среда, 26 января 2011 г.

Простейший пример шаблонного метапрограммирования в C++

Под метапрограммированием обычно понимают предоставление специальных средств внутри или снаружи исходного кода, которые позволяют выводить часть программы автоматически. Таким спецсредством в C++ являются шаблоны (templates). Шаблоны C++ обеспечивают особый метаязык, по своим характеристикам являющийся функциональным и понимаемый исключительно компилятором C++. С функциональными языками шаблонный метаязык сближают наличие общих подходов (сопоставление с образцом, рекурсия) и запрет переменных-состояний.
Рассмотрим следующую ситуацию. Допустим мы хотим создать класс, услуги которого базируются на сходных по назначению, но отличных в их реализации классах BaseA и BaseB. Если оба базовых класса обладают схожим интерфейсом, то логично оформить наш класс в виде шаблона:
    template  < typename  Base >
    class  Derived  : public Base
    {
    };
(Я не буду заострять внимание на содержимом классов, поэтому наш класс пустой, хотя фактически он может содержать множество полей и методов.)
Подразумевается, что вместо шаблонного аргумента Base нужно будет подставлять BaseA либо BaseB в зависимости от требований разработчика. А теперь главный вопрос: что если разработчику необходима информация о базовых классах объектов, основанных на шаблоне Derived. Как ее получить?
На вскидку я могу перечислить четыре способа:
  1. Вполне возможно, что классы BaseA и BaseB сами предоставляют информацию о своих типах. Но это не всегда так, а изменять эти классы мы не можем.
  2. Использование RTTI и dynamic_cast. Во-первых, это не всегда доступно, ведь для использования dynamic_cast необходимо, чтобы BaseA и BaseB были полиморфными, т.е. содержали виртуальные функции. Во-вторых, использование RTTI чревато потерей эффективности.
Оставшиеся два способа связаны с введением в шаблон класса Derived нового метода GetBaseClass(), предоставляющего информацию о базовом типе:
    template  < typename  Base >
    class  Derived : public Base
    {
        public:
            BaseClass  GetBaseClass( void ) const;
    };
BaseClass - это enum, перечисляющий базовые классы, а также значение Prohibited:
    enum  BaseClass
    {
        Prohibited,
        BaseClassA,
        BaseClassB
    };
Итак, оставшиеся способы:
  1. Специализация шаблона Derived для отдельных типов базового класса. К сожалению, шаблон класса Derived может содержать большое число полей и методов, его полная специализация приведет к нежелательному дублированию кода.
  2. Использование трюка, основанного на шаблонном метапрограммировании.
Четвертый способ - это и есть то, что я хотел здесь показать. Он основан на введении вспомогательного шаблона класса (или структуры) BaseClassInstance, не содержащего ничего, кроме статической константы типа BaseClass, и специализированного для разных фактических типов базовых классов:
    template  < typename >
    struct  BaseClassInstance
    {
        static const BaseClass  value = Prohibited;
    };


    template  <>
    struct  BaseClassInstance< BaseA >
    {
        static const BaseClass  value = BaseClassA;
    };


    template  <>
    struct  BaseClassInstance< BaseB >
    {
        static const BaseClass  value = BaseClassB;
    };
(В первом определении после ключевого слова typename можно было указать имя аргумента, например Base, но, поскольку оно не используется в теле шаблона, я его опустил.)
Несмотря на то, что по форме здесь перечисляются разные специализации шаблона структуры C++, по сути, если рассматривать это с точки зрения функционального программирования, здесь объявлены клозы простейшей функции, возвращающей значение типа BaseClass в зависимости от результата сопоставления с образцом (типом - шаблонным аргументом)!
Нам осталось написать тело метода GetBaseClass():
    template  < typename  Base >
    BaseClass Derived< Base >::GetBaseClass( void ) const
    {
        return BaseClassInstance< Base >::value;
    }
Теперь объекты классов, основанных на шаблоне Derived, обладают информацией о своем базовом классе. Эта информация закладывается в момент инстанцирования классов, а значит нет дополнительных нагрузок в ран-тайме, и, что не менее важно, нам не пришлось дублировать исходный код.

Комментариев нет:

Отправить комментарий