Стандартный класс vector основан на средствах низкоуровневого управления памятью, таких как указатели и массивы. Его главное предназначение — помочь программисту избежать сложностей, сопряженных с этими средствами управления памятью. Разрабатывая любой класс, вы должны предусмотреть инициализацию, копирование и уничтожение его объектов.
Глава 19
Векторы, шаблоны и исключения
“Успех никогда не бывает окончательным”.
Уинстон Черчилль (Winston Churchill)
В этой главе мы завершим изучение вопросов проектирования и реализации наиболее известного и полезного контейнера из библиотеки STL: класса
vector
.
Мы покажем, как реализовать контейнеры с переменным количеством элементов, как описать контейнеры, в которых тип является параметром, а также продемонстрируем, как обрабатывать ошибки, связанные с выходом за пределы допустимого диапазона. Как обычно, описанные здесь приемы будут носить универсальный характер, выходя далеко за рамки класса
vector
и даже реализации контейнеров. По существу, мы покажем, как безопасно работать с переменным объемом данных разных типов. Кроме того, в примерах проектирования постараемся учесть конкретные реалии. Наша технология программирования основана на шаблонах и исключениях, поэтому мы покажем, как определить шаблоны, и продемонстрируем основные способы управления ресурсами, играющими ключевую роль в эффективной работе с исключениями.
19.1. Проблемы
В конце главы 18 наша разработка класса
vector
достигла этапа, на котором мы могли выполнять следующие операции.
• Создавать объекты класса
vector
, элементами которого являются числа с плавающей точкой двойной точности с любым количеством элементов.
• Копировать объекты класса
vector
с помощью присваивания и инициализации.
• Корректно освобождать память, занятую объектом класса
vector
, когда он выходит за пределы области видимости.
• Обращаться к элементам объекта класса
vector
, используя обычные индексные обозначения (как в правой, так и в левой части оператора присваивания).
Все это хорошо и полезно, но, для того чтобы выйти на ожидаемый уровень сложности (ориентируясь на сложность стандартного библиотечного класса
vector
), мы должны разрешить еще несколько проблем.
• Как изменить размер объекта класса
vector
(изменить количество его элементов)?
• Как перехватить и обработать ошибку, связанную с выходом за пределы объекта класса
vector
?
• Как задать тип элементов в объекте класса
vector
в качестве аргумента?
Например, как определить класс
vector
так, чтобы стало возможным написать следующий код:
vector<double> vd; // элементы типа double
double d;
while(cin>>d) vd.push_back(d); // увеличить vd, чтобы сохранить
// все элементы
vector<char> vc(100); // элементы типа char
int n;
cin>>n;
vc.resize(n); // создать объект vc, содержащий
// n элементов
Очевидно, что такие операции над векторами очень полезны, но почему это так важно с программистской точки зрения? Почему это достойно включения в стандартный набор приемов программирования? Дело в том, что эти операции обеспечивают двойную гибкость. У нас есть одна сущность, объект класса
vector
, которую мы можем изменить двумя способами.
• Изменить количество элементов.
• Изменить тип элементов.
Эти виды изменчивости весьма полезны и носят фундаментальный характер. Мы всегда собираем данные. Окидывая взглядом свой письменный стол, я вижу груду банковских счетов, счета за пользование кредитными карточками и телефонные разговоры. Каждый из этих счетов по существу представляет собой список строк, содержащих информацию разного типа: строки букв и чисел. Передо мной лежит телефон; в нем хранится список имен
и телефонных номеров. В книжных шкафах на полках стоят книги. Наши программы схожи с ними: в них описаны контейнеры, состоящие из элементов разных типов. Существуют разные контейнеры (класс
vector
просто используется чаще других), содержащие разную информацию: телефонные номера, имена, суммы банковских операций и документы. По существу, все, что лежит на моем столе, было создано с помощью каких-то компьютерных программ.
Очевидным исключением является телефон: он сам является компьютером, и когда я пересматриваю номера телефонов, вижу результаты работы программы, которая похожа на ту, которую мы пишем. Фактически эти номера можно очень удобно хранить в объекте класса
vector<Number>
.
Очевидно, что не все контейнеры содержат одинаковое количество элементов. Можно ли работать с векторами, размер которых фиксируется в момент их инициализации, т.е. могли бы мы написать наш код, не используя функции
push_back
,
resize
или другие эквивалентные операции? Конечно, могли бы, но это возложило бы на программиста совершенно ненужную нагрузку: основной трудностью при работе с контейнерами фиксированного размера является перенос элементов в более крупный контейнер, когда их количество становится слишком большим и превышает первоначальный размер. Например, мы могли бы заполнить вектор, не изменяя его размер, с помощью следующего кода:
// заполняем вектор, не используя функцию push_back:
vector<double>* p = new vector<double>(10);
int n = 0; // количество элементов
double d;
while(cin >> d) {
if (n==p–>size) {
vector<double>* q = new vector<double>(p–>size*2);
copy(p–>begin,p–>end,q–>begin);
delete p;
p = q;
}
(*p)[n] = d;
++n;
}
Это некрасиво. К тому же вы уверены, что этот код правильно работает? Как можно быть в этом уверенным? Обратите внимание на то, что мы внезапно стали использовать указатели и явное управление памятью. Мы были вынуждены это сделать, чтобы имитировать стиль программирования, близкий к машинному уровню при работе с объектами фиксированного размера (массивами; см. раздел 18.5). Одна из причин, обусловивших использование контейнеров, таких как класс
vector
, заключается в желании сделать нечто лучшее; иначе говоря, мы хотим, чтобы класс
vector
сам изменял размер контейнера, освободив пользователей от этой работы и уменьшив вероятность сделать ошибку. Иначе говоря, мы предпочитаем контейнеры, которые могут увеличивать свой размер, чтобы хранить именно столько элементов, сколько нам нужно. Рассмотрим пример.
vector<double> vd;
double d;
while(cin>>d) vd.push_back(d);
Насколько распространенным является изменение размера контейнера? Если такая ситуация встречается редко, то предусматривать для этого специальные средства было бы нецелесообразно. Однако изменение размера встречается очень часто. Наиболее очевидный пример — считывание неизвестного количества значений из потока ввода. Другими примерами являются коллекционирование результатов поиска (нам ведь неизвестно заранее, сколько их будет) и удаление элементов из коллекции один за другим. Таким образом, вопрос заключается не в том, стоит ли предпринимать изменение размера контейнера, а в том, как это сделать.