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1. Distinción conceptual
En C++, las plantillas son una forma de lograr un polimorfismo estático y una forma de lograr una programación genérica.
Primero, comprendamos los conceptos de polimorfismo estático y programación genérica:
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Polimorfismo estático : el polimorfismo estático es una forma de lograr polimorfismo en tiempo de compilación. En C++, las plantillas y la sobrecarga de funciones son formas de lograr polimorfismo estático. La ventaja del polimorfismo estático es que no hay sobrecarga de tiempo de ejecución, pero la desventaja es que todos los tipos y comportamientos deben determinarse en tiempo de compilación.
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Programación genérica : la programación genérica es un paradigma de programación donde el objetivo es escribir código que funcione en múltiples tipos, en lugar de escribir código para un solo tipo concreto. En C++, las plantillas son la principal herramienta para implementar la programación genérica.
Entonces, puede entenderlo de esta manera: las plantillas son una característica del lenguaje que se puede usar para implementar polimorfismo estático y programación genérica.
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Cuando usamos plantillas para escribir código que funciona en múltiples tipos, estamos haciendo programación genérica. Por ejemplo,
std::vector<T>es un ejemplo de programación genérica, que puede almacenar elementos de cualquier tipo. -
Cuando usamos plantillas para elegir diferentes comportamientos en tiempo de compilación, estamos usando polimorfismo estático. Por ejemplo, podemos definir una función de plantilla
template <typename T> void print(const T& t)y luego proporcionar versiones especializadas para diferentes tipos, que es un ejemplo de polimorfismo estático.
En general, las plantillas son una herramienta muy poderosa que nos permite personalizar tipos y comportamientos en tiempo de compilación, mejorando así la reutilización y eficiencia del código.
2 plantillas para polimorfismo estático
En C++, las plantillas son una herramienta poderosa que puede personalizar tipos y comportamientos en tiempo de compilación para lograr un polimorfismo estático. El polimorfismo estático, también conocido como polimorfismo en tiempo de compilación, es una técnica para determinar el comportamiento de una función u objeto en tiempo de compilación. La ventaja de esta técnica es que no hay sobrecarga de tiempo de ejecución, pero la desventaja es que todos los tipos y comportamientos deben determinarse en tiempo de compilación.
En este capítulo, presentaremos cómo usar plantillas para lograr polimorfismo estático, incluido el uso de plantillas de funciones y plantillas de clases, así como técnicas para la especialización de plantillas y la especialización parcial.
2.1 Plantillas de funciones y plantillas de clases
Las plantillas de funciones y las plantillas de clases son la base para implementar el polimorfismo estático. Mediante el uso de plantillas, podemos escribir una pieza de código que puede manejar varios tipos, y el compilador genera una función o clase especial para cada tipo.
2.1.1 Plantillas de funciones¶
Una plantilla de función es un tipo especial de función que puede manejar múltiples tipos de argumentos. Por ejemplo, podemos definir una función de plantilla printque imprima cualquier tipo de valor:
template <typename T>
void print(const T& value) {
std::cout << value << std::endl;
}
Podemos llamar a esta función con cualquier tipo de valor, y el compilador generará una función especial para cada tipo.
2.1.2 Plantillas de clase
Una plantilla de clase es una clase especial que puede manejar varios tipos de datos. Por ejemplo, podemos definir una clase de plantilla Boxque puede almacenar valores de cualquier tipo:
template <typename T>
class Box {
public:
Box(const T& value) : value_(value) {
}
const T& get() const {
return value_;
}
private:
T value_;
};
Podemos usar cualquier tipo de valor para crear un objeto de esta clase, y el compilador generará una clase especial para cada tipo.
2.2 Plantilla de Especialización y Especialización Parcial
La especialización de plantilla y la especialización parcial son técnicas avanzadas para implementar polimorfismo estático. Al usar la especialización, podemos proporcionar un comportamiento especial para algunos tipos específicos y, al usar la especialización parcial, podemos proporcionar un comportamiento especial para un grupo de tipos.
2.3 Plantilla de especialización
La especialización de plantillas nos permite proporcionar implementaciones especiales para ciertos parámetros de una plantilla. Esta es una poderosa herramienta que nos permite elegir diferentes comportamientos basados en tipos en tiempo de compilación.
2.3.1 Especialización de plantillas de funciones
Para las plantillas de funciones, podemos proporcionar especializaciones para ciertos tipos de parámetros. printPor ejemplo, podríamos proporcionar una especialización para la función anterior que imprima std::vector<int>:
template <>
void print(const std::vector<int>& values) {
for (int value : values) {
std::cout << value << " ";
}
std::cout << std::endl;
}
Esta versión especializada de la función se llamará cuando el tipo de argumento std::vector<int>sea .
2.3.2 Especialización de plantilla de clase
Para las plantillas de clase, también podemos proporcionar especializaciones para ciertos tipos de parámetros. BoxPor ejemplo, podríamos proporcionar una versión especializada de la clase anterior que almacene std::vector<int>:
template <>
class Box<std::vector<int>> {
public:
Box(const std::vector<int>& values) : values_(values) {
}
const std::vector<int>& get() const {
return values_;
}
size_t size() const {
return values_.size();
}
private:
std::vector<int> values_;
};
Esta versión especializada de la clase se creará cuando el tipo de parámetro std::vector<int>sea .
2.4 Plantilla de Especialización Parcial
La especialización parcial de plantilla es una técnica entre la plantilla completa y la especialización de plantilla. Nos permite proporcionar implementaciones especiales para un subconjunto de parámetros de plantilla. La especialización parcial de plantillas solo se aplica a las plantillas de clase, no a las plantillas de funciones.
BoxPor ejemplo, podríamos proporcionar una especialización parcial de la clase anterior para almacenar cualquier tipo de std::vector:
template <typename T>
class Box<std::vector<T>> {
public:
Box(const std::vector<T>& values) : values_(values) {
}
const std::vector<T>& get() const {
return values_;
}
size_t size() const {
return values_.size();
}
private:
std::vector<T> values_;
};
Esta versión parcialmente especializada de la clase se crea cuando el tipo de argumento es std::vector<T>(donde puede ser cualquier tipo).T
En general, la especialización de plantilla y la especialización parcial son herramientas poderosas para implementar polimorfismo estático. Al usarlos, podemos elegir diferentes comportamientos según el tipo en tiempo de compilación, mejorando así la flexibilidad y eficiencia del código.
3 Plantillas y Programación Genérica
En C++, las plantillas son una herramienta poderosa que nos permite escribir código que puede manejar varios tipos, en lugar de escribir código para un solo tipo concreto. Este paradigma de programación se conoce como programación genérica. La programación genérica puede mejorar la reutilización y el mantenimiento del código, al mismo tiempo que mejora el rendimiento del programa.
3.1 Conceptos básicos de las plantillas
En C++, las plantillas se pueden usar para definir funciones y clases. Una definición de plantilla es como un modelo que describe cómo generar funciones o clases para un conjunto específico de tipos.
3.1.1 Plantillas de funciones¶
Una plantilla de función es un tipo especial de función que se puede utilizar para procesar varios tipos de datos. La definición de una plantilla de función templatecomienza con una palabra clave seguida de una lista de parámetros de plantilla, que contiene uno o más parámetros de plantilla.
Aquí hay un ejemplo de una plantilla de función:
template <typename T>
T max(T a, T b) {
return (a > b) ? a : b;
}
En este ejemplo, Tes un parámetro de plantilla, que representa un tipo. maxPodemos llamar a funciones con cualquier tipo , como max<int>(3, 4)o max<double>(3.14, 2.71).
3.1.2 Plantillas de clase
Una plantilla de clase es una clase especial que se puede utilizar para generar muchos tipos de clases. La definición de una plantilla de clase también templatecomienza con la palabra clave seguida de una lista de parámetros de plantilla.
Aquí hay un ejemplo de una plantilla de clase:
template <typename T>
class Stack {
public:
void push(const T& item) {
/*...*/ }
T pop() {
/*...*/ }
bool empty() const {
/*...*/ }
private:
std::vector<T> elements_;
};
En este ejemplo, Tes un parámetro de plantilla, que representa un tipo. StackPodemos crear objetos con cualquier tipo , como Stack<int>o Stack<std::string>.
3.2 Aplicaciones Avanzadas de Plantillas
Aunque el concepto básico de plantillas es relativamente simple, la aplicación de plantillas en la práctica es muy poderosa. A través de plantillas, podemos implementar algoritmos genéricos complejos, crear estructuras de datos eficientes e incluso implementar cálculos en tiempo de compilación.
3.2.1 Plantilla de especialización
Una especialización de plantilla es una plantilla especial que proporciona diferentes implementaciones para algunos parámetros específicos de la plantilla. Podemos definir especializaciones tanto para plantillas de funciones como para plantillas de clases.
La especialización de plantillas se puede ver como una forma de polimorfismo estático y como parte de la programación genérica.
Primero, la especialización de plantillas puede verse como una forma de polimorfismo estático, ya que nos permite elegir diferentes implementaciones en tiempo de compilación según el tipo. Este es un tipo de polimorfismo, porque podemos usar la misma interfaz (es decir, función de plantilla o clase de plantilla) para manejar diferentes tipos, y el comportamiento específico depende del tipo. Este tipo de polimorfismo se realiza en tiempo de compilación, por lo que se denomina polimorfismo estático.
En segundo lugar, la especialización de plantillas también forma parte de la programación genérica porque se basa en plantillas. El objetivo de la programación genérica es escribir código que pueda manejar múltiples tipos, y la especialización de plantillas es una forma de lograr este objetivo. A través de la especialización de plantillas, podemos proporcionar implementaciones específicas para ciertos parámetros de la plantilla, de modo que nuestro código pueda adaptarse mejor a diferentes tipos.
Por lo tanto, la especialización de plantillas puede verse como una forma de polimorfismo estático y como parte de la programación genérica. Estos dos conceptos no son mutuamente excluyentes, sino complementarios.
maxPor ejemplo, podríamos definir una especialización de la plantilla de función anterior para manejar std::stringargumentos de tipo:
template <>
std::string max<std::string>(std::string a, std::string b) {
return (a.compare(b) > 0) ? a : b;
}
3.2.2 Metaprogramación de plantillas
La metaprogramación de plantillas es una técnica que utiliza plantillas para la evaluación en tiempo de compilación. A través de la metaprogramación de plantillas, podemos realizar algunos cálculos antes de que se ejecute el programa, mejorando así el rendimiento del tiempo de ejecución del programa.
Por ejemplo, podemos usar la metaprogramación de plantillas para calcular la secuencia de Fibonacci:
template <int N>
struct Fibonacci {
static const int value = Fibonacci<N - 1>::value + Fibonacci<N - 2>::value;
};
template <>
struct Fibonacci<0> {
static const int value = 0;
};
template <>
struct Fibonacci<1> {
static const int value = 1;
};
En este ejemplo, Fibonacci<N>::valuese calcula en tiempo de compilación, por lo que no hay sobrecarga en tiempo de ejecución.
Las plantillas son la principal herramienta para implementar la programación genérica en C++ y proporcionan una gran flexibilidad y eficiencia. A través de una comprensión profunda y un uso hábil de las plantillas, podemos escribir un código más eficiente y fácil de mantener.
epílogo
La comprensión es un paso importante hacia el siguiente nivel en nuestro viaje de aprendizaje de programación. Sin embargo, dominar nuevas habilidades e ideas siempre requiere tiempo y persistencia. Desde un punto de vista psicológico, el aprendizaje suele ir acompañado de pruebas y errores y ajustes continuos, que es como si nuestro cerebro optimizara gradualmente su "algoritmo" para resolver problemas.
Por eso, cuando nos encontramos con errores, debemos verlos como oportunidades para aprender y mejorar, no solo como obsesiones. Al comprender y resolver estos problemas, no solo podemos corregir el código actual, sino también mejorar nuestra capacidad de programación y evitar que se cometan los mismos errores en proyectos futuros.
Animo a todos a participar activamente y mejorar continuamente sus habilidades de programación. Ya sea que sea un principiante o un desarrollador experimentado, espero que mi blog pueda ayudarlo en su viaje de aprendizaje. Si encuentra útil este artículo, puede hacer clic para marcarlo o dejar sus comentarios para compartir sus ideas y experiencias. También puede hacer sugerencias y preguntas sobre el contenido de mi blog. Cada me gusta, comentario, compartir y seguir es el mayor apoyo para mí y la motivación para seguir compartiendo y creando.
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