Templates e Questões de Design Programas são geralmente construídos segundo um design que é relativamente bem mapeado nos mecanismos oferecidos pela linguagem.

Apresentação em tema: "Templates e Questões de Design Programas são geralmente construídos segundo um design que é relativamente bem mapeado nos mecanismos oferecidos pela linguagem."— Transcrição da apresentação:

1 Templates e Questões de Design Programas são geralmente construídos segundo um design que é relativamente bem mapeado nos mecanismos oferecidos pela linguagem escolhida Exemplo: orientação a objetos e classes (Java, C++) Templates permitem a parametrização de tipos e constantes do código A capacidade de especialização parcial e instanciação recursiva fornece um novo poder em termos de design Programação Genérica Traits Policy Metaprogramação Expression templates

2 Polimorfismo e Templates Polimorfismo é a habilidade de se associar comportamentos específicos em uma única notação genérica Inicialmente, C++ suporta polimorfismo através dos mecanismos de herança e métodos virtuais. Nesse contexto, o ponto chave do design consiste na identificação de um conjunto de habilidades comuns entre tipos de objetos relacionados e declará-los como métodos virtuais

3 Polimorfismo e Templates Após criar objetos concretos, o código cliente pode manipulá-los através de ponteiros e referências à classe base, de forma que as funções virtuais sejam corretamente despachadas void myDraw(GeoObj const& obj) { obj.draw(); } double distance(GeoObj const& o1, GeoObj const& o2) { Coord c = o1.centerOfGravity() – o2.centerOfGravity(); return c.abs(); } void drawElements(vector const& elem) { for (unsigned int i=0; i<elems.size(); ++i} elems[i]->draw(); }

4 Polimorfismo e Templates int main() { Line l; Circle c, c1, c2; myDraw(l); myDraw(c1); distance(c1,c2); distance(l,c); vector myObjs; myObjs.push_back(&l); myObjs.push_back(&c); drawElements(myObjs); } Em tempo de compilação, não é possível saber qual versão dos métodos virtuais será usada Em tempo de execução, a função correta é chamada através do mecanismo de despacho de funções virtuais. Por isso, esse é um polimorfismo dinâmico Podem ser construídas coleções heterogêneas de objetos, uma vez que são tratados uniformemente como ponteiros ou referências à classe base

5 Polimorfismo e Templates Templates também podem ser usadas para implementar polimorfismo Comportamento comum é conseguido implicitamente, garantindo-se que diferentes objetos suportem operações segundo a mesma sintaxe (mesmo nome, mesmo parâmetros). Classes concretas são definidas independentemente

6 Polimorfismo e Templates void myDraw(GeoObj const& obj) { obj.draw(); } double distance(GeoObj const& o1, GeoObj const& o2) { Coord c = o1.centerOfGravity() – o2.centerOfGravity(); return c.abs(); } void drawElements(vector const& elem) { for (unsigned int i=0; i<elems.size();++i) elems[i]->draw(); } template void myDraw(GeoObj const& obj) { obj.draw(); } template double distance(GeoObj1 const& o1, GeoObj2 const& o2) { Coord c = o1.centerOfGravity() – o2.centerOfGravity(); return c.abs(); } template void drawElements(vector const& elem) { for (unsigned int i=0; i<elems.size(); ++i) elems[i]->draw(); }

7 Polimorfismo e Templates Polimorfismo é conseguido quando as classes concretas instanciam as funções parametrizadas int main() { Line l; Circle c, c1, c2; myDraw(l); myDraw(c1); distance(c1,c2); distance(l,c); vector myObjs; myObjs.push_back(l); drawElements(myObjs); } O tipo para qual será instanciada a função polimórfica deve ser conhecido em tempo de compilação: polimorfismo estático Não podem ser construídas coleções heterogêneas de objetos Vector : erro! Não existe a classe abstrata GeoObj

8 Polimorfismo Dinâmico X Estático Polimorfismo implementado via herança Bounded: as interfaces dos tipos participando do comportamento polimórfico são pre-determinadas pelo projecto das classes bases Dynamic: o binding das interfaces é feito em tempo de execução Coleções heterogêneas são tratadas elegantemente Código executável é potencialmente menor Código é inteiramente compilado Polimorfismo implementando via templates Unbounded: as interfaces dos tipos participando do comportamento polimórfico não são pre-determinadas Static: o binding das interfaces é feito em tempo de compilação Código gerado é potenciamente mais rápido Tipos concretos precisam implementar somente a parte usada pelo template

9 Programação Genérica Polimorfismo estático leva ao conceito de programação genérica: Generic programming is a subdiscipline of computer science that deals with finding abstract representations of efficient algorithms, data structures, and other software concepts, and their systematic organization... Generic programming focuses on representing families of concepts Contribuição mais relevante e mais representativa de programação genérica é a STL C++

10 STL - Standard Template Library STL - Descrição Geral parte do padrão C++ (aprovado em 1997/1998) extende o núcleo de C++ fornecendo um conjuto de componentes gerais A STL fornece componentes centrais para tratar: tipos String diferentes estruturas de dados classes numéricas classes para entrada/saída Algoritmos

11 Características de C++ que STL usa Templates Parâmetros que não são tipos Parâmetro default Identificador typename Membros parametrizados Tratamento de Exceções Namespaces Novos operadores de conversão Definição de main() int main() { } int main(int argc, char* argv[]) { }

12 Namespace std Todos os identificadores da C++ Standard Library são definidos no namespace std Portanto existem 3 opções para usar um identificador da STL: std::cout << 3.4 << std::endl; using std::cout; using std::endl; cout << 3.4 << endl; 3. using namespace std; cout << 3.4 << endl; Header files: sem extensão #include

13 Tratamento de Erros É heterogêneo: algumas partes checam por erros detalhadamente, gerando várias exceções, outras jogam exceções somente em erros de execução Todas as exceções jogadas pela linguagem ou pela biblioteca são derivadas da classe base exception. Estão divididas em 3 grupos: 1. Exceções para suporte da linguagem 2. Exceções para a STL 3. Exceções para erros fora do escopo do programa Estão definidas nos headers,,, e

14 Exceções exception bad _ cast bad _ alloc bad _ typeid logic_error ios_base::failure runtime_error bad_exception length_error out_of_range invalid_argument domain_error range_error overflow_error underflow_error

15 The Standard Template Library - STL STL fornece soluções para tratar de coleções de dados com algoritmos eficientes e modernos Programadores podem se beneficiar de inovações na área de estruturas de dados e algoritmos sem saber exatamente como eles funcionam É um conjunto de classes que atendem a diferentes necessidades, juntamente com diferentes algoritmos que operam sobre elas Todos os componentes da STL são parametrizados O preço que se paga pela sua flexibilidade é que não é auto-explicativa

16 Componentes da STL STL baseia-se na cooperação de componentes bem estruturados: containers, iteradores e algoritmos Containers são usados para gerenciar coleções de objetos de um certo tipo. Cada tipo de container tem suas próprias vantagens e desvantagens e portanto diferentes tipos de containers atendem a diferentes necessidades em termos de coleções Iteradores são usados para percorrer os elementos das coleções de objetos. Essas coleções podem ser containers ou parte deles. Oferecem uma interface pequena porém comum a todos os tipos de coleções (similar a ponteiros com + e *). Cada coleção provê seu próprio iterador que sabe como percorrê-la Algoritmos são usados para processar os elementos da coleção

17 Componentes da STL Conceito fundamental da STL: separar dados de operações Algoritmo iterador container iterador

18 Containers Podem ser de diferentes tipos: De maneira geral existem 2 tipos de containers: containers sequenciais: são coleções de elementos nas quais cada elemento possui uma certa posição: vector, deque e list containers associativos: são coleções nas quais a posição de cada elemento depende do seu valor segundo algum critério de ordenação: set, multiset, map e multimap string : similar a vector com elementos do tipo caracter array ordinários vector: deque: set:map: list:

19 Vectors Coleção que gerencia elementos em um array dinâmico Permite acesso aleatório Inserção de elementos no final do array é rápido, mas no meio ou começo é lento devido ao processo de realocação dos elementos #include using namespace std; int main() { vector col; for (int i=1; i<6; i++) { col.push_back(i); } for (int i=0; i<col.size(); i++) { cout << col[i] << ´ ´; } cout << endl; }

20 Deques Deque (double ended queue) : array dinâmico que pode crescer nas duas direções Inserir elementos no começo e no fim é rápido Inserir elementos no meio é lento #include using namespace std; int main() { deque col; for (int i=1; i<6; i++) { col.push_front(i*1.1); } for (int i=0; i<col.size(); i++) { cout << col[i] << ´ ´; } cout << endl; }

21 Lists Lista duplamente linkada de elementos. Cada elemento conhece seu sucessor e seu antecessor. Não permite acesso aleatório Inserção é rápida em qualquer posição #include using namespace std; int main() { list col; for (char c=´a´; c<=´z´; c+=) { col.push_back(c); } while (!col.empty()) { cout << col.front() << ´ ´; coll.pop_front(); } cout << endl; }

22 Containers associativos Mantém seus elementos ordenados automaticamente segundo algum critério. Esse critério é especificado na forma de uma função de comparação de valores Por default os containers comparam elementos ou chaves com o operador <, no entanto é possível informar sua própria função de comparação Tipicamente containers são implementados como árvores binárias. Cada elemento tem um pai e dois filhos, os filhos da esquerda são menores que o pai e os da direita maiores que o pai Serão exemplificados após a discussão sobre iteradores

23 Containeres Escolha containeres com cuidado Você necessita inserir elementos em posições arbitrárias? Você necessita manter elementos ordenados dentro do container? Você necessita que sejam compatíveis com C? Containeres contém cópias dos objetos inseridos Otimize construtores de cópias e operadores de associação de seus próprios tipos Utilize containeres de ponteiros (lembre-se de destruí-los!) Use c.empty() ao invés de c.size()==0 Entenda como um container aumenta seu tamanho dinamicamente vector vi;// são reservadas 10 posições for (int i=0; i<10; ++i) vi.push_back(i); vi.push_back(11);// são realocadas mais 10 posições! vi.reserve(11);// já são criadas 11 posições

24 Iteradores É um objeto que pode caminhar (iterar) sobre elementos Esses elementos podem ser todos, ou somente alguns elementos de um container STL Um iterador representa uma certa posição dentro do container As seguintes operações definem o comportamento de um iterador: Operador * : retorna o elemento da posição atual do iterador Operador ++ : avança o iterador para o próximo elemento Operador == e != : verifica se dois iteradores apontam para a mesma posição Operador = : associa a um iterador (a posição do elemento a que ele se refere) Todos os containers STL fornecem as funções básicas que permitem o uso de iteradores sobre seu componentes

25 Iteradores cont.begin() : retorna um iterador que representa o começo dos elementos no container. É a posição do primeiro elemento cont.end() : retorna um iterador que representa o final dos elementos de um container. É a posição atrás do último elemento (past-the-end-iterator) begin()end()

26 Iteradores #include using namespace std; int main() { list col; for (char c=´a´; c<=´z´; c+=) { col.push_back(c); } list ::const_iterator pos; // list ::iterator pos for (pos = col.begin(); pos != col.end(); ++pos) cout << *pos << ´ ´; cout << endl; }

27 Categorias de Iteradores Bidirecionais: podem andar para a frente ( ++ ) e para trás ( -- ). Podem ser encontrados em list, set, multiset, map e multimap De Acesso Aleatório: tem todas as propriedades dos bidirecionais mais o acesso aleatório. Além disso, pode-se fazer aritmética sobre eles: +, -,. Aparecem em vector, queue e string Definem as habilidades do iterador (não são classes!) Cuidado ao confiar em propriedades especiais dos iteradores ao escrever código genérico for (pos = col.begin(); pos != end(); ++pos) {... } // ok! for (pos = col.begin(); pos < end(); ++pos) {... } // nem sempre

28 Set Uma coleção onde cada elemento é ordenado de acordo com seu valor Cada elemento só pode ocorrer uma vez na coleção #include typedef sdt::set IntSet; IntSet col; col.insert(3); col.insert(1); col.insert(4); col.insert(1); col.insert(2); col.insert(5); IntSet::const_iterator pos; for (pos = col.begin(); pos != end(); ++pos) std::cout << *pos << ´ ´;

29 Set/Multiset Função de comparação typedef, less > SetAsc; typedef set > SetDesc; Multisets permitem a duplicação de valores 4 3 2 5 1 2 4 3 1 5

30 Map Maps podem servir como arrays associativos typedef map StringFloatMap; StringFloatMap col; col[PI] = 3.141516; col[NULL] = 0.0; col[VAT] = 0.15; StringFloatMap ::const_iterator pos; for (pos = col.begin(); pos != end(); ++pos) { cout first; cout second << endl; } cout << col[NULL];

31 Map/Multimap Os elementos de um map são pares to tipo (chave,valor) #include typedef sdt::map IntStringMap; IntStringMap col; col.insert(1,standard); // elementos são do tipo pair col.insert(3,library); col.insert(2,template); IntStringMap ::const_iterator pos; for (pos = col.begin(); pos != end(); ++pos) // prefix! std::cout second << ´ ´; // (*pos).second // similarmente pos->first retornaria os int Multimaps permitem entradas repetidas de uma mesma chave

32 Strings A classe string da STL permite que cadeias de caracteres possam ser tratadas como tipos normais, que podem ser copiados, atribuídos ou comparados sem preocupações quanto a memória #include string filename = teste.txt; string::size_type idx = filename.find(.); if (idx == string::npos) { filename = filename +.txt; idx = filename.size(); } string basename = filenane.substr(0,idx); string extname = filename.substr(idx+1); char* c = basename.c_str();

33 Algoritmos A STL fornece vários algoritmos padrão para o processamento dos elementos de coleções Serviços fundamentais do tipo: busca, ordenação, cópia, reordenação, modificação e processamento numérico Não são membros das classes de containers São funções globais que que operam sobre iteradores Ao invés de cada algoritmo ser implemetados para cada tipo de container, são implementados apenas uma vez Podem ser usados sobre containers definidos pelo usuário Esse conceito reduz a quantidade de código e aumenta o poder e a flexibilidade da biblioteca

34 Exemplo int main() { vector col;vector ::iterator pos; col.push_back(2); col.push_back(5); col.push_back(4); col.push_back(1); col.push_back(6); col.push_back(3); pos = min_element (col.begin(), col.end()); cout << menor valor: << *pos << endl; pos = max_element(col.begin(), col.end()); cout << maior valor: << *pos << endl; sort((col.begin(), col.end()); pos = find (col.begin(), col.end(),3); reverse(pos, col.end()); for (pos = col.begin(); pos != col.end(); ++pos) cout << *pos << ; }

35 Intervalos (ranges) Todos os algoritmos processam um ou mais intervalos de elementos O intervalo não necessariamente engloba todos os elementos do container O intervalo é definido através de seu início e fim : [início,fim) Cabe ao programador garantir que o intervalo seja válido: que o fim seja alcançável a partir do início sob pena de loops infinitos ou acessos proibidos a áreas de memória reverse(col.begin(), col.end()); posIni = find (col.begin(), col.end(),3); posFim = find (col.begin(), col.end(),6); for (pos = posIni; pos != posFim; ++pos) cout << *pos << ;

36 Intervalos Múltiplos Alguns algoritmos processam mais que um intervalo Usualmente, define-se o início e o fim do primeiro intervalo e apenas o início do segundo intervalo if (equal(col1.begin(), col1.end(), col2.begin()) {...} list col1; vector col2; for (int i=1; i<10; i+) col1.push_back(i); copy(col1.begin(), col1.end(), col2.begin(); // Erro! // col2 está vazia

37 Algoritmos Observar o que o algoritmo faz e o que se espera dos containers que manipula list col1; vector col2; for (int i=1; i<10; i+) col1.push_back(i); col2.resize(col1.size()); copy(col1.begin(), col1.end(), col2.begin()); // ok! deque col3(col1.size()); copy(col1.begin(), col1.end(), col3.begin()); // ok!

38 Algoritmos Observar que algoritmos não conhecem a priori os containers sobre os quais serão utilizados Algoritmos que modificam o intervalo do container podem ter um comportamento diferente do esperado col.push_back(2); col.push_back(1); list ::iterator newEnd = remove(col.begin(); col.end(),1); 2121 BF 2211 B FnewEnd col.erase(1);

39 STL Ler os Capítulos 16 e 17 do C++ 3rd Edition