Практическая работа №13

Шаблоны C++: Основы обобщенного программирования

Цель работы: Изучить и закрепить принципы обобщенного программирования (Generic Programming) в C++ с использованием шаблонов. Освоить синтаксис и применение функциональных и классовых шаблонов, понять механизм вывода типов, а также научиться использовать специализацию шаблонов для работы с особыми типами данных.

Основные теоретические положения

1. Что такое Шаблоны (Templates)

Шаблоны — это механизм C++, позволяющий писать код, который может работать с любыми типами данных, не зная их заранее. Это основа обобщенного программирования, которое позволяет создавать универсальные функции и классы, избегая дублирования кода для разных типов (например, max(int, int), max(double, double), max(string, string)).

В C++ существует два основных вида шаблонов:

Функциональные шаблоны (Function Templates): Создают семейство функций, которые могут обрабатывать аргументы разных типов.
Классовые шаблоны (Class Templates): Создают семейство классов (контейнеров, структур данных), которые могут хранить и обрабатывать данные разных типов.

2. Функциональные Шаблоны

Функциональный шаблон определяется с помощью ключевого слова template с последующим списком параметров шаблона в угловых скобках <>. Параметры шаблона могут быть:

Параметры-типы (typename T или class T): Представляют любой тип данных.
Параметры-константы (Non-type parameters): Представляют константные значения (например, целые числа, используемые для размера массива).

template <typename T>
T maximum(T a, T b) {
    return (a > b) ? a : b;
}

Вывод типов (Type Deduction): Компилятор автоматически определяет тип T на основе типов аргументов, переданных при вызове функции.

3. Классовые Шаблоны

Классовые шаблоны используются для создания обобщенных структур данных, таких как списки, векторы, пары или очереди.

template <typename T1, typename T2>
class Pair {
public:
    T1 first;
    T2 second;
    Pair(T1 a, T2 b) : first(a), second(b) {}
};

При создании объекта классового шаблона необходимо явно указать типы: Pair<int, double> p(10, 3.14);.

4. Специализация Шаблонов

Специализация позволяет предоставить отдельную, оптимизированную или специфическую реализацию для конкретного типа или набора типов.

Полная специализация (Full Specialization): Предоставляет реализацию для конкретного типа. Например, для maximum<const char*> (чтобы сравнивать строки, а не адреса).
Частичная специализация (Partial Specialization): Применяется только к классовым шаблонам. Предоставляет реализацию для семейства типов, где некоторые параметры шаблона фиксированы или имеют определенную форму (например, для всех указателей T*).

// Частичная специализация классового шаблона Pair для указателей
template <typename T>
class Pair<T*, T*> {
    // Специальная реализация для пары указателей
};

Алгоритмы и шаблоны реализации

1. Алгоритм создания Функционального Шаблона

Определить функцию, которая должна быть обобщенной.
Перед заголовком функции добавить объявление шаблона: template <typename T, ...>.
Заменить конкретные типы данных (например, int, double) на параметр-тип T.
Реализовать логику функции, используя T.

2. Алгоритм создания Классового Шаблона

Определить класс, который должен быть обобщенным (например, контейнер).
Перед объявлением класса добавить объявление шаблона: template <typename T, ...>.
Заменить типы членов класса и методов на параметр-тип T.
При необходимости, реализовать частичную специализацию для особых случаев (например, для указателей).

Примеры реализации (C++)

Пример 1 — Функциональный Шаблон `swap`

#include <iostream>
#include <string>

// 1. Объявление функционального шаблона
template <typename T>
void swap_values(T& a, T& b) {
    T temp = a;
    a = b;
    b = temp;
}

int main() {
    int i1 = 5, i2 = 10;
    double d1 = 3.14, d2 = 2.71;
    std::string s1 = "Hello", s2 = "World";

    swap_values(i1, i2); // T = int
    swap_values(d1, d2); // T = double
    swap_values(s1, s2); // T = std::string

    std::cout << "Ints: " << i1 << ", " << i2 << "\n";
    std::cout << "Doubles: " << d1 << ", " << d2 << "\n";
    std::cout << "Strings: " << s1 << ", " << s2 << "\n";

    return 0;
}

Пример 2 — Классовый Шаблон `Container`

#include <iostream>

// 2. Объявление классового шаблона
template <typename T>
class Container {
private:
    T value;
public:
    Container(T val) : value(val) {}

    void print() const {
        std::cout << "Value: " << value << "\n";
    }

    T get_value() const {
        return value;
    }
};

int main() {
    Container<int> c_int(42);
    Container<std::string> c_str("Template Power");
    Container<double> c_double(9.81);

    c_int.print();
    c_str.print();
    c_double.print();

    return 0;
}

Пример 3 — Частичная специализация для указателей

#include <iostream>
#include <string>

// Основной классовый шаблон
template <typename T>
class SmartPrinter {
private:
    T data;
public:
    SmartPrinter(T d) : data(d) {}
    void print() const {
        std::cout << "Generic data: " << data << "\n";
    }
};

// 3. Частичная специализация для всех указателей (T*)
template <typename T>
class SmartPrinter<T*> {
private:
    T* data;
public:
    SmartPrinter(T* d) : data(d) {}
    void print() const {
        if (data) {
            std::cout << "Pointer to " << typeid(T).name() << ". Address: " << data << ", Value: " << *data << "\n";
        } else {
            std::cout << "Null pointer.\n";
        }
    }
};

int main() {
    int x = 100;
    int* ptr_x = &x;

    SmartPrinter<int> p1(50);
    SmartPrinter<int*> p2(ptr_x); // Используется частичная специализация

    p1.print();
    p2.print();

    return 0;
}

Общие требования

Написать программу на языке C++ (стандарт C++11 или выше).
Реализовать:
- Минимум один функциональный шаблон с явным и неявным выводом типов.
- Минимум один классовый шаблон с двумя параметрами-типами.
- Частичную специализацию для классового шаблона (например, для указателей или пар одинаковых типов).
- Параметр-константу (Non-type parameter) в классовом шаблоне.
Обработка ввода/вывода данных через std::cin/std::cout для пользовательского взаимодействия.
Комментарии в коде, поясняющие ключевые места: template <typename T>, template <typename T1, typename T2>, полная и частичная специализация.

Вывод программы (что должно отображаться)

Демонстрация вызова функционального шаблона с разными типами (int, double, std::string).
Демонстрация создания объектов классового шаблона с разными типами.
Четкое подтверждение того, что была вызвана специализированная версия шаблона.
Демонстрация работы классового шаблона с параметром-константой.

Задания для выполнения

Базовый уровень

№	Задача	Описание
1	Функциональный шаблон	Создайте функциональный шаблон `print_info(T value)`, который выводит значение и имя типа (используя `typeid(T).name()`). Проверьте его для `int`, `double` и `char`.
2	Классовый шаблон	Реализуйте классовый шаблон `Triple<T1, T2, T3>`, который хранит три значения разных типов. Добавьте метод `print_all()`.
3	Параметр-константа	Создайте классовый шаблон `FixedSizeBuffer<T, N>`, где `N` — это размер буфера (массива) типа `T`. Реализуйте конструктор и метод `get_size()`.

Повышенный уровень

№	Задача	Описание
4	Частичная специализация	Добавьте к классовому шаблону `Triple<T1, T2, T3>` из Задания 2 частичную специализацию `Triple<T, T, T>` (когда все три типа одинаковы). В специализированной версии метод `print_all()` должен выводить дополнительное сообщение: “Все элементы одного типа!“.
5	Полная специализация	Создайте функциональный шаблон `compare(T a, T b)`, который сравнивает два значения. Добавьте полную специализацию для типа `const char*`, чтобы сравнение выполнялось с помощью `strcmp` (лексикографически), а не по адресам.
6	Шаблон-фабрика	Создайте функциональный шаблон `create_object(Args... args)`, который использует вариативные шаблоны (variadic templates) и perfect forwarding для создания объекта любого класса `T` с помощью `new T(std::forward<Args>(args)...)`.

Контрольные вопросы

В чём основное преимущество использования шаблонов в C++?
Объясните разницу между функциональным и классовым шаблоном.
Что такое вывод типов (Type Deduction) и когда он не работает?
В чём разница между полной и частичной специализацией шаблонов?
Для чего используются параметры-константы (Non-type template parameters)? Приведите пример.
Почему при работе с шаблонами часто используют ключевое слово typename?

Критерии оценки

Полная реализация базовых заданий (1-3): 50%.
Корректная реализация и демонстрация частичной специализации (Задание 4): 20%.
Корректная реализация полной специализации (Задание 5): 15%.
Чистота кода, комментарии и ответы на контрольные вопросы: 15%.