4.7. Проблемы, порождаемые шаблонами
4.7.1. Недостатки шаблонов
Как можно заметить из рассмотренных примеров, шаблоны являются мощным и эффективным инструментом реализации обобщенного кода. Но, как известно, не бывает ничего идеального, поэтому, конечно же, у них имеются недостатки.
Сложность разработки. При проектировании шаблонного кода операции зачастую задаются в декларативном виде, что приближает их к функциональному стилю. Использование пакетов параметров требует изощренных техник, весьма непохожих на классические приемы программирования.
Сложность понимания. Код, написанный с помощью шаблонов, гораздо труднее анализировать, чем обычный. В этом можно убедиться, просмотрев, к примеру, исходный код стандартной библиотеки STL.
Недружественность компилятора. Сообщения об ошибках, генерируемые при компиляции шаблонов, зачастую сложны и непонятны. Когда ошибка показывается где-то в недрах шаблонного кода, очень трудно бывает догадаться, возникает ли проблема из-за некорректной реализации этого кода либо из-за того, что структура данных, подставляемая в шаблон, не реализует предполагаемый интерфейс (например, требуется перегрузка некоторых операторов).
Тщательное тестирование. Шаблоны подчиняются концепции «компиляция по требованию», т. е. компилируются только те функции и методы, которые используются в коде. Поэтому, чтобы убедиться в отсутствии синтаксических и семантических ошибок, следует покрывать вызовами все функции и методы, объявленные в шаблоне. Причем желательно это делать на некотором наборе предполагаемых типов данных.
Большое время компиляции. Во-первых, компилятор осуществляет генерацию кода при каждом инстанциировании шаблона конкретным типом. Во-вторых, шаблоны для одних и тех же типов, инстанциируемые в разных участках программы, будут компилироваться заново. И, в-третьих, много времени тратится на компиляцию включаемых файлов: например, при каждом включении заголовочных файлов стандартной библиотеки все внутренние реализации шаблонов в этих файлах должны быть скомпилированы.
Склонность к разрастанию программного кода. Для каждого используемого типа будет сгенерирован отдельный код. Представим, к примеру, что мы используем шаблонную функцию с входным аргументом – числом, тип которого задается параметром шаблона. Если мы будем вызывать эту функцию с аргументами различных типов, допустим, char, short, int, long, для каждого типа будет сгенерирована отдельная функция, несмотря на то что используемые типы эквивалентны и можно обойтись одним-единственным типом long. Аналогичная ситуация возникает при специализации шаблонов: даже если мы делаем частичную специализацию c целью изменить поведение одного-единственного метода, нам придется повторить весь код, используемый в общей специализации.
4.7.2. Ограничения шаблонов
В общем-то, рассмотренные недостатки не так уж значительны, и преимуществ у шаблонов значительно больше. Тем не менее, они имеют фундаментальное ограничение, вытекающие из их внутренней природы: шаблоны не создают предварительно откомпилированного кода. По большому счету шаблон представляет собой не сам код, а правила для генерации кода. Пока шаблон не инстанциирован, его код отсутствует; после инстанциирования последний генерируется только для тех методов и функций, которые были вызваны. Из указанного ограничения вытекают следующие выводы.
Интерфейс шаблона не может быть отделен от реализации. И объявление шаблона, и его реализация должны находиться в одной области видимости (модель включения). Таким образом, при изменениях в реализации шаблона все компоненты, которые его используют, должны быть перекомпилированы.
Шаблоны не могут поставляться в виде статических или динамических библиотек, они должны поставляться только в виде исходного кода. Никакие сторонние приложения (за исключением компиляторов C++, разумеется) не могут использовать функциональность, реализованную на базе шаблонов.
По вышеуказанным причинам,29
С помощью шаблонов невозможно реализовать интерфейсы API.
4.8. Итоги
Шаблоны обеспечивают параметрический полиморфизм, что позволяет писать обобщенный код, реализующий заданную функциональность без привязки к типам данных.
Инициатор для синхронных вызовов реализуется с помощью шаблонов функций, асинхронных – с помощью шаблонов классов.
В реализации шаблона инициатора тип объекта вызова задается параметром. Поскольку разные типы объектов требуют различное число параметров и используют неодинаковый синтаксис, для сохранения единой реализации используется преобразование вызовов.
Функциям, реализующим алгоритмы, зачастую требуются различные операции над данными. Поскольку в обобщенном коде типы данных заранее не известны, для реализации операций используются предикаты.
В асинхронных вызовах для каждого типа аргумента приходится инстанциировать соответствующий инициатор. Использование универсального аргумента позволяет реализовать единый класс для любых типов аргументов, однако в некоторых случаях это может привести к падению производительности.
В стандартной библиотеке STL имеются мощные средства для организации вызовов, реализующие универсальный аргумент, вызов методов класса, перенаправление вызовов.
Шаблонам присущи недостатки, большинство из которых незначительны и не перевешивают их достоинств. Однако шаблоны не предполагают предварительно откомпилированного кода, и по этой причине не могут использоваться в интерфейсах API.
5. Распределение вызовов
5.1. Постановка задачи
Под распределением вызовов понимается техника, в которой при вызове единственной функции осуществляется выполнение множества вызовов через соответствующие аргументы.
Графически задача распределения вызовов показана на Рис. 21. Компонент, осуществляющий вызов, называется источником; аргументы вызова называются получателями; компонент, осуществляющий распределение вызовов, называется распределитель; код, запускающий вызовы, называется распределяющая функция. При необходимости дополнительно в вызов могут передаваться какие-либо данные.
Распределитель может быть реализован в виде функции либо класса. Если распределитель реализован в виде функции, то он сам представляет собой распределяющую функцию. Если распределитель реализован в виде класса, то распределяющая функция представляет собой метод класса либо перегруженный оператор.
Рис. 21. Распределение вызовов
Как видим, постановка задачи звучит достаточно просто. Зачем же тогда ей посвящен отдельный раздел? Во-первых, распределение вызовов имеет важное прикладное значение: оно используется в самых различных приложениях, таких, как обработка команд, оповещение о событиях, синхронизация операций и др. Во-вторых, задача распределения вызовов совсем не такая простая, как это может показаться из формального описания. Для ее решения используются изощренные техники, призванные обеспечивать максимальную эффективность для самых различных требований.
Итак, рассмотрим, как реализуется распределение вызовов.
5.2. Статический набор получателей
5.2.1. Распределение в статическом наборе
Если типы и количество получателей известны на этапе компиляции и не планируется их изменение в процессе выполнения программы, то мы имеем статический набор получателей. В этом случае распределитель можно реализовать в виде шаблонной функции, которая в качестве входных аргументов будет принимать объекты вызова. Но поскольку типы объектов и их количество могут быть различными, логично в качестве входного параметра функции использовать пакет, задаваемый шаблоном.
Итак, нам необходимо выполнить вызов для каждого объекта, входящего в пакет. Для решения этой задачи используется техника рекурсивного развертывания пакета, суть которой заключается в следующем.
Объявляется функция, первым параметром которой выступает объект вызова, а вторым – пакет. Когда на вход данной функции поступает пакет, первый объект из него извлекается, происходит вызов этого объекта, а затем функция рекурсивно вызывается вновь с пакетом, содержащим еще не извлеченные объекты. Когда в результате рекурсивных вызовов все объекты будут извлечены, будет вызвана функция, на вход которой будет передан пустой пакет. Данная функция завершает рекурсивное выполнение.
Реализация описанной техники приведена в Листинг 63.
Листинг 63. Распределяющая функция для статического набора получателей
void Call() // (1)
{
}
template < typename First, typename…Others>
void Call(First& first, Others…rest) // (2)
{
first(); // (3)
Call(rest…); // (4)
}
template <typename … CallObjects>
void Distribute(CallObjects… objects) // (5)
{
Call(objects…); // (6)
}
Графически развертывание пакета параметров для трех аргументов изображено на Рис. 22. Процесс начинается с вызова распределяющей функции, которая объявлена в строке 5. Здесь используется пакет параметров objects, который содержит объекты вызова. Внутри этой функции, в строке 6, происходит первый вызов рекурсивной функции, которой на вход передаются соответствующий аргумент в виде пакета.
Рекурсивная функция Call объявлена в строке 2. Эта функция принимает два аргумента: первый параметр из пакета first и пакет остальных параметров rest. При первом вызове пакет параметров из Distribute передается в эту функцию, и там происходит его распаковка: первый параметр извлекается и помещается в first, оставшаяся часть пакета записывается в rest. В строке 3 производится вызов, а пакет с оставшимися параметрами передается в рекурсивный вызов Call (строка 4).
Итак, на каждом шаге рекурсивного вызова из пакета извлекается очередной параметр, а размер исходного пакета уменьшается. Таким образом, в итоге все параметры будут извлечены, и пакет станет пустым. Эта ситуация обрабатывается путем объявления функции с пустым пакетом параметров, т. е. функции, которая на вход не принимает ни одного аргумента (строка 1). Тело этой функции пустое, в ней происходит возврат управления, и по цепочке рекурсивных вызовов управление возвращается в исходную точку в строке 6.
Рис. 22. Рекурсивное развертывание пакета параметров для трех аргументов
Использование распределения вызовов для статического набора получателей приведено в Листинг 64.
Листинг 64. Распределение вызова для статического набора
void ExternalHandler() // (1)
{
}
struct FO
{
void callbackHandler() {}
void operator() () {}
};
int main()
{
FO fo; // (2)
auto lambda = []() {}; // (3)
auto cb2cl = std::bind(&FO::callbackHandler, fo); // (4)
Distribute(ExternalHandler, fo, cb2cl, lambda); // (5)
}
В строках 1, 2, 3, 4 объявлены соответствующие объекты вызова: внешняя функция, функциональный объект, лямбда-выражение, объект для вызова метода класса. Для вызова метода класса в строке 4 объявляется объект связывания (см. п. 4.6.6), в строке 5 происходит распределение вызовов.
5.2.2. Передача данных
Если в вызов необходимо передавать данные, то для этого в описанные выше функции необходимо ввести дополнительный параметр (Листинг 65).
Листинг 65. Распределяющая функция для статического набора получателей с передачей данных
template <typename CallData> // (1)
void Call(CallData& data)
{
}
template <typename CallData, typename First, typename…Others> // (2)
void Call(CallData data, First& first, Others&…rest)
{
first(data); // (3)
Call(data, rest…); // (4)
}
template <typename CallData, typename … CallObjects> // (5)
void Distribute(CallData data, CallObjects… objects)
{
Call(data, objects…); // (6)
}
Приведенная реализация повторяет Листинг 63 п. 5.2.1, только теперь в функциях к объектам вызова добавляется параметр data для передачи данных.
Пример распределения для статического набора получателей с передачей данных представлен в Листинг 66.
Листинг 66. Распределение вызовов для статического набора получателей
void ExternalHandler(int eventID) // (1)
{
}
struct FO
{
void callbackHandler(int eventID) {}
void operator() (int eventID) {}
};
int main()
{
using namespace std::placeholders;
FO fo; // (2)
auto lambda = [](int eventID) {}; // (3)
auto cb2cl = std::bind(&FO::callbackHandler, fo, _1); // (4)
int eventID = 0; // (5)
Distribute(eventID, ExternalHandler, fo, cb2cl, lambda); // (6)
}
В строках 1, 2, 3, 4 объявлены соответствующие объекты вызова: внешняя функция, функциональный объект, лямбда-выражение, объект для вызова метода класса. Для вызова метода класса в строке 4 объявляется объект связывания (см. п. 4.6.6), в строке 5 объявляется переменная для передачи данных. В строке 6 происходит распределение вызовов, первым параметром передается аргумент данных eventID.
5.3. Настройка сигнатуры для передачи данных
5.3.1. Общая концепция
В рассмотренной выше реализации распределения с передачей данных (п. 5.2.2) есть один недостаток: данные, передаваемые в вызов, имеют заранее прописанную сигнатуру. В нашем случае предполагается, что это единственная числовая переменная. Если нам понадобится другая сигнатура, т. е. другой набор и типы переменных, нам придется повторять всю реализацию распределения, изменяя только сам вызов. Можно ли настроить сигнатуру, как это мы делали в универсальном аргументе? Тогда мы определяли сигнатуру с помощью пакета параметров, но теперь у нас пакет параметров используется для задания объектов вызова.
Получается, нам необходим еще один пакет параметров. В общем случае допускается объявлять шаблон функции с несколькими пакетами30, однако в этом случае для вывода типов пакета используется схема раскрытия. По этой причине необходимо, чтобы все пакеты параметров раскрывались параллельно в рамках одной синтаксической конструкции (Листинг 67), что для нашей задачи не подходит: мы должны вначале раскрыть пакет объектов вызова, а затем для каждого элемента пакета раскрыть пакет сигнатуры. Здесь нужно какое-то другое решение.
Листинг 67. Пример шаблона функции с несколькими пакетами параметров
template<typename…First, typename…Second>
void init(std::pair<First,Second>…)
{
}
int main()
{
init(std::make_pair(1, 2), std::make_pair(3,4), std::make_pair(0.3, 1e5));
}
Поскольку пакет параметров в нашем случае может быть только один, необходима структура данных, в которую можно упаковать объекты различных типов. На эту роль лучше всего подойдет кортеж.
Кортеж – это структура данных, которая используется для хранения объектов различных типов.
В STL кортеж реализуется шаблонным классом std::tuple, параметрами шаблона являются типы, которые будут храниться в кортеже. Этот класс как нельзя лучше подойдет для наших целей, потому что объекты вызова у нас также задаются параметрами шаблона.
Итак, у нас есть два набора: объекты вызова и данные, передаваемые в вызов. Какой набор упаковать в кортеж, а какой в пакет параметров? Рассмотрим различные способы упаковки наборов.
5.3.2. Способ 1: объекты в пакет, данные в кортеж
При использовании данного способа реализация распределения практически совпадает с описанной в Листинг 65 п. 5.2.2 с той разницей, что для передачи данных используется не переменная, а кортеж (Листинг 68).
Листинг 68. Распределение при упаковке объектов в пакет и данных в кортеж
template <typename CallData>
void Call(CallData& data) // (1)
{
}
template <typename CallData, typename First, typename…Others>
void Call(CallData& data, First& first, Others&…rest) // (2)
{
std::apply(first, data); // (3)
Call(data, rest…); // (4)
}
template <typename… CallData, typename… CallObjects>
void Distribute1(std::tuple<CallData…> data, CallObjects… objects) // (5)
{
Call(data, objects…); // (6)
}
Распределяющая функция объявлена в строке 5. Входными параметрами функции являются кортеж данных вызова data и пакет объектов вызова objects, типы их содержимого задаются параметрами шаблона. Внутри этой функции, в строке 6, происходит первый вызов рекурсивной функции, которой передаются соответствующие аргументы – кортеж и пакет.
Рекурсивная функция объявлена в строке 2. Эта функция извлекает очередной объект из пакета и осуществляет его вызов (строка 3). Здесь используется функция стандартной библиотеки std::apply, которая преобразует содержимое кортежа в список аргументов. Далее, в строке 4, пакет с оставшимися параметрами передается в рекурсивный вызов Call, и процесс повторяется до завершения рекурсии.
5.3.3. Способ 2: объекты в кортеж, данные в пакет
При использовании данного способа необходимо пройти по всем элементам кортежа и осуществить вызовы хранимых в нем объектов, передавая на вход пакет данных. Как осуществить обход содержимого кортежа?
Доступ к элементам кортежа осуществляется с помощью вызова
std::get<index>(tuple),
где index – это порядковый номер элемента (начиная с 0), tuple – имя переменной-кортежа. Проблема в том, что индексы должны быть заранее определены как числовые константы, использование переменной для задания индекса не допускается31. Поэтому здесь нельзя использовать ни циклы, ни функции с входным аргументом – индексом.
Можно попробовать объявить шаблон функции, в которой индекс задается параметром шаблона, а внутри функции изменить индекс и осуществить рекурсивный вызов. По идее, в этом случае для каждого индекса должна была бы сгенерироваться отдельная специализированная функция, однако стандарт не допускает специализацию шаблонов функций32. Но специализация шаблонов классов допустима, поэтому выходом будет обернуть функцию в класс – оболочку и уже для класса объявлять специализацию по индексам. Реализация приведена в Листинг 69.
Листинг 69. Распределение при упаковке объектов в кортеж и данных в пакет
template<std::size_t Index, typename CallObjects, typename… CallData> // (1)
struct TupleIterator
{
static void IterateTupleItem(CallObjects& callObjects, CallData…callData) // (2)
{
const std::size_t idx = std::tuple_size_v<CallObjects> – Index; // (3)
std::get<idx>(callObjects)(callData…); // (4)
TupleIterator<Index – 1, CallObjects, CallData…>::IterateTupleItem(callObjects, callData…); // (5)
}
};
template<typename CallObjects, typename… CallData> // (6)
struct TupleIterator<0, CallObjects, CallData…> // (7)
{
static void IterateTupleItem(CallObjects& callObjects, CallData… callData) // (8)
{
}
};
template<typename… CallObjects, typename… CallData> // (9)
void Distribute2(std::tuple<CallObjects…> callObjects, CallData… callData) // (10)
{
TupleIterator // (11)
<
sizeof…(CallObjects), // (12)
std::tuple<CallObjects…>, // (13)
CallData… // (14)
>
::IterateTupleItem(callObjects, callData…); // (15)
}
В строке 1 объявляется шаблон структуры. Параметрами шаблона выступают индекс элемента кортежа, сам кортеж и пакет параметров, который определяет данные, передаваемые в вызываемый объект.
Внутри структуры в строке 2 объявлена функция, осуществляющая выполнение вызова для элемента кортежа. Входными параметрами этой функции будет кортеж объектов вызова и пакет данных вызова, элемент кортежа определяется индексом – параметром шаблона. Функция объявлена статической, чтобы не объявлять экземпляр структуры в процессе вызова. По сути дела, структура здесь не несет функциональной нагрузки, она выступает в качестве оболочки, чтобы обеспечить специализацию функции по индексу (поскольку непосредственная специализация шаблонов функций невозможна).
В строке 3 осуществляется пересчет индекса: от размера (количества элементов) кортежа отнимается текущий индекс. Это необходимо для того, чтобы обход кортежа осуществлялся в прямом порядке, от первого элемента к последнему. Если не выполнять пересчет индексов, то обход будет происходить в обратном порядке.
В строке 4 осуществляется вызов объекта. С помощью вызова get по пересчитанному индексу осуществляется доступ к соответствующему элементу кортежа. Для указанного элемента выполняется вызов, на вход ему передается пакет данных callData, распакованный в список аргументов.
В строке 5 происходит рекурсивный вызов. Объявляется структура с новым значением параметра-индекса, уменьшенным на единицу. Вызывается соответствующая функция с передачей кортежа объектов и пакета параметров, и процесс повторяется заново.
С каждой итерацией значение индекса уменьшается, и когда оно станет равным нулю, необходимо остановить итерации, поскольку все элементы кортежа будут посещены. Для этой цели в строке 6 объявлена специализация структуры для нулевого индекса. Тело функции в этой структуре пустое, таким образом, рекурсия будет завершена.
В строке 9 объявлен шаблон распределяющей функции. Этот шаблон имеет два пакета параметров: пакет объектов вызова и пакет данных вызова, типы содержимого пакетов будут выводиться из входных аргументов. В строке 10 объявляется сама функция, которая на вход принимает два аргумента: кортеж объектов вызова и пакет данных вызова.
В строке 11 запускается процесс итерации путем инстанциирования шаблона TupleIterator. Аргументами шаблона выступают: количество объектов вызова (строка 12), вычисляется с помощью операции sizeof применительно к соответствующему пакету параметров; кортеж объектов вызова (строка 13); данные, передаваемые в вызов (строка 14). В строке 15 вызывается стартовая функция итерации с передачей соответствующих аргументов. Как видим, начальное значение индекса равно количеству объектов вызова, которое затем с каждой новой итерацией будет уменьшаться на единицу, в то время как пересчитываемый индекс, соответственно, увеличивается.