Шаблони функцій і концепти

Узагальнення як збереження правил

Якщо обчислення середнього для int і double відрізняється лише типом елемента, копіювання функції створює два місця для виправлення однієї помилки. Шаблон дає змогу описати спільний алгоритм один раз. Проте «працює для всіх типів» не є корисною вимогою. Середнє потребує числової інтерпретації, стек потребує зберігання елементів, а пошук мінімуму потребує порядку. Спочатку визначають операції та їхню семантику, після цього записують параметри.

Шаблон не виконує пошук типу під час роботи програми. Компілятор отримує аргументи й утворює потрібні спеціалізації. Виклики для двох типів можуть мати різний машинний код; оптимізатор також може вбудувати виклик чи об’єднати однаковий код. Тому навчальна схема інстанціювання показує типізовані функції, а не гарантує три окремі блоки байтів у виконуваному файлі.

Розв’язок через void* прибирає інформацію про тип. Для читання об’єкта потрібні правильний приведений вказівник, розмір і домовленість про час життя. Це доречно в деяких низькорівневих інтерфейсах, але не покращує звичайний типобезпечний алгоритм. Віртуальний метод вирішує іншу задачу: вибирає реалізацію через базовий інтерфейс під час виконання. Шаблон не потребує спільного базового класу, зате тип конкретного виклику має бути відомий під час компіляції. Ці способи можна поєднувати в одному проєкті.

Рис. 12.1. Один шаблон і три типізовані виклики

Параметри функції та виведення типів

У template<class T> слова class і typename рівнозначні: T може позначати фундаментальний тип, а не лише клас. Оголошення параметра шаблону не створює об’єкт. Параметри звичайної функції a і b мають значення під час виконання; T задає тип цих значень ще під час перекладу.

Фрагмент нижче повертає копію більшого аргументу. Це обмежує застосування типами, для яких існують порівняння й потрібне копіювання. Посилання на локальну змінну повертати не можна. Варіант із посиланнями потребує окремого аналізу часу життя, особливо коли один з аргументів є тимчасовим об’єктом.

template<class T>
T maxOf(T a, T b)
{
    return a < b ? b : a;
}

Виклик maxOf(3, 7) виводить T = int. Для maxOf(3, 7.5) одна позиція пропонує int, друга – double; компілятор не обирає автоматично зручний спільний тип. Явний виклик maxOf<double>(3, 7.5) спочатку фіксує T, після чого звичайні перетворення аргументів дозволяють виклик. Інший дизайн – два параметри типів і явно обраний тип результату. Таку зміну потрібно обґрунтувати, бо приховане звуження може зіпсувати великі цілі значення.

За передавання за значенням верхній const не стає частиною виведеного типу. Масив у багатьох таких викликах перетворюється на вказівник. Передавання const T& може зберегти відомості про розмір масиву, але тепер функція працює з позиченим об’єктом. Сигнатура є частиною контракту, а не косметичною відмінністю між двома записами.

Скорочений шаблон C++20 auto twice(auto value) також утворює шаблон. Кожен незалежний auto у списку параметрів є окремим параметром типу. Тому void f(auto a, auto b) дозволяє різні типи, на відміну від template<class T> void f(T a, T b). Для зв’язку типів використовують іменований параметр або обмеження std::same_as.

Концепт числового типу та повний приклад

Концепт є предикатом часу компіляції над аргументами шаблону. Наш Numeric приймає цілі й дійсні фундаментальні типи. Зокрема, bool задовольняє std::integral: для статистики логічних ознак середнє може означати частку істинних значень, але для фізичних вимірювань його варто заборонити окремо. Концепт не перевіряє, чи кількість спостережень додатна; це властивість значень конкретного виклику, яку перевіряємо під час виконання.

std::span<const T> позичає неперервну послідовність і не володіє пам’яттю. Масиви в main живуть протягом виклику, тому посилання чинні. При виведенні типів перетворення масиву на span не допомагає вивести параметр усередині span<const T>; саме тому виклики нижче містять явні <int> і <double>. Ця деталь показує різницю між виведенням аргументів шаблону і звичайним перетворенням аргументів уже відомої функції.

Статистика для будь-яких чисел

Умова. Обчислити середнє двох заданих вибірок та діагностувати порожню.

#include <concepts>
#include <print>
#include <span>
#include <stdexcept>

template<class T>
concept Numeric = std::integral<T>
    || std::floating_point<T>;

template<Numeric T>
double mean(std::span<const T> values)
{
    if (values.empty())
        throw std::invalid_argument("empty sample");
    double sum = 0;
    for (T value : values)
        sum += static_cast<double>(value);
    return sum / static_cast<double>(values.size());
}

int main()
{
    const int counts[]{2, 4, 9};
    const double lengths[]{1.5, 2.0, 4.0};
    std::println("counts: {:.2f}", mean<int>(counts));
    std::println("lengths: {:.2f}", mean<double>(lengths));
    try { mean<int>({}); }
    catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::println("error: {}", e.what());
    }
}

Результат виконання:

counts: 5.00
lengths: 2.50
error: empty sample

Суму накопичуємо в double, щоб уникнути цілочислового ділення. Це навчальна політика точності: дуже великі цілі числа можуть втратити точність при перетворенні. Для фінансових значень потрібна інша політика. Обробник перехоплює саме очікувану помилку порожньої вибірки; довільні помилки не приховуються повідомленням про правильне середнє.

Перевірте вибірку з одного елемента, від’ємні числа та порожній span. Для {2, 4, 9} контрольна сума дорівнює 15, кількість – 3. Спочатку перевіряйте числовий результат, потім формат із двома десятковими знаками. Якщо замінити int на клас без числових операцій, відмова повинна виникнути на межі концепту, а не після запуску програми.