таким образом, когда класс Foo создается как экземпляр для специфического типа аргумента шаблона, для этого класса будет создан отдельный экземпляр переменной ctr и инициализирован значением 0.

Подобно статическим членам обычного класса, к статическому члену шаблона класса можно обратиться через объект класса или непосредственно, при помощи оператора области видимости. Конечно, чтобы использовать статический член через класс, следует обратиться к его конкретному экземпляру:

Foo fi;                 // создает экземпляр класса Foo

                             // и статической переменной-члена ctr

auto ct = Foo::count(); // создает экземпляр Foo::count()

ct = fi.count();             // использует Foo::count()

ct = Foo::count();           // ошибка: экземпляр какого именно

                             // шаблона создается?

Как и любая другая функция-член, экземпляр статической функции-члена создается только при его использовании в программе.

Упражнения раздела 16.1.2

Упражнение 16.9. Что такое шаблон функции? Что такое шаблон класса?

Упражнение 16.10. Что происходит при создании экземпляра шаблона класса?

Упражнение 16.11. Следующее определение шаблона List неправильно. Как его исправить?

template class ListItem;

template class List {

public:

 List();

 List(const List &);

 List& operator=(const List &);

 ~List();

 void insert(ListItem *ptr, elemType value);

private:

 ListItem *front, *end;

};

Упражнение 16.12. Напишите собственные версии шаблонов Blob и BlobPtr, включая все константные члены, которые не были представлены в тексте.

Упражнение 16.13. Объясните, какой вид дружественных отношений вы выбрали бы для операторов равенства и сравнения шаблона BlobPtr.

Упражнение 16.14. Напишите шаблон класса Screen, который использует параметры значения для определения высоты и ширины экрана.

Упражнение 16.15. Реализуйте операторы ввода и вывода для своего шаблона Screen. Какие друзья необходимы классу Screen (если таковые вообще имеются) для работы операторов ввода и вывода? Объясните, зачем нужно каждое объявление дружественным (если таковые вообще имеются).

Упражнение 16.16. Перепишите класс StrVec (см. раздел 13.5), как шаблон Vec.

 

16.1.3. Параметры шаблона

Подобно именам параметров функций, имена параметров шаблона не имеют никакого значения. Обычно параметрам типа присваивают имя Т, но можно использовать любое другое:

template Foo calc(const Foo& a, const Foo& b) {

 Foo tmp = a; // тип tmp совпадает с типом параметров и возвращаемого

              // значения

 // ...

 return tmp; // типы возвращаемого значения и параметров совпадают

}

Параметры шаблона и область видимости

Параметры шаблона следуют обычным правилам области видимости. Имя параметра шаблона применимо сразу после его объявления и до конца объявления или определения шаблона. Подобно любым другим именам, параметр шаблона скрывает любые объявления имен во внешней области видимости. Однако, в отличие от большинства других контекстов, имя, используемое как параметр шаблона, не может быть повторно использовано в пределах шаблона:

typedef double А;

template void f(А а, В b) {

 A tmp = а; // tmp имеет тип параметра шаблона А, а не double

 double В;  // ошибка: повторное объявление параметра шаблона В

}

Согласно обычным правилам сокрытия имен, определение typedef типа А скрывается определением параметра типа по имени А. Таким образом, переменная tmp не будет иметь тип double; она будет иметь любой тип, который будет передан параметру шаблона А при использовании шаблона. Поскольку нельзя многократно использовать имена параметров шаблона, объявление переменной по имени B ошибочно.

Поскольку имя параметра не может быть использовано многократно, в каждом списке параметров шаблона имя параметра шаблона может присутствовать только однажды:

// ошибка: повторение имени V в параметрах шаблона недопустимо

template // ...

Объявления шаблона

Объявление шаблона должно включить параметры шаблона:

// объявляет, но не определяет compare и Blob

template int compare(const T&, const T&);

template class Blob;

Подобно параметрам функций, имена параметров шаблона не должны совпадать с таковыми в объявлениях и определениях того же шаблона:

// все три случая использования calc

//  относятся к тому же шаблону функции

template Т calc(const Т&, const Т&); // объявление

template U calc(const U&, const U&); // объявление

// определение шаблона

template

Type calc(const Type& a, const Type& b) { /* ... */ }

Конечно, у каждого объявления и определения шаблона должно быть то же количество и вид (т.е. тип или значение) параметров.

По причинам, рассматриваемым в разделе 16.3, объявления всех шаблонов, необходимых данному файлу, обычно располагаются вместе в начале файла перед любым использующим их кодом.

Использование членов типа

Помните, как в разделах 7.4 и 7.6 использовался оператор области видимости (::) для обращения к статическим членам и членам типа. В обычном коде (не шаблона) у компилятора есть доступ к определению класса. В результате он знает, является ли имя, к которому обращаются через оператор области видимости, типом или статическим членом. Например, в коде string::size_type, компилятор имеет определение класса string и может узнать, что size_type — это тип.

С учетом того, что Т является параметром типа шаблона, когда компилятор встретит такой код, как T::mem, он не будет знать до времени создания экземпляра, является ли mem типом или статической переменной-членом. Но чтобы обработать шаблон, компилятор должен знать, представляет ли имя тип. Например, если T является именем параметра типа, то как компилятор воспримет следующий код:

T::size_type * p;

Он должен знать, определяется ли переменная по имени p или происходит умножение статической переменной-члена по имени size_type на переменную по имени p.

По умолчанию язык подразумевает, что имя, к которому обращаются через оператор области видимости, не является типом. В результате, если необходимо использовать тип-член параметра типа шаблона, следует явно указать компилятору, что имя является типом. Для этого используется ключевое слово typename:

template

typename Т::value_type top(const T& с) {

 if (!c.empty())

  return c.back();

 else

  return typename T::value_type();

}

Функция top() ожидает контейнер в качестве аргумента, она использует ключевое слово typename для определения своего типа возвращаемого значения и создает инициализированный по умолчанию элемент (см. раздел 7.5.3), чтобы возвратить его, если у контейнера с нет никаких элементов.

Когда необходимо уведомить компилятор о том, что имя представляет тип, следует использовать ключевое слово typename, а не class.

Аргументы шаблона по умолчанию

Аналогично тому, как можно предоставить аргументы по умолчанию для параметров функции (см. раздел 6.5.1), можно предоставить аргументы шаблона по умолчанию (default template argument). По новому стандарту можно предоставлять аргументы по умолчанию и для шаблонов функций, и для шаблонов классов. Прежние версии языка допускали аргументы по умолчанию только для шаблонов класса.

В качестве примера перепишем функцию сравнения, использующую по умолчанию библиотечный шаблонный объект функции less (см. раздел 14.8.2):

// compare() имеет аргумент шаблона по умолчанию, less

// и заданный по умолчанию аргумент функции, F()

template >

int compare(const T &v1, const T &v2, F f = F()) {

 if (f(v1, v2)) return -1;

 if (f(v2, v1)) return 1;

 return 0;

}

Здесь в шаблон добавлен второй параметр типа, F, представляющий тип вызываемого объекта (см. раздел 10.3.2), и определен новый параметр функции, f, который будет связан с вызываемым объектом.

Предоставлено также значение по умолчанию для этого параметра шаблона и соответствующего ему параметра функции. Аргумент шаблона по умолчанию определяет, что функция compare() будет использовать библиотечный класс less объекта функции, экземпляр которого создается с тем же параметром типа, что и функция compare(). Заданный по умолчанию аргумент функции указывает, что параметр f будет инициализирован по умолчанию объектом типа F.

Когда пользователи вызывают эту версию функции compare(), они могут предоставить собственный оператор сравнения, но не обязаны делать это:

bool i = compare(0, 42); // использует less; i равно -1

// результат зависит от isbn в item1 и item2

Sales_data item1(cin), item2(cin);

bool j = compare(item1, item2, compareIsbn);

Первый вызов использует заданный по умолчанию аргумент функции, которым является объект типа less. В этом вызове Т имеет тип int, поэтому у объекта будет тип less. Этот экземпляр функции compare() будет использовать для сравнения тип less.

Во втором вызове передается функция compareIsbn() (см. раздел 11.2.2) и два объекта типа Sales_data. Когда функция compare() вызывается с тремя аргументами, типом третьего аргумента должен быть вызываемый объект, возвращающий тип, приводимый к типу bool и получающий аргументы типа, совместимого с типами первых двух аргументов. Как обычно, типы параметров шаблона выводятся из соответствующих им аргументов функции. В этом вызове тип T выводится как тип Sales_data, а тип F — как тип compareIsbn().

Как и с аргументами функций по умолчанию, у параметра шаблона может быть аргумент по умолчанию, только если у всех параметров справа от него также есть аргументы по умолчанию.

Аргументы по умолчанию шаблона и шаблоны класса

Всякий раз, когда используется шаблон класса, за именем шаблона всегда должны следовать угловые скобки. Скобки означают, что класс будет создан как экземпляр шаблона. В частности, если шаблон класса предоставляет аргументы по умолчанию для всех своих параметров и следует использовать именно их, то после имени шаблона следует поместить пустую пару угловых скобок:

template class Numbers { // по умолчанию Т - это int

public:

 Numbers(Т v = 0): val(v) { } // различные операции с числами

private:

 Т val;

};

Numbers lots_of_precision;

Numbers<> average_precision; // пустые <> означают тип по умолчанию

Здесь создаются два экземпляра шаблона Numbers: версия average_ precision — экземпляр Numbers с заменой параметра Т типом int; версия lots_of_precision — экземпляр Numbers с заменой параметра Т типом long double.

Упражнения раздела 16.1.3

Упражнение 16.17. Каковы (если есть) различия между параметром типа, объявленным с ключевым словом typename и ключевым словом class? Когда должно использоваться ключевое слово typename?

Упражнение 16.18. Объясните каждое из следующих объявлений шаблона функции и укажите, допустимы ли они. Исправьте все найденные ошибки.

(a) template void f1(T, U, V);

(b) template T f2(int &T);

(c) inline template T foo(T, unsigned int*);

(d) template f4(T, T);

(e) typedef char Ctype;

     template Ctype f5(Ctype a);

Упражнение 16.19. Напишите функцию, получающую ссылку на контейнер и выводящую его элементы. Используйте переменную size_type и функцию-член size() контейнера для контроля цикла, вывода элементов.

Упражнение 16.20. Перепишите функцию из предыдущего упражнения так, чтобы использовать для контроля цикла итераторы, возвращаемые функциями begin() и end().

 

16.1.4. Шаблоны-члены

У класса (обычного или шаблона класса) может быть функция-член, которая сама является шаблоном. Такие члены называются шаблонами-членами (member template). Шаблоны-члены не могут быть виртуальными.

Шаблоны-члены обычных (не шаблонных) классов

В качестве примера обычного класса, у которого есть шаблон-член, определим класс, подобный стандартному типу функции удаления (deleter), используемой указателем unique_ptr (см. раздел 12.1.5). Как и у стандартной функции удаления, у данного класса будет перегруженный оператор вызова функции (см. раздел 14.8), который, получив указатель, выполняет для него оператор delete. В отличие от стандартной функции удаления, новый класс будет также выводить сообщения при каждом запуске. Поскольку создаваемую функцию удаления предстоит использовать с любым типом, сделаем оператор вызова шаблоном:

// класс объекта функции, вызывающий оператор delete для указателя

class DebugDelete {

public:

 DebugDelete(std::ostream &s = std::cerr): os(s) { }

 // подобно любым шаблонам функции, тип Т выводится компилятором

 template void operator()(Т *p) const

  { os << "deleting unique_ptr" << std::endl; delete p; }

private:

 std::ostream &os;

};

Как и любой другой шаблон, шаблон-член начинается с собственного списка параметров шаблона. У каждого объекта класса DebugDelete есть переменная-член типа ostream для вывода и функция-член, которая сама является шаблоном. Этот класс можно использовать вместо оператора delete:

double* p = new double;

DebugDelete d; // объект, способный действовать как оператор delete

d(p); // вызывает DebugDelete::operator()(double*), удаляющий p

int* ip = new int;

// вызывает operator()(int*) для временного объекта DebugDelete

DebugDelete()(ip);

Поскольку вызов объекта DebugDelete удаляет переданный ему указатель, его можно также использовать как функцию удаления для указателя unique_ptr. Чтобы переопределить функцию удаления указателя unique_ptr, укажем тип функции удаления в скобках и предоставим объект типа функции удаления конструктору (см. раздел 12.1.5):

// удалить объект, на который указывает p

// создает экземпляр DebugDelete::operator()(int *)

unique_ptr p(new int, DebugDelete());

// удаляет объект, на который указывает sp

// создает экземпляр DebugDelete::operator()(string*)

unique_ptr sp(new string, DebugDelete());

Здесь указано, что у функции удаления p будет тип DebugDelete и что предоставлен безымянный объект этого типа в конструкторе p().

Деструктор класса unique_ptr вызывает оператор вызова типа DebugDelete. Таким образом, при каждом вызове деструктора класса unique_ptr создается также экземпляр оператора вызова класса DebugDelete. Таким образом, определения выше создадут следующие экземпляры:

// примеры создания экземпляров шаблонов-членов DebugDelete

void DebugDelete::operator()(int *p) const { delete p; }

void DebugDelete::operator()(string *p) const { delete p; }

Шаблоны-члены шаблонов класса

Шаблон-член можно также определить и для шаблона класса. В данном случае у и класса, и у его члена будут собственные, независимые параметры шаблона.

В качестве примера снабдим класс Blob конструктором, который получает два итератора, обозначающих диапазон копируемых элементов. Поскольку желательно обеспечить поддержку итераторов в различных видах последовательностей, сделаем этот конструктор шаблоном:

template class Blob {

 template Blob(It b, It e);

 // ...

};

У этого конструктора есть свой собственный параметр типа шаблона, It, который он использует для типа двух параметров функции.

В отличие от обычных функций-членов шаблонов класса, шаблоны-члены являются шаблонами функций. При определении шаблона-члена вне тела шаблона класса следует предоставить список параметров шаблона для шаблона класса и для шаблона функции. Список параметров для шаблона класса располагается сначала, затем следует список параметров шаблона-члена:

template   // параметр типа для класса

template // параметр типа для конструктора

Blob::Blob(It b, It е) :

 data(std::make_shared>(b, e)) { }

Здесь определяется член шаблона класса, у которого есть один параметр типа шаблона Т. Сам член является шаблоном функции, имеющий параметр типа It.

Создание экземпляров и шаблоны-члены

Чтобы создать экземпляр шаблона-члена шаблона класса, следует предоставить аргументы для параметров шаблона и класса, и функции. Как обычно, аргументы для параметров шаблона класса определяются типом объекта, через который происходит вызов шаблона-члена. Так же как обычно, компилятор, как правило, выводит тип аргументов шаблона для собственных параметров шаблона-члена из аргументов, переданных при вызове (см. раздел 16.1.1):

int ia[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

vector vi = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

list w = {"now", "is", "the", "time"};

// создает экземпляр класса Blob

// и конструктор Blob с двумя параметрами типа int*

Blob a1(begin(ia), end(ia));

// создает экземпляр конструктора Blob с двумя параметрами

// типа vector::iterator

Blob а2(vi.begin(), vi.end());

// создает экземпляр класса Blob и конструктор Blob

// с двумя параметрами типа list::iterator

Blob a3(w.begin(), w.end());

При определении a1 указывается явно, что компилятор должен создать экземпляр шаблона Blob с параметром типа int. Параметр типа для его собственных параметров конструктора будет выведен из типа результатов вызова функций begin(ia) и end(ia). Этим типом является int*. Таким образом, определение a1 создает следующий экземпляр:

Blob::Blob(int*, int*);

Определение а2 использует уже готовый экземпляр класса Blob и создает экземпляр конструктора с параметром типа It, замененным на vector::iterator. Определение a3 (явно) создает экземпляр шаблона Blob с собственным параметром шаблона типа string и (неявно) экземпляр конструктора шаблона-члена этого класса с собственным параметром типа list.

Упражнения раздела 16.1.4

Упражнение 16.21. Напишите собственную версию типа DebugDelete.

Упражнение 16.22. Пересмотрите программы TextQuery из раздела 12.3 так, чтобы указатель-член shared_ptr использовал тип DebugDelete как свою функцию удаления (см. раздел 12.1.4).

Упражнение 16.23. Предскажите, когда будет выполняться оператор вызова в вашей основной программе запроса. Если предсказание неправильно, убедитесь, что понимаете почему.

Упражнение 16.24. Добавьте в свой шаблон Blob конструктор, получающий два итератора.

 

16.1.5. Контроль создания экземпляра

Тот факт, что экземпляр шаблона создается только при его использовании (см. раздел 16.1.1), означает, что создание того же экземпляра может происходить в нескольких объектных файлах. Когда два или более отдельно откомпилированных файла исходного кода используют тот же шаблон с теми же аргументами шаблона, создание экземпляра этого шаблона осуществляется в каждом из этих файлов.

В больших системах дополнительные затраты на создание экземпляра того же шаблона в нескольких файлах могут оказаться существенными. По новому стандарту можно избежать этих дополнительных затрат за счет явного создания экземпляра (explicit instantiation). Его форма такова:

extern template объявление; // объявление создания экземпляра

template объявление;        // определение создания экземпляра

где объявление — это объявление класса или функции, в котором все параметры шаблона заменены аргументами шаблона. Например:

// объявление и определение создания экземпляра

extern template class Blob;           // объявление

template int compare(const int&, const int&); // определение

Когда компилятор встретит внешнее (extern) объявление шаблона, он не будет создавать код его экземпляра в этом файле. Объявление экземпляра как extern является обещанием того, что будет и не внешнее создание экземпляра в другом месте программы. Вполне может быть несколько внешних объявлений для каждого экземпляра, однако по крайней мере одно определение экземпляра должно быть.

Поскольку компилятор автоматически создает экземпляр шаблона при его использовании, объявление extern должно располагаться перед любым кодом, который использует этот экземпляр:

// Application.cc

// экземпляры этих шаблонов должны быть созданы

//  в другом месте программы

extern template class Blob;

extern template int compare(const int&, const int&);

Blob sa1, sa2; // экземпляр создается в другом месте

// экземпляры Blob и его конструктор initializer_list создаются

// в этом файле

Blob a1 = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};

Blob a2(a1); // экземпляр конструктора копий

                  //  создается в этом файле

int i = compare(a1[0], а2[0]); // экземпляр создается в другом месте

Файл Application.o будет создавать экземпляр класса Blob наряду с его конструктором initializer_list и конструктором копий. Экземпляры функции compare и класса Blob не будут созданы в этом файле. Определения этих шаблонов должны быть в каком-то другом файле программы:

// templateBuild.cc

// файл создания экземпляра должен предоставить обычное определение для

// каждого типа и функции, которые другие файлы объявляют внешними

template int compare(const int&, const int&);

template class Blob; // создает экземпляры всех членов

                             // шаблона класса

В отличие от объявления, когда компилятор видит определение экземпляра, он создает код. Таким образом, файл templateBuild.o будет содержать определения функции compare() для экземпляра типа int и класса Blob. При построении приложения следует скомпоновать файл templateBuild.o с файлом Application.o.

Для каждого объявления экземпляра где-нибудь в программе должно быть определение явного создания экземпляра.

Определения экземпляров создают экземпляры всех членов

Определение экземпляра для шаблона класса создает экземпляры всех членов этого шаблона, включая встраиваемые функции-члены. Когда компилятор видит определение экземпляра, он не может знать, какие функции-члены использует программа. Следовательно, в отличие от обычного способа создания экземпляра шаблона класса, компилятор создает экземпляры всех членов этого класса. Даже если член класса не будет использоваться, его экземпляр будет создан все равно. Следовательно, явное создание экземпляра можно использовать только для таких типов, которые применимы со всеми членами данного шаблона.

Определение экземпляра используется только для таких типов, которые применимы со всеми функциями-членами шаблона класса.

Упражнения раздела 16.1.5

Упражнение 16.25. Объясните значение этих объявлений:

extern template class vector;

template class vector;

Упражнение 16.26. Предположим, что класс NoDefault не имеет стандартного конструктора. Можно ли явно создать экземпляр vector? Если нет, то почему?

Упражнение 16.27. Объясните по каждому помеченному оператору, происходит ли создание экземпляра. Если создается экземпляр шаблона, объясните, почему; если нет, то тоже почему.

template class Stack { };

void f1(Stack);              // (a)

class Exercise {

 Stack &rsd;               // (b)

 Stack si;                    // (c)

};

int main() {

 Stack *sc;                  // (d)

 f1(*sc);                          // (e)

 int iObj = sizeof(Stack); // (f)

}

 

16.1.6. Эффективность и гибкость

Библиотечные типы интеллектуальных указателей (см. раздел 12.1) являются хорошим примером грамотно спроектированных шаблонов.

Очевидное различие между указателями shared_ptr и unique_ptr в стратегии, которую они используют для управления содержащимися в них указателями: один класс предоставляет совместную собственность; а другой — единоличною собственность на хранимый указатель. Это различие и является основанием для создания данных классов.

Данные классы отличаются также тем, как они позволяют пользователям переопределять свою стандартную функцию удаления. Для переопределения функции удаления класса shared_ptr достаточно предоставить ему при создании вызываемый объект или функцию reset(). У объекта класса unique_ptr, напротив, тип функции удаления является частью типа. При определении указателя unique_ptr пользователи должны предоставлять этот тип как явный аргумент шаблона. В результате для указателя unique_ptr сложней предоставить собственную функцию удаления.

Различие в способе работы функции удаления — это лишь частность функциональных возможностей данных классов. Но, как будет вскоре продемонстрировано, это различие в стратегии реализации может серьезно повлиять на производительность.

Привязка функции удаления во время выполнения

Даже не зная, как именно реализуются библиотечные типы, вполне можно догадаться, что указатель shared_ptr обращается к своей функции удаления косвенно. Поэтому функция удаления должна храниться как указатель или как класс (такой как function из раздела 14.8.3), инкапсулирующий указатель.

То, что тип функции удаления не известен до времени выполнения, позволяет убедиться, что класс shared_ptr не содержит функцию удаления как непосредственный член класса. Действительно, класс shared_ptr позволяет изменить тип функции удаления на протяжении продолжительности его существования. Вполне можно создать указатель shared_ptr, используя функцию удаления одного типа, а впоследствии использовать функцию reset(), чтобы использовать для того же указателя shared_ptr другой тип функции удаления. Вообще, у класса не может быть члена, тип которого изменяется во время выполнения. Следовательно, функция удаления должна храниться отдельно.

Размышляя о том, как должна работать функция удаления, предположим, что класс shared_ptr хранит контролируемый указатель в переменной-члене класса по имени p, а обращение к функции удаления осуществляется через член класса по имени del. Деструктор класса shared_ptr должен включать такой оператор:

// значение del станет известно только во время выполнения; вызов

// через указатель

del ? del(p) : delete p; // вызов del (p) требует перехода во время

                         // выполнения к области хранения del

Поскольку функция удаления хранится отдельно, вызов del(p) требует перехода во время выполнения к области хранения del и выполнения кода, на который он указывает.

Привязка функции удаления во время компиляции

Теперь давайте подумаем, как мог бы работать класс unique_ptr. В этом классе тип функции удаления является частью типа unique_ptr. Таким образом, у шаблона unique_ptr есть два параметра шаблона: представляющий контролируемый указатель и представляющий тип функции удаления. Поскольку тип функции удаления является частью типа unique_ptr, тип функции-члена удаления известен на момент компиляции. Функция удаления может храниться непосредственно в каждом объекте класса unique_ptr.

Деструктор класса unique_ptr работает подобно таковому у класса shared_ptr, в котором он вызывает предоставленную пользователем функцию удаления или выполняет оператор delete для хранимого указателя:

// del связывается во время компиляции; создается экземпляр прямого

// вызова функции удаления

del(p); // нет дополнительных затрат во время выполнения

Тип del — это либо заданный по умолчанию тип функции удаления, либо тип, предоставленный пользователем. Это не имеет значения; так или иначе, выполняемый код будет известен во время компиляции. Действительно, если функция удаления похожа на класс DebugDelete (см. раздел 16.1.4), этот вызов мог бы даже быть встраиваемым во время компиляции.

При привязке функции удаления во время компиляции класс unique_ptr избегает во время выполнения дополнительных затрат на косвенный вызов своей функции удаления. При привязке функции удаления во время выполнения класс shared_ptr облегчает пользователю переопределение функции удаления.

Упражнения раздела 16.1.6

Упражнение 16.28. Напишите собственные версии классов shared_ptr и unique_ptr.

Упражнение 16.29. Пересмотрите свой класс Blob так, чтобы использовать собственную версию класса shared_ptr, а не библиотечную.

Упражнение 16.30. Повторно выполните некоторые из своих предыдущих программ, чтобы проверить собственные переделанные классы shared_ptr и Blob. (Примечание: реализация типа weak_ptr не рассматривается в этом издании, поэтому не получится использовать класс BlobPtr с пересмотренным классом Blob.)

Упражнение 16.31. Объясните, как компилятор мог бы встроить вызов функции удаления, если бы с классом unique_ptr был использован класс DebugDelete.

 

Как уже упоминалось, для определения параметров шаблона для шаблона функции компилятор по умолчанию использует аргументы в вызове. Процесс определения аргументов шаблона по аргументам функции называется дедукцией аргумента шаблона (template argument deduction). В ходе дедукции аргумента шаблона компилятор использует типы аргументов вызова для поиска таких аргументов шаблона, которые обеспечат лучшее соответствие создаваемой версии функции для данного вызова.

 

16.2.1. Преобразования и параметры типа шаблона

Подобно нешаблонным функциям, передаваемые в вызове шаблона функции аргументы используются для инициализации параметров этой функции. Параметры функции, тип которых использует параметр типа шаблона, имеют специальные правила инициализации. Только очень ограниченное количество автоматических преобразований применимо к таким аргументам. Вместо преобразования аргументов компилятор создает новые экземпляры.

Как обычно, спецификаторы const верхнего уровня (см. раздел 2.4.3) в параметре или аргументе игнорируются. Единственными остальными преобразованиями, выполняемыми при вызове шаблона функции, являются следующие.

• Преобразования констант: параметр функции, являющийся ссылкой (или указателем) на константу, может быть передан как ссылка (или указатель) на не константный объект (см. раздел 4.11.2).

• Преобразование массива или функции в указатель: если тип параметра функции не будет ссылочным, то к аргументам типа массива или функции будет применено обычное преобразование указателя. Аргумент типа массива будет преобразован в указатель на его первый элемент. Точно так же аргумент типа функции будет преобразован в указатель на тип функции (см. раздел 4.11.2).

Другие преобразования, такие как арифметические преобразования (см. раздел 4.11.1), преобразования производного в базовый (см. раздел 15.2.2) и пользовательские преобразования (см. разделы 7.5.4 и 14.9) не выполняются.

В качестве примера рассмотрим вызовы функции fobj() и fref(). Функция fobj() копирует свои параметры, тогда как параметры функции fref() являются ссылками:

template Т fobj(Т, Т); // аргументы копируются

template Т fref(const Т&, const Т&); // ссылки

string s1("a value");

const string s2("another value");

fobj(s1, s2); // вызов fobj(string, string); const игнорируется

fref(s1, s2); // вызов fref(const strings, const string&) использует

              // допустимое преобразования в константу для s1

int а[10], b[42];

fobj(a, b);   // вызов f(int*, int*)

fref(a, b);   // ошибка: типы массивов не совпадают

В первой паре вызовов как аргументы передаются строка и константная строка. Даже при том, что эти типы не соответствуют точно друг другу, оба вызова допустимы. В вызове функции fobj() аргументы копируются, поэтому не имеет значения, был ли первоначальный объект константой. В вызове функции fref() тип параметра — ссылка на константу. Преобразование в константу для ссылочного параметра является разрешенным преобразованием, поэтому данный вызов допустим.

В следующей паре вызовов как аргументы передаются массивы, отличающиеся размером, а следовательно, имеющие разные типы. В вызове функции fobj() различие типов массивов не имеет значения. Оба массива преобразуются в указатели. Типом параметра шаблона в функции fobj является int*. Вызов функции fref(), однако, недопустим. Когда параметр является ссылкой, массивы не преобразовываются в указатели (см. раздел 6.2.4). Типы а и b не совпадают, поэтому вызов ошибочен.

Единственными допустимыми автоматическими преобразованиями для аргументов в параметры типа шаблонов являются преобразования константы в массив или функций в указатель.

Параметры функций с одинаковым типом параметра шаблона

Параметр типа шаблона применим как тип нескольких параметров функции. Поскольку набор преобразований ограничен, аргументы таких параметров должны быть, по существу, того же типа. Если выведенные типы не совпадают, то вызов ошибочен. Например, функция compare() (см. раздел 16.1.1) получает два параметра const Т&. У ее аргументов должен быть фактически тот же тип:

long lng;

compare(lng, 1024); // ошибка: нельзя создать

                    // экземпляр compare(long, int)

Этот вызов ошибочен потому, что у аргументов функции compare() не совпадают типы. Для первого аргумента выведен аргумент шаблона типа long; а для второго — int. Эти типы не совпадают, поэтому дедукция аргумента шаблона терпит неудачу.

Если необходимо обеспечить обычные преобразования аргументов, можно определить функцию с двумя параметрами типа:

// типы аргумента могут отличаться, но должны быть совместимы

template

int flexibleCompare(const A& v1, const B& v2) {

 if (v1 < v2) return -1;

 if (v2 < v1) return 1;

 return 0;

}

Теперь пользователь может предоставлять аргументы разных типов:

long lng;

flexibleCompare(lng, 1024); // ok: вызов flexibleCompare(long, int)

Конечно, должен существовать оператор <, способный сравнивать значения этих типов.

Обычные преобразования применимы к обычным аргументам

У шаблона функции могут быть параметры, определенные с использованием обычных типов, т.е. типов, которые не задействуют параметр типа шаблона. Такие аргументы не обрабатываются специальным образом; они преобразуются, как обычно, в соответствующий тип параметра (см. раздел 6.1). Рассмотрим, например, следующий шаблон:

template ostream &print(ostream &os, const T &obj) {

 return os << obj;

}

Тип первого параметра функции известен: ostream&. У второго параметра, obj, тип параметра шаблона. Поскольку тип параметра os фиксирован, при вызове функции print() к переданным ему аргументам применимы обычные преобразования:

print(cout, 42); // создает экземпляр print(ostream&, int)

ofstream f("output");

print(f, 10); // использует print(ostream&, int);

              // преобразует f в ostream&

В первом вызове тип первого аргумента точно соответствует типу первого параметра. Этот вызов задействует ту версию функции print(), которая получает тип ostream& и тип int для создания экземпляра. Во втором вызове первый аргумент имеет тип ofstream, а преобразование из ofstream в ostream& допустимо (см. раздел 8.2.1). Поскольку тип этого параметра не зависит от параметра шаблона, компилятор неявно преобразует f в ostream&.

Обычные преобразования применимы к аргументам, тип которых не является параметром шаблона.

Упражнения раздела 16.2.1

Упражнение 16.32. Что происходит при дедукции аргумента шаблона?

Упражнение 16.33. Назовите два преобразования типов, допустимых для аргументов функций, при дедукции аргумента шаблона.

Упражнение 16.34. С учетом только следующего кода объясните, допустим ли каждый из этих вызовов. Если да, то каков тип Т? Если нет, то почему?

template int compare(const T&, const T&);

(a) compare("hi", "world"); (b) compare("bye", "dad");

Упражнение 16.35. Какой из следующих вызовов ошибочен (если он есть)? Каков тип Т допустимых вызовов? В чем проблема недопустимых вызовов?

template Т calc(T, int);

template Т fcn(Т, Т);

double d; float f; char с;

(a) calc(с, 'c'); (b) calc(d, f);

(c) fcn(c, 'c');  (d) fcn(d, f);

Упражнение 16.36. Что происходит при следующих вызовах:

template f1(Т, Т);

template

int i = 0, j = 42, *p1 = &i, *p2 = &j;

const int *cp1 = &i, *cp2 = &j;

(a) f1(p1, p2);   (b) f2(p1, p2);  (c) f1(cp1, cp2);

(d) f2(cp1, cp2); (e) f1(p1, cp1); (e) f2(p1, cp1);

 

16.2.2. Явные аргументы шаблона функции

В некоторых редких случаях компилятор не может вывести типы аргументов шаблона. В других случаях следует позволить пользователю контролировать создание экземпляра шаблона. Оба эти случая наиболее вероятны тогда, когда тип возвращаемого значения функции отличается от типов используемых ею параметров.

Определение явного аргумента шаблона

В качестве примера случая, когда необходимо позволить пользователю задавать тип, определим шаблон функции sum(), получающий аргументы двух разных типов. Тип результата будет определять пользователь. Таким образом, пользователь сможет выбрать необходимую ему точность.

Чтобы предоставить пользователю контроль над типом возвращаемого значения, определим третий параметр шаблона, представляющий тип возвращаемого значения:

// тип T1 не может быть выведен: он отсутствует в списке параметров

// функции

template

T1 sum(T2, T3);

В данном случае нет никакого аргумента, тип которого мог бы использоваться для выведения типа T1. Для этого параметра при каждом вызове функции sum() вызывающая сторона должна предоставить явный аргумент шаблона (explicit template argument).

Явный аргумент шаблона предоставляется вызову тем же способом, что и экземпляру шаблона класса. Явные аргументы шаблона определяются в угловых скобках после имени функции и перед списком аргументов:

// T1 определяется явно; T2 и T3 выводятся из типов аргумента

auto val3 = sum(i, lng); // long long sum(int, long)

Этот вызов явно определяет тип параметра T1. Компилятор выведет типы для параметров T2 и T3 из типов переменных i и lng.

Явные аргументы шаблона отвечают соответствующим параметрам шаблона слева направо; первый аргумент шаблона отвечает первому параметру шаблона, второй аргумент — второму параметру и т.д. Явный аргумент шаблона может быть пропущен только для замыкающих (крайних справа) параметров, и то, только если они могут быть выведены из параметров функции. Если функция sum() была написана следующим образом:

// плохой проект: пользователи вынуждены явно определять все три

// параметра шаблона

template

T3 alternative_sum(T2, T1);

то пользователям придется всегда определять аргументы для всех трех параметров:

// ошибка: нельзя вывести начальные параметры шаблона

auto val3 = alternative_sum(i, lng);

// ok: все три параметра определяются явно

auto val2 = alternative_sum(i, lng);

Нормальные преобразования применимы к аргументам, определенным явно

По тем же причинам, по которым нормальные преобразования разрешены для параметров, определенных с использованием обычных типов (см. раздел 16.2.1), нормальные преобразования применимы также для аргументов, параметры типа шаблона которых определяются явно:

long lng;

compare(lng, 1024);       // ошибка: параметры шаблона не совпадают

compare(lng, 1024); // ok: создает экземпляр compare(long, long)

compare(lng, 1024);  // ok: создает экземпляр compare(int, int)

Как уже упоминалось, первый вызов ошибочен, поскольку у аргументов функции compare() должен быть одинаковый тип. Если тип параметра шаблона определен явно, обычные преобразования вполне применимы. Таким образом, вызов compare() эквивалентен вызову функции, получающей два параметра const long&. Параметр типа int автоматически преобразуется в тип long. Во втором вызове параметр Т явно определяется как тип int, таким образом, тип аргумента lng преобразовывается в int.

Упражнения раздела 16.2.2

Упражнение 16.37. Библиотечная функция max() имеет два параметра функции и возвращает больший из своих аргументов. У этой функции есть один параметр типа шаблона. Можно ли вызвать функцию max(), передав ей аргументы типа int и double? Если да, то как? Если нет, то почему?

Упражнение 16.38. Когда происходит вызов функции make_shared() (см. раздел 12.1.1), следует предоставить явный аргумент шаблона. Объясните, почему этот аргумент необходим и как он используется.

Упражнение 16.39. Используйте явный аргумент шаблона, чтобы сделать возможной передачу двух строковых литералов первоначальной версии функции compare() из раздела 16.1.1.

 

16.2.3. Замыкающие типы возвращаемого значения и трансформация типа

Применение явного аргумента шаблона для представления типа возвращаемого значения шаблона функции хорошо работает тогда, когда необходимо позволить пользователю определять тип возвращаемого значения. В других случаях обязательное предоставление явного аргумента шаблона налагает дополнительное бремя на пользователя без всяких преимуществ. Например, можно написать функцию, которая получает два обозначающих последовательность итератора и возвращает ссылку на элемент этой последовательности:

template

??? & fcn(It beg, It end) {

 // обработка диапазона

 return *beg; // возвратить ссылку на элемент из диапазона

}

Точный тип, подлежащий возвращению, неизвестен, но известно, что он будет ссылкой на тип элемента обрабатываемой последовательности:

vector vi = {1,2,3,4,5};

Blob ca = { "hi", "bye" };

auto &i = fcn(vi.begin(), vi.end()); // fcn() должна возвратить int&

auto &s = fcn(ca.begin(), ca.end()); // fcn() должна возвратить string&

Здесь известно, что функция возвратит ссылку *beg, а также, что можно использовать выражение decltype(*beg) для получения типа этого выражения. Однако параметр beg не существует, пока не встретится список параметров. Чтобы определить эту функцию, следует использовать замыкающий тип возвращаемого значения (см. раздел 6.3.3). Поскольку замыкающий тип располагается после списка параметров, он может использовать параметры функции:

// замыкающий тип позволяет объявлять тип возвращаемого значения уже

// после списка параметров

template

auto fcn(It beg, It end) -> decltype(*beg) {

 // обработка диапазона

 return *beg; // возвратить ссылку на элемент из диапазона

}

Здесь компилятору было указано, что тип возвращаемого значения функции fcn() совпадает с типом, возвращенным при обращении к значению параметра beg. Оператор обращения к значению возвращает l-значение (см. раздел 4.1.1), таким образом, выведенный выражением decltype тип является ссылкой на тип элемента, обозначаемого параметром beg. Следовательно, если функция fcn() будет вызвана для последовательности строк, то типом возвращаемого значения будет string&. Если это будет последовательность элементов типа int, то возвращен будет тип int&.

Трансформация типа классов библиотечных шаблонов

Иногда прямого доступа к необходимому типу нет. Например, может возникнуть необходимость в функции, подобной fcn(), которая возвращает элемент по значению (см. раздел 6.3.2), а не по ссылке.

Проблема написания этой функции в том, что о передаваемых типах неизвестно почти ничего. Единственные известные в этой функции операции, которые можно использовать, — это операции с итераторами, и нет никаких операций с итераторами, которые возвращают элементы (в противоположность ссылкам на элементы).

Чтобы получить тип элемента, можно использовать библиотечный шаблон трансформации типа (type transformation). Эти шаблоны определяются в заголовке type_traits. Обычно классы заголовка type_traits используются для так называемого шаблонного метапрограммирования, не рассматриваемого в данной книге. Однако шаблоны трансформации типа полезны и в обычном программировании. Они описаны в табл. 16.1, а их реализация рассматривается в разделе 16.5 (стр. 892).

В данном случае для получения типа элемента можно использовать шаблон remove_reference. У шаблона remove_reference один параметр типа шаблона и (открытый) тип-член type. Если экземпляр шаблона remove_reference создается со ссылочным типом, то тип type будет ссылочным. Например, если создать экземпляр remove_reference, то типом type будет int. Точно так же, если создать экземпляр remove_reference, то типом type будет string и т.д. Таким образом, при условии, что beg — итератор, следующее выражение возвратит тип элемента, на который указывает итератор beg:

remove_reference::type

Выражение decltype(*beg) возвратит ссылочный тип элемента type. Выражение remove_reference::type удаляет ссылку, оставляя тип самого элемента.

Таблица 16.1. Стандартные шаблоны трансформации типа

Используя шаблон remove_reference и замыкающий тип с выражением decltype, можно написать собственную функцию, возвращающую копию значения элемента:

// для использования типа-члена параметра шаблона следует

// использовать typename; см. p. 16.1.3

template auto fcn2(It beg, It end) ->

 typename remove_reference::type {

 // обработка диапазона

 return *beg; // возвратить копию элемента из диапазона

}

Обратите внимание, что тип-член type зависит от параметра шаблона. Таким образом, чтобы указать компилятору, что type представляет тип (см. раздел 16.1.3), в объявлении типа возвращаемого значения следует использовать ключевое слово typename.

Каждый из описанных в табл. 16.1 шаблонов трансформации типа работает так же, как шаблон remove_reference. У каждого шаблона есть открытый член type, представляющий тип. Этот тип может быть связан с собственным параметром типа шаблона способом, о котором свидетельствует имя шаблона. Если невозможно (или ненужно) преобразовать параметр шаблона, тип-член type имеет тип параметра самого шаблона. Например, если Т — это тип указателя, то remove_pointer::type возвращает тип, на который указывает указатель T. Если T не указатель, то никакого преобразования не нужно. В данном случае у типа type тот же тип, что и у Т.

Упражнения раздела 16.2.3

Упражнение 16.40. Корректна ли следующая функция? Если нет, то почему? Если она допустима, то каковы ограничения на типы ее аргументов (если они есть) и каков тип возвращаемого значения?

template

auto fcn3(It beg, It end) -> decltype(*beg + 0) {

 // обработка диапазона

 return *beg; // возвратить копию элемента из диапазона

}

Упражнение 16.41. Напишите версию функции sum() с типом возвращаемого значения, который будет гарантированно большим, чтобы содержать результат сложения.

 

16.2.4. Указатели на функцию и дедукция аргумента

При инициализации или присвоении указателя на функцию (см. раздел 6.7) из шаблона функции для вывода аргументов шаблона компилятор использует тип указателя.

Предположим, например, что есть указатель на функцию, которая возвращает тип int и получает два параметра, каждый из которых является ссылкой на const int. Этот указатель можно использовать для указания на экземпляр функции compare():

template int compare(const T&, const T&);

// pf1 указывает на экземпляр int compare(const int&, const int&)

int (*pf1)(const int&, const int&) = compare;

Тип параметров pf1 определяет тип аргумента шаблона для параметра Т. Аргументом шаблона для параметра Т будет int. Указатель pf1 указывает на экземпляр функции compare() с параметром Т, связанным с типом int. Если аргументы шаблона не могут быть выведены из типа указателя функции, произойдет ошибка:

// перегруженные версии func(); каждая получает разный тип указателя

// функции

void func(int(*)(const string&, const string&));

void func(int(*)(const int&, const int&));

func(compare); // ошибка: какой из экземпляров compare?

Проблема в том, что, глядя на тип параметра функции func(), невозможно определить уникальный тип для аргумента шаблона. Вызов функции func() мог бы создать экземпляр версии функции compare(), получающей целые числа или версию, получающую строки. Поскольку невозможно идентифицировать уникальный экземпляр для аргумента функции func(), этот вызов не будет откомпилирован.

Неоднозначность вызова функции func() можно устранить при помощи явных аргументов шаблона:

// ok: явно определенная версия экземпляра compare()

func(compare); // передача compare(const int&, const int&)

Это выражение вызывает версию функции func(), получающую указатель на функцию с двумя параметрами типа const int&.

Когда возвращается адрес экземпляра шаблона функции, контекст должен позволять однозначно идентифицировать тип или значение для каждого параметра шаблона.

 

16.2.5. Дедукция аргумента шаблона и ссылки

Чтобы лучше понять дедукцию типа, рассмотрим такой вызов функции где параметр функции p является ссылкой на параметр типа шаблона T:

template void f(Т &p);

Обратите внимание на два момента: здесь применяются обычные правила привязки ссылок; и спецификаторы const здесь нижнего уровня, а не верхнего.

Дедукция типа из параметров ссылки на l-значения функций

Когда параметр функции представляет собой обычную ссылку (l-значение) на параметр типа шаблона (т.е. имеющего форму T&), правила привязки гласят, что передавать можно только l-значения (например, переменная или выражение, возвращающее ссылочный тип). Этот аргумент может быть или не быть константным. Если аргумент будет константой, то тип Т будет выведен как константный:

template void f1(Т&); // аргумент должен быть l-значением

// вызовы f1() используют ссылочный тип аргумента как тип параметра

// шаблона

f1(i);  // i - это int; параметр шаблона Т - это int

f1(ci); // ci - это const int; параметр шаблона Т - это const int

f1(5);  // ошибка: аргумент ссылочного параметра

        //  должен быть l-значением

Если параметр функции имеет тип const Т&, обычные правила привязки гласят, что можно передать любой вид аргумента — объект (константный или нет), временный объект или литеральное значение. Когда сам параметр функции является константой, выведенный для параметра Т тип не будет константным типом. Константность является частью типа параметра функции, и поэтому она не становится также частью типа параметра шаблона:

template void f2(const T&); // может получать r-значения

// параметр в f2() - это const &; const в аргументе неуместен

// в каждом из этих трех вызовов параметр функции f2() выводится

// как const int&

f2(i);  // i - это int; параметр шаблона Т - это int

f2(ci); // ci - это const int, но параметр шаблона T - это int

f2(5);  // параметр const & может быть привязан к r-значению;

        //  Т - это int

Дедукция типа из параметров ссылки на r-значения функций

Когда параметр функции является ссылкой на r-значение (см. раздел 13.6.1), т.е. имеет форму Т&&, обычные правила привязки гласят, что этому параметру можно передать r-значение. При этом дедукция типа ведет себя таким же образом, как дедукция обычного ссылочного параметра функции на l-значение. Выведенный тип для параметра Т — это тип r-значения:

template void f3(T&&);

f3(42); // аргумент - это r-значение типа int; параметр

        // шаблона Т - это int

Сворачивание ссылок и параметры ссылок на r-значения

Предположим, что i является объектом типа int. Можно подумать, что такой вызов, как f3(i), будет недопустим. В конце концов, i — это l-значение, а ссылку на r-значение обычно нельзя связать с l-значением. Однако язык определяет два исключения из обычных правил привязки, которые позволяют это. На этих исключениях из правил основан принцип работы таких библиотечных функций, как move().

Первое исключение относится к дедукции типа для ссылочного параметра на r-значение. Когда l-значение (например, i) передается параметру функции, являющемуся ссылкой на r-значение на параметр типа шаблона (например, Т&&), компилятор выводит параметр типа шаблона как тип ссылки на l-значение аргумента. Поэтому, когда происходит вызов f3(i), компилятор выводит тип Т как int&, а не int.

Выведение типа Т как int&, казалось бы, означает, что параметр функции f3() будет ссылкой на r-значение типа int&. Обычно нельзя (непосредственно) определить ссылку на ссылку (см. раздел 2.3.1). Но это можно сделать косвенно, через псевдоним типа (см. раздел 2.5.1) или через параметр типа шаблона.

В таких ситуациях проявляется второе исключение из обычных правил привязки: если косвенно создать ссылку на ссылку, то эти ссылки "сворачиваются" (collapse). Во всех случаях кроме одного сворачивание ссылок формирует обычный тип ссылки на l-значение. Новый стандарт дополняет правила свертывания, включая ссылки на r-значение. Ссылки сворачиваются, формируя ссылку на r-значение только в специфическом случае ссылки на r-значение на ссылку на r-значение. Таким образом, для данного типа X:

• X& &, X& && и X&& & сворачиваются в тип X&.

• Тип X&& && сворачивается в тип X&&.

Сворачивание ссылок применимо только тогда, когда ссылка на ссылку создается косвенно, как в псевдониме типа или параметре шаблона.

Комбинация правил свертывания ссылок и специального правила дедукции типа для ссылочных на r-значения параметров означает, что можно вызвать функцию f3() для l-значения. Когда параметру функции f3() (ссылке на r-значение) передается l-значение, компилятор выведет тип T как тип ссылки на l-значение:

f3(i);  // аргумент - это l-значение; параметр Т шаблона - это int&

f3(ci); // аргумент - это l-значение;

        //  параметр Т шаблона - это const int&

Когда параметр T шаблона выводится как ссылочный тип, правило свертывания гласит, что параметр функции T&& сворачивается в тип ссылки на l-значение. Например, результирующий экземпляр для вызова f3(i) получится примерно таким:

// недопустимый код, приведен только для примера

void f3(int& &&); // когда T - это int&, параметр

                        // функции - это int& &&

Параметр функции f3() — это Т&&, а T — это int&, таким образом, Т&& будет int& &&, что сворачивается в int&. Таким образом, даже при том, что формой параметра функции f3() будет ссылка на r-значение (т.е. T&&), этот вызов создаст экземпляр функции f3() с типом ссылки на l-значение (т.е. int&):

void f3(int&); // когда T - это int&, параметр функции

                     // сворачивается в int&

У этих правил есть два важных следствия.

• Параметр функции, являющийся ссылкой на r-значение для параметра типа шаблона (например, Т&&), может быть связан с l-значением.

• Если аргумент будет l-значением, то выведенный тип аргумента шаблона будет типом ссылки на l-значение, и экземпляр параметра функции будет создан как (обычный) параметр ссылки на l-значение (Т&).

Стоит также обратить внимание на то, что параметру функции Т&& косвенно можно передать аргумент любого типа. Параметр такого типа может использоваться с r-значениями, а, как было продемонстрировано только что, также и с l-значениями.

Параметру функции, являющемуся ссылкой на r-значение на тип параметра шаблона (т.е. Т&&), может быть передан аргумент любого типа. Когда такому параметру передается l-значение, экземпляр параметра функции создается как обычная ссылка на l-значение (T&).

Шаблоны функций с параметрами ссылки на r-значения

У того факта, что параметр шаблона может быть выведен как ссылочный тип, имеются удивительные последствия для кода в шаблоне:

template void f3(Т&& val) {

 T t = val;  // копировать или привязать ссылку?

 t = fcn(t); // изменит ли присвоение только t или val и t?

 if (val == t) { /* ... */ } // всегда истинно, если Т - ссылочный тип

}

Когда вызов функции f3() происходит для такого r-значения, как литерал 42, T имеет тип int. В данном случае локальная переменная t имеет тип int и инициализируется при копировании значения параметра val. При присвоении переменной t параметр val остается неизменным.

С другой стороны, когда происходит вызов функции f3() для l-значения i, типом T будет int&. Когда определяется и инициализируется локальная переменная t, у нее будет тип int&. Инициализация переменной t свяжет ее с параметром val. При присвоении переменной t одновременно изменяется и параметр val. В этом экземпляре функции f3() оператор if всегда будет возвращать значение true.

На удивление сложно написать правильный код, когда задействованные типы могут быть простыми (не ссылочными) типами или ссылочными типами (хотя такие классы трансформации типов, как remove_reference (см. раздел 16.2.3), вполне могут помочь в этом).

На практике параметры в виде ссылки на r-значение используются в одном из двух случаев: либо когда шаблон перенаправляет свои аргументы, ли когда шаблон перегружается. Перенаправление рассматривается в разделе 16.2.7, а перегрузка шаблона в разделе 16.3, а пока достаточно знать, что стоит обратить внимание на то, что шаблоны функций, использующие ссылки на r-значение, зачастую используют перегрузку таким же образом, как описано в разделе 13.6.3:

template void f(Т&&);      // привязка к не константным

                                        // r-значениям

template void f(const T&); // l-значения и константные

                                        // r-значения

Подобно нешаблонным функциям, первая версия будет связана с изменяемым r-значением, а вторая с l-значением или константным r-значением.

Упражнения раздела 16.2.5

Упражнение 16.42. Определите типы Т и val в каждом из следующих вызовов:

template void g(T&& val);

int i = 0; const int ci = i;

(a) g(i); (b) g(ci); (c) g(i * ci);

Упражнение 16.43. Используя определенную в предыдущем упражнении функцию, укажите, каким будет параметр шаблона g()  при вызове g(i = ci)?

Упражнение 16.44. Используя те же три вызова, что и в первом упражнении, определите типы T, если параметр функции g() объявляется как T (а не Т&&) и как const Т&?

Упражнение 16.45. С учетом следующего шаблона объясните происходящее при вызове функции g() с таким литеральным значением, как 42, и с переменной типа int?

template void g(T&& val) { vector v; }

 

16.2.6. Функция

std::move()

Библиотечная функция move() (см. раздел 13.6.1) — хороший пример шаблона, использующего ссылки на r-значение. К счастью, функцию move() можно использовать, не понимая механизма работы используемого ею шаблона. Однако изучение работы функции move() может помочь понять и использовать шаблоны.

В разделе 13.6.2 обращалось внимание на то, что, хотя и нельзя непосредственно привязать ссылку на r-значение к l-значению, функцию move() можно использовать для получения ссылки на r-значение, связанной с l-значением. Поскольку функция move() может получать аргументы, по существу, любого типа, нет ничего удивительного в том, что move() — это шаблон функции.

Как определена функция std::move()

Стандартное определение функции move() таково:

// об использовании typename в типе возвращаемого значения и

// приведении см. раздел 16.1.3

// remove_reference рассматривается в разделе 16.2.3

template

typename remove_reference::type&& move(T&& t) {

 // static_cast рассматривается в разделе 4.11.3

 return static_cast::type&&>(t);

}

Этот код короток, но сложен. В первую очередь, параметр функции move(), Т&& является ссылкой на r-значение типа параметра шаблона. Благодаря сворачиванию ссылок этот параметр может соответствовать аргументу любого типа. В частности, функции move() можно передать либо l-, либо r-значение:

string s1("hi!"), s2;

s2 = std::move(string("bye!")); // ok: перемещение r-значения

s2 = std::move(s1); // ok: но после присвоения

                    //  значение s1 неопределенно

Как работает функция std::move()

В первом присвоении аргумент функции move() является r-значением, полученным в результате выполнения конструктора string("bye") класса string. Как уже упоминалось, при передаче r-значения ссылочному r-значению параметра функции выведенный из этого аргумента тип является ссылочным типом (см. раздел 16.2.5). Таким образом, в вызове std::move(string("bye!")):

• выведенным типом T будет string;

• следовательно, экземпляр шаблона remove_reference создается с типом string;

• тип-член type класса remove_reference будет иметь тип string;

• типом возвращаемого значения функции move() будет string&&;

• у параметра t функции move() будет тип string&&;

Соответственно, этот вызов создает экземпляр move, являющийся следующей функцией:

string&& move(string &&t)

Тело этой функции возвращает тип static_cast(t). Типом t уже является string&&, поэтому приведение не делает ничего. Следовательно, результатом этого вызова будет ссылка на r-значение, которое было дано.

Теперь рассмотрим второе присвоение, которое вызывает функцию std::move(s1). В этом вызове аргументом функции move() является l-значение. Поэтому на сей раз:

• выведенным типом Т будет string& (ссылка на тип string, а не просто string);

• следовательно, экземпляр шаблона remove_reference создается с типом string&;

• тип-член type класса remove_reference будет иметь тип string;

• типом возвращаемого значения функции move() все еще будет string&&;

• параметр t функции move() будет создан как экземпляр string& &&, который сворачивается в string&.

Таким образом, этот вызов создает экземпляр шаблона move, который является точно тем, что необходимо для связи ссылки на r-значение с l-значением.

string&& move(string &t)

Тело этого экземпляра возвращает тип static_cast(t). В данном случае типом t является string&, который приведение преобразует в тип string&&.

Оператор static_cast поддерживает приведение l-значения к ссылке на r-значение

Обычно оператор static_cast может выполнить только доступные преобразования (см. раздел 16.3). Однако для ссылок на r-значение есть специальное разрешение: даже при том, что нельзя неявно преобразовать l-значение в ссылку на r-значение, используя оператор static_cast, можно явно привести l-значение к ссылке на r-значение.

Привязка ссылки на r-значение к l-значению создает код, который работает с разрешением ссылке на r-значение заменять l-значение. Иногда, как в случае с функцией reallocate() класса StrVec (см. раздел 13.6.1), известно, что замена l-значения безопасна. Разрешая осуществлять это приведение, язык позволяет его использование. Вынуждая использовать приведение, язык пытается предотвратить его случайное использование.

И наконец, хотя такие приведения можно написать непосредственно, намного проще использовать библиотечную функцию move(). Кроме того, использование функции std::move() существенно облегчает поиск в коде места, потенциально способного заменить l-значения.

Упражнения раздела 16.2.6

Упражнение 16.46. Объясните, что делает этот цикл из функции StrVec::reallocate() (раздел 13.5):

for (size_t i = 0; i != size(); ++i)

 alloc.construct(dest++, std::move(*elem++));

 

16.2.7. Перенаправление

Некоторые функции должны перенаправлять другим функциям один или несколько своих аргументов с неизменными типами. В таких случаях необходимо сохранить всю информацию о перенаправленных аргументах, включая то, является ли тип аргумента константой и является ли аргумент l- или r-значением.

В качестве примера напишем функцию, получающую вызываемое выражение и два дополнительных аргумента. Функция вызовет предоставленное вызываемое выражение с другими двумя аргументами в обратном порядке. Вот первый фрагмент функции обращения:

// шаблон, получающий вызываемое выражение и два параметра

// вызывает предоставленное выражение с "обращенными" параметрами

// flip1 - неполная реализация: спецификатор const верхнего уровня и

// ссылки теряются

template

void flip1(F f, T1 t1, T2 t2) {

 f(t2, t1);

}

Этот шаблон работает прекрасно, пока он не используется для вызова функции со ссылочным параметром:

void f(int v1, int &v2) // обратите внимание, v2 - ссылка

{

 cout << v1 << " " << ++v2 << endl;

}

Здесь функция f() изменяет значение аргумента, привязанного к параметру v2. Но если происходит вызов функции f() через шаблон flip1, внесенные функцией f() изменения не затронут первоначальный аргумент:

f(42, i);        // f() изменяет свой аргумент i

flip1(f, j, 42); // вызов f() через flip1 оставляет j неизменным

Проблема в том, что j передается параметру t1 шаблона flip1. Этот параметр имеет простой, не ссылочный тип int, а не int&. Таким образом, этот вызов создает следующий экземпляр шаблона flip1:

void flip1(void(*fcn)(int, int&), int t1, int t2);

Значение j копируется в t1. Ссылочный параметр в функции f() связан с t1, а не с j. 

#magnify.png Определение параметров функции, хранящих информацию типа

Чтобы передать ссылку через функцию, необходимо переписать ее так, чтобы параметры сохраняли принадлежность своих аргументов к l-значениям. Немного поразмыслив, можно предположить, что константность аргументов также необходимо сохранить.

Всю информацию о типе аргумента можно сохранить, определив соответствующий ему параметр функции как ссылку на r-значение параметра типа шаблона. Использование ссылочного параметра (l- или r-значение) позволяет сохранить константность, поскольку спецификатор const в ссылочном типе нижнего уровня. Благодаря сворачиванию ссылок (см. раздел 16.2.5), если определить параметры функции как T1&& и T2&&, можно сохранить принадлежность к l- или r-значениям аргументов функции (см. раздел 16.2.5):

template

void flip2(F f, T1 &&t1, T2 &&t2) {

 f(t2, t1);

}

Как и прежде, если происходит вызов flip2(f, j, 42), l-значение j передается параметру t1. Однако в функции flip() для T1 выводится тип int&, а значит, тип t1 сворачивается в int&. Ссылка t1 связана с j. Когда функция flip() вызывает функцию f(), ссылочный параметр v2 в функции f() привязан к t1, который, в свою очередь, привязан к j. Когда функция f() осуществляет инкремент v2, это изменяет значение j.

Параметр функции, являющийся ссылкой на r-значение параметра типа шаблона (т.е. Т&&), сохраняет константность и принадлежность к l- или r-значениям соответствующих ему аргументов.

Эта версия функции flip() решает одну половину проблемы. Она работает прекрасно с функциями, получающими ссылки на l-значение, но неприменима для вызова функций с параметрами ссылок на r-значение. Например:

void g(int &&i, int& j) {

 cout << i << " " << j << endl;

}

Если попытаться вызывать функцию g() через функцию flip(), то для параметра ссылки на r-значение функции g() будет передан параметр t2. Даже если функции flip() было передано r-значение, функции g() будет передан параметр, носящий в функции flip() имя t2:

flip2(g, i, 42); // ошибка: нельзя инициализировать int&& из l-значения

Параметр функции, как и любая другая переменная, является выражением l-значения (см. раздел 13.6.1). В результате вызов функции g() в функции flip() передает l-значение параметру ссылки на r-значение функции g().

#magnify.png Использование функции std::forward() для сохранения информации типа в вызове

Чтобы передать функции flip() параметры способом, сохраняющим типы первоначальных аргументов, можно использовать новую библиотечную функцию forward(). Как и функция move(), функция forward() определяется в заголовке utility. В отличие от функции move(), функцию forward() следует вызывать с явным аргументом шаблона (см. раздел 16.2.2). Для этого явного аргумента типа функция forward() возвращает ссылку на r-значение. Таким образом, типом возвращаемого значения функции forward будет Т&&.

Обычно функцию forward() используют для передачи параметра функции, который определен как ссылка на r-значение, параметру типа шаблона. Благодаря сворачиванию ссылок для типа возвращаемого значения функция forward() сохраняет характер (l- или r-значение) переданного ей аргумента:

template intermediary(Type &&arg) {

 finalFcn(std::forward(arg)); // ...

}

Здесь Type используется как тип явного аргумента шаблона функции forward() (выводимый из arg). Поскольку arg — это ссылка на r-значение для параметра типа шаблона, параметр Type представит всю информацию типа в аргументе, переданном параметру arg. Если этот аргумент будет r-значением, то параметр Type будет иметь обычный (не ссылочный) тип и функция forward() возвратит Type&&. Если аргумент будет l-значением, то (благодаря сворачиванию ссылок) типом параметра Type будет ссылка на l-значение. В данном случае типом возвращаемого значения будет ссылка на r-значение для типа ссылки на l-значение. Снова благодаря сворачиванию ссылок (на сей раз для типа возвращаемого значения) функция forward() возвратит тип ссылки на l-значение.

При использовании с параметром функции, являющимся ссылкой на r-значение для параметра типа шаблона (Т&&), функция forward() сохраняет все подробности типа аргумента.

Перепишем первоначальную функцию, используя на этот раз функцию forward():

template

void flip(F f, T1 &&t1, T2 &&t2) {

 f(std::forward(t2), std::forward(t1));

}

Если происходит вызов функции flip(g, i, 42), то параметр i будет передан функции g(), поскольку int& и 42 будут переданы как int&&.

Подобно функции std::move(), для функции std::forward() не стоит предоставлять объявление using. Причина описана в разделе 18.2.3.

Упражнения раздела 16.2.7

Упражнение 16.47. Напишите собственную версию функции обращения и проверьте ее, вызывав функции с параметрами ссылок на r-значение и l-значение.

 

Шаблон с переменным количеством аргументов (variadic template) — это шаблон функции или класса, способный получать переменное количество параметров. Набор таких параметров называется пакетом параметров (parameter pack). Есть два вида пакетов параметров: пакет параметров шаблона (template parameter pack), представляющий любое количество параметров шаблона, и пакет параметров функции (function parameter pack), представляющий любое количество параметров функции.

Для указания, что шаблону или функции представлен пакет параметров, используется многоточие. В списке параметров шаблона синтаксис class... или typename... означает, что следующий параметр представляет список любого количества типов; имя типа, сопровождаемое многоточием, представляет список из любого количества параметров значения заданного типа. Параметр в списке параметров функции, типом которого является пакет параметров шаблона, представляет собой пакет параметров функции. Например:

// Args - это пакет параметров шаблона; rest - пакет параметров функции

// Args представляет любое количество параметров типа шаблона

// rest представляет любое количество параметров функции

template

void foo(const T &t, const Args& ... rest);

Этот код объявляет, что fоо() — это функция с переменным количеством аргументов, у которой один параметр типа по имени T и пакет параметров шаблона по имени Args. Этот пакет представляет любое количество дополнительных параметров типа. В списке параметров функции foo() один параметр типа const& для любого типа переданного параметром Т и пакет параметров функции rest. Этот пакет представляет любое количество параметров функции.

Как обычно, компилятор выводит типы параметра шаблона из аргументов функции. Для шаблона с переменным количеством аргументов компилятор также выводит количество параметров в пакете. Рассмотрим, например, следующие вызовы:

int i = 0; double d = 3.14; string s = "how now brown cow";

foo(i, s, 42, d); // три параметра в пакете

foo(s, 42, "hi"); // два параметра в пакете

foo(d, s);        // один параметр в пакете

foo("hi");        // пустой пакет

Компилятор создаст четыре разных экземпляра функции fоо():

void foo(const int&, const string&, const int&, const double&);

void foo(const string&, const int&, const char[3]Согласно другой трактовке, исключение — это объект системного или пользовательского класса, создаваемого операционной системой или кодом программы в ответ на обстоятельства, либо не допускающие дальнейшего нормального выполнения программы, либо определенные пользователем. Обработка исключений в приложении позволяет корректно выйти из затруднительной ситуации. — Примеч. ред .
&);

void foo(const double&, const string&);

void foo(const char[3]Согласно другой трактовке, исключение — это объект системного или пользовательского класса, создаваемого операционной системой или кодом программы в ответ на обстоятельства, либо не допускающие дальнейшего нормального выполнения программы, либо определенные пользователем. Обработка исключений в приложении позволяет корректно выйти из затруднительной ситуации. — Примеч. ред .
&);

В каждом случае тип T выводится из типа первого аргумента. Остальные аргументы (если они есть) представляют количество и типы дополнительных аргументов функции.

Оператор sizeof...

Когда необходимо узнать, сколько элементов находится в пакете, можно использовать оператор sizeof.... Как и оператор sizeof (см. раздел 4.9), оператор sizeof... возвращает константное выражение (см. раздел 2.4.4) и не вычисляет свой аргумент:

template void g(Args ... args) {

 cout << sizeof...(Args) << endl; // количество параметров типа

 cout << sizeof...(args) << endl; // количество параметров функции

}

Упражнения раздела 16.4

Упражнение 16.51. Определите, что возвратят операторы sizeof...(Args) и sizeof...(rest) для каждого вызова функции foo() в этом разделе.

Упражнение 16.52. Напишите программу, проверяющую ответы на предыдущий вопрос.

 

16.4.1. Шаблоны функции с переменным количеством аргументов

В разделе 6.2.6 упоминалось, что для определения функции, способной получать переменное количество аргументов, можно использовать класс initializer_list. Однако у аргументов должен быть одинаковый тип (или типы, преобразуемые в общий тип). Функции с переменным количеством аргументов используются тогда, когда не известно ни количество, ни типы аргументов. Для примера определим функцию, подобную прежней функции error_msg(), только на сей раз обеспечим и изменение типов аргумента. Начнем с определения функции print() с переменным количеством аргументов, которая выводит содержимое заданного списка аргументов в указанный поток.

Функции с переменным количеством аргументов зачастую рекурсивны (см. раздел 6.3.2). Первый вызов обрабатывает первый аргумент в пакете и вызывает себя для остальных аргументов. Новая функция print() будет работать таким же образом — каждый вызов выводит свой второй аргумент в поток, обозначенный первым аргументом. Для остановки рекурсии следует определить также обычную функцию print(), которая получает поток и объект:

// Функция для завершения рекурсии и вывода последнего элемента

// ее следует объявить перед определением версией print() с переменным

// количеством аргументов

template

ostream &print(ostream &os, const T &t) {

 return os << t; // нет разделителя после последнего элемента в пакете

}

// эта версия print() будет вызвана для всех элементов в пакете, кроме

// последнего

template

ostream &print(ostream &os, const T &t, const Args&... rest) {

 os << t << ", "; // выводит первый аргумент

 return print(os, rest...); // рекурсивный вызов; вывод других

                            // аргументов

}

Первая версия функции print() останавливает рекурсию и выводит последний аргумент в начальном вызове функции print(). Вторая версия, с переменным количеством аргументов, выводит аргумент, связанный с t, и вызывает себя для вывода остальных значений в пакете параметров функции.

Ключевая часть — вызов функции print() в функции с переменным количеством аргументов:

return print(os, rest...); // рекурсивный вызов; вывод других

// аргументов

Версия функции print() с переменным количеством аргументов получает три параметра: ostream&, const T& и пакет параметров. Но в этом вызове передаются только два аргумента. В результате первый аргумент в пакете rest привязывается к t. Остальные аргументы в пакете rest формируют пакет параметров для следующего вызова функции print(). Таким образом, при каждом вызове первый аргумент удаляется из пакета и становится аргументом, связанным с t. Соответственно, получаем:

print(cout, i, s, 42); // два параметра в пакете

Рекурсия выполнится следующим образом:

Вызов print(cout, 42) вызывает обычную версию функции print().

Первые два вызова могут соответствовать только версии функции print() с переменным количеством аргументов, поскольку обычная версия не является подходящей. Эти вызовы передают четыре и три аргумента соответственно, а обычная функция print() получает только два аргумента.

Для последнего вызова в рекурсии, print(cout, 42), подходят обе версии функции print(). Этот вызов передает два аргумента, и типом первого являются ostream&. Таким образом, подходящей является обычная версия функции print().

Версия с переменным количеством аргументов также является подходящей. В отличие от обычного аргумента, пакет параметров может быть пустым. Следовательно, экземпляр версии функции print() с переменным количеством аргументов может быть создан только с двумя параметрами: один — для параметра ostream& и другой — для параметра const T&.

Обе функции обеспечивают одинаково хорошее соответствие для вызова. Однако нешаблонная версия с переменным количеством аргументов более специализирована, чем шаблонная с переменным количеством аргументов. Поэтому выбирается версия без переменного количества аргументов (см. раздел 16.3).

Объявление версии функции print() с постоянным количеством аргументов должно быть в области видимости, когда определяется версия с переменным количеством аргументов. В противном случае функция с переменным количеством аргументов будет рекурсивно вызывать себя бесконечно.

Упражнения раздела 16.4.1

Упражнение 16.53. Напишите собственные версии функций print() и проверьте их, выводя один, два и пять аргументов, у каждых из которых должны быть разные типы.

Упражнение 16.54. Что происходит при вызове функции print() для типа, не имеющего оператора <

Упражнение 16.55. Объясните, как выполнилась бы версия функции print() с переменным количеством аргументов, если бы обычная версия функции print() была объявлена после определения версии с переменным количеством аргументов.

 

16.4.2. Развертывание пакета

Кроме выяснения размера, единственное, что можно еще сделать с пакетом параметров, — это развернуть (pack expansion) его. При развертывании пакета предоставляется схема (pattern), используемая для каждого развернутого элемента. Развертывание пакета разделяет его на элементы с применением схемы к каждому из них. Для запуска развертывания справа от схемы помещают многоточие (...).

Например, функция print() содержит два развертывания:

template ostream &

print(ostream &os, const T &t, const Args&... rest) // развертывание

                                                    //  Args

{

 os << t << ", ";

 return print(os, rest...); // развертывание rest

}

В первом случае развертывание пакета параметров шаблона создает список параметров функции print(). Второй случай развертывания находится в вызове функции print(). Эта схема создает список аргументов для вызова.

Развертывание пакета Args применяет схему const Args& к каждому элементу в пакете параметров шаблона Args. Результатом этой схемы будет разделенный запятыми список из любого количества типов параметров в формате const тип & . Например:

print(cout, i, s, 42); // два параметра в пакете

Типы последних двух аргументов, наряду со схемой, определяют типы замыкающих параметров. Этот вызов создает следующий экземпляр:

ostream&

print(ostream&, const int&, const strings, const int&);

Второе развертывание происходит в рекурсивном вызове функции print(). В данном случае схема — это имя пакета параметров функции (т.е. rest). Эта схема развертывается в разделяемый запятыми список элементов пакета. Таким образом, этот вызов эквивалентен следующему:

print(os, s, 42);

Концепция развертывания пакета

Развертывание пакета параметров функции print() только разворачивало пакет на его составные части. При развертывании пакета параметров функции возможны и более сложные схемы. Например, можно было бы написать вторую функцию с переменным количеством аргументов, которая вызывает функцию debug_rep() (см. раздел 16.3) для каждого из своих аргументов, а затем вызывает функцию print(), чтобы вывести полученные строки:

// вызвать debug_rep() для каждого аргумента в вызове print()

template

ostream &errorMsg(ostream &os, const Args&... rest) {

 // print(os, debug_rep(a1), debug_rep(a2), ..., debug_rep(an)

 return print(os, debug_rep(rest)...);

}

Вызов функции print() использует схему debug_rep(rest). Эта схема означает, что функцию debug_rep() следует вызвать для каждого элемента в пакете параметров функции rest. Получившийся развернутый пакет будет разделяемым запятыми списком вызовов функции debug_rep(). Таким образом, вызов

errorMsg(cerr, fcnName, code.num(), otherData, "other", item);

выполняется, как будто было написано:

print(cerr, debug_rep(fcnName), debug_rep(code.num()),

            debug_rep(otherData), debug_rep("otherData"),

            debug_rep(item));

Следующая схема, напротив, не была бы откомпилирована:

// передает пакет debug_rep(); print(os, debug_rep(a1, a2, an))

print(os, debug_rep(rest...)); // ошибка: нет функции, соответствующей

                               // вызову

Проблема здесь в том, что пакет rest развернут в вызове функции debug_rep(). Этот вызов выполнился бы так, как будто было написано:

print(cerr, debug_rep(fcnName, code.num(),

            otherData, "otherData", item));

В этом развертывании осуществляется попытка вызова функции debug_rep() со списком из пяти аргументов. Нет никакой версии функции debug_rep(), соответствующей этому вызову. Функция debug_rep() имеет постоянное количество аргументов, и нет никакой ее версии с пятью параметрами.

Схема при развертывании применяется по отдельности к каждому элементу в пакете.

Упражнения раздела 16.4.2

Упражнение 16.56. Напишите и проверьте версию функции errorMsg() с переменным количеством аргументов.

Упражнение 16.57. Сравните свою версию функции errorMsg() с переменным количеством аргументов с функцией error_msg() из раздела 6.2.6. Каковы преимущества и недостатки каждого подхода?

 

16.4.3. Перенаправление пакетов параметров

По новому стандарту можно использовать шаблоны с переменным количеством аргументов совместно с функцией forward() для написания функций, которые передают свои аргументы неизменными некой другой функции. Чтобы проиллюстрировать такие функции, добавим в класс StrVec (см. раздел 13.5) функцию-член emplace_back(). Такая функция-член библиотечных контейнеров является шаблоном-членом с переменным количеством аргументов (см. раздел 16.1.4), которая использует их для создания элементов непосредственно в области, управляемой контейнером. 

Версия функции emplace_back() для класса StrVec также должна быть с переменным количеством аргументов, поскольку у класса string много конструкторов, которые отличаются своими параметрами.

Поскольку желательно быть в состоянии использовать конструктор перемещения класса string, необходимо будет также сохранять всю информацию о типах аргументов, переданных функции emplace_back().

Как уже упоминалось, сохранение информации типа — двухступенчатый процесс. Во-первых, для сохранения информации типа аргументов параметры функции emplace_back() следует определить как ссылки на r-значение параметра типа шаблона (см. раздел 16.2.7):

class StrVec {

public:

 template void emplace_back(Args&&...);

 // остальные члены, как в разделе 13.5

};

Схема && в развертывании пакета параметров шаблона означает, что каждый параметр функции будет ссылкой на r-значение на соответствующий ей аргумент.

Во-вторых, функцию forward() следует использовать для сохранения первоначальных типов аргументов, когда функция emplace_back() передает их функции construct() (см. раздел 16.2.7):

template

inline

void StrVec::emplace_back(Args&&... args) {

 chk_n_alloc(); // пересоздает StrVec при необходимости

 alloc.construct(first_free++, std::forward(args)...);

}

Тело функции emplace_back() вызывает функцию chk_n_alloc() (см. раздел 13.5), чтобы гарантировать наличие достаточного места для элемента, и вызывает функцию construct(), чтобы создать элемент в позиции, на которую указывает указатель first_free.

std::forward(args)...

Развертывание в вызове функции construct() разворачивает оба пакета: параметров шаблона Args и параметров функции args. Эта схема создает элементы в формате:

std::forward< T i >( t i )

где T i представляет тип i -го элемента в пакете параметров шаблона, a t i представляет i -й элемент в пакете параметров функции. Например, если svec имеет тип StrVec, то при вызове

svec.emplace_back(10, 'c'); // добавит cccccccccc как новый последний

                            // элемент

схема в вызове функции construct() развернется в

std::forward(10), std::forward(c)

Использование функции forward() в этом вызове гарантирует, что если функция emplace_back() будет вызвана с r-значением, то функция construct() также получит r-значение. Например, в вызове

svec.emplace_back(s1 + s2); // использует конструктор перемещения

аргумент функции emplace_back() является r-значением, которое передается функции construct() как

std::forward(string("the end"))

Типом результата вызова forward будет strings&, поэтому функция construct() будет вызвана со ссылкой на r-значение. Функция construct(), в свою очередь, перенаправит этот аргумент конструктору перемещения класса string, чтобы создать этот элемент.

Совет. Перенаправление и шаблоны с переменным количеством аргументов

Функции с переменным количеством аргументов зачастую перенаправляют свои параметры другим функциям. Форма таких функций, как правило, подобна функции emplace_back() :

// у функции fun() может быть любое количество параметров, каждый

// из которых является ссылкой r-значения на тип параметра шаблона

template<typename... Args>

void fun(Args&&... args) // развертывание Args в список ссылок

                         // на r-значения

{

 // аргумент work() развертывает как Args, так и args

 work(std::forward<Args>(args)...);

}

Здесь предполагается перенаправить все аргументы функции fun() другой функции, work() , которая, по-видимому, осуществляет реальную работу. Как и вызов функции construct() в функции emplace_back() , развертывание в вызове функции work() разворачивает и пакет параметров шаблона, и пакет параметров функции.

Поскольку параметры функции fun() являются ссылками на r-значение, функции fun() можно передать аргументы любого типа; поскольку для передачи этих аргументов используется функция std::forward() , вся информация о типах этих аргументов будет сохраняться в вызове функции work() .

Упражнения раздела 16.4.3

Упражнение 16.58. Напишите функцию emplace_back() для собственного класса StrVec и для класса Vec, написанного в упражнении раздела 16.1.2.

Упражнение 16.59. С учетом того, что s имеет тип string, объясните вызов svec.emplace_back(s).

Упражнение 16.60. Объясните, как работает функция make_shared() (см. раздел 12.1.1).

Упражнение 16.61. Определите собственную версию функции make_shared().