Пространства имен и шаблоны функций А

Как и любое другое глобальное определение, шаблон функции может быть помещен в пространство имен (см. обсуждение пространств имен в разделах 8.5 и 8.6). Мы получили бы ту же семантику, если бы определили шаблон в глобальной области видимости, скрыв его имя внутри пространства имен. При использовании вне этого пространства необходимо либо квалифицировать имя шаблона именем пространства имен, либо использовать using-объявление:

}

Что произойдет, если наша программа использует шаблон, определенный в пространстве имен, и мы хотим предоставить для него специализацию? (Явные специализации шаблонов рассматривались в разделе 10.6.) Допустим, мы хотим использовать шаблон min(), определенный в cplusplus_primer, для нахождения минимального значения в массиве объектов типа SmallInt. Однако мы осознаем, что имеющееся определение шаблона не вполне подходит, поскольку сравнение в нем выглядит так:

if ( array[i] < min_val )

В этой инструкции два объекта класса SmallInt сравниваются с помощью оператора <. Но этот оператор неприменим к объектам, если только не перегружен в классе SmallInt (мы покажем, как определять перегруженные операторы в главе 15). Предположим, что мы хотели бы определить специализацию шаблона min(), чтобы она пользовалась функцией compareLess() для сравнения двух подобных объектов. Вот ее объявление:

bool compareLess( const SmallInt &parm1, const SmallInt &parm2 );

Как должно выглядеть определение этой функции? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо познакомиться с определением класса SmallInt более подробно. Данный класс позволяет определять объекты, которые хранят тот же диапазон значений, что и 8-разрядный тип unsigned char, т.е. от 0 до 255. Дополнительная функциональность состоит в том, что класс перехватывает ошибки переполнения и потери значимости. Во всем остальном он должен вести себя точно так же, как unsigned char. Определение SmallInt выглядит следующим образом:

};

В этом классе есть один закрытый член value, в котором хранится значение объекта типа SmallInt. Класс также содержит конструктор с параметром ival:

SmallInt( int ival ) : value( ival ) {}

Его единственное назначение – инициализировать член класса value значением ival.

Вот теперь можно ответить на ранее поставленный вопрос: как должна быть определена функция compareLess()? Она будет сравнивать члены value переданных ей аргументов типа SmallInt:

}

Заметим, однако, что член value является закрытым. Как может глобальная функция обратиться к закрытому члену, не нарушив инкапсуляции класса SmallInt и не вызвав тем самым ошибку компиляции? Если вы посмотрите на определение класса SmallInt, то заметите, что глобальная функция compareLess() объявлена как дружественная (friend). Если функция объявлена таким образом, то ей доступны закрытые члены класса. (Друзья классов рассматриваются в разделе 15.2.)

Теперь мы готовы определить специализацию шаблона min(). Она следующим образом использует функцию compareLess().

}

Где мы должны объявить эту специализацию? Предположим, что здесь:

// ...

К сожалению, этот код не работает. Явная специализация шаблона функции должна быть объявлена в том пространстве имен, где определен порождающий шаблон. Поэтому мы обязаны определить специализацию min() в пространстве cplusplus_primer. В нашей программе это можно сделать двумя способами.

Напомним, что определения пространства имен не обязательно непрерывны. Мы можем повторно открыть пространство имен cplusplus_primer для добавления специализации:

}

Можно определить специализацию так, как мы определяем любой другой член пространства имен вне определения самого пространства: квалифицировав имя члена именем объемлющего пространства.

// ...

Если вы, пользуясь библиотекой, содержащей определения шаблонов, захотите написать их специализации, то должны будете удостовериться, что их определения помещены в то же пространство имен, что и определения исходных шаблонов.

Упражнение 10.15

Поместим содержимое заголовочного файла <exercise.h> из упражнения 10.14 в пространство имен cplusplus_primer. Как надо изменить функцию main(), чтобы она могла конкретизировать шаблон max(), находящийся в cplusplus_primer?

Упражнение 10.16

Снова обращаясь к упражнению 10.14, предположим, что содержимое заголовочного файла <exercise.h> помещено в пространство имен cplusplus_primer. Допустим, мы хотим специализировать шаблон функции max() для массивов объектов класса LongDouble. Нужно, чтобы специализация шаблона использовала функцию compareGreater() для сравнения двух объектов класса LongDouble, объявленную как:

const LongDouble &parm2 );

Определение класса LongDouble выглядит следующим образом:

};

Напишите определение функции compareGreater() и специализацию max(), в которой эта функция используется. Напишите также функцию main(), которая задает элементы массива ad, а затем вызывает специализацию max(), доставляющую его максимальный элемент. Значения, которыми инициализируется массив ad, должны быть получены чтением из стандартного ввода cin.

Пример шаблона функции

В этом разделе приводится пример, показывающий, как можно определять и использовать шаблоны функций. Здесь определяется шаблон sort(), который затем применяется для сортировки элементов массива. Сам массив представлен шаблоном класса Array (см. раздел 2.5). Таким образом, шаблоном sort() можно пользоваться для сортировки массивов элементов любого типа.

В главе 6 мы видели, что в стандартной библиотеке C++ определен контейнерный тип vector, который ведет себя во многом аналогично типу Array. В главе 12 рассматриваются обобщенные алгоритмы, способные манипулировать контейнерами, описанными в главе 6. Один из таких алгоритмов, sort(), служит для сортировки содержимого вектора. В этом разделе мы определим собственный “обобщенный алгоритм sort()” для манипулирования классом Array, упрощенной версии алгоритма из стандартной библиотеки C++.

Шаблон функции sort() для шаблона класса Array определен следующим образом:

}

В sort() используются две вспомогательные функции: min() и swap(). Обе они должны определяться как шаблоны, чтобы иметь возможность обрабатывать любые типы фактических аргументов, с которыми может быть конкретизирован шаблон sort(). min() определена как шаблон функции для поиска минимального из двух значений любого типа:

}

swap() – шаблон функции для перестановки двух элементов массива любого типа:

}

Убедиться в том, что функция sort() действительно работает, можно с помощью отображения содержимого массива после сортировки. Поскольку функция display() должна обрабатывать любой массив, конкретизированный из шаблона класса Array, ее тоже следует определить как шаблон:

}

В этом примере мы пользуемся моделью компиляции с включением и помещаем шаблоны всех функций в заголовочный файл Array.h вслед за объявлением шаблона класса Array.

Следующий шаг – написание функции для тестирования этих шаблонов. В sort() поочередно передаются массивы элементов типа double, типа int и массив строк. Вот текст программы:

}

Если скомпилировать и запустить программу, то она напечатает следующее (эти строки искусственно разбиты на небольшие части):

sort array of doubles (size == 10)

< 1.7 5.7 11.7 14.9 15.7 19.7 26.7

37.7 48.7 59.7 61.7 >

sort array of ints (size == 16)

< 61 87 154 170 275 426 503 509 512

612 653 677 703 765 897 908 >

sort array of strings (size == 11)

< "a" "falling" "heavy" "left" "police" "snow"

"station" "the" "they" "was" "when" >

В числе обобщенных алгоритмов, имеющихся в стандартной библиотеке C++ (и в главе 12), вы найдете также функции min() и swap(). В главе 12 мы покажем, как их использовать.

Обработка исключений

Обработка исключений – это механизм, позволяющий двум независимо разработанным программным компонентам взаимодействовать в аномальной ситуации, называемой исключением. В этой главе мы расскажем, как генерировать, или возбуждать, исключение в том месте программы, где имеет место аномалия. Затем мы покажем, как связать catch-обработчик исключений с множеством инструкций программы, используя try-блок. Потом речь пойдет о спецификации исключений – механизме, с помощью которого можно связать список исключений с объявлением функции, и функция не сможет возбудить никаких других исключений. Закончится эта глава обсуждением решений, принимаемых при проектировании программы, в которой используются исключения.

Возбуждение исключения

Исключение – это аномальное поведение во время выполнения, которое программа может обнаружить, например: деление на 0, выход за границы массива или истощение свободной памяти. Такие исключения нарушают нормальный ход работы программы, и на них нужно немедленно отреагировать. В C++ имеются встроенные средства для их возбуждения и обработки. С помощью этих средств активизируется механизм, позволяющий двум несвязанным (или независимо разработанным) фрагментам программы обмениваться информацией об исключении.

Когда встречается аномальная ситуация, та часть программы, которая ее обнаружила, может сгенерировать, или возбудить, исключение. Чтобы понять, как это происходит, реализуем по-новому класс iStack, представленный в разделе 4.15, используя исключения для извещения об ошибках при работе со стеком. Определение класса iStack выглядит следующим образом:

};

Стек реализован на основе вектора из элементов типа int. При создании объекта класса iStack его конструктор создает вектор из int, размер которого (максимальное число элементов, хранящихся в стеке) задается с помощью начального значения. Например, следующая инструкция создает объект myStack, который способен содержать не более 20 элементов типа int:

iStack myStack(20);

При манипуляциях с объектом myStack могут возникнуть две ошибки:

· запрашивается операция pop(), но стек пуст;

· запрашивается операция push(), но стек полон.

Вызвавшую функцию нужно уведомить об этих ошибках посредством исключений. С чего же начать?

Во-первых, мы должны определить, какие именно исключения могут быть возбуждены. В C++ они чаще всего реализуются с помощью классов. Хотя в полном объеме классы будут представлены в главе 13, мы все же определим здесь два из них, чтобы использовать их как исключения для класса iStack. Эти определения мы поместим в заголовочный файл stackExcp.h:

class pushOnFull { /* ... */ };

В главе 19 исключения в виде классов обсуждаются более подробно, там же рассматривается иерархия таких классов, предоставляемая стандартной библиотекой C++.

Затем надо изменить определения функций-членов pop() и push() так, чтобы они возбуждали эти исключения. Для этого предназначена инструкция throw, которая во многих отношениях напоминает return. Она состоит из ключевого слова throw, за которым следует выражение того же типа, что и тип возбуждаемого исключения. Как выглядит инструкция throw для функции pop()? Попробуем такой вариант:

throw popOnEmpty;

К сожалению, так нельзя. Исключение – это объект, и функция pop() должна генерировать объект класса соответствующего типа. Выражение в инструкции throw не может быть просто типом. Для создания нужного объекта необходимо вызвать конструктор класса. Инструкция throw для функции pop() будет выглядеть так:

throw popOnEmpty();

Эта инструкция создает объект исключения типа popOnEmpty.

Напомним, что функции-члены pop() и push() были определены как возвращающие значение типа bool: true означало, что операция завершилась успешно, а false – что произошла ошибка. Поскольку теперь для извещения о неудаче pop() и push() используют исключения, возвращать значение необязательно. Поэтому мы будем считать, что эти функции-члены имеют тип void:

};

Теперь функции, пользующиеся нашим классом iStack, будут предполагать, что все хорошо, если только не возбуждено исключение; им больше не надо проверять возвращенное значение, чтобы узнать, как завершилась операция. В двух следующих разделах мы покажем, как определить функцию для обработки исключений, а сейчас представим новые реализации функций-членов pop() и push() класса iStack:

}

Хотя исключения чаще всего представляют собой объекты типа класса, инструкция throw может генерировать объекты любого типа. Например, функция mathFunc() в следующем примере возбуждает исключение в виде объекта-перечисления . Это корректный код C++:

}

Упражнение 11.1

Какие из приведенных инструкций throw ошибочны? Почему? Для правильных инструкций укажите тип возбужденного исключения:

throw pi;

Упражнение 11.2

У класса IntArray, определенного в разделе 2.3, имеется функция-оператор operator[](), в которой используется assert() для извещения о том, что индекс вышел за пределы массива. Измените определение этого оператора так, чтобы в подобной ситуации он генерировал исключение. Определите класс, который будет употребляться как тип возбужденного исключения.

Try-блок

В нашей программе тестируется определенный в предыдущем разделе класс iStack и его функции-члены pop() и push(). Выполняется 50 итераций цикла for. На каждой итерации в стек помещается значение, кратное 3: 3, 6, 9 и т.д. Если значение кратно 4 (4, 8, 12...), то выводится текущее содержимое стека, а если кратно 10 (10, 20, 30...), то с вершины снимается один элемент, после чего содержимое стека выводится снова. Как нужно изменить функцию main(), чтобы она обрабатывала исключения, возбуждаемые функциями-членами класса iStack?

}

Инструкции, которые могут возбуждать исключения, должны быть заключены в try-блок. Такой блок начинается с ключевого слова try, за которым идет последовательность инструкций, заключенная в фигурные скобки, а после этого – список обработчиков, называемых catch-предложениями. Try-блок группирует инструкции программы и ассоциирует с ними обработчики исключений. Куда нужно поместить try-блоки в функции main(), чтобы были обработаны исключения popOnEmpty и pushOnFull?

}

В таком виде программа выполняется корректно. Однако обработка исключений в ней перемежается с кодом, использующимся при нормальных обстоятельствах, а такая организация несовершенна. В конце концов, исключения – это аномальные ситуации, возникающие только в особых случаях. Желательно отделить код для обработки аномалий от кода, реализующего операции со стеком. Мы полагаем, что показанная ниже схема облегчает чтение и сопровождение программы:

catch ( popOnEmpty ) { ... }

С try-блоком ассоциированы два catch-предложения, которые могут обработать исключения pushOnFull и popOnEmpty, возбуждаемые функциями-членами push() и pop() внутри этого блока. Каждый catch-обработчик определяет тип “своего” исключения. Код для обработки исключения помещается внутрь составной инструкции (между фигурными скобками), которая является частью catch-обработчика. (Подробнее catch-предложения мы рассмотрим в следующем разделе.)

Исполнение программы может пойти по одному из следующих путей:

· если исключение не возбуждено, то выполняется код внутри try-блока, а ассоциированные с ним обработчики игнорируются. Функция main() возвращает 0;

· если функция-член push(), вызванная из первой инструкции if внутри цикла for, возбуждает исключение, то вторая и третья инструкции if игнорируются, управление покидает цикл for и try-блок, и выполняется обработчик исключений типа pushOnFull;

· если функция-член pop(), вызванная из третьей инструкции if внутри цикла for, возбуждает исключение, то вызов display() игнорируется, управление покидает цикл for и try-блок, и выполняется обработчик исключений типа popOnEmpty.

Когда возбуждается исключение, пропускаются все инструкции, следующие за той, где оно было возбуждено. Исполнение программы возобновляется в catch-обработчике этого исключения. Если такого обработчика не существует, то управление передается в функцию terminate(), определенную в стандартной библиотеке C++.

Try-блок может содержать любую инструкцию языка C++: как выражения, так и объявления. Он вводит локальную область видимости, так что объявленные внутри него переменные недоступны вне этого блока, в том числе и в catch-обработчиках. Например, функцию main() можно переписать так, что объявление переменной stack окажется в try-блоке. В таком случае обращаться к этой переменной в catch-обработчиках нельзя:

}

Можно объявить функцию так, что все ее тело будет заключено в try-блок. При этом не обязательно помещать try-блок внутрь определения функции, удобнее заключить ее тело в функциональный try-блок. Такая организация поддерживает наиболее чистое разделение кода для нормальной обработки и кода для обработки исключений. Например:

}

Обратите внимание, что ключевое слово try находится перед фигурной скобкой, открывающей тело функции, а catch-обработчики перечислены после закрывающей его скобки. Как видим, код, осуществляющий нормальную обработку, находится внутри тела функции и четко отделен от кода для обработки исключений. Однако к переменным, объявленным в main(), нельзя обратиться из обработчиков исключений.

Функциональный try-блок ассоциирует группу catch-обработчиков с телом функции. Если инструкция возбуждает исключение, то поиск обработчика, способного перехватить это исключение, ведется среди тех, что идут за телом функции. Функциональные try-блоки особенно полезны в сочетании с конструкторами классов. (Мы еще вернемся к этой теме в главе 19.)

Упражнение 11.3

Напишите программу, которая определяет объект IntArray (тип класса IntArray рассматривался в разделе 2.3) и выполняет описанные ниже действия.

Пусть есть три файла, содержащие целые числа.

1. Прочитать первый файл и поместить в объект IntArray первое, третье, пятое, ..., n-ое значение (где n нечетно). Затем вывести содержимое объекта IntArray.

2. Прочитать второй файл и поместить в объект IntArray пятое, десятое, ..., n-ое значение (где n кратно 5). Вывести содержимое объекта.

3. Прочитать третий файл и поместить в объект IntArray второе, четвертое, ..., n-ое значение (где n четно). Вывести содержимое объекта.

Воспользуйтесь оператором operator[]() класса IntArray, определенным в упражнении 11.2, для сохранения и получения значений из объекта IntArray. Так как operator[]() может возбуждать исключения, обработайте их, поместив необходимое количество try-блоков и catch-обработчиков. Объясните, почему вы разместили try-блоки именно так, а не иначе.

Перехват исключений

В языке C++ исключения обрабатываются в предложениях catch. Когда какая-то инструкция внутри try-блока возбуждает исключение, то просматривается список последующих предложений catch в поисках такого, который может его обработать.

Catch-обработчик состоит из трех частей: ключевого слова catch, объявления одного типа или одного объекта, заключенного в круглые скобки (оно называется объявлением исключения), и составной инструкции. Если для обработки исключения выбрано некоторое catch-предложение, то выполняется эта составная инструкция. Рассмотрим catch-обработчики исключений pushOnFull и popOnEmpty в функции main() более подробно:

}

В обоих catch-обработчиках есть объявление типа класса; в первом это pushOnFull, а во втором – popOnEmpty. Для обработки исключения выбирается тот обработчик, для которого типы в объявлении исключения и в возбужденном исключении совпадают. (В главе 19 мы увидим, что типы не обязаны совпадать точно: обработчик для базового класса подходит и для исключений с производными классами.) Например, когда функция-член pop() класса iStack возбуждает исключение popOnEmpty, то управление попадает во второй обработчик. После вывода сообщения об ошибке в cerr, функция main() возвращает код errorCode89.

А если catch-обработчики не содержат инструкции return, с какого места будет продолжено выполнение программы? После завершения обработчика выполнение возобновляется с инструкции, идущей за последним catch-обработчиком в списке. В нашем примере оно продолжается с инструкции return в функции main(). После того как catch-обработчик popOnEmpty выведет сообщение об ошибке, main() вернет 0.

}

Говорят, что механизм обработки исключений в C++ невозвратный: после того как исключение обработано, управление не возобновляется с того места, где оно было возбуждено. В нашем примере управление не возвращается в функцию-член pop(), возбудившую исключение.

Объекты-исключения

Объявлением исключения в catch-обработчике могут быть объявления типа или объекта. В каких случаях это следует делать? Тогда, когда необходимо получить значение или как-то манипулировать объектом, созданным в выражении throw. Если классы исключений спроектированы так, что в объектах-исключениях при возбуждении сохраняется некоторая информация и если в объявлении исключения фигурирует такой объект, то инструкции внутри catch-обработчика могут обращаться к информации, сохраненной в объекте выражением throw.

Изменим реализацию класса исключения pushOnFull, сохранив в объекте-исключении то значение, которое не удалось поместить в стек. Catch-обработчик, сообщая об ошибке, теперь будет выводить его в cerr. Для этого мы сначала модифицируем определение типа класса pushOnFull следующим образом:

};

Новый закрытый член _value содержит число, которое не удалось поместить в стек. Конструктор принимает значение типа int и сохраняет его в члене _data. Вот как вызывается этот конструктор для сохранения значения из выражения throw:

}

У класса pushOnFull появилась также новая функция-член value(), которую можно использовать в catch-обработчике для вывода хранящегося в объекте-исключении значения:

}

Обратите внимание, что в объявлении исключения в catch-обработчике фигурирует объект eObj, с помощью которого вызывается функция-член value() класса pushOnFull.

Объект-исключение всегда создается в точке возбуждения, даже если выражение throw – это не вызов конструктора и, на первый взгляд, не должно создавать объекта. Например:

}

В этом примере объект state не используется в качестве объекта-исключения. Вместо этого выражением throw создается объект-исключение типа EHstate, который инициализируется значением глобального объекта state. Как программа может различить их? Для ответа на этот вопрос мы должны присмотреться к объявлению исключения в catch-обработчике более внимательно.

Это объявление ведет себя почти так же, как объявление формального параметра. Если при входе в catch-обработчик исключения выясняется, что в нем объявлен объект, то он инициализируется копией объекта-исключения. Например, следующая функция calculate() вызывает определенную выше mathFunc(). При входе в catch-обработчик внутри calculate() объект eObj инициализируется копией объекта-исключения, созданного выражением throw.

}

Объявление исключения в этом примере напоминает передачу параметра по значению. Объект eObj инициализируется значением объекта-исключения точно так же, как переданный по значению формальный параметр функции – значением соответствующего фактического аргумента. (Передача параметров по значению рассматривалась в разделе 7.3.)

Как и в случае параметров функции, в объявлении исключения может фигурировать ссылка. Тогда catch-обработчик будет напрямую ссылаться на объект-исключение, сгенерированный выражением throw, а не создавать его локальную копию:

}

Для предотвращения ненужного копирования больших объектов применять ссылки следует не только в объявлениях параметров типа класса, но и в объявлениях исключений того же типа.

В последнем случае catch-обработчик сможет модифицировать объект-исключение. Однако переменные, определенные в выражении throw, остаются без изменения. Например, модификация eObj внутри catch-обработчика не затрагивает глобальную переменную state, установленную в выражении throw:

}

Catch-обработчик переустанавливает eObj в noErr после исправления ошибки, вызвавшей исключение. Поскольку eObj – это ссылка, можно ожидать, что присваивание модифицирует глобальную переменную state. Однако изменяется лишь объект-исключение, созданный в выражении throw, поэтому модификация eObj не затрагивает state.

Раскрутка стека

Поиск catch-обработчикадля возбужденного исключения происходит следующим образом. Когда выражение throw находится в try-блоке, все ассоциированные с ним предложения catch исследуются с точки зрения того, могут ли они обработать исключение. Если подходящее предложение catch найдено, то исключение обрабатывается. В противном случае поиск продолжается в вызывающей функции. Предположим, что вызов функции, выполнение которой прекратилось в результате исключения, погружен в try-блок; в такой ситуации исследуются все предложения catch, ассоциированные с этим блоком. Если один из них может обработать исключение, то процесс заканчивается. В противном случае переходим к следующей по порядку вызывающей функции. Этот поиск последовательно проводится во всей цепочке вложенных вызовов. Как только будет найдено подходящее предложение, управление передается в соответствующий обработчик.

В нашем примере первая функция, для которой нужен catch-обработчик, – это функция-член pop() класса iStack. Поскольку выражение throw внутри pop() не находится в try-блоке, то программа покидает pop(), не обработав исключение. Следующей рассматривается функция, вызвавшая pop(), то есть main(). Вызов pop() внутри main() находится в try-блоке, и далее исследуется, может ли хотя бы одно ассоциированное с ним предложение catch обработать исключение. Поскольку обработчик исключения popOnEmpty имеется, то управление попадает в него.

Процесс, в результате которого программа последовательно покидает составные инструкции и определения функций в поисках предложения catch, способного обработать возникшее исключение, называется раскруткой стека. По мере раскрутки прекращают существование локальные объекты, объявленные в составных инструкциях и определениях функций, из которых произошел выход. C++ гарантирует, что во время описанного процесса вызываются деструкторы локальных объектов классов, хотя они исчезают из-за возбужденного исключения. (Подробнее мы поговорим об этом в главе 19.)

Если в программе нет предложения catch, способного обработать исключение, оно остается необработанным. Но исключение – это настолько серьезная ошибка, что программа не может продолжать выполнение. Поэтому, если обработчик не найден, вызывается функция terminate() из стандартной библиотеки C++. По умолчанию terminate() активизирует функцию abort(), которая аномально завершает программу. (В большинстве ситуаций вызов abort() оказывается вполне приемлемым решением. Однако иногда необходимо переопределить действия, выполняемые функцией terminate(). Как это сделать, рассказывается в книге [STROUSTRUP97].)

Вы уже, наверное, заметили, что обработка исключений и вызов функции во многом похожи. Выражение throw ведет себя аналогично вызову, а предложение catch чем-то напоминает определение функции. Основная разница между этими двумя механизмами заключается в том, что информация, необходимая для вызова функции, доступна во время компиляции, а для обработки исключений – нет. Обработка исключений в C++ требует языковой поддержки во время выполнения. Например, для обычного вызова функции компилятору в точке активизации уже известно, какая из перегруженных функций будет вызвана. При обработке же исключения компилятор не знает, в какой функции находится catch-обработчик и откуда возобновится выполнение программы. Функция terminate() предоставляет механизм времени выполнения, который извещает пользователя о том, что подходящего обработчика не нашлось.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: