Обобщенное программирование

Обобщённое программирование — парадигма программирования, заключающаяся в таком описании данных и алгоритмов, которое можно применять к различным типам данных, не меняя само это описание. В том или ином виде поддерживается разными языками программирования. Возможности обобщённого программирования впервые появились в 70-х годах в языках CLU и Ada, а затем во многих объектно-ориентированных языках, таких как C++, D и языках для платформы .NET.

Общий механизм

Средства обобщённого программирования реализуются в языках программирования в виде тех или иных синтаксических средств, дающих возможность описывать данные (типы данных) и алгоритмы (процедуры, функции, методы), параметризуемые типами данных. У функции или типа данных явно описываются формальные параметры-типы. Это описание является обобщённым и в исходном виде непосредственно использовано быть не может.

В тех местах программы, где обобщённый тип или функция используется, программист должен явно указать фактический параметр-тип, конкретизирующий описание. Например, обобщённая процедура перестановки местами двух значений может иметь параметр-тип, определяющий тип значений, которые она меняет местами. Когда программисту нужно поменять местами два целых значения, он вызывает процедуру с параметром-типом «целое число» и двумя параметрами — целыми числами, когда две строки — с параметром-типом «строка» и двумя параметрами — строками. В случае с данными программист может, например, описать обобщённый тип «список» с параметром-типом, определяющим тип хранимых в списке значений. Тогда при описании реальных списков программист должен указать обобщённый тип и параметр-тип, получая, таким образом, любой желаемый список с помощью одного и того же описания.

Компилятор, встречая обращение к обобщённому типу или функции, выполняет необходимые процедуры статического контроля типов, оценивает возможность заданной конкретизации и при положительной оценке генерирует код, подставляя фактический параметр-тип на место формального параметра-типа в обобщённом описании. Естественно, что для успешного использования обобщённых описаний фактические типы-параметры должны удовлетворять определённым условиям. Если обобщённая функция сравнивает значения типа-параметра, любой конкретный тип, использованный в ней, должен поддерживать операции сравнения, если присваивает значения типа-параметра переменным — конкретный тип должен обеспечивать корректное присваивание.

Способы реализации

Известно два основных способа реализации поддержки обобщённого программирования в компиляторе.

• Порождение нового кода для каждой конкретизации. В этом варианте компилятор рассматривает обобщённое описание как текстовый шаблон для создания вариантов конкретизаций. Когда компилятору требуется новая конкретизация обобщённого типа или процедуры, он создаёт новый экземпляр типа или процедуры, чисто механически добавляя туда тип-параметр. То есть, имея обобщённую функцию перестановки элементов, компилятор, встретив её вызов для целого типа, создаст функцию перестановки целых чисел и подставит в код её вызов, а затем, встретив вызов для строкового типа — создаст функцию перестановки строк, никак не связанную с первой. Этот метод обеспечивает максимальное быстродействие, поскольку варианты конкретизаций становятся разными фрагментами программы, каждый из них может быть оптимизирован для своего типа-параметра, к тому же в код не включаются никакие лишние элементы, связанные с проверкой или преобразованием типов на этапе исполнения программы. Недостатком его является то, что при активном использовании обобщённых типов и функций с различными типами-параметрами размер откомпилированной программы может очень сильно возрастать, поскольку даже для тех фрагментов описания, которые для разных типов не различаются, компилятор всё равно генерирует отдельный код. Этот недостаток можно затушевать путём частичной генерации общего кода (часть обобщённого описания, которая не зависит от типов-параметров, оформляется специальным образом и по ней компилятор генерирует единый для всех конкретизаций код). Зато данный механизм даёт естественную возможность создания специальных (обычно — сильно вручную оптимизированных) конкретизаций обобщённых типов и функций для некоторых типов-параметров.
• Порождение кода, который во время исполнения выполняет преобразование фактических параметров-типов к одному типу, с которым фактически и работает. В этом случае на этапе компиляции программы компилятор лишь проверяет соответствие типов и включает в код команды преобразования конкретного типа-параметра к общему типу. Код, определяющий функционирование обобщённого типа или функции, имеется в откомпилированной программе в единственном экземпляре, а преобразования и проверки типов выполняются динамически, во время работы программы. В этом варианте порождается, как правило, более компактный код, но программа оказывается в среднем медленнее, чем в первом варианте, из-за необходимости выполнения дополнительных операций и меньших возможностей оптимизации. Кроме того, в компилированный код для типов-параметров далеко не всегда включается динамическая информация о типах (в первом варианте она есть, если вообще поддерживается, поскольку конкретизации для каждого типа-параметра различны), что определяет некоторые ограничения на применение обобщённых типов и функций. Подобные ограничения есть, например, в Java.

Обобщённое программирование в языках

C++

Основная статья: Шаблоны C++

В языке C++ обобщённое программирование основывается на понятии «шаблон», обозначаемом ключевым словом template. Широко применяется в стандартной библиотеке C++ (см. STL), а также в сторонних библиотеках boost, Александр Степанов.

В качестве примера приведём обобщённую функцию, возвращающую большее значение из двух.

// Описание шаблонной функции
template <typename T> T max(T x, T y)
{
    if (x < y)
        return y;
    else
        return x;
}
...
// Применение шаблонной функции
 
int a = max(10,15);
...
double f = max(123.11, 123.12);
...

Чтобы программа

Java

Java предоставляет средства обобщённого программирования, синтаксически основанные на C++, начиная с версии J2SE 5.0. В этом языке имеются generics или «контейнеры типа T» — подмножество обобщённого программирования.

.NET

На платформе .NET средства обобщённого программирования появились в версии 2.0.

Пример на C#

interface IPerson 
{
  string GetFirstName();
  string GetLastName();
}
 
class Speaker 
{
  public void SpeakTo<T>(T person) where T : IPerson 
  {
    string name = person.GetFirstName();
    this.say("Hello, " + name);
  }
}

D

В языке «D» средства обобщённого программирования значительно эволюционировали в сравнении с С++, как в процедурной, так и в объектно ориентированной составляющей. Значительно проще стало и лингвистическое представление.

Пример рекурсивной генерации на основе шаблонов D:

// http://digitalmars.com/d/2.0/template.html
template Foo(T, R...) // T - тип, R - набор типов
{
    void Foo(T t, R r)
    {
	writefln(t);
	static if (r.length)	// if more arguments
	    Foo(r);		// do the rest of the arguments
    }
}
 
void main()
{
    Foo(1, 'a', 6.8);
}
 
/+++++++++++++++
 prints:
 1
 a
 6.8
 +++++++++++++++/