قوالب الدوال

جزء من قسم البرمجة كائنية التوجه في رحلة C++ على Coddy. الدرس 64 من 104.

تخيّل كتابة دالة للعثور على القيمة maximum لعددين صحيحين، ثم إدراك أنك تحتاج إلى المنطق نفسه للقيم من نوع double، ومرة أخرى للسلاسل النصية. من دون القوالب، ستكتب دوال متطابقة تقريبًا لكل نوع. تحلّ قوالب الدوال هذه المشكلة من خلال السماح لك بكتابة المنطق مرة واحدة وترك المصرّف ينشئ تلقائيًا إصدارات خاصة بكل نوع.

يستخدم قالب الدالة الكلمة المفتاحية template متبوعةً بمعلمات القالب بين قوسين زاويين:

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

int main() {
    std::cout << maximum(5, 3) << std::endl;       // يستخدم نسخة int
    std::cout << maximum(3.14, 2.71) << std::endl; // يستخدم نسخة double
    std::cout << maximum('a', 'z') << std::endl;   // يستخدم نسخة char
}

يفحص المترجم كل استدعاء وينشئ دالة ملموسة لذلك النوع المحدد. تُسمّى هذه العملية إنشاء مثيل للقالب. يمكنك أيضًا تحديد النوع صراحةً عند الحاجة:

std::cout << maximum<double>(5, 3.14) << std::endl;  // يفرض النسخة double

يمكن أن تحتوي القوالب على معاملات نوع متعددة، مما يتيح تصميمات أكثر مرونة.

template <typename T, typename U>
void printPair(T first, U second) {
    std::cout << first << ", " << second << std::endl;
}

printPair(42, "hello");    // T=int, U=const char*
printPair(3.14, 100);      // T=double, U=int

توفر قوالب الدوال تعدد الأشكال وقت الترجمة — إذ يُحدَّد النوع عند ترجمة الشيفرة، وليس وقت التشغيل. وهذا يعني عدم وجود أي عبء إضافي وقت التشغيل مقارنةً بالدوال الافتراضية، مما يجعل القوالب مثالية للشيفرة العامة الحساسة للأداء.

التحدي

سهل

لنُنشئ مجموعة أدوات مساعدة باستخدام قوالب الدوال لإنشاء عمليات قابلة لإعادة الاستخدام تعمل مع أي نوع متوافق. ستنظّم دوالك العامة في ملف ترويسة، وستوضّح مرونتها في برنامجك الرئيسي.

ستُنشئ ملفين:

MathUtils.h: Define مجموعة من قوالب الدوال التي تنفّذ عمليات شائعة:
minimum: دالة قالب تستقبل قيمتين من النوع نفسه وتعيد الأصغر منهما.
clamp: دالة قالب تستقبل ثلاثة parameters: قيمة، وlow bound، وhigh bound. تعيد القيمة المقيّدة ضمن الحدود (تعيد low إذا كانت value أصغر من low، وhigh إذا كانت value أكبر من high، وإلا تعيد value نفسها).
swapValues: دالة قالب تستقبل مرجعين من النوع نفسه وتتبادل قيمتيهما.
main.cpp: Read ستة مدخلات (كل منها في سطر منفصل):
1. integer الأول
2. integer الثاني
3. قيمة double لتطبيق clamp عليها
4. Low bound (double)
5. High bound (double)
6. حرف
وضّح قوالبك من خلال:
1. إيجاد minimum للعددين الصحيحين وطباعته: Min of <a> and <b>: <result>
2. إيجاد minimum للحرفين 'm' وحرف الإدخال، وطباعته: Min of m and <char>: <result>
3. تطبيق clamp على قيمة double وطباعتها: Clamp <value> to [<low>, <high>]: <result>
4. تطبيق clamp على integer الأول ضمن المجال [0, 100] وطباعته: Clamp <value> to [0, 100]: <result>
5. تبديل العددين الصحيحين وطباعتهما: After swapValues: <a>, <b>

على سبيل المثال، باستخدام المدخلات 25 و10 و3.7 و1.0 و5.0 وz:

Min of 25 and 10: 10
Min of m and z: m
Clamp 3.7 to [1, 5]: 3.7
Clamp 25 to [0, 100]: 25
After swapValues: 10, 25

لاحظ كيف تعمل كل دالة قالب بسلاسة مع الأعداد الصحيحة وdouble والحروف: إذ ينشئ المصرّف الإصدار المناسب لكل نوع تستخدمه. يجب أن تعدّل دالة swapValues المتغيرات الأصلية من خلال المراجع، موضّحةً أن القوالب تعمل مع reference parameters تمامًا مثل الدوال العادية.

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include "MathUtils.h"
using namespace std;

int main() {
    // اقرأ المدخلات
    int a, b;
    double value, low, high;
    char ch;
    
    cin >> a;
    cin >> b;
    cin >> value;
    cin >> low;
    cin >> high;
    cin >> ch;
    
    // TODO: استخدم قالب minimum للعثور على الحد الأدنى لعددين صحيحين
    // اطبع: "Min of <a> and <b>: <result>"
    
    // TODO: استخدم قالب minimum للعثور على الحد الأدنى لـ 'm' وحرف الإدخال
    // اطبع: "Min of m and <char>: <result>"
    
    // TODO: استخدم قالب clamp على القيمة من نوع double
    // اطبع: "Clamp <value> to [<low>, <high>]: <result>"
    
    // TODO: استخدم قالب clamp على العدد الصحيح الأول بالنطاق [0, 100]
    // اطبع: "Clamp <value> to [0, 100]: <result>"
    
    // TODO: استخدم قالب swapValues على العددين الصحيحين
    // Print: "After swapValues: <a>, <b>"
    
    return 0;
}