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C++隨筆之泛型編程與設(shè)計新思維(轉(zhuǎn)載)

??作者：徐景周

???永遠記住，編寫代碼的宗旨在于簡單明了，不要使用語言中的冷僻特性，耍小聰明，重要的是編寫你理解的代碼，理解你編寫的代碼，這樣你可能會做的更好。

--- Herb Sutter

??? 1998年，國際C++標(biāo)準(zhǔn)正式通過，標(biāo)準(zhǔn)化對C++最重要的貢獻是：對"強大的抽象概念"給于更有力的支持，以降低軟件的復(fù)雜度，C++提供了二種功能強大的抽象方法：面向?qū)ο缶幊膛c泛型編程。面向?qū)ο缶幊檀蠹乙欢ê苁煜ち耍@里就不再哆嗦了。提到泛型編程(Generic Programming)，有的人可能還不太熟悉，但是提到STL，你就一定會有所耳聞了。STL(Standard Template Library，標(biāo)準(zhǔn)模板庫) 其實就是泛型編程的實現(xiàn)品，STL是由Alexander Stepanov(STL之父)、David R Musser和Meng Lee三位大師共同發(fā)展，于1994年被納入C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫。STL雖然加入C++標(biāo)準(zhǔn)庫的時間相對較晚，但它卻是C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫中最具革命性的部分，同時也是C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫中最重要的組成部分。由于新的C++標(biāo)準(zhǔn)庫中幾乎每一樣?xùn)|西都是由模板(Template)構(gòu)成的，當(dāng)然，STL也不會例外。所以，在這里有必要先概要說明一下模板的有關(guān)概念。

模板概念
??? 通過使用模板可以使程序具有更好的代碼重用性。記住，模板是對源代碼進行重用，而不是通過繼承和組合重用對象代碼，當(dāng)用戶使用模板時，參數(shù)由編譯器來替換。模板由類模板和函數(shù)模板二部分組成，以所處理的數(shù)據(jù)類型的說明作為參數(shù)的類就叫類模板，而以所處理的數(shù)據(jù)類型的說明作為參數(shù)的函數(shù)叫做函數(shù)模板。模板參數(shù)可以由類型參數(shù)或非類型參數(shù)組成，類型參數(shù)可用class和typename關(guān)鍵字來指明，二者的意義相同，都表示后面的參數(shù)名代表一個潛在的內(nèi)置或用戶定義的類型，非類型參數(shù)由一個普通參數(shù)聲明構(gòu)成。下面是類模板和函數(shù)模板的簡單用法： template<class T1, int Size> class Queue // 類模板，其中T1為類型參數(shù)，Size為非類型參數(shù) { public: explicit Queue():size_(Size){}; // 顯式構(gòu)造，避免隱式轉(zhuǎn)換 …… template<class T2> void assign(T2 first,T2 last); // 內(nèi)嵌函數(shù)模板 private: T* temp_; int size_; } // 類模板中內(nèi)嵌函數(shù)模板Compare的外圍實現(xiàn)(如在Queue類外實現(xiàn)) template<class T1,int Size> template<class T2> void Queue<T1,Size>::assign (T2 first,T2 last) {}; // 模板的使用方法 int ia[4] = {0,1,2,3}; Queue<int, sizeof(ia)/sizeof(int)> qi; qi.assign(ai,ai+4);

泛型編程
??? 泛型編程和面向?qū)ο缶幊滩煌⒉灰竽阃ㄟ^額外的間接層來調(diào)用函數(shù)，它讓你編寫完全一般化并可重復(fù)使用的算法，其效率與針對某特定數(shù)據(jù)類型而設(shè)計的算法相同。泛型編程的代表作品STL是一種高效、泛型、可交互操作的軟件組件。所謂泛型(Genericity)，是指具有在多種數(shù)據(jù)類型上皆可操作的含意，與模板有些相似。STL巨大，而且可以擴充，它包含很多計算機基本算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且將算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全分離，其中算法是泛型的，不與任何特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)ο箢愋拖翟谝黄稹TL以迭代器(Iterators)和容器(Containers)為基礎(chǔ)，是一種泛型算法(Generic Algorithms)庫，容器的存在使這些算法有東西可以操作。STL包含各種泛型算法(algorithms)、泛型指針(iterators)、泛型容器(containers)以及函數(shù)對象(function objects)。STL并非只是一些有用組件的集合，它是描述軟件組件抽象需求條件的一個正規(guī)而有條理的架構(gòu)。
??? 迭代器(Iterators)是STL的核心，它們是泛型指針，是一種指向其他對象(objects)的對象，迭代器能夠遍歷由對象所形成的區(qū)間(range)。迭代器讓我們得以將容器(containers)與作用其上的算法(algorithms)分離，大多數(shù)的算法自身并不直接操作于容器上，而是操作于迭代器所形成的區(qū)間中。迭代器一般分為五種：Input Iterator、Output Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Random Access Iterator。Input Iterator就象只從輸入?yún)^(qū)間中讀取數(shù)據(jù)一樣，具有只讀性，屬于單向移動，如STL中的istream_iterator。Output Iterator剛好相反，只寫出數(shù)據(jù)到輸出區(qū)間中，具有只寫性，屬于單向移動，如STL中的ostream_iterator。Forward Iterator也屬于單向移動，但不同之處是它同時具有數(shù)據(jù)讀、寫性。Bidirections Iterator如名稱暗示，支持雙向移動，不但可以累加(++)取得下一個元素，而且可以遞減(--)取前一個元素，支持讀、寫性。Random Access Iterator功能最強，除了以上各迭代器的功能外，還支持隨機元素訪問(p+=n)，下標(biāo)(p[n])、相減(p1-p2)及前后次序關(guān)系(p1<p2)等。Input Iterator和Output Iterator屬于同等最弱的二種迭代器，F(xiàn)orward Iterator是前二者功能的強化(refinement)，Bidirections Iterator又是Forward Iterator迭代器的強化，最后Random Access Iterator又是Bidirections Iterator迭代器的強化。如下簡單示例展示Input Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Radom Access Iterator迭代器的功能（其中input_iterator_tag等帶tag字符串為各不同迭代器的專屬標(biāo)識）：
1、InputIterator template<class InputIterator, class Distance> void advance(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag) { for(; n>0; --n,++i){} // InputIterator具有++性 } 2、ForwardIterator template<class ForwardIterator, class Distance> void advance(ForwardIterator& i, Distance n,forward_iterator_tag) { advance(i, n, input_iterator_tag()); } 3、BidirectionalIterator template<class BidirectionalIterator, class Distance> void advance(BidirectionalIterator& i, Distance n, bidirectional_iterator_tag) { if(n>=0) // 具有++、--性 for(; n>0; --n,++i){} else for(; n>0; ++n,--i){} } 4、RandomAccessIterator template<class RandomAccessIterator, class Distance> void advance(RandomAccessIterator& i, Distance n, random_access_iterator_tag) { i += n; // 具有++、--、+=等性 } ??? 函數(shù)對象(Function object)也稱仿函數(shù)(Functor)，是一種能以一般函數(shù)調(diào)用語法來調(diào)用的對象，函數(shù)指針(Function pointer)是一種函數(shù)對象，所有具有operator()操作符重載的成員函數(shù)也是函數(shù)對象。函數(shù)對象一般分為無參函數(shù)(Generator)，單參函數(shù)(Unary Function)和雙參函數(shù)(Binary Function)三種形式，它們分別能以f()、f(x)和f(x,y)的形式被調(diào)用，STL定義的其他所有函數(shù)對象都是這三種概念的強化。如下簡單示例展示幾種形式的實現(xiàn)：

1、無參(Generator)形式 struct counter { typedef int result_type; counter(result_type init=0):n(init){} result_type operator() { return n++;} result_type n; } 2、單參(Unary Function)形式 template<class Number> struct even // 函數(shù)對象even，找出第一個偶數(shù) { bool operator()(Number x) const {return (x&1) == 0;} } // 使用算法find_if在區(qū)間A到A+N中找到滿足函數(shù)對象even的元素 int A[] = {1,0,3,4}; const int N=sizeof(A)/sizeof(int); find_if(A,A+N, even<int>()); 3、雙參(Binary Function)形式 struct ltstr { bool operator()(const char* s1, const char* s2) const { return strcmp(s1<s2) < 0;} }; // 使用函數(shù)對象ltstr，輸出set容器中A和B的并集 const int N=3 const char* a[N] = {"xjz","xzh","gh"}; const char* b[N]= {"jzx","zhx","abc"}; set<const char*,ltstr> A(a,a+N); set<const char*,ltstr> B(b,b+N); set_union(A.begin(),A.end(),B.begin(),B.end(), ostream_iterator<const char*>(cout," "), ltstr()); ??? 容器(container)是一種對象(object)，可以包含并管理其它的對象，并提供迭代器(iterators)用以定址其所包含之元素。根據(jù)迭代器種類的不同，容器也分為幾中，以Input Iterator為迭代器的一般container，以Forward Iterator為迭代器的Forward Container，以Bidirectional Iterator 為迭代器的Reversible Container，以Random Access Iterator為迭代器的Random Access Container。STL定義二種大小可變的容器：序列式容器(Sequence Container)和關(guān)聯(lián)式容器(Associative Container)序列式容器包括vector、list和deque，關(guān)聯(lián)式容器包括set、map、multiset和multimap。以下示例簡單說明部分容器的使用： 1、vector使用 // 將A中以元素5為分割點，分別排序，使排序后5后面的元素都大于5之前的元素(后區(qū)間不排序)， // 然后輸出 int main() { int A[] = {7,2,6,4,5,8,9,3,1}; const int N=sizeof(A)/sizeof(int); vector<int> V(A,A+N); partial_sort(V,V+5,V+N); copy(V,V+N,ostream_iterator<int>(cout," ")); cout << endl; } 輸出可能是：1 2 3 4 5 8 9 7 6 2、list使用 // 產(chǎn)生一空list，插入元素后排序，然后輸出 int main() { list<int> L1; L1.push_back(0); L1.push_front(1); L1.insert(++L1.begin,3); L1.sort(); copy(L1.begin(),L1.end(),ostream_iterator<int>(cout," ")); } 輸出：0 1 3 3、deque使用 int main() { deque<int> Q; Q.push_back(3); Q.push_front(1); Q.insert(Q.begin()+1,2); Copy(Q.begin(),Q.end(),ostream_iterator<int>(cout," ")); } 輸出：1 2 3 4、map使用 int main() { map<string,int> M; M.insert(make_pair("A",11); pair<map<string,int>::iterator, bool> p = M.insert(make_pair("C",5)); if(p.second) cout << p.first->second<<endl; } 輸出：5 5、multiset使用 int main() { const int N = 5; int a[N] = {4,1,1,3,5}; multiset<int> A(a,a+N); copy(A.begin(),A.end(),ostream_iterator<int>(cout," ")); } 輸出：1 1 3 4 5

設(shè)計新思維
??? 將設(shè)計模式(design patterns)、泛型編程(generic programming)和面向?qū)ο缶幊?object-oriented programming)有機的結(jié)合起來，便形成了設(shè)計新思維。其中，設(shè)計模式是經(jīng)過提煉的出色設(shè)計方法，對于很多情況下碰到的問題，它都是合理而可復(fù)用的解決方案；泛型編程是一種典范(paradigm)，專注于將類型抽象化，形成功能需求方面的一個精細集合，并利用這些需求來實現(xiàn)算法，相同的算法可以運用于廣泛的類型集中，所謂泛型，就是具有在多種數(shù)據(jù)類型上皆可操作的含意；最后同面象對象編程中的多態(tài)(polymorphism)和模板(templates)等技術(shù)相結(jié)合，便獲得極高層次上的具有可復(fù)用性的泛型組件。泛型組件預(yù)先實現(xiàn)了設(shè)計模塊，可以讓用戶指定類型和行為，從而形成合理的設(shè)計，主要特點是靈活、通用和易用。
??? policies和policy類，是一種重要的類設(shè)計技術(shù)，所謂policy，是用來定義一個類或類模板的接口，該接口由下列之一或全部組成：內(nèi)部類型定義、成員函數(shù)和成員變量。基于policy的類由許多小型類(稱為policies)組成，每一個這樣的小型類只負責(zé)單純?nèi)缧袨榛蚪Y(jié)構(gòu)的某一方面。Policies機制由模板和多重繼承組成，它們可以互相混合搭配，從而形成設(shè)計戎的多樣性，通過plicy類，不但可以定制行為，也可以定制結(jié)構(gòu)。

下面簡單舉例說明泛化思維和面向?qū)ο笏季S在部分設(shè)計模式中的運用。

??? Singletons設(shè)計模式泛化實現(xiàn) Singleton模式是一種保證一個對象(class)只有一個實體，并為它提供一個全局訪問點。Singleton是一種經(jīng)過改進的全局變量，既在程序中只能有唯一實體的類型，它的重點主要集中在產(chǎn)生和管理一個獨立對象上，而且不允許產(chǎn)生另一個這樣的對象。
先讓我們看看一般的C++實現(xiàn)的基本手法，下面是實現(xiàn)源碼： // Singleton.h文件中 class Singleton { public: static Singleton& Instance() { if(!pInstance_){ if(destroyed_){ // 引用是否已經(jīng)失效 OnDeadReference(); } else { Create(); // 第一次時創(chuàng)建實例 } } return *pInstance_; } private: Singleton(); // 禁止默認構(gòu)造 Singleton(const Singleton&); // 禁止拷貝構(gòu)造 Singleton& operator= (const Singleton&);　 // 禁止賦值操作 static void Create() // 傳加創(chuàng)建的實例引用 { static Singleton theInstance; pInstance_ = &theInstance; } static void OnDeadReference() { throw std::runtime_error(" 實例被不正當(dāng)消毀"); } virtual ~Singleton() { pInstance- = 0; destroyed_ = true; } static Singleton *pInstance_; static bool destroyed_; } // Singleton.cpp中靜態(tài)成員變量初始化 Singleton* Singleton::pInstance_ = 0; Bool Singleton::destroyed_ = false; ??? 如上所示，Singleton模式實現(xiàn)中只有一個public成員Instance()用來第一次使用時創(chuàng)建單一實例，當(dāng)?shù)诙问褂脮r靜態(tài)變量將已經(jīng)被設(shè)定好，不會再次創(chuàng)建實例。還將默認構(gòu)造函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值操作符放在private中，目地是不讓用戶使用它們。另外，為避免實例意外消毀后再實例化情況，加入靜態(tài)布爾變量destroy_來進行判斷是否出錯，從而達到穩(wěn)定性。
??? 從上面一般實現(xiàn)可以看出Singleton模式實現(xiàn)主要在于創(chuàng)建(Creation)方面和生存期(Lifetime)方面，既可以通過各種方法來創(chuàng)建Singleton。Creation必然能創(chuàng)建和摧毀對象，必然要開放這兩個相應(yīng)函數(shù)，將創(chuàng)建作為獨立策略分離開來是必需的，這樣你就可以創(chuàng)建多態(tài)對象了，所以泛化Singleton并不擁有Creator對象，它被放在CreationPolicy<T>類模板之中。生命期是指要遵循C++規(guī)則，后創(chuàng)建都先摧毀，負責(zé)程序生命期某一時刻摧毀Singleton對象。

下面是一個簡單的泛化Singleton模式的實現(xiàn)(不考慮線程因素) template < class T, template<class> calss CreationPolicy = CreateUsingNew, template<class> class LifetimePolicy=DefaultLifetime, > classs SingletonHolder { public: static T& Instance() { if(!pInstance_) { if(destroyed_) { LifetimePolicy<T>::OnDeadReference(); destroyed_ = false; } pInstance_ = CreationPolicy<T>::Create(); LifetimePolicy<T>::SchedultCall(&DestorySingleton); } return *pInstance_; } private: static void DestroySinleton() { assert(!destroyed_); CreationPlicy<T>::Destroy(pInstance_); pInstance_ = 0; destroyed_ = true; } SingletonHolder(); SingletonHolder (const SingletonHolder &); SingletonHolder & operator= (const SingletonHolder &);　 Static T* pInstance_; Static bool destroyed_; }; ??? Instance()是SingletonHolder開放的唯一一個public函數(shù)，它在CreationPolicy、LifetimePolicy中打造了一層外殼。其中模板參數(shù)類型T，接收類名，既需要進行Singleton的類。模板參數(shù)內(nèi)的類模板缺省參數(shù)CreateUsingNew是指通過new操作符和默認構(gòu)造函數(shù)來產(chǎn)生對象，DefaultLifetime是通過C++規(guī)則來管理生命期。LifetimePolicy<T>中有二個成員函數(shù)，ScheduleDestrution()函數(shù)接受一個函數(shù)指針，指向析構(gòu)操作的實際執(zhí)行函數(shù)，如上面DestorySingleton析構(gòu)函數(shù)；OnDeadReference()函數(shù)同上面一般C++中同名函數(shù)相同，是負責(zé)發(fā)現(xiàn)失效實例來拋出異常的。CreationPlicy<T>中的Create()和Destroy()兩函數(shù)是用來創(chuàng)建并摧毀具體對象的。

下面是上述泛化Singleton模式實現(xiàn)的使用：

1、應(yīng)用一 class A{}; typedef SingletonHolder<A, CreateUsingNew> SingleA; 2、應(yīng)用二 class A{}; class Derived : public A {}; template<class T> struct MyCreator : public CreateUsingNew<T> { static T* Create() { return new Derived; } static void Destroy(T* pInstance) { delete pInstance; } } typedef SingletonHolder<A,MyCreator> SingleA; ??? 通過上面示例可以看出， SingletonHolder采用基于plicy設(shè)計實現(xiàn)，它將Singleton對象分解為數(shù)個policies，模板參數(shù)類中CreationPolicy和LifetimePolicy相當(dāng)于二個policies封裝體。利用它們可以協(xié)助制作出使用者自定義的Singleton對象，同時還預(yù)留了調(diào)整和擴展的空間。由此而得，泛型組件(generic components)，是一種可復(fù)用的設(shè)計模板，結(jié)合了模板和模式，是C++中創(chuàng)造可擴充設(shè)計的新方法，提供了從設(shè)計到代碼的簡易過渡，幫助我們編寫清晰、靈活、高度可復(fù)用的代碼。

參考文獻

C++ Primer(第三版) --- 潘愛民等譯
Effective C++(第二版) --- 侯捷譯
More Effective C++ --- 侯捷譯
Exceptional C++ --- 卓小濤譯
More Exceptional C++ --- 於春景譯
深度探索C++對象模型 --- 侯捷譯
泛型編程與STL --- 侯捷譯
C++ STL程序員開發(fā)指南 --- 彭木根等箸
設(shè)計模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖脑?--- 李英軍等譯
C++設(shè)計新思維 --- 侯捷等譯

posted on 2007-01-04 15:07 木木頭閱讀(389) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: C++特性

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