قوالب الأصناف

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة C++ على Coddy — الدرس 65 من 104.

تماماً كما تسمح لك قوالب الدوال بكتابة دوال مستقلة عن النوع، تتيح لك قوالب الأصناف إنشاء أصناف مستقلة عن النوع. هذه هي الطريقة التي تعمل بها الحاويات مثل std::vector - حيث تقوم بتعريف الهيكل مرة واحدة، ويقوم المترجم بإنشاء إصدارات محددة لكل نوع تستخدمه.

template <typename T>
class Box {
    T value;
public:
    Box(T v) : value(v) {}
    T getValue() const { return value; }
    void setValue(T v) { value = v; }
};

int main() {
    Box<int> intBox(42);
    Box<std::string> strBox("Hello");
    
    std::cout << intBox.getValue() << std::endl;  // 42
    std::cout << strBox.getValue() << std::endl;  // Hello
}

على عكس قوالب الدوال، يجب عليك تحديد النوع بشكل صريح عند إنشاء كائنات من قوالب الأصناف باستخدام الأقواس الزاوية. يقوم المترجم بعد ذلك بإنشاء تعريف صنف كامل لهذا النوع المحدد.

يمكن أن تحتوي قوالب الفئات (Class templates) على معاملات أنواع متعددة وحتى معاملات غير متعلقة بالأنواع مثل الأعداد الصحيحة:

template <typename T, int Size>
class FixedArray {
    T data[Size];
public:
    T& operator[](int index) { return data[index]; }
    int size() const { return Size; }
};

FixedArray<double, 5> arr;  // مصفوفة من 5 أرقام double
arr[0] = 3.14;

عند تعريف الدوال الأعضاء خارج الفئة، يجب عليك تكرار إعلان القالب:

template <typename T>
class Container {
    T* data;
public:
    Container();
    ~Container();
};

template <typename T>
Container<T>::Container() : data(nullptr) {}

template <typename T>
Container<T>::~Container() { delete data; }

تشكل قوالب الأصناف (Class templates) أساس البرمجة العامة في لغة C++، مما يتيح لك كتابة هياكل بيانات قابلة لإعادة الاستخدام تعمل مع أي نوع.

التحدي

سهل

لنقم ببناء نظام تخزين عام باستخدام قوالب الفئات (class templates) لإنشاء حاوية مرنة يمكنها الاحتفاظ بأي نوع من البيانات. ستقوم بتنظيم فئة القالب الخاصة بك في ملف رأس (header file) وتوضيح مدى تعدد استخداماتها مع أنواع مختلفة في برنامجك الرئيسي.

ستقوم بإنشاء ملفين:

Storage.h: قم بتعريف قالب فئة يسمى Storage يعمل كحاوية بسيطة لقيمة واحدة مع بعض العمليات المفيدة:
يجب أن يحتوي قالب Storage الخاص بك على:
- عضو خاص (private member) للاحتفاظ بالقيمة المخزنة
- منشئ (constructor) يأخذ قيمة أولية
- دالة getValue() تعيد القيمة المخزنة
- دالة setValue() تقوم بتحديث القيمة المخزنة
- دالة isEmpty() تعيد true إذا كانت القيمة تساوي القيمة الافتراضية للنوع T، و false خلاف ذلك
قم أيضاً بإنشاء قالب فئة يسمى Pair مع معاملي نوع (two type parameters) يخزن قيمتين مرتبطتين:
- أعضاء خاصة للقيمتين الأولى والثانية (من أنواع قد تكون مختلفة)
- منشئ يقوم بتهيئة كلتا القيمتين
- دوال getFirst() و getSecond() لاسترجاع كل قيمة
- دالة display() تطبع: (<first>, <second>)
main.cpp: اقرأ أربعة مدخلات (كل منها في سطر منفصل):
1. قيمة عدد صحيح (integer)
2. قيمة عدد صحيح جديدة
3. قيمة نصية (string)
4. قيمة عشرية (double)
قم باستعراض القوالب الخاصة بك من خلال:
1. إنشاء Storage<int> باستخدام العدد الصحيح الأول، وطباعة: Int storage: <value>
2. تحديثه بالعدد الصحيح الثاني باستخدام setValue()، ثم طباعة: Updated: <value>
3. إنشاء Storage<std::string> باستخدام المدخل النصي، وطباعة: String storage: <value>
4. التحقق مما إذا كان مخزن النصوص فارغاً وطباعة: Is empty: <true/false> (اطبع true أو false)
5. إنشاء Pair<std::string, double> باستخدام القيم النصية والعشرية، ثم استدعاء display()
6. إنشاء Pair<int, int> باستخدام كلا المدخلين الصحيحين، ثم استدعاء display()

على سبيل المثال، مع المدخلات 42، 100، Hello، و 3.14:

Int storage: 42
Updated: 100
String storage: Hello
Is empty: false
(Hello, 3.14)
(42, 100)

لاحظ كيف يعمل قالب Storage نفسه بسلاسة مع الأعداد الصحيحة والنصوص، وكيف يمكن لـ Pair الجمع بين أنواع مختلفة معاً. يقوم المترجم (compiler) بإنشاء تعريفات فئات منفصلة لكل مجموعة أنواع تستخدمها. تذكر استخدام صيغة template <typename T> للقوالب ذات النوع الواحد و template <typename T, typename U> للقوالب ذات معاملات النوع المتعددة.

ورقة مرجعية

تسمح لك قوالب الأصناف (Class templates) بإنشاء أصناف مستقلة عن النوع. يقوم المترجم بإنشاء إصدارات محددة لكل نوع تستخدمه.

قالب صنف أساسي

template <typename T>
class Box {
    T value;
public:
    Box(T v) : value(v) {}
    T getValue() const { return value; }
    void setValue(T v) { value = v; }
};

عند إنشاء كائنات من قوالب الأصناف، يجب عليك تحديد النوع صراحةً باستخدام الأقواس الزاوية:

Box<int> intBox(42);
Box<std::string> strBox("Hello");

معاملات أنواع متعددة

يمكن أن تحتوي قوالب الأصناف على معاملات أنواع متعددة:

template <typename T, typename U>
class Pair {
    T first;
    U second;
public:
    Pair(T f, U s) : first(f), second(s) {}
};

المعاملات غير المتعلقة بالنوع

يمكن للقوالب أيضاً قبول معاملات غير متعلقة بالنوع مثل الأعداد الصحيحة:

template <typename T, int Size>
class FixedArray {
    T data[Size];
public:
    int size() const { return Size; }
};

FixedArray<double, 5> arr;  // Array of 5 doubles

تعريف الدوال الأعضاء خارج الصنف

عند تعريف الدوال الأعضاء خارج الصنف، قم بتكرار إعلان القالب:

template <typename T>
class Container {
    T* data;
public:
    Container();
    ~Container();
};

template <typename T>
Container<T>::Container() : data(nullptr) {}

template <typename T>
Container<T>::~Container() { delete data; }

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include <string>
#include "Storage.h"

using namespace std;

int main() {
    // قراءة المدخلات
    int intValue1;
    int intValue2;
    string strValue;
    double doubleValue;
    
    cin >> intValue1;
    cin >> intValue2;
    cin >> strValue;
    cin >> doubleValue;
    
    // TODO: قم بإنشاء Storage<int> باستخدام العدد الصحيح الأول واطبع: Int storage: <value>
    
    // TODO: قم بالتحديث باستخدام العدد الصحيح الثاني باستخدام setValue()، واطبع: Updated: <value>
    
    // TODO: قم بإنشاء Storage<std::string> باستخدام مدخل السلسلة النصية، واطبع: String storage: <value>
    
    // TODO: تحقق مما إذا كان مخزن السلسلة النصية فارغاً، واطبع: Is empty: true/false
    
    // TODO: قم بإنشاء Pair<std::string, double> باستخدام السلسلة النصية والعدد العشري، واستدعِ display()
    
    // TODO: قم بإنشاء Pair<int, int> باستخدام كلا العددين الصحيحين، واستدعِ display()
    
    return 0;
}