Programozás alapjai II. (7. ea) C++

Programozás alapjai II. (7. ea) C++ generikus szerkezetek, template Szeberényi Imre BME IIT <szebi@iit.bme.hu> M Ű E G Y T E M 1 7 8 2 C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -1- Hol tartunk? C C++ javítások OBJEKTUM: konkrét adat és a rajta végezhető műveletek megtestesítője OO paradigmák egységbezárás (encapsulation), többarcúság (polymorphism), példányosítás (instantiation), öröklés (inheritance), generikus szerkezetek OO dekompozíció, tervezés A C++ csupán eszköz Elveket próbálunk elsajátítani Újrafelhasználhatóság C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -2- Hol tartunk? /2 objektum megvalósítása osztály (egységbe zár, és elszigetel), konstruktor, destruktor, tagfüggvények inicializáló lista (tartalmazott obj. inicializálása) operátor átdefiniálás (függvény átdefiniálás) barát és konstans tagfüggvények dinamikus adat külön kezelést igényel öröklés és annak megvalósítása védelem enyhítése virtuális függvények és osztályok absztrakt osztályok C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -3-1

Mi az objektummodell haszna? A valóságos viselkedést írjuk le Könnyebb az analógia megteremtése Láttuk a példát (dig. áramkör modellezése) Digitális jel: üzenet objektum Áramköri elemek: objektumok Objektumok a valós jelterjedésnek megfelelően egymáshoz kapcsolódnak. (üzennek egymásnak) Könnyen módosítható, újrafelhasználható Funkcionális dekompozícióval is így lenne? C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -4- Lehet-e tovább általánosítani? Általánosíthatók-e az adatszerkezetek? Már a komplexes első példán is észrevettük, hogy bizonyos adatszerkezetek (pl. tárolók) viselkedése független a tárolt adattól. Lehet pl. adatfüggetlen tömböt vagy listát csinálni? Általánosíthatók-e az algoritmusok? Lehet pl. adatfüggetlen rendezést csinálni? C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -5- elemzés: Tömb Tároljunk T-ket egy tömbben! Műveletek: Létrehozás/megszüntetés Indexelés Egyszerűség kedvéért nem másolható, nem értékadható és nem ellenőriz indexhatárt! C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -6-2

TArray megvalósítás class TArray { T *tp; // elemek tömbjére mutató pointer private, így int n; // tömb mérete nem elérhető TArray(const TArray&); // másoló konstr. tiltása TArray& operator=(const TArray&); // tiltás TArray(int n=5) :n(n) { tp = new T[n]; T& operator[](int i); ~TArray() { delete[] tp; ; T& TArray::operator[](int i) { return tp[i]; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -7- Mit kell változtatni? Minden T-t át kell írni a kívánt (pl, int, double, Komplex stb.) típusra. Neveket le kell cserélni (névelem csere) Más különbség láthatóan nincs. (Meg kellene valósítani tisztességesen, hogy használható legyen, de most nem ez a lényeg) C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -8- Lehet-e általánosítani? Típusokat és neveket le kell cserélni --> Generikus adatszerkezetek: Olyan osztályok, melyekben az adattagok és a tagfüggvények típusa fordítási időben szabadon paraméterezhető. Megvalósítás: preprocesszorral define + névkonkatenáció ## nyelvi elemként (template) C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -9-3

Preprocesszoral Típus és névelem csere makrókkal: Névelem csere: #define Array(T) T##Array Osztály deklarációk: #declare_array(t) makro Külső tagfüggvény definíciók: #implement_array(t) makro konkatenáció C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -10- Hogyan működik? névelem csere class TArray { T *tp; int n; TArray(int n=5) :n(n) { tp = new T[n];... #define Array(T) T##Array #define declare_array(t) \ class Array(T) { \ T *tp; \ int n; \ \ Array(T)(int n=5) \ :n(n) { tp = new T[n]; \... class intarray { int *tp; int n; declare_array(int) intarray(int n=5) :n(n) { tp = new int[n];... C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -11- #define Array(T) Array(T) T##Array #define declare_array(t) \ class Array(T) { \ T *tp; \ int n; \ Array(T)(const Array(T)&); \ Array(T)& operator=(const Array(T)&); \ \ Array(T)(int n=5) :n(n) { tp = new T[n]; \ T& operator[](int i); \ ~Array(T)() { delete[] tp; \ ; #define implement_array(t) \ T& Array(T)::operator[](int i) { return tp[i]; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -12-4

Használata #include "gen_array_m.hpp" //declare+implement makr. class Valami {... ; // valamilyen osztály declare_array(int) // intarray deklarációja implement_array(int) // intarray def. csak 1-szer! declare_array(valami) // ValamiArray deklarációja implement_array(valami) // ValamiArray def. 1-szer! Array(int) a1, a2, a3; Array(Valami) v1, v2, v3; a2[0] = 5; v2[1] = Valami; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -13- Minden rendben? Tároljunk stringekre mutató pointereket: declare_array(char *) implement_array(char *) Mi lesz a makrókból? pl: #define Array(T) T##Array typedef-fel talán megoldható lenne Más, ennél a példánál nem jelentkező problémák is adódnak az egyszerű szöveghelyettesítésből, ezért jobb lenne nyelvi elemmel. Megoldás: template C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -14- Megoldás: template nyelvi elem formális sablonparaméter: tetszőleges típus template <class T> // Sablon kezdete class Array { // Array osztály dekl. kezd. T *tp; int n; Array(int n=5) :n(n) { tp = new T[n];... hatókör: a template kulcsszót ; követő deklaráció/definició vége Array<int> a1, a2, a3; Array<Valami> v1, v2, v3; aktuális sablonparaméter C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -15-5

Array osztály sablonja template <class T> // osztálysablon class Array { T *tp; // elemek tömbjére mutató pointer int n; // tömb mérete Array(const Array&); // másoló konstr. tiltása Array& operator=(const Array&); // tiltás Array(int n=5) :n(n) { tp = new T[n]; T& operator[](int i); ~Array() { delete[] tp; ; Névelem csere és a paraméterhelyettesítés nyelvi szinten történik. C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -16- Tagfüggvények sablonja sablonparaméter: tetszőleges típus template <class T> // tagfüggvénysablon T& Array<T>::operator[](int i) { return tp[i]; scope miatt fontos hatókör: a template kulcsszót követő deklaráció/definició vége C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -17- Sablonok használata (példányosítás) #include "generic_array.hpp" // sablonok int main() { sablon példányosítása aktuális template paraméterrel Array<int> ia(50), ia1(10); // int array Array<double> da; // double array Array<const char *> ca; // const char* array ia[12] = 4; da[2] = 4.54; ca[2] = "Hello Template"; return 0; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -18-6

Array osztály másként template <class T, int s> // osztálysablon class Array { T t[s]; // elemek tömbje int n; // tömb mérete T& operator[](int i) { if (i < 0 i >= s) throw "Indexelési hiba"; return t[i]; Többször példányosodik! Növeli a kódot, ; ugyanakkor egyszerűsödött az osztály. Array<int, 10> a10; Array<int, 30> a30; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -19- Összetettebb példa: Láncolt lista Tároljunk egész számokat egy rendezett listán. Műveletek: Beszúr új elem felvétele Következő soron következő elem kiolvasása jelzi, ha elérte a végét és újra az elejére áll C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -20- Lista tervezése Két osztály: Lista pointer az első elemre (első elem) pointer az akt elemre Művelet: beszur(), kovetkezo() ListaElem adat pointer önmagára Művelet: másol, létrehoz C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -21-7

Kapcsolatok Lista elso akt 1..* ListaElem adat kov strázsa (őr/sentinel) C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -22- Az 5 beszúrása beszúrás másolással (ismétlés) p 3) p->adat = 5; elso 2 kov 510 kov 23 kov 32 kov 4) p->kov = uj 10 KOV 2) *uj = *p;???? KOV 1) uj = new ListaElem strázsa NULL C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -23- C++ megvalósítás nem csak egy fv. lehet friend class ListaElem { friend class Lista; // hozzá kell férnie a tagokhoz int adat; // tárolt érték ListaElem *kov; // következő ; class Lista { ListaElem *elso, *akt; // első és az akt. pointer Lista() { akt = elso = new ListaElem; elso->kov = NULL; void beszur(int dat); // beszúrás bool kovetkezo(int& dat);// következő elem kiolvasása ~Lista() { /* házi feladat */ ; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -24-8

C++ megvalósítás/2 void Lista::beszur(int dat) { kilép: p elé kellene beszúrni. ListaElem *p; // futó pointer for (p = elso; p->kov && p->adat < dat; p = p->kov); // hely keresése ListaElem *uj = new ListaElem(*p); // régi átm. az újba p->adat = dat; p->kov = uj; // láncolás bool Lista::kovetkezo(int& dat) { uj = new ListaElem if (akt->kov == NULL) { // végére ért *uj = *p; akt = elso; return(false); dat = akt->adat; akt = akt->kov; return(true); // megvan C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -25- int helyett double? void DblLista::beszur(double dat) { DblListaElem *p; for (p = elso; p->kov && p->adat < dat; p = p->kov); // < operátor DblListaElem *uj = new DblListaElem(*p); p->adat = dat; p->kov = uj; // = operátor bool DblLista::kovetkezo(double &dat) { if (akt->kov == NULL) { akt = elso; return(false); dat = akt->adat; akt = akt->kov; // = operátor return(true); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -26- Mit kell változtatni? Minden int-et át kell írni double-re. Más különbség nincs. Mennyiben változik, ha nem alaptípust akarunk tárolni? Minden int-et át kell irni. Biztosítani kell a megfelelő műveleteket az adott típusra (operatáror=, operátor<, másoló konstruktor?) Van még más probléma? C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -27-9

Rejtett problémák Lista: Másoló konstruktor (a default jó?) NEM Értékadás operátor (a default jó?) legalább tiltsuk meg a használatukat ListaElem: Másoló konstruktor (a default jo?) IGEN (ha a pointerét nem szabadítjuk fel) Értékadás operátor (a default jó?) nem jó, de nem használjuk C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -28- Kiegészítés class ListaElem { friend class Lista; // hozzá kell férnie a mezőkhöz int adat; // tárolt érték ListaElem *kov; // következő ; class Lista { ListaElem elso, *akt; // strázsa, és az akt olv. pointer Lista(const Listar&); // copy constr. tiltása Lista& operator=(const Lista&); // op= tiltása Lista() { akt = elso = new ListaElem; elso->kov = NULL;... C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -29- Általánosított lista template <class T> // Ez kell elé, hogy a friend-nél class Lista; // már ismert legyen a Lista<T> sablonparaméter: tetszőleges típus template <class T> class ListaElem { friend class Lista<T>; T adat; ListaElem<T> *kov; ; // Sablon kezdete // ListaElem osztály dekl. kezd. // hozzá kell férnie a mezőkhöz // adat // pointer következő elemre itt nem fontos, mert az osztály nevét automatikusan cseréli C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -30-10

Lista osztály sablonja template <class T> // osztálysablon class Lista { // Lista ListaElem<T> *elso, *akt; // első + akt pointer Lista (const Lista&); // másoló konstr. letiltva void operator=(const Lista&); // operáror= letiltva Lista() { akt = elso = new ListaElem<T>; elso->kov = NULL; // első + akt. bool hasonlit(t d1, T d2) { // default hasonlító fv. return(d1<d2); void beszur(const T& dat); // elem beszúrása bool kovetkezo(t& dat); // következő elem ~Lista() { /* még mindig házi feladat */ ; ; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -31- Tagfüggvények sablonja template <class T> // tagfüggvénysablon void Lista<T>::beszur(const T& dat) { ListaElem<T> *p; // futó pointer for (p = elso; p->kov && // elem keresése hasonlit(p->adat, dat); p = p->kov); ListaElem<T> *uj = new ListaElem<T>(*p); //régit másol p->adat = dat; p->kov = uj; // adat beírása template <class T> // tagfüggvénysablon bool Lista<T>::kovetkezo(T& dat) { // következő elem if (akt->kov == NULL) { akt = elso; return(false); dat = akt->adat; akt = akt->kov; return(true); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -32- Lista sablon használata #include "generic_lista.hpp" // sablonok int main() { sablon példányosítása Lista<int> L; // int lista Lista<double> Ld; // double lista Lista<char *> Ls; // char* lista L.beszur(1); L.beszur(19); L.beszur(-41); Ls.beszur("Alma"); Ls.beszur("Hello"); Ls.beszur("Aladar"); int x; while (L.kovetkezo(x)) cout << x << '\n'; char *s; while (Ls.kovetkezo(s)) cout << s << '\n'; return 0; Jól fog működni? bool Hasonlit(T d1, T d2) { return(d1<d2); // char* < char* C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -33-11

Probléma A < operátor nem lesz jó a char* -ra, mert a pointereket hasonlítja, és nem a sztringeket. Már korábban megállapítottuk, hogy nem tudjuk átdefiniálni, mert nem osztály. Valahogyan át kellene definiálni a sablonban definiált hasonlító függvényt (csak a megfelelő char *-os példányt). Megoldás: specializáció C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -34- Specializáció Függvények különböző változatait átdefiniálással érhetjük el. Sablonok esetében ez a specializáció. Egy sablonnal megadott osztály, vagy függvény adott változatát átdefiniálhatjuk. Ilyenkor nem a sablonban megadott módon fog példányosodni. Pl: template<> bool Lista<char *>::hasonlit(char *s1, char *s2) { return(strcmp(s1, s2) < 0); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -35- Előző példa újból #include "generic_lista.hpp" // sablonok bool Lista<char *>::hasonlit(char *s1, char *s2) {// <char *> példány spec. return(strcmp(s1, s2) < 0); int main() { Lista<int> L; Lista<double> Ld; Lista<char *> Ls; Így már ábécé szerint rendez. // int lista // double lista // char* lista L.beszur(1); L.beszur(19); L.beszur(-41); Ls.beszur("Alma"); Ls.beszur("Hello"); Ls.beszur("Aladar"); int x; while (L.kovetkezo(x)) cout << x << endl; char *s; while (Ls.kovetkezo(s)) cout << s << endl; return 0; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -36-12

Mi is a sablon? Nyelvi elem az általánosításhoz. Gyártási forma. A sablonparaméterektől függően példányosodik: osztály vagy függvény jön belőle létre. Paraméter: típus, konstans, függvény, sablon Default paramétere is lehet. A példányok specializálhatók, melyek eltérhetnek az eredeti sablontól. A példányosítás helyének és a sablonnak egy fordítási egységben kell lennie. C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -37- Újabb példa template <class T1, class T2, int i = 0> struct V { T1 a1; T2 a2; int x; V() { x = i; ; V<int, char, 4> v1; V<double, int> v2; default V<int, int>::v() { a1=a2=x=i; V<int, int>v3; Specializálás C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -38- Függvénysablon Függvények, algoritmusok általánosítási eszköze. Hatékony, paraméterezhető, újrafelhasználható, általános. template <class T> void rendez (T a[], int n) { for (int i = 1; i < n; i++) { T tmp = a[i]; int j = i-1; while (j >= 0 && a[j] > tmp) { a[j+1] = a[j]; j--; a[j+1] = tmp;... int t[] = = { 4, 8, -2, 88, 33, 1, 4, -1 ; rendez<int>(t, 8); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -39-13

Függvénysablonok paraméterei A sablonparaméterek általában levezethetők a függvényparaméterekből. Pl: template<class T> void csere(t& p1, T& p2) { T tmp = p1; p1 = p2; p2 = tmp; int x1, x2; csere(x1, x2); Ha nem, akkor meg kell adni. Pl: template<class T, int n> void fv(t t1[n], T t2[n]) { for (int i = n; i >= 0; i--) t1[i] = t2[i]; int it1[10], it2[10]; fv<int, 10>(it1, it2); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -40- Algoritmus módosítása Előfordulhat, hogy egy algoritmus (pl. rendezés) működösét módosítani akarjuk egy függvénnyel (predikátum). Sablonparaméterként egy eljárásmódot (függvényt) is átadhatunk. Példa: Írjunk egy általános kiválasztó algoritmust, ami képes kiválasztani a legkisebb, legnagyobb, leg... elemet. C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -41- Kiválasztó algoritmus sablonnal template<class T, int n, class S> T keres(t t[n]) { Ttmp= t[0]; for (int i = 1; i < n; i++) if (S::select(t[i], tmp)) tmp = t[i]; return tmp; template<class T> class Min { // szokásos min. kereséshez static int select(t a, T b) { return a < b; ; template<class T> class Max { // szokásos max. keresésez static int select(t a, T b) { return a > b; ; C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -42-14

Kiválasztó algoritmus használata class intminabs { // szokásostól eltérő kiválasztó függvény static int select(int a, int b) { return abs(a) < abs(b); ; int main() { int it[9] = {-5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 ; double dt[5] = {.0,.1,.2,.3, 4.4 ; szóköz kell, különben >>-nek értené! cout << keres<double, 5, Max<double>>(dt); // maximum cout << keres<int, 9, Min<int> >(it); // mimimum cout << keres<int, 9, intminabs>(it); // eltérő kiv. függvény return(0); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -43- Predikátumok Célszerűen osztálysablonba építjük a megfelelő függvényt. Ekkor statikus függvényként kell deklarálni, mert másként nem jönne létre. Természetesen külső függvény is lehet predikátum: template<class T, int n, int select(t, T)>T keres(t t[n]) { T tmp = t[0]; for (int i = 1; i < n; i++) if (select(t[i], tmp)) tmp = t[i]; return tmp; template<class T> int MinFv(T a, T b) { return a < b; keres<int, 9, MinFv>(it); C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -44- Összefoglalás A C-ben megtanult preprocesszor trükkökkel általánosíthatók az osztályok Nem biztonságos, és nem ad mindenre megolást. Nyelvi elem bevezetése: template A preprocesszoros trükköt csak a működés jobb megértéséhez néztük meg, ma már nem illik használni. C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -45-15

Összefoglalás /2 Generikus osztályokkal tovább általánosíthatjuk az adatszerkezetekről alkotott képet: Típust paraméterként adhatunk meg. A generikus osztály később a típusnak megfelelően példányosítható. A specializáció során a sablontól eltérő példány hozható létre Specializáció lehet részleges, vagy teljes C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -46- Összefoglalás /3 Generikus függvényekkel tovább általánosíthatjuk az algoritmusokról alkotott képet: Típust paraméterként adhatunk meg. A generikus függvény később a típusnak megfelelően példányosítható. A függvényparaméterekből a konkrét sablonpéldány levezethető, ha nem, akkor explicit módon kell megadni Függvénysablon átdefiniálható C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -47- Összefoglalás /4 Ún. predikátumok segítségével megváltoztatható egy algoritmus működése Ez lehetővé teszi olyan generikus algoritmusok írását, mely specializációval testre szabható. Ügyetlen template használat feleslegesen megnövelheti a kódot (pl. széles skálán változó paramétert is template paraméterként adunk át.) C++ programozási nyelv BME-IIT Sz.I. 2011.03.29. -48-16