Kurs języka C++ – wykład 13 (19.05.2014) Narzędzia programistyczne w bibliotece standardowej

Spis treści Standardowa biblioteka wzorców STL Pary i tuple Sprytne wskaźniki Ograniczenia liczbowe Minimum i maksimum Zamiana zawartości obiektów Operatory porównywania Współczynniki Pomiar czasu Funkcje lambda

STL STL (ang. Standard Template Library) to standardowa biblioteka wzorców w C++. Wszystkie składniki STL są wzorcami. STL jest rdzeniem biblioteki standardowej C++. Wszystkie identyfikatory w bibliotece standardowej C++ zdefiniowane są w przestrzeni nazw std. Zaleta STL – mnóstwo gotowych szablonów klas pozwalających programować na wyższym poziomie abstrakcji. Wada STL – brak oczywistości (koniecznie czytaj dokumentację)

STL Biblioteka STL składa się z kilku modułów: strumienie we/wy, kontenery, iteratory, algorytmy, obiekty funkcyjne, łańcuchy, wyrażenia regularne, wielowątkowość i przetwarzanie współbieżne, internacjonalizacja, klasy narzędziowe.

Pary Szablon struktury pair<> (zdefiniowany w <utility>) umożliwia potraktowanie dwóch wartości jako pojedynczego elementu. Para posiada dwa pola: first i second. Para posiada konstruktor dwuargumentowy oraz domyślny i kopiujący. Pary można porównywać (operatory == i <). Istnieje szablon funkcji make_pair() do tworzenia pary (typy danych są rozpoznawane przez kompilator po typach argumentów). Przykłady: void f (std::pair<int, const char *>); void g (std::pair<const int, std::string>); … std::pair<int, const char *> p(44,”witaj”); f(p); // wywołuje domyślny konstruktor kopiujący g(p); // wywołuje konstruktor wzorcowy g(std::make_pair(44,”witaj”)); // przekazuje dwie // wartości jako parę z wykorzystaniem konwersji // typów Pary są wykorzystywane w kontenerach map i multimap.

Pary – przykłady void f(std::pair<int, const char*>); void g(std::pair<const int, std::string>); ... std::pair<int, const char*> p(46,"hello"); f(p); // OK: // calls implicitly generated copy constructor g(p); // OK: // calls template constructor

Tuple W C++11 zdefiniowano tuple do przechowywania wielu wartości a nie tylko dwóch (szablon tuple<> jest analogią do szblony pary pair<>). Tupla posiada wiele ponumerowanych pól, do których dostęp mamy za pomocą metody get<i>. Tupla posiada konstruktor wieloargumentowy oraz domyślny i kopiujący. Tuple można porównywać za pomocą operatorów porównań (porównywanie leksykograficzne). Istnieje szablon funkcji make_tuple() do tworzenia tupli (typy danych są rozpoznawane przez kompilator po typach argumentów). Istnieje szablon funkcji tie() do tworzenia tupli z referencjami (jako argumenty podaje się zmienne). Szablon tuple_size<tupletype>::value służy do podania liczby elementów w tupli. Szablon tuple_element<idx,tupletype>::type służy do podania typu elementu o indeksie idx w tupli.

Tuple – przykłady // create a four-element tuple // - elements are initialized with default value tuple<string,int,int,complex<double>> t; // create and initialize a tuple explicitly tuple<int,float,string> t1(41,6.3,"nico"); // ‘‘iterate’’ over elements: cout << get<0>(t1) << " "; cout << get<1>(t1) << " "; cout << get<2>(t1) << " "; cout << endl;

Tuple – przykłady // create tuple with make_tuple() // - auto declares t2 with type of right-hand side auto t2 = make_tuple(22,44,"nico"); // assign second value in t2 to t1 get<1>(t1) = get<1>(t2); // comparison and assignment // - including type conversion if (t1 < t2) { // compares value for value t1 = t2; // OK, assigns value for value }

Sprytne wskaźniki Sprytne wskaźniki są zdefiniowane w pliku nagłówkowym <memory>. Sprytne wskaźniki maksymalnie naśladują zwykłe wskaźniki. Sprytne wskaźniki wspierają technikę zdobywania zasobów poprzez inicjalizację. Wskaźnik shared_pointer<> jest wskaźnikiem ze zliczaniem referencji – współdzielony wskaźnik automatycznie niszczy swoją zawartość, jeśli nie ma już współdzielonych wskaźników odnoszących się do obiektu początkowo tworzonego dla współdzielonego wskaźnika. Słaby wskaźnik weak_ptr<> jest referencją do wskaźnika shared_ptr<>, która może określać, czy wskaźnik shared_ptr<> był kasowany czy też nie – sam weak_ptr<> nie ma na celu zachowywanie się jak zwykły wskaźnik C++; po prostu jest obiektem i dostęp do faktycznego wskaźnika wymaga stworzenia obiektu shared_ptr<>. Wskaźnik unique_ptr<> jest zamiennikiem przestarzałego auto_ptr<> – ma wszystkie możliwości auto_ptr<> z wyjątkiem niebezpiecznego niejawnego przenoszenia z l-wartości; wskaźnik unique_ptr<> może być stosowany z kontenerami C++11 uwzględniającymi przenoszenie.

Ograniczenia liczbowe Typy numeryczne posiadają ograniczenia zależne od platformy i są zdefiniowane w szablonie numeric_limits<> (zdefiniowany w <limits>, stałe preprocesora są nadal dostępne w <climits> i <cfloat>). Wybrane składowe statyczne szablonu numeric_limits<>: is_signed, is_integer, is_exact, is_bounded, is_modulo, has_infinity, has_quiet_NaN, min(), max(), epsilon(). Przykłady: numeric_limits<char>::is_signed; numeric_limits<short>::is_modulo; numeric_limits<long>::max(); numeric_limits<float>::min(); numeric_limits<double>::epsilon();

Minimum i maksimum Obliczanie wartości minimalnej oraz maksymalnej: template <class T> inline const T& min (const T &a, const T &b) { return b<a ? b : a; } template <class T> inline const T& max (const T &a, const T &b) { return a<b ? b : a; } Istnieją też wersje tych szablonów z komparatorami (funkcja lub obiekt funkcyjny): template <class T, class C> inline const T& min (const T &a, const T &b, C comp) { return comp(b,a) ? b : a; } template <class T> inline const T& max (const T &a, const T &b, C comp) { return comp(a,b) ? b : a; }

Minimum i maksimum Przykład 1: bool int_ptr_less (int *p, int *q) { return *p<*q; } … int x = 33, y = 44; int *px = &x, *py = &y; int *pmax = std::max(px,py,int_ptr_less); Przykład 2: int i; long l; … l = max(i,l); // BŁĄD // niezgodne typy argumentów l = std::max<long>(i,l); // OK

Minimum i maksimum Funkcja minmax()zwraca parę elementów pair<>, gdzie pierwszy element jest minimum a drugi maksimum. Argumentem funkcji minmax()są dwa elementy albo lista elementów; ostatnim argumentem może być metoda porównująca. Przykład: bool int_ptr_less (int* a, int* b) { return *a < *b; } int x = 17, *px = &x; int y = 42, *py = &y; int z = 33, *pz = &z; ... std::pair<int*, int*> extremes = std::minmax ({px, py, pz}, int_ptr_less); // auto extremes = // std::minmax ({px, py, pz}, // [](int*a, int*b) { return *a < *b; });

Zamiana zawartości obiektów Zamiana dwóch wartości: template <typename T> inline void swap (T &a, T &b) { T tmp(a); a = b; b = tmp; } Można też zamieniać ze sobą tablice o określonej liczbie elementów: template <typename T, size_t N> void swap (T (&a)[N], T (&b)[N]) noexcept(noexcept(swap(*a, *b))); Przykład: int x = 33, y = 44; … std::swap(x,y);

Operatory porównywania Cztery funkcje szablonowe (zdefiniowane w <utility>) na podstawie operatorów == i < definiują operatory porównań !=, <=, >= i >. Funkcje te są umieszczone w przestrzeni nazw std::rel_ops. Przykład: class X { … public: bool operator== (const X &x) const throw(); bool operator< (const X &x) const throw(); … }; … void foo () { using namespace std::rel_ops; X x1, x2; … if (x1!=x2) { … } … }

Współczynniki W pliku nagłówkowym <ratio> jest zdefiniowany szablon do tworzenia współczynników. Definicja tego szablonu przypomina liczbę wymierną: template <intmax_t N, intmax_t D = 1> class ratio { public: typedef ratio<num,den> type; static constexpr intmax_t num; static constexpr intmax_t den; //… }; Licznik num i mianownik den są automatycznie redukowane do minimalnych wartości (mianownik będzie dodatni).

Współczynniki – przykłady typedef ratio<25,15> FiveThirds; cout << FiveThirds::num << "/" << FiveThirds::den << endl; // 5/3 ratio<42,42> one; cout << one.num << "/" << one.den << endl; // 1/1 ratio<0> zero; cout << zero.num << "/" << zero.den << endl; // 0/1 typedef ratio<7,-3> Neg; cout << Neg::num << "/" << Neg::den << endl; // -7/3

Współczynniki Obliczenia na współczynnikach można wykonywać w trakcie kompilacji za pomocą następujących szablonów: ratio_add, ratio_subtract, ratio_multiply i ratio_divide (operacje arytmetyczne) oraz ratio_equal, ratio_not_equal, ratio_less, ratio_less_equal, ratio_greater i ratio_greater_equal (porównania). Przykład: ratio_add<ratio<2,7>,ratio<2,6>>::type ratio_equal<ratio<5,3>,ratio<25,15>>::value Istnieje też wiele predefiniowanych jednostek ratio<>: pico, nano, micro, milli, centi, deci, deca, hecto, kilo, mega, giga, tera…

Pomiar czasu Biblioteka standardowa wprowadza narzędzia pomocne do pomiaru czasu – są one zdefiniowane w pliku nagłówkowym <chrono> w przestrzeni nazw std::chrono. Podstawowe pojęcia: punkt czasowy (ang. timepoint), przedział czasowy (ang. duration), epoka – punkt bieżący zegara (ang. epoch).

Pomiar czasu Przedział czasowy reprezentowany przez szablon std::chrono::duration<> jest liczbą określonych jednostek czasowych (mierzonych w sekundach). Przykłady: std::chrono::duration<int> twentySeconds(20); std::chrono::duration<double,std::ratio<60>> halfAMinute(0.5); std::chrono::duration<long,std::ratio<1,1000>> oneMillisecond(1); W bibliotece standardowej zdefiniowano następujące typy przedziałów czasowych: nanoseconds, microseconds, milliseconds, seconds, minutes i hours. Przykłady: std::chrono::seconds twentySeconds(20); std::chrono::hours aDay(24);

Pomiar czasu Przedziały czasowe możemy porównywać, dodawać, odejmować, mnożyć i dzielić przez współczynniki oraz inkrementować i dekrementować o określoną jednostkę. Przykład: chrono::duration<int,ratio<1,3>> d1(1); // 1/3 sekundy chrono::duration<int,ratio<1,5>> d2(1); // 1/5 sekundy d1 + d2 /* 8 jednostek z 1/15 sekundy */ d1 < d2 /* false */

Pomiar czasu Zegar definiuje epokę i długość tyknięcia zegara. W bibliotece standardowej zdefiniowane są trzy zegary: system_clock (z funkcjami to_time_t() oraz from_time_t()), steady_clock (nigdy nie korygowany) i high_resolution_clock (dokładny zegar systemowy). Bieżący czas można uzyskać za pomocą metody now(): auto system_start = chrono::system_clock::now(); Sprawdzenie czy upłynęła co najmniej minuta do startu: if (system_clock::now() > system_start + minutes(1))

Pomiar czasu Punkt czasowy jest reprezentowany przez obiekt time_point. Pomiaru czasu można dokonać za pomocą punktów czasowych: auto t = steady_clock::now(); // ... do something ... auto d = steady_clock::now()−t; Konwersja punktu czasowego do postaci kalendarzowej: std::string asString (const std::chrono::system_clock::time_point &tp) { // convert to system time: std::time_t t = std::chrono::system_clock::to_time_t(tp); std::string ts = std::ctime(&t); // convert to calendar time ts.resize(ts.size()-1); // skip trailing newline return ts; }

Funkcje lambda Programista często chciałby zdefiniować predykatowe funkcje w pobliżu wywołań takich funkcji, jak na przykład pochodzących ze standardowej biblioteki <algorithm> (szczególnie sort i find) – oczywistym rozwiązaniem jest zdefiniowanie w takim miejscu funkcji lambda (określanej też jako lambda-wyrażenie). Funkcje lambda to anonimowe obiekty funkcyjne. Główne zastosowanie funkcji lambda to ich użycie jako argumentu sterującego obliczeniami w innych funkcjach. Przykład: [](int x, int y) { return x + y; }

Funkcje lambda Funkcja lambda określa typ zwracanego wyniku za pomocą frazy -> TYP. Przykład: [](int x, int y) -> int { int z = x * x; return z + y + 1; } Jeśli ciało funkcji lambda składa się z jednej instrukcji return, to typ zwracanego wyniku będzie wydedukowany za pomocą decltype(). Przykład: [](int x, int y) // -> decltype(x*x+y+1) { return x * x + y + 1; }

Funkcje lambda …