R.14.1 Шаблоны типа
Шаблон типа определяет целое семейство типов или функций.
описание-шаблона-типа:
template ‹ список-параметров-шаблона-типа › описание
список-параметров-шаблона-типа:
параметр-шаблона-типа
список-параметров-шаблона-типа , параметр-шаблона-типа
параметр-шаблона-типа:
параметр-типа
описание-параметра
параметр-типа:
class идентификатор
Конструкция описание в описании-шаблона-типа должна содержать описание или определение функции или класса.
В конструкции параметр-типа идентификатор определяется как имя-типа в области видимости описания шаблона типа.
Имена шаблонов типа подчиняются обычным правилам для областей видимости и контроля доступа. Конструкция описание-шаблона-типа считается описанием. Она может присутствовать в программе только как глобальное описание.
R.14.2 Шаблоны типов для классов
Шаблон типа для класса определяет как будут строиться классы, подобно тому, как описание класса определяет как будут строиться объекты этого класса. Шаблон типа для класса vector можно описать следующим образом:
template‹class T› class vector {
T* v;
int sz;
public:
vector(int);
T& operator[](int);
T& elem(int i) { return v[i]; }
//…
};
Префикс template‹class T› показывает, что описывается шаблон типа, и что в этом описании используется имя-типа T, иными словами, vector - это параметризованный тип с параметром T.
Класс можно задать с помощью конструкции имя-шаблонного-класса:
имя-шаблонного-класса:
имя-шаблона-типа ‹ список-парам-шаблона-типа ›
список-парам-шаблона-типа:
парам-шаблона-типа
список-парам-шаблона-типа , парам-шаблона-типа
парам-шаблона:
выражение
имя-типа
Конструкция имя-шаблонного-класса является именем-класса (§R.9).
Класс, который порождается шаблоном типа для класса, называется шаблонным классом и эквивалентен обычному классу, определенному со специальным именем - именем-шаблонного-класса, см. §R.14.5.
Если в конструкции имя-шаблонного-класса имя-шаблона-типа не определено,то она обозначает неопределенный класс.
Имя шаблонного класса должно быть уникальным в программе и в своей области видимости оно не может обозначать другой шаблон типа, класс, функцию, объект, значение или тип.
Типы, указанные в списке-парам-шаблона-типа из имени-шаблонного-класса, должны соответствовать типам, заданным в списке-параметров-шаблона-типа из шаблона-типа. (Можно сказать, что первые являются фактическими параметрами шаблона типа, а вторые - формальными.)
Кроме типов в списке-парам-шаблона-типа могут быть: выражения-константы, адреса объектов или функций, подлежащих внешнему связыванию, статические члены классов. Для параметров, не являющихся типами, требуется точное соответствие (§R.13.2).
Приведем примеры использования классов шаблона типа vector:
vector‹int› v1(20);
vector‹complex› v2(30);
typedef vector‹complex› cvec; // cvec становится синонимом
// vector‹complex›
cvec v3(40); // v2 и v3 одного типа
v1[3] = 7;
v2[3] = v3.elem(4) = complex(7,8);
Здесь vector‹int› и vector‹complex› являются шаблонными классами, и их определения берутся по умолчанию из шаблона типа vector.
Поскольку шаблонное-имя-класса является именем-класса, то оно может использоваться там, где допустимо имя-класса, например:
class vector‹Shape*›;
vector‹Window›* current_window;
class svector: public vector‹Shape*› {/*… */};
Определение функции-члена шаблонного класса дано в §R.14.6.
R.14.3 Эквивалентность типов
Две конструкции шаблонное-имя-класса обозначают один и тот же класс, если в них совпадают имена шаблонов типа и значения указанных параметров. Например, в следующих описаниях x и y одного типа, который отличен от типа z:
template‹class E, int size› class buffer;
buffer‹char, 2*512› x;
buffer‹char,1024› y;
buffer‹char,512› z;
Ниже приведены описания, в которых одинаковый тип имеют x2 и x3. Он отличается от типов x1 и x4:
template‹class T, void(*err_fct)()›
class list {/*… */};
list‹int,&error_handler1› x1;
list‹int,&error_handler2› x2;
list‹int,&error_handler2› x3;
list‹char,&error_handler2› x4;
R.14.4 Шаблоны типа для функций
Шаблон типа для функции определяет как будет строиться функция. Например, семейство функций sort можно описать следующим образом:
template‹class T› void sort(vector‹T›);
Шаблон типа для функции порождает неограниченное множество перегруженных функций. Функция, порождаемая шаблоном типа для функций, называется шаблонной функцией. Она эквивалентна функции, в описании которой указан тип, соответствующий шаблону, см. §R.14.5.
При вызове шаблонной функции параметры шаблона типа не задаются явно, вместо этого применяется правило разрешения неопределенности перегруженных функций. Рассмотрим пример:
vector‹complex› cv(100);
vector‹int› ci(200);
void f(vector‹complex›& cv, vector‹int›& ci)
{
sort(cv); // вызывается sort(vector‹complex›)
sort(ci); // вызывается sort(vector‹int›)
}
Шаблонная функция может быть перегружена как обычными, так и шаблонными функциями с тем же именем. Для разрешения неопределенности шаблонных и обычных функций с одним и тем же именем надо последовательно пройти три шага:
[1]"The C Programming Language" B. Kernighan, D. Ritchie. Prentice Hall, 1978, 1988. Есть русский перевод: "Язык программирования С. Задачи по языку С" Б. Керниган, Д. Ритчи, А. Фьюер. "Финансы и статистика". 1984
Попытаться найти точно сопоставимую вызову (§R.13.2) функцию, и если она найдена, вызвать ее.
[2]American National Standard X3.159-1989. Американский национальный стандарт.
Попытаться найти шаблон типа для функций, по которому можно создать точно сопоставимую с рассматриваемым вызовом функцию. Если удалось найти, то вызвать функцию.
[3] Попытаться применить обычное правило разрешения неопределенности перегруженных функций (§R.13.2). Если с его помощью функция найдена, вызвать ее.
Если не найдено сопоставимой функции, вызов является ошибочным.
Если уже на первом шаге найдено более одного кандидата, сопоставимого с данной функцией, то вызов также считается неоднозначным и ошибочным.
Успешное выполнение шага [2]American National Standard X3.159-1989. Американский национальный стандарт.
приведет к созданию некоторой шаблонной функции с параметрами (§R.14.5), типы которых точно сопоставятся с типами параметров, указанных в вызове. В этом случае недопустимо расхождение даже за счет тривиальных преобразований (§R.13.2).
Такие же действия применяются для сопоставления типов указателей на функции (§R.13.3).
Рассмотрим пример:
template‹class T› T max(T a, T b) { return a›b ? a : b; };
void f(int a, int b, char c, char d)
{
int m1 = max(a,b); // max(int a, int b)
char m2 = max(c,d); // max(char c, char b)
int m3 = max(a,c); // ошибка: нельзя создать max(int,char)
}
Добавив к этому примеру описание
int max(int,int);
можно разрешить неопределенность для третьего вызова, поскольку теперь задана функция, которая после стандартного преобразования char в int, может сопоставиться с вызовом max(a,c).
Определение шаблона типа для функции используется для создания различных вариантов шаблона типа. Для вызова определенного варианта достаточно лишь описания шаблона типа.
Каждый параметр-шаблона-типа, который приведен в списке-параметров-шаблона-типа должен обязательно использоваться при задании типов параметров в шаблоне типа для функции.
template‹class T› T* create(); //ошибка
template‹class T›
void f() {// ошибка
T a;
//…
}
Все параметры-шаблона-типа, приведенные в шаблоне типа для функции, должны быть параметрами-типа.
R.14.5 Описания и определения
Для каждого имени шаблона типа в программе должно существовать только одно определение. Описаний может быть несколько. Определение используется для создания специальных шаблонных классов и шаблонных функций, которые будут соответствовать шаблону типа.
Конструкция имя-шаблонного-класса вводит описание шаблонного класса.
Вызов шаблонной функции или взятие ее адреса вводит описание шаблонной функции. Для вызова или взятия адреса шаблонной функции в языке существует особое соглашение: имя шаблонной функции используется точно так же как имя обычной функции. Описание функции с таким же именем, как у шаблонной функции, и с сопоставимыми типами параметров, вводит описание специальной шаблонной функции.
Если для выполнения некоторых операций требуется определение специального шаблонного класса или специальной шаблонной функции, и если такого определения в программе нет, то оно будет создано.
Определение обычной (нешаблонной) функции с типом, который точно сопоставляется с типом из описания шаблонной функции, считается определением специальной шаблонной функции. Рассмотрим пример:
template‹class T› void sort(vector‹T›& v) {/*… */}
void sort(vector‹char*›& v) {/*… */}
Здесь определение функции sort будет использоваться для той функции из семейства sort, которая сопоставляется при вызове с типом параметра vector‹char*›. Для других типов vector будет создаваться соответствующее им определение функции по шаблону типа.
Можно определить класс, который задает шаблонный класс, например:
template‹class T› class stream {/*… */};
class stream‹char› {/*… */};
Здесь описание класса будет использоваться в качестве определения потока символов (stream‹char›). Другие потоки будут управляться с помощью шаблонных функций, создаваемых по шаблону типа для функций.
Пока не появится описание шаблона типа для класса, никакие операции, которым требуется определенный класс, не могут быть произведены над шаблонным классом. После этого специальный шаблонный класс будет считаться определенным, причем сразу же перед первым глобальным описанием, использующим его имя.
R.14.6 Функции-члены шаблонов типа
Функция-член шаблонного класса считается неявной шаблонной функцией, а параметры шаблона типа для ее класса - ее шаблонными параметрами. Приведем пример, в котором описаны три шаблона типа для функции:
template‹class T› class vector {
T* v;
int sz;
public:
vector(int);
T& operator[](int);
T& elem(int i) { return v[i]; }
//…
};
Функцию, выполняющую индексацию, можно определить следующим образом:
template‹class T› T& vector‹T›::operator[](int i)
{
if (i‹0 || sz›=i) error("vector: range error");
return v[i];
}
Шаблонный параметр для vector‹T›::operator[]() будет задаваться тем типом vector, к которому применяется операция индексации.
vector‹int› v1(20);
vector‹complex› v2(30);
v1[3] = 7; // vector‹int›::operator[]()
v2[3] = complex(7,8); // vector‹complex›::operator[]()
R.14.7 Друзья
Функция-друг для шаблона типа не является неявной шаблонной функцией, например:
template‹class T› class task {
//…
friend void next_time();
friend task‹T›* preempt(task‹T›*);
friend task* prmt(task*); // ошибка
//…
};
Здесь функция next_time() становится другом всех классов task, а каждый класс task имеет в качестве друга функцию preempt() c соответствующими типами параметров. Функцию preempt() можно определить как шаблон типа.
template‹class T›
task‹T›* preempt(task‹T›* t) {/*… */}
Описание функции prmt() является ошибочным, поскольку типа task не существует, а есть только специальные шаблонные типы task‹int›, task‹record›, и т.д.
R.14.8 Статические члены и переменные
Для каждого шаблонного класса или функции, создаваемых по шаблону типа, образуется своя копия статических переменных или членов. Рассмотрим пример:
template‹class T› class X {
static T s;
//…
};
X‹int› aa;
X‹char*› bb;
Здесь в классе X‹int› есть статический член типа int, а в классе X‹char› есть статический член типа char*.
Аналогично, в приведенном ниже примере, функция f(int*) имеет статический член s типа int, а функция f(char**) имеет статический член типа char**:
template‹class T› f(T* p)
{
static T s;
//…
}
void g(int a, char* b)
{
f(&a);
f(&b);
}