Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание - Бьёрн Страуструп

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.

 

 Почему мы вообще затронули тему, посвященную изменению размера контейнера? Почему бы просто не выделить достаточно памяти и работать с нею?! Эта стратегия выглядит наиболее простой и