C++wykład 11 (30.05.2013)

Własne biblioteki, standardowa biblioteka

szablonów STL

Kompilacja i łączenie Plik jako jednostka kompilacji. Preprocesing – obsługa makr i dyrektyw

włączających – dostarcza kompilatorowi jednostkę translacji.

Kompilator analizuje jednostkę translacji w izolacji od reszty programu.

Fizyczna struktura programu (podział na pliki) powinna wynikać z logicznej struktury programu.

Rola linkera przy budowaniu programu albo biblioteki.

Moduły Każdy większy program składa się z pewnej

liczby oddzielnych części – modułów. Moduł to kompletny fragment programu

(moduł obliczeniowy, moduł we/wy, moduł prezentacji, itp).

Podział kodu na moduły porządkuje logikę programu.

Należy minimalizować zależności między modułami.

Biblioteki Moduły, z których może korzystać wiele programów

umieszcza się w oddzielnych skompilowanych plikach, zwanych bibliotekami.

Typy bibliotek w C++: biblioteka statyczna jest dołączana do programu

wynikowego na etapie linkowania; biblioteka współdzielona jest dołączana do programu w

trakcie ładowania programu do pamięci; biblioteka dynamiczna jest dołączana do uruchomionego

procesu w trakcie działania programu.

Biblioteki Biblioteka to zbiór klas, funkcji i zmiennych, z

których mogą korzystać różne programy. Biblioteka ma postać binarną – jej

poszczególne fragmenty są skompilowane (biblioteka jest kolekcją plików obiektowych).

Korzystanie z bibliotek ułatwia programowanie (korzystamy z gotowych i sprawdzonych fragmentów kodu) i przyspiesza proces rekompilacji.

Biblioteki Wynikiem samej kompilacji pliku źródłowego

(plik.c albo plik.cpp) jest plik plik.o pod Linuxem albo plik.obj pod Windowsem.

Biblioteki statyczne mają nazwy libmodul.a pod Linuxem albo modul.lib pod Windowsem.

Biblioteki dynamiczne mają nazwy libmodul.so pod Linuxem (tak jak biblioteki współdzielone) albo modul.dll pod Windowsem.

Biblioteka statyczna Używając biblioteki statycznej przekazujemy jej

archiwum linkerowi w czasie kompilacji. Linker wyszukuje w nim tylko tych plików obiektowych, które są niezbędne do działania naszego programu i kopiuje je bezpośrednio do programu.

Program wynikowy korzystający z biblioteki statycznej jest obszerniejszy ale szybciej się ładuje do pamięci.

Program wynikowy zlinkowany z biblioteką statyczną jest niezależny od plików zewnętrznych.

Uaktualnienie biblioteki wymaga rekompilacji programu.

Biblioteka statycznalib.cpp

lib.o

static library

prog.cpp

prog.o

a.out

memory

linker

loader

g++ar

g++

g++

ssh

Biblioteka współdzielona Programy korzystające biblioteki współdzielonej nie

zawierają bezpośrednio kodu z tej biblioteki a tylko referencję do niej.

Program wynikowy korzystający z biblioteki współdzielonej jest chudszy ale wolniej ładuje się do pamięci (biblioteki współdzielone są odszukiwane i ładowane do pamięci razem z programem).

Program wynikowy skompilowany z biblioteką współdzieloną jest zależny od plików zewnętrznych.

Zmodyfikowanie biblioteki współdzielonej spowoduje zmianę w działaniu programu ale bez jego ponownej kompilacji.

Biblioteka współdzielona

lib.cpp

lib.o

shared library

prog.cpp

prog.o

a.out

memory

linker

loader

g++

g++

g++

g++

ssh

Biblioteka dynamiczna Programy korzystające bibliotek dynamicznych nie

zawierają bezpośrednio kodu z tej biblioteki ale muszą korzystać ze specjalnych metod włączania takich bibliotek w trakcie działania programu (plik nagłówkowy <dlfcn.h>).

Program wynikowy korzystający z biblioteki dynamicznej jest chudszy i szybciej ładuje się do pamięci, ale działa wolniej (biblioteki dynamiczne można załadować w dowolnym momencie w trakcie działania programu).

Program wynikowy skompilowany z biblioteką dynamiczną jest zależny od plików zewnętrznych.

Zmodyfikowanie biblioteki dynamicznej spowoduje zmianę w działaniu programu ale bez jego ponownej kompilacji.

Biblioteka dynamiczna

lib.cpp

lib.o

dynamic library

prog.cpp

prog.o

a.out

memory

linker

loader

g++

g++

g++

g++

ssha.out

Tworzenie bibliotek (pod Linuxem)Tworzenie programu bez dołączanych bibliotek.

Załóżmy, że mamy pliki src1.cpp, src2.cpp i src3.cpp, które stanowią moduł obliczeniowy oraz plik prog.cpp, który będzie korzystał z funkcji i klas zdefiniowanych w module obliczeniowym.

Aby skompilować cały program razem z modułem obliczeniowym należy wydać polecenie:$ g++ -Wall -ansi -pedantic src1.cpp src2.cpp src3.cpp prog.cpp -o calculation

Aby skompilować cały program razem z modułem obliczeniowym i statycznie zlinkować z innymi bibliotekami (rozmiar programu wynikowego będzie znacznie większy) należy wydać polecenie:$ g++ -static …

Aby uruchomić skompilowany program należy wydać polecenie:$ ./calculation

Aby sprawdzić z jakimi bibliotekami jest linkowany program i jakie symbole są w nim użyte należy wydać polecenie:$ ldd calculation$ nm calculation

Tworzenie bibliotek (pod Linuxem)Program korzystający z biblioteki statycznej.

Najpierw kompilujemy pliki źródłowe do plików obiektowych:$ g++ -c -Wall -ansi -pedantic src1.cpp src2.cpp src3.cpp

Następnie łączymy pliki obiektowe do jednego pliku bibliotecznego libsrc.a:$ ar crs libsrc.a src1.o src2.o src3.o

Na koniec należy skompilować plik z programem i zlinkować go z biblioteką:$ g++ -c -Wall -ansi -pedantic prog.cpp$ g++ -o calculation prog.o –L. –lsrc

Teraz można uruchomić skompilowany program:$ ./calculation

Wyjaśnienie: opcja -Lścieżka określa ścieżkę do biblioteki, opcja -lbiblioteka określa nazwę biblioteki.

Tworzenie bibliotek (pod Linuxem)Program korzystający z biblioteki współdzielonej.

Najpierw kompilujemy pliki źródłowe z opcją -fpic do plików obiektowych:$ g++ -fpic –c -Wall -ansi -pedantic src1.cpp src2.cpp src3.cpp

Następnie łączymy pliki obiektowe do jednego pliku bibliotecznego libsrc.so:$ g++ –fpic -shared -o libsrc.so src1.o src2.o src3.o

Na koniec należy skompilować plik z programem i wlinkować do niego informacje o bibliotece:$ g++ -Wall -ansi -pedantic prog.cpp$ g++ -o calculation prog.o –L. –lsrc

Przed uruchomieniem programu trzeba zapisać w zmiennej środowiskowej LD_LIBRARY_PATH ścieżkę do biblioteki:$ export LD_LIBRARY_PATH="LD_LIBRARY_PATH:ścieżka"

Teraz można uruchomić skompilowany program:$ ./calculation

Tworzenie bibliotek (pod Linuxem)Program korzystający z biblioteki dynamicznej.

Bibliotekę dynamiczną przygotowujemy tak samo jak bibliotekę współdzieloną libsrc.so:$ g++ -fpic –c -Wall -ansi -pedantic src1.cpp src2.cpp src3.cpp $ g++ –fpic -shared -o libsrc.so src1.o src2.o src3.o

Na koniec należy skompilować plik z programem i dołączyć do niego dynamicznego linkera opcją -ldl:$ g++ -Wall -ansi -pedantic prog.cpp$ g++ -o calculation prog.o –ldl

Teraz można uruchomić skompilowany program:$ ./calculation

Wyjaśnienie: aby skorzystać z dynamicznego linkera należy do programu włączyć

plik nagłówkowy <dlfcn.h>; aby załadować dynamiczną bibliotekę trzeba skorzystać z funkcji

dlopen, dlsym, dlerror i dlclose.

Nazwy zewnętrzne Nazwa jest łączona zewnętrznie jeśli można

jej używać w jednostkach translacji innej niż ta, w której ją zdefiniowano.

Nazwę zewnętrzną deklaruje się za pomocą słowa extern.

Funkcja wbudowana musi być zdefiniowana w każdej jednostce translacji za pomocą identycznej definicji; ta sama reuła odnosi się do funkcji i klas szablonowych.

Nowości z C++11 – szablony zewnętrzne i aliasy szablonów C++ musi stworzyć instancję szablonu zawsze kiedy

napotka w pełni określony szablon w jednostce translacyjnej. W starszym C++ nie jest bowiem możliwe wstrzymanie tworzenia instancji szablonu w takiej sytuacji.

C++11 wprowadza ideę szablonów zewnętrznych w celu zablokowania tworzenia instancji w jednostce translacyjnej. Przykład:extern template class std::vector<MojaKlasa>;

W C++11 można używać aliasów dla szablonów. Przykład:template <typename T> using Vec = std::vector<T,MyAlloc<T>>;

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)

STL Biblioteka STL składa się z kilku modułów:

strumienie we/wy, łańcuchy i wyrażenia regularne, kontenery i iteratory, algorytmy i obiekty funkcyjne, wielowątkowość i przetwarzanie współbieżne, internacjonalizacja, klasy narzędziowe.

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.

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.

Sprytne wskaźniki Sprytne wskaźniki są zdefiniowane w pliku

nagłówkowym <memory>. Zastąpienie szablonu auto_ptr<>. Szablon klasy shared_pointer<> – wiele takich

sprytnych wskaźników może przechowywać wskaźnik do tego samego obiektu, tak że obiekt ten oraz związane z nim zasoby zostaną zwolnione dopiero po likwidacji ostatniego sprytnego wskaźnika.

Szablon klasy unique_pointer<> – tylko jeden sprytny wskaźnik może przechowywać wskaźnik do tego danego obiektu.

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();

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; }

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

Zamiana wartości Zamiana dwóch wartości:

template <class T>inline void swap (T &a, T &b) { T tmp(a); a = b; b = tmp; }

Przykład:int x = 33, y = 44;…std::swap(x,y);

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) { … } …}

Kontenery Kontenery służą do przechowywania i

zarządzania kolekcjami danych. Rodzaje kontenerów:

Kontenery sekwencyjne, gdzie każdy element ma określoną pozycję. Na przykład: vector, deque, list.

Kontenery uporządkowane (w tym asocjacyjne), gdzie pozycja elementu zależy od jego wartości. Na przykład: set, multiset, map, multimap.

Elementy kontenerów Elementy kontenerów muszą spełniać wymagania

podstawowe: element musi być kopiowalny (konstruktor kopiujący), element musi być przypisywalny (przypisanie kopiujące), element musi być zniszczalny (publiczny destruktor).

W pewnych sytuacjach elementy kontenerów muszą spełniać wymagania dodatkowe: konstruktor domyślny (utworzenie niepustego kontenera), operator porównywania == (wyszukiwanie), operator porównywania < (kryterium sortowania).

Semantyka wartości a semantyka referencji Kontenery STL realizują semantykę wartości:

tworzą wewnętrzne kopie swoich elementów oraz zwracają kopie tych elementów.

Semantykę referencji można zaimplementować samodzielnie za pomocą inteligentnych wskaźników – wskaźniki te mają umożliwiać zliczanie referencji dla obiektów, do których odnoszą się wskaźniki.

Kontenery sekwencyjne– wektory Wektor vector<> (zdefiniowany w <vector>) przechowuje

swoje elementy w tablicy dynamicznej. Uzyskujemy szybki dostęp do każdego elementu za pomocą

indeksowania. Dołączanie i usuwanie elementów na końcu wektora jest bardzo

szybkie, ale wstawienie lub usunięcie elementu ze środka zabiera więcej czasu.

Przykład:vector<int> coll;…for (int i=1; i<=6; ++i) coll.push_back(i);…for (int i=0; i<coll.size(); ++i) cout << coll[i] << ’ ’;cout << endl;

Kontenery sekwencyjne– kolejki o dwóch końcach Kolejka o dwóch końcach deque<> (zdefiniowana w <deque>)

przechowuje swoje elementy w tablicy dynamicznej, która może rosnąć w dwie strony.

Uzyskujemy szybki dostęp do każdego elementu za pomocą indeksowania.

Dołączanie i usuwanie elementów na końcu i na początku kolejki jest bardzo szybkie, ale wstawienie lub usunięcie elementu ze środka zabiera więcej czasu.

Przykład:deque<float> coll;…for (int i=1; i<=6; ++i) coll.push_front(i*1.234);…for (int i=0; i<coll.size(); ++i) cout << coll[i] << ’ ’;cout << endl;

Kontenery sekwencyjne– listy Lista list<> (zdefiniowana w <list>) przechowuje swoje

elementy w liście dwukierunkowej. W listach nie ma swobodnego dostępu do elementów kolekcji. Dołączanie i usuwanie elementów na końcu i na początku listy

jest bardzo szybkie, ale dostanie się do elementu ze środka zabiera dużo czasu.

Przykład:list<char> coll;…for (char c=’a’; c<=’z’; ++c) coll.push_back(c);…while (!coll.empty()) { cout << coll.front() << ’ ’; coll.pop_front(); }cout << endl;

Kontenery sekwencyjne– łańcuchy i tablice Obiektów klas łańcuchowych, czyli basic_string<>, string i wstring, można używać jak kontenerów sekwencyjnych. Są one podobne w zachowaniu do wektorów.

Innym rodzajem kontenera może być tablica. Nie jest to klasa i nie ma żadnych metod ale konstrukcja STL umożliwia uruchamianie na tablicach różnych algorytmów (tak jak na kontenerach).

Kontenery uporządkowane Kontenery uporządkowane wykonują automatycznie sortowanie

swoich elementów. Asocjacyjne kontenery uporządkowane przechowują pary klucz-

wartość (odpowiednio first i second) i sortowanie następuje po kluczach.

Domyślnie elementy lub klucze są porządkowane przy pomocy operatora <.

Kontenery uporządkowane są implementowane w postaci zrównoważonych drzew BST (drzewa czerwono-czarne).

Wszystkie kontenery uporządkowane posiadają domyślny parametr wzorca służący sortowaniu (domyślnym jest operator <).

Rodzaje kontenerów: zbiory set<>, wielozbiory multiset<>, mapy map<> i multimapy multimap<>.

Adaptatory kontenerów Adaptatory kontenerów to kontenery

wykorzystujące ogólną strukturę innych kontenerów do realizacji pewnych specyficznych potrzeb.

Adaptatorami kontenerów są stosy stack<>, kolejki queue<> i kolejki priorytetowe priority_queue<>.

Iteratory Iterator to specjalny obiekt, który potrafi iterować po elementach

kolekcji. Iterator ma zaimplementowaną semantykę wskaźnika – posiada

operator wyłuskania elementu *, operatory przechodzenia do elementówsąsiednich ++ i -- oraz operatory porównywania pozycji == i !=.

Wszystkie kontenery udostępniają funkcje tworzące iteratory do nawigowania po ich elementach – funkcja begin() zwraca iterator wskazujący na pozycję z pierwszym elementem w kolekcji a funkcja end() zwraca iterator wskazujący pozycję za ostatnim elementem.

Każdy kontener definiuje dwa typy iteratorów – kontener::iterator przeznaczony do iterowania po elementach z możliwością odczytu i zapisu oraz kontener::const_iterator przeznaczony do iterowania po elementach tylko z możliwością odczytu.

Iteratory Przykład 1:

list<char> coll;…list<char>::const_iterator pos;for (pos=coll.begin(); pos!=coll.end(); ++pos) cout << *pos << ’ ’;cout << endl;

Przykład 2:list<char> coll;…list<char>::iterator pos;for (pos=coll.begin(); pos!=coll.end(); ++pos) *pos = toupper(*pos);