LINUX SOFTWARE

V tomto článku je na krátkém příkladu uvedeno, k čemu slouží šablony a jakým způsobem se deklarují. V druhé části článku je stručný přehled některých šablonových kontejnerových tříd, které nabízí standardní knihovna šablon jazyka C++.

1.2.2011 00:00 | Petr Sklenička | přečteno 22148×

Šablony obecně

Šablony nám dovolují vytvořit nějakou třídu, v níž bude možné měnit typ věci, se kterou se bude pracovat. Původně sice šablony nebyly součástí jazyka C++, dnes jsou již snandardem a integrální součástí C++. Jsou velmi flexibilní a typově zabezpečené. Použití šablony si ukážeme na velmi jednoduchém příkladu. Představte si, že potřebujeme v našem programu implementovat datovou strukturu zásobník (vím, že zásobník je součástí STL, příklad je jen pro pochopení). Není tedy problém si zásobník napsat. Dejme tomu, že do něj potřebujeme ukládat celá čísla.


// Trivialni implementace zasobniku

class Stack

{

  private:

    int* items;

    int stackPointer;

    

  public:

    Stack(int max = 100)

    {	

      items = new int[max];

      stackPointer = 0;

    }

    void Push(int x)

    {

      items[stackPointer++] = x;

    }

    int Pop()

    {

      return items[--stackPointer];

    }

};

Problém nastane, když najednou zjistíme, že bychom potřebovali i zásobník třeba na typ double. Samozřejmě je možné napsat další třídu, která bude reprezentovat zásobník, pracující s typem double. Asi není nutné říkat, že to není příliš dobrá varianta. Tento problém lze elegantně vyřešit právě s použitím šablon. My vlastně napíšeme třídu zásobník tak, abychom až při vytváření její instance mohli říct, s jakým datovým typem bude pracovat.

Deklarace šablony

Deklarace šablony se provádí klíčovým slovem template, za kterým následuje parametr typu. Formát zápisu tedy vypadá takto:


template <class T>   // prvni moznost

template <typename T> // druha moznost

Písmeno T je zástupce (zjednoduše jej můžeme chápat jako název proměnné). Tento název je téměř libovolný, T, popř. Type se však používá nejčastěji. Pokud budeme pak vytvářet nějakou šablonovou třídu, vždy místo názvu datového typu, s kterým by třída normálně pracovala, použijeme právě T. Výše uvedený kód zásobníku, který pracuje pouze s celými čísli, můžeme nyní upravit tak, aby fungoval i pro jiné datové typy než int.


template<class T> class Stack

{

  private:

    T* items;

    int stackPointer;



  public:

    Stack(int max = 100)

    {

      items = new T[max];

      stackPointer = 0;

    }

    void Push(T x)

    {

      items[stackPointer++] = x;

    }

    T Pop()

    {

      return items[--stackPointer];

    }

};

Je vidět, že datový typ prvků, se kterými zásobník pracuje, jsme nahradili písmenem T. Teď můžeme bez problému vytvořit zásobník, do kterého budeme ukládat celá čísla, znaky, typ double atd... To provedeme takto:


Stack<int> myStack_int();   // zasobnik na typ int

Stack<bool> myStack_bool(); // zasobnik na typ bool

Stack<char> myStack_char(); // zasobnik na char

Obdobně jako jsme použili šablony u tříd, můžeme vytvořit i obyčejnou funkci, která bude pracovat s různými datovými typy. Jednoduchý příklad je například funkce, která vrací větší ze dvou čísel. Můžeme chtít vrátit větší číslo ze dvou celých čísel, stejně tak ale můžeme chtít zjistit větší číslo ze dvou čísel typu double. Takovou funkci pak napíšeme takto:


template <class T> T getMax(T a, T b)

{

  if (a > b)

    return a;

  return b;

}



// volani funkci

getMax<int>(3, 4);  // vetsi ze dvou cisel typu int

getMax<double>(3.24, 5.21); // vetsi ze dvou cisel typu double

Nyní se ve stručném přehledu podíváme na standardní knihovnu šablon, kterou C++ nabízí.

Standardní knihova šablon

Standardní knihovna šablon (STL) je knihovna šablonových kontejnerových tříd, která obsahuje seznamy, vektory, zásobníky a fronty. Obsahuje také řadu algoritmů pro vyhledávání či řazení. Všichni významní výrobci kompilátorů nabízejí STL jako součást svých kompilátorů. Výhodou STL je to, že nemusíte programovat něco, co se běžně používá a co již někdo naprogramoval (např. již zmiňovaný zásobník, fronta atd...).

Sekvenční kontejnery

Kontejner je objekt, který obsahuje další objekty. Sekvenční kontejnery jsou vytvořeny tak, že poskytují sekvenční (čili podle pořadí) a náhodný přístup ke svým elementům, neboli prvkům. Všechny kontejnerové třídy STL jsou definovány v oboru názvů std.

Kontejner vector

Kontejnerová třída vector se chová podobně jako klasické pole, je však "mocnější" a mnohem lépe se s ní pracuje. Tato třída je definována v hlavičkovém souboru <vector> v oboru názvů std. V programu můžeme vector vytvořit takto:


#include <vector>

using namespace std;



int main()

{

  vector<int> myVector;   // vector celych cisel



  return 0;

}

V případě, že bychom vynechali řádek using namespace std;, museli bychom vector vytvořit takto:


std::vector<int> myVector;

STL nespecifikuje nejvyšší počet prvků ve vektoru, nicméně nekonečno se jich tam opravdu nevejde. Přesné číslo lze zjistit tímto způsobem:


cout << myVector.max_size();

Obvykle, když vytváříme vektor, máme nějakou hrubou představu, kolik prvků do něj budeme chtít uložit. Standardní třída vektoru nabízí konstruktor, který jako svůj parametr přebírá počet prvků. Vektor dvaceti celých čísel se vytvoří takto:


vector<int> myVector(20);

Chceme-li do vektoru přidat nějaký prvek, můžeme to udělat členskou funkcí push_back. Tato funkce přidá nový prvek na konec vektoru.


myVector.push_back(10);

O vektoru řekneme, že je prázdný, pokud neobsahuje žádný prvek, čili jeho velikost je nula. K zjištění, kolik prvků vektor obsahuje, slouží členská funkce size(). Vrátí-li nám tato funkce hodnotu nula, vektor je prázdný. K tomu, abychom zjistili, zda je vektor prázdný, však lépe slouží funkce empty(), která vrací logickou hodnotu true, pokud je vektor prázdný.


myVector.size();  // vraci velikost vektoru

myVector.empty(); // vraci true, pokud je vektor prazdny

V tomto stručném přehledu jsme si neuvedli všechny členské funkce vektoru. Nezmínili jsme například funkci front(), která vrací odkaz na první prvek, nebo funkci back(), která vrací odkaz na poslední prvek.

Kontejner list

Tento kontejner je určen k optimálnímu zajištění častého vkládání a odebírání prvků. Tato třída je definována v hlavičkovém souboru <list> v oboru nazvů std. Třída je implementována jako dvojitě propojený seznam, kde každý uzel obahuje odkaz na předchozí i následující uzel v seznamu. Co se týče členských metod, jsou stejné jako u třídy vektor. Seznamem můžeme procházet odkazy v jednotlivých uzlech - k tomu se používá mechanismus zvaný iterátor.


// Ukazka pouziti iteratoru

#include <list>

#include <iostream>

using namespace std;



int main()

{

  list<int> myList;



  for (int i = 0; i < 10; i++)

    myList.push_back(i * i);	// 0, 1, 4, 9, 16, 25 ...



  for (list<int>::const_iterator it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it)

    cout << *it << endl;



  return 0;

}

Je dobré si všimnout, že jsme použili konstantní iterátor, neboť nemáme v úmyslu pomocí tohoto iterátoru měnit uzly. Funkce



begin()

vrací iterátor, který ukazuje na první uzel v seznamu. K nasměrování iterátoru na další uzel lze použít inkrementační operátor ++. Členská funkce end() vrací iterátor, který ukazuje na jeden uzel za koncem seznamu, proto tedy nesmíme nechat náš iterátor dosáhnout end().

Třída list nabízí také metody push_back(), push_front(), pop_back(), pop_front(). Není těžké si domyslet, co tyto metody dělají.

Dalšími sekvenčními kontejnery jsou například deque, queue (fronta) nebo stack (zásobník).

Asociativní kontejnery

Asociativní kontejnery jsou určené pro rychlý přístup k prvkům podle hodnot klíčů. Standardní knihovna C++ nabízí například tyto asociativní kontejnery: map, multimap, set, bitset, multiset.

Kontejner map

Název tohoto kontejneru je dán tím, že obsahuje "mapy", které jsou klíči pro přiřazené hodnoty. Kontejner map vytvoříme takto:


#include <map>

#include <iostream>

#include <string>

using namespace std;



int main()

{

  map<string, int> myMap;



  return 0;

}

Při vytváření mapy musíme určit, jakého datového typu bude klíč (v našem případě string) a jakého datového typu budou hodnoty (v našem případě int). Hodnoty do mapy pak vložíme takto:


myMap["Cislo jedna"] = 1;

myMap["Cislo dva"] = 2;

V tuto chvíli má hodnota 1 klíč "Cislo jedna" a hodnota 2 má klíč "Cislo dva". Hodnoty klíčů v kontejneru musí být jednoznačné, čili žádné dva prvky nemohou mít stejnou hodnotu klíče. Stejně jako ve třídě list, tak i v mapě lze použít iterátory.


for (map<string, int>::const_iterator it = myMap.begin(); it != myMap.end(); ++it)

  cout << "Klic: " << it->first << " Hodnota: " << it->second << endl;

Z výstupu kódu je vidět, že it->first ukazuje vždy na aktuální klíč, zatímco it->second ukazuje vždy na aktuální hodnotu.

Multimap, set, multiset, bitset

O některých ostatních asociativních kontejnerech si povíme jen ve stručnosti. Kontejner multimap je totéž jako kontejner map, pouze s tím rozdílem že v multimap je možné mít více prvků se stejným klíčem. Třída set se také podobá mapě, až na to, že její prvky nejsou dvojice klíče s hodnotou, prvkem je pouze klíč. Kontejnerová třída multiset je totéž co set, ale může obsahovat duplicity. Pro ukladání sekvence bitů se používá bitset.

C++ šablony