C. Biblioteka standardowa. Po - Nicolai M. Josuttis.mobi

Tytuł oryginału: The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference (2nd Edition) Tłumaczenie: Przemysław Szeremiota (wstęp, rozdz. 1 – 6, 9 – 13, 15 – 17, 19, dodatek A), Radosław Meryk (rozdz. 8, 14, 18), Rafał Jońca (rozdz. 7) z wykorzystaniem fragmentów książki „C++. Biblioteka standardowa. Podręcznik programisty” w tłumaczeniu Przemysława Stecia i Rafała Szpotona ISBN: 978-83-246-5579-3 Authorized translation from the English language edition, entitled: THE C++ STANDARD LIBRARY: A TUTORIAL AND REFERENCE, Second Edition; ISBN 0321623215; by Nicolai M. Josuttis; published by Pearson Education, Inc, publishing as Addison Wesley. Copyright © 2012 Pearson Education, Inc. All rights reserved. No part of this book may by reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Polish language edition published by HELION S.A. Copyright © 2014. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie bierze jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Wydawnictwo HELION nie ponosi również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: [email protected] WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Pliki z przykładami omawianymi w książce można znaleźć pod adresem: ftp://ftp.helion.pl/przyklady/cpbsp2.zip Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/cpbsp2_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland.  Poleć książkę na Facebook.com

 Księgarnia internetowa

 Kup w wersji papierowej

 Lubię to! » Nasza społeczność

 Oceń książkę

Tym, którym na sercu leży los ludzi i ludzkości

Spis treści

Przedmowa do drugiego wydania

17

Podziękowania do drugiego wydania

19

Przedmowa do pierwszego wydania

21

Podziękowania do pierwszego wydania

23

1. O książce

25

1.1. Dlaczego powstała ta książka? 1.2. Co należy wiedzieć przed przystąpieniem do lektury tej książki? 1.3. Styl i struktura książki 1.4. Jak czytać tę książkę? 1.5. Stan obecny 1.6. Przykładowy kod i dodatkowe informacje

25 26 26 30 30 30

2. Wprowadzenie do języka C++ i biblioteki standardowej

31

2.1. Historia standardów C++ 2.1.1. Typowe pytania o standard C++11 2.1.2. Zgodność pomiędzy C++11 i C++98 2.2. Złożoność algorytmów a notacja O

3. Nowe elementy języka 3.1. Nowe elementy języka C++11 3.1.1. Istotne pomniejsze porządki składniowe 3.1.2. Automatyczna dedukcja typu ze słowem auto 3.1.3. Jednolita składnia inicjalizacji i listy inicjalizacyjne 3.1.4. Pętle zakresowe 3.1.5. Semantyka przeniesienia i referencje do r-wartości 3.1.6. Nowe literały napisowe 3.1.7. Słowo noexcept 3.1.8. Słowo constexpr

31 32 34 34

37 37 37 38 39 41 43 48 49 51

6

SPIS TREŚCI

3.1.9. Nowe elementy szablonów 3.1.10. Lambdy 3.1.11. Słowo decltype 3.1.12. Nowa składnia deklaracji funkcji 3.1.13. Klasy wyliczeniowe 3.1.14. Nowe typy podstawowe 3.2. Starsze „nowości” języka C++ 3.2.1. Jawna inicjalizacja typów podstawowych 3.2.2. Definicja funkcji main()

4. Pojęcia ogólne 4.1. Przestrzeń nazw std 4.2. Pliki nagłówkowe 4.3. Obsługa błędów i wyjątków 4.3.1. Standardowe klasy wyjątków 4.3.2. Składowe klas wyjątków 4.3.3. Przekazywanie wyjątków z użyciem klasy exception_ptr 4.3.4. Zgłaszanie wyjątków standardowych 4.3.5. Tworzenie klas pochodnych standardowych klas wyjątków 4.4. Obiekty wywoływalne 4.5. Wielowątkowość i współbieżność 4.6. Alokatory

5. Narzędzia 5.1. Pary i krotki 5.1.1. Pary 5.1.2. Krotki 5.1.3. Wejście-wyjście dla krotek 5.1.4. Konwersje pomiędzy krotkami a parami 5.2. Inteligentne wskaźniki 5.2.1. Klasa shared_ptr 5.2.2. Klasa weak_ptr 5.2.3. Niepoprawne stosowanie wskaźników współdzielonych 5.2.4. Klasy wskaźników słabych i współdzielonych w szczegółach 5.2.5. Klasa unique_ptr 5.2.6. Klasa unique_ptr w szczegółach 5.2.7. Klasa auto_ptr 5.2.8. Podsumowanie inteligentnych wskaźników 5.3. Ograniczenia liczbowe 5.4. Cechy typowe i narzędzia pracy z typami 5.4.1. Przeznaczenie cech typowych 5.4.2. Cechy typowe w szczegółach 5.4.3. Ujęcia referencyjne 5.4.4. Ujęcia typów funkcyjnych 5.5. Funkcje pomocnicze 5.5.1. Obliczanie wartości minimalnej oraz maksymalnej 5.5.2. Zamiana dwóch wartości 5.5.3. Dodatkowe operatory porównania 5.6. Statyczna arytmetyka liczb wymiernych — klasa ratio<>

51 53 57 57 58 58 59 63 63

65 65 67 68 68 72 80 80 81 82 83 85

87 88 88 96 101 103 103 104 112 118 120 127 140 143 144 145 152 152 156 163 164 165 165 167 169 170

C++ BIBLIOTEKA STANDARDOWA PODRĘCZNIK PROGRAMISTY

5.7. Zegary i czasomierze 5.7.1. Przegląd biblioteki chrono 5.7.2. Okresy 5.7.3. Zegary i punkty w czasie 5.7.4. Funkcje daty i czasu języka C i standardu POSIX 5.7.5. Czasowe wstrzymywanie wykonania 5.8. Pliki nagłówkowe , oraz 5.8.1. Definicje w pliku 5.8.2. Definicje w pliku 5.8.3. Definicje w pliku

6. Standardowa biblioteka szablonów (STL) 6.1. Składniki biblioteki STL 6.2. Kontenery 6.2.1. Kontenery sekwencyjne 6.2.2. Kontenery asocjacyjne 6.2.3. Kontenery nieporządkujące 6.2.4. Tablice asocjacyjne 6.2.5. Inne kontenery 6.2.6. Adaptatory kontenerów 6.3. Iteratory 6.3.1. Inne przykłady użycia kontenerów asocjacyjnych i nieporządkujących 6.3.2. Kategorie iteratorów 6.4. Algorytmy 6.4.1. Zakresy 6.4.2. Obsługa wielu zakresów 6.5. Adaptatory iteratorów 6.5.1. Iteratory wstawiające 6.5.2. Iteratory strumieni 6.5.3. Iteratory odwrotne 6.5.4. Iteratory przenoszące 6.6. Własne uogólnione operacje na kontenerach 6.7. Algorytmy modyfikujące 6.7.1. Usuwanie elementów 6.7.2. Algorytmy modyfikujące kontenery asocjacyjne i nieporządkujące 6.7.3. Algorytmy a funkcje składowe 6.8. Funkcje jako argumenty algorytmów 6.8.1. Przykłady użycia funkcji jako argumentów algorytmów 6.8.2. Predykaty 6.9. Stosowanie lambd 6.10. Obiekty funkcyjne 6.10.1. Definicja obiektów funkcyjnych 6.10.2. Predefiniowane obiekty funkcyjne 6.10.3. Wiązanie wywołania 6.10.4. Obiekty funkcyjne i wiązanie kontra lambdy 6.11. Elementy kontenerów 6.11.1. Wymagania wobec elementów kontenerów 6.11.2. Semantyka wartości a semantyka referencji

7 174 174 176 180 189 191 192 193 193 195

197 198 199 201 210 214 219 221 222 223 228 233 234 238 242 245 245 247 249 251 251 252 253 256 258 259 259 261 263 267 267 273 274 277 278 278 279

8

SPIS TREŚCI

6.12. Obsługa błędów i wyjątków wewnątrz biblioteki STL 6.12.1. Obsługa błędów 6.12.2. Obsługa wyjątków 6.13. Rozbudowa biblioteki STL 6.13.1. Integrowanie dodatkowych typów 6.13.2. Dziedziczenie po typach STL

7. Kontenery STL 7.1. Wspólne cechy i operacje kontenerów 7.1.1. Wspólne cechy kontenerów 7.1.2. Wspólne operacje kontenerów 7.1.3. Typy kontenerów 7.2. Tablice 7.2.1. Możliwości tablic 7.2.2. Operacje dotyczące tablic 7.2.3. Używanie klas array<> jako zwykłych tablic 7.2.4. Obsługa wyjątków 7.2.5. Interfejs krotki 7.2.6. Przykłady użycia tablic 7.3. Wektory 7.3.1. Możliwości wektorów 7.3.2. Operacje na wektorach 7.3.3. Używanie wektorów jako zwykłych tablic 7.3.4. Obsługa wyjątków 7.3.5. Przykłady użycia wektorów 7.3.6. Klasa vector 7.4. Kolejki o dwóch końcach 7.4.1. Możliwości kolejek deque 7.4.2. Operacje na kolejkach deque 7.4.3. Obsługa wyjątków 7.4.4. Przykłady użycia kolejek deque 7.5. Listy 7.5.1. Możliwości list 7.5.2. Operacje na listach 7.5.3. Obsługa wyjątków 7.5.4. Przykłady użycia list 7.6. Listy jednokierunkowe 7.6.1. Możliwości list jednokierunkowych 7.6.2. Operacje na listach jednokierunkowych 7.6.3. Obsługa wyjątków 7.6.4. Przykłady użycia list jednokierunkowych 7.7. Zbiory i wielozbiory 7.7.1. Możliwości zbiorów i wielozbiorów 7.7.2. Operacje na zbiorach i wielozbiorach 7.7.3. Obsługa wyjątków 7.7.4. Przykłady użycia zbiorów i wielozbiorów 7.7.5. Przykład określania kryterium sortowania podczas wykonywania 7.8. Mapy oraz multimapy 7.8.1. Możliwości map oraz multimap 7.8.2. Operacje na mapach oraz multimapach

280 280 282 286 286 287

289 290 290 290 297 298 298 301 305 305 306 306 307 308 310 316 317 318 319 321 322 323 327 327 328 329 330 336 337 338 339 341 351 351 352 354 355 364 364 367 369 370 371

C++ BIBLIOTEKA STANDARDOWA PODRĘCZNIK PROGRAMISTY

7.8.3. Zastosowanie map jako tablic asocjacyjnych 7.8.4. Obsługa wyjątków 7.8.5. Przykłady użycia map i multimap 7.8.6. Przykład z mapami, łańcuchami oraz definiowaniem kryterium sortowania podczas wykonywania 7.9. Kontenery nieuporządkowane 7.9.1. Możliwości kontenerów nieuporządkowanych 7.9.2. Tworzenie i kontrolowanie kontenerów nieuporządkowanych 7.9.3. Inne operacje kontenerów nieuporządkowanych 7.9.4. Interfejs kubełków 7.9.5. Zastosowanie map nieuporządkowanych jako tablic asocjacyjnych 7.9.6. Obsługa wyjątków 7.9.7. Przykłady użycia kontenerów nieuporządkowanych 7.10. Inne kontenery STL 7.10.1. Łańcuchy jako kontenery STL 7.10.2. Zwykłe tablice jako kontenery STL 7.11. Implementacja semantyki referencji 7.12. Kiedy stosować poszczególne kontenery?

8. Składowe kontenerów STL 8.1. Definicje typów 8.2. Operacje tworzenia, kopiowania i niszczenia 8.3. Operacje niemodyfikujące 8.3.1. Operacje dotyczące rozmiaru 8.3.2. Operacje porównania 8.3.3. Operacje niemodyfikujące kontenerów asocjacyjnych i nieuporządkowanych 8.4. Operacje przypisania 8.5. Bezpośredni dostęp do elementów 8.6. Operacje generujące iteratory 8.7. Wstawianie i usuwanie elementów 8.7.1. Wstawianie pojedynczych elementów 8.7.2. Wstawianie wielu elementów 8.7.3. Usuwanie elementów 8.7.4. Zmiana rozmiaru 8.8. Specjalne funkcje składowe list 8.8.1. Specjalne funkcje składowe list i list forward_list 8.8.2. Specjalne funkcje składowe list forward_list 8.9. Interfejsy strategii obsługi kontenerów 8.9.1. Niemodyfikujące funkcje strategii 8.9.2. Modyfikujące funkcje strategii 8.9.3. Interfejs dostępu do kubełków kontenerów nieuporządkowanych 8.10. Obsługa alokatorów 8.10.1. Podstawowe składowe alokatorów 8.10.2. Konstruktory z opcjonalnymi parametrami alokatorów

9 382 384 384 388 391 394 397 404 411 412 413 413 421 422 423 425 428

435 435 438 442 442 443 444 446 448 450 452 452 457 459 462 462 462 466 470 470 471 473 474 474 474

10

SPIS TREŚCI

9. Iteratory STL 9.1. Pliki nagłówkowe iteratorów 9.2. Kategorie iteratorów 9.2.1. Iteratory wyjściowe 9.2.2. Iteratory wejściowe 9.2.3. Iteratory postępujące 9.2.4. Iteratory dwukierunkowe 9.2.5. Iteratory dostępu swobodnego 9.2.6. Problem z inkrementacją i dekrementacją iteratorów wektorów 9.3. Pomocnicze funkcje iteratorów 9.3.1. Funkcja advance() 9.3.2. Funkcje next() i prev() 9.3.3. Funkcja distance() 9.3.4. Funkcja iter_swap() 9.4. Adaptatory iteratorów 9.4.1. Iteratory odwrotne 9.4.2. Iteratory wstawiające 9.4.3. Iteratory strumieni 9.4.4. Iteratory przenoszące 9.5. Cechy typowe iteratorów 9.5.1. Definiowanie uogólnionych funkcji dla iteratorów 9.6. Iteratory definiowane przez użytkownika

10. Obiekty funkcyjne STL i lambdy 10.1. Pojęcie obiektów funkcyjnych 10.1.1. Obiekty funkcyjne jako kryteria sortowania 10.1.2. Obiekty funkcyjne ze stanem wewnętrznym 10.1.3. Wartość zwracana algorytmu for_each() 10.1.4. Predykaty a obiekty funkcyjne 10.2. Predefiniowane obiekty funkcyjne i obiekty wiązania wywołania 10.2.1. Predefiniowane obiekty funkcyjne 10.2.2. Adaptatory i obiekty wiązania wywołania 10.2.3. Obiekty funkcyjne definiowane przez użytkownika dla adaptatorów funkcji 10.2.4. Zarzucone adaptatory funkcji 10.3. Lambdy 10.3.1. Lambdy a wiązanie wywołania 10.3.2. Lambdy a stanowe obiekty funkcyjne 10.3.3. Lambdy z wywołaniami funkcji globalnych i składowych 10.3.4. Lambdy jako funkcje mieszające, sortujące i kryteria równoważności

11. Algorytmy STL 11.1. Pliki nagłówkowe algorytmów 11.2. Przegląd algorytmów 11.2.1. Krótkie wprowadzenie 11.2.2. Klasyfikacja algorytmów 11.3. Funkcje pomocnicze 11.4. Algorytm for_each() 11.5. Algorytmy niemodyfikujące

479 479 479 480 481 483 484 484 487 488 488 490 492 493 494 495 499 506 511 512 514 516

521 521 522 524 527 529 531 531 532 541 542 544 544 545 547 549

551 551 552 552 553 564 566 570

C++ BIBLIOTEKA STANDARDOWA PODRĘCZNIK PROGRAMISTY

11.5.1. Zliczanie elementów 11.5.2. Wartość minimalna i maksymalna 11.5.3. Wyszukiwanie elementów 11.5.4. Porównywanie zakresów 11.5.5. Predykaty zakresowe 11.6. Algorytmy modyfikujące 11.6.1. Kopiowanie elementów 11.6.2. Przenoszenie elementów między zakresami 11.6.3. Przekształcenia i kombinacje elementów 11.6.4. Wymienianie elementów 11.6.5. Przypisywanie nowych wartości 11.6.6. Zastępowanie elementów 11.7. Algorytmy usuwające 11.7.1. Usuwanie określonych wartości 11.7.2. Usuwanie powtórzeń 11.8. Algorytmy mutujące 11.8.1. Odwracanie kolejności elementów 11.8.2. Przesunięcia cykliczne elementów 11.8.3. Permutacje elementów 11.8.4. Tasowanie elementów 11.8.5. Przenoszenie elementów na początek 11.8.6. Podział na dwa podzakresy 11.9. Algorytmy sortujące 11.9.1. Sortowanie wszystkich elementów 11.9.2. Sortowanie częściowe 11.9.3. Sortowanie według n-tego elementu 11.9.4. Algorytmy stogowe 11.10. Algorytmy przeznaczone dla zakresów posortowanych 11.10.1. Wyszukiwanie elementów 11.10.2. Scalanie elementów 11.11. Algorytmy numeryczne 11.11.1. Obliczanie wartości 11.11.2. Konwersje wartości względnych i bezwzględnych

12. Kontenery specjalne 12.1. Stosy 12.1.1. Interfejs 12.1.2. Przykład użycia stosów 12.1.3. Własna klasa stosu 12.1.4. Klasa stack<> w szczegółach 12.2. Kolejki 12.2.1. Interfejs 12.2.2. Przykład użycia kolejek 12.2.3. Własna klasa kolejki 12.2.4. Klasa queue<> w szczegółach 12.3. Kolejki priorytetowe 12.3.1. Interfejs 12.3.2. Przykład użycia kolejek priorytetowych 12.3.3. Klasa priority_queue<> w szczegółach

11 570 572 574 586 593 599 600 603 605 608 610 613 615 616 619 623 623 624 627 629 631 633 634 635 637 640 642 645 646 651 659 660 663

667 668 669 669 670 673 673 675 675 676 676 676 678 678 679

12

SPIS TREŚCI

12.4. Adaptatory kontenerów w szczegółach 12.4.1. Definicje typów 12.4.2. Konstruktory 12.4.3. Konstruktory pomocnicze dla kolejki priorytetowej 12.4.4. Operacje 12.5. Kontener bitset 12.5.1. Przykłady użycia kontenerów bitset 12.5.2. Klasa bitset w szczegółach

13. Łańcuchy znakowe 13.1. Przeznaczenie klas łańcuchów znakowych 13.1.1. Przykład pierwszy: konstruowanie tymczasowej nazwy pliku 13.1.2. Przykład drugi: wyodrębnianie słów i wypisywanie ich w odwrotnej kolejności 13.2. Opis klas reprezentujących łańcuchy znakowe 13.2.1. Typy łańcuchów znakowych 13.2.2. Przegląd funkcji składowych 13.2.3. Konstruktory oraz destruktory 13.2.4. Łańcuchy znakowe zwykłe oraz języka C 13.2.5. Rozmiar oraz pojemność 13.2.6. Dostęp do elementów 13.2.7. Porównania 13.2.8. Modyfikatory 13.2.9. Konkatenacja łańcuchów znakowych oraz ich fragmentów 13.2.10. Operatory wejścia-wyjścia 13.2.11. Poszukiwanie oraz odnajdywanie łańcuchów znakowych 13.2.12. Wartość npos 13.2.13. Konwersje liczbowe 13.2.14. Obsługa iteratorów łańcuchów znakowych 13.2.15. Obsługa standardów narodowych 13.2.16. Wydajność 13.2.17. Łańcuchy znakowe a wektory 13.3. Klasa string w szczegółach 13.3.1. Definicje typu oraz wartości statyczne 13.3.2. Funkcje składowe służące do tworzenia, kopiowania oraz usuwania łańcuchów znakowych 13.3.3. Funkcje dotyczące rozmiaru oraz pojemności 13.3.4. Porównania 13.3.5. Dostęp do znaków 13.3.6. Tworzenie łańcuchów znakowych języka C oraz tablic znaków 13.3.7. Funkcje do modyfikacji zawartości łańcuchów znakowych 13.3.8. Wyszukiwanie 13.3.9. Łączenie łańcuchów znakowych 13.3.10. Funkcje wejścia-wyjścia 13.3.11. Konwersje liczbowe 13.3.12. Funkcje tworzące iteratory 13.3.13. Obsługa alokatorów

680 680 681 681 682 684 686 688

689 690 691 695 699 699 700 704 705 707 708 710 711 714 715 716 719 720 722 728 730 730 731 731 732 734 735 737 739 739 748 752 753 754 755 756

C++ BIBLIOTEKA STANDARDOWA PODRĘCZNIK PROGRAMISTY

14. Wyrażenia regularne 14.1. Interfejs dopasowywania i wyszukiwania wyrażeń regularnych 14.2. Obsługa podwyrażeń 14.3. Iteratory dopasowań 14.4. Iteratory podciągów 14.5. Zastępowanie wyrażeń regularnych 14.6. Flagi wyrażeń regularnych 14.7. Wyjątki związane z wyrażeniami regularnymi 14.8. Gramatyka wyrażeń regularnych ECMAScript 14.9. Inne gramatyki 14.10. Sygnatury podstawowych funkcji

15. Obsługa wejścia-wyjścia z wykorzystaniem klas strumieniowych 15.1. Podstawy strumieni wejścia-wyjścia 15.1.1. Obiekty strumieni 15.1.2. Klasy strumieni 15.1.3. Globalne obiekty strumieni 15.1.4. Operatory strumieniowe 15.1.5. Manipulatory 15.1.6. Prosty przykład 15.2. Podstawowe obiekty oraz klasy strumieniowe 15.2.1. Klasy oraz hierarchia klas 15.2.2. Globalne obiekty strumieni 15.2.3. Pliki nagłówkowe 15.3. Standardowe operatory strumieniowe << oraz >> 15.3.1. Operator wyjściowy << 15.3.2. Operator wejściowy >> 15.3.3. Operacje wejścia-wyjścia dla specjalnych typów 15.4. Stany strumieni 15.4.1. Stałe służące do określania stanów strumieni 15.4.2. Funkcje składowe operujące na stanie strumieni 15.4.3. Warunki wykorzystujące stan strumienia oraz wartości logiczne 15.4.4. Stan strumienia i wyjątki 15.5. Standardowe funkcje wejścia-wyjścia 15.5.1. Funkcje składowe służące do pobierania danych 15.5.2. Funkcje składowe służące do wysyłania danych 15.5.3. Przykład użycia 15.5.4. Obiekty sentry 15.6. Manipulatory 15.6.1. Przegląd dostępnych manipulatorów 15.6.2. Sposób działania manipulatorów 15.6.3. Manipulatory definiowane przez użytkownika 15.7. Formatowanie 15.7.1. Znaczniki formatu 15.7.2. Format wartości logicznych 15.7.3. Szerokość pola, znak wypełnienia oraz wyrównanie 15.7.4. Znak wartości dodatnich oraz duże litery 15.7.5. Podstawa numeryczna

13 759 759 762 768 769 771 773 777 779 781 782

785 786 786 787 787 788 788 789 790 790 794 795 796 796 798 799 802 802 803 805 808 812 813 817 818 819 820 820 822 824 825 825 827 828 831 832

14

SPIS TREŚCI

15.7.6. Notacja zapisu liczb zmiennoprzecinkowych 15.7.7. Ogólne definicje formatujące 15.8. Umiędzynarodawianie 15.9. Dostęp do plików 15.9.1. Klasy strumieni plikowych 15.9.2. Semantyka r-wartości i przeniesienia dla strumieni plikowych 15.9.3. Znaczniki pliku 15.9.4. Dostęp swobodny 15.9.5. Deskryptory plików 15.10. Klasy strumieni dla łańcuchów znakowych 15.10.1. Klasy strumieni dla łańcuchów znakowych 15.10.2. Semantyka przeniesienia dla strumieni z łańcuchów znakowych 15.10.3. Klasy strumieni dla wartości typu char* 15.11. Operatory wejścia-wyjścia dla typów zdefiniowanych przez użytkownika 15.11.1. Implementacja operatorów wyjściowych 15.11.2. Implementacja operatorów wejściowych 15.11.3. Operacje wejścia-wyjścia przy użyciu funkcji pomocniczych 15.11.4. Znaczniki formatu definiowane przez użytkownika 15.11.5. Konwencje operatorów wejścia-wyjścia definiowanych przez użytkownika 15.12. Łączenie strumieni wejściowych oraz wyjściowych 15.12.1. Luźne powiązanie przy użyciu tie() 15.12.2. Ścisłe powiązanie przy użyciu buforów strumieni 15.12.3. Przekierowywanie strumieni standardowych 15.12.4. Strumienie służące do odczytu oraz zapisu 15.13. Klasy bufora strumienia 15.13.1. Interfejsy buforów strumieni 15.13.2. Iteratory wykorzystywane z buforem strumienia 15.13.3. Bufory strumienia definiowane przez użytkownika 15.14. Kwestie wydajności 15.14.1. Synchronizacja ze standardowymi strumieniami języka C 15.14.2. Buforowanie w buforach strumieni 15.14.3. Bezpośrednie wykorzystanie buforów strumieni

16. Umiędzynarodowienie 16.1. Kodowanie znaków i zestawy znaków 16.1.1. Znaki wielobajtowe i znaki szerokiego zakresu 16.1.2. Różne zestawy znaków 16.1.3. Obsługa zestawów znaków w C++ 16.1.4. Cechy znaków 16.1.5. Umiędzynarodawianie specjalnych znaków 16.2. Pojęcie obiektów ustawień lokalnych 16.2.1. Wykorzystywanie ustawień lokalnych 16.2.2. Aspekty ustawień lokalnych 16.3. Klasa locale w szczegółach 16.4. Klasa facet w szczegółach 16.4.1. Formatowanie wartości liczbowych 16.4.2. Formatowanie wartości pieniężnych 16.4.3. Formatowanie czasu oraz daty

834 836 837 838 838 842 843 847 849 850 851 854 855 858 858 860 862 863 866 867 867 869 871 872 874 875 877 881 893 893 894 895

899 901 901 902 903 904 908 909 911 917 919 922 923 928 938

C++ BIBLIOTEKA STANDARDOWA PODRĘCZNIK PROGRAMISTY

16.4.4. Klasyfikacja oraz konwersja znaków 16.4.5. Sortowanie łańcuchów znakowych 16.4.6. Lokalizacja komunikatów

17. Komponenty numeryczne 17.1. Liczby i rozkłady losowe 17.1.1. Pierwszy przykład 17.1.2. Mechanizmy losowości 17.1.3. Mechanizmy losowości w szczegółach 17.1.4. Rozkłady 17.1.5. Dystrybucje w szczegółach 17.2. Liczby zespolone 17.2.1. complex<> w ujęciu ogólnym 17.2.2. Przykład wykorzystania klasy reprezentującej liczby zespolone 17.2.3. Funkcje operujące na liczbach zespolonych 17.2.4. Klasa complex<> w szczegółach 17.3. Globalne funkcje numeryczne 17.4. Klasa valarray

18. Współbieżność 18.1. Interfejs wysokiego poziomu: async() i futury 18.1.1. Pierwszy przykład użycia funkcji async() i futur 18.1.2. Przykład oczekiwania na dwa zadania 18.1.3. Współdzielone futury 18.2. Interfejs niskiego poziomu: wątki i promesy 18.2.1. Klasa std::thread 18.2.2. Promesy 18.2.3. Klasa packaged_task<> 18.3. Uruchamianie wątku w szczegółach 18.3.1. Funkcja async() w szczegółach 18.3.2. Futury w szczegółach 18.3.3. Futury współdzielone w szczegółach 18.3.4. Klasa std::promise w szczegółach 18.3.5. Klasa std::packaged_task w szczegółach 18.3.6. Klasa std::thread w szczegółach 18.3.7. Przestrzeń nazw this_thread 18.4. Synchronizacja wątków, czyli największy problem współbieżności 18.4.1. Uwaga na współbieżność! 18.4.2. Przyczyna problemu jednoczesnego dostępu do danych 18.4.3. Zakres problemu, czyli co może pójść źle? 18.4.4. Mechanizmy pozwalające na rozwiązanie problemów 18.5. Muteksy i blokady 18.5.1. Wykorzystywanie muteksów i blokad 18.5.2. Muteksy i blokady w szczegółach 18.5.3. Wywoływanie funkcjonalności raz dla wielu wątków 18.6. Zmienne warunkowe 18.6.1. Przeznaczenie zmiennych warunkowych 18.6.2. Pierwszy kompletny przykład wykorzystania zmiennych warunkowych

15 945 959 960

963 963 964 969 972 973 977 981 981 982 984 992 997 999

1001 1003 1003 1013 1017 1021 1021 1027 1029 1030 1031 1033 1034 1035 1036 1038 1039 1040 1041 1042 1043 1047 1049 1049 1058 1062 1063 1064 1065

16

SPIS TREŚCI

18.6.3. Wykorzystanie zmiennych warunkowych do zaimplementowania kolejki dla wielu wątków 18.6.4. Zmienne warunkowe w szczegółach 18.7. Atomowe typy danych 18.7.1. Przykład użycia atomowych typów danych 18.7.2. Atomowe typy danych i ich interfejs wysokiego poziomu w szczegółach 18.7.3. Interfejs atomowych typów danych w stylu języka C 18.7.4. Niskopoziomowy interfejs atomowych typów danych

19. Alokatory 19.1. Wykorzystywanie alokatorów przez programistów aplikacji 19.2. Alokator definiowany przez użytkownika 19.3. Wykorzystywanie alokatorów przez programistów bibliotek

Bibliografia Grupy i fora dyskusyjne Książki i strony WWW

Skorowidz

1067 1070 1072 1073 1077 1080 1081

1085 1085 1086 1088

1093 1093 1094

1099

Przedmowa do drugiego wydania

Nigdy nie sądziłem, że pierwsze wydanie tej książki będzie tak długo w sprzedaży. Ale dziś, po dwunastu latach, najwyższy czas na nowe wydanie, opisujące nowy standard języka C++ — C++11. Oznacza to więcej niż tylko spis dodatkowych bibliotek. Język C++ zmienił się mocno. Praktycznie wszystkie elementy biblioteki standardowej uległy większym albo mniejszym zmianom. I nie jest to wcale efekt radykalnej zmiany samego języka, ale skutek wielu pomniejszych zmian, takich jak wprowadzenie referencji o r-wartości i związanej z nimi semantyki przeniesienia, zakresowych pętli for, słowa auto czy rozszerzeń mechanizmów dla szablonów. Nie obeszło się więc bez przepisania (przynajmniej częściowego) prawie wszystkich przykładów kodu źródłowego. Niemniej jednak, aby nie zostawić z niczym programistów, którzy wciąż pracują w „starych” środowiskach C++, wszędzie tam gdzie to zasadne książka będzie zawierać opis różnic pomiędzy wersjami C++. Osobiście poznałem C++11 bojem: nie śledziłem toku standaryzacji, ale zacząłem przyglądać się C++11 jakieś dwa lata temu. I miałem prawdziwy kłopot ze zrozumieniem niektórych elementów. Ale uczynne osoby współtworzące komitet standaryzacyjny pomogły mi opisać i zaprezentować nowe elementy i mechanizmy języka tak, jak mają one funkcjonować w zamierzeniu. Pogłębił się też problem, który dręczył mnie w poprzednim wydaniu: mimo istotnego zwiększenia objętości (z 800 do ponad 1100 stron) wciąż nie udało się zaprezentować biblioteki standardowej C++ w całości. Część biblioteczna nowego standardu C++11 zajmuje w specyfikacji około 750 stron, a jest to tekst skondensowany, niemal pozbawiony objaśnień. Siłą rzeczy musiałem selekcjonować opisywane zagadnienia. Tu znów w podejmowaniu decyzji pomogła mi społeczność programistów C++. Modelem docelowym była książka odpowiadająca na potrzeby przeciętnego programisty. Niektóre pominięcia uzupełniłem w rozdziale uzupełniającym publikowanym w języku angielskim na stronie http://www.cppstdlib.com, ale mimo to wydanie drugie nie obejmuje całości standardu C++11.

18

PRZEDMOWA DO DRUGIEGO WYDANIA

Sztuka nauczania nie jest jednak sztuką prezentacji wszystkiego co możliwe; to sztuka oddzielania ziarna od plew i określania priorytetów, bo tylko tak można przekazać cokolwiek. Mam nadzieję, że to ćwiczenie odrobiłem na pozytywną ocenę.

Podziękowania do drugiego wydania

Książka przedstawia pomysły, koncepcje, rozwiązania i przykłady czerpane z wielu źródeł. Na przestrzeni ostatnich kilku lat społeczność C++ zaprezentowała wiele pomysłów, propozycji i rozszerzeń języka C++, które zostały uwzględnione w roku standaryzacji C++11. Chciałbym więc ponownie podziękować wszystkim, którzy wspierali mnie w przygotowywaniu drugiego wydania książki. W pierwszej kolejności podziękowania kieruję do wszystkich członków społeczności C++ i uczestników komitetu standaryzacyjnego C++. Oprócz mozolnej pracy przy definiowaniu nowych elementów języka i biblioteki standardowej byli jeszcze obarczani moimi prośbami o pomoc i wyjaśnienia, a zawsze udzielali ich nie tylko z cierpliwością, ale i z entuzjazmem. Scott Meyers i Anthony Williams udzielili mi pozwolenia na korzystanie z ich materiałów wykładowych i skryptów, w których znalazłem mnóstwo przydatnych, a jeszcze nie publikowanych przykładów. Chciałbym też podziękować wszystkim, którzy wykonywali korektę i recenzowali książkę, dając istotne wskazówki i przyczyniając się do poprawiania precyzji i jasności omówienia. Byli to Dave Abrahams, Alberto Ganesh Barbati, Pete Becker, Thomas Becker, Hans Boehm, Walter E. Brown, Paolo Carlini, Lawrence Crowl, Beman Dawes, Doug Gregor, David Grigsby, Pablo Halpern, Howard Hinnant, John Lakos, Bronek Kozicki, Dietmar Kühl, Daniel Krügler, Mat Marcus, Jens Maurer, Alisdair Meredith, Bartosz Milewski, P.J. Plauger, Tobias Schüle, Peter Sommerlad, Jonathan Wakely, Anthony Williams. Jedna z tych osób wykonała doprawdy olbrzymią pracę: kiedykolwiek zadawałem pytanie, Daniel Krügler odpowiadał niemal natychmiast, dając popis niewiarygodnej precyzji i wiedzy. A każdy członek komitetu standaryzacyjnego wie, że Daniel traktuje tak wszystkich proszących o pomoc. Bez jego udziału z pewnością ucierpiałaby jakość nie tylko tej książki, ale i samego standardu C++.

20

PODZIĘKOWANIA DO DRUGIEGO WYDANIA

Podziękowania kieruję też do wydawców: Petera Gordona, Kim Boedigheimer, Johna Fullera i Anny Popick z Addison-Wesley. Udało im się wypracować odpowiedni balans pomiędzy cierpliwością a presją. Evelyn Pyle i Diane Freed udało się przetłumaczyć mój niemiecki angielski na amerykański angielski. Dziękuję też Frankowi Mittelbachowi za pomoc w rozwiązywaniu problemów z LaTeX-em. Na koniec wielkie dzięki dla Jutty Eckstein. Jutta ma cudowną umiejętność wspierania i popychania ludzi w ich ideałach, pomysłach i celach. Inni mogą doświadczyć jej wpływu tylko przy wspólnej pracy, ja zaś mam zaszczyt korzystać z dobrodziejstw jej obecności w życiu codziennym.

Przedmowa do pierwszego wydania

Pierwotnie zamierzałem napisać jedynie niewielką książkę (około 400 stron) w języku niemieckim, poświęconą bibliotece standardowej C++. Było to w 1993 roku. Tymczasem kilka lat później książka zawiera kilkaset stron faktów, rysunków i przykładów. Moim celem było stworzenie takiego opisu biblioteki standardowej C++, który odpowiadałby na wszystkie (lub prawie wszystkie) pytania czytelnika dotyczące programowania, zanim mógłby o nich pomyśleć. Należy jednak zaznaczyć, że nie jest to pełny opis wszystkich aspektów biblioteki standardowej C++. Zamiast tego przedstawione są najistotniejsze zagadnienia niezbędne do nauki programowania w języku C++ z wykorzystaniem jego biblioteki standardowej. Każde zagadnienie rozpoczyna się od ogólnych koncepcji. Następnie dyskusja przechodzi do bardziej szczegółowych aspektów potrzebnych przy realizacji codziennych zadań programistycznych. W zrozumieniu koncepcji oraz wszystkich szczegółów pomagają zawarte charakterystyczne przykłady kodu. Mam nadzieję, że czytanie tej książki sprawi Ci tyle samo przyjemności, co mnie jej pisanie. Miłej lektury!

22

PRZEDMOWA DO PIERWSZEGO WYDANIA

Podziękowania do pierwszego wydania

W tej książce przedstawiam idee, koncepcje, rozwiązania oraz przykłady pochodzące z wielu źródeł. W pewnym sensie fakt, że na okładce widnieje tylko moje nazwisko, nie wydaje się być w porządku. Dlatego też chciałbym podziękować wszystkim osobom oraz firmom, które pomagały mi i wspierały mnie przez ostatnie kilka lat. Po pierwsze, chciałbym podziękować Dietmarowi Kühlowi. Dietmar jest ekspertem w zakresie języka C++, a w szczególności w temacie strumieni I/O oraz problemu umiędzynarodowienia (wyłącznie dla rozrywki zaimplementował on bibliotekę strumieni I/O). Nie tylko przetłumaczył zasadnicze fragmenty książki z niemieckiego na angielski, lecz również wykorzystując swoją specjalistyczną wiedzę napisał kilka jej punktów. Ponadto latami służył mi swoimi bezcennymi opiniami i sugestiami. Po drugie, chciałbym podziękować wszystkim recenzentom i wszystkim tym, od których otrzymałem ich opinię. Osoby te nadały tej książce jakość, której nigdy nie uzyskałaby ona bez ich udziału. Ponieważ lista tych osób jest bardzo obszerna, proszę mi wybaczyć, jeśli kogoś przeoczę. Recenzentami angielskiej wersji tej książki byli: Chuck Allison, Greg Comeau, James A. Crotinger, Gabriel Dos Reis, Alan Ezust, Nathan Myers, Werner Mossner, Todd Veldhuizen, Chichiang Wan, Judy Ward oraz Thomas Wikehult. Niemieckimi recenzentami byli: Ralf Boecker, Dirk Herrmann, Dietmar Kühl, Edda Lörke, Herbert Scheubner, Dominik Strasser oraz Martin Weitzel. Dodatkowy wkład wnieśli Matt Austern, Valentin Bonnard, Greg Colvin, Berman Dawes, Bill Gibbons, Lois Goldthwaite, Andrew Koenig, Steve Rumsby, Bjarne Stroustrup oraz David Vandevoorde. Szczególne podziękowania dla Dave'a Abrahamsa, Janet Cocker, Catherine Ohala oraz Maureen Willard, którzy bardzo starannie przeglądali i edytowali całą książkę. Ich uwagi wybitnie przyczyniły się do jakości tej pracy. Specjalne podziękowania należą się mojej „osobistej chodzącej encyklopedii” — Herbowi Sutterowi — autorowi słynnej pozycji „Guru of the Week” (stałej serii poświęconej problemom programowania w języku C++, która jest publikowana na internetowej liście dyskusyjnej comp.lang.c++.moderated).

24

PODZIĘKOWANIA DO PIERWSZEGO WYDANIA

Chciałbym również podziękować wszystkim osobom oraz firmom, które umożliwiły mi przetestowanie moich przykładów na różnych platformach i z różnymi kompilatorami. Podziękowania dla Steve’a Adamczyka, Mike’a Andersona oraz Johna Spicera z grupy EDG za ich wspaniały kompilator i pomoc. Stanowił on dużą pomoc podczas procesu standaryzacji oraz w trakcie pisania tej książki. Podziękowania dla P.J. Plaugera oraz firmy Dinkumware, Ltd za ich wczesną zgodną ze standardem implementację biblioteki standardowej C++. Podziękowania dla Andreasa Hommela oraz firmy Metrowerks za wersję ewaluacyjną ich środowiska programistycznego CodeWarrior. Podziękowania dla wszystkich twórców darmowych kompilatorów GNU oraz egcs. Podziękowania dla firmy Microsoft za wersję ewaluacyjną kompilatora Visual C++. Podziękowania dla Rolanda Hartingera z firmy Siemens Nixdorf Information Systems AG za wersję testową ich kompilatora języka C++. Podziękowania dla firmy Topjects GmbH za wersję ewaluacyjną implementacji biblioteki ObjectsSpace. Podziękowania dla wszystkich osób z firmy Addison Wesley Longman, które pracowały ze mną. A byli to między innymi Janet Cocker, Mike Hendrickson, Debbie Lafferly, Marina Lang, Chanda Leary, Catherine Ohala, Marty Rabinowitz, Susanne Spitzer oraz Maureen Willard. To była duża przyjemność. Chciałbym ponadto podziękować osobom z firmy BREDEX GmbH oraz wszystkim członkom społeczności programistycznej jeżyka C++, szczególnie tym, którzy uczestniczyli w procesie standaryzacji, za ich wsparcie oraz cierpliwość (czasami moje zapytania były naprawdę naiwne). I wreszcie, a może przede wszystkim, serdeczne podziękowania i ucałowania dla mojej rodziny: Ulliego, Lucasa, Anici oraz Frederica. Podczas pisania tej książki miałem dla nich zdecydowanie za mało czasu. Miłej lektury!

1

O książce

1.1. Dlaczego powstała ta książka? Wkrótce po wprowadzeniu język C++ stał się standardem w programowaniu obiektowym. Dlatego też pojawiła się konieczność standaryzacji. Tylko istnienie standardu umożliwiłoby tworzenie programów, które działałyby na różnych platformach — od komputerów typu PC po duże systemy komputerowe. Co więcej, dzięki istnieniu biblioteki standardowej programiści, zamiast konieczności tworzenia całego kodu od podstaw, mieliby możliwość korzystania z uniwersalnych składników oraz operowania na wyższym poziomie abstrakcji bez utraty przenośności kodu. W drugiej wersji standardu, określanej mianem C++11 (historia standardów języka C++ została bardziej szczegółowo opisana w podrozdziale 2.1), biblioteka standardowa została mocno rozbudowana do rozmiaru, w którym jej specyfikacja jest ponaddwukrotnie obszerniejsza od specyfikacji samego języka. Biblioteka ta pozwala na korzystanie z:  klas wejścia-wyjścia,  typów łańcuchowych i wyrażeń regularnych,  różnych struktur danych, takich jak tablice dynamiczne, listy związane, drzewa binarne oraz tablice haszowe,  różnych algorytmów, takich jak rozmaite algorytmy sortowania,  klas obsługi wielowątkowości i współbieżnego wykonania,  klas wspomagających umiędzynarodowienie oprogramowania,  klas numerycznych,  mnóstwa typów i funkcji narzędziowych. Sposób korzystania z biblioteki standardowej nie jest oczywisty i wymaga objaśnienia. Aby móc wykorzystać jej składniki i ich możliwości, nie wystarczy proste wyszczególnienie klas oraz ich funkcji — konieczne jest zapoznanie się z dobrym wprowadzeniem wyjaśniającym wszystkie istotne pojęcia i inne ważne szczegóły. W tym celu została napisana ta książka. W pierwszej kolejności przedstawiona jest sama biblioteka oraz wszystkie jej składniki z pojęciowego punktu widzenia. Następnie szczegóły niezbędne w praktyce programistycznej. Książka zawiera przykłady

26

1 O KSIĄŻCE

demonstrujące dokładny sposób korzystania z składników. Stanowi ona więc szczegółowe wprowadzenie do biblioteki C++ przydatne zarówno dla początkującego, jak i dla doświadczonego programisty. Czytelnik „uzbrojony” w przedstawione w niej informacje powinien być w stanie w pełni wykorzystać możliwości biblioteki standardowej C++. Uwaga: Autor nie obiecuje, że wszystko, co zostało tu opisane, jest proste i oczywiste. Biblioteka zapewnia sporo swobody, lecz swoboda ta w przypadku poważniejszych problemów ma swoją cenę. Czytelnik powinien mieć świadomość, że biblioteka zawiera różne pułapki. Będą one wskazywane podczas omawiania biblioteki (wskażemy także sposoby ich uniknięcia).

1.2. Co należy wiedzieć przed przystąpieniem do lektury tej książki? Do pełnego wykorzystania informacji zawartych w tej książce niezbędna jest znajomość języka C++ (książka ta opisuje bowiem standardowe składniki C++, a nie sam język). Czytelnik powinien być zatem zaznajomiony z pojęciami takimi jak: klasy, dziedziczenie, szablony, obsługa wyjątków i przestrzenie nazw. Nie musi on jednak znać wszystkich drugorzędnych szczegółów dotyczących języka. Te najważniejsze szczegóły zostały w książce opisane (bardziej szczegółowych informacji potrzebują te osoby, które same zamierzają implementować bibliotekę, a nie jedynie korzystać z niej). Warto zauważyć, że podczas procesu definiowania C++11 (podobnie jak w toku standaryzacji C++98) modyfikacjom uległ także sam język, a więc posiadana przez czytelnika wiedza mogła się zdezaktualizować. Rozdział 3. zawiera krótki przegląd oraz wprowadzenie do najnowszych możliwości języka istotnych z punktu widzenia korzystania z biblioteki standardowej języka C++11. Wiele nowych elementów biblioteki opiera się na nowościach z samego języka C++, wymienionych i pokrótce opisanych w rozdziale 3. Do tego rozdziału będę się też odnosić wszędzie tam, gdzie omówienie implementacji elementów bibliotecznych będzie odwoływało się do nowych mechanizmów języka C++.

1.3. Styl i struktura książki Biblioteka standardowa C++ zawiera różne składniki, które do pewnego stopnia, lecz nie całkowicie, są niezależne od siebie nawzajem. Nie istnieje zatem prosty sposób na opisanie każdego elementu bez wspominania o innych. Rozważałem kilka możliwości, jak przedstawić treść książki. Jedno z rozwiązań zgodne było z porządkiem występującym w standardzie języka C++. W przypadku objaśniania składników biblioteki standardowej C++ od podstaw nie jest to jednak najlepsza metoda. Inne podejście zakładało rozpoczęcie książki od przeglądu wszystkich składników, po którym w kolejnych rozdziałach przedstawiane byłyby bardziej

1 3 STYL I STRUKTURA KSIĄŻKI

27

szczegółowe informacje. Alternatywnie można było spróbować posortować składniki tak, aby ustalić taką ich kolejność, która zapewniałaby minimalną liczbę odwołań do innych punktów. Ostatecznie zdecydowałem się na rozwiązanie będące mieszanką wszystkich trzech podejść. Książka rozpoczyna się od krótkiego wprowadzenia ogólnych pojęć oraz narzędzi wykorzystywanych przez bibliotekę. Następnie opisywane są wszystkie składniki — każdy z nich w przynajmniej jednym rozdziale. Pierwszym składnikiem jest standardowa biblioteka szablonów (STL — ang. Standard Template Library). Nie ma wątpliwości, że to właśnie biblioteka STL jest najpotężniejszą, najbardziej złożoną i najciekawszą częścią biblioteki standardowej. Jej budowa ma istotny wpływ na pozostałe składniki. W następnej kolejności opisywane są składniki wymagające mniej wyjaśnień, takie jak specjalne kontenery, łańcuchy oraz wyrażenia regularne. Kolejny omawiany składnik jest już prawdopodobnie znany wielu czytelnikom i był przez nich nie raz wykorzystywany — biblioteka IOStream. Jest on omawiany wraz z zagadnieniem umiędzynarodowienia oprogramowania (ang. internationalization), które nie pozostało bez wpływu na samą bibliotekę IOStream. Jako ostatnie opisywane są te części biblioteki, które dotyczą typów i operacji liczbowych, współbieżności i alokatorów. Każdy opis składnika rozpoczyna się od jego przeznaczenia, budowy oraz kilku przykładów zastosowania. Potem następuje szczegółowy opis przedstawiający różne sposoby wykorzystania danego składnika, a także związane z nim wszelkie pułapki. Opis ten kończy zwykle blok informacyjny, w którym można znaleźć dokładną sygnaturę oraz definicję klas danego składnika oraz jego funkcji.

Spis rozdziałów Pierwsze pięć rozdziałów stanowi wprowadzenie do książki oraz ogólne zapoznanie z biblioteką standardową C++:  Rozdział 1., „O książce” W rozdziale tym przedstawiony jest temat książki i omówiona jej treść.  Rozdział 2., „Wprowadzenie do języka C++ i biblioteki standardowej” Rozdział ten przedstawia krótkie omówienie historii biblioteki standardowej C++ oraz kontekst jej standaryzacji, wprowadza też pojęcie złożoności (ang. complexity).  Rozdział 3., „Nowe elementy języka” Rozdział stanowiący przegląd nowych elementów języka, których znajomość ułatwia (albo wręcz umożliwia) zarówno lekturę dalszej części książki, jak i efektywne wykorzystanie biblioteki standardowej C++.  Rozdział 4., „Pojęcia ogólne” W tym rozdziale opisane są podstawowe pojęcia dotyczące biblioteki, które należy poznać, aby móc korzystać ze wszystkich składników biblioteki. W szczególności prezentowana jest przestrzeń nazw std, format plików nagłówkowych oraz ogólna realizacja obsługi błędów i wyjątków.

28

1 O KSIĄŻCE

 Rozdział 5., „Narzędzia” Rozdział ten prezentuje kilka drobnych narzędzi dostępnych dla użytkownika biblioteki oraz dla samej biblioteki. W szczególności opisane są klasy pair<> i tuple<>, inteligentne wskaźniki, ograniczenia typów i operacji całkowitoliczbowych, cechy typowe i narzędzia pomocnicze do pracy z typami, funkcje pomocnicze (ang. auxiliary functions), klasa ratio<>, zegary i liczniki oraz dostępne funkcje C. Rozdziały 6. — 11. zawierają opis wszystkich aspektów biblioteki STL:  Rozdział 6., „Standardowa biblioteka szablonów (STL)” Rozdział ten przedstawia szczegółowe wprowadzenie do koncepcji biblioteki STL, która udostępnia klasy kontenerowe (ang. container class) oraz algorytmy wykorzystywane do przetwarzania kolekcji danych. Krok po kroku wyjaśniane są: koncepcja, problemy oraz specjalne techniki programistyczne związane z biblioteką STL, a także role poszczególnych jej elementów.  Rozdział 7., „Kontenery STL” W tym rozdziale wyjaśniono założenia i przedstawiono możliwości klas kontenerowych biblioteki STL. W rozdziale opisywane są tablice, wektory, kolejki, listy, zbiory (ang. set) i mapy (słowniki, ang. map) oraz ich wersje bez porządkowania elementów; omówienie obejmuje wspólny zestaw możliwości kontenerów, a także różnic pomiędzy nimi, z wyszczególnieniem wad i zalet poszczególnych kontenerów w rozmaitych zastosowaniach, wraz z typowymi przykładami.  Rozdział 8., „Składowe kontenerów STL” Rozdział ten wymienia i opisuje wszystkie funkcje i typy składowe kontenerów; całość ma postać podręcznego wykazu ze skróconym objaśnieniem.  Rozdział 9., „Iteratory STL” Rozdział ten omawia poszczególne kategorie iteratorów, funkcje pomocnicze iteratorów oraz adaptery iteratorów, takie jak iteratory strumieni, iteratory wsteczne, iteratory wstawiające i iteratory przenoszące.  Rozdział 10., „Obiekty funkcyjne STL i lambdy” Rozdział ten poświęcony jest klasom obiektów funkcyjnych STL oraz anonimowym obiektom funkcyjnym, określanym mianem lambd. Omówienie obejmuje sposób stosowania obiektów funkcyjnych w zakresie definiowania zachowania kontenerów i algorytmów.  Rozdział 11., „Algorytmy STL” W tym rozdziale przedstawione są kolejno algorytmy STL. Po krótkim wprowadzeniu oraz porównaniu algorytmów szczegółowo opisywany jest każdy z nich. Każdemu opisowi algorytmu towarzyszy co najmniej jeden przykładowy program. Rozdziały 12. — 14. prezentują „proste” pojedyncze klasy biblioteki standardowej języka C++:  Rozdział 12., „Kontenery specjalne” Rozdział traktuje o adapterach kontenerów dla kolejek i stosów, zawiera też omówienie klasy bitset, która realizuje pole bitowe o dowolnej liczbie bitów lub znaczników.

1 3 STYL I STRUKTURA KSIĄŻKI

29

 Rozdział 13., „Łańcuchy znakowe” Rozdział ten prezentuje typy łańcuchowe biblioteki standardowej C++ (tak, jest ich więcej niż jeden). W standardzie łańcuchy realizowane są jako nie wymagające wyjaśnień podstawowe typy danych oferujące możliwość użycia różnych typów znaków.  Rozdział 14., „Wyrażenia regularne” Rozdział 14. opisuje interfejs wyrażeń regularnych, użyteczny w zadaniach wyszukiwania i zastępowania znaków i podciągów w łańcuchach znakowych. Rozdziały 15. — 16. dotyczą dwóch mocno powiązanych zagadnień wejścia-wyjścia i umiędzynarodowienia oprogramowania:  Rozdział 15., „Obsługa wejścia-wyjścia z wykorzystaniem klas strumieniowych” Rozdział prezentuje standaryzowaną postać powszechnie znanej biblioteki IOStream, a także przedstawia mniej znane szczegóły, które jednak okazują się potrzebne programistom, na przykład poprawny sposób definiowania i integrowania specjalnych kanałów wejścia-wyjścia.  Rozdział 16., „Umiędzynarodowienie” Rozdział ten przedstawia pojęcia oraz klasy służące do tworzenia międzynarodowych wersji programów. W szczególności opisywana jest obsługa różnych zestawów znaków, a także stosowanie różnych formatów dla wartości, takich jak liczby zmiennoprzecinkowe czy daty. Pozostałe rozdziały poświęcone są typom numerycznym, współbieżności i alokatorom:  Rozdział 17., „Komponenty numeryczne” Rozdział ten przedstawia numeryczne komponenty biblioteki standardowej C++. W szczególności omawiane są klasy implementacji generatorów pseudolosowych, klasy liczb złożonych i wybrane funkcje numeryczne języka C.  Rozdział 18., „Współbieżność” W rozdziale omówiono wprowadzone do biblioteki standardowej narzędzia i mechanizmy implementowania współbieżności i wielowątkowości.  Rozdział 19., „Alokatory” Rozdział ten poświęcony jest koncepcji różnych modeli pamięci w bibliotece standardowej C++. Książkę wieńczy bibliografia oraz indeks haseł. Ze względu na zakres materiału konieczne okazało się wydzielenie części materiału mniej istotnej dla przeciętnego programisty, ale wciąż istotnej dla kompletności omówienia do osobnego rozdziału dodatkowego publikowanego w języku angielskim na stronie http://www.cppstdlib.com. Zawarty tam materiał obejmuje:  uszczegółowienie omówienia pól bitowych z podrozdziału 12.5;  klasę valarray<>, wzmiankowaną w podrozdziale 17.4;  uszczegółowienie omówienia alokatorów z rozdziału 19.

30

1 O KSIĄŻCE

1.4. Jak czytać tę książkę? Książka ta stanowi mieszankę wprowadzającego poradnika użytkownika oraz strukturalnego leksykonu dotyczącą biblioteki standardowej C++. Poszczególne składniki biblioteki standardowej C++ są od siebie w dużej mierze niezależne, a zatem po zapoznaniu się z treścią rozdziałów 2. — 5. kolejne rozdziały prezentujące poszczególne składniki można czytać w dowolnej kolejności. Należy przy tym pamiętać, że rozdziały 6. — 11. poświęcone są temu samemu składnikowi. Aby zrozumieć inne rozdziały dotyczące biblioteki STL, należy najpierw zapoznać się z wprowadzeniem do STL w rozdziale 6. Jeśli czytelnik jest programistą języka C++, który chce ogólnie zapoznać się z koncepcjami oraz wszystkimi elementami biblioteki, może po prostu przeczytać tę książkę od deski do deski. Powinien on jednak omijać bloki informacyjne. W przypadku programowania przy użyciu określonych składników z biblioteki standardowej C++ najlepszym sposobem na znalezienie niezbędnych informacji będzie skorzystanie z indeksu. Aby zaoszczędzić czytelnikowi czas przy wyszukiwaniu potrzebnych mu informacji, dołożono starań, aby indeks ten był możliwie bogaty. Z doświadczenia autora książki wynika, że najlepszą metodą przyswajania nowej wiedzy jest analiza przykładów. Z tego względu w książce czytelnik znajdzie ich bardzo wiele. Czasem będzie to tylko kilka wierszy kodu, innym razem — całe programy. W tym drugim przypadku w pierwszym wierszu komentarza podana będzie nazwa pliku zawierającego dany program. Pliki te można pobrać z serwera FTP wydawnictwa Helion: ftp://ftp.helion.pl/przyklady/cpbsp2.zip.

1.5. Stan obecny W momencie powstawania tej książki standard języka C++11 był już ukończony. Należy jednak pamiętać, że niektóre kompilatory mogą jeszcze nie być zgodne z nowym standardem. W najbliższej przyszłości sytuacja ta najprawdopodobniej ulegnie zmianie. W rezultacie podane w książce informacje mogą nie nadawać się do wykorzystania wprost przez czytelnika. Może również zajść potrzeba modyfikacji przykładowych programów celem dostosowania ich do konkretnego środowiska.

1.6. Przykładowy kod i dodatkowe informacje Wszystkie przykładowe programy można pobrać z serwera FTP wydawnictwa Helion (ftp://ftp.helion.pl/przyklady/cpbsp2.zip). Dodatkowe informacje na temat oryginału książki oraz samej biblioteki standardowej C++ można uzyskać w witrynie WWW autora pod adresem http://www.cppstdlib.com.

2

Wprowadzenie do języka C++ i biblioteki standardowej

W tym rozdziale omawiana będzie historia i wersje języka C++; wprowadzone zostanie też pojęcie notacji O, służącej do określania złożoności obliczeniowej przekładającej się na wydajność i stabilność wydajnościową algorytmów implementowanych w bibliotece standardowej.

2.1. Historia standardów C++ Proces standaryzacji języka C++ został zapoczątkowany w 1989 roku przez międzynarodową organizację standaryzacyjną ISO, składającą się z narodowych organizacji standaryzacyjnych takich jak ANSI (narodowa organizacja standaryzacyjna Stanów Zjednoczonych Ameryki). Jak na razie wysiłki podejmowane w ramach standaryzacji zaowocowały czterema specyfikacjami, które mniej więcej odpowiadają standardom języka C++ implementowanym na najróżniejszych architekturach sprzętowych i programowych przez producentów oprogramowania na całym świecie: 1. C++98, przyjęty w roku 1998, to pierwszy historycznie standard C++. Dokument ten nosi tytuł „Information Technology — Programming Languages — C++” (nr dokumentu ISO/IEC 14882:1998). 2. C++03, tak zwana rewizja techniczna (TC, od technical corrigendum), spisuje pomniejsze poprawki do standardu C++98. Numer dokumentu standardu to ISO/IEC 14882:2003. Tak więc zarówno C++98, jak i C++03 składają się na „pierwszy standard C++”. 3. TR1, spisujący rozszerzenia pierwszego standardu. Oficjalny tytuł dokumentu to „Information Technology — Programming Languages — Technical Report on C++ Library Extensions”, a numer dokumentu to ISO/IEC TR 19768:2007. Spisane tu rozszerzenia zostały ujęte w przestrzeni nazw std::tr1. 4. C++11, zaakceptowany w roku 2011, drugie pełne wydanie standardu C++. C++11 obejmuje znaczące ulepszenia nie tylko samego języka, ale i biblioteki standardowej, z uwzględnieniem również TR1 (rozszerzenia TR1 zostały wcielone

32

2 WPROWADZENIE DO JĘZYKA C++ I BIBLIOTEKI STANDARDOWEJ

do głównej przestrzeni nazw std). Oficjalny tytuł dokumentu to ponownie „Information Technology — Programming Languages — C++”, ale numer jest zupełnie nowy: ISO/IEC 14882:2011. Niniejsza książka opisuje standard C++11, wcześniej przez kilka lat znany pod roboczą nazwą C++0x, co sugeruje, że spodziewano się ostatecznego ustalenia nowego standardu przed rokiem 20091. C++11 i C++0x są więc równoważnymi oznaczeniami nowego standardu. Niemniej jednak w książce stosowany będzie konsekwentnie termin C++11. Ponieważ niektóre platformy i środowiska wciąż nie w pełni wspierają wszystkie mechanizmy C++11 (zarówno z rdzenia języka, jak i biblioteki), przy cechach i zachowaniach obecnych wyłącznie w C++11 będą stosowane jawne oznaczenia dostępności.

2.1.1. Typowe pytania o standard C++11 Gdzie można zapoznać się ze standardem? Najnowszy darmowo publikowany szkic standardu C++11 jest dostępny jako dokument N3242 (patrz [C++Std2011Draft]). Powinien on być zgodny z finalną wersją standardu w stopniu wystarczającym większości użytkowników i programistów; dla tych, którzy koniecznie muszą korzystać z faktycznej litery standardu, pozostaje droga odpłatnego zakupu wydania standardu w ISO albo w narodowej organizacji standaryzacyjnej.

Czemu standaryzacja trwała tak długo? Można się zastanawiać, co takiego w nowym (ale i w poprzednim) standardzie wymagało dziesięciu (i więcej) lat pracy i dlaczego mimo takiego wysiłku standard wciąż nie jest doskonały. Trzeba jednak zauważyć, że standard to efekt uzgodnienia ulepszeń i rozszerzeń proponowanych przez wiele osób i firm; każda z propozycji wymaga omówienia, implementacji i testu implementacji, a potem rozwiązania wszelkich problemów na styku (albo przecięciu) danej propozycji z innymi. Przy czym nikt nie pracuje jako pełnoetatowy pracownik komitetu standaryzacyjnego C++. Opracowany standard nie jest produktem firmy o ogromnym budżecie i mnóstwem czasu. Osobom zaangażowanym w opracowywanie standardów organizacje standaryzacyjne płacą niewiele lub zgoła nic. A zatem, jeśli taki uczestnik nie pracuje dla firmy żywotnie zainteresowanej danym standardem, wówczas całą swoją pracę wykonuje dla przyjemności. Całe szczęście, że znalazło się wiele zaangażowanych osób, które miały na to dość czasu i pieniędzy. 1

Złośliwi twierdzą, że oczekiwanie zostało spełnione, tylko w miejsce x trzeba podstawić szesnastkowe b.

2 1 HISTORIA STANDARDÓW C++

33

Regularnie trzy razy do roku organizowano tygodniowe spotkania od 50 do 100 osób, mające na celu omówienie i dokonanie uzgodnień kwestii omawianych przez całą resztę roku drogą poczty elektronicznej. Trudno oczekiwać, że wynik uzgodnień tak licznej rzeszy zainteresowanych będzie doskonały albo chociaż w pełni spójny. Chodzi raczej o wypracowanie zdatnego do stosowania kompromisu (nic nie jest doskonałe). Pierwszy standard w mniej więcej 50% składał się ze specyfikacji biblioteki standardowej; w C++11 udział biblioteki standardowej w specyfikacji wzrósł do 65% (liczba stron standardu dotyczących biblioteki wzrosła z 350 do 750 stron). Warto pamiętać, że standard miał wiele źródeł: prawo zgłaszania propozycji rozszerzeń i nowych elementów miały wszystkie zainteresowane firmy i wręcz pojedyncze zainteresowane osoby. Akceptacja propozycji musiała być jednak powszechna. Zasadniczo mało co zaprojektowano od zera2. Tak więc uzyskany rezultat nie jest zbyt jednolity. Dla różnych składników mamy bowiem różne założenia projektowe. Dobrym przykładem jest tu różnica pomiędzy klasą łańcuchową a biblioteką STL, która stanowi szkielet dla struktur danych i algorytmów:  Klasy łańcuchowe zaprojektowane zostały jako komponenty bezpieczne i wygodne. Z tego względu zapewniają one przejrzysty interfejs, który niemal nie wymaga objaśnienia, a także przeprowadzają kontrolę błędów w interfejsie.  Biblioteka STL zaprojektowana została w celu połączenia różnych struktur danych i różnych algorytmów przy zapewnieniu najlepszej wydajności. Tak więc biblioteka STL nie jest zbyt wygodna w użyciu, oraz nie sprawdza ona wystąpienia wielu błędów logicznych. Aby skorzystać z pełnych możliwości i dużej wydajności biblioteki STL, trzeba znać jej koncepcje i starannie je stosować. Obydwa powyższe składniki wchodzą w skład tej samej biblioteki. Zostały one nieco do siebie dopasowane, niemniej jednak każdy z nich pozostał zgodny ze swoją odrębną, fundamentalną filozofią projektową. Innym celem C++11 było uproszczenie specyfikacji. Z tego powodu znaczna ilość zaakceptowanych propozycji dotyczy rozwiązań problemów, niespójności i innych wad, które wynikły z praktycznego stosowania poprzedniej wersji standardu. Ujednolicono na przykład sposób inicjalizowania wartości i obiektów; mniej lub bardziej udana klasa automatycznego wskaźnika auto_ptr została zastąpiona po wielokroć lepszymi klasami wskaźnikowymi, przetestowanymi wcześniej w bibliotece Boost, szanowanym (dzięki starannej weryfikacji zawartości) repozytorium przenośnych bibliotek C++ (patrz [Boost]); Boost jest zresztą sprawdzonym poligonem doświadczalnym nowych elementów i rozwiązań przed włączeniem ich do standardu albo rewizji technicznej.

2

Czytelnik może się zastanawiać, dlaczego w ramach procesu standaryzacji nie zaprojektowano nowej biblioteki od podstaw. Głównym celem standaryzacji nie jest wynalezienie czy opracowanie czegoś nowego, lecz uzgodnienie istniejących praktyk.

34

2 WPROWADZENIE DO JĘZYKA C++ I BIBLIOTEKI STANDARDOWEJ

Czy to już ostatni standard C++? C++11 bynajmniej nie jest ostatnim słowem o C++. Pojawiły się już zgłoszenia poprawek, rozszerzeń i dodatkowych wymagań. Doczekamy się więc najprawdopodobniej kolejnej rewizji standardu, a później zapewne także TR2 albo trzeciego wydania standardu C++.

2.1.2. Zgodność pomiędzy C++11 i C++98 Jednym z głównych założeń nowego wydania standardu C++ było zachowanie zgodności wstecz z wersją C++98. W założeniu wszystko, co dało się skompilować kompilatorem zgodnym z C++98 albo C++03, powinno dać się skompilować kompilatorem C++11. Są jednak nieliczne wyjątki: choćby tam, gdzie kod zawiera identyfikatory kolidujące z nowymi słowami kluczowymi C++11. Jeśli kod ma uwzględniać różne wydania standardu, dostosowując się do wersji kompilatora, można wykrywać wersję języka za pośrednictwem wartości predefiniowanej makrodefinicji __cplusplus. W przypadku C++11 każda jednostka translacji posiada predefiniowaną makrodefinicję w postaci: #define __cplusplus 201103L

Dla porównania: w C++98 i C++03 ta sama makrodefinicja była definiowana tak: #define __cplusplus 199711L

Zdarza się jednak, że dostawca kompilatora wstawia swój wariant wartości makrodefinicji __cplusplus. Zgodność wstecz dotyczy wyłącznie kodu źródłowego. Zgodność na poziomie binarnym nie jest gwarantowana, co może prowadzić do problemów, zwłaszcza tam gdzie istniejąca operacja zwraca wartość nowego typu, ponieważ C++ nie pozwala na przeciążanie funkcji po typie wartości zwracanej (dotyczy to niektórych algorytmów STL oraz niektórych funkcji składowych kontenerów STL). Należałoby więc kompilować w C++11 kod programu dla C++98 w całości, wraz z wszystkimi bibliotekami. Konsolidacja kodu kompilowanego w C++11 z kodem kompilowanym w C++98 może okazać się nieskuteczna.

2.2. Złożoność algorytmów a notacja O W przypadku niektórych składników biblioteki standardowej C++ (szczególnie w przypadku biblioteki STL) wydajność algorytmów i funkcji składowych została starannie uwzględniona. Tak więc w ich przypadku standard narzuca wymaganie określonego stopnia „złożoności” (ang. complexity). Naukowcy z dziedziny informatyki do porównywania względnej złożoności algorytmów używają specjalistycznej notacji. Za pomocą tej miary można szybko zaszeregować względny

2 2 ZŁOŻONOŚĆ ALGORYTMÓW A NOTACJA O

35

czas wykonania algorytmu, a także przeprowadzić jakościowe porównania algorytmów. Miara ta nosi nazwę notacji O (ang. Big-O notation). Notacja O wyraża czas wykonania algorytmu jako funkcję podanego rozmiaru danych wejściowych n. Na przykład, jeśli czas wykonania rośnie liniowo wraz z wzrostem liczby elementów (podwojenie rozmiaru danych wejściowych powoduje podwojenie czasu wykonania), to złożoność takiego algorytmu wynosi O(n). Jeśli czas wykonania jest niezależny od danych wejściowych, to złożoność wynosi O(1). Tabela 2.1 przedstawia typowe wartości złożoności oraz ich zapis w notacji O. TABELA 2.1. Typowe wartości złożoności Typ

Notacja

Stała O(1) Logarytmiczna O(log(n)) Liniowa

O(n)

n-log-n

O(n  log(n))

Kwadratowa

O(n2)

Znaczenie Czas wykonania jest niezależny od liczby elementów. Czas wykonania rośnie logarytmicznie w odniesieniu do liczby elementów. Czas wykonania rośnie liniowo (ze stałym współczynnikiem) wraz ze wzrostem liczby elementów. Czas wykonania rośnie proporcjonalnie do iloczynu złożoności liniowej oraz logarytmicznej. Czas wykonania rośnie kwadratowo w odniesieniu do liczby elementów.

Warto zauważyć, że notacja O pomija czynniki niższych rzędów (na przykład czynniki stałe). Ponadto nie ma znaczenia faktyczny czas wykonania algorytmu. Każde dwa algorytmy liniowe uznawane są według tej miary za jednakowo akceptowalne. Można nawet napotkać sytuacje, w których czynnik stały w algorytmie liniowym jest tak duży, że w praktyce bardziej preferowany będzie algorytm wykładniczy o niewielkim czynniku stałym. Fakt ten jest przyczyną uzasadnionej krytyki notacji O. Warto zatem przyjąć pewną praktyczną zasadę — algorytm o optymalnej złożoności niekoniecznie jest najlepszym algorytmem. Aby dać wyobrażenie o tempie wzrostu czasu wykonania w odniesieniu do liczby elementów, w tabeli 2.2 przedstawiono wszystkie kategorie złożoności wraz z poglądowymi wartościami odpowiadającymi określonej liczbie elementów. Jak widać, dla niewielkiej liczby elementów czasy wykonania nie różnią się istotnie. W takim przypadku znaczny wpływ mogą mieć czynniki stałe, których notacja O nie uwzględnia. Jednakże, im więcej elementów, tym większe zróżnicowanie czasów wykonania i tym samym czynniki stałe tracą znaczenie. Warto zapamiętać, że przy rozpatrywaniu złożoności należy więc brać pod uwagę liczbę elementów, na których operować ma dany algorytm. Niektóre definicje złożoności w dokumentacji standardu C++ określone są jako zamortyzowane. Oznacza to, że operacje takie działają zgodnie ze swoim opisem jedynie w dłuższym okresie. Pojedyncza operacja może jednak trwać dłużej, niż zostało to określone. Na przykład w przypadku dołączania elementów do tablicy dynamicznej, czas wykonania zależy od tego, czy tablica posiada wystarczająco pamięci

36

2 WPROWADZENIE DO JĘZYKA C++ I BIBLIOTEKI STANDARDOWEJ

TABELA 2.2. Czas wykonania w odniesieniu do złożoności oraz liczby elementów Złożoność

Liczba elementów

Typ

Notacja

1

2

5

10

50

100

1000

10000

Stała Logarytmiczna Liniowa n-log-n Kwadratowa

O(1) O(log(n)) O(n) O(n  log(n)) O(n2)

1 1 1 1 1

1 2 2 4 4

1 3 5 15 25

1 4 10 40 100

1 6 50 300 2500

1 7 100 700 10000

1 10 1000 10000 1000000

1 13 10000 130000 10000000

dla jeszcze jednego elementu. Jeśli jest dość pamięci, to złożoność jest stała. Wynika to z faktu, że wstawianie nowego elementu na końcu tablicy zajmuje zawsze tyle samo czasu. Jeśli jednak brakuje pamięci, wówczas złożoność jest liniowa. Dzieje się tak ponieważ, w zależności od liczby elementów, trzeba alokować nową przestrzeń w pamięci i przekopiować do niej wszystkie elementy. Powtórne alokacje zdarzają się dość rzadko, więc każda dostatecznie długa sekwencja takich operacji zachowuje się tak, jak gdyby każda operacja posiadała stałą złożoność. Tak więc złożoność operacji wstawiania jest „zamortyzowanym” czasem stałym.

3

Nowe elementy języka

Proces standaryzacji C++ obejmuje zazwyczaj równocześnie sam język, jak i bibliotekę standardową. Dzięki temu biblioteka standardowa może czerpać z ulepszeń wcielanych do języka, a zmiany w języku często wynikają z doświadczeń z implementacji biblioteki. W efekcie biblioteka standardowa języka C zawsze korzysta z mechanizmów i elementów specyficznych dla danej wersji języka, niedostępnych w poprzednich wydaniach standardu. Z tego względu C++11 nie jest tym samym językiem co C++98 ani C++03, a C++98 (i C++03) różnią się istotnie od pierwotnej postaci języka C++ (jeszcze sprzed standaryzacji). Kto nie śledzi ewolucji języka, może być zaskoczony nowymi elementami pojawiającymi się w bibliotece standardowej. W tym rozdziale przyjrzymy się pokrótce tym nowym elementom C++11, które mają istotny wpływ na projekt, implementację i zastosowania biblioteki standardowej C++11. Na końcu rozdziału zaprezentowane zostaną takie elementy, które były dostępne przed C++11, ale nie doczekały się powszechnego stosowania. W czasie przygotowywania tej książki nie wszystkie kompilatory obsługiwały komplet nowych elementów C++11. Można się spodziewać, że w najbliższym czasie ulegnie to zmianie, ponieważ w procesie standaryzacji uczestniczyli wszyscy ważniejsi producenci kompilatorów. Ale przez jakiś czas wykorzystanie nowych elementów biblioteki standardowej może okazać się utrudnione. W książce takie utrudnienia i ograniczenia implementacji będą sygnalizowane tam, gdzie będą faktycznie ważne, albo kiedy ich brak będzie powszechny.

3.1. Nowe elementy języka C++11 3.1.1. Istotne pomniejsze porządki składniowe Na pierwszy ogień pójdą dwa nowe elementy C++11, które choć pomniejszego kalibru, w codziennej praktyce programistycznej okazują się istotne.

38

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Odstępy w wyrażeniach szablonowych Niniejszym zniknęło z dawna krytykowane wymaganie rozdzielania odstępami znaków nawiasów ostrych zamykających wyrażenie szablonowe: vector >; vector>;

// poprawnie w każdej wersji C++ // poprawnie w C++11

W tekście książki (no i w kodzie praktycznych projektów) będzie można napotkać obie notacje.

nullptr i std::nullptr_t C++11 pozwala na zastąpienie 0 i symbolu NULL w definiowaniu wskaźników pustych (to znaczy wskaźników nie odnoszących się do żadnego obiektu, a nie wskaźników o niezdefiniowanej wartości). Pozwala to w szczególności unikać pomyłek, do których dochodziło, kiedy wskaźnik pusty był reprezentowany jako wartość całkowitoliczbowa. Na przykład: void f(int); void f(void*); f(0); f(NULL); f(nullptr);

// f(int) // f(int) dla NULL równego 0, w innych przypadkach wywołanie niejednoznaczne // f(void*)

nullptr to nowe słowo kluczowe, które podlega automatycznej konwersji na dowolny typ wskaźnikowy, ale nie podlega automatycznej konwersji na żaden z typów całkowitoliczbowych. Typem wyrażenia ze słowem nullptr jest osobny typ wskaźnika pustego std::nullptr_t, zdefiniowany w nagłówku (patrz punkt 5.8.1), co pozwala definiować przeciążenia funkcji dla wywołań ze wskaźnikiem pustym. Nawiasem mówiąc, std::nullptr_t zaliczamy do typów podstawowych (patrz punkt 5.4.2).

3.1.2. Automatyczna dedukcja typu ze słowem auto w C++11 ze słowem kluczowym auto można zadeklarować zmienną albo obiekt bez jawnego określania jego typu1. Na przykład: auto i = 42; // i jest typu int double f(); auto d = f(); // d jest typu double

Typ zmiennej jest tutaj wnioskowany na podstawie wyrażenia inicjalizującego zmienną, które musi towarzyszyć deklaracji z auto: auto i; 1

// BŁĄD nie można wydedukować typu i

Słowo auto jest też słowem kluczowym języka C. Tam, w opozycji do słowa static, określa zmienną jako zmienną lokalną; co prawda nie jest praktycznie stosowane, ponieważ do deklaracji zmiennej lokalnej wystarczy brak słowa static.

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

39

Deklaracja z auto może używać również innych kwalifikatorów, jak tutaj: static auto vat = 0.23;

Stosowanie auto przydaje się przede wszystkim tam, gdzie typ zmiennej jest skomplikowanym albo nadmiernie długim wyrażeniem. Oto przykład: vector v; ... auto pos = v.begin(); // pos jest typu vector::iterator auto l = [] (int x) -> bool { // l jest typu lambda z argumentem int // i wartością zwracaną bool ... };

Druga z powyższych zmiennych jest obiektem reprezentującym lambdę; więcej informacji o lambdach zawiera punkt 3.1.10.

3.1.3. Jednolita składnia inicjalizacji i listy inicjalizacyjne Przed C++11 programiści (zwłaszcza początkujący) często głowili się nad prawidłowym sposobem inicjalizacji zmiennej bądź obiektu. Inicjalizacja mogła obejmować wyrażenie z nawiasami, klamrami i operatorami przypisania. Z tego powodu w C++11 wprowadzono koncepcję jednolitej inicjalizacji, która pozwala stosować wspólną składnię inicjalizacji dowolnych obiektów i zmiennych. Składnia ta wykorzystuje nawiasy klamrowe. Nową składnię można stosować tak: int values[] { 1, 2, 3 }; std::vector v { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17 }; std::vector cities { "Berlin", "New York", "London", "Braunschweig", "Cairo", "Cologne" }; std::complex c{4.0,3.0}; // równoważnik inicjalizacji c(4.0,3.0)

Lista inicjalizacji wymusza tak zwaną inicjalizację wartością (ang. value initialization), co oznacza, że nawet lokalne zmienne typów podstawowych, które zazwyczaj posiadają niezdefiniowaną wartość początkową, są inicjalizowane zerem (albo wartością nullptr w przypadku wskaźników): int i; int j{}; int* p; int* q{};

// i ma niezdefiniowaną wartość // j jest inicjalizowane zerem // p ma niezdefiniowaną wartość // q jest inicjalizowane wartością nullptr

Składnia inicjalizacji z klamrami nie pozwala na inicjalizację z zawężaniem wartości, czyli taką inicjalizację, która wymaga modyfikacji (rzutowania) wartości inicjalizatora. Oto przykłady: int x1(5.3); int x2 = 5.3; int x3{5.0};

// w porządku, ALE x1 otrzyma wartość 5 // w porządku, ALE x2 otrzyma wartość 5 // BŁĄD zawężanie wartości

40

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

int x4 = {5.3}; char c1{7}; char c2{99999}; std::vector std::vector

// BŁĄD zawężanie wartości // w porządku, literał 7 to int, ale rzutowanie jest bezstratne // BŁĄD zawężanie (jeśli typ char nie pomieści 99999) v1 { 1, 2, 4, 5 }; // w porządku v2 { 1, 2.3, 4, 5.6 }; // BŁĄD zawężanie wartości double do int

Jak widać, określanie, czy zachodzi zawężenie wartości, polega nie tylko na analizie dopasowania typu wyrażenia inicjalizującego do typu zmiennej, ale też sprawdzeniu, czy wartość po konwersji typu da się reprezentować bezstratnie. Bjarne Stroustrup pisze w [Stroustrup:FAQ]: „C++11 unika niezgodności poprzez wykrywanie zawężania nie tylko na podstawie typu, ale też przez analizę faktycznych wartości inicjalizatorów [jak 7 w powyższym przykładzie]. Jeśli wartość da się dokładnie reprezentować w typie docelowym, nie ma mowy o zawężeniu. Zauważmy, że konwersje wartości typu zmiennoprzecinkowego na typ całkowitoliczbowy zawsze są zawężeniem, nawet jeśli chodzi o konwersję 7.0 na 7”. Aby listy inicjalizacyjne można było stosować dla typów własnych użytkownika, w C++11 wprowadzono szablon klasy std::initializer_list<>. Można go stosować do implementacji obsługi inicjalizacji listą wartości, ale także w dowolnych innych miejscach, gdzie zachodzi potrzeba przetworzenia prostej listy wartości. Na przykład: void print (std::initializer_list vals) { for (auto p=vals.begin(); p!=vals.end(); ++p) { // przetworzenie listy wartości std::cout << *p << "\n"; } } print ({12,3,5,7,11,13,17}); // wywołanie print() z listą wartości

Kiedy typ definiuje zarówno konstruktory dla listy inicjalizacyjnej, jak i konstruktor z powtórzonymi parametrami tego samego typu, przy wywołaniu preferowana jest wersja z listą inicjalizacyjną: class P { public: P(int,int); P(std::initializer_list); }; P P P P

p(77,5); q{77,5}; r{77,5,42}; s = {77,5};

// wywołanie P::P(int, int) // wywołanie P::P(initializer_list) // wywołanie P::P(initializer_list) // wywołanie P::P(initializer_list)

Gdyby nie obecność konstruktora z parametrem w postaci listy inicjalizacyjnej, zmienne q i s zostałyby zainicjalizowane za pomocą konstruktora przyjmującego parę wartości typu int (inicjalizacja zmiennej r byłaby wtedy oczywiście niepoprawna). Tak szerokie wprowadzenie list inicjalizacyjnych spowodowało zwiększenie znaczenia słowa explicit przy konstruktorach przyjmujących więcej niż jeden argument. Można na przykład zablokować automatyczną konwersję typu dla wielu wartości, wykonywaną przy inicjalizacji za pośrednictwem składni przypisania:

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

41

class P { public: P(int a, int b) { ... } explicit P(int a, int b, int c) { ... } }; P P P P P

x(77,5); y{77,5}; z {77,5,42}; v = {77,5}; w = {77,5,42};

// w porządku // w porządku // w porządku // w porządku (niejawna konwersja typów dozwolona) // BŁĄD niejawna konwersja typów zablokowana

void fp(const P&); fp({47,11}); fp({47,11,3}); fp(P{47,11}); fp(P{47,11,3});

// w porządku, niejawna konwersja {47,11} na P // BŁĄD niejawna konwersja zablokowana // w porządku, jawna konwersja {47,11} na P // w porządku, jawna konwersja {47,11,3} na P

Na tej samej zasadzie konstruktor deklarowany ze słowem explicit, który przyjmuje parametr w postaci listy inicjalizacyjnej, blokuje niejawne konwersje z list inicjalizacyjnych pustych i wywołania z nazwanymi parametrami.

3.1.4. Pętle zakresowe C++11 wprowadza nową postać pętli for, iterującej po wszystkich elementach podanego zakresu (tablicy bądź kolekcji). W innych językach programowania analogiczną składnią posługują się tzw. pętle foreach. Ogólna składnia zakresowej pętli for wygląda następująco: for ( element: kolekcja ) { instrukcje }

gdzie element to deklaracja pojedynczego elementu przekazanej kolekcji, z którym wykonywane będą instrukcje ciała pętli. Na przykład poniższa pętla będzie dla każdej wartości przekazanej listy inicjalizacyjnej wykonywała instrukcję ciała pętli, wypisującą wartość na standardowe wyjście programu cout: for ( int i : { 2, 3, 5, 7, 9, 13, 17, 19 } ) { std::cout << i << std::endl; }

Aby pomnożyć wszystkie elementy wektora vec przez trzy, należałoby napisać taką pętlę: std::vector vec; ... for ( auto& elem : vec ) { elem *= 3; }

42

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Deklaracja elem jako referencji ma tu kluczowe znaczenie, ponieważ w innym przypadku instrukcja ciała pętli operowałaby na lokalnej kopii kolejnych wartości z wektora (co niekiedy też bywa użyteczne). Deklarowanie elementu pętli jako niemodyfikowalnej referencji pozwala uniknąć wywoływania konstruktora kopiującego i destruktora elementu w każdym przebiegu pętli. Skoro tak, to ogólna funkcja wypisująca zawartość kolekcji mogłaby być implementowana tak: template void printElements (const T& coll) { for (const auto& elem : coll) { std::cout << elem << std::endl; } }

Zakresowa pętla z powyższej funkcji jest równoważna następującej klasycznej pętli for: { for (auto _pos=coll.begin(); _pos != coll.end(); ++_pos ) { const auto& elem = *_pos; std::cout << elem << std::endl; } }

Ogólnie pętla zakresowa deklarowana jako: for ( element : kolekcja ) { instrukcje }

jest równoważna poniższej pętli klasycznej, pod warunkiem że kolekcja posiada funkcje składowe begin() i end(): { for (auto _pos=kolekcja.begin(), _end=kolekcja.end(); _pos!=_end; ++_pos ) { element = *_pos; instrukcje } }

Ewentualnie jeśli kolekcja nie implementuje własnych składowych begin() i end(), równoważna pętla byłaby konstruowana na bazie globalnych wywołań begin() i end(): { for (auto _pos=begin(kolekcja), _end=end(kolekcja); _pos!=_end; ++_pos ) { element = *_pos; instrukcje } }

Zakresowa pętla for nadaje się do stosowania z listami incjalizacyjnymi, ponieważ szablon klasy std::initializer_list<> udostępnia funkcje składowe begin() i end().

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

43

Dodatkowo zastosowanie ma zasada, która pozwala na iterowanie zakresowe po klasycznych tablicach języka C, pod warunkiem że znany jest ich rozmiar. Oto przykład: int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; long sum=0; // suma wartości elementów tablicy for (int x : array) { sum += x; } for (auto elem : { sum, sum*2, sum*4 } ) { // wypisanie kilku wielokrotności sumy std::cout << elem << std::endl; }

Powyższy kod da na wyjściu następującą sekwencję: 15 30 60

Zauważmy, że przy inicjalizacji elementu w pętli zakresowej for niedozwolone są jawne konwersje typu elementu. Poniższy kod nie da się skompilować: class C { public: explicit C(const std::string& s); // jawna (!) konwersja z łańcucha znaków ... }; std::vector vs; for (const C& elem : vs) { // BŁĄD, brak konwersji z typu string na typ C std::cout << elem << std::endl; }

3.1.5. Semantyka przeniesienia i referencje do r-wartości Jedną z najważniejszych nowości w C++11 jest semantyka przeniesienia. Jest to implementacja idei projektowej języka C++, mówiącej o unikaniu tworzenia niepotrzebnych kopii i wartości tymczasowych. Semantyka przeniesienia jest nowością na tyle rozbudowaną, że zalecałbym zapoznanie się z nią również w innych źródłach, ale nie od rzeczy będzie choćby skrótowe wprowadzenie z podsumowaniem2. Weźmy następujący przykład: void createAndInsert (std::set& coll) { X x; // utworzenie obiektu typu X 2 Wprowadzenie oparte na [Abrahams:RValues] (za upoważnieniem Dave’a Abrahamsa), [Becker:RValues] (za pozwoleniem Thomasa Beckera) oraz na podstawie szeregu wiadomości poczty elektronicznej wymienianych z Danielem Krüglerem, Dietmarem Kühlem i Jensem Maurerem.

44

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

... coll.insert(x); // wstawienie obiektu do przekazanej kolekcji }

W powyższym kodzie wstawiamy do kolekcji nowy obiekt; funkcja wstawiająca tworzy wewnętrznie kopię przekazanego elementu: namespace std { template class set { public: ... insert (const T& v); // skopiowanie wartości v ... }; }

Zachowanie to jest pożądane, skoro kolekcja reprezentuje semantykę wartości, i zapewnia możliwość wstawiania do kolekcji obiektów tymczasowych i obiektów, które są używane i modyfikowane po umieszczeniu w kolekcji: X x; coll.insert(x); ... coll.insert(x+x); ... coll.insert(x);

// wstawienie kopii x // wstawienie kopii wartości tymczasowej // wstawienie kopii x (mimo że x nie będzie używane nigdzie dalej)

Niemniej jednak w dwóch ostatnich przypadkach przydałaby się możliwość wskazania, że przekazana wartość (x+x czy x) nie będzie więcej używana przez wywołującego, więc można by uniknąć tworzenia kopii i w jakiś sposób przenieść zawartość wstawianego elementu wprost do kolekcji. Byłoby to pożądane zwłaszcza tam, gdzie wykonanie kopii x jest kosztowne (np. jeśli x jest dużą kolekcją łańcuchów znaków) — z punktu widzenia wydajności byłoby to z pewnością korzystne. W C++11 jest to jak najbardziej możliwe. Programista musi jednak wskazać na możliwość wykonania przeniesienia, chyba że obiekt tymczasowy jest później wykorzystywany. W trywialnych przypadkach kompilator mógłby to wykryć sam, ale złożenie tej decyzji na barki programisty pozwala na rozszerzenie zakresu zastosowań na wszystkie uzasadnione przypadki, a nie tylko na te, które łatwo zsyntetyzować. Poprzedni fragment kodu należałoby zmodyfikować następująco: X x; coll.insert(x); ... coll.insert(x+x); ... coll.insert(x);

// wstawienie kopii x (bo x będzie używane później) // przeniesienie (albo skopiowanie) zawartości obiektu tymczasowego // przeniesienie (albo skopiowanie) zawartości obiektu x

Możliwość przeniesienia zawartości obiektu (zamiast jej kopiowania) zapewnia szablon funkcji std::move(), zdefiniowany w nagłówku . Jednakże szablon std::move() sam w sobie niczego nie przenosi, a jedynie konwertuje argumenty do postaci tak zwanych referencji do r-wartości, czyli do typu deklarowanego z dwoma symbolami &: X&&. Ten nowy typ reprezentuje r-wartości (anonimowe wartości tymczasowe, które mogą występować tylko po prawej stronie operatora przypisania) nadające się do modyfikacji. Założenie jest takie, że referencja do

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

45

r-wartości odnosi się do obiektu tymczasowego, którego zawartość i zasoby nie będą później potrzebne, a więc można je „ukraść”. Dalej: kolekcja może definiować przeciążoną wersję funkcji składowej insert(), przyjmującą argumenty w postaci referencji do r-wartości: namespace std { template class set { public: ... insert (const T& x); // dla l-wartości kopiowanie argumentu ... insert (T&& x); // dla r-wartości przeniesienie zawartości argumentu ... }; }

Wersja przeciążona dla referencji do r-wartości może być tak zoptymalizowana, aby jej implementacja „wykradała” zawartość argumentu x. W tym celu potrzebna jest jednak pomoc ze strony samego typu x, ponieważ tylko ten typ jest „świadomy” swojej wewnętrznej konstrukcji; możliwe na przykład, że zamiast kopiować kolejne składowe czy elementy obiektu, wystarczy skopiować odpowiednie wskaźniki — w przypadku typów złożonych byłby to olbrzymi zysk na wydajności. Aby więc możliwie optymalnie zainicjalizować nowy element wewnątrz kolekcji, korzystamy z tak zwanego konstruktora przenoszącego (ang. move constructor) klasy X, który (w optymalnej implementacji) podkrada zawartość argumentu wywołania i nią inicjalizuje nowy obiekt. Wszystkie typy złożone powinny implementować taki specjalny konstruktor (w bibliotece standardowej jest to norma), przenoszący zawartość pomiędzy obiektami: class X { public: X (const X& lvalue); // konstruktor kopiujący X (X&& rvalue); // konstruktor przenoszący ... };

Na przykład w przypadku łańcuchów znaków konstruktor przenoszący sprowadza się do zainicjalizowania w nowym obiekcie wskaźnika do tablicy znaków przydzielonej i przechowywanej w obiekcie źródłowym (nie trzeba więc tworzyć nowej tablicy i kopiować jej zawartości). Analogicznie działają klasy kolekcji: zamiast tworzyć kopie wszystkich elementów, przepisują do nowego obiektu zawartość wewnętrznych wskaźników. Jeśli klasa nie definiuje konstruktora przenoszącego, użyty zostanie klasyczny konstruktor kopiujący. Trzeba też zapewnić, aby wszelkie modyfikacje (z destrukcją włącznie) obiektu, którego zawartość została przeniesiona do innego, nie wpływały na stan obiektu będącego nowym właścicielem zawartości. Zazwyczaj więc w ramach konstruktora przenoszącego trzeba też wyczyścić stan obiektu źródłowego (np. przez przestawienie jego wewnętrznych wskaźników do danych na nullptr). Czyszczenie zawartości obiektu źródłowego operacji przeniesienia zawartości nie jest koniecznie wymagane, ale jeśli zostanie to zaniedbane, semantyka przeniesienia staje się bezużyteczna. W przypadku klas z biblioteki standardowej C++ po wykonaniu przeniesienia obiekty źródłowe pozostają w poprawnym, ale nieokreślonym

46

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

stanie. Oznacza to, że do wyczyszczonego obiektu można przypisać nową wartość. W przypadku kontenerów STL mamy gwarancję, że kontenery, których zawartość została przeniesiona do innego kontenera, po zakończeniu przeniesienia są puste. Na tej samej zasadzie wszystkie nietrywialne klasy powinny definiować również kopiujący operator przypisania oraz przenoszący operator przypisania: class X { public: X& operator= (const X& lvalue); X& operator= (X&& rvalue); ... };

// kopiujący operator przypisania // przenoszący operator przypisania

W przypadku łańcuchów znaków i kolekcji operatory te można by zaimplementować na bazie prostej podmiany zawartości i zasobów obiektów. Trzeba tu jednak również pamiętać o uprzednim wyczyszczeniu zawartości obiektu bieżącego (*this), ponieważ może on być w posiadaniu zasobów takich jak choćby założone blokady. Semantyka przeniesienia sama w sobie nie narzuca takiego wymogu, ale jest to w dobrym tonie, i tak zostały zaimplementowane chociażby wszystkie klasy kontenerów biblioteki standardowej języka C++. Na koniec dwie uwagi: o regułach rozstrzygania przeciążenia dla referencji do l-wartości i r-wartości (1) oraz o zwracaniu referencji do r-wartości.

Reguły przeciążania dla referencji do r-wartości i l-wartości Reguły przeciążania dla referencji do r-wartości i do l-wartości są następujące3:  Jeśli istnieje implementacja tylko wersji dla referencji do l-wartości: void foo(X&);

z pominięciem void foo(X&&), zachowanie jest identyczne jak w C++98: można wywołać foo() z l-wartością, ale nie można wywołać foo() z r-wartością.  Jeśli istnieje implementacja tylko wersji dla niemodyfikowalnej referencji do l-wartości: void foo(const X&);

bez void foo(X&&), zachowanie jest identyczne jak w C++98: można wywołać foo() z l-wartością albo z r-wartością.  Jeśli istnieją implementacje dla referencji do l-wartości i referencji do r-wartości: void foo(X&); void foo(X&&);

lub void foo(const X&); void foo(X&&);

3

Z podziękowaniami dla Thomasa Beckera za pomoc w sformułowaniu.

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

47

można rozdzielić wywołania foo() z l-wartościami od wywołań z l-wartościami. Wersja dla r-wartości może i powinna realizować semantykę przeniesienia, to znaczy, że może podkradać wewnętrzny stan i zasoby obiektu przekazanego argumentem wywołania.  Jeśli istnieje implementacja tylko dla referencji do r-wartości: void foo(X&&);

bez wersji dla l-wartości void foo(X&) i bez wersji dla niemodyfikowalnej l-wartości void foo(const X&), dozwolone jest wywoływanie foo() z r-wartościami, ale próba wywołania z l-wartością sprowokuje błąd kompilacji. W takim przypadku jedyna implementacja to implementacja semantyki przeniesienia. Możliwość ta jest wykorzystywana w bibliotece standardowej, choćby w unikatowych wskaźnikach (patrz punkt 5.2.5), strumieniach plikowych (patrz punkt 15.9.2) czy strumieniach łańcuchów znaków (patrz punkt 15.10.2). Oznacza to, że jeśli klasa nie realizuje semantyki przeniesienia i posiada tylko zwyczajowe konstruktor kopiujący i kopiujący operator przypisania, będą one wywoływane również z referencjami do r-wartości. Stąd std::move() oznacza odwołanie do semantyki przeniesienia, a jeśli jej nie ma — do semantyki kopiowania.

Zwracanie referencji do r-wartości Nie trzeba i nie należy przenosić wartości zwracanych z wywołań funkcji. Reguły języka i standard mówią, że dla poniższego kodu4: X foo () { X x; ... return x; }

gwarantowane jest następujące zachowanie:  Jeśli X posiada dostępny w tym kontekście konstruktor kopiujący lub konstruktor przenoszący, kompilator może zdecydować o wyeliminowaniu kopii. Mowa o tak zwanej optymalizacji wartości zwracanej ((N)RVO), określonej jeszcze przed C++11 i z powodzeniem obsługiwanej przez większość kompilatorów.  W przeciwnym przypadku, jeśli X posiada konstruktor przenoszący, zawartość X jest przenoszona do miejsca wywołania.  W przeciwnym przypadku, jeśli X posiada konstruktor kopiujący, zawartość X jest kopiowana do miejsca wywołania.  W przeciwnym przypadku kompilator zgłasza błąd kompilacji. Zauważmy też, że zwracanie referencji do r-wartości jest błędem kompilacji w przypadku, kiedy zwracany obiekt nie jest lokalnym obiektem niestatycznym funkcji: 4

Z podziękowaniami dla Thomasa Beckera za pomoc w sformułowaniu.

48

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

X&& foo () { X x; ... return x; // BŁĄD zwraca referencję do nieistniejącego już obiektu }

Referencja do r-wartości to wciąż referencja, a zwracanie referencji do niestatycznych obiektów lokalnych oznacza zwracanie referencji do obiektów, które właśnie przestają istnieć, więc semantyka przeniesienia i tak nie miałaby zastosowania.

3.1.6. Nowe literały napisowe W C++11 można definiować literały napisowe ze znakami wielobajtowymi (poszerzonymi) i literały „dosłowne” (ang. raw).

Dosłowne literały napisowe Dosłowne literały napisowe pozwalają na definiowanie sekwencji znaków przez pisanie wprost zawartości sekwencji. Pozwala to na wyeliminowanie mnóstwa znaków sterujących, które w normalnych literałach napisowych maskują specjalne symbole kompilatora. Literał dosłowny rozpoczyna się symbolem R"(, a kończy się symbolem "). Umieszczony wewnątrz napis może zawierać znaki nowego wiersza, cudzysłowy i inne znaki sterujące interpretacją znaków. Na przykład klasyczny literał napisowy zawierający parę lewych ukośników i literę n byłby definiowany tak: "\\\\n"

Odpowiadający mu literał dosłowny wygląda tak: R"(\\n)"

Jeśli w literale dosłownym ma znaleźć się znak nawiasu prawego z cudzysłowem ()"), trzeba zdefiniować ogranicznik literału dosłownego. Kompletna składnia literału dosłownego to R"ogranicznik(...)ogranicznik", gdzie ogranicznik to sekwencja znaków składająca się z co najwyżej 16 znaków prostych bez ukośników, spacji i nawiasów. Na przykład literał dosłowny: R"nc(a\ b\nc()" )nc";

jest odpowiednikiem takiego klasycznego literału napisowego: "a\\\n

b\\nc()\"\n

"

Łańcuch wynikowy w obu przypadkach zawiera znak a, ukośnik lewy, znak nowego wiersza, kilka spacji, b, ukośnik lewy, n, c, znak cudzysłowu podwójnego, znak nowego wiersza i kilka spacji.

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

49

Dosłowne literały napisowe przydają się szczególnie przy definiowaniu wyrażeń regularnych (wyrażenia regularne są szerzej omawiane w rozdziale 14.).

Kodowane literały napisowe Za pomocą przedrostka kodowania (ang. encoding prefix) można określić kodowanie znaków odpowiednie dla literału napisowego. Zdefiniowano następujące przedrostki kodowania:  u8 definiuje kodowanie UTF-8. Literał napisowy UTF-8 jest inicjalizowany znakami zakodowanymi w łańcuchu znaków zgodnie z UTF-8. Pojedyncze znaki literału są typu char.  u określa literał napisowy w kodowaniu UTF-16, ze znakami typu char16_t.  U określa literał napisowy w kodowaniu UTF-32, ze znakami typu char32_t.  L określa literał napisowy w kodowaniu zależnym od implementacji, ze znakami typu wchar_t. Na przykład: L"ahoj"

// definiuje "ahoj" jako literał napisowy ze znakami wchar_t

Przedrostek kodowania może występować przed symbolem literału dosłownego R. Stosowanie kodowania pod kątem obsługi międzynarodowych standardów zapisu zostało omówione w rozdziale 16.

3.1.7. Słowo noexcept C++11 wprowadza nowe słowo kluczowe: noexcept. Stosuje się je jako określenie, że funkcja nie może rzucać wyjątków. Na przykład: void foo() noexcept

deklaruje funkcję foo() jako nierzucającą wyjątków. Jeśli ewentualny wyjątek nie zostanie obsłużony wewnątrz foo() (czyli jeśli funkcja jednak rzuci wyjątek), program zostanie przerwany poprzez wywołanie std::terminate(), które w domyślnej implementacji wywołuje std::abort() (patrz punkt 5.8.2). Słowo noexcept zostało pomyślane jako środek zaradczy na liczne problemy z pustymi specyfikacjami wyjątków. Cytując te problemy za [N3051:DeprExcSpec] (za uprzejmym pozwoleniem Douga Gregora):  Kontrola w czasie wykonania: specyfikacje wyjątków w C++ są sprawdzane w czasie wykonania, a nie w czasie kompilacji, nie dają więc programiście gwarancji co do tego, że wszystkie wyjątki zostały obsłużone. Tryb obsługi niewyspecyfikowanego wyjątku w czasie wykonania (sprowadzający się do wywołania std::unexpected()) nie prowadzi do przywrócenia stabilności programu.  Narzut czasu wykonania: kontrola wyjątków w czasie wykonania wymaga wygenerowania dodatkowego kodu, co pogarsza skuteczność optymalizacji.  Nieskuteczność w kodzie uogólnionym: w kodzie uogólnionym (szablonowym) nie ma możliwości pozyskania informacji o typach wyjątków rzucanych

50

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

z operacji parametryzowanych argumentami szablonu, co uniemożliwia określenie precyzyjnej specyfikacji wyjątków. W praktyce przydatne są zaledwie dwie formy gwarancji co do rzucania wyjątków: operacja może rzucić (dowolny) wyjątek, albo operacja w żadnym razie nie rzuci (żadnego) wyjątku. To pierwsze określa się przez całkowite pominięcie specyfikacji wyjątków, to drugie można wyrazić przez specyfikację pustą throw(), ale ze względów wydajnościowych robi się to rzadko. Słowo noexcept pozwala na określenie gwarancji braku wyjątków bez dodatkowego narzutu w czasie wykonania związanego z obsługą zwijania stosu. W efekcie w C++11 specyfikacje wyjątków zostały uznane za przestarzałe (deprecated). Nowa składnia pozwala nawet na określenie warunku, pod jakim funkcja daje gwarancje braku wyjątków. Na przykład dla dowolnego typu Typ globalna funkcja swap() jest zazwyczaj definiowana następująco: void swap (Typ& x, Typ& y) noexcept(noexcept(x.swap(y))) { x.swap(y); }

Wewnątrz klauzuli noexcept(...) można zdefiniować warunek logiczny, który steruje dostępnością gwarancji braku wyjątków; pusta klauzula noexcept jest równoważna klauzuli zawsze spełnionej noexcept(true). W powyższym przypadku warunek noexcept został określony jako noexcept(x.swap(y)). Ma tu zastosowanie operator noexcept, który ma wartość true, jeśli wyrażenie operandu (umieszczone w nawiasach) nie rzuca wyjątków. Jak widać, globalna funkcja swap() gwarantuje brak wyjątków pod warunkiem otrzymania takiej gwarancji ze strony funkcji składowej swap() klasy pierwszego argumentu. Innym przykładem może być przenoszący operator przypisania deklarowany dla par wartości: pair& operator= (pair&& p) noexcept(is_nothrow_move_assignable::value && is_nothrow_move_assignable::value);

Tutaj w klauzuli noexcept() wykorzystana została cecha is_nothrow_move_assignable typu argumentu, która określa, czy dla przekazanego typu możliwa jest operacja przypisania przenoszącego nierzucająca wyjątków (patrz punkt 5.4.2). Według [N3279:LibNoexcept] słowo noexcept zostało wprowadzone do wnętrza biblioteki standardowej przy następujących, konserwatywnych założeniach:  Każda funkcja biblioteczna (...), która (...) nie może rzucać wyjątków i nie określa żadnego zachowania niezdefiniowanego — na przykład powodowanego niespełnionym warunkiem wstępnym — powinna zostać oznaczona bezwarunkową klauzulą noexcept.  Jeśli biblioteczna funkcja podmiany (swap()), konstruktor przenoszący albo przenoszący operator przypisania (...) może gwarantować brak wyjątków poprzez operator noexcept, taka funkcja powinna być oznaczona warunkową klauzulą noexcept.

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

51

 Żaden destruktor biblioteki standardowej nie może rzucać wyjątków; powinien stosować niejawnie określaną specyfikację wyjątków.  Funkcje biblioteczne zaprojektowane pod kątem zgodności z kodem C (...) mogą być oznaczone bezwarunkową klauzulą noexcept. Zauważmy, że klauzula noexcept nie została zastosowana do żadnej funkcji C++, która w przypadku naruszenia warunku wstępnego mogłaby powodować niezdefiniowane zachowanie. Pozwala to implementacji bibliotecznej realizować „tryb bezpieczny” z wyjątkiem „naruszenia warunku wstępnego”. W niniejszej książce dla zwiększenia czytelności i zaoszczędzenia miejsca specyfikacja noexcept jest przeważnie pomijana.

3.1.8. Słowo constexpr W C++11 możliwe jest wymuszanie obliczania wyrażeń w czasie wykonania. Na przykład: constexpr int square (int x) { return x * x; } float a[square(9)]; // dopuszczalne w C++11 a ma 81 elementów

Słowo constexpr eliminuje problem języka C++98 dotyczący stosowania ograniczeń liczbowych (patrz podrozdział 5.3). Przed C++11 wyrażenie postaci: std::numeric_limits::max()

nie mogło być stosowane w miejsce stałych całkowitoliczbowych, choć funkcjonalnie wywołanie to było równoważne makrodefinicji INT_MAX. W C++11 takie wyrażenie jest deklarowane ze słowem constexpr, dzięki czemu na przykład można definiować nim rozmiary tablic czy korzystać z obliczeń wykonywanych w czasie kompilacji (czyli z metaprogramowania): std::array::max()> a;

W niniejszej książce dla zwiększenia czytelności i zaoszczędzenia miejsca słowo constexpr jest przeważnie pomijane.

3.1.9. Nowe elementy szablonów Szablony ze zmienną listą argumentów W C++11 szablony mogą deklarować parametry o zmiennej liczbie argumentów konkretyzacji. Mechanizm ten znany jest pod nazwą zmienna lista argumentów szablonu (ang. variadic template). Na przykład poniższy kod pozwala wywoływać print() dla różnej liczby argumentów różnego typu:

52

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

void print () { } template void print (const T& firstArg, const Types&... args) { std::cout << firstArg << std::endl; // wypisanie pierwszego argumentu print(args...); // wywołanie print() z pozostałymi argumentami }

Jeśli funkcja zostanie wywołana z jednym bądź wieloma argumentami, użyty zostanie szablon, który dzięki osobnemu zadeklarowaniu pierwszego argumentu pozwala na (po wypisaniu wartości tego argumentu) rekurencyjne wywołanie szablonu z resztą argumentów. Rekurencję kończy wywołanie nieszablonowej przeciążonej wersji print() (kiedy lista argumentów zostanie wyczerpana). Przykładowe wywołanie (typ bitset jest omawiany w punkcie 12.5.1): print (7.5, "ahoj", std::bitset<16>(377), 42);

spowoduje wypisanie następujących wierszy: 7.5 ahoj 0000000101111001 42

Obecnie dyskutuje się, czy poniższy przykład również jest poprawny. Wątpliwość budzi to, że w ujęciu formalnym w przypadku wywołania z pojedynczym argumentem pojawia się niejednoznaczność pomiędzy wersją ze zmienną liczbą argumentów a wersją z jednym argumentem; zazwyczaj jednak kompilator akceptuje również taki kod: template void print (const T& arg) { std::cout << arg << std::endl; } template void print (const T& firstArg, const Types&... args) { std::cout << firstArg << std::endl; // wypisanie pierwszego argumentu print(args...); // wywołanie print() z pozostałymi argumentami }

Wewnątrz szablonu o zmiennej liczbie argumentów można ustalić liczbę argumentów za pośrednictwem operatora sizeof...(args). Nowy mechanizm szablonów o zmiennej liczbie argumentów jest szeroko wykorzystywany w implementacji typu std::tuple<> (patrz punkt 5.1.2).

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

53

Aliasy szablonów W C++11 możliwe jest definiowanie aliasów dla częściowo skonkretyzowanych typów szablonowych. Z jakichś względów nie udało się zaprząc do tego mechanizmu słowa typename, wprowadzono więc słowo using. Na przykład po: template using Vec = std::vector>; // standardowy wektor z własnym alokatorem

definicja: Vec coll;

jest równoważna definicji: std::vector> coll;

Inny przykład użycia aliasów szablonów podawany jest w punkcie 5.2.5.

Inne nowości w szablonach Szablony funkcji mogą teraz posiadać domyślne argumenty dla parametrów szablonów (patrz podrozdział 3.2). Dodatkowo w roli argumentów szablonów można wykorzystywać typy lokalne, a pozatypowe parametry szablonów w postaci wskaźników i referencji do funkcji mogą być używane z funkcjami o łączeniu wewnętrznym (w poprzednich wersjach C++ argumentem parametru typu wskaźnika do funkcji mogła być jedynie funkcja o łączeniu zewnętrznym).

3.1.10. Lambdy Standard C++11 wprowadza lambdy, pozwalające na definiowanie funkcjonalności wprost w miejscu jej użycia, na przykład w roli argumentu wywołania albo obiektu lokalnego. Lambdy dramatycznie zmieniają sposób korzystania z biblioteki standardowej języka C++. Przykłady stosowania lambd z algorytmami i kontenerami STL pokazują podrozdziały 6.9 i 10.3. Z kolei w punkcie 18.1.2 zamieszczony jest przykład stosowania lambdy do definiowania kodu wykonywanego współbieżnie.

Składnia lambdy Lambda to definicja funkcjonalności (kodu), która może pojawiać się wewnątrz instrukcji i wyrażeń. W najprostszym ujęciu lambda to anonimowa funkcja definiowana w miejscu użycia. Minimalna funkcja lambda nie posiada żadnych parametrów i po prostu definiuje pewne instrukcje, jak tutaj: [] { std::cout << "ahoj lambda" << std::endl; }

54

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Tak zdefiniowaną lambdę można wywołać wprost: [] { std::cout << "ahoj lambda" << std::endl; } (); // wypisuje "ahoj lambda"

albo przekazać do innych miejsc programu celem wywołania: auto l = [] { std::cout << "ahoj lambda" << std::endl; } ; ... l(); // wypisuje "ahoj lambda"

Jak widać, lambda zawsze jest poprzedzana tak zwaną zapowiedzią (ang. lambda introducer) w postaci nawiasu prostokątnego, w którym definiuje się zmienne wciągane, umożliwiające odwoływanie się w ciele lambdy do obiektów zewnętrznych. Jeśli lambda nie musi odwoływać się do żadnych takich obiektów, lista zmiennych wciąganych jest po prostu pusta (jak powyżej). Obiekty statyczne (jak std::cout) mogą być stosowane w ciele lambdy bez wciągania. Pomiędzy zapowiedzią a ciałem lambdy można określić parametry wywołania, umieścić słowo mutable, specyfikatory atrybutów lambdy i typ wartości zwracanej. Wszystkie te elementy są opcjonalne, ale jeśli występuje choć jeden z nich, konieczne jest wprowadzenie nawiasu listy parametrów. Oznacza to, że składnia lambdy ma dwa warianty: [...] {...} [...] (...) [mutable] [throwSpec] -> [retType] {...}

Lambda, jak każda inna funkcja, może deklarować parametry wywołania: auto l = [] (const std::string &s){ std::cout << "s" << std::endl; } ; ... l("ahoj lambda"); // wypisuje "ahoj lambda"

Trzeba zaznaczyć, że lambda nie może być szablonem: wszystkie definiujące ją typy muszą być dookreślone. Lambda może również zwracać wartości. Jeśli nie posiada żadnej jawnej deklaracji typu wartości zwracanej, typ ten jest wnioskowany z instrukcji zwracającej wartość w ciele lambdy. Na przykład dla poniższej lambdy będzie to typ int: [] { return 42; }

Jawne określenie typu wartości zwracanej jest możliwe za pośrednictwem nowej składni, dostępnej także w zwyczajnych funkcjach (patrz punkt 3.1.12). Poniższa lambda zwróci wartość 42.0: [] () -> double { return 42; }

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

55

Typ wartości zwracanej określa się za nawiasem listy parametrów wywołania (w takim przypadku obowiązkowej), za symbolem ->. Pomiędzy listą parametrów a specyfikacją typu wartości zwracanej albo ciałem lambdy można określić również specyfikację wyjątków (jak w zwyczajnych funkcjach i funkcjach składowych); tyle że specyfikacje wyjątków zostały uznane za przestarzałe (patrz punkt 3.1.7).

Dostęp do zmiennych zewnętrznych W zapowiedzi lambdy (czyli w nawiasie prostokątnym na początku lambdy) można określić dostęp do danych zewnętrznych wobec zasięgu lambdy nie przekazanych do niej za pośrednictwem argumentów wywołania:  [=] oznacza, że wszystkie zmienne z zasięgu zewnętrznego widoczne w miejscu definicji lambdy są wciągane do lambdy przez wartość (można więc odczytać ich wartość, ale nie można ich zmodyfikować).  [&] oznacza, że wszystkie zmienne z zasięgu zewnętrznego widoczne w miejscu definicji lambdy są wciągane do lambdy przez referencję (można więc odczytać ich wartości oraz skutecznie je modyfikować). Sposób przechwycenia obiektów zewnętrznych można również doprecyzować dla poszczególnych obiektów z osobna, co pozwala na ograniczanie ewentualnego wpływu lambdy na jej otoczenie. Na przykład poniższy kod: int x=0; int y=42; auto qqq = [x, &y] { std::cout << "x: " << x << std::endl; std::cout << "y: " << y << std::endl; ++y; // w porządku }; x = y = 77; qqq(); qqq(); std::cout << "ostateczna wartość y: " << y << std::endl;

da na wyjściu taki wynik: x: 0 y: 77 x: 0 y: 78 ostateczna wartość y: 79

Ponieważ zmienna x jest wciągana do lambdy przez wartość (kopiowana), modyfikacje wartości x w ciele lambdy są niedozwolone (wywołanie ++x w ciele lambdy sprowokowałoby błąd kompilacji). Z kolei zmienna y jest wciągana do lambdy przez referencję, co pozwala na skuteczne modyfikowanie wartości y; w powyższym kodzie lambda dwukrotnie modyfikuje wartość y, zwiększając ją do 79. Zamiast [x, &y] można z identycznym skutkiem napisać [=, &y]: zmienna y będzie przechwycona do lambdy przez referencję, reszta obiektów zewnętrznych będzie w niej widoczna przez wartość.

56

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Wariantem mieszanym wciągania przez wartość i referencję jest lambda deklarowana ze słowem mutable. Tak definiowana lambda przechwytuje obiekt zewnętrzny przez wartość, ale utworzona lokalnie kopia może być modyfikowana. Oto przykład: int id = 0; auto f = [id] () mutable { std::cout << "id: " << id << std::endl; ++id; // w porządku }; id = 42; f(); f(); f(); std::cout << id << std::endl;

Na wyjściu powyższego programu pojawi się: id: 0 id: 1 id: 2 42

Zachowanie tak zdefiniowanej lambdy jest równoważne zachowaniu następującego obiektu funkcyjnego (patrz podrozdział 6.10): class { private: int id; // kopia zewnętrznej wartości id public: void operator() () { std::cout << "id: " << id << std::endl; ++id; // w porządku } };

Słowo mutable powoduje, że równoważny operator wywołania funkcji operator() jest definiowany bez słowa const, co oznacza, że w jego ciele może następować modyfikacja składowych obiektu. Lambda ze słowem mutable staje się więc obiektem stanowym, mimo że stan jest inicjalizowany przez wartość. Brak słowa mutable spowodowałby, że równoważny operator operator() byłby definiowany jako niemodyfikujący (ze słowem const), a więc w ciele operatora nie dałoby się modyfikować wartości składowych obiektu. Inny przykład (wraz z omówieniem pewnych problemów) stosowania słowa mutable z lambdą podawany jest w punkcie 10.3.2.

Typ lambdy Lambda jest typu anonimowego obiektu funkcyjnego (funktora), unikatowego dla każdego wyrażenia lambdy. Skoro tak, deklarowanie obiektów takiego typu wymaga użycia szablonów albo słowa auto. Tam, gdzie konieczna jest znajomość właściwego typu lambdy, można użyć słowa kluczowego decltype (patrz punkt 3.1.11); przydaje się to chociażby do przekazywania lambd jako funkcji mieszających

3 1 NOWE ELEMENTY JĘZYKA C++11

57

(w kontenerach asocjacyjnych) albo kryterium sortowania (w kontenerach uporządkowanych) (patrz podrozdział 6.9 i punkt 7.9.7). Alternatywnie typ lambdy można wyrazić za pośrednictwem szablonu klasy std::function<> dostępnego w bibliotece standardowej C++, a reprezentującego uogólniony typ funkcyjny (patrz punkt 5.4.4). Szablon klasy std::function<> to jedyny sposób określania typu wartości zwracanej dla funkcji zwracającej lambdę: // lang/lambda1.cpp #include #include std::function returnLambda () { return [] (int x, int y) { return x*y; }; } int main() { auto lf = returnLambda(); std::cout << lf(6,7) << std::endl; }

Powyższy program wypisze na wyjściu jedyny słuszny wynik: 42

3.1.11. Słowo decltype Słowo kluczowe decltype pozwala na określenie przez kompilator typu wyrażenia. Jest to realizacja częstego postulatu o udostępnienie mechanizmu typeof. Niestety, istniejące implementacje typeof były niekompletne i niespójne, więc standard C++11 wprowadził nowe słowo kluczowe. Stosuje się je tak: std::map coll; decltype(coll)::value_type elem;

Jednym z zastosowań słowa decltype jest deklarowanie typów wartości zwracanych (patrz niżej). Słowo decltype stosuje się też w metaprogramowaniu (patrz punkt 5.4.1) oraz tam, gdzie trzeba przekazać typ lambdy (patrz punkt 10.3.4).

3.1.12. Nowa składnia deklaracji funkcji Niekiedy typ wartości zwracanej z funkcji jest zależny od typu wyrażenia zastosowanego wobec argumentów wywołania funkcji. Niestety, w poprzedniej wersji standardu nie można było napisać: template decltype(x+y) add(T1 x, T2 y);

58

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

ponieważ typ wartości zwracanej odwoływałby się do obiektów, które nie zostały jeszcze wprowadzone do zasięgu (nie są widoczne dla kompilatora). W C++11 udostępniono więc alternatywną składnię deklarowania typu wartości zwracanej przez funkcję, za listą parametrów: template auto add(T1 x, T2 y) -> decltype(x+y);

Jest to ta sama składnia, która pozwala deklarować typ wartości zwracanej w lambdach (patrz punkt 3.1.10).

3.1.13. Klasy wyliczeniowe W C++11 można definiować tak zwane wyliczenia ograniczone (ang. scoped enumerations), znane też jako wyliczenia silne albo klasy wyliczeniowe; stanowią one spójniejszą implementację wartości wyliczeniowych języka C++. Oto przykład: enum class Salutation : char { mr, ms, co, none };

Istotnym elementem nowych typów wyliczeniowych jest słowo class umieszczane za słowem enum. Klasy wyliczeniowe mają w stosunku do klasycznych typów wyliczeniowych następujące zalety:  Brak niejawnych konwersji na typ int i z typu int.  Wartości wyliczenia (jak mr z powyższego przykładu) nie są częścią zasięgu deklaracji wyliczenia; można się do nich odwołać tylko poprzez Salutation::mr.  Typ bazowy wartości wyliczenia może być zdefiniowany jawnie (char w powyższym przykładzie) i ma gwarantowany rozmiar (przy braku jawnej definicji typu wartości wyliczenia przyjmowany jest domyślny typ int).  Możliwe są deklaracje zapowiadające klas wyliczeniowych, co eliminuje konieczność ponownej kompilacji jednostek translacji dla nowych wartości wyliczenia tam, gdzie używany jest tylko typ wyliczenia. Typ bazowy silnego typu wyliczeniowego jest dostępny za pośrednictwem cechy std::underlying_type (patrz punkt 5.4.2). Silnymi typami wyliczeniowymi są opisywane na przykład kody błędów wyjątków biblioteki standardowej (patrz punkt 4.3.2).

3.1.14. Nowe typy podstawowe W standardzie C++11 zdefiniowano następujące nowe typy podstawowe:  char16_t i char32_t (patrz punkt 16.1.3),  long long i unsigned long long,  std::nullptr_t (patrz punkt 3.1.1).

3 2 STARSZE „NOWOŚCI” JĘZYKA C++

59

3.2. Starsze „nowości” języka C++ Co prawda standard C++98 ma już ponad 10 lat, ale do dziś potrafi wielu programistów zaskoczyć niektórymi elementami języka. Niektóre z nich warto zaprezentować obok nowości z C++11.

Pozatypowe parametry szablonów Szablony mogą deklarować parametry typowe, ale także pozatypowe. Pozatypowy parametr szablonu jest wtedy uznawany za część typu. Na przykład standardowa klasa bitset<> (patrz podrozdział 12.5) pozwala określić liczbę bitów pola bitowego za pośrednictwem pozatypowego argumentu szablonu. Poniższe instrukcje definiują dwa pola bitowe: jedno z 32 bitami, drugie obejmujące 50 bitów: bitset<32> flags32; bitset<50> flags50;

// pole bitowe o rozmiarze 32 bitów // pole bitowe o rozmiarze 50 bitów

Powyższe pola bitowe są obiektami różnego typu, ponieważ pozatypowe argumenty szablonów uczestniczą w definicji typu konkretyzacji szablonu. Nie można więc porównywać flags32 z flags50 ani wykonywać przypisań pomiędzy tymi obiektami, chyba że zdefiniowane zostaną odpowiednie konwersje.

Domyślne parametry szablonów Szablony klas mogą być definiowane z domyślnymi argumentami. Na przykład poniższa deklaracja pozwala na deklarowanie obiektów typy MyClass z jednym bądź dwoma argumentami konkretyzacji szablonu: template > class MyClass;

Jeśli szablon otrzyma pojedynczy argument, w roli drugiego argumentu użyty zostanie parametr domyślny szablonu: MyClass x1;

// równoważne deklaracji MyClass>

Domyślne wartości parametrów szablonów mogą być (jak widać) określone z użyciem poprzednich parametrów szablonu.

Słowo typename Słowo kluczowe typename zostało wprowadzone w celu określenia, że następujący po nim identyfikator jest typem. Rozważmy następujący przykład: template class MyClass { typename T::SubType * ptr; ... };

60

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Słowa kluczowego typename użyto tutaj do wyjaśnienia, że identyfikator SubType jest typem należącym do klasy T. A zatem identyfikator ptr jest wskaźnikiem do typu T::SubType. Przy braku słowa kluczowego typename identyfikator SubType zostałby uznany za składową statyczną. Tak więc wyrażenie: T::SubType * ptr

byłoby operacją mnożenia wartości składowej SubType typu T i zmiennej ptr. W związku z określeniem identyfikatora SubType jako będącego typem każdy typ zastosowany w miejsce T musi zawierać wewnętrzny typ SubType. Na przykład zastosowanie typu Q jako argumentu szablonu: MyClass x;

jest możliwe, pod warunkiem że typ Q zawiera definicję typu wewnętrznego, taką jak na przykład: class Q { typedef int SubType; ... };

W tym przypadku składowa ptr typu MyClass byłaby wskaźnikiem do typu int. Podtypem może być jednak również abstrakcyjny typ danych (na przykład klasa): class Q { class SubType; ... };

Należy zwrócić uwagę, że użycie słowa kluczowego typename jest zawsze konieczne do określenia identyfikatora jako będącego typem, nawet w przypadku gdy inna interpretacja byłaby pozbawiona sensu. Tak więc ogólna zasada w języku C++ jest taka, że każdy identyfikator szablonu uważany jest za wartość, chyba że został określony słowem kluczowym typename. Słowa kluczowego typename można użyć również zamiast class w deklaracji szablonu: template class MyClass;

Szablony składowych Funkcje składowe klas mogą być szablonami. Szablony składowych nie mogą być jednak wirtualne. Na przykład: class MyClass { ... template void f(T); };

3 2 STARSZE „NOWOŚCI” JĘZYKA C++

61

Składowa MyClass::f stanowi tu deklarację zbioru funkcji składowych klasy dla parametrów dowolnego typu. Można przekazać dowolny argument, pod warunkiem że jego typ realizuje wszystkie operacje wykorzystywane przez funkcję f(). Właściwość ta jest często wykorzystywana do realizacji automatycznych konwersji typu składowych w klasach szablonowych. Na przykład w przypadku poniższej definicji argument x funkcji składowej assign() musi być dokładnie tego samego typu co obiekt, dla którego funkcja ta została wywołana: template class MyClass { private: T value; public: void assign (const MyClass& x) { // x musi być tego samego typu co *this value = x.value; } ... };

Błędem byłoby użycie różnych typów dla obiektów biorących udział w operacji assign() nawet w przypadku istnienia automatycznej konwersji typu z jednego typu na drugi: void f() { MyClass d; MyClass i; d.assign(d); d.assign(i);

// w porządku // BŁAD i jest typu MyClass // a wymagany jest typ MyClass

}

Poprzez określenie innego typu parametryzującego dla funkcji składowej rozluźnia się zasadę ścisłego dopasowania. Argument funkcji operującej na szablonie składowej może być wtedy dowolnego typu, pod warunkiem że typy te można sobie przypisać: template class MyClass { private: T value; public: template // szablon składowej void assign (const MyClass& x) { // dopuszcza różne typy parametryzujące value = x.getValue(); } T getValue() const { return value; } ... };

62

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

Zauważmy, że argument x funkcji assign() różni się teraz od typu obiektu *this. Tak więc nie mamy teraz bezpośredniego dostępu do składowych prywatnych i chronionych klasy MyClass<>. Zamiast tego trzeba użyć funkcji takiej jak getValue() w powyższym przykładzie. Specjalną postacią szablonu składowej jest szablon konstruktora. Konstruktory szablonowe definiowane są zwykle w celu umożliwienia niejawnych konwersji typu w przypadku kopiowania obiektów. Należy zauważyć, że konstruktor szablonowy nie przesłania niejawnego konstruktora kopiującego. W przypadku gdy dany typ jest ściśle zgodny, generowany jest i wywoływany niejawny konstruktor kopiujący. Na przykład: template class MyClass { public: // konstruktor kopiujący wykorzystujący niejawną konwersję typu // – nie przesłania niejawnego konstruktora kopiującego template MyClass (const MyClass& x); ... }; void f() { MyClass xd; ... MyClass xd2(xd); MyClass xi(xd); ... }

// wywołuje wbudowany konstruktor kopiujący // wywołuje konstruktor szablonowy

Typ zmiennej xd2 jest tutaj taki sam jak typ zmiennej xd, a więc jest ona inicjalizowana przez wbudowany konstruktor kopiujący. Typ zmiennej xi różni się od typu zmiennej xd, a więc jest ona inicjalizowana za pomocą konstruktora szablonowego. A zatem przy definiowaniu konstruktora szablonowego nie możemy zapomnieć o zdefiniowaniu konstruktora kopiującego w przypadku, gdy domyślny konstruktor kopiujący nie spełnia naszych wymagań. Inny przykład wykorzystujący szablony składowych można znaleźć w punkcie 5.1.1.

Zagnieżdżone szablony klas Szablonami mogą być również klasy zagnieżdżone: template class MyClass { ... template class NestedClass; ... };

3 2 STARSZE „NOWOŚCI” JĘZYKA C++

63

3.2.1. Jawna inicjalizacja typów podstawowych W przypadku zastosowania składni jawnego wywołania konstruktora bez argumentów typy podstawowe są inicjalizowane zerem: int i1; int i2 = int(); int i3{};

// wartość niezdefiniowana // zmienna inicjalizowana zerem // zmienna inicjalizowana zerem (od C++11)

Właściwość ta dostępna jest po to, aby umożliwić implementację szablonu gwarantującego, że wartości dowolnego typu będą posiadały określoną wartość domyślną. Na przykład operacja inicjalizacji występująca w kodzie poniższej funkcji gwarantuje, że zmienna x w przypadku typu podstawowego zostanie zainicjalizowana zerem: template void f() { T x = T(); ... }

Jeśli szablon wymusza inicjalizację wartością zerową, o jego wartości mówi się, że jest inicjalizowana zerem (ang. zero initialized). W przeciwnym przypadku mamy do czynienia z inicjalizacją domyślną (ang. default initialized).

3.2.2. Definicja funkcji main() Warto przy okazji doprecyzować i wyjaśnić jeden istotny, a często niepoprawnie pojmowany aspekt rdzenia języka C++, a mianowicie poprawne i przenośne wersje funkcji main(). Zgodnie ze standardem C++ przenośne są jedynie dwa warianty funkcji main(): int main() { ... }

oraz int main (int argc, char* argv[]) { ... }

gdzie parametr argv (tablica argumentów wywołania programu) może być ewentualnie definiowany jako char**. Zauważmy, że przenośność wymaga określenia typu wartości zwracanej jako int. Funkcja main() może, ale nie musi kończyć się instrukcją return. W przeciwieństwie do C język C++ definiuje niejawną instrukcję: return 0;

64

3 NOWE ELEMENTY JĘZYKA

na końcu funkcji main(). Oznacza to, że każdy program, który wraca z funkcji main() bez jawnego zwrócenia wartości, będzie uznawany za zakończony pomyślnie. Wartość zwrócona różna od zera reprezentuje natomiast rodzaj niepoprawnego wykonania programu (predefiniowane wartości kodu wyjścia programu zawiera punkt 5.8.2). Łatwo będzie zauważyć, że większość przykładów z książki nie posiada jawnej instrukcji return na końcu funkcji main(). Jeśli zachodzi potrzeba zakończenia wykonania programu przed zakończeniem funkcji main(), zazwyczaj używa się wywołania exit(), quick_exit() (dopiero w C++11), ewentualnie terminate(). Więcej informacji o przedwczesnym kończeniu wykonania programu zawiera punkt 5.8.2.

4

Pojęcia ogólne

W tym rozdziale omówimy podstawowe pojęcia biblioteki standardowej C++, których znajomość jest niezbędna przy pracy ze wszystkimi składnikami lub przynajmniej z większością z nich. Należą do nich:  Przestrzeń nazw std.  Nazwy oraz formaty plików nagłówkowych.  Ogólna koncepcja obsługi błędów i wyjątków.  Obiekty wywoływalne (funktory).  Podstawy wielowątkowości i współbieżności.  Krótkie wprowadzenie do alokatorów.

4.1. Przestrzeń nazw std W przypadku korzystania z rożnych modułów i (lub) bibliotek zawsze istnieje ryzyko wystąpienia konfliktów nazw. Dzieje się tak, ponieważ moduły i biblioteki mogą wykorzystywać ten sam identyfikator do różnych celów. Problem ten rozwiązano przez wprowadzenie do języka C++ pojęcia przestrzeni nazw. Przestrzeń nazw jest określonym zakresem dla identyfikatorów. W przeciwieństwie do klasy, można ją swobodnie rozbudowywać, co może mieć miejsce w dowolnym miejscu kodu. W ten sposób jedna przestrzeń nazw może posłużyć do definiowania składników rozproszonych po kilku fizycznych modułach. Typowym przykładem takiego składnika jest biblioteka standardowa C++, z czego wynika, że wykorzystuje ona przestrzeń nazw. W istocie wszystkie identyfikatory biblioteki standardowej C++ zdefiniowane są w przestrzeni nazw o nazwie std. W C++11 dotyczy to również identyfikatorów, które w poprzednim standardzie wchodziły w skład TR1 i były zebrane w przestrzeni nazw std::tr1 (patrz podrozdział 2.1). Dodatkowo zarezerwowano przestrzeń nazw posix, choć nie jest ona obecnie używana w bibliotece standardowej C++.

66

4 POJĘCIA OGÓLNE

W bibliotece C++ są natomiast wykorzystywane następujące zagnieżdżone przestrzenie nazw przestrzeni std:  std::rel_ops (patrz punkt 5.5.3),  std::chrono (patrz punkt 5.7.1),  std::placeholders (patrz punkt 6.10.3),  std::regex_constants (patrz podrozdział 14.6),  std::this_thread (patrz punkt 18.3.7). Zgodnie z koncepcją przestrzeni nazw istnieją trzy możliwości korzystania z identyfikatora zdefiniowanego w bibliotece standardowej C++: 1. Można bezpośrednio uściślić nazwę identyfikatora. Na przykład zamiast ostream piszemy std::ostream. Pełna instrukcja mogłaby wyglądać następująco: std::cout << std::hex << 3.4 << std::endl;

2. Można użyć deklaracji using. Na przykład poniższy fragment kodu wprowadza lokalnie możliwość pominięcia przedrostka std:: dla identyfikatorów cout oraz endl: using std::cout; using std::endl;

Dzięki temu przykład z pierwszego podpunktu można by zapisać następująco: cout << std::hex << 3.4 << endl;

3. Można użyć dyrektywy using. Jest to najprostsza możliwość. W wyniku użycia dyrektywy using w stosunku do przestrzeni nazw std wszystkie identyfikatory w niej zdefiniowane stają się dostępne tak, jak gdyby były zadeklarowane globalnie. A zatem instrukcja using namespace std;

pozwala zapisać cout << hex << 3.4 << endl;

Należy zwrócić uwagę, że w przypadku złożonego kodu użycie tej dyrektywy może doprowadzić do przypadkowych konfliktów nazw lub, co gorsza, do odmiennego działania spowodowanego pewnymi niejasnymi regułami przeciążania. Nie należy nigdy stosować dyrektywy using, jeśli kontekst nie jest jasny (jak na przykład w plikach nagłówkowych, modułach czy bibliotekach). Przykłady występujące w tej książce są dość niewielkich rozmiarów, więc dla wygody w pełnych programach przykładowych w całej książce stosowana jest zwykle dyrektywa using.

67

4 2 PLIKI NAGŁÓWKOWE

4.2. Pliki nagłówkowe Użycie przestrzeni nazw std dla wszystkich identyfikatorów biblioteki standardowej C++ zostało wprowadzone podczas procesu standaryzacji. Modyfikacja ta nie jest zgodna wstecz ze starszymi plikami nagłówkowymi, w których identyfikatory biblioteki standardowej C++ zadeklarowane były w zakresie globalnym. Ponadto podczas procesu standaryzacji zmieniły się niektóre interfejsy klas (chociaż celem było zachowanie jak największej zgodności wstecz). Wprowadzono zatem nowy styl dla nazw standardowych plików nagłówkowych. Pozwala to producentom zachować zgodność wstecz przez dołączenie starych plików nagłówkowych. Zdefiniowane nowych nazw dla standardowych plików nagłówkowych było dobrą okazją do standaryzacji rozszerzeń plików nagłówkowych. Wcześniej dla plików nagłówkowych używano kilku rozszerzeń, na przykład .h, .hpp oraz .hxx. Nowe rozszerzenie standardowe dla plików nagłówkowych może być jednak niespodzianką — standardowe pliki nagłówkowe nie posiadają teraz żadnych rozszerzeń. Stąd instrukcje include dla standardowych plików nagłówkowych wyglądają następująco: #include #include

Zasada ta dotyczy również plików nagłówkowych przyjętych ze standardu języka C. Pliki nagłówkowe języka C zamiast starego rozszerzenia .h posiadają teraz nowy przedrostek c: #include #include

// dawniej // dawniej

Wewnątrz tych plików nagłówkowych wszystkie identyfikatory zadeklarowane są w przestrzeni nazw std. Zaletą tego nowego schematu nazewnictwa jest możliwość odróżnienia starego pliku nagłówkowego zawierającego deklaracje funkcji języka C operujących na łańcuchach char* od nowego pliku nagłówkowego odpowiadającego standardowej klasie C++ string: #include #include

// klasa C++ string // funkcje char* jezyka C

Należy zaznaczyć, że wprowadzenie nowego schematu nazewnictwa plików nagłówkowych niekoniecznie oznacza, że nazwy tych plików nie posiadają rozszerzeń z punktu widzenia systemu operacyjnego. To, jak obsługiwane są instrukcje include dla plików nagłówkowych, zależy od implementacji. Systemy języka C++ mogą dodawać rozszerzenie lub nawet korzystać z deklaracji wbudowanych bez czytania pliku. Niemniej jednak, w praktyce większość systemów dołącza po prostu zawartość pliku nagłówkowego o dokładnie tej samej nazwie co podana w instrukcji include. A zatem, w przypadku większości systemów standardowe pliki nagłówkowego C++ nie posiadają po prostu rozszerzenia. Ogólnie rzecz biorąc, wciąż dobrym pomysłem jest stosowanie pewnych rozszerzeń dla własnych plików nagłówkowych w celu łatwiejszej ich identyfikacji w systemie plików.

68

4 POJĘCIA OGÓLNE

Dla zachowania zgodności z językiem C, „stare” standardowe pliki nagłówkowe języka C są wciąż dostępne i w razie konieczności można ich użyć: #include

W takim przypadku identyfikatory zadeklarowane są zarówno w zakresie globalnym, jak i w przestrzeni nazw std. W rzeczywistości te pliki nagłówkowe zachowują się tak, jak gdyby wszystkie identyfikatory zadeklarowane były w przestrzeni nazw std wraz z towarzyszącą im jawną deklaracją using. Standard nie zawiera specyfikacji dotyczącej plików nagłówkowych C++ „starego” formatu, jak na przykład . Pliki te nie są więc obsługiwane. W praktyce większość producentów będzie je najprawdopodobniej załączać w celu zachowania zgodności wstecz. A zatem, ogólnie rzecz biorąc, należy albo używać starych nazw plików nagłówkowych, albo przestawić się na stosowanie tych nowych, standaryzowanych nazw.

4.3. Obsługa błędów i wyjątków Biblioteka standardowa C++ nie jest jednorodna. Zawiera ona oprogramowanie pochodzące z wielu różnych źródeł, odznaczające się odmiennymi stylami projektowania i implementacji. Typowy przykład tego zróżnicowania stanowi obsługa błędów i wyjątków. Niektóre składniki biblioteki, na przykład klasy łańcuchowe, realizują szczegółową obsługę błędów. Sprawdzana jest każda możliwość wystąpienia problemu i w razie wystąpienia błędu zgłaszany jest wyjątek. W przypadku innych składników, takich jak biblioteka STL czy tablice valarray, szybkość jest istotniejsza niż bezpieczeństwo, więc błędy logiczne są tu sprawdzane sporadycznie, a wyjątki zgłaszane tylko w przypadku wystąpienia błędów wykonania.

4.3.1. Standardowe klasy wyjątków Wszystkie wyjątki zgłaszane z poziomu języka lub biblioteki są pochodnymi klasy bazowej exception, definiowanej w nagłówku . Klasa ta stanowi bazę dla kilku standardowych klas wyjątków tworzących hierarchię, co przedstawiono na rysunku 4.1. Klasy wyjątków standardowych można podzielić na trzy grupy: 1. Związane z językiem. 2. Związane z logiką operacji. 3. Związane z przebiegiem wykonania programu. Błędów logicznych zazwyczaj można uniknąć, ponieważ ich przyczyna tkwi w samym programie (np. naruszenie warunku poprawności operacji). Wyjątki czasu wykonania mają zazwyczaj przyczyny poza programem, np. niedostatek zasobów w systemie.

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

69

RYSUNEK 4.1. Hierarchia wyjątków standardowych

Klasy wyjątków do obsługi języka Wyjątki do obsługi języka wykorzystywane są przez elementy języka. W pewnym sensie są one więc częścią właściwego języka, a nie biblioteki. Wyjątki te zgłaszane są w przypadku niepowodzenia następujących operacji:  Wyjątek klasy bad_cast (definiowany w nagłówku ) zgłaszany jest przez operator dynamic_cast, w przypadku gdy podczas wykonywania programu operacja konwersji typu na referencji zakończy się niepowodzeniem.  Wyjątek klasy bad_typeid (definiowany w nagłówku ) zgłaszany jest przez operator typeid służący do identyfikacji typu podczas wykonywania. Wyjątek ten jest zgłaszany, jeśli argument operatora typeid jest zerem lub wskaźnikiem pustym.  Wyjątek klasy bad_exception (definiowany w nagłówku ) służy do obsługi wyjątków nieoczekiwanych. Jest on rzucany z funkcji unexpected(), która wywoływana jest w przypadku zgłoszenia przez jakąś funkcję wyjątku nie wymienionego na jej liście specyfikacji wyjątków; pamiętajmy jednak, że w C++11 specyfikacje wyjątków zostały zarzucone (patrz punkt 3.1.7). Powyższe wyjątki mogą być także zgłaszane przez funkcje biblioteczne, np. wyjątek bad_cast może zostać zgłoszony z funkcji use_facet<>, jeśli dane środowisko lokalizacji nie definiuje wykrywanego aspektu (patrz punkt 16.2.2).

70

4 POJĘCIA OGÓLNE

Klasy wyjątków błędów logicznych Klasy wyjątków używane do obsługi błędów logicznych są zwykle pochodnymi klasy logic_error. Błędy logiczne (ang. logic errors) to błędy, których, przynajmniej teoretycznie, można w programie uniknąć, przez na przykład wykonanie dodatkowych testów argumentów funkcji. Przykładami takich błędów są naruszenia logicznych warunków wstępnych lub niezmiennika klasy. Biblioteka standardowa C++ udostępnia następujące klasy do obsługi błędów logicznych:  Wyjątek klasy invalid_argument służy do zawiadamiania o niepoprawnych argumentach, jak na przykład w przypadku, gdy zbiór bitowy (tablica bitów) zainicjalizowany zostanie wartością typu char inną niż 0 lub 1.  Wyjątek klasy length_error służy do zawiadamiania o próbie wykonania operacji powodującej przekroczenie maksymalnego dopuszczalnego rozmiaru, takiej jak na przykład dołączenie do łańcucha zbyt wielu znaków.  Wyjątek klasy out_of_range służy do zawiadamiania o wystąpieniu wartości argumentu, która nie mieści się w oczekiwanym zakresie, jak na przykład w przypadku użycia błędnego indeksu w kolekcji lub łańcuchu typu tablicowego.  Wyjątek klasy domain_error służy do zawiadamiania o wystąpieniu błędu dziedziny.  W C++11 wyjątek klasy future_error służy do zgłaszania błędów logicznych asynchronicznych wywołań systemowych (patrz rozdział 18.). Błędy czasu wykonania z tej dziedziny są zgłaszane za pośrednictwem klasy system_error. Ogólnie rzecz biorąc, klasy błędów logicznych definiuje nagłówek , z wyjątkiem klasy future_error definiowanej w nagłówku .

Klasy wyjątków błędów czasu wykonania Wyjątki pochodne klasy runtime_error przeznaczone są do zawiadamiania o zdarzeniach, które występują poza zakresem programu i są trudne do uniknięcia. Biblioteka standardowa C++ udostępnia następujące klasy do obsługi błędów wykonania:  Wyjątek klasy range_error służy do zawiadamiania o wystąpieniu błędu zakresu w wewnętrznych obliczeniach. W bibliotece standardowej C++ wyjątek ten może wystąpić w C++11 przy konwersji pomiędzy łańcuchem znaków poszerzonych a łańcuchem znaków jednobajtowych (patrz punkt 16.4.4).  Wyjątek klasy overflow_error służy do zawiadamiania o wystąpieniu przepełnienia arytmetycznego. W bibliotece standardowej C++ wyjątek ten może wystąpić przy konwersji pola bitowego na wartość całkowitoliczbową (patrz punkt 12.5.1).  Wyjątek klasy underflow_error służy do zawiadamiania o wystąpieniu niedomiaru arytmetycznego.  Od C++11 wyjątek klasy system_error służy do zawiadamiania o błędach spowodowanych przez system operacyjny. W bibliotece standardowej C++ wyjątek ten może wystąpić w kontekście wykonania współbieżnego, np. z klasy thread, z klas obsługi hazardów dostępu do danych i z funkcji wykonania asynchronicznego async() (patrz rozdział 18.).

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

71

 Wyjątek klasy bad_alloc zgłaszany jest przy każdym niepowodzeniu globalnego operatora new (z wyjątkiem przypadków użycia wersji nothrow operatora new). Jest to prawdopodobnie najważniejszy wyjątek, ponieważ może on wystąpić w dowolnej chwili w każdym poważniejszym programie.  Od C++11 wyjątek bad_array_new_length (pochodna klasy bad_alloc) jest zgłaszany przez wszystkie wywołania new, jeśli rozmiar tablicy przekazany do new jest ujemny albo tak duży, że przydzielony obiekt przekroczyłby ewentualne limity definiowane przez implementację (mowa wtedy raczej o błędzie logicznym niż błędzie czasu wykonania).  Wyjątek klasy bad_weak_ptr (zdefiniowany w nagłówku ) jest zgłaszany przy nieudanym utworzeniu słabego wskaźnika ze wskaźnika współdzielonego (patrz punkt 5.2.2).  Wyjątek klasy bad_function_call (zdefiniowany w nagłówku ) jest zgłaszany, kiedy adapter obiektu funkcyjnego function jest wywołany bez funktora docelowego (patrz punkt 5.4.4). Ponadto w przypadku składnika wejścia-wyjścia biblioteki standardowej dostępna jest specjalna klasa wyjątków o nazwie ios_base::failure (z nagłówka ). Wyjątek taki może zostać zgłoszony w przypadku zmiany stanu strumienia spowodowanej błędem lub napotkaniem końca pliku. W C++11 klasa ta jest pochodną system_error; w poprzedniej wersji standardu była bezpośrednią pochodną ogólnej klasy exception. Działanie tej klasy wyjątków opisane jest w punkcie 15.4.4. W ujęciu koncepcyjnym wyjątek bad_alloc można by traktować jako błąd systemowy; ale z przyczyn historycznych (i z powodu dużego znaczenia wyjątku) implementacje w obliczu sytuacji braku pamięci do realizacji przydziału powinny raczej zgłaszać wyjątek bad_alloc niż system_error. Co do zasady klasy wyjątków reprezentujących błędy czasu wykonania są definiowane w pliku nagłówkowym ; wyjątek stanowi klasa system_error definiowana w osobnym nagłówku .

Wyjątki zgłaszane przez bibliotekę standardową Z poprzednich punktów wynika, że biblioteka standardowa C++ może inicjować zgłaszanie niemal dowolnych wyjątków. W szczególności przy każdej operacji alokacji pamięci może zostać zgłoszony wyjątek bad_alloc. A ponieważ niektóre mechanizmy biblioteczne używają kodu przekazywanego przez użytkownika (wywołania zwrotne, funktory), pośrednio mogą zgłaszać w zasadzie dowolne wyjątki. Każda implementacja biblioteki standardowej może oferować także dodatkowe klasy wyjątków (czy to jako klasy siostrzane, czy też jako klasy pochodne). Wykorzystanie tych niestandardowych klas sprawia jednak, że dany kod staje się nieprzenośny, ponieważ nie można wówczas użyć innej implementacji biblioteki standardowej bez modyfikacji kodu. Należy więc zawsze korzystać ze standardowych klas wyjątków.

72

4 POJĘCIA OGÓLNE

Pliki nagłówkowe klas wyjątków Klasy wyjątków są definiowane w wielu różnych plikach nagłówkowych. Aby ująć komplet klas wyjątków zgłaszanych potencjalnie przez bibliotekę standardową, należałoby włączyć do programu następujące nagłówki: #include #include #include #include #include #include #include



// klasy exception i bad_exception // większość wyjątków logicznych i czasu wykonania // błędy systemowe (od wersji C++11) // wyjątki braku pamięci // wyjątki wejścia-wyjścia // błędy wykonania asynchronicznego (od wersji C++11) // wyjątki bad_cast i bad_typeid

4.3.2. Składowe klas wyjątków Do obsługi wyjątku wewnątrz klauzuli catch można wykorzystać interfejs definiowany przez klasy wyjątków. Wszystkie klasy wyjątków (bez wyjątku) definiują funkcję składową what(); niektóre klasy wyjątków definiują także funkcję składową code().

Funkcja składowa what() Interfejs wszystkich standardowych klas wyjątków zawiera tylko jedną składową, której można użyć do uzyskania dodatkowych informacji o danym wyjątku poza samym jego typem — funkcję składową what(), która zwraca łańcuch bajtów zakończony znakiem pustym (ang. null-teminated string): namespace std { class exception { public: virtual const char* what() const noexcept; ... }; }

Treść tego łańcucha jest definiowana w implementacji. Warto wiedzieć, że łańcuch ten może być także łańcuchem wielobajtowym odpowiednim do przekonwertowania i wyświetlenia jako łańcuch typu wstring (łańcuchy typu wstring są przedstawione w punkcie 13.2.1). Zwracany przez funkcję what() łańcuch w formacie języka C jest aktualny do momentu zniszczenia obiektu wyjątku, dla którego został on uzyskany bądź przypisania do obiektu wyjątku nowej wartości.

Kody i wartości błędów W przypadku klas wyjątków system_error i future_error dostępna jest dodatkowa funkcja składowa opisująca okoliczności zgłoszenia wyjątku; zanim jednak przejdziemy do jej omówienia, należałoby wprowadzić rozróżnienie pomiędzy kodami błędów (ang. error code) a wartościami błędów (ang. error condition):

73

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

 Kody błędów to „lekkie” obiekty, ujmujące wartości liczbowe, które mogą być zależne od implementacji (choć niektóre kody błędów są ustandaryzowane).  Wartości błędów to obiekty definiujące przenośne abstrakcje opisów błędów. W zależności od kontekstu wyjątki biblioteki standardowej C++ niekiedy określają kody błędów, a niekiedy obiekty błędów. Mianowicie:  Klasa std::errc to obiekty błędów dla wyjątków std::system_error, odpowiadające standardowym systemowym numerom błędów, definiowanym w nagłówkach i .  Klasa std::io_errc definiuje kod błędu dla wyjątków std::ios_base::failure zgłaszanych przez klasy strumieni (od wersji C++11, patrz punkt 15.4.4).  Klasa std::future_errc definiuje kody błędów dla wyjątków std::future_error zgłaszanych przez bibliotekę współbieżności (patrz rozdział 18.). Wykaz wartości błędów określonych dla biblioteki standardowej C++ dla wyjątków system_error wymienia tabela 4.1. W obu przypadkach wartości błędów są implementowane jako klasy wyliczeniowe (ang. scoped enumerators, patrz punkt 3.1.13), stąd konieczność odwołań z przedrostkiem std::errc::. Wartościom błędów muszą odpowiadać konkretne wartości zmiennej systemowej errno, definiowane w i . Same kody błędów (w sensie wartości liczbowych) są natomiast zależne od implementacji. TABELA 4.1. Wartości błędów dla wyjątków system_error Wartość błędu

wyliczenia

address_family_not_supported address_in_use address_not_available already_connected argument_list_too_long argument_out_of_domain bad_address bad_file_descriptor bad_message broken_pipe connection_aborted connection_already_in_progress connection_refused connection_reset cross_device_link destination_address_required device_or_resource_busy directory_not_empty executable_format_error

EAFNOSUPPORT EADDRINUSE EADDRNOTAVAIL EISCONN E2BIG EDOM EFAULT EBADF EBADMSG EPIPE ECONNABORTED EALREADY ECONNREFUSED ECONNRESET EXDEV EDESTADDRREQ EBUSY ENOTEMPTY ENOEXEC

74

4 POJĘCIA OGÓLNE

TABELA 4.1. Wartości błędów dla wyjątków system_error (ciąg dalszy) Wartość błędu

wyliczenia

file_exists file_too_large filename_too_long function_not_supported host_unreachable identifier_removed illegal_byte_sequence inappropriate_io_control_operation interrupted invalid_argument invalid_seek io_error is_a_directory message_size network_down network_reset network_unreachable no_buffer_space no_child_process no_link no_lock_available no_message_available no_message no_protocol_option no_space_on_device no_stream_resources no_such_device_or_address no_such_device no_such_file_or_directory no_such_process not_a_directory not_a_socket not_a_stream not_connected not_enough_memory not_supported operation_canceled operation_in_progress

EEXIST EFBIG ENAMETOOLONG ENOSYS EHOSTUNREACH EIDRM EILSEQ ENOTTY EINTR EINVAL ESPIPE EIO EISDIR EMSGSIZE ENETDOWN ENETRESET ENETUNREACH ENOBUFS ECHILD ENOLINK ENOLCK ENODATA ENOMSG ENOPROTOOPT ENOSPC ENOSR ENXIO ENODEV ENOENT ESRCH ENOTDIR ENOTSOCK ENOSTR ENOTCONN ENOMEM ENOTSUP ECANCELED EINPROGRESS

75

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

TABELA 4.1. Wartości błędów dla wyjątków system_error (ciąg dalszy) Wartość błędu

wyliczenia

operation_not_permitted operation_not_supported operation_would_block owner_dead permission_denied protocol_error protocol_not_supported read_only_file_system resource_deadlock_would_occur resource_unavailable_try_again result_out_of_range state_not_recoverable stream_timeout text_file_busy timed_out too_many_files_open_in_system too_many_files_open too_many_links too_many_symbolic_link_levels value_too_large wrong_protocol_type

EPERM EOPNOTSUPP EWOULDBLOCK EOWNERDEAD EACCES EPROTO EPROTONOSUPPORT EROFS EDEADLK EAGAIN ERANGE ENOTRECOVERABLE ETIME ETXTBSY ETIMEDOUT ENFILE EMFILE EMLINK ELOOP EOVERFLOW EPROTOTYPE

Tabela 4.2 wymienia kody błędów określone przez bibliotekę standardową C++ dla wyjątków typu future_errc. Wszystkie są implementowane jako klasy wyliczeniowe (patrz punkt 3.1.13), więc w odwołaniach do kodów błędów konieczne jest stosowanie przedrostka std::future_errc::1. TABELA 4.2. Kody błędów dla wyjątków future_error Kod błędu

Znaczenie

broken_promise future_already_retrieved promise_already_satisfied no_state

futura porzucona ponowne wywołanie get_future() futura spełniona operacja na nieważnej futurze

Jedynym kodem błędu określonym dla wyjątków ios_base::failure jest std:: io_errc::stream. 1 W standardzie C++11 kody błędów dla operacji asynchronicznych zostały zdefiniowane tak, że future_errc::broken_promise ma wartość 0. Ale ponieważ zwyczajowo zerowy kod błędu oznacza „brak błędu”, okazało się to błędem projektowym, który naprawiono w ten sposób, że wartości kodów błędów zostały uzależnione od implementacji.

76

4 POJĘCIA OGÓLNE

Stosowanie kodów i wartości błędów Kody i wartości błędów są w bibliotece standardowej rozróżnione za pomocą pary typów std::error_code i std::error_condition. Może się przez to wydawać, że korzystanie z kodów błędów jest jakoś skomplikowane, jednak biblioteka została zaprojektowana tak, żeby zawsze dało się porównać kody błędów z wartościami błędów, również jeśli są używane przez wartości klas wyliczeniowych. Na przykład dla dowolnego obiektu błędu ec typu std::error_code lub std::error_condition można wykonać następujące porównania: if (ec == std::errc::invalid_argument) { // wykrywanie wartości błędu ... } if (ec == std::future_errc::no_state) { // wykrywanie kodu błędu ... }

Kiedy więc chodzi tylko o sprawdzenie wystąpienia spodziewanego błędu, różnica pomiędzy kodami a wartościami błędów jest nieistotna. Obsługa kodów i wartości błędów jest implementowana w klasie std::system_ error (i jej pochodnej std::ios_base::failure) oraz w klasie std::_future_error za pośrednictwem dodatkowej niewirtualnej funkcji składowej code(), zwracającej obiekt klasy std::error_code2: namespace std { class system_error : public runtime_error { public: virtual const char* what() const noexcept; const error_code& code() const noexcept; ... }; class future_error : public logic_error { public: virtual const char* what() const noexcept; const error_code& code() const noexcept; ... }; }

Klasa error_code udostępnia zaś funkcje składowe umożliwiające pobieranie dodatkowych informacji o błędzie: namespace std { class error_code { public: const error_category& category() const noexcept; int value() const noexcept; string message() const; explicit operator bool() const noexcept; 2

Gwoli ścisłości, deklaracje te znajdują się w innych plikach nagłówkowych, a metoda what() nie jest tu deklarowana jako wirtualna, ale dziedziczy swoją wirtualność z deklaracji w klasie bazowej.

77

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

error_condition ...

default_error_condition() const noexcept;

}; }

Taki interfejs został podyktowany następującymi założeniami:  Różne biblioteki mogą wykorzystywać te same wartości liczbowe do opisywania różnych kodów błędów. Każdy błąd posiada więc wartość i kategorię, a wartość kodu błędu jest unikatowa i posiada zdefiniowane znaczenie wyłącznie w obrębie jego kategorii.  Funkcja składowa message() zwraca komunikat opisu błędu, zazwyczaj wchodzący w skład łańcucha zwracanego przez funkcję what(), choć nie jest to wymóg ścisły.  Operator bool() mówi, czy kod błędu jest ustawiony (0 oznacza tu „brak błędu”). Kod błędu w chwyconym wyjątku powinien więc dla tego operatora zwracać true.  Funkcja składowa default_error_condition() zwraca odpowiadający błędowi obiekt wartości błędu error_condition (z funkcjami category(), value(), message() i z operatorem bool()): namespace std { class error_condition { public: const error_category& category() const noexcept; int value() const noexcept; string message() const; explicit operator bool() const noexcept; ... }; }

Klasa std::error_category definiuje następujący interfejs: namespace std { class error_category { public: virtual const char* name() const noexcept = 0; virtual string message (int ev) const = 0; virtual error_condition default_error_condition (int ev) const noexcept; bool operator == (const error_category& rhs) const noexcept; bool operator != (const error_category& rhs) const noexcept; ... }; }

Funkcja składowa name() tego interfejsu zwraca nazwę kategorii błędu. Składowe message() i default_error_condition() zwracają (odpowiednio) komunikat opisu błędu i domyślną wartość błędu odpowiadającą przekazanej wartości (tu delegowane są wywołania odpowiednich funkcji składowych klasy error_code). A operatory == i != pozwalają na porównywanie kategorii błędów. W bibliotece standardowej C++ zdefiniowano następujące nazwy kategorii błędów:

78

4 POJĘCIA OGÓLNE

 "iostream" — dla wyjątków strumieni wejścia-wyjścia I/O typu ios_base:: failure;  "generic" — dla wyjątków typu system_error, gdzie wartość błędu odpowiada wartości zmiennej errno definiowanej wg standardu POSIX;  "system" — dla wyjątków typu system_error, gdzie wartość błędu nie odpowiada wartości zmiennej errno definiowanej wg standardu POSIX;  "future" — dla wyjątków typu future_error. Dla każdej z powyższych kategorii udostępniono globalne funkcje zwracające obiekt kategorii3: const const const const

error_category& error_category& error_category& error_category&

generic_category() noexcept; system_category() noexcept; iostream_category(); future_category() noexcept;

// w // w // w // w

Skoro tak, to dla obiektu kodu błędu e można np. sprawdzić, czy jest to błąd wejścia-wyjścia, wykonując następujące porównanie: if (e.code().category() == std::iostream_category())

Poniższy kod zawiera uogólnioną funkcję ilustrującą sposób przetwarzania (tu: wypisywania) wyjątków różnych typów: // util/exception.hpp #include #include #include #include template void processCodeException (const T& e) { using namespace std; auto c = e.code(); cerr << "- kategoria: " << c.category().name() << endl; cerr << "- wartość: " << c.value() << endl; cerr << "- opis: " << c.message() << endl; cerr << "- domyślan kategoria: " << c.default_error_condition().category().name() << endl; cerr << "- domyślna wartość: " << c.default_error_condition().value() << endl; cerr << "- domyślny opis: " << c.default_error_condition().message() << endl; } void processException() { using namespace std; try { throw; // ponowne zgłoszenie wyjątku do dopasowania } catch (const ios_base::failure& e) { 3

Brak słowa noexcept w deklaracji funkcji iostream_category() to najprawdopodobniej przeoczenie.

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

79

cerr << "WYJĄTEK I/O: " << e.what() << endl; processCodeException(e); } catch (const system_error& e) { cerr << "WYJĄTEK SYSTEMOWY: " << e.what() << endl; processCodeException(e); } catch (const future_error& e) { cerr << "WYJĄTEK WYKONANIA ASYNCHRONICZNEGO: " << e.what() << endl; processCodeException(e); } catch (const bad_alloc& e) { cerr << "WYJĄTEK ALOKACJI: " << e.what() << endl; } catch (const exception& e) { cerr << "WYJĄTEK: " << e.what() << endl; } catch (...) { cerr << "WYJĄTEK (nieznany)" << endl; } }

Dzięki powyższemu można obsługiwać wyjątki następująco: try { ... } catch (...) { processException(); }

Pozostałe składowe klas wyjątków Pozostałe składowe standardowych klas wyjątków odpowiadają za tworzenie, kopiowanie, przypisywanie oraz niszczenie obiektów wyjątków. Należy zauważyć, że w przypadku ani jednej standardowej klasy wyjątków nie istnieje, poza funkcją what(), żadna dodatkowa składowa opisująca rodzaj wyjątku. Nie ma na przykład przenośnego sposobu na ustalenie kontekstu wyjątku czy nieprawidłowego indeksu odpowiedzialnego za błąd zakresu. A zatem przenośna realizacja oceny wyjątku polegałaby jedynie na wyświetleniu komunikatu zwróconego przez funkcję what(): try { ... } catch (const std:exception& error) { //wyświetl komunikat o błędzie zdefiniowany w implementacji std::cerr << error.what() << std::endl; ... }

Jedyną inną możliwą realizacją oceny mogłaby być interpretacja dokładnego typu wyjątku. Na przykład w przypadku wystąpienia wyjątku bad_alloc program mógłby próbować uzyskać więcej pamięci.

80

4 POJĘCIA OGÓLNE

4.3.3. Przekazywanie wyjątków z użyciem klasy exception_ptr Od wersji C++11 biblioteka standardowa C++ daje możliwość przechowywania wyjątków w obiektach typu exception_ptr, celem przetworzenia ich później bądź w innym kontekście: #include std::exception_ptr eptr; // obiekt przechowujący wyjątek (albo nullptr) void foo () { try { throw ...; } catch (...) { eptr = std::current_exception(); // zachowanie obiektu wyjątku // na później } } void bar () { if (eptr != nullptr) { std::rethrow_exception(eptr); // przetworzenie zachowanego wyjątku } }

Funkcja current_exception() zwraca obiekt typu exception_ptr, zainicjowany referencją do obecnego wyjątku. Wartość zwracana funkcji current_exception() pozostaje poprawna dopóty, dopóki odnosi się do niej obiekt exception_ptr. Funkcja rethrow_exception() służy z kolei do ponownego zgłoszenia przechowanego wyjątku; w powyższym przykładzie funkcja bar() zachowa się tak, jakby wyjątek pochodzący z wywołania funkcji foo() został zgłoszony właśnie wewnątrz bar(). Przydaje się to zwłaszcza tam, gdzie zachodzi potrzeba przekazania wyjątków pomiędzy wątkami (patrz punkt 18.2.1).

4.3.4. Zgłaszanie wyjątków standardowych Wyjątki standardowe można zgłaszać wewnątrz własnej biblioteki lub programu. Wszystkie standardowe klasy wyjątków, które to umożliwiają, posiadają konstruktor jednoargumentowy przyjmujący obiekt typu string, ewentualnie (od C++11) klasyczny łańcuch znaków const char *, który stanie się opisem zwracanym przez funkcję what(). Klasa logic_error na przykład zdefiniowana jest następująco: namespace std { class logic_error: public exception { public:

4 3 OBSŁUGA BŁĘDÓW I WYJĄTKÓW

81

explicit logic_error (const string& whatString); explicit logic_error (const char* whatString); // C++11 }; }

Klasa std::system_error daje możliwość konstrukcji obiektu wyjątku na podstawie kodu błędu, łańcucha znaków opisu błędu i (opcjonalnej) kategorii: namespace std { class system_error : public runtime_error { public: system_error (error_code ec, const string& what_arg); system_error (error_code ec, const char* what_arg); system_error (error_code ec); system_error (int ev, const error_category& ecat, const string& what_arg); system_error (int ev, const error_category& ecat, const char* what_arg); ... }; }

Obiekt error_code można pozyskać za pośrednictwem funkcji pomocniczej make_ error_code(), wywoływanej z wartością kodu błędu. Klasa std::ios_base::failure udostępnia konstruktory przyjmujące łańcuch znaków dla funkcji składowej what() oraz (od C++11) opcjonalny obiekt typu error_code. Z kolei klasa std::future_error posiada jedynie konstruktor przyjmujący wyłącznie obiekt typu error_code. Wobec powyższego zgłaszanie standardowych klas wyjątków jest całkiem proste: throw std::out_of_range ("out_of_range (gdzieś, z jakiegoś powodu)"); throw std::system_error (std::make_error_code(std::errc::invalid_argument), "niepoprawny argument ...");

Nie wolno zgłaszać wyjątków klasy bazowej exception ani żadnej z klas wyjątków przeznaczonych do obsługi języka (bad_cast, bad_typeid, bad_exception).

4.3.5. Tworzenie klas pochodnych standardowych klas wyjątków Inną możliwością wykorzystania standardowych klas wyjątków we własnym kodzie jest zdefiniowanie specjalnych klas wyjątków wyprowadzonych bezpośrednio lub pośrednio z klasy exception. Aby tego dokonać, należy zapewnić działanie mechanizmu funkcji what(), ewentualnie mechanizmu funkcji code(). Przykłady wchodzące w skład pełnego programu można znaleźć w punkcie 12.1.4 (klasa Stack).

82

4 POJĘCIA OGÓLNE

4.4. Obiekty wywoływalne Biblioteka standardowa C++ w różnych miejscach odwołuje się do pojęcia obiektu wywoływalnego (ang. callable object), oznaczającego obiekt, który w jakiś sposób realizuje semantykę wywołania funkcji. Może to być:  funkcja wywoływana z ewentualnymi dodatkowymi argumentami;  wskaźnik do funkcji składowej wywoływanej na rzecz obiektu (zawsze przez wskaźnik albo referencję) i z ewentualnymi dodatkowymi argumentami;  obiekt funkcyjny (czyli operator operator() przekazanego obiektu) z ewentualnymi dodatkowymi argumentami przekazanymi do wywołania operatora operator();  lambda (patrz punkt 3.1.10), będąca zresztą specyficznym rodzajem obiektu funkcyjnego. Na przykład: void func (int x, int y); auto l = [] (int x, int y) { ... }; class C { public: void operator () (int x, int y) const; void memfunc (int x, int y) const; }; int main() { C c; std::shared_ptr sp(new C); // bind() wiąże obiekty wywoływalne z argumentami wywołania std::bind(func,77,33)(); // wywoła func(77,33) std::bind(l,77,33)(); // wywoła l(77,33) std::bind(C(),77,33)(); // wywoła C::operator()(77,33) std::bind(&C::memfunc,c,77,33)(); // wywoła c.memfunc(77,33) std::bind(&C::memfunc,sp,77,33)(); // wywoła sp->memfunc(77,33) // async() używa obiektów wywoływalnych jako zadań asynchronicznych // (zadań wykonywanych w tle) std::async(func,42,77); // wywoła func(42,77) std::async(l,42,77); // wywoła l(42,77) std::async(c,42,77); // wywoła c.operator()(42,77) std::async(&C::memfunc,&c,42,77); // wywoła c.memfunc(42,77) std::async(&C::memfunc,sp,42,77); // wywoła sp->memfunc(42,77) }

Jak widać, do realizacji wywołania funkcji składowej na rzecz obiektu nadaje się nawet inteligentny wskaźnik shared_ptr (patrz podrozdział 5.2). Funkcja std::bind() jest opisywana szerzej w punkcie 10.2.2, a funkcja std::async() w podrozdziale 18.1.

4 5 WIELOWĄTKOWOŚĆ I WSPÓŁBIEŻNOŚĆ

83

Do deklarowania obiektów wywoływalnych można stosować uogólnioną klasę std::function<> (patrz punkt 5.4.4).

4.5. Wielowątkowość i współbieżność Język C++ ani jego biblioteka standardowa przed wersją C++11 nie oferowały żadnego wsparcia dla programowania współbieżnego; implementacje miały co prawda wolną rękę w definiowaniu gwarancji dotyczących wykonania współbieżnego. W C++11 uległo to radykalnej poprawie: programowanie współbieżne zostało uwzględnione nie tylko w bibliotece standardowej, ale i w rdzeniu języka C++. Co do samego języka elementy programowania współbieżnego to:  Nowy model pamięci, który gwarantuje, że aktualizacje na dwóch różnych obiektach realizowane z poziomu dwóch różnych wątków są od siebie niezależne. Przed C++11 nie było gwarancji, że zapis wartości do zmiennej typu char w jednym wątku pozostanie bez wpływu na inny zapis innej wartości typu char w innym wątku (patrz punkt „The memory model” w [Stroustrup:C++0x]).  Słowo kluczowe thread_local wprowadzone dla potrzeb zmiennych i obiektów lokalnych względem wątku wykonania. W bibliotece standardowej otrzymujemy natomiast:  Pewne gwarancje dotyczące wielobieżności.  Klasy i funkcje wspierające programowanie współbieżne (jak rozpoczynanie i synchronizowanie wykonania wątków). Klasy i funkcje wspierające programowanie współbieżne zostały omówione w rozdziale 18. Rzeczone gwarancje są natomiast omawiane w różnych miejscach książki, chciałbym jednak zawrzeć tu chociaż ogólny przegląd zasadniczych gwarancji wykonania współbieżnego.

Ogólne gwarancje wykonania współbieżnego w bibliotece standardowej C++ Ogólne ograniczenia i wymagania C++11 co do współbieżności i wielowątkowości przedstawiają się następująco:  Co do zasady współdzielenie obiektu bibliotecznego przez wiele wątków wykonania — z których przynajmniej jeden przeprowadza modyfikacje obiektu — może powodować niezdefiniowane zachowanie programu. Cytując standard: „modyfikowanie obiektu typu biblioteki standardowej, współdzielonego pomiędzy wątkami wykonania, naraża na niezdefiniowane zachowanie, chyba że obiekty danego typu są jawnie określone jako nadające się do współdzielenia bez hazardu dostępu do danych obiektu albo użytkownik dostarczy zewnętrzny mechanizm blokowania dostępu”.

84

4 POJĘCIA OGÓLNE

 Używanie w jednym wątku obiektu, który dopiero podlega konstrukcji realizowanej w innym wątku, powoduje niezdefiniowane zachowanie. Analogicznie usuwanie w jednym wątku obiektu, który jest używany w innym wątku, powoduje niezdefiniowane zachowanie. Dotyczy to również obiektów, których funkcja polega na synchronizowaniu wykonania wątków. Najważniejsze miejsca, w których zapewniono wsparcie dla współbieżnego dostępu do obiektów bibliotecznych, to:  W przypadku kontenerów STL (patrz rozdział 7.) i adapterów kontenerów (patrz rozdział 12.) dane są następujące gwarancje:  Możliwy jest współbieżny dostęp do odczytu; obejmuje to wywołania funkcji składowych begin(), end(), rbegin(), rend(), front(), back(), data(), find(), lower_bound(), upper_bound(), equal_range(), at() oraz (z wyjątkiem kontenerów asocjacyjnych) funkcji składowej operator[], a także dostęp przez iteratory, jeśli jest to dostęp niemodyfikujący zawartości kontenerów.  Możliwy jest współbieżny dostęp do różnych elementów tego samego kontenera (z wyjątkiem klasy vector): różne wątki mogą współbieżnie odczytywać i zapisywać różne elementy tego samego kontenera. Na przykład wątki mogą niezależnie od siebie „transformować” (tzn. odczytywać i w jakiś sposób zmieniać) różne elementy współdzielonego wektora.  W przypadku operacji formatowanego wejścia-wyjścia do standardowych strumieni synchronizowanych na bazie mechanizmów wejścia-wyjścia z C (patrz punkt 15.14.1) dostęp współbieżny jest dozwolony, chociaż może powodować mieszanie zawartości wyjścia. Dotyczy to strumieni std::cin, std:: cout i std::cerr. Współbieżny dostęp do innych strumieni (łańcuchowych, plikowych, na buforze) powoduje niezdefiniowane zachowanie programu.  Współbieżne wywołania funkcji atexit() i at_quick_exit() (patrz punkt 5.8.2) są synchronizowane; to samo dotyczy funkcji, które ustawiają i odczytują ustawienie procedur obsługi sygnałów (set_new_handler(), set_unexpected(), set_terminate() i odpowiadających im funkcji odczytujących ustawienie). Synchronizowane jest także wywołanie funkcji getenv().  Współbieżne wywołania wszystkich funkcji składowych domyślnego alokatora (patrz rozdział 19.), z wyjątkiem destruktorów, są synchronizowane. Zauważmy też, że biblioteka standardowa gwarantuje brak „ukrytych” efektów ubocznych, które wpływałyby na możliwość współbieżnego dostępu do różnych obiektów. Tak więc biblioteka standardowa C++:  nie odwołuje się do obiektów innych niż wymagane w kontekście danej operacji;  nie może wewnętrznie wprowadzać współdzielonych obiektów statycznych pozbawionych synchronizacji;  pozwala implementacji na zrównoleglenie operacji tylko wtedy, kiedy nie będzie to powodowało widocznych efektów ubocznych dla programisty (z zastrzeżeniem z punktu 18.4.2).

4 6 ALOKATORY

85

4.6. Alokatory W kilku miejscach biblioteki standardowej C++ używane są specjalne obiekty realizujące operacje alokacji i dealokacji pamięci. Takie obiekty zwane są alokatorami; reprezentują one specjalny model pamięci i są używane w roli abstrakcji do przełożenia potrzeby użycia pamięci na właściwe żądanie przydziału pamięci. Jednoczesne stosowanie różnych obiektów alokatorów pozwala na korzystanie w programie z różnych modeli pamięci. Alokatory zostały pierwotnie wprowadzone jako składnik biblioteki STL w celu rozwiązania uciążliwego problemu istnienia różnych typów wskaźnikowych na platformie PC (takich jak wskaźniki bliskie, dalekie oraz odległe). Obecnie stanowią one bazę dla rozwiązań technicznych wykorzystujących kilka modeli pamięci, takich jak pamięć dzielona, mechanizm „odśmiecania” (ang. garbage collection) oraz obiektowe bazy danych, bez potrzeby modyfikacji interfejsów. To zastosowanie jest jednak stosunkowo nowe i nie jest szeroko rozpowszechnione (co najprawdopodobniej ulegnie zmianie). W bibliotece standardowej C++ zdefiniowany jest alokator domyślny: namespace std { template class allocator; }

Alokator domyślny stosowany jest jako wartość domyślna wszędzie tam, gdzie jako argument może zostać użyty alokator. Alokator realizuje zwyczajne żądania alokacji i dealokacji pamięci, czyli wywołuje operatory new oraz delete. Nie zostało jednak określone, kiedy i jak często wywoływane są te operatory. A więc implementacja alokatora domyślnego może na przykład wewnętrznie buforować alokowaną pamięć. W większości programów wykorzystywany jest alokator domyślny. Niekiedy jednak inne biblioteki oferują alokatory odpowiadające określonym potrzebom. W takich przypadkach należy po prostu przekazywać je jako argumenty. Definiowanie własnych alokatorów ma sens jedynie w sporadycznych sytuacjach. W praktyce używany jest zwykle alokator domyślny. Z tego względu dyskusja o alokatorach zostanie odłożona aż do rozdziału 19., w którym szczegółowo omówione zostaną nie tylko same alokatory, lecz także ich interfejsy.

86

4 POJĘCIA OGÓLNE

5

Narzędzia

W tym rozdziale omówimy ogólne narzędzia biblioteki standardowej C++. Narzędzia te to:  Klasy pair<> i tuple<>.  Klasy inteligentnych wskaźników (shared_ptr<> i unique_ptr<>).  Ograniczenia liczbowe1.  Cechy typowe i narzędzia typowe.  Funkcje pomocnicze (na przykład min(), max() czy swap()).  Klasa ratio<>.  Zegary i liczniki.  Wybrane ważne funkcje języka C. Większość, lecz nie wszystkie, z tych narzędzi opisana jest w klauzuli 20., „General Utilities”, standardu C++. Pozostałe opisane są wspólnie z ważniejszymi składnikami biblioteki albo z powodu głównego ich zastosowania wraz z danym składnikiem, albo z przyczyn historycznych. Na przykład kilka podstawowych funkcji pomocniczych zdefiniowanych jest jako część pliku nagłówkowego , pomimo że nie są one algorytmami w znaczeniu biblioteki STL (omawianych w rozdziale 6.). Niektóre z tych narzędzi są również wykorzystywane wewnątrz biblioteki standardowej C++. W szczególności typ pair używany jest wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba traktowania dwóch wartości jako pojedynczego elementu (na przykład gdy funkcja zwraca dwie wartości); z kolei cechy typowe są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wykonywania skomplikowanych konwersji typów.

1

Można się spierać, czy ograniczenia liczbowe nie powinny być omawiane w rozdziale 17., który poświęcony jest liczbom, lecz zdecydowano się opisać je w tym miejscu, ponieważ są one również wykorzystywane w obrębie kilku innych składników biblioteki.

88

5. NARZĘDZIA

5.1. Pary i krotki W C++98, czyli w pierwszej wersji biblioteki standardowej języka C++, pojawiła się prosta klasa pair, pozwalająca na tworzenie par wartości różnych typów bez konieczności pisania własnych klas czy struktur. Klasa ta była w C++98 wykorzystywana przede wszystkim w roli wartości zwracanych przez niektóre funkcje standardowe, a także w roli typu elementów kontenerów przechowujących pary klucz-wartość. Specyfikacja TR1 wprowadziła klasę tuple jako rozszerzenie koncepcji pary na pojęcie krotki o dowolnej (choć jednak ograniczonej) liczbie elementów. Różnice pomiędzy implementacjami ograniczały przenośność kodu do krotek o maksymalnie 10 elementach różnych typów. W C++11 klasa tuple została przerobiona z użyciem szablonów o dowolnej liczbie argumentów (ang. variadic templates, patrz punkt 3.1.9). Dzięki temu współczesna standardowa klasa krotki reprezentuje kolekcję niejednorodnych elementów o faktycznie dowolnym rozmiarze. Klasa pair pozostała dostępna jako użyteczny przypadek szczególny krotki dwuelementowej i została uzupełniona o możliwość stosowania w połączeniu z krotkami dwuelementowymi. Klasa pair w C++11 doczekała się zresztą licznych rozszerzeń, które stanowią dobrą ilustrację zmian zarówno w rdzeniu języka C++, jak i w jego bibliotece standardowej.

5.1.1. Pary Klasa pair umożliwia potraktowanie dwóch wartości jako pojedynczego elementu. Jest ona wykorzystywana w kilku miejscach wewnątrz biblioteki standardowej C++. W szczególności klasy kontenerowe map, multimap, unordered_map oraz unordered_multimap używają klasy pair do zarządzania ich elementami, które są parami klucz-wartość (patrz podrozdział 7.8). Innym przykładem zastosowania klasy pair są funkcje zwracające dwie wartości, jak minmax() (patrz punkt 5.5.1). Struktura pair zdefiniowana jest w pliku nagłówkowym ; operacje zdefiniowane w tej strukturze wymienia tabela 5.1. Ogólnie mówiąc, pary da się tworzyć, przypisywać, kopiować i zamieniać, a także porównywać. Dodatkowo struktura zawiera zagnieżdżone definicje typów first_type i second_type, reprezentujące typy składowych (odpowiednio) first i second.

Dostęp do składowych Dostęp do składowych pary typu pair jest możliwy bezpośrednio; z tego właśnie powodu typ pair został zadeklarowany nie jako klasa, ale jako struktura, z wszystkimi składowymi jako publicznymi:

89

5.1. PARY I KROTKI

TABELA 5.1. Operacje na wartościach typu pair Operacja pair p pair p(val1,val1) pair p(rv1,rv2) pair p(piecewise_ construct,t1,t2) pair p(p2) pair p(rv) p = p2 p = rv p.first p.second get<0>(p) get<1>(p) p1 == p2 p1 != p2 p1 < p2 p1 > p2 p1 <= p2 p1 >= p2 p1.swap(p2) swap(p1,p2) make_pair(val1,val2)

Działanie Konstruktor domyślny; tworzy parę wartości typów T1 i T2, inicjalizowanych ich konstruktorami domyślnymi. Tworzy parę wartości typów T1 i T2, inicjalizowanych wartościami val1 i val1. Tworzy parę wartości typów T1 i T2, inicjalizowanych przeniesieniem z wartości rv1 i rv1. Tworzy parę wartości typów T1 i T2, inicjalizowanych elementami krotek t1 i t2. Konstruktor kopiujący; tworzy p jako kopię p2. Konstruktor przenoszący; przenosi zawartość rv do p (z możliwą niejawną konwersją typów). Przypisuje wartość p2 do p (w C++11 z możliwą niejawną konwersją typów). Przypisuje przeniesioną wartość rv do p (od C++11, z możliwą niejawną konwersją typów). Zwraca pierwszą wartość pary p (bezpośredni dostęp do składowej). Zwraca drugą wartość pary p (bezpośredni dostęp do składowej). Odpowiednik p.first (od C++11). Odpowiednik p.second (od C++11). Określa, czy para p1 jest równa parze p2 (równoważne wyrażeniu p1.first==p2.first && p1.second==p2.second). Określa, czy para p1 jest różna od pary p2 (odpowiednik !(p1==p2)). Określa, czy para p1 jest mniejsza od pary p2 (porównuje składowe first obu par, a jeśli są równe — składowe second). Określa, czy para p1 jest większa od pary p2 (p2
namespace std { template struct pair { // składowe T1 first;

90

5. NARZĘDZIA

T2 second; ... }; }

Na przykład implementacja ogólnego szablonu wypisującego parę wartości do strumienia wyglądałaby tak2: // uogólniony operator zapisu do strumienia wyjściowego dla par (rozwiązanie niepełne) template std::ostream& operator << (std::ostream& strm, const std::pair& p) { return strm << "[" << p.first << "," << p.second << "]"; }

Dodatkowo, począwszy od C++11, para udostępnia interfejs wzorowany na krotkach (patrz punkt 5.1.2), co oznacza możliwość odwoływania się do tuple_size<>:: value w celu ustalenia liczby składowych pary i do tuple_element<>::type w celu ustalenia typów składowych pary; można też używać funkcji składowej get() zwracającej wartość składowej first albo second, zależnie od wartości pozatypowego argumentu szablonu: typedef std::pair IntFloatPair; IntFloatPair p(42,3.14); std::get<0>(p) // zwraca p.first std::get<1>(p) // zwraca p.second std::tuple_size::value // zwraca 2 std::tuple_element<0,IntFloatPair>::type // zwraca int

Konstruktory i operatory przypisania Konstruktor domyślny tworzy parę wartości o wartościach inicjalizowanych przez konstruktory domyślne ich typów. Zgodnie z regułami języka jawne wywołanie konstruktora domyślnego inicjalizuje także podstawowe typy danych, takie jak int. A więc deklaracja std::pair p;

// inicjalizuj p.first oraz p.second zerami

powoduje inicjalizację wartości pary p za pomocą konstruktorów int() oraz float(), co w obydwu przypadkach daje wartości zerowe. Opis reguł dotyczących jawnej inicjalizacji typów podstawowych można znaleźć w punkcie 3.2.1. Konstruktor kopiujący dostępny jest zarówno dla par identycznego typu, jak i w wersji szablonu składowej, co pozwala na niejawne konwertowanie par inicjalizujących konstrukcję. Jeśli tylko typy są zgodne, w konstrukcji kopiującej uczestniczy niejawnie generowany konstruktor kopiujący3. Na przykład: 2

Zauważ, że tak zdefiniowany operator zapisu do strumienia wyjściowego nie zadziała tam, gdzie nie zadziała ADL (rozstrzyganie wywołania na bazie argumentów) — patrz punkt 15.11.1. 3 Konstruktor szablonowy nie przesłania wygenerowanego niejawnie konstruktora domyślnego. Więcej szczegółów na ten temat znajduje się w punkcie 3.2.1.

5.1. PARY I KROTKI

91

void f(std::pair); void g(std::pair); ... void foo() { std::pair p(42,"witaj"); f(p); // OK: wywołuje wbudowany domyślny konstruktor kopiujący g(p); // OK: wywołuje konstruktor wzorcowy }

Począwszy od C++11, nie da się skompilować szablonu pair<> z typem, który posiada wyłącznie konstruktor kopiujący z referencji modyfikowalnej (deklarowanej bez słowa const)4: class A { public: ... A(A&); // konstruktor kopiujący z referencji modyfikowalnej (bez const) ... }; std::pair p; // Błąd w C++11

Począwszy od C++11, operator przypisania jest dostępny również w wersji szablonowej, co także pozwala na niejawne konwertowanie typów przy przypisaniu z pary o innym, ale zgodnym typie. Dodatkowo w C++11 zaimplementowano dla par semantykę przenoszenia.

Konstrukcja z elementów krotek Klasa pair<> pozwala na inicjalizowanie składowych first i second za pośrednictwem jednego z trzech konstruktorów: namespace std { template struct pair { ... pair(const T1& x, const T2& y); template pair(U&& x, V&& y); template pair(piecewise_construct_t, tuple first_args, tuple second_args); ... }; }

Pierwsze dwa z tych konstruktorów nie wyróżniają się niczym szczególnym: przyjmują po dwa argumenty dla odpowiednich składowych pary, implementując semantykę kopiowania albo przenoszenia (z niejawną konwersją typów). Ale trzeci konstruktor jest szczególny, bo pozwala na inicjalizację z dwóch krotek, to znaczy obiektów o dowolnej liczbie składowych (elementów) różnych typów (patrz punkt 5.1.2), przetwarzanych w nietypowy sposób. Otóż użycie jednej albo dwóch krotek 4

Podziękowania dla Daniela Krüglera za podpowiedź.

92

5. NARZĘDZIA

z jednym z dwóch pierwszych konstruktorów doprowadziłoby do utworzenia pary, której składowymi byłyby krotki. Tymczasem trzeci konstruktor pozwala na inicjalizację składowych pary nie krotkami, ale ich elementami składowymi. Wymuszenie tego zachowania wymaga przekazania dodatkowego parametru std::piecewise_ construct. Oto przykład: // util/pair1.cpp #include #include #include using namespace std; class Foo { public: Foo (tuple) { cout << "Foo::Foo(tuple)" << endl; } template Foo (Args... args) { cout << "Foo::Foo(args...)" << endl; } }; int main() { // utworzenie krotki t: tuple t(1,2.22); // przekazanie krotki jako całości do konstruktora klasy Foo: pair p1 (42, t); // przekazanie elementów krotki do konstruktora klasy Foo: pair p2 (piecewise_construct, make_tuple(42), t); }

Program wypisze na wyjściu: Foo::Foo(tuple) Foo::Foo(args...)

Użycie konstruktora przyjmującego (dowolną) liczbę elementów krotki (tu w postaci pary wartości typu int i float) jest wymuszane przekazaniem wartości std:: piecewise_construct w roli pierwszego argumentu wywołania konstruktora; jego nieobecność oznaczałaby inicjalizację składowej pary krotką jako całością. W powyższym przykładzie oznacza to wymuszenie wywołania konstruktora Foo o zmiennej liczbie parametrów. Gdyby natomiast klasa Foo udostępniała konstruktor Foo::Foo(int, float), zostałby wywołany właśnie on. Jak widać, wymuszenie tego zachowania wymaga przekazania krotek do obu argumentów konstruktora pary. Stąd w poprzednim przykładzie jawna konwersja wartości skalarnej 42 na krotkę wykonywana za pośrednictwem funkcji make_tuple() (alternatywą byłaby jawna konstrukcja krotki wyrażeniem std::tuple(42)).

5.1. PARY I KROTKI

93

Zauważmy, że ta postać inicjalizacji pary jest niezbędna do umieszczenia nowego elementu w (nieporządkującej) mapie albo multimapie wywołaniem emplace() (patrz punkty 7.8.2 i 7.9.3).

Funkcja pomocnicza make_pair() Szablon funkcji make_pair() umożliwia tworzenie pary wartości bez jawnego określania typów5. Wykorzystując funkcję make_pair(), możemy na przykład napisać: std::make_pair(42,'@')

zamiast std::pair(42,'@')

Przed C++11 funkcja ta była definiowana jako: namespace std { // utwórz parę wartości jedynie przez podanie samych wartości template pair make_pair (const T1& x, const T2& y) { return pair(x,y); } }

W C++11 rzecz nieco się skomplikowała, a to z powodu uwzględnienia semantyki przeniesienia. Tak więc począwszy od C++11 funkcja make_pair() jest deklarowana następująco: namespace std { // utwórz parę wartości jedynie przez podanie samych wartości template pair make_pair (T1&& x, T2&& y); }

przy czym dookreślenie zwracanych wartości i ich typów V1 i V2 jest zależne od typów argumentów x i y. Bez wgłębiania się w szczegóły należy powiedzieć, że standard narzuca funkcji make_pair() stosowanie semantyki przeniesienia, ewentualnie semantyki kopiowania, kiedy przeniesienie jest niemożliwe. Ponadto funkcja dokonuje „degradacji” typów argumentów, co oznacza, że wyrażenie make_ pair("a", "xy") zwróci parę typu pair, a nie pair (patrz punkt 5.4.2). Funkcja make_pair() umożliwia wygodne przekazanie dwóch wartości pary bezpośrednio do funkcji wymagającej typu pair jako argumentu. Rozważmy następujący przykład: void f(std::pair); void g(std::pair); ... void foo() { f(std::make_pair(42,"witaj")); // przekaż dwie wartości jako parę 5

Użycie funkcji make_pair() nie powinno powodować dłuższego czasu wykonania. Kompilator powinien zawsze zoptymalizować ewentualne dodatkowe obciążenie.

94

5. NARZĘDZIA

g(std::make_pair(42,"witaj"));

// przekaż dwie wartości jako parę // z wykorzystaniem operacji konwersji typu

}

Jak pokazuje powyższy przykład, funkcja make_pair() znacznie upraszcza przekazanie dwóch wartości jako jednego argumentu typu pair. Działa ona nawet w przypadku, gdy typy nie są ze sobą całkowicie zgodne, ponieważ konstruktor wzorcowy realizuje niejawną konwersję typu. Cecha ta jest często wykorzystywana w przypadku programowania z użyciem kontenerów map oraz multimap (patrz punkt 7.8.2). Począwszy od C++11, parę można konstruować także za pomocą listy inicjalizującej: f({42,"pusto"}); g({42,"witaj"});

// przekazanie dwóch wartości jako pary // przekazanie dwóch wartości jako pary z konwersją typów

Należy jednak przy tym zauważyć, że wyrażenie zawierające jawne określenie typu ma pewną zaletę, ponieważ wynikowy typ pary jest w tym przypadku jasno zdefiniowany. Na przykład wyrażenie std::pair(42,7.77)

nie daje w wyniku tego samego co std::make_pair(42,7.77)

To ostatnie wyrażenie tworzy parę, której druga wartość jest typu double (nieuściślone literały zmiennoprzecinkowe są typu double). Dokładny typ może być istotny w przypadku korzystania z funkcji przeciążonych lub wzorców. Funkcje te lub wzorce mogą na przykład udostępniać wersje dla obydwu typów (float oraz double) w celu zapewnienia lepszej wydajności. Nowa semantyka przeniesienia w C++11 pozwala sterować wyborem semantyki przy konstrukcji pary. Aby wymusić semantykę przeniesienia, wystarczy ująć przekazywane argumenty w wywołaniach std::move(), sygnalizujących, że nie zostaną one więcej użyte za miejscem wywołania make_pair(): std::string s, t; ... auto p = std::make_pair(std::move(s),std::move(t)); ... // s i t nie będą już używane

W celu wymuszenia semantyki kopiowania należy ująć argumenty make_pair() w zwracające referencję wywołania std::ref(), ewentualnie std::cref() (dla referencji niemodyfikowalnych) (oba są zdefiniowane w pliku nagłówkowym ; patrz punkt 5.4.3). Na przykład w poniższym programie para odnosi się dwukrotnie do tej samej zmiennej typu int, co w wyniku wykonania programu nadaje tej zmiennej wartość 2: #include #include #include int i = 0; auto p = std::make_pair(std::ref(i),std::ref(i)); // tworzy parę pair ++p.first; // zwiększa wartość i

95

5.1. PARY I KROTKI

++p.second; // ponownie zwiększa wartość i std::cout << "i: " << i << std::endl; // wypisuje: i: 2

Począwszy od C++11, z parami można używać również interfejsu tie() z pliku nagłówkowego służącego do wyodrębniania wartości pary: #include #include #include std::pair p=std::make_pair('x','y');

// para dwóch znaków

char c; std::tie(std::ignore,c) = p; // wyodrębnienie drugiej składowej (pierwsza jest ignorowana) do c

W istocie para p jest tu przypisywana do krotki, w której druga wartość jest referencją do c (patrz punkt 5.1.2).

Porównywanie par Operacje porównania dwóch par realizowane są w bibliotece standardowej C++ za pomocą zwykłych operatorów porównania. Dwie pary wartości są sobie równe, jeśli obydwie wartości są równe: namespace std { template bool operator== (const pair& x, const pair& y) { return x.first == y.first && x.second == y.second; } }

Przy porównywaniu par pierwsza wartość posiada wyższy priorytet. A zatem jeśli pierwsze wartości dwóch par różnią się, to wynik ich porównania jest brany jako wynik porównania całych par. Jeśli natomiast pierwsze wartości są sobie równe, wówczas wynik operacji daje porównanie drugich wartości: namespace std { template bool operator< (const pair& x, const pair& y) { return x.first < y.first || (!(y.first < x.first) && x.second < y.second); } }

Odpowiednio zdefiniowane są pozostałe operatory porównania.

Przykłady użycia par W bibliotece standardowej C++ pary używane są często. Kontenery map oraz multimap na przykład wykorzystują typ pair do zarządzania swoimi elementami, które są parami klucz-wartość. Ogólny opis kontenerów map oraz multimap można znaleźć w podrozdziale 7.8, a przykład pokazujący zastosowanie typu pair — w punkcie 6.2.2.

96

5. NARZĘDZIA

Obiekty typu pair są również wykorzystywane wewnątrz biblioteki standardowej C++ w funkcjach zwracających dwie wartości (patrz przykład w punkcie 7.7.2).

5.1.2. Krotki Krotki (ang. tuples) zostały wprowadzone w TR1 jako rozszerzenie koncepcji par na dowolną liczbę elementów dowolnego typu. Krotki reprezentują więc niejednorodną (co do typu) listę elementów, których typy są określane albo wnioskowane na etapie kompilacji. Jednakże w TR1 na bazie definicji języka z C++98 niemożliwe było zdefiniowanie szablonu o zupełnie dowolnej liczbie elementów. Z tego powodu implementacje musiały określać maksymalną liczbę elementów w krotce. Specyfikacja z TR1 rekomendowała, aby krotka mogła składać się z co najmniej dziesięciu elementów, a same krotki były zazwyczaj definiowane jak poniżej (choć niektóre implementacje oferowały większą liczbę parametrów szablonu): template
T0 T3 T6 T9

= = = =

..., typename T1 = ..., typename T2 = ..., ..., typename T4 = ..., typename T5 = ..., ..., typename T7 = ..., typename T8 = ..., ...>

Szablon klasy krotki był więc parametryzowany dziesięcioma typami, z zależnymi od implementacji domyślnymi wartościami dla nieużywanych elementów. Była to w gruncie rzeczy technika emulacji dzisiejszych szablonów o dowolnej liczbie parametrów, która w praktyce była jednak uciążliwa w stosowaniu i dość mocno ograniczona. W C++11 wraz z wprowadzeniem szablonów o dowolnej liczbie parametrów (ang. variadic template) możliwe stało się definiowanie szablonów o faktycznie nieograniczonej liczbie parametrów (patrz punkt 3.1.9). W efekcie klasa krotki (w pliku nagłówkowym ) mogła zostać zdefiniowana jak poniżej: namespace std { template class tuple; }

Operacje na krotkach Interfejs krotki jest bardzo prosty i pozwala:  tworzyć krotkę przez deklarację jawną albo niejawnie jako wartość zwracaną z funkcji pomocniczej make_tuple();  odwoływać się do elementów za pośrednictwem szablonu funkcji get<>(). Oto prosty przykład użycia tego interfejsu: // util/tuple1.cpp #include #include

97

5.1.2. KROTKI

#include #include using namespace std; int main() { // tworzy krotkę czteroelementową // - elementy są inicjalizowane wartościami domyślnymi (0 w przypadku typów podstawowych) tuple> t; // jawne utworzenie i zainicjalizowanie krotki tuple t1(41,6.3,"janek"); // "przeglądanie" elementów cout << get<0>(t1) << " cout << get<1>(t1) << " cout << get<2>(t1) << " cout << endl;

krotki: "; "; ";

// tworzenie krotki wywołaniem make_tuple() // - słowo auto zastępuje deklarację typu t2 po prawej stronie // - typ t2 to tuple auto t2 = make_tuple(22,44,"janek"); // przypisanie drugiej wartości z t2 do odpowiedniej wartości z t1 get<1>(t1) = get<1>(t2); // porównywanie i przypisywania // - z konwersją typu z tuple na tuple włącznie if (t1 < t2) { // porównanie wartości do wartości t1 = t2; // OK, przypisanie wartości do wartości } }

Poniższa instrukcja tworzy niejednorodną co do typów elementów krotkę czteroelementową: tuple> t;

Wartości elementów są tu inicjalizowane poprzez wywołania domyślnych konstruktorów ich typów. Wartości typów podstawowych są inicjalizowane zerem (gwarancja ta obowiązuje, począwszy od C++11). Instrukcja: tuple t1(41,6.3,"janek");

tworzy i inicjalizuje niejednorodną co do typu elementów krotkę trzyelementową. Alternatywnie krotkę można zainicjalizować za pośrednictwem funkcji make_ tuple(), tworzącej krotkę z automatycznym wnioskowaniem o typach elementów na podstawie typów argumentów wywołania funkcji. Na przykład poniższe wyrażenie tworzy i inicjalizuje krotkę o elementach typu int, int i const char*6: make_tuple(22,44,"janek")

6

Właściwy typ argumentu "janek" to const char[6], ale typ ten jest „degradowany” do postaci wskaźnika do tablicy za pośrednictwem szablonu std::decay() (patrz punkt 5.4.2).

98

5. NARZĘDZIA

Zauważ, że typ elementu krotki może być referencją. Na przykład: string s; tuple t(s); get<0>(t) = "witaj";

// pierwszy element krotki t to referencja do s // przypisanie łańcucha "witaj" do s

Krotka nie jest klasycznym kontenerem, nie pozwala więc na iterowanie po elementach. Do odwoływania się do elementów służą szablony składowych; odwołanie do elementu wymaga statycznego (to jest w czasie kompilacji) określenia indeksu elementu. Na przykład pierwszy element krotki t1 można wydobyć następującym wyrażeniem: get<0>(t1)

Indeks elementu nie może być wartością obliczaną w czasie wykonania: int i; get(t1)

// błąd kompilacji: i musi być stałą czasu kompilacji

Dobrą informacją jest to, że błędem kompilacji kończy się również próba odwołania do nieistniejącego indeksu: get<3>(t1)

// błąd kompilacji, jeśli t1 ma mniej niż 4 elementy

Dodatkowo krotki implementują typowe operacje kopiowania, przypisywania i porównania. Dla wszystkich tych operacji możliwa jest niejawna konwersja typów elementów (to dzięki szablonom składowych), ale liczba elementów musi być dokładnie zgodna. Krotki są równe, jeśli ich odpowiadające sobie elementy są równe. Do sprawdzania relacji „mniejsze niż” pomiędzy krotkami wykorzystywane jest porównanie leksykograficzne odpowiednich elementów (patrz punkt 11.5.4). Operacje dostępne dla krotek wymienia tabela 5.2. TABELA 5.2. Operacje na wartościach typu tuple Operacja

Działanie

tuple t

Tworzy krotkę o n elementach podanych typów, inicjalizowanych wywołaniami konstruktorów domyślnych (albo zerem w przypadku elementów typów podstawowych). Tworzy krotkę o n elementach podanych typów, inicjalizowanych podanymi wartościami. Tworzy krotkę o dwóch elementach podanych typów, inicjalizowanych wartościami przekazanej pary (pair) p (typy składowych pary muszą pasować do typów elementów krotki). Przypisuje wartości elementów krotki t2 do elementów krotki t1. Przypisuje wartości składowych pary p do elementów dwuelementowej krotki t (typy odpowiednich elementów muszą być zgodne). Określa, czy t1 jest równe t2 (czy elementy krotki t1 są równe odpowiadającym elementom krotki t2). Określa, czy t1 jest różne od t2 (!(t1==t2)).

tuple t(v1,v2,...,vn) tuple t(p)

t = t2 t = p

t1 == t2 t1 != t2

99

5.1.2. KROTKI

TABELA 5.2. Operacje na wartościach typu tuple (ciąg dalszy) Operacja

Działanie

Określa, czy t1 jest mniejsze od t2 (przez porównanie leksykograficzne). t1 > t2 Określa, czy t1 jest większe od t2 (t2= t2 Określa, czy t1 jest większe lub równe t2 (!(t1
Funkcje pomocnicze make_tuple() i tie() Funkcja make_tuple() tworzy krotkę wartości o typach wnioskowanych z typów argumentów wywołania funkcji. Na przykład wyrażenie: make_tuple(22,44,"janek")

tworzy i inicjalizuje krotkę elementów o typach int, int i const char*. Za pośrednictwem specjalnego obiektu funkcyjnego reference_wrapper<> i związanych z nim funkcji pomocniczych ref() i cref() (dostępnych w C++11 w pliku nagłówkowym ; patrz punkt 5.4.3) można w pewnym zakresie regulować typ elementów krotki zwracanej przez make_tuple(). Na przykład poniższe wyrażenie zwraca krotkę z referencją do zmiennej (obiektu) s: string s; make_tuple(ref(s)) // zwraca typ tuple, gdzie element jest referencją do obiektu s

Jest to istotne, kiedy zamierzamy modyfikować wartość przechowywaną w krotce: std::string s; auto x = std::make_tuple(s); std::get<0>(x) = "moja wartość"; auto y = std::make_tuple(ref(s)); std::get<0>(y) = "moja wartość";

// // // //

x jest typu tuple modyfikacja x, bez modyfikacji s y jest typu tuple, więc zawiera referencję do s modyfikacja y, z modyfikacją s

Użycie funkcji make_tuple() z referencjami pozwala na wyodrębnianie wartości krotki z powrotem do innych zmiennych. Weźmy następujący przykład: std::tuple t(77,1.1,"więcej pary"); int i; float f; std::string s; // przypisanie wartości krotki t do zmiennych i, f i s: std::make_tuple(std::ref(i),std::ref(f),std::ref(s)) = t;

Aby stosowanie krotki z referencjami było jeszcze wygodniejsze, można użyć funkcji tie(), dedykowanej tworzeniu krotek referencji:

100

5. NARZĘDZIA

std::tuple t(77,1.1,"więcej pary"); int i; float f; std::string s; std::tie(i,f,s) = t; // przypisanie wartości krotki t do zmiennych i, f i s

W powyższym kodzie wywołanie std::tie(i,f,s) tworzy nową krotkę z referencjami do zmiennych i, f i s, więc przypisanie do tej krotki t oznacza przypisanie wartości elementów t do zmiennych i, f oraz s. Argumentami wywołania tie() mogą być wartości std::ignore jako referencje ignorowane; pozwala to na częściowe wyodrębnianie elementów krotki: std::tuple t(77,1.1,"więcej pary"); int i; std::string s; std::tie(i,std::ignore,s) = t; // przypisanie pierwszej i trzeciej wartości t do zmiennych i i s

Krotki i listy inicjalizujące Konstruktor krotki przyjmujący dowolną liczbę argumentów wywołania jest deklarowany ze słowem explicit: namespace std { template class tuple { public: explicit tuple(const Types&...); template explicit tuple(UTypes&&...); ... }; }

Ma to zapobiec niejawnemu konwertowaniu pojedynczych wartości na krotki jednoelementowe: template void foo (const std::tuple t); foo(42); // OK foo(make_tuple(42)); // BŁĄD: wymagana jawna konwersja na typ tuple<>

Ma to jednak swoje konsekwencje przy definiowaniu wartości krotki za pośrednictwem listy inicjalizującej. Nie można na przykład przy inicjalizacji krotki skorzystać ze składni przypisania, bo ta jest traktowana jako niejawna konwersja typu: std::tuple t1(42,3.14); std::tuple t2{42,3.14}; std::tuple t3 = {42,3.14};

// OK, stara składnia // OK, nowa składnia // BŁĄD

Ponadto nie można przekazywać listy inicjalizującej w miejsce, w którym oczekiwana jest krotka: std::vector> v { {1,1.0}, {2,2.0} }; // BŁĄD std::tuple foo() { return { 1, 2, 3 }; // BŁĄD }

101

5.1.2. KROTKI

Zauważ, że analogiczna składnia działa z parami i kontenerami (z wyjątkiem tablic array<>): std::vector> v1 { {1,1.0}, {2,2.0} }; // OK std::vector> v2 { {1,1.0}, {2,2.0} }; // OK std::vector foo2() { return { 1, 2, 3 }; // OK }

Jednak w przypadku klasy tuple<> konieczne jest jawne konwertowanie wartości inicjalizujących na typ krotki (na przykład poprzez skorzystanie z funkcji make_ tuple()): std::vector> v { std::make_tuple(1,1.0), std::make_tuple(2,2.0) }; // OK std::tuple foo() { return std::make_tuple(1,2,3); }

// OK

Pozostałe cechy krotek Dla krotek zdefiniowano dodatkowe elementy pomocnicze, mające na celu wsparcie programowania uogólnionego:  tuple_size::value zwraca liczbę elementów krotki;  tuple_element::type zwraca typ elementu o indeksie idx (jest to typ zwracany przez funkcję get());  tuple_cat() łączy wiele krotek w jedną. Użycie szablonów tuple_size<> i tuple_element<> ilustruje poniższy przykład: typename std::tuple TupleType; std::tuple_size::value // zwraca 3 std::tuple_element<1,TupleType>::type // zwraca float

Funkcja tuple_cat() nadaje się do łączenia wszelkich odmian krotek, z parami typu pair<> włącznie: int n; auto tt = std::tuple_cat (std::make_tuple(42,7.7,"witaj"),std::tie(n));

Zmienna tt staje się tu krotką obejmującą wszystkie elementy przekazanych krotek, ze zdefiniowaną ostatnim argumentem wywołania referencją do zmiennej n włącznie.

5.1.3. Wejście-wyjście dla krotek Klasa tuple pojawiła się we właściwym kształcie w bibliotece Boost (patrz [Boost]). Tamtejsza krotka posiadała interfejs do wypisywania wartości do strumieni wyjściowych, ale w standardzie C++ ten element specyfikacji krotki nie został uwzględniony.

102

5. NARZĘDZIA

Poniższy plik nagłówkowy pozwala jednak na łatwe wypisywanie dowolnych krotek do dowolnych strumieni wyjściowych za pośrednictwem klasycznego operatora zapisu do strumienia <<7: // util/printtuple.hpp #include #include // pomocnik: wypisuje element o indeksie IDX dla krotki o MAX elementach template struct PRINT_TUPLE { static void print (std::ostream& strm, const std::tuple& t) { strm << std::get(t) << (IDX+1==MAX ? "" : ","); PRINT_TUPLE::print(strm,t); } }; // specjalizacja częściowa przerywająca rekurencję template struct PRINT_TUPLE { static void print (std::ostream& strm, const std::tuple& t) { } }; // operator zapisu do strumienia dla krotek template std::ostream& operator << (std::ostream& strm, const std::tuple& t) { strm << "["; PRINT_TUPLE<0,sizeof...(Args),Args...>::print(strm,t); return strm << "]"; }

Powyższy kod intensywnie korzysta z metaprogramowania szablonowego w celu rekurencyjnego iterowania się (w czasie kompilacji) po elementach krotki. Każde wywołanie PRINT_TUPLE<>::print() wypisuje pojedynczy element krotki i wywołuje tę samą funkcję rekurencyjnie dla następnego elementu. Rekurencję kończy specjalizacja częściowa dla przypadku indeksu IDX równego liczbie elementów MAX. Na przykład poniższy program: // util/tuple2.cpp #include "printtuple.hpp" #include #include #include using namespace std; int main() { tuple t(77,1.1,"więcej pary"); 7

Zauważ, że tak zdefiniowany operator zapisu do strumienia nie działa tam, gdzie nie działa dopasowywanie wywołania według reguły ADL (dopasowania zależnego od argumentów) — patrz punkt 15.11.1.

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

103

cout << "io: " << t << endl; }

wypisze na wyjściu: io: [77,1.1,więcej pary]

Użyte w programie wyrażenie: cout << t

inicjuje wywołanie: PRINT_TUPLE<0,3,Args...>::print(cout,t);

5.1.4. Konwersje pomiędzy krotkami a parami Zgodnie z wykazem w tabeli 5.2 dwuelementowa krotka może być inicjalizowana parą typu pair<>. Co więcej, parę da się przypisać do dwuelementowej krotki. Zauważ, że typ pair<> udostępnia specjalny konstruktor inicjalizujący składowe pary elementami krotki (patrz punkt 5.1.1). Zauważ też, że interfejs charakterystyczny dla krotki mogą udostępniać również inne typy; dotyczy to klas pair<> (patrz punkt 5.1.1) i array<> (patrz punkt 7.2.5).

5.2. Inteligentne wskaźniki Język C pokazuje, że wskaźniki są równie ważne jak niebezpieczne. Jednym z zadań wskaźników jest udostępnienie semantyki referencji obejmującej więcej niż bieżący zasięg widoczności. Niestety, właściwe zarządzanie czasem życia wskaźników i obiektów wskazywanych jest trudne, zwłaszcza jeśli do tego samego obiektu wskazuje większa liczba wskaźników. Jeśli na przykład ten sam obiekt ma być umieszczony w wielu kolekcjach, trzeba w nich umieścić wskaźniki do obiektu, i zadbać o to, aby obiekt istniał co najmniej tak długo, jak długo istnieją wskazujące do niego elementy kolekcji (nie można dopuścić ani do wystąpienia „wiszącego” wskaźnika, ani do wielokrotnego zwalniania obiektu za pośrednictwem różnych wskaźników); do tego obiekt powinien zostać w końcu zwolniony, tak aby jeśli nie ma do niego wskaźników, nie prowokować „wycieku zasobów”. Tego rodzaju problemy zwykło się rozwiązywać za pośrednictwem „inteligentnych wskaźników”. Ich „inteligencja” objawia się tym, że wyręczają programistę w zarządzaniu czasem życia obiektu wskazywanego, eliminując wymienione problemy. Inteligentny wskaźnik może być na przykład na tyle inteligentny, aby „wiedzieć”, że jest ostatnim wskaźnikiem do danego obiektu i zgodnie z tą wiedzą zwolnić obiekt wskazywany w ramach własnej destrukcji. Zauważ jednak, że nie da się opracować jednej klasy wskaźnika uniwersalnie inteligentnego. Wskaźniki mogą być inteligentne w różnych aspektach odpowiednio do różnych sytuacji i potrzeb, a to dlatego, że uniwersalna inteligencja oznaczałaby zdecydowanie wysokie narzuty zarządzania. I nawet pomimo wydzielenia

104

5. NARZĘDZIA

specjalizowanych wskaźników do różnych zadań wciąż nie stanowią one pełnego zabezpieczenia przed niepoprawnym użyciem i niepoprawnym zachowaniem programu. Począwszy od C++11, biblioteka standardowa języka C++ udostępnia dwa rodzaje inteligentnych wskaźników: 1. Klasę shared_ptr dla wskaźników implementujących pojęcie współdzielonej własności obiektu. Pozwala ona na współistnienie wielu wskaźników do tego samego obiektu wskazywanego i implementuje zwalnianie obiektu wskazywanego w momencie zwalniania ostatniego wskaźnika. Do realizacji tego zadania w mniej typowych przypadkach powołano dodatkowe klasy pomocnicze, takie jak weak_ptr, bad_weak_ptr czy enable_shared_from_this. 2. Klasę unique_ptr dla wskaźników implementujących pojęcie wyłącznej własności obiektu. Taki wskaźnik gwarantuje istnienie dokładnie jednego wskaźnika do obiektu wskazywanego w danym momencie. Pozwala jednak na przenoszenie własności. Jest to przydatne zwłaszcza do unikania wycieku zasobów w kontekście występowania wyjątków, kiedy to zachodzi ryzyko pominięcia wywołania delete po utworzeniu obiektów przez new. W C++98 biblioteka standardowa udostępniała tylko jedną klasę inteligentnych wskaźników, a mianowicie klasę auto_ptr<>, zaprojektowaną do zadań, które obecnie realizuje klasa unique_ptr. Jednak z uwagi na niedostatek elementów języka w rodzaju semantyki przeniesienia w konstruktorach i operatorach przypisania klasa ta była niejednokrotnie używana niepoprawnie. Dlatego kiedy w TR1 wprowadzono klasę shared_ptr, a w C++11 klasę unique_ptr, klasa auto_ptr została oficjalnie uznana za przeznaczoną do wycofania. Oznacza to, że została zachowana ze względu na zgodność ze starszym kodem, ale nie należy jej stosować w nowych programach. Wszystkie klasy inteligentnych wskaźników są definiowane w pliku nagłówkowym .

5.2.1. Klasa shared_ptr Niemal każdy nietrywialny program musi operować obiektami widocznymi z wielu miejsc i w różnych momentach wykonania. Potrzebne są więc „odwołania” do obiektów, używane w rozmaitych miejscach programu. Sam język udostępnia co prawda wskaźniki i referencje, ale same w sobie są one niewystarczające, ponieważ niejednokrotnie zachodzi potrzeba zagwarantowania usunięcia obiektu wskazywanego wraz z usunięciem ostatniego „odwołania”, co ma zapewniać wykonanie operacji porządkujących stan programu (zwolnienie pamięci, zwolnienie zasobów skojarzonych z obiektem). Potrzebna jest więc semantyka „sprzątania po obiekcie, kiedy ten nie jest już nigdzie używany”. Semantykę tę, w wydaniu ze współdzieleniem własności obiektu, realizuje klasa shared_ptr. Daje ona możliwość używania wielu wskaźników shared_ptr odnoszących się do tego samego obiektu wskazywanego i biorących go

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

105

w „posiadanie”. Ostatni istniejący wskaźnik współdzielony, będący właścicielem obiektu wskazywanego, jest odpowiedzialny za zwolnienie obiektu i jego zasobów. Domyślnie zwolnienie obiektu polega na wywołaniu na jego rzecz operatora delete (przy założeniu, że obiekt został utworzony wywołaniem new). Możliwe jest jednak (a czasem konieczne) definiowanie własnych operacji porządkowania stanu obiektu w postaci własnych wytycznych zwalniania obiektu wskazywanego. Jeśli na przykład obiekt wskazywany jest tablicą przydzielaną przez new [], zwolnienie obiektu powinno odbywać się przez wywołanie delete []. Inne wytyczne zwalniania będą dotyczyły obiektów przechowujących dodatkowe zasoby, takie jak pliki, uchwyty systemowe, blokady i tym podobne. Podsumowując, zadaniem wskaźników typu shared_ptr jest automatyzacja usuwania zasobów skojarzonych z obiektem wskazywanym w momencie, kiedy obiekt ten nie jest już więcej używany (ale nie wcześniej).

Stosowanie wskaźników współdzielonych shared_ptr Klasę shared_ptr stosuje się bardzo podobnie jak zwyczajny wskaźnik: wskaźniki współdzielone można przypisywać, kopiować i porównywać, a także stosować z operatorami wyłuskania * i ->, udostępniającymi obiekt wskazywany i jego składowe. Weźmy następujący przykład: // util/sharedptr1.cpp #include #include #include #include using namespace std; int main() { // dwa współdzielone wskaźniki reprezentujące dwa imiona shared_ptr pNico(new string("nico")); shared_ptr pJutta(new string("jutta")); // popraw zapis imion wielką literą (*pNico)[0] = 'N'; pJutta->replace(0,1,"J"); // umieść wskaźniki w kontenerze (wielokrotnie) vector> whoMadeCoffee; whoMadeCoffee.push_back(pJutta); whoMadeCoffee.push_back(pJutta); whoMadeCoffee.push_back(pNico); whoMadeCoffee.push_back(pJutta); whoMadeCoffee.push_back(pNico); // wypisz wszystkie elementy for (auto ptr : whoMadeCoffee) { cout << *ptr << " "; } cout << endl;

106

5. NARZĘDZIA

// jeszcze raz zmień pisownię jednego z imion *pNico = "Nicolai"; // ponownie wypisz wszystkie elementy for (auto ptr : whoMadeCoffee) { cout << *ptr << " "; } cout << endl; // wypisz wewnętrzne dane wskaźnika cout << "use_count: " << whoMadeCoffee[0].use_count() << endl; }

Po dołączeniu do programu pliku nagłówkowego zawierającego definicję klasy shared_ptr deklarujemy i inicjalizujemy dwa wskaźniki współdzielone typu shared_ptr, ujmujące wskaźniki do dwóch łańcuchów znakowych: shared_ptr pNico(new string("nico")); shared_ptr pJutta(new string("jutta"));

Ponieważ konstruktor wskaźnika typu shared_ptr z pojedynczym argumentem wywołania jest deklarowany ze słowem explicit, nie można tu zastosować składni inicjalizacji przez przypisanie, ponieważ jest ona traktowana jako niejawna konwersja typu. Można za to użyć nowej dla C++11 składni inicjalizacji listą inicjalizującą: shared_ptr pNico = new string("nico"); // BŁĄD shared_ptr pNico{new string("nico")}; // OK

Można też skorzystać z funkcji pomocniczej make_shared(): shared_ptr pNico = make_shared("nico"); shared_ptr pJutta = make_shared("jutta");

Ten sposób tworzenia i inicjalizacji wskaźnika shared_ptr jest szybszy i prostszy, ponieważ wykorzystuje jedną alokację w miejsce dwóch: jednej dla obiektu wskazywanego i jednej dla danych wewnętrznych wskaźnika współdzielonego (patrz punkt 5.2.4). Alternatywnie wskaźnik współdzielony można zadeklarować osobno i dopiero później przypisać do niego nowy wskaźnik. Nie można jednak wykonać tego za pomocą operatora przypisania, a tylko za pośrednictwem funkcji składowej reset() wskaźnika: shared_ptr pNico4; pNico4 = new string("nico"); // BŁĄD: nie ma przypisania zwykłego wskaźnika pNico4.reset(new string("nico")); // OK

Następne dwa wiersze programu pokazują, że używanie wskaźników shared_ptr nie różni się od stosowania zwyczajnych wskaźników: (*pNico)[0] = 'N'; pJutta->replace(0,1,"J");

Operator * klasy shared_ptr zwraca obiekt wskazywany przez pNico, co pozwala na przypisanie do niego wielkiej litery 'N' na pierwszej pozycji wskazywanego łańcucha

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

107

znakowego. Operator -> klasy shared_ptr udostępnia składowe obiektu wskazywanego, co w programie przykładowym pozwala na wywołanie jego funkcji składowej replace() celem wykonania zamiast podciągu znaków (patrz punkt 13.3.7). Następnie oba wskaźniki współdzielone są wielokrotnie umieszczane w kontenerze typu vector<> (patrz podrozdział 7.3). Kontener zwyczajowo przechowuje kopie przekazywanych elementów, co oznacza, że gdybyśmy umieszczali tam wprost łańcuchy znakowe, kontener wykonałby ich kopie. Ponieważ jednak umieszczamy w nim (współdzielone) wskaźniki, kontener przechowuje kopie wielu wskaźników odnoszących się do tego samego obiektu. Modyfikacja obiektu wskazywanego byłaby więc widoczna za pośrednictwem wszystkich wskaźników przechowywanych w kontenerze. Widać to po zmianie wartości łańcucha wskazywanego przez pNico: *pNico = "Nicolai";

Wszystkie wykonane wcześniej wskaźniki odnoszą się oczywiście do nowej wartości obiektu; zachowanie programu ilustruje rysunek 5.1, a także komunikaty wypisywane przez sam program: Jutta Jutta Nico Jutta Nico Jutta Jutta Nicolai Jutta Nicolai use_count: 4

RYSUNEK 5.1. Stosowanie wskaźników współdzielonych

Ostatni wiersz wyjścia programu to wynik wywołania funkcji składowej use_count() na rzecz jednego z przechowywanych w kontenerze egzemplarzy inteligentnego wskaźnika. Funkcja składowa use_count() zwraca liczbę istniejących w danym momencie wskaźników współdzielących dostęp do tego samego obiektu wskazywanego. Jak widać, pod koniec programu istnieją cztery wskaźniki współdzielące własność obiektu wskazywanego przez pierwszy element wektora: wskaźnik pJutta i trzy kopie tego wskaźnika umieszczone w kontenerze. W ramach kończenia wykonywania programu, kiedy usunięty zostanie ostatni ze wskaźników współdzielonych do danego obiektu, destruktor tego wskaźnika spowoduje zwolnienie obiektu wskazywanego. Zwolnienie to niekoniecznie musi nastąpić wraz z końcem danego zasięgu — można je wymusić wcześniej, na przykład przypisując do pNico wskaźnik pusty nullptr (patrz punkt 3.1.1) albo zmieniając rozmiar wektora tak, aby zawierał jedynie dwa pierwsze elementy — jeśli

108

5. NARZĘDZIA

wszystkie usunięte z wektora elementy są wskaźnikami shared_ptr do tego samego obiektu, obiekt ten zostanie zwolniony wraz z ostatnim takim wskaźnikiem.

Własna funkcja usuwająca Wskaźnik typu shared_ptr pozwala na określenie własnej funkcji usuwającej, na przykład takiej, która przed zwolnieniem obiektu wskazywanego wypisuje komunikat: shared_ptr pNico(new string("nico"), [](string* p) { cout << "delete " << *p << endl; delete p; }); ... pNico = nullptr; // pNico nie wskazuje już do łańcucha znaków "nico" whoMadeCoffee.resize(2); // wszystkie kopie wskaźnika pNico zostały usunięte

Drugim argumentem konstruktora shared_ptr może być funkcja, funktor albo lambda (patrz punkt 3.1.10). Tak zadeklarowany wskaźnik pNico spowoduje, że w momencie zwalniania ostatniego wskaźnika-współwłaściciela obiektu wskazywanego zwolnienie tego obiektu będzie odbywać się poprzez wywołanie lambdy. Prezentowany wcześniej program przykładowy z taką modyfikacją wypisałby na wyjściu: delete Nicolai

tuż po wywołaniu resize(). Efekt byłby taki sam, gdybyśmy najpierw zmienili rozmiar wektora, a potem przypisali nullptr do wskaźnika pNico (dokładnie wtedy nastąpiłoby wykonanie lambdy). Inny przykład zastosowania klasy shared_ptr<> to współdzielenie elementów przez dwa kontenery w podrozdziale 7.11.

Obsługa tablic Domyślna operacja zwalniania implementowana we wskaźnikach shared_ptr sprowadza się do wywołania delete, nigdy delete[]. Oznacza to, że domyślna funkcja usuwająca jest właściwa wyłącznie dla wskaźników do obiektów tworzonych za pośrednictwem operatora new. Niestety, utworzenie wskaźnika shared_ptr dla tablicy jest możliwe, choć niepoprawne: std::shared_ptr p(new int[10]); // BŁĄD, mimo że się kompiluje

Jeśli więc obiekt wskazywany jest tworzony jako tablica za pomocą wywołania new[], przypisanie go do inteligentnego wskaźnika wymaga zdefiniowania własnej funkcji usuwającej. Może ona mieć postać funkcji, obiektu funkcyjnego albo lambdy, która wewnętrznie wywoła delete [] dla argumentu wywołania, jak tutaj: std::shared_ptr p(new int[10], [](int* p) {

109

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

delete[] p; });

Można też skorzystać z udogodnienia przewidzianego pierwotnie do użycia z klasą unique_ptr, definiującego funkcję usuwającą jako delete [] (patrz punkt 5.2.5): std::shared_ptr p(new int[10], std::default_delete());

Zauważ jednak, że klasy shared_ptr i unique_ptr są nieco inaczej przystosowane do obsługi tablic. Na przykład wskaźniki typu unique_ptrs dają możliwość definiowania tablicowego typu obiektu wskazywanego poprzez jawną konkretyzację szablonu, podczas gdy w klasie shared_ptr jest to niemożliwe: std::unique_ptr p(new int[10]); std::shared_ptr p(new int[10]);

// OK // BŁĄD kompilacji

Ponadto w przypadku wskaźników unique_ptrs zdefiniowanie własnej funkcji usuwającej wymaga jawnego dookreślenia drugiego parametru szablonu: std::unique_ptr p(new int[10], [](int* p) { delete[] p; });

Wskaźnik typu shared_ptr nie definiuje operatora indeksowania tablic []. Tymczasem dla typu unique_ptr istnieje częściowa specjalizacja dla typów tablicowych, z operatorem indeksowania [] zamiast operatorów * i ->. Przyczyną takiej implementacji jest założone optymalizowanie klasy unique_ptr pod kątem elastyczności i wydajności (patrz punkt 5.2.8).

Funkcje usuwające Jeśli usuwanie obiektu wskazywanego wraz z ostatnim współdzielonym wskaźnikiem nie sprowadza się do zwolnienia pamięci, należy dostarczyć własną funkcję usuwającą. W ten sposób określa się własną regułę destrukcji obiektu wskazywanego. W ramach pierwszego przykładu załóżmy, że zamierzamy zapewnić usunięcie pliku tymczasowego po zwolnieniu ostatniej referencji do tego pliku. Można to zrobić tak: // util/sharedptr2.cpp #include #include // dla ofstream #include // dla shared_ptr #include // dla remove() class FileDeleter { private: std::string filename; public: FileDeleter (const std::string& fn) : filename(fn) { }

110

5. NARZĘDZIA

void operator () (std::ofstream* fp) { fp->close(); // zamknij plik std::remove(filename.c_str()); // usuń plik } }; int main() { // utwórz i otwórz plik tymczasowy std::shared_ptr fp(new std::ofstream("tmpfile.txt"), FileDeleter("tmpfile.txt")); ... }

W programie zainicjalizowaliśmy wskaźnik shared_ptr nowo utworzonym plikiem wyjściowym (patrz podrozdział 15.9). Przekazany w roli funkcji usuwającej obiekt funkcyjny FileDeleter gwarantuje zamknięcie i usunięcie pliku za pośrednictwem standardowej funkcji języka C remove(), udostępnianej w pliku nagłówkowym w momencie usuwania ostatniej kopii wskaźnika współdzielonego odnoszącego się do tego strumienia wyjściowego. Ponieważ funkcja remove() operuje na nazwie pliku, przekazujemy ją do obiektu FileDeleter za pośrednictwem argumentu wywołania konstruktora. W ramach drugiego przykładu zobaczymy, jak używać wskaźników shared_ptr do obsługi pamięci współdzielonej8: // util/sharedptr3.cpp #include #include #include #include #include #include #include #include

// klasa shared_ptr // obsługa pamięci współdzielonej // funkcja strerror() // zmienna errno

class SharedMemoryDetacher { public: void operator () (int* p) { std::cout << "unlink /tmp1234" << std::endl; if (shm_unlink("/tmp1234") != 0) { std::cerr << "BŁĄD: nieudane wywołanie shm_unlink()" << std::endl; } } }; std::shared_ptr getSharedIntMemory (int num) { void* mem; int shmfd = shm_open("/tmp1234", O_CREAT|O_RDWR, S_IRWXU|S_IRWXG); 8

Samą pamięć współdzieloną obsługuje się w sposób zależny od systemu operacyjnego; tutaj prezentowany jest standardowy sposób definiowany przez POSIX, z użyciem funkcji shm_open() i mmap(), i zwalnianiem pamięci współdzielonej za pomocą funkcji shm_unlink().

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

111

if (shmfd < 0) { throw std::string(strerror(errno)); } if (ftruncate(shmfd, num*sizeof(int)) == -1) { throw std::string(strerror(errno)); } mem = mmap(nullptr, num*sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shmfd, 0); if (mem == MAP_FAILED) { throw std::string(strerror(errno)); } return std::shared_ptr(static_cast(mem), SharedMemoryDetacher()); } int main() { // pozyskaj i dołącz pamięć współdzieloną na 100 wartości typu int: std::shared_ptr smp(getSharedIntMemory(100)); // zainicjalizuj pamięć współdzieloną for (int i=0; i<100; ++i) { smp.get()[i] = i*42; } // pamięć współdzielona używana gdzie indziej: //... std::cout << "" << std::endl; std::cin.get(); // zwolnij pamięć współdzieloną: smp.reset(); //... }

Operację odłączenia pamięci współdzielonej implementuje klasa obiektu funkcyjnego SharedMemoryDetacher. Odbywa się w niej zwolnienie pamięci współdzielonej pozyskanej i dołączonej za pośrednictwem funkcji getSharedIntMemory(). Aby zapewnić wywołanie funktora usuwającego po ostatnim użyciu pamięci współdzielonej, przekazujemy go w roli funkcji usuwającej do konstruktora wskaźnika shared_ptr, inicjalizowanego adresem pamięci współdzielonej, pozyskanym z wywołania funkcji getSharedIntMemory(): return std::shared_ptr(static_cast(mem), SharedMemoryDetacher()); // wywołuje shmdt()

Zamiast obiektu funkcyjnego moglibyśmy użyć lambdy (dla uproszczenia pomijamy prefiks std::): return shared_ptr(static_cast(mem), [](int* p) { cout << "unlink /tmp1234" << endl; if (shm_unlink("/tmp1234") != 0) { cerr << "BŁĄD: nieudane wywołanie shm_unlink()" << endl; } });

112

5. NARZĘDZIA

Zauważ, że przekazana do konstruktora shared_ptr funkcja usuwająca nie może zgłaszać wyjątków. Jedyną dopuszczalną reakcją na ewentualny błąd jest więc wypisanie komunikatu na wyjście diagnostyczne std::cerr. Ponieważ sygnatura funkcji shm_unlink() pasuje do sygnatury funkcji usuwającej, można by wprost użyć shm_unlink() jako funkcji usuwającej — co prawda bez możliwości weryfikacji wartości zwracanej: return std::shared_ptr(static_cast(mem), shm_unlink);

Jedynymi operatorami udostępnianymi przez wskaźniki typu shared_ptr są * i ->. Wskaźniki tego typu nie obsługują operatora indeksowania i arytmetyki wskaźnikowej. Bezpośrednie odwołanie do pamięci wskazywanej i pełna semantyka wskaźników na tej pamięci są do uzyskania wyłącznie za pomocą funkcji składowej get(), zwracającej wartość wewnętrznego wskaźnika ujmowanego we wskaźniku współdzielonym: smp.get()[i] = i*42;

Jak widać, funkcja get() jest alternatywą dla wyrażenia indeksującego: (&*smp)[i] = i*42;

W obu przykładach można zaproponować rozwiązanie zapewne bardziej eleganckie, a mianowicie utworzenie nowej klasy, której konstruktor wykonałby operacje inicjalizacji pamięci współdzielonej, a destruktor zadbałby o jej odłączenie i zwolnienie. Wtedy można by użyć wskaźników współdzielonych bez dodatkowej funkcji usuwającej, na bazie zwyczajnej semantyki konstrukcji i destrukcji obiektu przez new i delete. Pozwoliłoby to też na zdefiniowanie bardziej intuicyjnego interfejsu dostępu do pamięci współdzielonej, na przykład z użyciem operatora indeksowania [] przeciążonego dla klasy reprezentującej tę pamięć. Dopełnienie klasy wymagałoby jednak starannego przemyślenia roli operacji kopiowania i przypisywania wartości do obiektów tej klasy; w pierwszym podejściu można by te operacje po prostu zablokować.

5.2.2. Klasa weak_ptr Największym udogodnieniem stosowania klasy shared_ptr jest eliminacja uciążliwości kontrolowania czasu życia wskazywanych zasobów. Była już mowa o tym, że klasa shared_ptr pozwala na automatyczne zwalnianie zasobów skojarzonych z nieużywanymi już obiektami. Jednak w pewnych okolicznościach zachowanie to nie jest wcale korzystne ani oczekiwane:  W przypadku odwołań cyklicznych, kiedy dwa obiekty odwołują się do siebie nawzajem za pośrednictwem wskaźników typu shared_ptr, nigdy nie dojdzie do zwolnienia zasobów skojarzonych z tymi obiektami, bo nigdy nie dojdzie do wyzerowania liczby odwołań — funkcja use_count() dla każdego z tych

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

113

obiektów wciąż będzie zwracać 1. W takim przypadku lepsze może być użycie zwyczajnych wskaźników, co wymaga jednak ręcznego zarządzania czasem życia i zwalnianiem zasobów.  W przypadku jawnego współdzielenia, ale nie współwłasności obiektu wskazywanego, to znaczy wtedy, gdy czas życia wskaźnika do obiektu jest dłuższy niż czas życia obiektu wskazywanego. W takiej sytuacji użycie wskaźników shared_ptr uniemożliwi zwolnienie zasobów, natomiast użycie zwyczajnych wskaźników narażałoby na niepoprawne próby odwołań do już nieistniejących obiektów wskazywanych. Dla takich właśnie przypadków przewidziano klasę wskaźnika „słabego” weak_ptr, pozwalającą na współdzielenie dostępu do obiektu wskazywanego bez przejmowania współwłasności tego obiektu, a tym samym odpowiedzialności za jego zwolnienie. Klasa wymaga utworzenia wskaźnika współdzielonego — kiedy ostatni współdzielony wskaźnik wymusi zwolnienie obiektu wskazywanego, wszystkie „słabe” wskaźniki automatycznie zostaną wyzerowane (będą puste). Dlatego klasa weak_ptr poza konstruktorem domyślnym i kopiującym definiuje jedynie konstruktor przyjmujący argument typu shared_ptr. Obiekt wskazywany przez wskaźnik weak_ptr nie jest wprost dostępny przez operatory * i ->. Korzystanie z nich wymaga konstrukcji wskaźnika współdzielonego. Jest to uzasadnione dwojako: 1. Tworzenie wskaźnika współdzielonego ze wskaźnika słabego umożliwia sprawdzenie, czy obiekt wskazywany wciąż istnieje; jeśli nie, taka operacja zgłosi wyjątek albo utworzy pusty wskaźnik współdzielony (rodzaj sygnalizacji niepowodzenia jest zależny od wykonywanej operacji). 2. Kiedy uda się utworzyć wskaźnik współdzielony, wiadomo, że do momentu jego zwolnienia obiekt wskazywany na pewno nie zostanie usunięty. W efekcie tych założeń klasa weak_ptr udostępnia naprawdę skromny interfejs, wystarczający jedynie do utworzenia, skopiowania i przypisania słabego wskaźnika oraz do wykonania konwersji na wskaźnik współdzielony tudzież do sprawdzenia, czy wskazuje on jeszcze poprawny obiekt.

Stosowanie klasy weak_ptr Weźmy poniższy przykład: #include #include #include #include using namespace std; class Person { public: string name; shared_ptr mother; shared_ptr father; vector> kids;

114

5. NARZĘDZIA

Person (const string& n, shared_ptr m = nullptr, shared_ptr f = nullptr) : name(n), mother(m), father(f) { } ~Person() { cout << "usuwam " << name << endl; } }; shared_ptr initFamily (const string& name) { shared_ptr mom(new Person("mama "+name)); shared_ptr dad(new Person("tata "+name)); shared_ptr kid(new Person(name,mom,dad)); mom->kids.push_back(kid); dad->kids.push_back(kid); return kid; } int main() { shared_ptr p = initFamily("nico"); cout << "rodzina nico istnieje" << endl; cout << "- nico jest współdzielony " << p.use_count() << "-krotnie" << endl; cout << "- imię pierwszego dziecka mamy nico: " << p->mother->kids[0]->name << endl; p = initFamily("jim"); cout << "rodzina jima istnieje" << endl; }

Zdefiniowana tu klasa osoby Person przechowuje imię i opcjonalne odwołania do innych klas tego typu, mianowicie do rodziców (mamy i taty) i dzieci (reprezentowanych wektorem; patrz podrozdział 7.3). Pierwsze wywołanie initFamily() tworzy trzy obiekty Person: mamę, tatę i dziecko, wszystkie inicjalizowane na podstawie imienia przekazanego do konstruktora. Dodatkowo w obiekcie dziecka inicjalizowane są referencje do rodziców, a u tych ostatnich wypełniany jest kontener reprezentujący dzieci. Wartością zwracaną z initFamily() jest obiekt reprezentujący dziecko. Powiązania obiektów utworzonych w wyniku pierwszego wykonania funkcji initFamily() i przypisania jej wyniku do p ilustruje rysunek 5.2. Jak widać, p jest jedynym uchwytem programu do całej rodziny utworzonych obiektów. Wewnętrznie jednak każdy z tych obiektów dysponuje referencjami, od dziecka do rodziców i od rodzica do dzieci. Zanim więc uchwyt p otrzymał nową wartość w wyniku ponownego przypisania wartości zwracanej z initFamily(), obiekt dziecka nico był współdzielony trzykrotnie. Natomiast w momencie zwolnienia ostatniego uchwytu — czy to poprzez ponowne przypisanie do p nowego obiektu Person, czy przez przypisanie do tego wskaźnika wartości nullptr, czy

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

115

RYSUNEK 5.2. Rodzina obiektów powiązanych wskaźnikami współdzielonymi

wreszcie przez wyjście poza zasięg funkcji main() — żaden z obiektów Persons nie zostanie zwolniony, ponieważ wszystkie są wskazywane co najmniej jednym wskaźnikiem współdzielonym. W efekcie w ogóle nie dochodzi do wywołania destruktora obiektów Person (program ani razu nie wypisuje komunikatu "usuwam"): rodzina nico istnieje - nico jest współdzielony 3-krotnie - imię pierwszego dziecka mamy nico: nico rodzina jima istnieje

W takim przypadku odpowiednie byłoby użycie słabych wskaźników weak_ptr. Możemy w ten sposób zadeklarować wektor wskaźników do obiektów dzieci: // util/weakptr2.cpp ... class Person { public: string name; shared_ptr mother; shared_ptr father; vector> kids; // wskaźnik słaby !!! Person (const string& n, shared_ptr m = nullptr, shared_ptr f = nullptr) : name(n), mother(m), father(f) { } ~Person() { cout << "usuwam " << name << endl; } }; ...

116

5. NARZĘDZIA

W ten sposób można zerwać zapętlenie współdzielonych wskaźników, tak aby wiązały obiekty tylko w jednym kierunku (od dziecka do rodziców), a w kierunku odwrotnym występowały jako wskaźniki słabe (linia przerywana na rysunku 5.3).

RYSUNEK 5.3. Rodzina obiektów powiązanych wskaźnikami współdzielonymi i słabymi

Tak poprawiony program da na wyjściu, co następuje: rodzina nico istnieje - nico jest współdzielony 1-krotnie - imię pierwszego dziecka mamy nico: nico usuwam nico usuwam tata nico usuwam mama nico rodzina jima istnieje usuwam jima usuwam tata jima usuwam mama jima

Równocześnie z utratą ostatniego uchwytu do utworzonej rodziny obiektów — czy to w wyniku przypisania nowej wartości do p, czy przez opuszczenie funkcji main() — obiekt dziecka traci ostatniego właściciela (miał tylko jednego — patrz wypisywany wynik wywołania funkcji use_count()) , co pociąga za sobą utratę ostatnich wskaźników współdzielonych będących w posiadaniu obiektów mamy i taty. Wszystkie trzy obiekty są więc usuwane poprzez wywołanie ich destruktorów. Zauważ, że użycie słabych wskaźników wymusiło niewielką modyfikację sposobu odwoływania się do obiektu wskazywanego. Zamiast wywołania: p->mother->kids[0]->name

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

117

musimy teraz użyć podobnego wyrażenia, ale z wywołaniem lock(): p->mother->kids[0].lock()->name

zwracającym obiekt wskaźnika współdzielonego skonstruowany ze wskaźnika słabego wziętego z wektora kids. Jeśli taka konstrukcja jest niemożliwa — bo na przykład ostatni właściciel obiektu wskazywanego przez słaby wskaźnik usunął ten obiekt w międzyczasie — wywołanie lock() zwróciłoby pusty wskaźnik współdzielony; użycie takiego wskaźnika z operatorem * albo -> doprowadziłoby do niezdefiniowanego zachowania programu. Jeśli nie wiadomo na pewno, czy obiekt wskazywany słabym wskaźnikiem wciąż istnieje, można się o tym upewnić na kilka sposobów: 1. Wywołać funkcję składową expired() wskaźnika, która zwraca true, jeśli wskaźnik weak_ptr nie współdzieli już obiektu docelowego. Opcja ta jest równoważna z porównaniem wartości zwracanej z funkcji składowej use_count() z zerem, ale potencjalnie bardziej wydajna. 2. Jawnie skonwertować wskaźnik słaby weak_ptr na wskaźnik współdzielony shared_ptr za pomocą odpowiedniego konstruktora klasy shared_ptr. Jeśli wskaźnik nie wskazuje już istniejącego obiektu, konstruktor zgłosi wyjątek bad_weak_ptr. Jest to wyjątek pochodny ogólnej klasy wyjątków std::exception, dla którego funkcja składowa what() zwraca łańcuch "bad_weak_ptr"9. Więcej informacji o wyjątkach standardowych znajduje się w punkcie 4.3.1. 3. Wywołać funkcję składową use_count() wskaźnika celem ustalenia liczby współwłaścicieli obiektu wskazywanego. Jeśli funkcja zwróci 0, obiekt wskazywany już nie istnieje. Pamiętajmy jednak, aby wywołania use_count() stosować raczej w celach diagnostycznych, ponieważ specyfikacja biblioteki standardowej C++ wyraźnie zaznacza, że funkcja ta „nie musi być wydajna”. Na przykład: try { shared_ptr sp(new string("hi")); // tworzy wskaźnik współdzielony weak_ptr wp = sp; // tworzy z niego wskaźnik słaby sp.reset(); // zwalnia obiekt wskazywany przez wskaźnik współdzielony cout << wp.use_count() << endl; // wypisuje: 0 cout << boolalpha << wp.expired() << endl; // wypisuje: true shared_ptr p(wp); // zgłasza wyjątek std::bad_weak_ptr } catch (const std::exception& e) { cerr << "exception: " << e.what() << endl; // wypisuje: bad_weak_ptr }

9

W przypadku wyjątków wartość zwracana przez funkcję składową what() jest zazwyczaj zależna od implementacji; standard mówi jednak, że w tym przypadku powinien być to łańcuch "bad_weak_ptr". Niemniej jednak implementacja niekoniecznie musi być tu w pełni zgodna ze standardem; na przykład kompilator GCC w wersji 4.6.1 zwracał dla takiego przypadku łańcuch "std::bad_weak_ptr".

118

5. NARZĘDZIA

5.2.3. Niepoprawne stosowanie wskaźników współdzielonych Co prawda stosowanie wskaźników klasy shared_ptr wydatnie zwiększa bezpieczeństwo wykonania programu, ponieważ z zasady zapewnia automatyczne zwalnianie przydzielanych zasobów, nie chroni jednak przed problemami związanymi z obiektami już nieużywanymi. Jednym z takich problemów jest problem „wiszących wskaźników” (ang. dangling pointers) wprowadzanych przez odwołania cykliczne. Osobnym problemem jest zapewnienie, że dany obiekt jest współdzielony tylko przez jedną grupę wskaźników współdzielonych. Poniższy przykładowy kod nie zadziała poprawnie: int* p = new int; shared_ptr sp1(p); shared_ptr sp2(p); // BŁĄD: dwa niezależne wskaźniki współdzielone do tego samego obiektu

Problem polega tu na tym, że operacja usunięcia obiektu wskazywanego będzie tu wykonywana z poziomu destruktorów dwóch obiektów wskaźników shared_ ptr: sp1 i sp2. Z zasady istnienie dwóch grup wskaźników współdzielonych inicjalizowanych adresem obiektu docelowego będzie oznaczać dwukrotne próby usuwania tego obiektu w momencie utraty własności usunięcia wskaźnika współdzielonego. Z tego powodu należy inicjalizować wskaźnik współdzielony adresem obiektu wskazywanego wyłącznie jednokrotnie, najlepiej w momencie tworzenia tego obiektu: shared_ptr sp1(new int); shared_ptr sp2(sp1); // OK

Problem ten może pojawić się również w mniej oczywistych kontekstach. Wracając do przykładu z klasą Person, załóżmy, że zamierzamy udostępnić w niej funkcję składową, tworzącą referencję od obiektu dziecka do obiektu rodzica i referencję odwrotną: shared_ptr mom(new Person("mama "+name)); shared_ptr dad(new Person("tata "+name)); shared_ptr kid(new Person(name)); kid->setParentsAndTheirKids(mom,dad);

Oto naiwna problematyczna implementacja nowej funkcji składowej setParents AndTheirKids(): class Person { public: ... void setParentsAndTheirKids (shared_ptr m = nullptr, shared_ptr f = nullptr) { mother = m; father = f; if (m != nullptr) { m->kids.push_back(shared_ptr(this)); // BŁĄD }

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

119

if (f != nullptr) { f->kids.push_back(shared_ptr(this)); // BŁĄD } } ... };

Problematyczny moment to utworzenie wskaźnika współdzielonego ze wskaźnika this. Operacja ta ma na celu skojarzyć obiekty dzieci z obiektami rodziców, co wymaga utworzenia wskaźnika do obiektu dziecka współdzielonego przez obiekty rodziców. Tyle że tworzenie wskaźnika współdzielonego z adresu this nie załatwia sprawy, ponieważ tworzy nową, niezależną grupę wskaźników współposiadających dany obiekt. Można temu zaradzić, przekazując wskaźnik współdzielony do obiektu dziecka jako kolejny (trzeci) argument wywołania funkcji. Biblioteka standardowa C++ daje jednak jeszcze jedną opcję, a mianowicie klasę std::enable_shared_from_this<>. Klasa std::enable_shared_from_this<> nadaje się do wyprowadzania klas pochodnych reprezentujących obiekty zarządzane przez wskaźniki współdzielone, z nazwą klasy pochodnej jako argumentem szablonu. Udostępnia to w klasie pochodnej funkcję składową shared_from_this() tworzącą poprawny obiekt wskaźnika współdzielonego ze wskaźnika this: class Person : public std::enable_shared_from_this { public: ... void setParentsAndTheirKids (shared_ptr m = nullptr, shared_ptr f = nullptr) { mother = m; father = f; if (m != nullptr) { m->kids.push_back(shared_from_this()); // OK } if (f != nullptr) { f->kids.push_back(shared_from_this()); // OK } } ... };

Kompletny program wynikowy znajduje się w pliku util/enableshared1.cpp. Zauważ, że funkcji składowej shared_from_this() nie wolno wywoływać z konstruktora klasy pochodnej (w zasadzie to można, ale prowokuje to błąd czasu wykonania): class Person : public std::enable_shared_from_this { public: ... Person (const string& n, shared_ptr m = nullptr, shared_ptr f = nullptr) : name(n), mother(m), father(f) { if (m != nullptr) { m->kids.push_back(shared_from_this()); // BŁĄD }

120

5. NARZĘDZIA

if (f != nullptr) { f->kids.push_back(shared_from_this()); // BŁĄD } } ... };

W klasie bazowej klasy Person (czyli w enable_shared_from_this) przechowywany jest bowiem wskaźnik współdzielony shared_ptr, inicjalizowany na końcu konstrukcji obiektu Person. Nie ma więc sposobu utworzenia cyklicznego odwołania pomiędzy współdzielonymi wskaźnikami w czasie tworzenia obiektu inicjalizującego wskaźnik współdzielony; operację taką trzeba rozbić na dwa etapy.

5.2.4. Klasy wskaźników słabych i współdzielonych w szczegółach W tym punkcie podsumujemy znane już informacje na temat wskaźników współdzielonych i słabych, podsumujemy również interfejs obu klas.

Klasa shared_ptr w szczegółach Zgodnie z omówieniem w punkcie 5.2.1 klasa shared_ptr implementuje pojęcie inteligentnego wskaźnika będącego współwłaścicielem obiektu wskazywanego współodpowiedzialnym za jego usunięcie. Kiedy ostatni ze współwłaścicieli zostanie usunięty, usunięty zostanie również obiekt wskazywany (usunięcie może oznaczać zwolnienie przydzielonych zasobów, nie tylko samej pamięci dla obiektu). Szablon klasy shared_ptr<> jest parametryzowany typem obiektu wskazywanego: namespace std { template class shared_ptr { public: typedef T element_type; ... }; }

Typ elementu może być określony jako void, co oznacza, że wskaźnik współdzielony zarządza wskaźnikiem do obiektu o nieokreślonym typie void*. Pusty wskaźnik shared_ptr nie jest współwłaścicielem żadnego obiektu wskazywanego, więc wywołanie funkcji składowej use_count() na rzecz takiego wskaźnika zwraca 0. Zauważ jednak, że ze względu na obecność specjalnego konstruktora taki pusty wskaźnik współdzielony może mimo to odnosić się do obiektu. Listę operacji dostępnych dla wskaźników współdzielonych zestawia tabela 5.3.

121

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

TABELA 5.3. Operacje na wskaźnikach shared_ptr Operacja

Działanie

shared_ptr sp

Konstruktor domyślny; tworzy pusty wskaźnik współdzielony, z domyślną funkcją usuwającą (wywołującą delete). Tworzy wskaźnik współdzielony do obiektu *ptr, z domyślną funkcją usuwającą (wywołującą delete). Tworzy wskaźnik współdzielony do obiektu *ptr, z funkcją usuwającą del. Tworzy wskaźnik współdzielony do obiektu *ptr, z funkcją usuwającą del i alokatorem ac. Tworzy pusty wskaźnik współdzielony, z domyślną funkcją usuwającą (wywołującą delete). Tworzy pusty wskaźnik współdzielony, z funkcją usuwającą del. Tworzy pusty wskaźnik współdzielony, z funkcją usuwającą del i alokatorem ac. Tworzy wskaźnik współdzielący obiekt wskazywany ze wskaźnikiem sp2. Tworzy wskaźnik przejmujący obiekt wskazywany od wskaźnika sp2 (wskaźnik sp2 będzie po tej operacji pusty). Tworzy wskaźnik współdzielący własność z sp2, ale wskazujący *ptr. Tworzy wskaźnik współdzielony ze wskaźnika słabego (weak_ptr) wp. Tworzy wskaźnik współdzielony ze wskaźnika wyłącznego (unique_ptr) up. Tworzy wskaźnik współdzielony ze wskaźnika automatycznego (auto_ptr) wp. Destruktor; wywołuje funkcję usuwającą (jeśli sp jest w posiadaniu obiektu wskazywanego). Przypisanie (po operacji sp współdzieli własność z sp2, rezygnując ze współwłasności poprzednio posiadanego obiektu). Przypisanie przenoszące (sp2 przekazuje własność do sp). Przypisanie przenoszące ze wskaźnika wyłącznego (up oddaje własność do sp). Przypisanie przenoszące ze wskaźnika automatycznego (ap oddaje własność do sp). Zamienia wskaźniki i funkcje usuwające między wskaźnikami współdzielonymi sp1 i sp2. Zamienia wskaźniki i funkcje usuwające między wskaźnikami współdzielonymi sp1 i sp2. Oddaje współwłasność obiektu i ponownie inicjalizuje wskaźnik jako pusty.

shared_ptr sp(ptr) shared_ptr sp (ptr,del) shared_ptr sp (ptr,del,ac) shared_ptr sp (nullptr) shared_ptr sp (nullptr,del) shared_ptr sp (nullptr,del,ac) shared_ptr sp(sp2) shared_ptr sp (move(sp2)) shared_ptr sp (sp2,ptr) shared_ptr sp(wp) shared_ptr sp (move(up)) shared_ptr sp (move(ap)) sp.~shared_ptr() sp = sp2

sp = move(sp2) sp = move(up) sp = move(ap) sp1.swap(sp2) swap(sp1,sp2) sp.reset()

122

5. NARZĘDZIA

TABELA 5.3. Operacje na wskaźnikach shared_ptr (ciąg dalszy) Operacja

Działanie

Oddaje współwłasność posiadanego obiektu i ponownie inicjalizuje wskaźnik jako współposiadacza *ptr, z domyślną funkcją usuwającą (wywołującą delete). sp.reset(ptr,del) Oddaje współwłasność posiadanego obiektu i ponownie inicjalizuje wskaźnik jako współposiadacza *ptr, z funkcją usuwającą del. sp.reset(ptr,del,ac) Oddaje współwłasność posiadanego obiektu i ponownie inicjalizuje wskaźnik jako współposiadacza *ptr, z funkcją usuwającą del i alokatorem ac. make_shared(...) Tworzy wskaźnik współdzielony dla nowego obiektu inicjalizowanego argumentami wywołania. allocate_shared(ac,...) Tworzy wskaźnik współdzielony dla nowego obiektu inicjalizowanego argumentami wywołania i przydzielanego alokatorem ac. sp.get() Zwraca składowany wewnętrznie wskaźnik (wskaźnik do posiadanego obiektu albo nullptr dla wskaźnika pustego). *sp Zwraca posiadany obiekt (niezdefiniowane zachowanie dla wskaźnika pustego). sp->... Realizuje dostęp do składowych obiektu posiadanego (niezdefiniowane zachowanie dla wskaźnika pustego). sp.use_count() Zwraca liczbę współwłaścicieli obiektu posiadanego (z sp włącznie) albo 0 dla pustego wskaźnika. sp.unique() Określa, czy sp jest wyłącznym właścicielem (równoważne z wyrażeniem sp.use_count()==1, potencjalnie szybsze). if (sp) Operator bool(); określa, czy wskaźnik współdzielony sp jest pusty. sp1 == sp2 Wywołanie == na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). sp1 != sp2 Wywołanie != na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). sp1 < sp2 Wywołanie < na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). sp1 <= sp2 Wywołanie <= na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). sp1 > sp2 Wywołanie > na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). sp1 >= sp2 Wywołanie >= na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). static_pointer_cast(sp) Semantyka konwersji static_cast<> dla sp. dynamic_pointer_cast(sp) Semantyka konwersji dynamic_cast<> dla sp. sp.reset(ptr)

123

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

TABELA 5.3. Operacje na wskaźnikach shared_ptr (ciąg dalszy) Operacja

Działanie

const_pointer_cast(sp) get_deleter(sp)

Semantyka konwersji reinterpret_cast<> dla sp. Zwraca adres funkcji usuwającej (jeśli jest określona) albo nullptr. Wywołanie operatora zapisu do strumienia dla wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (równoważne wyrażeniu strm<
strm << sp

sp.owner_before(sp2) sp.owner_before(wp)

Kiedy dochodzi do przeniesienia własności obiektu wskazywanego do wskaźnika współdzielonego posiadającego już inny obiekt, to jeśli jest to ostatni właściciel dotychczas wskazywanego obiektu, obiekt ten jest zwalniany wywołaniem funkcji usuwającej. To samo dotyczy wskaźnika współdzielonego, który otrzymuje nową wartość czy to poprzez przypisanie nowej wartości, czy poprzez wywołanie funkcji składowej reset(): jeśli wskaźnik poprzednio był w posiadaniu obiektu i był jego ostatnim współwłaścicielem, obiekt ten jest zwalniany za pośrednictwem funkcji usuwającej. Przypominam, że funkcja usuwająca nie powinna zgłaszać wyjątków. Wskaźniki współdzielone można stosować z różnymi typami obiektów wskazywanych, pod warunkiem dostępności niejawnej konwersji pomiędzy typami. Z tego powodu konstruktory, operatory przypisania i funkcja składowa reset() są szablonami składowych, podczas gdy operatory porównania są parametryzowane różnymi typami. Wszystkie operatory porównania porównują wewnętrznie przechowywane wskaźniki (czyli propagują wywołania do operatorów odpowiednich dla wartości zwracanych funkcją składową get()). Wszystkie są też przeciążone dla wskaźników pustych nullptr. Pozwala to na sprawdzanie poprawności wskaźnika, a nawet na określanie relacji „mniejszy niż” i „większy niż” przechowywanego wskaźnika ze wskaźnikiem pustym. Konstruktor z parametrem typu weak_ptr potencjalnie zgłasza wyjątek bad_ weak_ptr (patrz punkt 5.2.2), jeśli przekazany wskaźnik słaby jest wskaźnikiem pustym (takim, dla którego funkcja składowa expired() zwraca true). Funkcja get_deleter() zwraca wskaźnik do funkcji usuwającej wskaźnika współdzielonego albo wskaźnik pusty nullptr. Zwrócony wskaźnik jest poprawny, dopóki wskaźnik współdzielony pozostaje współwłaścicielem danego obiektu wskazywanego. Pozyskanie adresu funkcji usuwającej wymaga jednak określenia jej typu w argumencie szablonu, jak tutaj: auto del = [] (int* p) { delete p; }; std::shared_ptr p(new int, del); decltype(del)* pd = std::get_deleter(p);

124

5. NARZĘDZIA

Zauważ, że wskaźniki współdzielone nie udostępniają operacji w rodzaju release(), która oddawałaby własność obiektu wskazywanego do wywołującego. Jest to niemożliwe, ponieważ własność nie jest wyłączna i inne istniejące wskaźniki współdzielone wciąż pozostają współwłaścicielami obiektu wskazywanego.

Zaawansowane operacje na wskaźnikach shared_ptr Nie wszystkie wymienione w tabeli 5.3 operacje na wskaźnikach klasy shared_ptr mają oczywiste działanie. Większość z nich była proponowana i umotywowana w [N2351:SharedPtr]. Konstruktor przyjmujący parametr w postaci innego obiektu wskaźnika współdzielonego i dodatkowy wskaźnik obiektu docelowego to tak zwany konstruktor aliasujący, pozwalający na tworzenie wskaźników współdzielonych do pojedynczych składowych obiektów wskazywanych. Na przykład: struct X { int a; }; shared_ptr px(new X); shared_ptr pi(px, &px->a);

Obiekt typu X jest właścicielem swojej składowej a, więc skuteczne utworzenie wskaźnika współdzielonego do składowej a wymaga podbicia licznika odwołań wskaźnika współdzielonego do obiektu zawierającego a. Możliwe są jeszcze bardziej zawiłe przykłady, takie jak wskaźniki odnoszące się do elementów kontenera czy do symboli biblioteki współdzielonej10. W efekcie programista powinien zapewnić zgodny czas życia obu obiektów wskazywanych, inaczej ryzykuje wiszące wskaźniki albo wycieki zasobów. Na przykład: shared_ptr sp1(new X); shared_ptr sp2(sp1,new X); // BŁĄD: nigdy nie dojdzie do wywołania funkcji usuwającej // dla tego X sp1.reset(); // usuwa pierwszy egzemplarz X; sp1 staje się wskaźnikiem pustym shared_ptr sp3(sp1,new X); // use_count()==0, ale get()!=nullptr

Dla optymalizacji tworzenia obiektów współdzielonych i uzgodnienia bloków sterujących czasem ich życia udostępniono funkcje pomocnicze make_shared() i allocate_shared(). Zauważ, że wyrażenie: shared_ptr(new X(...))

wykonuje w istocie dwa przydziały: jeden dla obiektu wskazywanego X i jeden dla bloku sterującego czasem jego życia (i licznikiem odwołań) we wskaźniku współdzielonym. Użycie w zamian funkcji: make_shared(...)

10

Podziękowania dla Petera Dimova za zwrócenie uwagi na ten aspekt.

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

125

jest wyraźnie szybsze, ogranicza liczbę przydziałów do jednego i jest bezpieczniejsze, bo nie wprowadza ryzyka niepowodzenia przydziału bloku sterującego po skutecznym przydziale obiektu wskazywanego X. Funkcja allocate_shared() pozwala dodatkowo przekazać własny alokator. Operatory rzutowania pozwalają na rzutowanie wskaźników na inne typy. Semantyka rzutowania jest tu analogiczna do odpowiadających im klasycznych operatorów rzutowania, a wynikiem rzutowania jest wskaźnik współdzielony dla innego typu obiektu docelowego. Zauważ, że użycie zwyczajnych operatorów rzutowania jest tu niemożliwe, bo prowokowałoby niezdefiniowane zachowanie programu: shared_ptr sp(new int); // wskaźnik współdzielony z wewnętrznym wskaźnikiem typu void* ... shared_ptr(static_cast(sp.get())) // BŁĄD: niezdefiniowane zachowanie static_pointer_cast(sp) // OK

Klasa weak_ptr w szczegółach Zgodnie z omówieniem z punktu 5.2.2 klasa wskaźników słabych weak_ptr implementuje wskaźnik pomocniczy dla wskaźników współdzielonych, pozwalający na współdzielenie dostępu do obiektu wskazywanego, bez współwłasności i współodpowiedzialności za zwolnienie obiektu wskazywanego. Funkcja składowa use_count() takiego wskaźnika zwraca liczbę faktycznych współwłaścicieli obiektu (wskaźników typu shared_ptr będących posiadaczami obiektu). Wskaźnik słaby może być również pusty, kiedy to nie jest inicjalizowany ze wskaźnika współdzielonego albo jeśli po jego zainicjalizowaniu doszło do usunięcia ostatniego wskaźnika współdzielącego obiekt. Klasa weak_ptr<> jest szablonem parametryzowanym typem obiektu wskazywanego: namespace std { template class weak_ptr { public: typedef T element_type; ... }; }

Listę operacji na wskaźnikach słabych wymienia tabela 5.4. Domyślny konstruktor wskaźnika słabego tworzy pusty wskaźnik (wywołanie expired() na rzecz takiego wskaźnika zwróci true). Funkcja składowa lock() zwraca nowy wskaźnik współdzielony do obiektu wskazywanego, podbijając na czas życia tego wskaźnika licznik odwołań do obiektu. Utworzenie wskaźnika współdzielonego to jedyny sposób skutecznego i bezpiecznego korzystania z obiektu, do którego odnosi się wskaźnik weak_ptr.

126

5. NARZĘDZIA

TABELA 5.4. Operacje na wskaźnikach weak_ptr Operacja

Działanie

weak_ptr wp weak_ptr wp(sp)

Konstruktor domyślny; tworzy pusty wskaźnik słaby. Tworzy wskaźnik słaby współdzielący dostęp do obiektu będącego w posiadaniu sp. Tworzy wskaźnik słaby współdzielący dostęp do obiektu wskazywanego przez inny słaby wskaźnik wp2. Destruktor; usuwa wskaźnik słaby bez usuwania obiektu wskazywanego. Przypisanie (po operacji wp współdzieli dostęp do obiektu wskazywanego przez wp2, tracąc dostęp do obiektu wskazywanego uprzednio). Przypisanie ze wskaźnika współdzielonego sp (po operacji wp współdzieli dostęp do obiektu będącego w posiadaniu sp, tracąc dostęp do obiektu wskazywanego uprzednio). Zamienia wskaźniki wewnętrzne między wskaźnikami słabymi wp i wp2. Zamienia wskaźniki wewnętrzne między wskaźnikami słabymi wp i wp2. Utrata dostępu do dotychczas wskazywanego obiektu, ponowna inicjalizacja do postaci pustego wskaźnika słabego. Zwraca liczbę wskaźników współdzielonych shared_ptr do obiektu wskazywanego albo 0 w przypadku pustego wskaźnika słabego. Określa, czy wskaźnik wp jest pusty (równoważne wyrażeniu wp.use_count()==0, ale potencjalnie szybsze). Zwraca wskaźnik współdzielony do obiektu wskazywanego przez wskaźnik słaby (albo pusty wskaźnik współdzielony w przypadku pustego wskaźnika słabego). Określa ścisłe uporządkowanie słabe względem innego wskaźnika słabego. Określa ścisłe uporządkowanie słabe względem wskaźnika współdzielonego.

weak_ptr wp(wp2) wp.~weak_ptr() wp = wp2

wp = sp

wp.swap(wp2) swap(wp1,wp2) wp.reset() wp.use_count()

wp.expired() wp.lock()

wp.owner_before(wp2) wp.owner_before(sp)

Wielowątkowy interfejs wskaźników współdzielonych Wskaźniki współdzielone nie nadają się do bezpiecznego stosowania w wykonaniu wielowątkowym. Aby więc uniknąć niezdefiniowanego zachowania programu w wyniku sytuacji hazardowych (patrz punkt 18.4.1), przy używaniu wskaźników współdzielących ten sam obiekt w wielu wątkach wykonania należy uciec się do klasycznych technik synchronizacji takich jak blokady czy muteksy. Przy tym odczyt wartości licznika odwołań z poziomu jednego wątku, podczas gdy inny wątek może ten licznik modyfikować, bynajmniej nie wprowadza sytuacji hazardowej, mimo że odczytana wartość może być nieaktualna. W istocie jeden wątek może bezpiecznie sprawdzać wartość licznika odwołań, kiedy inny wątek manipuluje tym licznikiem (patrz też rozdział 18.).

127

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

Analogicznie do interfejsu niepodzielnego dostępu do zwyczajnych wskaźników języka C (patrz punkt 18.7.3) biblioteka standardowa udostępnia przeciążone wersje takich operacji dla wskaźników współdzielonych, co uzdatnia je do stosowania w środowisku wielowątkowym. Zauważ jednak, że w ten sposób zabezpiecza się współbieżny dostęp do wskaźników, ale nie do obiektów wskazywanych. Na przykład11: std::shared_ptr global; // początkowo wskaźnik pusty void foo() { std::shared_ptr local{new X}; ... std::atomic_store(&global,local); }

Omawiany interfejs wysokopoziomowy opisuje tabela 5.5; odpowiadające mu wywołania interfejsu niskopoziomowego są opisywane w rozdziale 18. (patrz punkt 18.7.4). TABELA 5.5. Wysokopoziomowy interfejs niepodzielnych operacji na wskaźnikach shared_ptr Operacja

Działanie

atomic_is_lock_free(&sp)

Zwraca true, jeśli interfejs dostępu niepodzielnego do sp nie wymaga blokowania. Zwraca sp. Przypisuje sp2 do sp. Zamienia zawartość wskaźników sp i sp2.

atomic_load(&sp) atomic_store(&sp,sp2) atomic_exchange(&sp,sp2)

5.2.5. Klasa unique_ptr Typ unique_ptr udostępniany w bibliotece standardowej języka C++ od wersji C++11 jest odmianą inteligentnego wskaźnika wyłącznego, pomocną w unikaniu wycieku zasobów w sytuacjach potencjalnego występowania wyjątków. Ogólnie rzecz biorąc, klasa unique_ptr implementuje koncepcję wyłącznego posiadania obiektu wskazywanego, co oznacza, że obiekt wskazywany jest w danym momencie w posiadaniu dokładnie jednego wskaźnika wyłącznego. Kiedy wskaźnik wyłączny jest usuwany albo staje się wskaźnikiem pustym bądź zaczyna wskazywać do innego obiektu, dotychczasowy obiekt wskazywany również jest usuwany (co może oznaczać nie tylko zwolnienie pamięci obiektu i wywołanie destruktora, ale również wykonanie innych operacji porządkujących). Klasa unique_ptr zastąpiła klasę auto_ptr wprowadzoną w C++98, ale obecnie wycofywaną z użycia (patrz punkt 5.2.7). Klasa unique_ptr definiuje prostszy i czytelniejszy interfejs, przez co jest znacznie mniej podatna na nieprawidłowe użycia niż klasa auto_ptr. 11

Za przykład dziękuję Anthony’emu Williamsowi.

128

5. NARZĘDZIA

Przeznaczenie klasy unique_ptr W wielu funkcjach implementowany jest dość typowy szkielet zachowania12: 1. Pozyskanie pewnych zasobów. 2. Wykonanie pewnych operacji. 3. Zwolnienie pozyskanych zasobów. Jeśli zasoby pozyskiwane przez funkcję są związane z lokalnymi obiektami funkcji, zostaną automatycznie zwolnione przy wyjściu z funkcji, za pośrednictwem destruktorów owych obiektów lokalnych funkcji. Ale jeśli zasoby są pozyskiwane w funkcji jawnie i nie są związane z żadnymi obiektami lokalnymi, funkcja musi je jawnie zwolnić. Zasoby takie są zazwyczaj reprezentowane wskaźnikami. Typowym przykładem jest utworzenie (a potem usunięcie) nowego obiektu na potrzeby wykonania funkcji: void f() { ClassA* ptr = new ClassA; ... delete ptr; }

// jawne utworzenie obiektu // operacje na obiekcie // porządkowanie (jawne zwolnienie obiektu)

Powyższa funkcja jest typowym źródłem problemu wycieku zasobów. Najczęściej wyciek wynika ze zwykłego przeoczenia (braku jawnego zwolnienia zasobu), często w wyniku obecności wielu ścieżek wyjścia z funkcji (wielu miejsc ze słowem return). Ale taka funkcja jest też zagrożona pominięciem jawnego zwolnienia zasobów w wyniku wystąpienia wyjątku, który (nieprzechwycony) spowoduje natychmiastowe wyjście z funkcji, bez dotarcia do miejsca zwalniania. Efektem jest co najmniej wyciek pamięci, a ogólniej — wyciek zasobów. Unikanie takich wycieków w klasycznym ujęciu wymaga obsłużenia wszystkich wyjątków, które mogą zostać zgłoszone w toku wykonania funkcji, jak tutaj: void f() { ClassA* ptr = new ClassA; // utwórz jawnie obiekt zasobu try { ... // wykonaj jakieś operacje } catch (...) { // dla wszelkich wyjątków delete ptr; // - posprzątaj throw; // - przerzuć wyjątek dalej } delete ptr; // sprzątanie przy zwykłym wyjściu z funkcji }

Prawidłowe zwolnienie przydzielonego obiektu mimo zgłoszenia wyjątków powoduje znaczne zwiększenie poziomu komplikacji i nadmiarowości (powtórzeń) 12

Uzasadnienie typowym schematem zachowania funkcji, dotyczące pierwotnie klasy auto_ptr, zostało zapożyczone (za pozwoleniem) z książki More Effective C++ autorstwa Scotta Meyersa. Ogólna technika była natomiast pierwotnie proponowana przez Bjarne’a Stroustrupa jako tzw. idiom RAII (ang. resource allocation is initialization) w drugim wydaniu książki The C++ Programming Language oraz w książce The Design and Evolution of C++.

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

129

kodu źródłowego. Sytuacja byłaby jeszcze gorsza, gdyby funkcja miała zarządzać w ten sposób nie jednym, ale kilkoma obiektami, albo posiadała więcej niż jedną klauzulę catch. Takie radzenie sobie z zasobami należy uznać za niepożądane, bo mimo wszystko niebezpieczne (łatwo o błąd, pominięcie wyjątku, przeoczenie zasobu). W tym kontekście bardzo pomocne okazują się inteligentne wskaźniki, potrafiące zwolnić obiekty wskazywane, kiedy same są usuwane. Co więcej, jeśli takie wskaźniki są obiektami lokalnymi funkcji, zostaną usunięte automatycznie przy wyjściu z funkcji, niezależnie od tego, czy jest to wyjście normalne, czy wymuszone wyjątkiem. Implementacją takiego inteligentnego wskaźnika jest klasa unique_ptr. Wskaźnik unique_ptr to tak zwany wskaźnik wyłączny, to znaczy projektowany jako obiekt wyłącznie odpowiedzialny za czas życia obiektu wskazywanego. Obiekt wskazywany jest usuwany automatycznie w ramach usuwania wskaźnika unique_ptr. Wymagane jest oczywiście, aby obiekt wskazywany był w posiadaniu tylko jednego wskaźnika wyłącznego. Poprzedni przykład z użyciem wskaźnika wyłącznego wyglądałby tak: // plik nagłówkowy klasy unique_ptr #include void f() { // utwórz i zainicjalizuj wskaźnik wyłączny do zasobu std::unique ptr(new ClassA); ... // wykonaj jakieś operacje }

To wszystko, nie potrzeba już jawnego wywołania delete ani klauzul przechwytywania wyjątków.

Stosowanie wskaźników wyłącznych unique_ptr Klasa unique_ptr udostępnia interfejs wzorowany na interfejsie zwyczajnych wskaźników, to znaczy definiuje operator wyłuskania * zwracający obiekt wskazywany oraz operator dostępu do składowej obiektu wskazywanego -> (jeśli obiekt wskazywany jest klasą albo strukturą): // utwórz i zainicjalizuj łańcuch znaków (przez wskaźnik wyłączny) std::unique_ptr up(new std::string("nico")); (*up)[0] = 'N'; // zastąp pierwszy znak łańcucha up->append("lai"); // dołącz kilka znaków do łańcucha std::cout << *up << std::endl; // wypisz cały łańcuch

Wskaźniki wyłączne nie implementują jednak arytmetyki wskaźnikowej (nie udostępniają więc np. operacji ++); należy to zaliczyć do zalet, ponieważ arytmetyka wskaźników bywa uznawana za źródło problemów programistycznych. Zauważ, że klasa unique_ptr<> nie pozwala zainicjalizować obiektu wskaźnika wyłącznego za pomocą składni inicjalizacji przez przypisanie; wskaźnik wyłączny

130

5. NARZĘDZIA

trzeba zainicjalizować bezpośrednim wywołaniem konstruktora z adresem obiektu wskazywanego: std::unique_ptr up = new int; // BŁĄD std::unique_ptr up(new int); // OK

Wskaźnik wyłączny unique_ptr może być wskaźnikiem pustym13. Z takim wskaźnikiem mamy do czynienia po wywołaniu konstruktora domyślnego unique_ptr: std::unique_ptr up;

Do wskaźnika wyłącznego można przypisać wskaźnik pusty nullptr albo wyzerować go wywołaniem funkcji składowej reset(): up = nullptr; up.reset();

Ponadto na rzecz wskaźnika wyłącznego można wywołać release(), co powoduje zwrócenie adresu obiektu wskazywanego z równoczesnym oddaniem odpowiedzialności za zwolnienie tego obiektu: std::unique_ptr up(new std::string("nico")); ... std::string* sp = up.release(); // up nie jest już właścicielem obiektu

Fakt posiadania obiektu wskazywanego można określić za pośrednictwem operatora bool(): if (up) { // jeśli up nie jest wskaźnikiem pustym std::cout << *up << std::endl; }

To samo można osiągnąć, porównując wskaźnik wyłączny ze wskaźnikiem pustym nullptr albo wywołując funkcję składową udostępniającą wewnętrznie przechowywany wskaźnik obiektu (jeśli takiego nie ma, wartością zwracaną będzie nullptr): if (up != nullptr) // jeśli up nie jest pusty if (up.get() != nullptr) // jeśli up nie jest pusty

Transfer obiektu wskazywanego Wskaźnik wyłączny unique_ptr implementuje semantykę wyłącznego posiadania obiektu wskazywanego, ale to programista musi zapewnić, że nie istnieją inne wskaźniki wyłączne inicjalizowane tym samym obiektem wskazywanym: std::string* sp = new std::string("witaj"); std::unique_ptr up1(sp); std::unique_ptr up2(sp); // BŁĄD: up1 i up2 posiadają ten sam obiekt

13

Biblioteka standardowa C++ definiuje pojęcie wskaźnika pustego jedynie dla wskaźników współdzielonych, nie widzę jednak powodu, żeby nie rozszerzyć tego pojęcia na wszelkie wskaźniki.

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

131

Niestety, taki błąd jest błędem czasu wykonania, a nie kompilacji, programista powinien więc uważnie unikać powielania wskaźników wyłącznych do tego samego obiektu. Prowadzi to do pytania o działanie konstruktora kopiującego i kopiującego operatora przypisania klasy unique_ptr. Odpowiedź jest natomiast prosta: wskaźnik wyłączny nie może być kopiowany ani przypisywany do innego wskaźnika wyłącznego w znaczeniu klasycznej semantyki kopiowania. Dozwolony jest za to transfer odpowiedzialności za obiekt wskazywany w ramach semantyki przenoszenia, zdefiniowanej w C++11 (patrz punkt 3.1.5). W takim przypadku konstruktor przenoszący i przenoszący operator przypisania dokonują transferu obiektu wskazywanego między wskaźnikami wyłącznymi14. Rozważmy dla przykładu następujące użycie konstruktora kopiującego: // zainicjalizuj wskaźnik wyłączny nowo utworzonym obiektem std::unique_ptr up1(new ClassA); // skopiuj wskaźnik wyłączny do innego wskaźnika wyłącznego std::unique_ptr up2(up1); // BŁĄD: niedozwolone kopiowanie // przekaż obiekt wskazywany do innego wskaźnika wyłącznego std::unique_ptr up3(std::move(up1)); // OK

Po wykonaniu pierwszej instrukcji wskaźnik wyłączny up1 jest w posiadaniu obiektu utworzonego wywołaniem operatora new. Druga instrukcja, próbująca wywołać konstruktor kopiujący na rzecz wskaźnika wyłącznego, spowoduje błąd kompilacji, ponieważ wyłączność oznacza zakaz współposiadania obiektu wskazywanego — sensem wskaźnika wyłącznego jest wyłączna odpowiedzialność za obiekt wskazywany. Ale w trzeciej instrukcji następuje skuteczne przeniesienie obiektu wskazywanego z up1 do up3. Po tym miejscu up3 jest posiadaczem obiektu utworzonego przez new, a up1 staje się wskaźnikiem pustym. Obiekt utworzony wyrażeniem new ClassA zostanie usunięty dokładnie raz, w momencie usuwania wskaźnika wyłącznego up3. Podobnie zachowuje się operator przypisania: // zainicjalizuj wskaźnik wyłączny nowo utworzonym obiektem std::unique_ptr up1(new ClassA); std::unique_ptr up2; // utwórz drugi wskaźnik wyłączny up2 = up1; // BŁĄD: niedozwolone przypisanie kopiujące up2 = std::move(up1); // przeniesienie wskaźnika wyłącznego z up1 do up2

Przypisanie przenoszące powoduje transfer obiektu wskazywanego z up1 do up2; w efekcie up2 jest nowym właścicielem obiektu wskazywanego uprzednio przez up1, który staje się wskaźnikiem pustym.

14

To zasadnicza różnica w porównaniu z klasą auto_ptr, która realizowała transfer obiektu wskazywanego w ramach zwyczajnej semantyki kopiowania, co było źródłem licznych problemów i pomyłek.

132

5. NARZĘDZIA

Gdyby wskaźnik up2 był przed transferem w posiadaniu innego obiektu, obiekt ten zostałby zwolniony wywołaniem delete: // zainicjalizuj wskaźnik wyłączny nowo utworzonym obiektem std::unique_ptr up1(new ClassA); // zainicjalizuj drugi wskaźnik wyłączny nowo utworzonym obiektem std::unique_ptr up2(new ClassA); up2 = std::move(up1); // przeniesienie wskaźnika wyłącznego // - usunięcie obiektu wskazywanego przez up2 // - przeniesienie obiektu wskazywanego z up1 do up2

Wskaźnik wyłączny unique_ptr tracący odpowiedzialność za obiekt wskazywany bez otrzymania nowego obiektu wskazywanego staje się wskaźnikiem pustym. Przypisanie nowej wartości do wskaźnika unique_ptr wymaga, aby nowa wartość była również typu unique_ptr. Nie można użyć w przypisaniu zwyczajnego wskaźnika: std::unique_ptr ptr;

// utwórz (pusty) wskaźnik wyłączny

ptr = new ClassA; // BŁĄD ptr = std::unique_ptr(new ClassA); // OK, usuń obecnie wskazywany obiekt // i weź nowy

Do wskaźnika wyłącznego można za to przypisać wskaźnik pusty nullptr, co ma efekt identyczny z wywołaniem funkcji składowej reset(): up = nullptr; // usuwa obiekt wskazywany (jeśli taki był w posiadaniu up)

Źródło i ujście Przeniesienie własności obiektu to szczególny przypadek użycia wskaźników wyłącznych uniqe_ptr, pozwalający funkcji na przekazywanie odpowiedzialności za zwalnianie zasobów do innych funkcji. Może to się odbyć na dwa sposoby: 1. Funkcja pełniąca rolę ujścia dla danych, kiedy wskaźnik wyłączny unique_ptr jest przekazywany jako argument wywołania przez referencję do r-wartości utworzoną wywołaniem std::move(). W tym przypadku parametr wywoływanej funkcji otrzymuje wyłączność do obiektu wskazywanego przez wskaźnik unique_ptr. Jeśli ta funkcja nie przekaże wskaźnika wyłącznego dalej, obiekt wskazywany zostanie zwolniony przy wyjściu z funkcji: void sink(std::unique_ptr up) // funkcja sink() przejmuje własność // obiektu wskazywanego { ... } std::unique_ptr up(new ClassA); ... sink(std::move(up)); // wskaźnik up traci wyłączność do obiektu wskazywanego ...

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

133

2. Funkcja będąca źródłem danych; kiedy funkcja zwraca wskaźnik wyłączny typu unique_ptr, własność obiektu wskazywanego jest przekazywana do miejsca wywołania funkcji, jak na poniższym przykładzie15: std::unique_ptr source() { std::unique_ptr ptr(new ClassA); // ptr jest właścicielem nowego obiektu ... return ptr; // przekazanie własności do miejsca wywołania } void g() { std::unique_ptr p; for (int i=0; i<10; ++i) { p = source(); // p przejmuje własność obiektu zwróconego z funkcji // (poprzednio przejęty obiekt jest usuwany) ... } } // obiekt przejęty do p jako ostatni jest usuwany tutaj

Każde wywołanie funkcji source() tworzy nowy obiekt i zwraca go za pośrednictwem wskaźnika wyłącznego do wywołującego; przeniesienie własności następuje w momencie przypisania wartości zwracanej z funkcji do p. W drugim i kolejnych przebiegach pętli kolejne przypisania do p powodują najpierw usunięcie obiektu wskazywanego dotychczas. Usunięcie obiektu następuje też przy wyjściu z funkcji g(), w wyniku usunięcia lokalnego wskaźnika p, a wraz z nim ostatnio zwróconej wartości funkcji source(). Całość gwarantuje brak wycieków zasobu zwracanego przez source(); nawet w obliczu wyjątku obiekt wskazywany przez unique_ptr zostanie usunięty. W przypadku odbierania wartości zwracanej z funkcji source() nie trzeba wymuszać semantyki przeniesienia wywołaniem std::move(), ponieważ zgodnie z regułami C++11 kompilator będzie tu próbował przeniesienia automatycznego (patrz punkt 3.1.5).

Wskaźniki wyłączne unique_ptr jako składowe klas Wycieku zasobów unika się również, stosując wskaźniki wyłączne typu unique_ptr jako składowe klas. Użycie wskaźnika wyłącznego zamiast zwyczajnego uwalnia od konieczności definiowania destruktora klasy, ponieważ zasób wskazywany zostanie zwolniony wraz z usunięciem składowej wskaźnika wyłącznego, odbywającym się w ramach destruktora domyślnego. Ponadto stosowanie wskaźników unique_ptr pomaga w eliminowaniu wycieków zasobów powodowanych przez wyjątki zgłaszane w toku inicjalizacji obiektu klasy. Pamiętajmy, że destruktor jest wywoływany wyłącznie dla w pełni utworzonego obiektu, więc jeśli 15

Nie należy tutaj zakładać typu wartości zwracanej z funkcji jako referencji do r-wartości, bo to doprowadziłoby do zwracania wiszącego wskaźnika wyłącznego (patrz punkt 3.1.5).

134

5. NARZĘDZIA

konstruktor zgłosi wyjątek, obecność destruktora wcale nie zapewni usunięcia już przydzielonych obiektów wskazywanych, a ręczne obsłużenie tego przypadku jest tym trudniejsze, im więcej klasa posiada składowych wskaźnikowych. Na przykład: class ClassB { private: ClassA* ptr1; // składowe wskaźnikowe ClassA* ptr2; public: // konstruktor inicjalizujący składowe wskaźnikowe // - jeśli drugie wywołanie new sprowokuje wyjątek, dojdzie do wycieku zasobów ClassB (int val1, int val2) : ptr1(new ClassA(val1)), ptr2(new ClassA(val2)) { } // konstruktor kopiujący // - jeśli drugie wywołanie new sprowokuje wyjątek, dojdzie do wycieku zasobów ClassB (const ClassB& x) : ptr1(new ClassA(*x.ptr1)), ptr2(new ClassA(*x.ptr2)) { } // operator przypisania const ClassB& operator= (const ClassB& x) { *ptr1 = *x.ptr1; *ptr2 = *x.ptr2; return *this; } ~ClassB () { delete ptr1; delete ptr2; } ... };

Aby wyeliminować zagrożenie wyciekiem zasobów, wystarczy zamiast zwyczajnych wskaźników użyć wskaźników wyłącznych typu unique_ptr: class ClassB { private: std::unique_ptr ptr1; // wskaźniki wyłączne std::unique_ptr ptr2; public: // konstruktor inicjalizujący składowe wskaźnikowe // - nie ma możliwości wycieku zasobów ClassB (int val1, int val2) : ptr1(new ClassA(val1)), ptr2(new ClassA(val2)) { } // konstruktor kopiujący // - nie ma możliwości wycieku zasobów ClassB (const ClassB& x) : ptr1(new ClassA(*x.ptr1)), ptr2(new ClassA(*x.ptr2)) { }

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

135

// operator przypisania const ClassB& operator= (const ClassB& x) { *ptr1 = *x.ptr1; *ptr2 = *x.ptr2; return *this; } // destruktor niepotrzebny // (destruktor domyślny usunie składowe unique_ptr, a te usuną obiekty wskazywane) ... };

Zauważmy, że w wersji ze wskaźnikami unique_ptr można sobie pozwolić na rezygnację z destruktora, ponieważ automatyczna destrukcja składowych typu unique_ptr zapewni usunięcie obiektów wskazywanych. Dalej trzeba implementować konstruktor kopiujący i operator przypisania; w wersjach domyślnych oba próbowałyby kopiować (albo przypisywać) zawartość obiektu źródłowego składowa po składowej, co w przypadku składowych typu unique_ptr jest niemożliwe. Jeśli nie zostaną zdefiniowane, klasa ClassB będzie realizować wyłącznie semantykę przeniesienia.

Obsługa tablic Kiedy wskaźnik wyłączny typu unique_ptr traci własność obiektu (z powodu usuwania wskaźnika wyłącznego, przypisania do niego nowego obiektu albo wyzerowania do postaci wskaźnika pustego), domyślnie wywołuje na rzecz obiektu wskazywanego operator delete. Niestety, reguły języka C++, jako wywodzące się jeszcze z C, nie odróżniają typu wskaźnika do pojedynczego obiektu od typu wskaźnika do tablicy obiektów. Tymczasem te same reguły języka wymagają, aby przydziały tablicowe były zwalniane wywołaniem operatora delete[] zamiast delete. Dlatego poniższy kod, choć da się skompilować, jest niepoprawny: std::unique_ptr up(new std::string[10]); // BŁĄD czasu wykonania

Można by założyć, że tak jak dla klasy shared_ptr, również dla wskaźnika wyłącznego istnieje możliwość określania własnej funkcji usuwającej (patrz punkt 5.2.1), i w ten sposób poradzić sobie z przydziałami tablicowymi. W istocie jednak nie jest to nawet konieczne. Na szczęście biblioteka standardowa języka C++ udostępnia częściową specjalizację szablonu klasy unique_ptr dla typów tablicowych; specjalizacja ta usuwa obiekt wskazywany wywołaniem delete[]. Wystarczy więc zadeklarować: std::unique_ptr up(new std::string[10]); // OK

Zwróć uwagę, że specjalizacja częściowa udostępnia nieco inny interfejs niż wersja ogólna: zamiast operatorów * i -> dostępny jest operator indeksowania [] umożliwiający dostęp do pojedynczego obiektu ze wskazywanej tablicy: std::unique_ptr up(new std::string[10]); // OK ...

136

5. NARZĘDZIA

std::cout << *up << std::endl; // BŁĄD: wersja tablicowa nie definiuje operatora * std::cout << up[0] << std::endl; // OK

Tradycyjnie już zapewnienie poprawności indeksu będącego argumentem operatora indeksowania pozostaje w gestii programisty. Użycie niepoprawnego indeksu spowoduje niezdefiniowane zachowanie programu. Zauważmy, że taka klasa nie pozwala na inicjalizowanie elementów wartościami typów pochodnych — analogicznie jak w zwyczajnych tablicach, gdzie też polimorfizm jest ograniczony.

Klasa default_delete<> Przyjrzyjmy się nieco bliżej deklaracji klasy unique_ptr. Klasa ta jest deklarowana mniej więcej tak16: namespace std { // szablon ogólny: template > class unique_ptr { public: ... T& operator*() const; T* operator->() const noexcept; ... }; // specjalizacja częściowa dla tablic: template class unique_ptr { public: ... T& operator[](size_t i) const; ... } }

Jak widać, szablon klasy unique_ptr ma specjalną wersję dla tablic elementów. Wersja ta zamiast operatorów * i -> służących do wyłuskiwania obiektu wskazywanego albo jego składowych definiuje operator indeksowania []. Obie wersje szablonu używają funkcji usuwającej określonej jako std::default_delete<>, która sama posiada specjalizację dla tablic, wywołującą operator delete[] zamiast delete: namespace std { // szablon ogólny: template class default_delete { public: 16

Faktyczna deklaracja unique_ptr w bibliotece standardowej C++ jest bardziej skomplikowana, ponieważ wykorzystuje zaawansowaną składnię do określania dokładnego typu wartości zwracanej dla operatorów * i ->.

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

137

void operator()(T* p) const; // wywołuje delete p ... }; // specjalizacja częściowa dla tablic: template class default_delete { public: void operator()(T* p) const; // wywołuje delete[] p ... }; }

Domyślne argumenty szablonu automatycznie mają zastosowanie również dla specjalizacji częściowych.

Własne funkcje usuwające Jeśli wskazywany obiekt wymaga do skutecznego usunięcia czegoś więcej niż wywołania delete albo delete[], należy określić dla wskaźnika wyłącznego specjalizowaną funkcję usuwającą. Definiowanie funkcji usuwającej wygląda tu jednak nieco inaczej niż w przypadku wskaźników współdzielonych typu shared_ptr. Typ funkcji usuwającej jest drugim argumentem konkretyzacji szablonu unique_ptr. Typ ten może być referencją do funkcji, wskaźnikiem funkcji albo obiektem funkcyjnym (patrz podrozdział 6.10). W przypadku obiektu funkcyjnego jego operator wywołania funkcji () powinien deklarować parametr w postaci wskaźnika do typu obiektu wskazywanego. Dla przykładu poniższy kod w ramach funkcji usuwającej obiekt wskazywany wypisuje dodatkowy komunikat: class ClassADeleter { public: void operator () (ClassA* p) { std::cout << "wywołanie delete obiektu typu ClassA" << std::endl; delete p; } }; ... std::unique_ptr up(new ClassA());

Jeśli funkcja usuwająca wskaźnika wyłącznego ma mieć postać funkcji albo lambdy, należy ją zadeklarować jako funkcję typu void(*)(T*), std::function, ewentualnie użyć słowa decltype (patrz punkt 3.1.11). Jeśli na przykład funkcja usuwająca tablicę obiektów typu int ma mieć postać lambdy, będzie ona wyglądać następująco: std::unique_ptr up(new int[10], [](int* p) { ... delete[] p; });

138

5. NARZĘDZIA

std::unique_ptr> up(new int[10], [](int* p) { ... delete[] p; });

lub: auto l = [](int* p) { ... delete[] p; }; std::unique_ptr> up(new int[10], l);

Określenia typu funkcji usuwającej w postaci funkcji albo lambdy można uniknąć, stosując składnię aliasu typu szablonu, wprowadzoną w C++11 (patrz punkt 3.1.9): template using uniquePtr = std::unique_ptr; // alias typu szablonu ... uniquePtr up(new int[10], [](int* p) { ... delete[] p; });

// użyty tutaj

W ten sposób uzyskuje się interfejs określania funkcji usuwających zbliżony do analogicznego interfejsu wskaźników współdzielonych shared_ptr. Oto kompletny program ilustrujący definiowanie własnej funkcji usuwającej: #include #include #include #include #include #include using namespace std;

// // // //

unique_ptr opendir(), ... strerror() errno

class DirCloser { public: void operator () (DIR* dp) { if (closedir(dp) != 0) { std::cerr << "BŁĄD: nieudane wywołanie closedir()" << std::endl; } } }; int main() { // otwórz bieżący katalog: unique_ptr pDir(opendir(".")); // przetwórz wszystkie wpisy katalogowe: struct dirent *dp; while ((dp = readdir(pDir.get())) != nullptr) {

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

139

string filename(dp->d_name); cout << "przetwarzanie " << filename << endl; //... } }

Powyższy program przetwarza w funkcji main() wpisy katalogowe bieżącego katalogu roboczego za pośrednictwem standardowego interfejsu plikowego POSIX (opendir(), readdir() i closedir()). Aby zagwarantować, że otwarty przez opendir() katalog zostanie na pewno zamknięty wywołaniem closedir(), program definiuje wskaźnik wyłączny unique_ptr z funkcją usuwającą określoną przez obiekt funkcyjny klasy DirCloser, odpowiedzialny za zamknięcie katalogu w momencie usunięcia wskaźnika wyłącznego (niezależnie od przyczyny usunięcia). Podobnie jak jest w przypadku wskaźników współdzielonych, funkcje usuwające definiowane dla wskaźników wyłącznych nie mogą zgłaszać wyjątków. Z tego powodu w przypadku wykrycia niepowodzenia wykonania funkcji zamykającej katalog jedyne, co nam pozostaje, to wypisać komunikat o błędzie. W programie uwidocznia się jeszcze jedna zaleta stosowania wskaźników unique_ptr  w postaci zakazu wykonywania kopii wskaźników wyłącznych. Zauważmy, że funkcja readdir() nie jest wielobieżna (bezstanowa), warto więc mieć gwarancję, że nie istnieje żadna inna kopia wskaźnika do obiektu wskazywanego, za pośrednictwem której można by ingerować w stan przetwarzania katalogu. Jeśli program nie musi wykrywać niepowodzenia wywołania funkcji closedir(), funkcja usuwająca może zostać wprost określona jako wskaźnik do closedir() (po określeniu typu funkcji usuwającej jako wskaźnika do funkcji). Ale uwaga: zalecana niejednokrotnie deklaracja: unique_ptr pDir(opendir("."), closedir); // może nie zadziałać

może się okazać nieprzenośna — symbol closedir podlega łączeniu zewnętrznemu "C", więc w kodzie C++ nie musi być to wcale symbol dający się konwertować na typ int(*)(DIR*). Dla pełnej przenośności kodu potrzebna jest również taka definicja pośrednia17: extern "C" typedef int(*DIRDeleter)(DIR*); unique_ptr pDir(opendir("."), closedir); // OK

Typ wartości zwracanej deklarowany dla funkcji closedir() to int, co oznacza konieczność określenia typu funkcji usuwającej jako int(*)(DIR*). Pamiętajmy jednak, że wywołanie funkcji za pośrednictwem wskaźnika nie podlega tak skutecznej optymalizacji jak wywołania obiektów funkcyjnych. Kolejny przykład stosowania własnej funkcji usuwającej dla wskaźnika wyłącznego unique_ptr można znaleźć w punkcie 15.12.3, gdzie funkcja usuwająca przywraca poprzednio zachowany bufor wyjściowy.

17

Dziękuję Thomasowi Krüglerowi za tę wskazówkę.

140

5. NARZĘDZIA

5.2.6. Klasa unique_ptr w szczegółach Zgodnie z wprowadzeniem z punktu 5.2.5 klasa unique_ptr implementuje semantykę wskaźnika inteligentnego o wyłącznej odpowiedzialności za obiekt wskazywany. Kiedy wskaźnik wyłączny posiada całość kontroli nad obiektem wskazywanym, nie można (nawet nieumyślnie) sprowokować sytuacji, w której ten sam obiekt jest w posiadaniu wielu niezależnych wskaźników. Najważniejszym celem jest tu zagwarantowanie, że czas życia obiektu (zasobu) wskazywanego będzie tożsamy z czasem życia wskaźnika wyłącznego. Jest to szczególnie pomocne w kontekście wyjątków. W porównaniu ze wskaźnikami współdzielonymi specyfikacja wskaźników wyłącznych jest optymalizowana pod kątem minimalizacji narzutu pamięciowego i czasowego. Klasa unique_ptr<> jest szablonem parametryzowanym typem obiektu wskazywanego oraz typem funkcji usuwającej: namespace std { template > class unique_ptr { public: typedef ... pointer; // ewentualnie D::pointer typedef T element_type; typedef D deleter_type; ... }; }

Zdefiniowana jest też specjalizacja częściowa szablonu unique_ptr dla tablic (zauważ, że zgodnie z regułami języka, ta specjalizacja jest parametryzowana tym samym domyślnym typem funkcji usuwającej, który tu ma postać default_delete): namespace std { template class unique_ptr { public: typedef ... pointer; // ewentualnie D::pointer typedef T element_type; typedef D deleter_type; ... }; }

Typ obiektu wskazywanego T może być podany jako void — wtedy obiekt wskaźnika wyłącznego jest w posiadaniu obiektu o nieokreślonym typie, analogicznie do wskaźnika void*. Ponadto zdefiniowany jest typ wskaźnikowy pointer, niekoniecznie w postaci T*: jeśli funkcja usuwająca D posiada definicję typu pointer, użyty zostanie właśnie typ D::pointer. W takim przypadku parametr szablonu T pełni wyłącznie rolę znacznika typowego, bo żadna ze składowych klasy unique_ptr<> nie jest zależna od typu T (wszystkie są zależne od typu pointer). Zaletą tego rozwiązania jest to, że wskaźnik wyłączny może jako obiekt wskazywany zawierać inne inteligentne wskaźniki.

141

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

Jeśli wskaźnik wyłączny typu unique_ptr jest pusty, to nie jest w posiadaniu żadnego obiektu, więc jego funkcja składowa get() zwróci wskaźnik pusty nullptr. Pełną listę operacji na wskaźnikach wyłącznych zawiera tabela 5.6. TABELA 5.6. Operacje na wskaźnikach typu unique_ptr Operacja

Działanie

unique_ptr<...> up

Konstruktor domyślny; tworzy pusty wskaźnik wyłączny, z egzemplarzem przekazanego albo domyślnego typu funkcji usuwającej. Tworzy pusty wskaźnik wyłączny, z egzemplarzem przekazanego albo domyślnego typu funkcji usuwającej. Tworzy wskaźnik wyłączny do obiektu *ptr, z egzemplarzem przekazanego albo domyślnego typu funkcji usuwającej. Tworzy wskaźnik wyłączny do obiektu *ptr, z del jako funkcją usuwającą. Tworzy wskaźnik wyłączny biorący w posiadanie obiekt wskazywany dotychczas przez wskaźnik wyłączny up2 (po operacji up2 jest wskaźnikiem pustym). Tworzy wskaźnik wyłączny biorący w posiadanie obiekt wskazywany dotychczas przez wskaźnik automatyczny ap (po operacji ap jest wskaźnikiem pustym). Destruktor; wywołuje funkcję usuwającą dla obiektu wskazywanego. Przenoszący operator przypisania assignment (przenosi własność obiektu wskazywanego z up2 do up). Wywołuje funkcję usuwającą dla obiektu wskazywanego; po operacji up jest wskaźnikiem pustym (równoważne wywołaniu up.reset()). Zamiana obiektów wskazywanych i funkcji usuwających między wskaźnikami wyłącznymi up1 i up2. Zamiana obiektów wskazywanych i funkcji usuwających między wskaźnikami wyłącznymi up1 i up2. Wywołuje funkcję usuwającą dla obiektu wskazywanego; po operacji up jest wskaźnikiem pustym (równoważne wyrażeniu up=nullptr). Wywołuje funkcję usuwającą dla obiektu wskazywanego i ponownie inicjalizuje wskaźnik wyłączny up adresem nowego obiektu wskazywanego ptr. Przenosi własność obiektu wskazywanego do wywołującego (zwraca posiadany obiekt bez wywoływania funkcji usuwającej). Zwraca przechowywany wskaźnik (adres posiadanego obiektu albo nullptr dla pustego wskaźnika wyłącznego). Tylko dla pojedynczych obiektów wskazywanych: zwraca wskazywany obiekt (niezdefiniowane zachowanie dla wskaźnika pustego).

unique_ptr up(nullptr) unique_ptr<...> up(ptr) unique_ptr<...> up(ptr,del) unique_ptr up(move(up2)) unique_ptr up(move(ap)) up.~unique_ptr() up = move(up2) up = nullptr

up1.swap(up2) swap(up1,up2) up.reset()

up.reset(ptr)

up.release() up.get() *up

142

5. NARZĘDZIA

TABELA 5.6. Operacje na wskaźnikach typu unique_ptr (ciąg dalszy) Operacja

Działanie

up->...

Tylko dla pojedynczych obiektów wskazywanych: udostępnia składową wskazywanego obiektu (niezdefiniowane zachowanie dla wskaźnika pustego). Tylko dla tablic obiektów: zwraca element spod indeksu idx wskazywanej tablicy (niezdefiniowane zachowanie dla wskaźnika pustego). Operator bool(); określa, czy wskaźnik wyłączny up jest pusty. Wywołuje == na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Wywołuje != na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Wywołuje < na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Wywołuje <= na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Wywołuje > na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Wywołuje >= na rzecz wskaźnika przechowywanego wewnętrznie (również dla wskaźnika pustego). Zwraca referencję do funkcji usuwającej.

up[idx]

if (up) up1 == up2 up1 != up2 up1 < up2 up1 <= up2 up1 > up2 up1 >= up2 up.get_deleter()

Konstruktor wywoływany ze wskaźnikiem i funkcją usuwającą jest przeciążony dla różnych typów, co pozwala na korzystanie z następującego zachowania: D d; // egzemplarz typu funkcji usuwającej unique_ptr p1(new int, D()); // D musi mieć konstruktor przenoszący unique_ptr p2(new int, d); // D musi mieć konstruktor kopiujący unique_ptr p3(new int, d); // p3 przechowuje referencję do d unique_ptr p4(new int, D()); // BŁĄD: r-wartość jako funkcja usuwająca

W przypadku ogólnej wersji szablonu unique_ptr konstruktor przenoszący i przenoszący operator przypisania są szablonami składowych, co pozwala na konwersję typów. Wszystkie operatory porównań są szablonami dla różnych typów elementów i funkcji usuwających. Wszystkie operatory porównania porównują gołe wskaźniki przechowywane wewnętrznie we wskaźnikach wyłącznych (propagują wywołanie do odpowiedniego operatora na rzecz wartości zwracanych przez funkcję składową get() wskaźników wyłącznych). Wszystkie są przeciążone dla argumentu w postaci wskaźnika pustego nullptr. Pozwala to na sprawdzanie poprawności wskaźnika przechowywanego we wskaźniku unique_ptr, a nawet na określanie, czy przechowywany wskaźnik jest „mniejszy” bądź „większy” od nullptr.  Specjalizacja dla typów tablicowych różni się od wersji ogólnej interfejsem:  Zamiast operatorów * i -> definiuje operator indeksowania [].  Domyślna funkcja usuwająca wywołuje delete[] zamiast delete.

143

5.2. INTELIGENTNE WSKAŹNIKI

Niedostępne są konwersje pomiędzy typami — w szczególności we wskazywanej tablicy nie można umieszczać elementów typów pochodnych. Klasa unique_ptr definiuj odmienny niż w shared_ptr interfejs określania funkcji usuwającej (patrz punkt 5.2.1). Jednak tak samo jak w przypadku wskaźników współdzielonych funkcje usuwające wskaźników wyłącznych nie mogą zgłaszać wyjątków.

5.2.7. Klasa auto_ptr Standard C++98 określał tylko jedną klasę inteligentnych wskaźników (w porównaniu z trzema klasami w C++11), a mianowicie klasę wskaźników automatycznych auto_ptr, która zresztą, począwszy od C++11, jest niezalecana. Jej cele pokrywały się z grubsza z zadaniami obecnej klasy unique_ptr, ale implementacja była obarczona kilkoma istotnymi problemami:  W owym czasie język C++ nie definiował semantyki przeniesienia dla konstruktorów i operatorów przypisania; mimo to klasa miała implementować semantykę przenoszenia wyłącznej własności. W efekcie semantykę przenoszenia własności zrealizowano na bazie konstruktora kopiującego i kopiującego operatora przypisania, co mogło powodować poważne problemy, zwłaszcza kiedy wskaźnik auto_ptr był argumentem wywołania funkcji.  Nie wyodrębniono semantyki funkcji usuwającej, przez co wskaźniki auto_ptr można było stosować wyłącznie z pojedynczymi obiektami przydzielanymi za pomocą wywołania operatora new.  Ponieważ była to początkowo jedyna klasa inteligentnego wskaźnika w bibliotece standardowej C++, bywała stosowana niezgodnie z zaleceniami; częstym błędem było zakładanie, że wskaźnik auto_ptr realizuje semantykę współwłasności obiektu wskazywanego, analogicznie do współczesnej klasy shared_ptr. Co do podatności auto_ptr na niezamierzoną utratę wyłączności posiadania rozważmy poniższą (naiwną) realizację funkcji wyświetlającej obiekt, do którego odnosi się wskaźnik typu auto_ptr: // to jest zły przykład template void bad_print(std::auto_ptr p)

// wskaźnik p przejmuje wlasność // od przekazanego argumentu

{

}

// czy wskaźnik p jest właścicielem jakiegoś obiektu? if (p.get() == NULL) { std::cout << "PUSTY"; } else { std::cout << *p; } // Ojej, wyjście z funkcji powoduje usunięcie obiektu wskazywanego przez p

Każde przekazanie wskaźnika typu auto_ptr do powyższej funkcji bad_print() powoduje usunięcie obiektów będących własnością tego wskaźnika (jeśli takie istnieją).

144

5. NARZĘDZIA

Dzieje się tak dlatego, że własność wskaźnika typu auto_ptr przekazywanej jako argument przenoszona jest na parametr p, a parametr ten przy wyjściu z funkcji usuwa obiekt będący jego własnością. Nie taka jest najprawdopodobniej intencja programisty, a następstwem takiej pomyłki byłyby krytyczne błędy wykonania: std::auto_ptr *p = 42; // bad_print(p); // *p = 18; //

p(new int); zmień wartość, do której odnosi się wskaźnik p Ojej, zwalnia obszar pamięci, do którego odnosi się wskaźnik p BŁĄD WYKONANIA

Zachowanie to objawia się przede wszystkim przy przekazywaniu wskaźników auto_ptr do kontenerów. Klasa unique_ptr eliminuje możliwość popełniania takich omyłek, ponieważ przekazanie wskaźnika wyłącznego w roli argumentu wywołania funkcji musi obejmować jawne wymuszenie semantyki przeniesienia za pośrednictwem funkcji std::move().

5.2.8. Podsumowanie inteligentnych wskaźników Wiadomo już, że C++11 realizuje dwie koncepcje wskaźnika inteligentnego: 1. Wskaźnik współdzielący własność obiektu wskazywanego shared_ptr. 2. Wskaźnik z wyłączną własnością obiektu wskazywanego unique_ptr. Ten ostatni zastąpił klasę wskaźnika inteligentnego auto_ptr z C++98, obecnie niezalecaną.

Wydajność Można się zastanawiać, dlaczego biblioteka standardowa C++ nie udostępnia jednej, za to uniwersalnej realizacji inteligentnego wskaźnika, tego z semantyką współwłasności obiektu wskazywanego; w końcu wskaźniki współdzielone również gwarantują eliminację zasobów i pozwalają na transfer własności. Odpowiedź jest uzasadniana narzutami pamięciowymi i czasowymi charakterystycznymi dla wskaźników współdzielonych. Klasa shared_ptr jest implementowana w modelu nieinwazyjnym, co oznacza, że obiekty wskazywane nie muszą spełniać żadnych dodatkowych wymagań (to jest nie muszą na przykład być pochodnymi wyznaczonej klasy bazowej). Ma to tę zaletę, że pozwala ująć ochroną wskaźnika inteligentnego również przydziały obiektów typów podstawowych. Ceną jest jednak konieczność przechowywania we wskaźniku shared_ptr wielu składowych, a mianowicie (co najmniej) gołego wskaźnika do posiadanego obiektu oraz licznika odwołań współdzielonego przez wszystkie wskaźniki będące w posiadaniu tego samego obiektu. Ponieważ do obiektu pozostającego w posiadaniu wskaźnika shared_ptr może odnosić się również wskaźnik weak_ptr, potrzebny jest jeszcze jeden licznik (licznik odwołań jest potrzebny co najmniej do czasu, kiedy ostatni słaby wskaźnik przestanie odwoływać się do obiektu posiadanego przez wskaźnik współdzielony — inaczej nie można zagwarantować, że dla każdego słabego wskaźnika wywołanie use_count() zwróci 018). 18

Dziękuję Howardowi Hinnantowi za zwrócenie uwagi na tę kwestię.

5.3. OGRANICZENIA LICZBOWE

145

Jak widać, wskaźniki współdzielone i słabe potrzebują wewnętrznie dodatkowych obiektów pomocniczych, do których odnoszą się wewnętrzne składowe tych wskaźników, co utrudnia pewne kategorie optymalizacji (jak optymalizacja pustej klasy bazowej, która pozwoliłaby na całkowite wyeliminowanie narzutu pamięciowego). Tymczasem wskaźniki wyłącznie unique_ptr nie wprowadzają żadnego narzutu pamięciowego. Ich „inteligencja” wyraża się w specjalnych konstruktorach i destruktorach oraz w blokowaniu semantyki kopiowania. Przy założeniu bezstanowej (albo pustej) funkcji usuwającej wskaźnik wyłączny zajmie tyle samo pamięci, ile zajmuje goły wskaźnik zwyczajny, nie trzeba się więc bać narzutu w czasie wykonania w porównaniu ze stosowaniem zwyczajnych wskaźników i ręcznym zarządzaniem czasem życia obiektów wskazywanych. Aby jeszcze zmniejszyć ewentualne narzuty, warto stosować wskaźniki wyłączne z obiektami funkcyjnymi (oraz lambdami) w roli funkcji usuwającej, bo umożliwia to optymalizacje redukujące narzuty wykonania praktycznie do zera.

Ograniczenia stosowania Wskaźniki inteligentne nie są ani doskonałe, ani uniwersalne: trzeba orientować się w problemach, jakie rozwiązują, i problemach, jakie pozostawiają nierozwiązane. Na przykład żadna z klas inteligentnych wskaźników nie jest odporna na tworzenie wielu wskaźników z tego samego wskaźnika zwyczajnego. Przykłady stosowania wskaźników współdzielonych z rozmaitymi kontenerami STL prezentuje podrozdział 7.11. Klasy shared_ptr i unique_ptr realizują różne modele obsługi tablic i określania funkcji usuwających. Klasa unique_ptr posiada dedykowaną, częściową specjalizację dla typów tablicowych, różnicującą interfejs w stosunku do wersji ogólnej. Daje to większą elastyczność i zmniejsza narzuty wykonania, ale wprowadza odrobinę większe utrudnienia w użyciu. Na koniec warto także pamiętać, że inteligentne wskaźniki, choć oferują pewne gwarancje, nie nadają się same z siebie do stosowania w przebiegach wielowątkowych. Więcej informacji na ten temat znajduje się w punkcie 5.2.4.

5.3. Ograniczenia liczbowe Typy numeryczne na ogół posiadają ograniczenia zależne od platformy. Ograniczenia te dostępne są w bibliotece standardowej C++ we wzorcu numeric_limits. Te ograniczenia liczbowe zastępują i uzupełniają zwykłe stałe preprocesora języka C. Stałe te są nadal dostępne dla typów całkowitych w plikach nagłówkowych i oraz dla typów zmiennoprzecinkowych w plikach i . Nowa koncepcja ograniczeń liczbowych ma dwie zalety. Po pierwsze, oferuje większe bezpieczeństwo typologiczne. Po drugie, umożliwia programiście definiować wzorce, które obliczają te ograniczenia.

146

5. NARZĘDZIA

Pozostałą część tego podrozdziału zajmuje omówienie ograniczeń liczbowych. Warto jednak zauważyć, że zawsze lepiej jest tworzyć kod niezależny od platformy, korzystając z minimalnej gwarantowanej dokładności typów. Te minimalne wartości podaje tabela 5.719. TABELA 5.7. Rozmiar minimalny typów wbudowanych Typ

Rozmiar minimalny

char short int int long int long long int float double long double

1 bajt (8 bitów) 2 bajty 2 bajty 4 bajty 8 bajtów 4 bajty 8 bajtów 8 bajtów

Klasa numeric_limits<> Z szablonów korzystamy zwykle, aby zaimplementować coś jednorazowo dla dowolnego typu. Niemniej jednak szablony można również wykorzystać do realizacji wspólnego interfejsu, jaki będzie zaimplementowany dla każdego typu, dla którego będzie przydatny. Można tego dokonać definiując specjalizację szablonu ogólnego. Klasa numeric_limits stanowi typowy przykład tej techniki. Technika ta przedstawia się następująco:  Szablon ogólny udostępnia domyślne wartości liczbowe dla dowolnego typu: namespace std { // ogólne ograniczenia liczbowe jako wartości domyślne dla dowolnego typu template