Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ

Теперь рассмотрим такой код:

SquareMatrix<double, 5> sm1;
...
sm1.invert; // вызов SquareMatrix<double, 5>::invert
SquareMatrix<double, 10> sm2;
...
sm2.invert; // вызов SquareMatrix<double, 10>::invert

Здесь будут конкретизированы две копии функции invert. Они не идентичны, потому что одна из них работает с матрицами 5x5, а другая – с матрицами 10x10, но во всем остальном, кроме констант 5 и 10, эти функции ничем не отличаются. Это – классический пример разбухания кода в результате применения шаблонов.

Что вы делаете, когда есть две функции, абсолютно одинаковые, за исключением того, что в одной используется константа 5, а в другой – 10? Естественно, вы создаете функцию, которая принимает параметр, а затем вызываете ее, один раз передавая в качестве параметра 5, а другой раз – 10. Вот первая попытка проделать тот же трюк в реализации шаблона SquareMatrix:

template<typename T> // базовый класс, не зависящий
class SquareMatrixBase { // от размерности матрицы
protected:
...
void invert(std::size_t matrixSize); // обратить матрицу заданной
... // размерности
};
template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> {
private:
using SquareMatrixBase<T>::invert; // чтобы избежать сокрытия базовой
// версии invert; см. правило 33
public:
...
void invert {this->invert(n);} // встроенный вызов версии invert
}; // из базового класса
// см. ниже – почему
// применяется “this->”

Как видите, параметризованная версия функции invert находится в базовом классе – SquareMatrixBase. Как и SquareMatrix, SquareMatrixBase – шаблон, но в отличие от SquareMatrix, он имеет только один параметр – тип объектов в матрице, но не имеет параметра size. Поэтому все матрицы, содержащие объекты заданного типа, будут разделять общий класс SquareMatrixBase. И, значит, все они разделят единственную копию функции invert из данного класса.

Назначение SquareMatrixBase::invert – помочь избежать дублирования кода в производных классах, поэтому using-объявление помещено в секцию protected, а не public. Дополнительные расходы на вызов этой функции нулевые, поскольку в производных классах ее вызовы invert встроены (встраивание неявное – см. правило 30). Во встроенных функциях применяется нотация «this->», потому что в противном случае, как следует из правила 43, имена функций из шаблонного базового класса (SquareMatrixBase<T>) будут скрыты от подклассов. Отметим также, что наследование SquareMatrix от SquareMatrixBase – закрытое. Это отражает тот факт, что базовый класс введен только для одной цели – упростить реализацию производных, и не означает наличия концептуального отношения «является» между SquareMatrixBase и SquareMatrix (о закрытом наследовании см. правило 39).

До сих пор все шло хорошо, но имеется одна проблема, которую нам еще предстоит решить. Откуда класс SquareMatrixBase узнает, с какими данными он должен работать? Размерность матрицы ему известна из параметра, но как узнать, где находятся сами данные конкретной матрицы? По-видимому, это известно только производному классу. А как производный класс может передать эту информацию базовому, чтобы тот мог выполнить обращение матрицы?

Один из возможных способов – добавить дополнительный параметр в функцию SquareMatrixBase::invert, скажем, указатель на начало участка памяти, где размещаются данные матрицы. Это будет работать, но, скорее всего, invert – не единственная функция в классе SquareMatrix, которая может быть написана так, что не будет зависеть от размерности, и перенесена в класс SquareMatrixBase. Если таких функций будет несколько, всем им понадобится знать, где находятся данные матрицы. Нам придется в каждую добавлять новый параметр, и получится, что мы многократно передаем SquareMatrixBase одну и ту же информацию. Как-то неправильно это.

Есть альтернатива – хранить указатель на данные матрицы в SquareMatrixBase. И там же можно хранить размерность матрицы. Получается такой код:

template<typename T>
class SquareMatrixBase {
protected:
SquareMatrixBase(std::size_t n, T pMem) // сохраняет размерность
:size(n), pData(pMem){} // и указатель на данные матрицы
void setData(T *ptr) { pData = ptr;} // присвоить значение pData
...
private:
std::size_t size; // размерность матрицы
T *pData; // указатель на данные матрицы
};

Это позволяет производным классам решать, как выделять память. Возможна, в частности, реализация, при которой данные матрицы сохраняются прямо в объекте SquareMatrix:

template<typename T, size_t size>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase {
public:
SquareMatrix // передать базовому классу размерность
:SquareMatrixBase<t>(n, data) {} // матрицы и указатель на данные
...
private:
T data(n*n);
};

Объекты такого типа не нуждаются в динамическом выделении памяти, но зато могут быть очень большими. Вместо этого можно выделять память для данных матрицы из кучи:

template<typename T, size_t size>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase {
public:
SquareMatrix // присвоить указателю на данные
:SquareMatrixBase<t>(n, 0), // в базовом классе значение null
pData(new T(n*n)) // выделить память для данных матрицы,
{this->setDataPtr(pData.get;} // сохранить указатель на нее и передать
... // его копию базовому классу
private:
boost::scoped_array<T> pData; // о классе boost::scoped_array
}; // см. правило 13

Независимо от того, где хранятся данные, с точки зрения «разбухания» кода важно лишь, что теперь многие (быть может, все) функции-члены SquareMatrix оказываются просто встроенными вызовами их версий из базового класса, которые теперь будут разделяются всеми матрицами, содержащими данные одного и того же типа, независимо от их размера. В то же время объекты SquareMatrix разных размеров относятся к разным типам. Поэтому, несмотря на то что классы SquareMatrix<double, 5> и SquareMatrix<double, 10> пользуются одними и теми же функциями, определенными в SquareMatrixBase<double>, не получится передать функции, ожидающей параметра типа SquareMatrix<double, 10>, объект типа SquareMatrix<double, 5>. Хорошо, не правда ли?