Pokročilé programování
v jazyce C pro chemiky
(C3220)
Šablony, knihovna STL,
algoritmy
2
Šablony funkcí
●
Šablony funkcí používáme tam, kde potřebujeme použít stejnou
funkci pro odlišné typy argumentů a návratových hodnot
●
Šablonu definujeme podobně jako funkci, ale před hlavičkou funkce
uvedeme template <typename T> nebo template <class T>, kde
T je volitelný symbol zastupující jméno typu
●
Typů můžeme specifikovat i více: template <typename T1,
typename T2, typename T3>
●
V okamžiku volání jména šablony posoudí překladač typ
předávaných argumentů a vygeneruje příslušnou funkci
●
Šablony samostatných funkcí se v praxi používají v menší míře, ve
standardní knihovně jsou však definovány některé užitečné
šablonové funkce (např. swap(), min(), max())
●
Šablony lze definovat také pro metody (podobným způsobem jako
pro funkce)
3
Šablony funkcí – příklad 1
// Reseni s pouzitim sablony funkce
template <typename T> T getMax(T value1, T value2)
{ if (value1 > value2) return value1; else return value2; }
int main()
{
int i1 = 3, i2 = 5, imax = 0;
double d1 = 2.12, d2 = 6.78, dmax = 0.0;
imax = getMax(i1, i2); // Na zaklade sablony vygeneruje funkci pro int
dmax = getMax(d1, d2); // Na zaklade sablony vygeneruje funkci pro double
return 0;
}
// Klasicke reseni bez pouziti sablon (pouzivame pretizeni funkci)
int getMax(int value1, int value2)
{ if (value1 > value2) return value1; else return value2; }
double getMax(double value1, double value2)
{ if (value1 > value2) return value1; else return value2; }
int main()
{
int i1 = 3, i2 = 5, imax = 0;
double d1 = 2.12, d2 = 6.78, dmax = 0.0;
imax = getMax(i1, i2); // Tady se vola prvni funkce
dmax = getMax(d1, d2); // Tady se vola druha funkce
return 0;
}
4
Šablony funkcí – příklad 2
// Sablona funkce pro zamenu dvou hodnot
template <typename T> void swapItems(T &item1, T &item2)
{
T itemAux;
itemAux = item1;
item1 = item2;
item2 = itemAux;
}
int main()
{
int i1 = 3, i2 = 5;
string s1 = "Prvni retezec", s2 = "Druhy retezec";
Vector3D v1(3.1, 4.7, -9.0), v2(6.4, -1.2, 7.8);
swapItems(i1, i2); // Vygeneruje se funkce pro typ int
swapItems(s1, s2); // Vygeneruje se funkce pro typ string
swapItems(v1, v2); // Vygeneruje se funkce pro typ Vector3D
return 0;
}
5
Šablony tříd
●
Šablony tříd fungují podobným způsobem jako šablony funkcí, ale na
jejich základě se generují celé třídy
●
Šablony tříd se intenzivně využívají při tvorbě knihoven, hojně je
využívá například standardní knihovna C++
●
Příslušné objektové proměnné deklarujeme:
jmeno_sablony<jmeno_typu> jmeno_promenne
template <typename T> class Vector3D // Sablona tridy pro 3D vektor
{
public:
Vector3D() { x = 0; y = 0; z = 0; };
Vector3D(T ax, T ay, T az) { x = ax; y = ay; z = az; };
// Zde budou definovany dalsi cleny sablony tridy
private:
T x, y, z;
};
int main()
{
Vector3D<int> vectInt;
Vector3D<double> vectDouble;
// Zde je mozne pracovat s objektovymi promennymi vectInt a
// vectDouble obvyklym zpusobem
}
6
Šablony tříd - příklad
// Nasledujici priklad ukazuje, jak definovat metodu mimo sablonu
template <typename T> class Vector3D
{
public:
Vector3D() { x = 0; y = 0; z = 0; }
void printValues(); // Metoda bude definovana mimo sablonu tridy
private:
T x, y, z;
};
template<typename T> void Vector3D<T>::printValues()
{
cout << "Souradnice vektoru:" << x << y << z << endl;
}
int main()
{
Vector3D<int> vectInt;
Vector3D<double> vectDouble;
vectInt.printValues();
vectDouble.printValues();
return 0;
}
7
STL – standardní šablonová knihovna
●
Součástí standardní knihovny jazyka C++ je standardní šablonová
knihovna STL (standard template library)
●
Knihovna STL nabízí mnoho šablonových tříd, z nichž jsou
nejpoužívanější kontejnery (zásobníky), které slouží k ukládání
objektů libovolného typu
●
Kromě kontejneru vector, jsou k dispozici například i množiny (set)
či mapy klíč-hodnota (map)
●
Podrobnější dokumentace k STL na
https://en.cppreference.com/w/cpp/standard_library
8
Kontejner map
●
Pro použití kontejneru unordered_map, musíme vložit hlavičkový
soubor #include <map> a deklarovat using namespace std;
●
Tento kontejner obsahuje páry klíč-hodnota. Každému klíči je přiřazena
právě jedna hodnota. Klíče jsou v mapě vždy vzestupně seřazeny (při
iteraci je dostáváme od nejmenšího klíče po největší).
●
Kontejner map obsahuje například následující metody:

operator[] - vrací prvek s příslušným klíčem. Pokud prvek s daným
klíčem v mapě není, je vložen s výchozí hodnotou a vrácena
reference na ni.

erase() - smaže prvek s daným klíčem, je-li přítomen

count() - vrací počet prvků s daným klíčem v mapě (0 nebo 1)

clear() - vyjímá všechny prvky (kontejner je pak prázdný)

size() - vrací aktuální počet prvků

empty() - vrací informaci o tom, zda je kontejner prázdný (totéž
jako size() == 0)
●
Nezáleží-li nám na pořadí prvků v mapě, používáme rychlejší variantu
unordered_map
●
Podrobnější výčet všech metod kontejneru vector lze najít na:
https://en.cppreference.com/w/cpp/container/map
9
Kontejner map – příklad
#include <iostream>
#include <map>
using namespace std;
int main()
{
map<string, int> dnyVTydnu; // Definice kontejneru s textovými klíči
// a celočíselnými hodnotami
dnyVTydnu["pondeli"] = 1;
dnyVTydnu["utery"] = 2;
// atd.
string den = "čtvrtek";
cout << "Dnes je " << den << ", "
<< dnyVTydnu[den] << ". den v tomto tydnu." << endl;
// Vypíše: Dnes je čtvrtek, 4. den v tomto týdnu.
}
10
Iterátory
●
Mnoho operací s kontejnery v STL používá tzv. iterátory, což jsou
speciální objekty podobné ukazatelům, ukazující do daného
kontejneru na nějaký prvek
●
Každý kontejner má následující metody, vracející příslušný iterátor
●
begin() - vrací iterátor na první prvek kontejneru
●
end() - vrací iterátor ukazující těsně za poslední prvek
●
Iterátory jsou interně využívány range-based for cykly, ale můžeme
je použít i přímo
●
Hodnotu, na kterou iterátor ukazuje, získáme dereferencováním
pomocí * či ->
●
Iterátory můžeme porovnávat pomocí == a != a
●
K posunu na další prvek použijeme ++, některé iterátory umí i přejít
na předchozí prvek pomocí --
11
Iterátory – příklad
#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
map<string, int> dnyVTydnu; // Definice kontejneru s textovými klíči
// a celočíselnými hodnotami
map<int, string> cisloNaDen; // Mapa pro překlad obráceným směrem
dnyVTydnu["pondeli"] = 1;
// atd.
// iterujeme od begin(), dokud nenarazíme na end()
for (map<string,int>::iterator it = dnyVTydnu.begin();
it != dnyVTydnu.end(); ++it) {
// u mapy je it->first klíč, it->second příslušná hodnota
cisloNaDen[it->second] = it->first;
}
}
12
Dedukce typů pomocí auto
●
Často se setkáme se situací, kdy je typ nějaké proměnné “jasný”
(např. daný návratovým typem nějaké funkce), ale je pracné jej
ručně vypisovat
●
Použijeme-li místo typu klíčové slovo auto, kompilátor si potřebný
typ vydedukuje z kontextu (pokud to nejde jednoznačně, kompilátor
ohlásí chybu)
●
Místo map<string, int>::iterator it = kontejner.begin()
tedy stačí jen auto it = kontejner.begin()
●
Klíčové slovo auto můžeme dále dekorovat pomocí const či & a
upřesnit tím, co má kompilátor udělat
●
Pro obecnou iteraci tedy můžeme psát
for (const auto &x : kontejner) { … }
●
auto nelze použít pro typy parametrů funkce (nejsou při definici
funkce známy), funguje jen pro proměnné a návratové typy funkcí
●
Nadužívání auto ale může kód znepřehlednit, používáme jej jen tam,
kde je to prospěšné, nepíšeme tedy auto i = 5 místo int i = 5
13
Standardní knihovna algoritmů
●
STL obsahuje také šablony funkcí implementující některé běžné
algoritmy nad souborem dat (třídění, vyhledávání, kopírování)
●
Tyto funkce jsou k dispozici v hlavičkovém souboru <algorithm>
●
find() - najde první odpovídající prvek
●
count_if() - vrací počet prvků odpovídajících nějakému kritériu
●
reverse() - obrátí pořadí prvků
●
sort() - seřadí prvky vzestupně
●
copy() - zkopíruje daný rozsah do jiného kontejneru
●
Většina algoritmů přijímá dva iterátory ukazující na začátek a konec
rozsahu hodnot, nad nímž mají pracovat (typicky předáváme
begin() a end() nějakého kontejneru).
●
Mnoho dalších funkcí naleznete v detailní dokumentaci na
https://en.cppreference.com/w/cpp/header/algorithm
14
Algoritmy – příklad
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
bool je_sude(int x) { return x % 2 == 0 }
int main()
{
vector<int> cisla; // naplněný nějakými čísly
sort(cisla.begin(), cisla.end()); // seřadí cisla vzestupně
int pocetTrojek = count(cisla.begin(), cisla.end(), 3);
int pocetSudych = count_if(cisla.begin(), cisla.end(), je_sude);
}
15
Lambda funkce
●
STL obsahuje také šablony funkcí implementující některé běžné
algoritmy nad souborem dat (třídění, vyhledávání, kopírování)
●
Zejména při práci s algoritmy potřebujeme často funkce specifikující
kritérium pro počítání, řazení apod.
●
Abychom nemuseli pro každý případ vždy definovat globální funkci,
existují v jazyku C++ tzv. Lambda funkce, což jsou dočasné (lokální)
funkce
●
Lambda funkce může mít přístup ke proměnným z bloku, ve kterém
je definována
●
Lambda funkci definujeme v místě použití takto:
[promenna1, promenna2] (int parametr1) { těloFunkce; }
●
V hranatých závorkách uvedeme seznam vnějších proměnných,
které chceme pro lambda funkci zpřístupnit (buďto kopií-hodnotou,
nebo jako referenci přidáním & před proměnnou)
●
Kulaté závorky specifikují typ parametrů jako u běžné funkce
16
Lambda funkce – příklad
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> cisla; // naplněný nějakými čísly
int hranice = 5;
// lambda s jedním parametrem, zpřístupníme jí proměnnou hranice
int pocetVetsichNez = count_if(cisla.begin(), cisla.end(),
[hranice] (int x) { return x > hranice; }
);
// lambda s jedním parametrem, nemá přístup k žádným proměnným z
main()
int pocetSudych = count_if(cisla.begin(), cisla.end(),
[] (int x) { return x % 2 == 0; }
);
}
17
Cvičení – část 1
1. Vytvořte program vycházející z programu z úlohy 2 z minulého cvičení s
následujícími úpravami:
• Třída Vector3D bude šablonou, přičemž parametrem šablony bude
datový typ T použitý k uložení souřadnic x, y, z
• Upravte metody getX/Y/Z() a set(), tak aby přijímaly a vracely typ T (ne
napevno float či double
• operator* bude vracet vždy typ double
• Můžete smazat operator+ a funkci swapVectors()
• Funkce main() vytvoří dvě dvojice vektorů, jednu jako Vector3D<double>
a druhou Vector3D<float>
• Od uživatele vyžádejte a načtěte souřadnice obou double vektorů
• Každý double vektor zkopírujte do odpovídajícího float vektoru pomocí
set() a getX/Y/Z()
• Nakonec program spočítá a vytiskne skalární součin double vektorů a
skalární součin float vektorů.
Program otestujte s vektory [1, 1, 0] a [1.00000001, -1, 0]. Skalární součin
ve vyšší přesnosti by měl být nenulový, v nižší přesnosti nulový. 2 body
18
Cvičení – část 2
2. Vytvořte program zpracovávající soubor data1.dat (z adresáře
/home/tootea/C3220/data/). Soubor obsahuje na každém řádku textový
identifikátor komplexu protein-ligand, následovaný dvěma hodnotami
vazebných energií (referenční a predikovanou). Pro uložení jednotlivých
záznamů definujte třídu Complex, která bude obsahovat:
• Tři soukromé datové položky (string a dva double)
• Metodu void readLine(const string &line) pro načtení hodnot do
třídy
• Metodu void print(void) const pro výpis hodnot na standardní výstup
• Metody getReference() a getPredicted(), vracející hodnoty energií.
Funkce main() vytvoří vector tříd Complex a do něj po řádcích načte
obsah souboru, jehož jméno bude specifikováno jako první argument na
příkazovém řádku.
Vektor komplexů napřed seřaďte vzestupně dle predikovaných hodnot
energie voláním sort() s vhodnou lambda funkcí (ta bude přijímat dva
argumenty const Complex & a vracet true, pokud první argument má
menší predikovanou energii než druhý). Položky seřazeného vektoru
vypište pomocí print().
(pokračování na další straně)
19
Cvičení – část 3
2. (pokračování) Vytvořte histogram referenčních energií tak, že použijete
mapu, jejímž klíčem bude referenční energie převedená (oříznutá) na int
a hodnotou bude počet komplexů spadajících pod daný klíč. Výslednou
mapu vypište (na každém řádku bude celočíselná energie následovaná
počtem).
Pomocí count_if a vhodné lambda funkce spočítejte, pro kolik komplexů
je absolutní hodnota (abs()) rozdílu referenční a predikované energie
menší, než číslo zadané jako druhý argument programu na příkazovém
řádku. Výsledný počet vypište. 3 body