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

Для чего обычные указатели хороши – так это для поддержки неявных преобразований типов. Указатели на объекты производных классов неявно преобразуются в указатели на объекты базовых классов, указатели на неконстантные объекты – в указатели на константные и т. п. Например, рассмотрим некоторые преобразования, которые могут происходить в трехуровневой иерархии:

class Top {...};

class Middle: public Top {...};

class Bottom: public Middle {...};

Top *pt1 = new Middle; // преобразует Middle* в Top*

Top *pt2 = new Bottom; // преобразует Middle* в Bottom*

Const Top *pct2 = pt1; // преобразует Top* в const Top*

Эмулировать такие преобразования с помощью определяемых пользователем «интеллектуальных» указателей не просто. Для этого нужно, чтобы компилировался такой код:

Template<typename T>

class SmartPtr {

public:

explicit SmartPtr(T *realPtr); // интеллектуальные указатели обычно

... // инициализируются встроенными

}; // указателями

SmartPtr<Top> pt1 = // преобразует SmartPtr<Middle>

SmartPtr<Middle>(new Middle); // в SmartPtr<Top>

SmartPtr<Top> pt2 = // преобразует SmartPtr<Bottom>

SmartPtr<Bottom>(new Bottom); // SmartPtr<Top>

SmartPtr<const Top> pct2 = pt1;

Разные конкретизации одного шаблона не связаны каким-либо отношением, поэтому компилятор считает, что SmartPtr<Middle> и SmartPtr<Top> – совершенно разные классы, не более связанные друг с другом, чем, например, vector<float> и Widget. Чтобы можно было осуществлять преобразования между разными классами SmartPtr, необходимо явно написать соответствующий код. В приведенном выше примере каждое предложение создает новый объект интеллектуального указателя, поэтому для начала сосредоточимся на написании конструкторов, которые будут вести себя так, как нам нужно. Ключевое наблюдение состоит в том, что невозможно написать сразу все необходимые конструкторы. В приведенной иерархии мы можем сконструировать SmartPtr<Top> из SmartPtr<Middle> или SmartPtr<Bottom>, но если в будущем иерархия будет расширена, то придется добавить возможность конструирования объектов SmartPtr<Top> из других типов интеллектуальных указателей. Например, если мы позже добавим такой класс:

class BelowBottom: public Bottom {...};

то нужно будет поддержать создание объектов SmartPtr<Top> из SmartPtr<Below-Bottom>, и, очевидно, не хотелось бы ради этого модифицировать шаблон SmartPtr.

В принципе, нам может понадобиться неограниченное число конструкторов. Поскольку шаблон может быть конкретизирован для генерации неограниченного числа функций, похоже, что нам нужен не конструктор-функция для SmartPtr, а конструктор-шаблон. Это пример шаблона функции-члена (часто называемого шаблонного члена), то есть шаблона, генерирующего функции-члены класса:

template<typename T>

class SmartPtr {

public:

template<typename U> // шаблонный член

SmartPtr(const SmartPtr<U>& other); // для «обобщенного

... // конструктора копирования»

};

Здесь говорится, что для каждой пары типов T и U класс SmartPtr<T> может быть создан из SmartPtr<U>, потому что SmartPtr<T> имеет конструктор, принимающий параметр типа SmartPtr<U>. Подобные конструкторы, создающие один объект из другого, тип которого является другой конкретизацией того же шаблона (например, SmartPtr<T> из SmartPtr<U>), иногда называют обобщенными конструкторами копирования.

Обобщенный конструктор копирования в приведенном выше примере не объявлен с модификатором explicit. И это сделано намеренно. Преобразования типов между встроенными типами указателей (например, из указателя на производный класс к указателю на базовый класс) происходят неявно и не требуют приведения, поэтому разумно и для интеллектуальных указателей эмулировать такое поведение. Именно поэтому и не указано слово explicit в объявлении обобщенного конструктора шаблона.

Будучи объявлен описанным выше образом, обобщенный конструктор копирования для SmartPtr предоставляет больше, чем нам нужно. Да, мы хотим иметь возможность создавать SmartPtr<Top> из SmartPtr<Bottom>, но вовсе не просили создавать SmartPtr<Bottom> из SmartPtr<Top>, потому что это противоречит смыслу открытого наследования (см. правило 32). Мы также не хотим создавать SmartPtr<int> из SmartPtr<double>, потому что не существует неявного преобразования int* в double*. Каким-то образом мы должны сузить многообразие функций-членов, которые способен генерировать этот шаблон.

Предполагая, что SmartPtr написан по образцу auto_ptr и tr1::shared_ptr, то есть предоставляет функцию-член get, которая возвращает копию встроенного указателя, хранящегося в объекте «интеллектуального» указателя (см. правило 15), мы можем воспользоваться реализацией шаблонного конструктора, чтобы ограничить набор преобразований:

template<typename T>

class SmartPtr {

public:

template<typename U>

SmartPtr(const SmartPtr<U>& other) // инициировать этот хранимый

:heldPtr(other.get()) {...} // указатель указателем, хранящимся

// в другом объекте

T *get() const { return heldPtr;}

...

private: // встроенный указатель,

T *heldPtr; // хранящийся в «интеллектуальном»

};

Мы используем список инициализации членов, чтобы инициализировать член данных SmartPtr<T> типа T* указателем типа U*, который хранится в Smart-Ptr<U>. Этот код откомпилируется только тогда, когда существует неявное преобразование указателя U* в T*, а это как раз то, что нам нужно. Итак, SmartPtr<T> теперь имеет обобщенный копирующий конструктор, который компилируется только тогда, когда ему передается параметр совместимого типа.

Использование шаблонных функций-членов не ограничивается конструкторами. Еще одно полезное применение таких функций – поддержка присваивания. Например, класс shared_ptr из TR1 (см. правило 13) поддерживает конструирование из всех совместимых встроенных указателей, tr1::shared_ptr, auto_ptr и tr1::weak_ptr (см. правило 54), а также наличие в правой части оператора присваивания объекта любого из этих типов, кроме tr1::weak_ptr. Ниже приведен фрагмент спецификации TR1 для tr1::shared_ptr; обратите внимание, что при объявлении параметров шаблона используется ключевое слов class, а не typename. Как объясняется в правиле 42, в данном контексте они означают одно и то же.

template<class T> class shared_ptr {

public:

template<class Y> // конструирует из

explicit shared_ptr(Y *p); // любого совместимого

template<class Y> // встроенного указателя,

shared_ptr(shared_ptr<Y> const& r); // shared_ptr,

template<class Y> // weak_ptr или

explicit shared_ptr(weak_ptr<Y> const& r); // auto_ptr

template<class Y>

explicit shared_ptr(auto_ptr<Y>& r);

template<class Y> // присваивает

explicit shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y> const& r); // любой

template<class Y> // совместимый

explicit shared_ptr& operator=(auto_ptr<Y> const& r); // shared_ptr или

... // auto_ptr

};

Все эти конструкторы объявлены как explicit, за исключением обобщенного конструктора копирования. Это значит, что неявные преобразования от одного типа shared_ptr к другому допускаются, но неявные преобразования от встроенного указателя или другого «интеллектуального» указателя не допускаются. (Явные преобразования – например, с помощью приведения типов – разрешены). Также интересно отметить, что при передаче объекта auto_ptr конструктору tr1::shared_ptr и оператору присваивания параметр указывается без модификатора const, тогда как передаваемые параметры типа tr1::shared_ptr и tr1::weak_ptr константны. Это следствие того факта, что в отличие от других классов объекты auto_ptr модифицируются при копировании (см. правило 13).

Шаблонные функции-члены – чудесная вещь, но они не отменяют основных правил языка. В правиле 5 объясняется, что две из четырех функций-членов, которые компиляторы могут генерировать автоматически, – это конструктор копирования и оператор присваивания. В классе tr1::shared_ptr объявлен обобщенный конструктор копирования, и ясно, что в случае совпадения типов T и Y конкретизация обобщенного конструктора копирования может быть сведена к созданию «обычного» конструктора копирования. Поэтому возникает вопрос, что будет делать компилятор в случае, когда один объект tr1::shared_ptr конструируется из другого объекта того же типа: генерировать обычный конструктор копирования для tr1::shared_ptr или конкретизировать обобщенный конструктор копирования из шаблона?

Как я сказал, шаблонные члены не отменяют основных правил языка, а из этих правил следует, что если конструктор копирования нужен, а вы не объявляете его, то он будет сгенерирован автоматически. Объявление в классе обобщенного конструктора копирования (шаблонного члена) не предотвращает генерацию компилятором обычного конструктора копирования. Поэтому если вы хотите полностью контролировать все аспекты конструирования путем копирования, то должны объявить как обобщенный конструктор копирования, так и обычный. То же касается присваивания. Приведем фрагмент определения класса tr1::shared_ptr, который иллюстрирует это положение: