Kurs języka C++ – wykład 13 (19.05.2014)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

22. Pomiar czasu • Przedziały czasowe możemy porównywać, dodawać, odejmować, mnożyć i dzielić przez współczynniki oraz inkrementować i dekrementować o określoną jednostkę. • Przykład:chrono::duration<int,ratio<1,3>> d1(1); // 1/3 sekundychrono::duration<int,ratio<1,5>> d2(1); // 1/5 sekundyd1 + d2 /* 8 jednostek z 1/15 sekundy */d1 < d2 /* false */

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

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

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

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

27. Funkcje lambda • …