Конкретизация шаблона класса
В определении шаблона указывается, как следует строить индивидуальные классы, если заданы один или более фактических типов или значений. По шаблону Queue автоматически генерируются экземпляры классов Queue с разными типами элементов. Например, если написать:
Queue<int> qi;
то из обобщенного определения шаблона автоматически создается класс Queue для объектов типа int.
Генерация конкретного класса из обобщенного определения шаблона называется конкретизацией шаблона. При такой конкретизации Queue для объектов типа int каждое вхождение параметра Type в определении шаблона заменяется на int, так что определение класса Queue принимает вид:
template <class int>
class Queue {
public:
Queue() : front( 0 ), back ( 0 ) { }
~Queue();
int& remove();
void add( const int & );
bool is_empty() const {
return front == 0;
}
private:
QueueItem<int> *front;
QueueItem<int> *back;
};
Чтобы создать класс Queue для объектов типа string, надо написать:
Queue<string> qs;
При этом каждое вхождение Type в определении шаблона будет заменено на string. Объекты qi и qs являются объектами автоматически созданных классов.
Каждый конкретизированный по одному и тому же шаблону экземпляр класса совершенно не зависит от всех остальных. Так, у Queue для типа int нет никаких прав доступа к неоткрытым членам того же класса для типа string.
Конкретизированный экземпляр шаблона будет иметь соответственно имя Queue<int> или Queue<string>. Части <int> и <string>, следующие за именем Queue, называются фактическими аргументами шаблона. Они должны быть заключены в угловые скобки и отделяться друг от друга запятыми. В имени конкретизируемого шаблона аргументы всегда должны задаваться явно. В отличие от аргументов шаблона функции, аргументы шаблона класса никогда не выводятся из контекста:
Queue qs; // ошибка: как конкретизируется шаблон?
Конкретизированный шаблон класса Queue можно использовать в программе всюду, где допустимо употребление типа обычного класса:
// типы возвращаемого значения и обоих параметров конкретизированы из
// шаблона класса Queue
extern Queue< complex<double> >
foo( Queue< complex<double> > &, Queue< complex<double> > & );
// указатель на функцию- член класса, конкретизированного из шаблона Queue
bool (Queue<double>::*pmf)() = 0;
// явное приведение 0 к указателю на экземпляр Queue
Queue<char*> *pqc = static_cast< Queue<char*>* > ( 0 );
Объекты типа класса, конкретизированного по шаблону Queue, объявляются и используются так же, как объекты обычных классов:
extern Queue<double> eqd;
Queue<int> *pqi = new Queue<int>;
Queue<int> aqi[1024];
int main() {
int ix;
if ( ! pqi->is_empty() )
ix = pqi->remove();
// ...
for ( ix = 0; ix < 1024; ++ix )
eqd[ ix ].add( ix );
// ...
}
В объявлении и определении шаблона можно ссылаться как на сам шаблон, так и на конкретизированный по нему класс:
// объявление шаблона функции
template <class Type>
void bar( Queue<Type> &, // ссылается на обобщенный шаблон
Queue<double> & // ссылается на конкретизированный шаблон
)
Однако вне такого определения употребляются только конкретизированные экземпляры. Например, в теле обычной функции всегда надо задавать фактические аргументы шаблона Queue:
void foo( Queue<int> &qi )
{
Queue<int> *pq = &qi;
// ...
}
Шаблон класса конкретизируется только тогда, когда имя полученного экземпляра употребляется в контексте, где требуется определение шаблона. Не всегда определение класса должно быть известно. Например, перед объявлением указателей и ссылок на класс его знать необязательно:
class Matrix;
Matrix *pm; // правильно: определение класса Matrix знать необязательно
void inverse( Matrix & ); // тоже правильно
Поэтому объявление указателей и ссылок на конкретизированный шаблон класса не приводит к его конкретизации. (Отметим, что в некоторых компиляторах, написанных до принятия стандарта C++, шаблон конкретизируется при первом упоминании имени конкретизированного класса в тексте программы.) Так, в функции foo() объявляются указатель и ссылка на Queue<int>, но это не вызывает конкретизации шаблона Queue:
// Queue<int> не конкретизируется при таком использовании в foo()
void foo( Queue<int> &qi )
{
Queue<int> *pqi = &qi;
// ...
}
Определение класса необходимо знать, когда определяется объект этого типа. В следующем примере определение obj1 ошибочно: чтобы выделить для него память, компилятору необходимо знать размер класса Matrix:
class Matrix;
Matrix obj1; // ошибка: класс Matrix не определен
class Matrix { ... };
Matrix obj2; // правильно
Таким образом, конкретизация происходит тогда, когда определяется объект класса, конкретизированного по этому шаблону. В следующем примере определение объекта qi приводит к конкретизации шаблона Queue<int>:
Queue<int> qi; // конкретизируется Queue<int>
Определение Queue<int> становится известно компилятору именно в этой точке, которая называется точкой конкретизации данного класса.
Если имеется указатель или ссылка на конкретизированный шаблон, то конкретизация также производится в момент обращения к объекту, на который они ссылаются. В определенной выше функции foo() класс Queue<int> конкретизируется в следующих случаях: когда разыменовывается указатель pqi, когда ссылка qi используется для получения значения именуемого объекта и когда pqi или qi употребляются для доступа к членам или функциям-членам этого класса:
void foo( Queue<int> &qi )
{
Queue<int> *pqi = &qi;
// Queue<int> конкретизируется в результате вызова функции-члена
pqi->add( 255 );
// ...
}
Определение Queue<int> становится известным компилятору еще до вызова функции-члена add() из foo().
Напомним, что в определении шаблона класса Queue есть также ссылка на шаблон QueueItem:
template <class Type>
class Queue {
public:
// ...
private:
QueueItem<Type> *front;
QueueItem<Type> *back;
};
При конкретизации Queue типом int члены front и back становятся указателями на QueueItem<int>. Следовательно, конкретизированный экземпляр Queue<int> ссылается на экземпляр QueueItem, конкретизированный типом int. Но поскольку соответствующие члены являются указателями, то QueueItem<int> конкретизируется лишь в момент их разыменования в функциях-членах класса Queue<int>.
Наш класс QueueItem служит вспомогательным средством для реализации класса Queue и не будет непосредственно употребляться в вызывающей программе. Поэтому пользовательская программа способна манипулировать только объектами Queue. Конкретизация шаблона QueueItem происходит лишь в момент конкретизации шаблона класса Queue или его членов. (В следующих разделах мы рассмотрим конкретизации членов шаблона класса.)
В зависимости от типов, которыми может конкретизироваться шаблон, при его определении надо учитывать некоторые нюансы. Почему, например, следующее определение конструктора класса QueueItem не подходит для конкретизации общего вида?
template <class Type>
class QueueItem {
public:
QueueItem( Type ); // неудачное проектное решение
// ...
};
В данном определении аргумент передается по значению. Это допустимо, если QueueItem конкретизируется встроенным типом (например, QueueItem<int>). Но если такая конкретизация производится для объемного типа (скажем, Matrix), то накладные расходы, вызванные неправильным выбором на этапе проектирования, становятся неприемлемыми. (В разделе 7.3 обсуждались вопросы производительности, связанные с передачей параметров по значению и по ссылке.) Поэтому аргумент конструктора объявляется как ссылка на константный тип:
QueueItem( const Type & );
Следующее определение приемлемо, если у типа, для которого конкретизируется QueueItem, нет ассоциированного конструктора:
template <class Type>
class QueueItem {
// ...
public:
// потенциально неэффективно
QueueItem( const Type &t ) {
item = t; next = 0;
}
};
Если аргументом шаблона является тип класса с конструктором (например, string), то item инициализируется дважды! Конструктор по умолчанию string вызывается для инициализации item перед выполнением тела конструктора QueueItem. Затем для созданного объекта item производится почленное присваивание. Избежать такого можно с помощью явной инициализации item в списке инициализации членов внутри определения конструктора QueueItem:
template <class Type>
class QueueItem {
// ...
public:
// item инициализируется в списке инициализации членов конструктора
QueueItem( const Type &t )
: item(t) { next = 0; }
};
(Списки инициализации членов и основания для их применения обсуждались в разделе 14.5.)
