Явна спеціалізація шаблону класу в С++ / aCode

На попередньому уроці ми говорили про те, як спеціалізувати шаблон функції, щоб при роботі з одним типом даних була одна реалізація функції, а при роботі з іншим типом даних — інша реалізація функції. Виявляється, ми можемо спеціалізувати не тільки шаблони функцій, але і шаблони класів.

Розглянемо клас-масив, який може зберігати 8 об’єктів:

template <class T>
class Repository8
{
private:
    T m_array[8];
 
public:
    void set(int index, const T &value)
    {
        m_array[index] = value;
    }
 
    const T& get(int index)
    {
        return m_array[index];
    }
};

template <class T>

class Repository8

{

private:

T m_array[8];

public:

void set(int index, const T &value)

{

m_array[index] = value;

}

const T& get(int index)

{

return m_array[index];

}

};

Оскільки це шаблон класу, то він працюватиме з будь-яким типом даних:

#include <iostream>
 
int main()
{
    // Оголошуємо цілочисельний об'єкт-масив
    Repository8<int> intRepository;
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        intRepository.set(count, count);
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        std::cout << intRepository.get(count) << '\n';
 
    // Оголошуємо об'єкт-масив типу bool
    Repository8<bool> boolRepository;
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        boolRepository.set(count, count % 5);
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        std::cout << (boolRepository.get(count) ? "true" : "false") << '\n';
 
    return 0;
}

#include <iostream>

int main()

{

// Оголошуємо цілочисельний об'єкт-масив

Repository8<int> intRepository;

for (int count=0; count<8; ++count)

intRepository.set(count, count);

for (int count=0; count<8; ++count)

std::cout << intRepository.get(count) << '\n';

// Оголошуємо об'єкт-масив типу bool

Repository8<bool> boolRepository;

for (int count=0; count<8; ++count)

boolRepository.set(count, count % 5);

for (int count=0; count<8; ++count)

std::cout << (boolRepository.get(count) ? "true" : "false") << '\n';

return 0;

}

Результат:

0 1 2 3 4 5 6 7 false true true true true false true true

Хоча все працює правильно, реалізація Repository8<bool>, насправді, не настільки ефективна, якою вона могла б бути. Оскільки всі змінні повинні мати адреси, а ЦП не може дати адресу чомусь меншому за 1 байт, то розмір всіх змінних повинен становити не менше 1 байту. Отже, кожна змінна типу bool займає цілий байт, хоча технічно їй потрібен тільки 1 біт для зберігання значення true або false! Таким чином, змінна типу bool — це 1 біт корисної інформації та 7 біт марно витраченого місця. Виходить, що наш клас Repository8<bool>, який має 8 змінних типу bool, фактично працює тільки з 1 байтом даних, а решта 7 байтів витрачаються даремно.

Вихід є: ми можемо “стиснути” 8 змінних типу bool в 1 байт, заощадивши при цьому решту 7 байтів. Однак для цього нам потрібно буде змінити реалізацію класу, замінивши масив з 8 змінних типу bool (8 байтів) на 1 змінну типу unsigned char (1 байт). Ми могли б, звичайно, використати для цього новий окремий клас, але це неефективно, і програмісту доведеться пам’ятати, що Repository8<T> працює з усіма типами даних, крім bool, а при роботі з bool слід викликати Repository8Bool (неважливо, яке ім’я буде у цього класу). Це зайва робота, яку можна уникнути, використовуючи явну спеціалізацію шаблону класу.

Спеціалізація шаблону класу

Спеціалізація шаблону класу (або «явна спеціалізація шаблону класу») дозволяє спеціалізувати шаблон класу для роботи з певним типом даних (або відразу з декількома типами даних, якщо є кілька параметрів шаблону).

Спеціалізація шаблону класу розглядається компілятором як повністю окремий і незалежний клас, хоч і виділяється як звичайний шаблон класу. Це означає, що ми можемо змінити в класі все що завгодно, включаючи його реалізацію/методи/специфікатори доступу тощо.

Розглянемо спеціалізацію шаблону класу Repository8 для роботи з типом bool:

template <>
class Repository8<bool> // спеціалізуємо шаблон класу Repository8 для роботи з типом bool
{
// Реалізація класу
private:
    unsigned char m_data;
 
public:
    Repository8() : m_data(0)
    {
    }
 
    void set(int index, bool value)
    {
        // Вибираємо оперований біт
        unsigned char mask = 1 << index;
 
        if (value) // якщо на вході у нас true, то біт потрібно "увімкнути"
            m_data |= mask; // використовуємо побітове АБО, щоб "увімкнути" біт
        else // якщо на вході у нас false, то біт потрібно "вимкнути" 
            m_data &= ~mask; // використовуємо побітове І, щоб "вимкнути" біт
	}
	
    bool get(int index)
    {
        // Вибираємо біт
        unsigned char mask = 1 << index;

        // Використовуємо побітове І для отримання значення біта, а потім виконується його неявна конвертація в тип bool
        return (m_data & mask) != 0;
    }
};

template <>

class Repository8<bool> // спеціалізуємо шаблон класу Repository8 для роботи з типом bool

{

// Реалізація класу

private:

unsigned char m_data;

public:

Repository8() : m_data(0)

{

}

void set(int index, bool value)

{

// Вибираємо оперований біт

unsigned char mask = 1 << index;

if (value) // якщо на вході у нас true, то біт потрібно "увімкнути"

m_data |= mask; // використовуємо побітове АБО, щоб "увімкнути" біт

else // якщо на вході у нас false, то біт потрібно "вимкнути"

m_data &= ~mask; // використовуємо побітове І, щоб "вимкнути" біт

}

bool get(int index)

{

// Вибираємо біт

unsigned char mask = 1 << index;

// Використовуємо побітове І для отримання значення біта, а потім виконується його неявна конвертація в тип bool

return (m_data & mask) != 0;

}

};

По-перше, починаємо з template<>. Ключове слово template повідомляє компілятору, що це шаблон, а порожні кутові дужки означають, що немає ніяких параметрів. А параметрів немає через те, що ми замінюємо єдиний параметр шаблону (T, який відповідає за тип даних) конкретним типом даних (bool). Потім ми пишемо ім’я класу і додаємо до нього <bool>, повідомляючи компілятору, що працюватимемо з типом bool.

Всі інші зміни — це просто деталі реалізації класу. Зверніть увагу, замість масиву з 8 змінних типу bool (8 байтів) ми використовуємо 1 змінну типу unsigned char (1 байт). Чому саме так? Про це читайте на уроці №48 і на уроці №49.

Тепер при оголошенні об’єкту класу Repository8<T>, де T не є bool, ми отримаємо екземпляр загального шаблону класу, тоді як при оголошенні об’єкту Repository8<bool>, ми отримаємо екземпляр шаблону Repository8<bool>. Зверніть увагу, ми не змінювали інтерфейс класу, а залишили його відкритим (яким він і був), в той час як мова C++ надає нам можливість додавати/змінювати/видаляти методи класу. Справа в тому, що зміна інтерфейсу класу в спеціалізаціях шаблону не завжди вітається, тому що програміст може про це забути, а воно, в свою чергу, призведе до помилок.

Створимо об’єкти Repository8<T> і Repository8<bool>:

int main()
{
    // Оголошуємо цілочисельний об'єкт-масив (створюється екземпляр Repository8<T>, де T = int)
    Repository8<int> intRepository;
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        intRepository.set(count, count);
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        std::cout << intRepository.get(count) << '\n';
 
    // Оголошуємо об'єкт-масив типу bool (створюється екземпляр спеціалізації Repository8<bool>)
    Repository8<bool> boolRepository;
    
    for (int count=0; count<8; ++count)
        boolRepository.set(count, count % 5);
 
    for (int count=0; count<8; ++count)
        std::cout << (boolRepository.get(count) ? "true" : "false") << '\n';
 
    return 0;
}

int main()

{

// Оголошуємо цілочисельний об'єкт-масив (створюється екземпляр Repository8<T>, де T = int)

Repository8<int> intRepository;

for (int count=0; count<8; ++count)

intRepository.set(count, count);

for (int count=0; count<8; ++count)

std::cout << intRepository.get(count) << '\n';

// Оголошуємо об'єкт-масив типу bool (створюється екземпляр спеціалізації Repository8<bool>)

Repository8<bool> boolRepository;

for (int count=0; count<8; ++count)

boolRepository.set(count, count % 5);

for (int count=0; count<8; ++count)

std::cout << (boolRepository.get(count) ? "true" : "false") << '\n';

return 0;

}

Як ви можете бачити, результат той же, що і вище, де використовувався загальний шаблон класу Repository8:

0 1 2 3 4 5 6 7 false true true true true false true true

Слід ще раз відзначити, що збереження відкритого інтерфейсу в шаблонах ваших класів разом зі спеціалізаціями, як правило, є хорошою ідеєю, оскільки це спрощує використання класів і їх логіку, хоч і не вважається строго необхідним.

Оцінити статтю: