Существует несколько различий между объектно-ориентированным программированием (с помощью иерархий классов и виртуальных функций) и обобщенным программированием (с помощью шаблонов). Наиболее очевидным является то, что выбор вызываемой функции при обобщенном программировании определяется компилятором во время компиляции, а при объектно-ориентированном программировании он определяется во время выполнения программы. Рассмотрим примеры.
v.push_back(x); // записать x в вектор v
s.draw; // нарисовать фигуру s
Для вызова
v.push_back(x)
компилятор определит тип элементов в объекте
v
и применит соответствующую функцию
push_back
, а для вызова
s.draw
он неявно вызовет некую функцию
draw
(с помощью таблицы виртуальных функций, связанной с объектом
s
; см. раздел 14.3.1). Это дает объектно-ориентированному программированию свободу, которой лишено обобщенное программирование, но в то же время это делает обычное обобщенное программирование более систематическим, понятным и эффективным (благодаря прилагательным “специальный” и “параметрический”).
Подведем итоги.
• Обобщенное программирование поддерживается шаблонами, основываясь на решениях, принятых на этапе компиляции
• Объектно-ориентированное программирование поддерживается иерархиями классов и виртуальными функциями, основываясь на решениях, принятых на этапе выполнения программы.
Сочетание этих стилей программирования вполне возможно и полезно. Рассмотрим пример.
void draw_all(vector<Shape*>& v)
{
for (int i=0; i<v.size; ++i) v[i]–>draw;
}
Здесь мы вызываем виртуальную функцию (
draw
) из базового класса (
Shape
) с помощью другой виртуальной функции — это определенно объектно-ориентированное программирование. Однако указатели
Shape*
хранятся в объекте класса
vector
, который является параметризованным типом, значит, мы одновременно применяем (простое) обобщенное программирование.
Но довольно философии. Для чего же на самом деле используются шаблоны?
Для получения непревзойденно гибких и высокопроизводительных программ.
• Используйте шаблоны, когда производительность программы играет важную роль (например, при интенсивных вычислениях в реальном времени; подробнее об этом речь пойдет в главах 24 и 25).
• Используйте шаблоны, когда гибкость сочетания информации, поступающей от разных типов, играет важную роль (например, при работе со стандартной библиотекой языка C++; эта тема будет обсуждаться в главах 20 и 21).
Шаблоны имеют много полезных свойств, таких как высокая гибкость и почти оптимальная производительность, но, к сожалению, они не идеальны. Как всегда, преимуществам сопутствуют недостатки. Основным недостатком шаблонов является то, что гибкость и высокая производительность достигаются за счет плохого разделения между “внутренностью” шаблона (его определением) и его интерфейсом (объявлением). Это проявляется в плохой диагностике ошибок, особенно плохими являются сообщения об ошибках. Иногда эти сообщения об ошибках в процессе компиляции выдаются намного позже, чем следовало бы.
При компиляции программы, использующей шаблоны, компилятор “заглядывает” внутрь шаблонов и его шаблонных
аргументов. Он делает это для того, чтобы извлечь информацию, необходимую для генерирования оптимального кода. Для того чтобы эта информация стала доступной, современные компиляторы требуют, чтобы шаблон был полностью определен везде, где он используется. Это относится и к его функциям-членам и ко всем шаблонным функциям, вызываемым из них. В результате авторы шаблонов стараются разместить определения шаблонов в заголовочных файлах. На самом деле стандарт этого не требует, но пока не будут разработаны более эффективные реализации языка, мы рекомендуем вам поступать со своими шаблонами именно так: размещайте в заголовочном файле определения всех шаблонов, используемых в нескольких единицах трансляции.
Мы рекомендуем вам начинать с очень простых шаблонов и постепенно набираться опыта. Один из полезных приемов проектирования мы уже продемонстрировали на примере класса
vector
: сначала разработайте и протестируйте класс, используя конкретные типы. Если программа работает, замените конкретные типы шаблонными параметрами. Для обеспечения общности, типовой безопасности и высокой производительности программ используйте библиотеки шаблонов, например стандартную библиотеку языка C++. Главы 20-21 посвящены контейнерам и алгоритмам из стандартной библиотеки. В них приведено много примеров использования шаблонов.
19.3.3. Контейнеры и наследование
Это одна из разновидностей сочетания объектно-ориентированного и обобщенного программирования, которое люди постоянно, но безуспешно пытаются применять: использование контейнера объектов производного класса в качестве контейнера объектов базового класса. Рассмотрим пример.
vector<Shape> vs;
vector<Circle> vc;
vs = vc; // ошибка: требуется класс vector<Shape>
void f(vector<Shape>&);
f(vc); // ошибка: требуется класс vector<Shape>
Но почему? “В конце концов, — говорите вы, — я могу конвертировать класс
Circle
в класс
Shape
!” Нет, не можете. Вы можете преобразовать указатель
Circle*
в
Shape*
и ссылку
Circle&
в
Shape&
, но мы сознательно запретили присваивать объекты класса
Shape
, поэтому вы не имеете права спрашивать, что произойдет, если вы поместите объект класса Circle с определенным радиусом в переменную типа
Shape
, которая не имеет радиуса (см. раздел 14.2.4). Если бы это произошло, — т.е. если бы мы разрешили такое присваивание, — то возникло бы так называемое “усечение” (“slicing”), похожее на усечение целых чисел (см. раздел 3.9.2).
Итак, попытаемся снова использовать указатели.
vector<Shape*> vps;
vector<Circle*> vpc;
vps = vpc; // ошибка: требуется класс vector<Shape*>
void f(vector<Shape*>&);
f(vpc); // ошибка: требуется класс vector<Shape*>
И вновь система типов сопротивляется. Почему? Рассмотрим, что может делать функция