Языки программирования, 28 лекция (от 14 декабря)
Материал из eSyr's wiki.
С++
Ада
С# c 2004
Java c 2005
Все современные языки, использующиеся в промышленности, поддерживают идею статической параметризации. Продолжаем рассматривать идею родовых модулей в Аде.
п.1. Родовые модули языки Ада
Ада-83 – принцип РОРИ пронизывает весь этот язык. Получился очень мощный и одновременно эффективный механизм. Порождение нового пакета порождало новый экземпляр данного типа.
package Stack – два параметра – тип элемента размер стека:
generic type T is private; size: integer; package Stack is Push Pop end Stack;
Можно ли так запрограммировать процедуры, чтобы они эффективно работали для любого размера стека? Конечно, да!
Конкретизация:
package IStack is new Stack(integer, 128);
Тривиальная реализация – простая макроподстановка integer и 128. Плюс – крайняя простота. Минус – очень сильное разбухание кода – сколько объявлений, столько и различных процедур. Ада-83 требовала отдельной компиляции спецификации и реализации.
Теперь представим себе другую ситуацию, например пусть у нас есть родовая процедура сортировки:
generic type ElType is private; type Index is range <>; type Arr is array (Index) of ElType; with function <(x, y : T) return Boolean (<>); procedure G_SORT(A: in out Arr; L,R : Index);
Как написать спецификацию той же шаблонной функции на С++, считая, что уже имеется Vector <T>? Вот так:
template <class T, class Index> void Sort(Vector <T>&V, Index L,R);
В процедуре Sort обязательно встретится нечто вроде:
if (v[i]<v[j])
Только во время конкретизации происходит процесс выведения типа и компилятор узнает, есть ли вообще у v операция индексирования или нет. До этого производится только синтаксическая проверка.
В Аде большое разнообразие типов формальных параметров родового модуля. Формальные параметры родовых модулей:
параметр-переменная <=> любое константное выражение
type T is private <=> любой тип с операцией присваивания
type T is range <=> любой дискретный тип с упорядоченностью и функциями «следующий» и «предыдущий»
type T is delta <=> любое плавающее выражение
< > <=> при конкретизации процедуры мы можем не указывать этот вариант (параметр по умолчанию).
Пусть у нас есть:
procedure StrSort is new G_SORT(String, Integer, TARR);
C помощью < > компилятор находит функцию < для строк и подставляет как параметр по умолчанию. Родовые сегменты – абсолютно необходимая в Аде конструкция, потому что там нет передачи процедур и функций по параметру. Как по-другому реализовать функцию, скажем, вычисляющую интеграл? Мы должны передавать вещественный тип-параметр и саму подынтегральную функцию. Допустим, мы вводим новый вид чисел, например комплексный, то есть запись. Мы должны описать тип чисел как приватный и передавать как сравнение, так и всю арифметику. Хотя много всего, но зато будет одна процедура и для вещественных, и для комплексных чисел, и для кватернионов. Компилятор должен видеть не только спецификацию данной абстракции, но и тело. Гибкость повышается, но тело родовой абстракции должно быть доступно в любой момент конкретизации. За в этой жизни надо платить! Либо мы повышаем гибкость, либо производительность. В Аде-83 механизм родовых модулей – единственный, который поддерживал ОО. Как вы думаете, что самое главное, что появилось в Аде-95? Правильно, класс – тегированная запись:
type T is tagged
Какова была основная цель введения дженериков в C# и Java? Для коллекций. Если мы почитаем определение языка C#, то первый шаблон, который мы найдём, это реализация стека:
Elem Stack {}
Раньше же мы видели Object []body; Дальше приведение типа, и если мы пропускаем проверку, получим ошибку времени выполнения. В основном коллекции являются не гетерогенными, и, используя шаблоны, можно сильно увеличить производительность. Самый мощный механизм – шаблоны в С++. Почему же они более мощны и гораздо более сложны, чем в других языках?
Шаблоны в С++:
1) Функции
2) Классы
а) Параметр-класс <=> Любой тип
б) Параметр-переменная <=> Константное выражение
template <class T, int size> class Stack {...}
T – тип данных, size может быть везде, где фигурирует целая константа. Конкретизация происходит явным образом. Stack <int, 256> может появляться везде, где может появляться имя типа. После Stack <int, 256>, увидев Stack <int, 2*128>, компилятор ничего не сгенерирует, т.к. уже один раз сгенерировал. А вот Stack <int, 64> порождает новый класс, хотя в общем-то Push и Pop в этом случае делают одно и то же, что и в случае Stack <int, 256>. Но компилятор мужественно породит новый кусок кода…
Stack <int, 64> S; Вот здесь начинается генерация кода. Но в С++ у нас раздельная трансляция. Шаблоны – очень мощная вещь, но неграмотное их использование неопытным программистом ведет к разбуханию кода… Если одинаковые шаблоны сгенерированы в разных модулях, некоторые компиляторы борются с этим, используя PCH, хотя это делает трансляцию зависимой.
Для функций то же самое, но конкретизация не обязательна. Рассмотрим:
template <class T> void Sort (Vector <T>&V);
Sort порождает бесконечное семейство конкретных реализаций.
Представим, что у нас в программе есть:
Vector <string> X; Sort(X);
В Sort должен явно встречаться код:
if (v[i]<v[j])
Компилятор опять же ничего проверить не может. Эта проверка происходит только в момент конкретизации. В Аде-95 и С++ ситуация одинаковая и не такая, как в Аде-83. В момент конкретизации компилятору надо дать полную информацию обо всём шаблоне, и ни о каком принципе РОРИ речи идти не может. Этим С++ не ограничивается. Пока что было очень похоже на Аду-95. Какой недостаток?
В первых версиях шаблонов в С++ было невозможно:
template <class T>
T f() {…}
В новых версиях можно:
Sort <int>(a);
Но это не всё. В С++ есть механизм частичной специализации.
п.2. Шаблоны в С++
Vector <const char *>a; Sort(a);
Будет подставлена функция < для указателей, и ошибки в программе не будет, но работать она будет неправильно.
template <class T> bool less (T& x, T& y) {
return x<y;
}
Это описание шаблонной функции. Хорошая функция сортировки должна работать через шаблонную функцию сравнения. Но проблема со * остаётся. Что делать? А вот что.
Пишем:
template <> bool less <const char *> (const char *p1, const char *p2) {
return strcmp(p1,p2);
}
template <> class Vector <void *>;
Подставь вместе T void * и сгенерируй код. (?)
Для векторов возможны такие реализации:
1) template <class T> class Vector {…}
2) template <> class Vector <T*>;</br>
Vector <long > V; Vector <int> V1;
Оба по первой реализации и разные.
Vector <const char *> v2; Vector <int *>v3;
Оба по второй и одинаковые.
Будет также эффективно, как и встроенный в язык вектор. Механизм частичной специализации очень эффективен. Физики очень не любили использовать язык С. Компиляторы с ФОРТРАНА были, как ни странно, эффективнее компиляторов с С. С-шные функции требуют слишком много проверок, пример: memcpy (проверяет перекрытие областей памяти и много-много чего прочего). С появлением шаблонов ситуация изменилась. Многие математические библиотеки, такие как Boost, Loki – это именно библиотеки шаблонов – очень производительны. Читай у Александреску про его библиотеку шаблонов Loki. У STL много недостатков, но написана она исключительно производительно в смысле эффективности.
Вспомним:
Find(It first, It last, …)
Для каждого конкретного типа можно написать частичную специализацию Find
- I == X (?)
Можно передавать третьим параметром compare, и вызывать но это неэффективно, так как это срывает работу конвейера. Выход – функтор. Перекрываем операцию ( ):
сlass Finder {
public:
bool operator ()(T&x, …) {
…
}
}
п.3. C#, Java – обобщенные классы
У них очень простой синтаксис и похожая идея:
class Stack <T> {…}
interface IComparable <T> {…}
Параметризовать можно как классы, так и интерфейсы и методы:
public void add <T> (T x) {…}
Слово class просто синтаксически не нужно. Компилятор производит первичный синтаксический анализ и перевод в MIL/Байт-код. Конкретизация же происходит при выполнении кода. Код генерируется оптимальным образом.
В Java в качестве параметризованных типов только классы. Вместо Stack <int> S надо Stack <Integer> S
В C# на такое пойтить не могли. Там же есть структуры! Если аргумент – класс или интерфейс, код разный. Для ссылок одинаковый.
В Java: if (Stack<Integer>.getClass==Stack<String>.getClass()) даст true
В C#:
сlass Dictionary <K, V> {
}
K – тип ключа, V – тип значения.
Явно при реализации должно быть нечто вроде:
public void Add( K Key, V Value) {
…
if (K<K1) …
…
}
На это будет выдана ошибка. Потому что функции < может не быть.
Надо:
if ((IComparable)K<K1)
Вместо этого можно:
class Dictionary <K, V> where K:Icomparable
Можно теперь ошибки не бояться. Возвращаемся к старой доброй Аде-83.
«Я когда-то за счет изменения нескольких функций выиграл в производительности 30%. Это, извините меня, о-го-го!»
Кстати, по поводу С++. В С++, в отличие от Ады, есть механизм подстановки параметров по умолчанию. new delete
В итоге концепция шаблонов пронизывает все современные языки. Наиболее мощная концепция в С++, но за счёт сложности можно писать очень неэффективные программы. В Java и C# достигнут между производительностью и гибкостью. На этом закончим лекцию и вместе с ней весь курс.
Схема проведения экзамена по Языкам Программирования:
1) Экзамен письменный, длится одну пару
2) Можно пользоваться печатными материалами, если это не типографская продукция
3) Всего восемь задач, максимум за каждую - 6 баллов
4) when баллы>=36 => 5, when 24<=баллы<36 => 4, when 12<=M<25 => 3, default => 2
Задачи досрочного экзамена (19 декабря):
1-ый вариант.
1) В каких из перечисленных ниже языков программирования при обработке исключительных ситуаций используется семантика завершения? Объяснить, что она означает.
Ада, Модула-2, Оберон, Оберон-2, С, С++, Java, C#
2) Объяснить, что означает оператор foreach языка C#. Какие условия накладываются на класс-коллекцию, чтобы он мог использоваться в данном операторе?
3) Объяснить все смыслы ключевого слова final в языке Java.
4) Перечислите способы передачи параметров в языках программирования. Какие из них реализованы в языках Ада-95 и Оберон?
5) Что будет выдано в стандартный канал вывода при вызове функции F()?
class X {
public:
void g() { cout << 1 << ' '; }
virtual void f() { g(); }
};
class Y: public X {
public:
void g() { cout << 2 << ' ';}
void f() { g(); }
};
class Z: public Y {
public:
void g() { cout << 3 << ' '; }
void f() { g(); }
};
X x; Y y; Z z;
X *px = &x; Y *py = &y; Z *pz = &z;
void out() {
px->f(); px->g(); py->f(); py-> g();
cout << '\n';
}
void F() {
out(); px = py;
out(); py = pz;
out();
}
6) В каких из перечисленных ниже языков программирования нет перечислимого типа?
Ада, Паскаль, Модула-2, Оберон, Оберон-2, С, С++, C#
7) Написать спецификацию родового (generic) класса в языке Java, который будет реализовывать очередь. Тела методов писать не нужно.
8) В каких из перечисленных ниже языков есть возможность раздельной трансляции вложенных модулей? Привести пример на одном из таких языков.
Ада, Паскаль, Модула-2, Оберон, Оберон-2, С, С++, Java, C#
