С++ для начинающих |
814 |
template <class T> class Queue { private:
template <class Type> class CL; // ...
public:
template <class Iter>
void assign( Iter first, Iter last ); // ...
};
template <class T> template <class Type> class Queue<T>::CL<Type>
{
Type member; T mem;
};
template <class T> template <class Iter>
void Queue<T>::assign( Iter first, Iter last )
{
while ( ! is_empty() ) remove();
for ( ; first != last; ++first ) add( *first );
}
Определению шаблона-члена, которое находится вне определения объемлющего шаблона класса, предшествует список параметров объемлющего шаблона класса, а за ним должен следовать собственный такой список. Вот почему определение шаблона функции assign() (члена шаблона класса Queue) начинается с
template <class T> template <class Iter>
Первый список параметров шаблона template <class T> относится к шаблону класса Queue. Второй – к самому шаблону-члену assign(). Имена параметров не обязаны совпадать с теми, которые указаны внутри определения объемлющего шаблона класса. Приведенная инструкция по-прежнему определяет шаблон-член assign():
void Queue<TT>::assign( IterType first, IterType last )
template <class TT> template <class IterType> { ... }
16.8. Шаблоны классов и модель компиляции A
Определение шаблона класса – это лишь предписание для построения бесконечного множества типов классов. Сам по себе шаблон не определяет никакого класса. Например, когда компилятор видит:
С++ для начинающих |
815 |
template <class Type>
class Queue { ... };
он только сохраняет внутреннее представление Queue. Позже, когда встречается реальное
int main() {
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>;
использование класса, конкретизированного по шаблону, скажем:
}
компилятор конкретизирует тип класса Queue<int>, применяя сохраненное внутреннее представление определения шаблона Queue.
Шаблон конкретизируется только тогда, когда он употребляется в контексте, требующем полного определения класса. (Этот вопрос подробно обсуждался в разделе 16.2.) В примере выше класс Queue<int> конкретизируется, потому что компилятор должен знать размер типа Queue<int>, чтобы выделить нужный объем памяти для объекта, созданного оператором new.
Компилятор может конкретизировать шаблон только тогда, когда он видел не только его объявление, но и фактическое определение, которое должно предшествовать тому месту
// объявление шаблона класса template <class Type>
class Queue;
Queue<int>* global_pi = 0; // правильно: определение класса не нужно
int main() {
//ошибка: необходима конкретизация
//определение шаблона класса должно быть видимо
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>;
программы, где этот шаблон используется:
}
Шаблон класса можно конкретизировать одним и тем же типом в нескольких файлах. Как и в случае с типами классов, когда определение класса должно присутствовать в каждом файле, где используются его члены, компилятор конкретизирует шаблон некоторым типом во всех файлах, в которых данный экземпляр употребляется в контексте, требующем полного определения класса. Чтобы определение шаблона было доступно везде, где может понадобиться конкретизация, его следует поместить в заголовочный файл.
Функции-члены и статические данные-члены шаблонов классов, а также вложенные в них типы ведут себя почти так же, как сами шаблоны. Определения членов шаблона используются для порождения экземпляров членов в конкретизированном шаблоне. Если компилятор видит:
С++ для начинающих |
816 |
||
|
|
template <class Type> |
|
|
|
|
|
|
|
void Queue<Type>::add( const Type &val ) |
|
|
|
{ ... } |
|
|
|
||
|
|
|
|
он сохраняет внутреннее представление Queue<Type>::add(). Позже, когда в программе |
|
||
встречается фактическое употребление этой функции-члена, допустим через объект типа |
|
||
Queue<int>, компилятор конкретизирует Queue<int>::add(const int &), пользуясь |
|
||
|
|
#include "Queue.h" |
|
|
|
|
|
|
|
int main() { |
|
|
|
// конкретизация Queue<int> |
|
|
|
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>; |
|
|
|
int ival; |
|
|
|
// ... |
|
|
|
// конкретизация Queue<int>::add( const int & ) |
|
|
|
p_qi->add( ival ); |
|
|
|
// ... |
|
таким представлением: |
|
||
|
|
} |
|
|
|
||
|
|
|
|
Конкретизация шаблона класса некоторым типом не приводит к автоматической |
|
||
конкретизации всех его членов тем же типом. Член конкретизируется только при |
|
||
использовании в таком контексте, где необходимо его определение (т.е. вложенный тип |
|
||
употреблен так, что требуется его полное определение; вызвана функция-член или взят ее |
|
||
адрес; имеется обращение к значению статического члена). |
|
||
Конкретизация функций-членов и статических членов шаблонов класса поднимает те же |
|
||
вопросы, которые мы уже обсуждали для шаблонов функций в разделе 10.5. Чтобы |
|
||
компилятор мог конкретизировать функцию-член или статический член шаблона класса, |
|
||
должно ли определение члена быть видимым в момент конкретизации? Например, |
|
||
должно ли определение функции-члена add() появиться до ее конкретизации типом int |
|
||
в main()? Следует ли помещать определения функций-членов и статических членов |
|
||
шаблонов класса в заголовочные файлы (как мы поступаем с определениями встроенных |
|
||
функций), которые включаются всюду, где применяются их конкретизированные |
|
||
экземпляры? Или конкретизации определения шаблона достаточно для того, чтобы этими |
|
||
членами можно было пользоваться, так что определения членов можно оставлять в |
|
||
файлах с исходными текстами (где обычно располагаются определения невстроенных |
|
||
функций-членов и статических членов)? |
|
||
Для ответа на эти вопросы нам придется вспомнить модель компиляции шаблонов в C++, |
|
||
где формулируются требования к организации программы, в которой определяются и |
|
||
употребляются шаблоны. Обе модели (с включением и с разделением), описанные в |
|
||
разделе 10.5, в полной мере применимы и к определениям функций-членов и статических |
|
||
данных-членов шаблонов классов. В оставшейся части этого раздела описываются обе |
|
||
модели и объясняется их использование с определениями членов. |
|
||
16.8.1. Модель компиляции с включением
В этой модели мы включаем определения функций-членов и статических членов шаблонов классов в каждый файл, где они конкретизируются. Для встроенных функций- членов, определенных в теле шаблона, это происходит автоматически. В противном
С++ для начинающих |
817 |
случае такое определение следует поместить в один заголовочный файл с определением шаблона класса. Именно этой моделью мы и пользуемся в настоящей книге. Например, определения шаблонов Queue и QueueItem, как и их функций-членов и статических членов, находятся в заголовочном файле Queue.h.
Подобное размещение не лишено недостатков: определения функций-членов могут быть довольно большими и содержать детали реализации, которые неинтересны пользователям или должны быть скрыты от них. Кроме того, многократная компиляция одного
определения шаблона при обработке разных файлов увеличивает общее время компиляции программы. Описанная модель (если она доступна) позволяет отделить интерфейс шаблона от реализации (т.е. от определений функций-членов и статических данных-членов).
16.8.2. Модель компиляции с разделением
В этой модели определение шаблона класса и определения встроенных функций-членов помещаются в заголовочный файл, а определения невстроенных функций-членов и статических данных-членов – в файл с исходным текстом программы. Иными словами, определения шаблона класса и его членов организованы так же, как определения
//---- Queue.h ----
//объявляет Queue как экспортируемый шаблон класса export template <class Type>
class Queue { // ...
public:
Type& remove();
void add( const Type & ); // ...
обычных классов (не шаблонов) и их членов:
//---- Queue.C ----
//экспортированное определение шаблона класса Queue
//находится в Queue.h
#include "Queue.h"
template <class Type>
void Queue<Type>::add( const Type &val ) { ... }
template <class Type>
};
Type& Queue<Type>::remove() { ... }
Программа, в которой используется конкретизированная функция-член, должна перед конкретизацией включить заголовочный файл:
С++ для начинающих |
818 |
// ---- User.C ---- |
|
#include "Queue.h" |
|
int main() {
//конкретизация Queue<int> Queue<int> *p_qi = new Queue<int>; int ival;
//...
//правильно: конкретизация Queue<int>::add( const int & ) p_qi->add( ival );
//...
}
Хотя определение шаблона для функции-члена add() не видно в файле User.C,
конкретизированный экземпляр Queue<int>::add(const int &) вызывать оттуда можно. Но для этого шаблон класса необходимо объявить экспортируемым.
Если он экспортируется, то для использования конкретизированных функций-членов или статических данных-членов необходимо знать лишь определение самого шаблона. Определения членов могут отсутствовать в тех файлах, где они конкретизируются.
Чтобы объявить шаблон класса экспортируемым, перед словом template в его
export template <class Type>
определении или объявлении нужно поставить ключевое слово export: class Queue { ... };
В нашем примере слово export применено к шаблону класса Queue в файле Queue.h; этот файл включен в файл Queue.C, содержащий определения функций-членов add() и remove(), которые автоматически становятся экспортируемыми и не должны присутствовать в других файлах перед конкретизацией.
Отметим, что, хотя шаблон класса объявлен экспортируемым, его собственное определение должно присутствовать в файле User.C. Конкретизация Queue<int>::add() в User.C вводит определение класса, в котором объявлены функции-члены Queue<int>::add() и Queue<int>::remove(). Эти объявления обязаны предшествовать вызову указанных функций. Таким образом, слово export влияет лишь на обработку функций-членов и статических данных-членов.
Экспортируемыми можно объявлять также отдельные члены шаблона. В этом случае ключевое слово export указывается не перед шаблоном класса, а только перед экспортируемыми членами. Например, если автор шаблона класса Queue хочет экспортировать лишь функцию-член Queue<Type>::add() (т.е. изъять из заголовочного файла Queue.h только ее определение), то слово export можно указать именно в определении функции-члена add():
С++ для начинающих |
819 |
// ---- Queue.h ---- |
|
template <class Type> |
|
class Queue { |
|
//...
public:
Type& remove();
void add( const Type & );
//...
};
//необходимо, так как remove() не экспортируется template <class Type>
//---- Queue.C ----
#include "Queue.h"
// экспортируется только функция-член add() export template <class Type>
Type& Queue<Type>::remove() { ... }
void Queue<Type>::add( const Type &val ) { ... }
Обратите внимание, что определение шаблона для функции-члена remove() перенесено в заголовочный файл Queue.h. Это необходимо, поскольку remove() более не находится в экспортируемом шаблоне и, следовательно, ее определение должно быть видно во всех файлах, где вызываются конкретизированные экземпляры.
Определение функции-члена или статического члена шаблона объявляется экспортируемым только один раз во всей программе. Поскольку компилятор обрабатывает файлы последовательно, он обычно не в состоянии определить, что эти члены объявлены экспортируемыми в нескольких исходных файлах. В таком случае результаты могут быть следующими:
∙при редактировании связей возникает ошибка, показывающая, что один и тот же член шаблона класса определен несколько раз;
∙компилятор неоднократно конкретизирует некоторый член одним и тем же множеством аргументов шаблона, что приводит к ошибке повторного определения во время связывания программы;
∙компилятор конкретизирует член с помощью одного из экспортированных определений шаблона, игнорируя все остальные.
Следовательно, нельзя утверждать, что при наличии в программе нескольких
определений экспортированного члена шаблона обязательно будет сгенерирована ошибка. Создавая программу, надо быть внимательным и следить за тем, чтобы определения членов находились только в одном исходном файле.
Модель с разделением позволяет отделить интерфейс шаблона класса от его реализации и организовать программу так, что эти интерфейсы помещаются в заголовочные файлы, а реализации – в файлы с исходным текстом. Однако не все компиляторы поддерживают данную модель, а те, которые поддерживают, не всегда делают это правильно: для этого требуется более изощренная среда программирования, которая доступна не во всех реализациях C++.