Экземпляры шаблонов функций в С++ / Ravesli

Язык C++ не компилирует шаблоны функций напрямую. Вместо этого, когда компилятор встречает вызов шаблона функции, он копирует шаблон функции и заменяет типы параметров шаблона функции фактическими (передаваемыми) типами данных. Функция с фактическими типами данных называется экземпляром шаблона функции (или «объектом шаблона функции»).

Рассмотрим это на практике. Во-первых, создадим шаблон функции:

template <typename T> // объявление параметра шаблона функции
const T& max(const T& a, const T& b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}

template <typename T> // объявление параметра шаблона функции

const T& max(const T& a, const T& b)

{

return (a > b) ? a : b;

}

Затем сделаем вызов шаблона функции:

int i = max(4, 8); // вызывается max(int, int)

1	int i = max(4, 8); // вызывается max(int, int)

Компилятор видит, что оба числа являются целочисленными, поэтому он копирует шаблон функции и создает экземпляр шаблона max(int, int):

const int& max(const int &a, const int &b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}

const int& max(const int &a, const int &b)

{

return (a > b) ? a : b;

}

Это теперь уже «обычная функция». Допустим, что нам нужно снова вызвать функцию max(), но уже с другим типом данных:

double d = max(7.58, 19.378); // вызывается max(double, double)

1	double d = max(7.58, 19.378); // вызывается max(double, double)

Язык C++ автоматически создает экземпляр шаблона max(double, double):

const double& max(const double &a, const double &b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}

const double& max(const double &a, const double &b)

{

return (a > b) ? a : b;

}

И затем компилирует его. Также стоит отметить, что, если вы создадите шаблон функции, но не вызовете его, экземпляры этого шаблона созданы не будут.

Операторы, вызовы функций и шаблоны функций

Шаблоны функций работают как с фундаментальными типами данных (char, int, double и т.д.), так и с классами (но есть нюанс). Экземпляр шаблона компилируется как обычная функция. В обычной функции любые операторы или вызовы других функций, которые используются в этой функции, должны быть определены/перегружены, или вы получите ошибку компиляции. Аналогично, любые операторы или вызовы других функций, которые присутствуют в шаблоне функции, должны быть определены/перегружены для работы с фактическими (передаваемыми) типами данных. Рассмотрим это на практике.

Во-первых, создадим простой класс:

class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
};

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

};

Теперь посмотрим, что произойдет при попытке вызова функции max() с объектами класса Dollars:

template <typename T> // объявление параметра шаблона функции
const T& max(const T& a, const T& b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}
 
class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
};
 
int main()
{
    Dollars seven(7);
    Dollars twelve(12);
 
    Dollars bigger = max(seven, twelve);
 
    return 0;
}

template <typename T> // объявление параметра шаблона функции

const T& max(const T& a, const T& b)

{

return (a > b) ? a : b;

}

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

};

int main()

{

Dollars seven(7);

Dollars twelve(12);

Dollars bigger = max(seven, twelve);

return 0;

}

Язык C++ создаст следующий экземпляр шаблона функции max():

const Dollars& max(const Dollars &a, const Dollars &b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}

const Dollars& max(const Dollars &a, const Dollars &b)

{

return (a > b) ? a : b;

}

А затем компилятор попытается скомпилировать эту функцию, но ничего не получится, так как C++ не имеет понятия, как обрабатывать выражение a > b! Следовательно, это приведет к ошибке:

Ошибка C2676 бинарный ">": "const T" не определяет этот оператор или преобразование к типу приемлемо к встроенному оператору

Сообщение об ошибке указывает на тот факт, что мы не перегрузили оператор > для класса Dollars. Давайте перегрузим:

class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
 
    friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)
    {
        return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);
    }
};

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)

{

return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);

}

};

Теперь C++ знает, как обрабатывать выражение a > b, когда в качестве переменных используются объекты класса Dollars!

Еще один пример

Создадим шаблон функции, которая вычисляет среднее арифметическое элементов массива:

template <class T>
T average(T *array, int length)
{
    T sum = 0;
    for (int count=0; count < length; ++count)
        sum += array[count];
 
    sum /= length;
    return sum;
}

template <class T>

T average(T *array, int length)

{

T sum = 0;

for (int count=0; count < length; ++count)

sum += array[count];

sum /= length;

return sum;

}

Протестируем:

#include <iostream>
 
template <class T>
T average(T *array, int length)
{
    T sum = 0;
    for (int count=0; count < length; ++count)
        sum += array[count];
 
    sum /= length;
    return sum;
}
 
int main()
{
    int array1[] = { 6, 4, 1, 3, 7 };
    std::cout << average(array1, 5) << '\n';
 
    double array2[] = { 4.25, 5.37, 8.44, 9.25 };
    std::cout << average(array2, 4) << '\n';
 
    return 0;
}

#include <iostream>

template <class T>

T average(T *array, int length)

{

T sum = 0;

for (int count=0; count < length; ++count)

sum += array[count];

sum /= length;

return sum;

}

int main()

{

int array1[] = { 6, 4, 1, 3, 7 };

std::cout << average(array1, 5) << '\n';

double array2[] = { 4.25, 5.37, 8.44, 9.25 };

std::cout << average(array2, 4) << '\n';

return 0;

}

Результат:

4 6.8275

Как вы видите, всё отлично работает с фундаментальными типами данных!

Поскольку тип возврата шаблона функции тот же, что и тип передаваемых элементов массива в функцию, то вычисление среднего арифметического целочисленных значений приведет к целочисленному результату (с отбрасыванием любой дробной части), как и вычисление значений типа double приведет к результату типа double. Это может быть не очевидным, поэтому хорошим тоном будет указать на это в комментариях.

Теперь посмотрим, что произойдет при вызове функции average() с объектами класса Dollars:

#include <iostream>
 
class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
 
    friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)
    {
        return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);
    }
};
 
template <class T>
T average(T *array, int length)
{
    T sum = 0;
    for (int count=0; count < length; ++count)
        sum += array[count];
 
    sum /= length;
    return sum;
}
 
int main()
{
    Dollars array3[] = { Dollars(7), Dollars(12), Dollars(18), Dollars(15) };
    std::cout << average(array3, 4) << '\n';
 
    return 0;
}

#include <iostream>

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)

{

return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);

}

};

template <class T>

T average(T *array, int length)

{

T sum = 0;

for (int count=0; count < length; ++count)

sum += array[count];

sum /= length;

return sum;

}

int main()

{

Dollars array3[] = { Dollars(7), Dollars(12), Dollars(18), Dollars(15) };

std::cout << average(array3, 4) << '\n';

return 0;

}

Результат:

1>c:\users\kicli\source\repos\consoleapplication10\consoleapplication10\consoleapplication10.cpp(37): error C2679: бинарный "<<": не найден оператор, принимающий правый операнд типа "T" (или приемлемое преобразование отсутствует) 1> with 1> [ 1> T=Dollars 1> ] 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(508): note: может быть "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(std::basic_streambuf<char,std::char_traits> *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(480): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(const void *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(460): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(long double)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(440): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(double)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(420): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(float)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(400): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(unsigned __int64)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(380): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(__int64)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(360): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(unsigned long)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(340): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(long)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(320): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(unsigned int)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(295): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(int)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(275): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(unsigned short)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(241): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(short)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(221): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(bool)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(215): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(std::ios_base &(__cdecl *)(std::ios_base &))" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(209): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(std::basic_ios<char,std::char_traits> &(__cdecl *)(std::basic_ios<char,std::char_traits> &))" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(204): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::basic_ostream<char,std::char_traits>::operator <<(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &(__cdecl *)(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &))" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(702): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<char,std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,const char *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(749): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<char,std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,char)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(787): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,const char *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(834): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,char)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(960): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,const signed char *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(967): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,signed char)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(974): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,const unsigned char *)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(981): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,unsigned char)" 1>c:\program files (x86)\microsoft visual studio\2017\community\vc\tools\msvc\14.15.26726\include\ostream(1047): note: или "std::basic_ostream<char,std::char_traits> &std::operator <<<char,std::char_traits>(std::basic_ostream<char,std::char_traits> &,const std::error_code &)" 1>c:\users\kicli\source\repos\consoleapplication10\consoleapplication10\consoleapplication10.cpp(37): note: при попытке сопоставить список аргументов "(std::ostream, T)" 1> with 1> [ 1> T=Dollars 1> ]

Компилятор сошел с ума. Мы говорили о таких ошибках на предыдущем уроке. Несмотря на столь объемный «результат», здесь всё довольно просто. В первых строках сообщается, что компилятор не смог найти перегрузку оператора << для класса Dollars. Далее указываются функции с типами данных, которые вызывались для сравнения, но так и не подошли. И в конце указываются параметр шаблона и заменяемый (фактический) тип параметра.

Visual Studio бережет наши нервы и предоставляет нам альтернативный вывод ошибок:

Ошибка E0349 отсутствует оператор "<<", соответствующий этим операндам Ошибка C2679 бинарный "<<": не найден оператор, принимающий правый операнд типа "T" (или приемлемое преобразование отсутствует)

Помните, что average() возвращает объект класса Dollars, а мы пытаемся этот объект вывести с помощью оператора вывода << и std::cout. Однако, мы не перегрузили оператор << для класса Dollars. Давайте исправим это:

class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
 
    friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)
    {
        return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);
    }
 
    friend std::ostream& operator<< (std::ostream &out, const Dollars &dollars)
    {
        out << dollars.m_dollars << " dollars ";
        return out;
    }
};

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)

{

return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);

}

friend std::ostream& operator<< (std::ostream &out, const Dollars &dollars)

{

out << dollars.m_dollars << " dollars ";

return out;

}

};

Если же теперь запустить программу, то получим следующее:

Ошибка C2676 бинарный "+=": "T" не определяет этот оператор или преобразование к типу приемлемо к встроенному оператору Ошибка C2676 бинарный "/=": "T" не определяет этот оператор или преобразование к типу приемлемо к встроенному оператору

Эти ошибки были вызваны экземпляром шаблона функции, созданным при вызове average(Dollars*, int). Помните, что при вызове шаблона функции, компилятор копирует шаблон функции с типами параметров, а затем заменяет типы параметров шаблона на фактические (передаваемые) типы данных. Вот экземпляр шаблона функции average(), где T является классом Dollars:

template <class T>
Dollars average(Dollars *array, int length)
{
    Dollars sum = 0;
    for (int count=0; count < length; ++count)
        sum += array[count];
 
    sum /= length;
    return sum;
}

template <class T>

Dollars average(Dollars *array, int length)

{

Dollars sum = 0;

for (int count=0; count < length; ++count)

sum += array[count];

sum /= length;

return sum;

}

Причина, по которой мы получили сообщение об ошибке, кроется в следующей строке:

        sum += array[count];

1	sum += array[count];

В этом случае sum является объектом класса Dollars. А чтобы всё заработало, нам нужно перегрузить операторы += и /= для класса Dollars:

class Dollars
{
private:
    int m_dollars;
public:
    Dollars(int dollars)
        : m_dollars(dollars)
    {
    }
 
    friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)
    {
        return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);
    }
 
    friend std::ostream& operator<< (std::ostream &out, const Dollars &dollars)
    {
        out << dollars.m_dollars<< " dollars ";
        return out;
    }
 
    Dollars& operator+=(Dollars dollars)
    {
        m_dollars += dollars.m_dollars;
        return *this;
    }
 
    Dollars& operator/=(int value)
    {
        m_dollars /= value;
        return *this;
    }
};

class Dollars

{

private:

int m_dollars;

public:

Dollars(int dollars)

: m_dollars(dollars)

{

}

friend bool operator>(const Dollars &d1, const Dollars &d2)

{

return (d1.m_dollars > d2.m_dollars);

}

friend std::ostream& operator<< (std::ostream &out, const Dollars &dollars)

{

out << dollars.m_dollars<< " dollars ";

return out;

}

Dollars& operator+=(Dollars dollars)

{

m_dollars += dollars.m_dollars;

return *this;

}

Dollars& operator/=(int value)

{

m_dollars /= value;

return *this;

}

};

Наконец, наш код скомпилируется, и результат:

13 dollars

Хотя проделанная работа может показаться очень большой, но это только из-за того, что наш класс Dollars с самого начала был «кожа да кости». Ключевой момент здесь в том, что нам не нужно модифицировать average(), чтобы он работал с объектами класса Dollars (или c любым другим типом данных). Вся работа была проделана только с классом Dollars, а обо всем остальном компилятор позаботился самостоятельно!

Оценить статью:

(174 оценок, среднее: 4,90 из 5)

Загрузка...

Комментариев: 4

kmish:

16 марта 2019 в 13:35

Следующий момент интересен — нам не пришлось перегружать конструктор копирования:

Dollars sum = 0; //сработал конструктор копирования по-умолчанию (урок 141)

1

Dollars sum = 0; //сработал конструктор копирования по-умолчанию (урок 141)

но если бы в нашем шаблоне мы ислользовали оператор= повторно, то нам пришлось бы либо надеятся, что проканает "Оператор присваивания по умолчанию", либо добавлять свой оператор присваивания. (урок 144)

Ответить
1. Илья:
  
  25 августа 2019 в 13:01
  
  В классе Dollars нет динамического выделения памяти, поэтому здесь будет более чем достаточно оператора поверхностного копирования, предоставляемого по-умолчаию….
  
  Ответить
2. Kris:
  
  15 января 2020 в 15:06
  
  В данном случае ни один из нормальных компиляторов не будет вызывать конструктор копий, здесь будет напрямую вызван конструктор (если не путаю, это что-то типа эллизии).
  
  Ответить
3. Surprizze:
  
  24 августа 2022 в 20:51
  
  Вызываться будет обычный конструктор( не копирования) , потому что мы присваиваем значение , а не копируем)
  
  Ответить