Programowanie w C++ - wybrane przykłady szablonów Opracowanie: dr hab. Mirosław R. Dudek, prof. UZ

Transkrypt

1 programowanie w C++ dla OWK Programowanie w C++ - wybrane przykłady szablonów Opracowanie: dr hab. Mirosław R. Dudek, prof. UZ 1

2 Streszczenie W tym rozdziale podamy kilka najprostszych przykładów programów korzystających z szablonów (templates). Często mamy do czynienia z funkcjami (metodami) które wyspecjalizowane są do działań na zmiennych jakiegoś zadanego typu np. int a jednocześnie te same funkcje które różnią się tylko zamianą typu zmiennej, np. zamiast int jest użyty typ double, użyte są w innej części kodu. Okazuje się że można napisać program w sposób bardziej uniwersalny gdzie zamiast konkretnej zmiennej mamy zmienną uniwersalną, tzw. zmienną szablonową, i programista bezpośrednio w programie rzutuje wykonywanie operacji na jednym z typów zmiennych w zależności od potrzeb. Tego rodzaju działania potrafią istotnie przyspieszyć wykonywanie się programu np. od strony numerycznej. Poniższe przykłady powinny ułatwić dalszą naukę programowania z użyciem szablonów. Przyjrzymy się też krótko standardowym bibliotekom języka C++ które korzystają z szablonów. Wybrane przykłady Na wstępie rozważmy programy szablon1a0.cc, szablon1a1.cc, szablon1a2.cc, których jedynym celem jest pokazanie na czym polega zastąpienie konkretnych typów zmiennych swojego rosdzaju abstrakcją typu zmiennej - zmienną szablonową. Programem wykorzystującym ideę zmiennej szablonowej jest rzeci z nich. Najpierw rozważmy pierwszy przykład polegający na znajdowaniu minimum spośród dwóch liczb całkowitych. 4 // f u n k c j a z n a j d u j a c a minimum pomiedzy wartosciami 5 // calkowitymi zmiennych a i b int minimum( int a, int b ) 7 { 8 i f ( a<=b ) return a ; 9 return b ; } 12 int main ( ) { 1 int a=,b=; 15 cout<<"a="<<a<<"\t b="<<b<<":\ t Minimum = "<<minimum( a, b)<<e n d l ; 1 return 0 ; 17 } Nastepnie popatrzmy na taki sam program ale zamiast zmiennych całkowitych mamy zmienne zmiennoprzecinkowe. 4 //minimum pomiedzy dwoma wartosciami zmiennoprzecinkowymi typu double 5 double minimum( double a, double b ) { 7 i f ( a<=b ) return a ; 8 return b ; 9 } int main ( ) { 12 double pi =.15, sq =1.42; 1 cout<<" pi="<<pi<<"\t sq="<<sq<<":\ t Minimum = "<<minimum( pi, sq)<<e n d l ; 2

3 15 return 0 ; 1 } A teraz wprowadzimy zmienne szablonowe i jedną funkcję która w sposób uniwersalny porównuje albo wyłącznie wartości całkowite albo rzeczywiste. 4 // p r z y k l a d z uzyciem zmiennej s z a b l o n o w e j P 5 // b e d z i e ona w naszym programie reprezentowac // w a r t o s c i c a l k o w i t e i w a r t o s c i typu double. 7 8 // konieczne j e s t n a p i s a n i e p r e f i k s a : template <c l a s s P> 9 //o symbolu P m o n a np. myslec jako o double l u b i n t. template <class P> P minimum(p a, P b ) 12 { 1 i f ( a<=b ) return a ; return b ; 15 } 1 17 int main ( ) { int a=,b=; 20 cout<<"a="<<a<<"\t b="<<b<<":\ t Minimum = "<<minimum( a, b)<<e n d l ; double pi =.15, sq =1.42; 2 cout<<" pi="<<pi<<"\t sq="<<sq<<":\ t Minimum = "<<minimum( pi, sq)<<e n d l ; return 0 ; 2 } Tutaj wprowadzona została zmienna szablonowa P która w zależności od kontekstu staje się zmienną całkowitą lub zmienną zmiennoprzecinkową. Konieczne tutaj jest dodanie przed definicją funkcji prefiksa template <class P> i teraz typ argumentu nazywa się P zamiast int lub double i wartość którą funkcja zwraca w tym szczególnym przykładzie też jest typu P. Oczywiście fukcja może zwracać dowolną wartość lub być typu void. Co więcej funkcja może posiadać więcej argumentów i nie wszystkie muszą być typu P. Pokazujemy to w kolejnym przykładzie. 2 #include <c s t r i n g > #include <c s t d l i b > 4 5 using namespace std ; 7 // p r z y k l a d z szablonem f u n k c j i 8 // k t o r a ma w i e c e j n i z jeden parametr 9 // rozny od typu szablonowego P template <c l a s s P> void Wydruk(P a, char LancuchZnakow ) 12 { 1 int k=s t r l e n ( LancuchZnakow ) ; cout<<a<<"\t"<<k<<"\t"<<lancuchznakow<<e n d l ; 15 } 1

4 17 int main ( ) { 18 char Lancuch []= "124" ; // { 1, 2,, 4, \ 0 } ; 19 long int q ; 20 q=a t o l ( Lancuch ) ; 21 Wydruk( q, Lancuch ) ; 22 2 char Dancuch [7]= "1.245" ; 24 double d ; 25 d=a t o f ( Dancuch ) ; 2 Wydruk(d, Dancuch ) ; return 0 ; 29 } Podobnie, może być więcej zmiennych szablonowych, np. zmienne P, T itd. Jeden warunek - trzeba je zadeklarować jako zmienne szablonowe. Jak to zrobić pokazuje kolejny przykład. 4 // p r z y k l a d z szablonem f u n k c j i 5 // k t o r a ma dwie zmienne szablonowe 7 template <class P, class T> void Wydruk(P a, T b ) 8 { 9 cout<<" Typ P: "<<a<<"\t typ T:"<<b<<e n d l ; } 12 int main ( ) { 1 15 double d =2.54; 1 int k=; 17 Wydruk(d, k ) ; return 0 ; 20 } Niestety, w przypadku gdy zmienne szablonowe reprezentują nie tylko standardowe zmienne numeryczne, np. typu int czy double ale zmienne typu zdefiniowanego przez użytkownika to np. dodawanie ich lub inne działanie trzeba dopiero zdefiniować przeciążając je. Przykładem może być kolejny program gdzie wczytujemy wartości liczbowe tak że są obiektami z klasy Liczba, którą sami definiujemy. Jeśli działania arytmetyczne lub strumieniowe cout i cin nie byłyby przeciążone to kompilator nie wiedzia lby co zrobić np. z poleceniem c=a+b. 4 // Deklaracja k lasy s z a b l o n u 5 template <class P> class Liczba { // Tutaj P j e s t parametrem oznaczajacym // pewien dowolny t y p. Parametrow moze 7 // byc w i e c e j n i z jeden np. c l a s s P, c l a s s T 8 // Slowo c l a s s j e s t t u t a j obowiazkowe. 9 private : P wartosc ; 12 public : 4

5 1 15 Liczba ( ) {} // k o n s t r u k t o r bezparametrowy 1 Liczba (P zmienna ){} // k o n s t r u k t o r z jednym parametrem // p r z e c i a z o n y operator rzutowania 19 operator P( void ) {return wartosc ; } // p r z e c i a z o n y operator dodawania 22 2 P operator+ (P zmienna ){ return wartosc+zmienna ; } 24 P operator+ ( Liczba& zmienna ){ return wartosc+zmienna. wartosc ; } 25 // p r z e c i a z o n y operator p r z y p i s a n i a 2 Liczba& operator= ( Liczba& zmienna ){ wartosc=zmienna. wartosc ; return this ; } 27 Liczba& operator= (P zmienna ) ; // p r z e c i a z o n y operator p r z y p i s a n i a friend ostream& operator<< ( ostream& cout, L i c z b a& zmienna ){ 0 return cout<<zmienna. wartosc ; } 1 friend istream& operator>> ( istream& cin, Liczba& zmienna ){ cin>>zmienna. wartosc ; } 2 // k l a s e t r z e b a u z u p e l n i c o dodatkowe metody 4 // to j e s t t y l k o p r z y k l a d z kilkoma metodami 5 } ; // d e f i n i c j a zmiennej s z a b l o n o w e j d l a operatora p r z y p i s a n a i a 40 template <class P> Liczba <P>& Liczba<P>:: operator=(p zmienna ){ 41 wartosc=zmienna ; 42 return this ; 4 } int main ( ) { Liczba<int> a, b, c ; // Tutaj w miejsce parametru P podstawiamy i n t 50 Liczba<float > d ; // Tutaj w miejsce P podstawiamy f l o a t 51 float f ; 52 5 cout<<"\ nwpisz dwie liczby calkowite a i b: " ; 54 cin>>a>>b ; //mamy p r z e c i a z o n y operator strumieniowy w e j s c i a 55 5 c=a+b ; // t u t a j j u z dodajemy o b i e k t y bo 57 // p r z e c i a z o n y j e s t operator dodawania i operator p r z y p i s a n i a cout<<"\ nich suma c= "<<c<<e n d l ; 0 f =( f loat ) c ; // zamiana typu na f l o a t 1 d=f +0.1; 2 cout<<"\ nzwiekszona o wartosc 0.1: "<<d<<e n d l ; 4 return 0 ; 5 } Teraz pokażemy przykład z działaniami na liczbach zespolonych gdzie korzysta się ze zmiennych szablonowych. Mam nadzieję że powoli wyłania się urok stosowania zmiennych szablono- 5

6 wych. 2 #include <cmath> #include <complex> // b i b l i o t e k a l i c z b z e s p o l o n y c h 4 5 using namespace std ; 7 8 int main ( ) { 9 12 complex<double> z1 ( 5. 0, 1. 0 ) ; 1 complex<double> z2 (. 0, 4. 0 ) ; 15 cout<<r e a l ( z1)<<endl ; 1 cout<<imag ( z1)<<endl ; 17 cout<<z1<<endl ; complex<double> z ; 20 z=z1 z2 ; 21 cout<<z<<endl ; 22 z=z1 / z2 ; 2 cout<<z<<endl ; 24 z=z1+z2 ; 25 cout<<z<<endl ; 2 cout <<abs ( z1)<<"\t"<<s q r t ( r e a l ( z1 ) r e a l ( z1)+imag ( z1 ) imag ( z1))<<endl ; complex<double> I ( 0, 1 ),E( 1, 0 ) ; 29 0 double a= 8.5,b=.0, pi=m PI ; 1 2 z1=a E+b I ; cout<<z1<<endl ; 4 z=cos ( z1+b I ) ; 5 cout<<z<<endl ; z=cos ( I pi ) ; 7 cout<<z<<endl ; 8 9 return 0 ; }