Programmieren - C++ Templates

Transkript

1 Programmieren - C++ Templates Reiner Nitsch r.nitsch@fbi.h-da.de

2 Was sind Templates? C++ Templates ermöglichen generische Programmierung. Das ist Programmierung unabhängig vom speziellen Objekt-Typ Templates sind Schablonen mit parametrisierten Datentypen d.h. mit Platzhaltern für Typen (Typ-Parameter). So wie Funktionen zur Laufzeit die deklarierten Parameter übergeben bekommen, werden bei Templates dem Compiler zur Compilezeit die deklarierten Typparameter übergeben. Dieser setzt die übergebenen aktuellen Typparameter dann anstelle der Platzhalter-Typen ein. C++ unterscheidet zwischen Funktionstemplates (siehe PG1: 4b-PG1-FktTemplates-Student.pdf) und Klassentemplates C++ Templates 2

3 Wiederholung: Funktionstemplates? Beispiele: Sortieren von int-, double-, string- oder Konto-Arrays, DynArray, Listen, Viele Sortieralgorithmen sortieren Arrays, indem sie Elemente solange vertauschen, bis die Sortierung stimmt. Funktion vertausche für Ganzzahlen void vertausche( int& a, int& b ) int tmp(a); a = b; b = tmp ; Funktion vertausche für Konten void vertausche( Konto& a, Konto& b ) Konto tmp(a); a = b; b = tmp ; Algorithmus ist unabhängig vom Datentyp! Wünschenswert wäre daher eine datentypunabhängige (generische) Implementierung, die die konkreten Typen ähnlich wie Werteparameter übergeben bekommt. Funktionstemplates C++ Templates 3

4 Beispiel 1: Funktion vertausche als Funktionstemplate Beispiel 1: Deklariert Funktion als Template (Bauplan), das vom Compiler erst bei Bedarf übersetzt wird. T ist hier Stellvertretertyp für den konkreten Datentyp! Auch mehrere kommaseparierte Typparameter sind möglich. void swap( int& a, int& b ) int tmp(a); a = b; b = tmp ; Anwendung des Templates swap void main() int a=5, b=6; swap( a, b ); double x=2.0, y=3.0; swap( x, y ); Compiler ersetzt jedes T durch int! template < typename T > void swap( T& a, T& b ) Achtung! T tmp(a); Copy-Konstruktor Problem wenn T ein und a = b; Zuweisung Klassenobjekt müssen ist? b = tmp ; für Typ T definiert sein! Referenzen oder Pointer werden hier nicht unterstützt Compiler erzeugt erst hier Code für Funktion swap mit Parametertyp int und deren Aufruf. Hier wird Funktion swap mit Parametertyp double gemäß Schablone erneut compiliert C++ Templates 4

5 Beispiel 2: Funktion sort als Funktionstemplate //Sortieren im Bereich [links,rechts) void SelectionSort( int Reihe[], int links, int rechts) int i, j, min; for( i = links; i < rechts ; i++) min = i; for( j=i+1; j < rechts; j++) if(reihe[j] < Reihe[min]) min = j; swap(reihe[i], Reihe[min]); Gründe: Es ist nicht selbstverständlich, daß der operator< für beliebige Klassen und Datentypen definiert ist. Durch Auslagern des Vergleichs braucht die Funktion SelectionSort nicht verändert zu werden, wenn der Operator anders definiert werden muss! (generische Programmierung) Die Vergleichsfunktion compare kann leichter spezialisiert werden. Soll z.b. nach den Beträgen von int- Werten sortiert werden, so ist dies mit dem operator< nicht möglich ohne den Sortieralgorithmus anzupassen. bool compare( const int& a, const int& b ) return a<b bool compare( const int& a, const int& b ) return abs(a)<abs(b) //Sortieren im Bereich [links,rechts) template < typename T > void SelectionSort( T Reihe[], int links, int rechts) int i, j, min; for( i = links; i < rechts ; i++) min = i; for( j=i+1; j < rechts; j++) if(reihe[j] < Reihe[min]) min = j; swap(reihe[i], Reihe[min]); oder besser: //Sortieren im Bereich [links,rechts) template < typename T > void SelectionSort( T Reihe[], int links, int rechts) int i, j, min; for( i = links; i < rechts ; i++) min = i; for( j=i+1; j < rechts; j++) if( compare( Reihe[j], Reihe[min] ) min = j; vertausche(reihe[i], Reihe[min]); predicate-funktion:= Funktion, die bool- Wert zurück gibt C++ Templates 5

6 C++ Klassen-Templates Werden oft benutzt, um typanpassbare Speicher-Container zu realisieren (z.b. in STL) Beispiel: Ein Objekt soll 2 Werte speichern, einen int und einen char Wert class Pair_int_char public: int first; char second; Pair_int_char ( int x, char y ) : first(x), second(y) ; // Beispiel-Anwendung Pair_int_char pair1( 13, 'a' ); cout << pair1.first << endl; cout << pair1.second << endl; Ein anderes Objekt soll ebenfalls 2 Werte speichern, einen bool und einen double Wert class Pair_bool_double public: bool first; double second; Pair_bool_double ( bool x, double y ) : first(x), second(y) ; // Beispiel-Anwendung Pair_bool_double pair2( true, 1.1 ); cout << pair2.first << endl; cout << pair2.second << endl; Mögliche Anwendungen von Containerklassen für 2 Werte: rationale Zahlen, Punkte in einer Ebene, Geldbeträge, Das Beispiel läßt den Wunsch aufkommen, die Klasse pair generisch, d.h. unabhängig von den speziellen Typen zu programmieren und die Typen (ähnlich wie Funktions-Parameter) als Typ- Parameter zu übergeben C++ Templates 6

7 Realisierung der Pair-Container als Klassen-Template template < typename T1, typename T2 > class Pair public: T1 first; T2 second; Pair( T1 f, T2 s ) : first(f), second(s) Anwendung: Vorinitialisierungsliste // Diese Syntax erklärt T1 und T2 zu Typparametern // (class statt typename in MS Visual C++ ) Pair < int, char > pair3( 13, 'a' ); Pair < bool, double > pair4( true, 0.1 ); // Gleiche Datenstruktur wie pair1! // Gleiche Datenstruktur wie pair2! Ohne zusätzliche neue Klassen sind beliebige andere Standardtyp-Kombinationen mit Template-Klasse Pair möglich: Pair < double, long > pair5( 3.456, 4711 ); Pair < int, int > pair6( 1, -1 ); Auch benutzerdefinierte Typen können als Aktualtyp eingesetzt werden: Pair < Pair_int_char, float > pair7( pair1, ); Pair < Pair<int,int>, float > pair8( pair6, ); Pair < Bruch, bool > pair9( Bruch(2,3), true ); C++ Templates 7

8 Verbesserung der Klasse Pair Der Pair-Konstruktor übernimmt Parameter "by value". Nachteil: Resourcenverschwendung, wenn große Objekte zu übergeben sind. Ausserdem stellt der Compiler keinen Standardkonstruktor mehr bereit. Weshalb? template < typename T1, typename T2 > class Pair public: T1 first; T2 second; Was Copy-Konstruktoren wird hier aufgerufen? Pair() : first( T1() ), second( T2() ) Pair( const T1& f, const T2& s ) : first(f), second(s) // Standardkonstruktor // call by reference! Die STL stellt eine Klasse std::pair<typ1,typ2> mit gleicher Funktionalität bereit. Anwendung siehe Skript 12-1-PG2-STL-Student.pdf C++ Templates 8

9 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate // DynArray für Elemente von Typ 'float' class DynArray public: DynArray( int arraysize = 0 ); DynArray( const DynArray& tocopy ); ~DynArray(); int getsize() const return size; DynArray& operator= ( const DynArray& toassign ); float& operator[] ( int i ); private: int size; float* parr; ; // DynArray C++ Templates 9

10 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate #include "DynArray.h" // Datei: DynArray.h Templatedefinitionen müssen in allen Dateien, die sie verwenden, verfügbar sein. Dazu können sie z.b. in Headerdateien abgelegt und mit #include eingelesen werden. // default Konstruktor für Klasse Array DynArray ::DynArray( int arraysize ) if (arraysize > 0) size = arraysize; parr = new float[arraysize]; Hier muss zusätzlich der Datentyp in spitzen Klammern angegeben werden, wenn die Methode ausserhalb der Klassen-Deklaration definiert wird. for( int i=0; i< arraysize; parr[i] = 0.0, i++ ); else size = 0; parr = NULL; // Ende Array default Konstruktor Das funktioniert hier auch für T = int, weil int i = 0; // i = 0 int i1 = int(0); // i1 = 0 int i2 = int(); // i2 = 0 // Destruktor für Klasse Array DynArray ::~DynArray() if (parr) delete [] parr; C++ Templates 10

11 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate // copy constructor für class DynArray; // call "by reference", um nicht abbrechenden rekursiven Aufruf zu vermeiden DynArray ::DynArray( const DynArray& arraytocopy ) size = arraytocopy.size; parr = new float[ size ]; // Speicherplatz für neues Array anfordern for ( int i = 0; i < size; i++ ) // Arraywerte kopieren parr[ i ] = arraytocopy.parr[ i ]; // end DynArray copy constructor // globale operator<< function für class DynArray ostream& operator<<( ostream& output, const DynArray &a ) int i; // Ausgabe aller Arrayelemente for ( i = 0; i < a.size; i++ ) output << setw( 12 ) << a.parr[ i ]; if ( ( i + 1 ) % 4 == 0 ) // 4 Werte pro Ausgabezeile output << endl; // end for if ( i % 4!= 0 ) // Zeilenvorschub am Zeilenende output << endl; return output; // ermöglicht cout << x << y; // end function operator<< Zur Intanzierung dieses Funkt- Templates muss die Klasse DynArray bekannt sein. -> Diese Definition hinter Klassendeklaration anordnen. Problem: Der operator<< muss als Template deklariert sein bevor man ihn zum friend von Klasse DynArray machen kann. Lösung: siehe nächste Seite C++ Templates 11

12 Template Friends - Vorwärtsdeklaration // Datei DynArray.h // Klasse DynArray für Elemente von bel. Typ template< typename T> class DynArray public: DynArray( int arraysize = 0 ); DynArray( const DynArray& tocopy ); ~DynArray(); int getsize() const return size; DynArray& operator= ( const DynArray& toassign ); T& operator[] ( int i ); private: int size; T* parr; ; // DynArray Vorwärtsdeklaration der Klasse DynArray: macht dem Compiler den Typ-Bezeichner bekannt. Man kann dann bereits Funktionen oder Klassen deklarieren, deren Argumente nur Zeiger oder Referenzen auf die so bekannt gemachte Klasse enthalten. Deklaration des Template-Ausgabeoperators Template Friend-Deklaration C++ Templates 12

13 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate // Überladener Index-Operator für r/w-arrays // gibt r/w-referenz auf gewünschtes Element zurück // Passt Arraygröße dynamisch an, wenn Index oberhalb des zul. Bereichs liegt float& DynArray ::operator[] ( int i ) if ( i < 0 ) cout << "Error: index " << i << " out of range" << endl; exit( 1 ); if ( i>=size ) int n=1; while( n<=size ) n = n<<1; // Neue Array-Größe festlegen float* ptmp = new float[ n ]; // Speicherplatz gemäß neuer Größe anfordern for (int j=0; j<size; j++) ptmp[j] = parr[j]; // Array elementweise kopieren for ( ; j < n ; j++ ) ptmp[j] = T(); // Rest mit 0 initialisieren delete [] parr; // bisherigen Speicherplatz freigeben parr = ptmp; size = n; // Attribute aktualisieren return *(parr + i); C++ Templates 13

14 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate // Zuweisungsoperator // Rückgabewert ermöglicht: a1 = a2 = a3 DynArray &DynArray::operator= (const DynArray &toassign) if ( &toassign!= this ) // Bei verschiedenen Array-Größen, linkes Orginal löschen, // dann Speicherplatz für neues linksseitiges Array anfordern if ( size>0 && size!= toassign.size ) delete [] parr; // bisherigen Speicherplatz freigeben size = toassign. size; // Größe des neuen Objekts festlegen parr = new float[ size ]; // Speicherplatz gemäß neuer Größe anfordern for (int i=0; i<size; i++) parr[i] = toassign.parr[i]; // Array elementweise kopieren return *this; Alle weiteren Methoden der Klasse sind auf die gleiche Weise abzuändern! C++ Templates 14

15 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate Templatedefinitionen müssen deshalb in allen Dateien, die sie verwenden, verfügbar sein. Dazu können sie z.b. in Headerdateien abgelegt und mit #include eingelesen werden. #include "DynArray.h" void main() // Testanwendung der Template-Klasse DynArray DynArray<int> intarr1(3); DynArray<int> intarr2(5); // Werte einlesen cout << "\n3 Ganzzahlen eingeben:\n"; for( int i=0; i<3; i++) cin >> intarr1[i]; cout << "\n5 Ganzzahlen eingeben:\n"; for( i=0; i<5; cin >> intarr2[i++]); 3 Ganzzahlen eingeben: Ganzzahlen eingeben: intarr1 hat die Groesse 4 Arraywerte nach der Initialisierung: intarr2 hat die Groesse 8 Arraywerte nach der Initialisierung: // Größe und Inhalt von intarr1 ausgeben cout << "intarr1 hat die Groesse " << intarr1.getsize() << "\narraywerte nach der Initialisierung:\n" << intarr1; // Größe und Inhalt von intarr2 ausgeben cout << "\nintarr2 hat die Groesse " << intarr2.getsize() << "\narraywerte nach der Initialisierung:\n" << intarr2; C++ Templates 15

16 Beispiel 3: Klasse DynArray als Klassentemplate DynArray<double> doublearr1(0); DynArray<double> doublearr2(0); cout << "\n6 Gleitpunktzahlen eingeben:\n"; for( i=0; i<6; i++) cin >> doublearr1[i]; cout << "\n2 Gleitpunktzahlen eingeben:\n"; for( i=0; i<2; i++) cin >> doublearr2[i]; 6 doubles eingeben: // Größe und Inhalt von doublearr1 ausgeben cout << "doublearr1 hat die Groesse " << doublearr1.getsize() << "\narraywerte nach der Initialisierung:\n" << doublearr1; 2 doubles eingeben: doublearr1 hat die Groesse 8 Arraywerte nach der Initialisierung: doublearr2 hat die Groesse 2 Arraywerte nach der Initialisierung: Press any key to continue // Größe und Inhalt von doublearr2 ausgeben cout << "\ndoublearr2 hat die Groesse " << doublearr2.getsize() << "\narraywerte nach der Initialisierung:\n" << doublearr2; // end main C++ Templates 16