List templates

1. List templates O objecto da classe slink next NULL slink() { next = 0; } O objecto da classe O objecto da classe slink slink next slink(slink* p) { next = p; } Vamos considerar a lista ligada (singly linked list) struct slink { slink* next; slink() { next=0; } slink(slink* p) { next=p; } };

2. Agora podemos definir a classe slist_base que pode conter os objectos de qualquer classe derivada de slink: class slist_base { slink* last; // last->next é a cabeça da lista public: void insert(slink* a); // incluir na cabeça da lista void append(slink* a); // incluir no final da lista slink* get(); // retornar e remover a cabeça void clear() { last = 0; } slist_base() { last = 0; } // o primeiro construtor slist_base(slink* a) { last = a->next = a; } // o segundo construtor class bad_last {}; // a classe de excepções friend class slist_base_iter; // a classe iterador };

3. O nome slist_base significa que a classe vai ser usada como a base para (classes de listas ligadas) singly linked list classes. Vamos considerar a implementação das funções diferentes pertencentes à classe slist_base. Elas são insert, append e get. void slist_base::insert(slink* a) { if(last) a->next = last->next; else last = a; last->next = a; }

4. next last=0 last a a a=last next next next last->next é a cabeça da lista void slist_base::insert(slink* a) { if(last) a->next = last->next; else last = a; last->next = a; } else last = a; last->next = a;

5. last0 a last last next next next next void slist_base::insert(slink* a) { if(last) a->next = last->next; else last = a; last->next = a; } a->next = last->next; last->next = a;

6. last0 next a last last next next next void slist_base::insert(slink* a) { if(last) a->next = last->next; else last = a; last->next = a; } a->next = last->next; last->next = a;

7. O objecto da classe void slist_base::insert(slink* a) slink last->next { if(last) last a->next = last->next; else slink last = a; last->next = a; } a->next a->next = last->next; O objecto da classe a slink last->next incluir na cabeça da lista last last->next = a;

8. void slist_base::append(slink* a) { if(last) { a->next = last->next; last = last->next = a; } else last = a->next = a; }

9. next last=0 a a next void slist_base::append(slink* a) { if(last) { a->next = last->next; last = last->next = a; } else last = a->next = a; } last = a->next = a; last

10. last0 last->next next a last next next next last void slist_base::append(slink* a) { if(last) { a->next = last->next; last = last->next = a; } else last = a->next = a; } { a->next = last->next; last = last->next = a; } last last->next é a cabeça da lista

11. next next next next last a last void slist_base::insert(slink* a) Cabeça void slist_base::append(slink* a) Cabeça Final

12. O objecto da classe void slist_base::append(slink* a) slink last->next { if(last) last a->next = last->next; last = last->next = a; slink else last = a->next = a; } a->next a->next = last->next; last O objecto da classe a slink last->next last = a; incluir no final da lista last last->next = a;

13. A seguinte figura mostra como as funções insert e append funcionam. a a insert a append O primeiro objecto O primeiro objecto last->next a->next = a last=a last last a last incluir na cabeça incluir no final new new last last

14. slink* slist_base::get() { if (last == 0) throw bad_last(); slink* f = last->next; if ( f == last) last = 0; else last->next = f->next; return f; }

15. slink* slist_base::get() { if (last == 0) throw bad_last(); slink* f = last->next; if ( f == last) // remover o // ultimo elemento retornar last = 0; else last->next = f->next; } return f; last f

16. Para usar a classe slist_base podemos derivar da classe slink a classe nova. Por exemplo, vamos considerar o elemento name que precisamos de incluir na lista: class name : public slink { . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . }; void f(const char* s) { slist_baseslb; slb.insert(new name(s) ); // . . . . . name* p = (name*)slb.get(); // cast explícito // . . . . . delete p; } Este estilo não é bom. Nós gostaríamos de fornecer a versão type-safe da classe slist_base:

17. template<class T> class Islist : privateslist_base { public: void insert(T* a) { slist_base::insert(a); } void append(T* a) { slist_base::append(a); } T* get() { return (T*) slist_base::get(); } }; De notar que slist_base é uma classe base privada da classe Islist. Nós não queremos permitir ao utilizador mudar a classe slist_base. Este template pode ser usado da seguinte forma: void f(const char* s) { Islist<name> ilst; ilst.insert(new name(s) ); // . . . . . name* p = ilst.get(); // . . . . . delete p; }

18. Neste caso o objecto pode ser incluído na Islist se este objecto for derivado da slink. Por isso, nós não podemos definir Islist, por exemplo, de inteiros. Vamos considerar uma lista que não requer esta restrição. template<class T> struct Tlink : public slink { T info; Tlink(const T& a) : info(a) { } A classe Tlink<T> tem a cópia do objecto do tipo T e ligação fornecida através da classe base slink. Agora podemos declarar a classe Slist.

19. template<class T> class Slist_iter; // vamos considerar esta linha // um pouco mais à frente template<class T> class Slist : private slist_base { public: void insert(const T& a) { slist_base::insert(new Tlink<T>(a) ); } void append(T& a) { slist_base::append(new Tlink<T>(a) ); } T get(); friend class Slist_iter<T>; // vamos considerar esta linha // um pouco mais à frente }; template<class T> T Slist<T>::get() { Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base::get(); T i = lnk->info; delete lnk; return i; }

20. O uso da classe Slist é tão fácil como o uso da classe Islist. A diferença é que é possível definir o objecto da classe Slist sem necessidade de o derivar da respectiva classe slink. Mas intrusive list, tais como Islist, têm a vantagem na eficiência em termos de execução e frequentemente em compacidade. Cada vez que o objecto for passado na Slist esta lista precisa de reservar o objecto do tipo Tlink e copiar o tipo. Como resultado duas coisas podem ser feitas. Primeiro, Tlink é um bom reservador de memória. Segundo, isto é boa ideia guardar objectos na “primary list” que é intrusive e usar a lista não intrusive apenas quando é necessário o membership de algumas listas. void f(name* p) { Islist<name> lst1; Slist<name*> lst2; lst1.insert(p); // ligação através do objecto ‘*p’ lst2.insert(p); // o uso do objecto separado para guardar ‘p’ }

21. Slist é uma classe boa para pequenos objectos, tais como inteiros e ponteiros. Para grandes objectos é melhor guardar ponteiros para estes objectos na lista. Iteração A classe não fornece qualquer possibilidade para olhar para dentro da lista. Mas ela declara a classe amiga (friend) slist_base_iter. Por isso, nós podemos declarar o iterador:

22. class slist_base_iter { slink* ce; // o elemento corrente slist_base* cs; // a lista corrente public: inline slist_base_iter(slist_base& s); inline slink* operator()(); }; slist_base_iter::slist_base_iter(slist_base& s) { cs = &s; ce = cs->last; } slink* slist_base_iter::operator()() // retornar 0 para indicar o final do iteração { slink* ret = ce ? (ce=ce->next) : 0; if (ce == cs->last) ce =0; return ret; } A seguinte figura explica como o construtor da classe slist_base_iter e o operador operator()() funcionam .

23. next last ce ce ce ce ce slist_base_iter::slist_base_iter(slist_base& s) { cs = &s; ce = cs->last; } slink* slist_base_iter::operator()() // retornar 0 para indicar o final do iteração { slink* ret = ce ? (ce=ce->next) : 0; if (ce == cs->last) ce =0; return ret; } CS

24. Para um dado iterador todos os iteradores para Slist e Islist podem ser construídos. Primeiro devemos declarar os iteradores como friends para as classes deles. template<class T> class Islist_iter; template<class T> class Islist : private slist_base { public: friend class Islist_iter<T>; }; template<class T> class Slist_iter; template<class T> class Slist : private slist_base { public: friend class Slist_iter<T>; }; De notar que os nomes dos iteradores foram introduzidos sem definir as suas classes template. Isto apresenta a possibilidade de usar dependências entre templates. Agora vamos definir iteradores.

25. template<class T> class Islist_iter : private slist_base_iter { public: Islist_iter(Islist<T>& s) : slist_base_iter(s) { } inline T* operator()() { return (T*) slist_base_iter::operator()(); } }; template<class T> class Slist_iter : private slist_base_iter { public: Slist_iter(Slist<T>& s) : slist_base_iter(s) { } inline T* operator()(); }; template<class T> T* Slist_iter<T>::operator()() { Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base_iter::operator()(); return lnk ? &lnk->info : 0; }

26. De notar que mais uma vez nós usamos a derivação duma família de classes (que são os templates) da classe base única. Neste caso a herança expressa comunalidade e permite eliminar a replicação do código. Os nossos iteradores podem ser usados da seguinte forma:

27. void main(void) { try { Slist<int> lst1; lst1.insert(3); lst1.insert(4); lst1.insert(5); int p = lst1.get(); cout << p << endl; p = lst1.get(); cout << p << endl; p = lst1.get(); cout << p << endl; lst1.insert(30); lst1.insert(40); lst1.insert(50); Slist_iter<int> iter1(lst1); const int* ii; while( (ii=iter1() ) != 0 ) cout << (*ii) << endl; } catch(slist_base::bad_last) { cerr << "bad last\n"; exit(1); } } Os resultados: 5 4 3 50 40 30

28. Sumário de templates 1. Os templates são uma das capacidades do C++ para a reutilização de código. 2. Existem dois tipos de template: class template e function template. É permitido usar templates para as funções globais e para as funções locais pertencentes a qualquer classe. 3. Template permite passar um ou mais tipos dentro da classe como parâmetros. O tipo pode ser ou qualquer tipo predefinido na linguagem ou qualquer tipo novo definido pelo utilizador. 4. O argumento de function template deve definir o tipo com pelo menos um argumento na função. Isto permite garantir que a própria versão da função vai ser seleccionada com a ajuda da avaliação dos tipos dos argumentos desta função. 5. Os parâmetros de template devem ser fornecidos em símbolos tais como (< >). Alguns parâmetros dentro de (< >) podem ser também símbolos < >. Para evitar ambiguidade precisamos de inserir o espaço entre os símbolos respectivos. SWAP<int,comp<int> >::swap(my_array);

29. 6. Templates permitem construir os programas que foram compostos de partes relativamente independentes. Uma parte é orientada na construção do interface e a outra - na realização de funções diferentes. Finalmente esta possibilidade dá novos meios para suportar o encapsulamento e os tipos abstractos, particularmente para separar o interface e a implementação. 7. As regras adoptadas na linguagens C/C++ para converter os tipos dos argumentos não podem ser usadas para templates. 8. Function template pode ser redefinida nas seguintes ocasiões: existem outras funções que têm o mesmo nome ou existem outras functions template que têm o mesmo nome. 9. Podemos usar as expressões constantes como argumentos de template. 10. Ao declarar os objectos de qualquer classe definidos com a ajuda de templates podemos dizer que dois objectos são objectos da mesma classe se eles tiveram o mesmo template ou todos os argumentos tiverem os mesmos valores.

30. 11. Dois tipos construídos do mesmo template são diferentes independentemente da possibilidade das conversões automáticas adoptadas na linguagem C++. 12. Os argumentos de template podem ser só expressões constantes (i.e. neste caso eles não são tipos). 13. Ao definir os argumentos de template como classes bases e derivadas nós vamos perder muitas conversões definidas na linguagem para objectos destas classes. 14. Existe uma relação entre templates e a herança. Templates permitem mostrar abstracções comuns entre tipos diferentes. A herança permite apresentar interfaces comuns para classes diferentes. 15. O uso de templates e herança dá-nos os meios para separar o interface da implementação. 16. A declaração de template só pode ser global. 17. Cada classe ou função geradas de acordo com o template têm copias únicas dos seus componentes estáticos.

31. class slist_base struct slink private public private template<class T> struct Tlink template<class T> class Slist template<class T> class Islist class slist_base_iter private private template<class T> class Islist_iter template<class T> class Slist_iter Agora vamos considerar alguns exemplos

32. struct slink { slink* next; slink() { next=0; } slink(slink* p) { next=p; } }; template<class T> struct Tlink : public slink { T info; Tlink(const T& a) : info(a) { } };

33. class slist_base { slink* last; // last->next é a cabeça da lista public: void insert(slink* a); // incluir na cabeça da lista void append(slink* a); // incluir no final da lista slink* get(); // retornar e remover a cabeça void clear() { last = 0; } slist_base() { last = 0; } // o primeiro construtor slist_base(slink* a) { last = a->next = a; } // o segundo construtor class bad_last {}; // a classe de excepções friend class slist_base_iter; // a classe iterador }; template<class T> class Slist : private slist_base { public: void insert(const T& a) { slist_base::insert(new Tlink<T>(a) ); } void append(T& a) { slist_base::append(new Tlink<T>(a) ); } T get(); friend class Slist_iter<T>; };

34. template<class T> class Islist : private slist_base { public: void insert(T* a) { slist_base::insert(a); } void append(T* a) { slist_base::append(a); } T* get() { return (T*) slist_base::get(); } friend class Islist_iter < T >; };

35. void slist_base::insert(slink* a) { if(last) a->next = last->next; else last = a; last->next = a; } void slist_base::append(slink* a) { if(last) { a->next = last->next; last = last->next = a; } else last = a->next = a; } slink* slist_base::get() { if (last == 0) throw bad_last(); slink* f = last->next; if ( f == last) last = 0; else last->next = f->next; return f; }

36. template<class T> T Slist<T>::get() { Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base::get(); T i = lnk->info; delete lnk; return i; } Forward declarations: template<class T> class Slist_iter; template<class T> class Islist_iter;

37. class slist_base_iter { slink* ce; // o elemento corrente slist_base* cs; // a lista corrente public: inline slist_base_iter(slist_base& s); inline slink* operator()(); }; template<class T> class Islist_iter : private slist_base_iter { public: Islist_iter(Islist<T>& s) : slist_base_iter(s) { } inline T* operator()() { return (T*) slist_base_iter::operator()(); } }; template<class T> class Slist_iter : private slist_base_iter { public: Slist_iter(Slist<T>& s) : slist_base_iter(s) { } inline T* operator()(); };

38. slist_base_iter::slist_base_iter(slist_base& s) { cs = &s; ce = cs->last; } slink* slist_base_iter::operator()() // retornar 0 para indicar o final do iteração { slink* ret = ce ? (ce=ce->next) : 0; if (ce == cs->last) ce =0; return ret; } template<class T> T* Slist_iter<T>::operator()() { Tlink<T>* lnk = (Tlink<T>*) slist_base_iter::operator()(); return lnk ? &lnk->info : 0; }

39. int main(int argc, char* argv[]) { slist_base sb; slink sl; sb.insert(&sl); try { Slist<int> lst1; lst1.insert(3); lst1.insert(4); lst1.insert(5); int p = lst1.get(); cout << p << endl; p = lst1.get(); cout << p << endl; p = lst1.get(); cout << p << endl; lst1.insert(30); lst1.insert(40); lst1.insert(50); Slist_iter<int> iter1(lst1); const int* ii; while( (ii=iter1() ) != 0 ) cout << (*ii) << endl; } catch(slist_base::bad_last) { cerr << "bad last\n"; exit(1); } return 0; }

40. size top counter c_l Exemplo 2 template <class T> class stack { unsigned counter; int size; T* c_l; T* top; public: T pop(); void push(T&); stack(unsigned); virtual ~stack(); int get_size() { return size; } int get_counter() { return counter; } };

41. template <class T> stack<T>::stack(unsigned tamanho) { top = c_l = new T[size = tamanho]; counter=0; } template <class T> stack<T>::~stack() { delete [] c_l; } template <class T> void stack<T>::push(T &new_s) { *top++ = new_s; counter++; } template <class T>T stack<T>::pop() { if(counter==0) { cerr<<"stack is empty\n"; return NULL; } counter--; return *--top; }

42. int main(int argc, char* argv[]) { stack<char*> pilha=10; char *ss1 = "Aveiro",*ss2 ="Ilhavo"; double a = 10.15, b = 5.45; pilha.push(ss1); pilha.push(ss2); cout << pilha.get_size() << endl; cout << pilha.get_counter() << endl; cout << pilha.pop() << endl; cout << pilha.pop() << endl; stack<double> pilha1(10); pilha1.push(a); pilha1.push(b); cout << pilha1.pop() << endl; cout << pilha1.pop() << endl; return 0; }