همزمانی در سی++: فصل ۱- مفاهیم اولیه

بالاخره شروع کردم به خوندن کتاب C++ Concurrency in action نوشته Anthony Williams. این کتاب رو باید یک ماه پیش تموم می‌کردم اما مثل همیشه خیلی کند پیش رفتم و فقط ۲ فصلش رو تا الآن خوندم و تازه دارم خلاصه فصل اول رو می‌نویسم. به خودم قول دادم که توی این هفته این کتابو تموم کنم و باید انجامش بدم.

این کتاب درباره همزمانی در سی++ عه و راجع به نحوه نوشتن برنامه های این چنینی و چالش های پیش رو و راه های مرسوم برای حل چالش ها صحبت می‌کنه. یجورایی معروف ترین کتاب در این زمینه‌ست و خود نویسنده‌ش در کمیته استاندارد سی++ در همین بخش کار می‌کنه و پروپوزال میده.

با اینکه کتاب از مفاهیم پایه شروع به توضیح کرده، به نظرم بهتره آدم قبلش معماری کامپیوتر بدونه تا خیلی راحت تر بفهمه که چی به چیه.

همزمانی(Concurrency) چیست؟

همزمانی درواقع به معنی انجام دادن چندکار در یک زمان واحده. به عنوان مثال میشه به وقتی که داریم راه می‌ریم و همزمان تلفن رو با دستمون نگه داشتیم و داریم چت می‌کنیم اشاره کرد. اینکار هارو به شکل همزمان انجام می‌دیم.

همزمانی در کامپیوتر

همونطور که می‌دونیم، کامپیوتر ها در حالت عادی کار هارو به شکل ترتیبی از دستورات پشت سر هم انجام می‌دن.

وقتی از همزمانی در کامپیوتر صحبت می‌کنیم یعنی یک سیستم چندین کار رو به شکل همزمان و موازی انجام بده. حالا میخواد از طریق Task switching باشه یا به معنای واقعی کلمه همزمان باشه.

همزمانی از زمان های خیلی قدیم تر هم بوده. از سیستم عامل های Multi task که میتونستن چندکار رو با استفاده از task switching انجام بدن گرفته تا سرورهایی که چندین پردازنده داشتن و رسما به شکل موازی کار هارو انجام می‌دادن. اما در دنیای امروز، استفاده از سیستم هایی که به شکل سخت افزاری میتونن وظایف رو به شکل همزمان انجام بدن بسیار بسیار بیشتر شده و به همین دلیله که همه باید بلد باشیم چطور باید با این کامپیوتر ها کار کرد.

همونطور که گفتم، قبلا کامپیوتر ها کلا از دو روش برای انجام همزمان کارها استفاده می‌کردن:

جابجایی بین وظایف(task switching)

کامپیوتر هایی که یک پردازنده داشتن، از لحاظ تئوری امکان اینکه چند کار رو به شکل همزمان انجام بدن وجود نداشت. پس چطور اینکار رو انجام می‌دادن؟

با تقسیم کردن وظایف به چند قسمت و انجام دادن یه تیکه از هر وظیفه. یعنی چی؟ یعنی پردازنده در ثانیه بین وظایف مختلف پرش انجام میده و هربار یکم از کار هرکدوم رو انجام می‌ده. اینکار انقدر سریعه که انگار برنامه ها دارن باهمدیگه اجرا می‌شن و یجور توهم همزمانی رو ایجاد میکنه.

همزمانی سخت افزاری(hardware concurrency)

کامپیوتر هایی که چند پردازنده دارن یا اونایی که یک پردازنده چند هسته ای دارن میتونن واقعا کارها رو به شکل همزمان انجام بدن

درحالت کلی، task switching بسیار کُند تر از همزمانی سخت افزاریه چرا که در حالت اول، پردازنده باید فرآیندی رو به نام context switch رو انجام بده. خلاصه‌ش اینه که وقتی میخواد از یک کاری به کار دیگه پرش انجام بده، باید state ای که cpu داره رو ذخیره کنه و همچنین اشاره گر به دستوری که میخواسته اجرا کنه رو هم ذخیره کنه. بعد به کار بعدی پرش انجام بده و اونجا state مربوط به اون وظیفه رو بازیابی کنه، دستورات موجود در حافظه رو بارگزاری کنه تا بتونه شروع به پردازش اون وظیفه کنه. همه اینکار ها باعث میشن که تاخیر بیشتری در انجام کارها صورت بگیره. تصویر زیر کاملا این مطلب رو روشن می‌کنه. دو task داریم که هرکدوم به ۱۰ قسمت تقسیم شده‌ن(یک task با رنگ قرمز و دیگری سبز).

انجام اون دو وظیفه در یک پردازنده دو هسته ای: خط های سیاه درواقع زمانی هستند که پردازنده نیاز داره تا به chunk بعدی بره
انجام اون دو وظیفه در یک پردازنده تک هسته ای: رنگ خاکستری بیانگر زمانیه که پردازنده برای رفتن به وظیفه بعدی تلف می‌کنه.

رویکرد های همزمانی

اساسا از دو چیز برای پیاده سازی همزمانی استفاده میشه:

  • ترد ها/ نخ ها/ threads
  • پروسه ها/ پردازه ها/ processes

دو کارمند رو تصور کنید که میخوان در یک شرکت روی یک پروژه کار کنن. ایده اول اینه که به هرکدوم یک اتاق جدا بدیم و همچنین یک کپی از راهنمای نرم افزاری که میخوان روش کار کنن هم به هرکدوم بدیم. چالش هایی که روبه‌رومونه ایناست:

  • باید دوتا اتاق رو مدیریت کنیم
  • دوتا کارمند برای صحبت کردن با همدیگه مجبورن از جاشون بلند شن و برن پیش همدیگه
  • از هر چیزی باید دوتا کپی بگیریم و بهشون بدیم

ایده دوم اینه که هردو نفر رو در یک اتاق بذاریم و اینطوری کافیه یه کپی از راهنمای نرم افزار رو بهشون بدیم. فرق این روش چیه؟

  • تمرکز کردن احتمالا براشون سخت تر میشه
  • نیاز نیست که چندین کپی از منابع بگیریم اما ممکنه هردوتاشون به یک چیز ثابت نیاز داشته باشن و اینطوری باید صبر کنن تا کار شخص دیگر تموم بشه.
  • میتونن به راحتی با هم صحبت کنن و ایده هاشون رو به اشتراک بذارن.

با استفاده از این مثال میتونیم دو رویکرد اساسی رو بررسی کنیم.

کارمند هارو به عنوان ترد ها و اتاق هارو به عنوان پروسه ها در نظر می‌گیریم.

بنابراین دو رویکرد ما به این صورت خواهند بود:

  • چند پروسه تک-نخی
  • یک پروسه چند-نخی

چند پروسه تک-نخی

دو پروسه صرفا با استفاده از IPC میتونن باهم ارتباط برقرار کنن و این باعث میشه سرعت اجرای کارها پایین بیاد چرا که سیستم عامل لایه های محافظتی ای رو اعمال می‌کنه که یک پروسه نتونه داده های پروسه های دیگه رو ویرایش کنه یا به راحتی بخونه.

از طرف دیگه اجرای پروسه های زمان بیشتری نیاز داره.

اما خوبی هایی هم داره: اضافه شدن لایه های انتزاعی کمک میکنه که نیاز نباشه برنامه پیچیده ای برای ارتباط نوشته بشه و بیشتر کار رو خود سیستم عامل انجام میده و همچنین، این قابلیت ایجاد میشه که یک وظیفه رو بین چند کامپیوتر‌ در شبکه تقسیم کرد.

یک پروسه چند-نخی

رویکرد دیگه ای که ازش استفاده می‌شه، نوشتن یک برنامه چند نخی‌ست.

ترد ها یجورایی همون ساده شدهٔ پروسه ها هستن. یک پروسه میتونه از چندین ترد تشکیل بشه و بیشتر اطلاعات میتونن از طریق حافظه به اشتراک گذاری شده (shared memory) بین ترد ها جابجا بشن. ترد ها دیگه اون سربار مربوط به محافظت های سیستم عامل رو ندارن به همین دلیل سریعترن و درواقع اکثر برنامه نویس ها از این روش برای پیاده سازی همزمانی استفاده می‌کنن.

خود سی++ هم راهکار خاصی برای پیاده سازی رویکرد «پروسه های تک-نخی» نداره و برای پیاده سازیش باید به API های سیستم متکی بود.

اما ترد ها یه مشکلی دارن و اونم اینه که باید مطمئن بشیم اون دادهٔ اشتراکی که چند ترد میخوان بخوننش، برای همه ثابت باشه.

راهکار های بسیاری برای حل این مشکل وجود داره که بسته به سناریو میشه ازشون استفاده کرد و این چالش رو هم حل کرد.

تفاوت همزمانی با موازی کاری(Concurrency vs. Parallelism)

یکی از کلماتی که در حوزه برنامه نویسی چند نخی شنیده میشه، موازی کاری یا parallelism است.

این دو مفهوم همپوشانی بسیار زیادی باهم دارن اما با هم متفاوتن.

در حالت کلی هردو مفهوم درباره اجرا کردن چند وظیفه به شکل همزمان و موازی هستن اما هدف‌شون فرق می‌کنه.

هدف موازی‌کاری، افزایش کارایی و performance هست. اینکه سریعتر یک سری پردازش روی داده ها انجام بشه.

هدف همزمانی، جدا کردن بخش های مختلف برنامه یا به عبارت دیگه Separation of Concerns هست.

همزمانی برای جدا کردن بخش های مختلف

اینکه ما بتونیم بخش هایی که به همدیگه مربوطن رو نزدیک هم نگه داریم و بخش هایی که ربطی به همدیگه ندارن رو از هم دور کنیم باعث میشه مدیریت کردن کد و برنامه راحت تر بشه و بخش های مختلف برنامه جدا از همدیگه [و به صورت موازی] کار کنن.

به عنوان مثال یک برنامه DVD Player رو در نظر می‌گیریم. این برنامه چندین کار رو همزمان باید انجام بده:

  • دیکد کردن فایل ویدئویی
  • پخش کردن تصویر
  • پخش کردن صدا
  • ارتباط با کاربر(مثلا برای متوقف کردن پخش)

بدون استفاده از همزمانی، این کار ها نمیتونن به شکل همزمان باهمدیگه انجام بشن 🙂

همزمانی برای افزایش کارایی

این رویکرد، برای کاهش زمان اجرای الگوریتم بکار می‌ره و دو روش اصلی اون عبارت اند از:

  • یک کار ثابت رو به چند قسمت تقسیم کنیم و هر قسمت به شکل موازی باهمدیگه انجام بشن. درواقع به این معنیه که هر ترد یک بخشی از الگوریتم رو انجام بده. به این میگن Task parallelism
  • یک داده رو به چند قسمت تقسیم کنیم و یک کار ثابت رو روی قسمت های مختلف داده ها انجام بدیم. به این روش میگن Data Parallelism

الگوریتم های موازی

به الگوریتم هایی که به راحتی میتونن به شکل موازی اجرا بشن اصطلاحا می‌گن این الگوریتم به شکل خجالت آوری قابل موازی شدنه =)

الگوریتم های embarrassingly parallel این قابلیت رو دارن که به راحتی به چندین قسمت تقسیم بشن و به شکل موازی به سرانجام برسن. همچنین قابلیت مقیاس پذیری دارن یعنی میشه تعداد قسمت هارو به راحتی تغییر داد.

پایان

خیلی موضوع جالبیه و نیازمند مطالعه بسیار. توی کتاب معماری کامپیوتر پترسون هم بهش رسیدم و امیدوارم بتونم وقتمو طوری تنظیم کنم که اونو هم بخونم(خیلی تنبلم).

احتمالا فقط خلاصه بخش هایی رو می‌نویسم که مفهومی ان و راجع به بخش هایی که بیشتر کد نویسی ان چیزی نمی‌نویسم.

خیلی از بخش های آخر(مثل: «چه زمانی نباید از همزمانی استفاده کنیم؟») رو ننوشتم بخاطر اینکه فکر نمی‌کنم فراموشم بشن 🙂

اشاره گر های هوشمند: shared_ptr

توی پست قبل درباره اینکه چرا باید از اشاره گر های هوشمند استفاده کنیم حرف زدم و کلاس std::unique_ptr رو بررسی سطحی کردیم. توی این پست قراره درباره نوع دیگه ای از اشاره گر های هوشمند بنویسم که برعکس unique_ptr به ما اجازه میده چند شئ بتونن یک حافظه یکسان رو مدیریت کنن.

ادامه خواندن “اشاره گر های هوشمند: shared_ptr”

اشاره گر های هوشمند: unique_ptr

موضوع اشاره گر ها همیشه یکی از چالش های زبان هایی مثل سی و سی++ بوده. اینکه یه حافظه ای رو از سیستم بگیریم، آزادش کنیم و مراقب باشیم که حافظه ای که گرفته شده معتبر باشه تا برای استفاده کردن ازش یا آزاد کردنش مشکلی پیش نیاد و هزارتا چیز دیگه.

اشاره گر های هوشمند اومدن تا کار مارو راحت کنن. تا دیگه کمتر ذهن برنامه نویس درگیر امنیت اشاره گر ها و مسائل دیگه باشه.

بنابراین یکی از ارکان سی++ مدرن میتونه استفاده از اشاره‌گر های هوشمند باشه.

توی این پست راجع به کلاس unique_ptr و make_unique می‌نویسم که قبلا یه اشاره های ریزی بهش کرده بودم.

ادامه خواندن “اشاره گر های هوشمند: unique_ptr”

ارث بری چندگانه در سی++

سی++ یکی از زبان هاییه که این اجازه رو به ما میده تا کلاسی که نوشتیم چندین کلاس والد داشته باشه یا به عبارت دیگه، قابلیت ارث بری چندگانه یا multiple inheritance رو داره.

چطور استفاده می‌شه

خودِ ارث بری چندتایی خیلی عجیب غریب نیست و تنها فرقش اینه که موقع نوشتن کلاس، با استفاده از «کاما» میایم و Base Class هارو جدا می‌کنیم. مثال:

#include <string>
 
class Person
{
private:
    std::string m_name;
    int m_age;
 
public:
    Person(std::string name, int age)
        : m_name(name), m_age(age)
    {
    }
 
    std::string getName() { return m_name; }
    int getAge() { return m_age; }
};
 
class Employee
{
private:
    std::string m_employer;
    double m_wage;
 
public:
    Employee(std::string employer, double wage)
        : m_employer(employer), m_wage(wage)
    {
    }
 
    std::string getEmployer() { return m_employer; }
    double getWage() { return m_wage; }
};
 
// Teacher publicly inherits Person and Employee
class Teacher: public Person, public Employee
{
private:
     int m_teachesGrade;
 
public:
    Teacher(std::string name, int age, std::string employer, double wage, int teachesGrade)
        : Person(name, age), Employee(employer, wage), m_teachesGrade(teachesGrade)
    {
    }
};

اما بیشتر از مزایاش، چالش ها و مشکلاتش قابل بحثه!

مشکل Diamond Problem

این مشکل که به Deadly Diamond of Death هم معروفه، از این قراره که فرض کنید کلاس های B و C دو کلاس مجزا باشند و هر دوتاشون از کلاس A ارث بری کرده باشند. حالا اگر ما کلاسی مثل D داشته باشیم که به شکل همزمان از B و C ارث بری کرده، دوبار کلاس A رو در کلاس D خواهیم داشت که این باعث مشکل می‌شه.

نمایش تصویری Diamond problem. حالا دلیل اسمش معلوم شد؟ 🙂

اگر تابعی مثل print در کلاس A داشته باشیم که در هیچکدوم از ارث بری ها بازنویسی نشده باشه و حالا از طریق کلاس D بخواد فراخوانی بشه چه اتفاقی میوفته؟

به ارور برمیخوریم! چون کامپایلر نمیدونه از کدوم یکی از نسخه های A که الآن در اختیار داره باید استفاده کنه و از کدوم مسیر باید بره.

از طریق کلاس C بره و به A برسه یا از طریق کلاس B ؟

حل مسئه Diamond problem

راه حل اول اینه که دقیقا برای کامپایلر مشخص کنیم از چه مسیری باید به کلاس A برسه. مثال:

class A {
	public:
		print() {}
};

class B : public A {};
class C : public A {};

// multiple inheritance 

class D : public B, public C {};

D object;
// explicitly determine a way to "A"
D.B::print();

یک راه دیگه هم وجود داره.

Virtual Inheritance

با استفاده از ارث بری مجازی، سی++ فقط یک نسخه از A رو به عنوان والد در نظر میگیره و نمیذاره چند نسخه از A بوجود بیاد.

فقط کافیه که ارث بری‌مون رو به شکل virtual انجام بدیم:

class A {
	public:
		virtual print() {}
};

class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};

// multiple inheritance 

class D : public B, public C {};

D object;
// no need to explicit qualification
D.print();

نحوه عمل کردن virtual inheritance بسیار شبیه به Virtual function ها هست که توی این پست درباره‌ش توضیح دادم.

در آخر

همونطور که دیدیم، ظاهرا چالش ها و مشکلات این روش بیشتر از فایده‌ش هست اما جاهایی هم هست که بهترین راهیه که میتونیم ازش استفاده کنیم.

بهتره که تا جای ممکن سعی کنیم راه الگوریتم‌مون رو بدون استفاده از ارث بری چندگانه پیاده سازی بکنیم مگر اینکه پیاده سازی به این روش باعث بشه که پیچیدگی کار کمتر بشه.

Delegating Constructors

قبلا وقتی داشتم یه کلاسی می‌نوشتم که چنتا کانستراکتور داشت و اون کانستراکتور ها فقط در بخش کوچیکی از کارها باهم تفاوت داشتن، میومدم و کدهارو چندبار کپی می‌کردم.

بعد ها اومدم اون قسمتی که بین‌شون مشترکه رو توی یه تابع دیگه قرار دادم و هرجا که نیاز بود اون رو صدا می‌زدم.

نمی‌دونستم که سی++ یه قابلیتی داره به اسم constructor delegation

فرض کنیم همچین کدی داریم:

class Foo
{
public:
    Foo()
    {
        // code to do A
    }
 
    Foo(int value)
    {
        // code to do A
        // code to do B
    }
};

همونطور که می‌بینیم، کد کانستراکتور اولی توی کانستراکتور دومی کپی شده. برای اینکه از اینکار جلوگیری کنیم، از قابلیت delegate کردن کانستراکتور ها استفاده می‌کنیم و کد ما این شکلی می‌شه:

class Foo
{
private:
 
public:
    Foo()
    {
        // code to do A
    }
 
    Foo(int value): Foo{} // use Foo() default constructor to do A
    {
        // code to do B
    }
 
};

توی این کد وقتی کانستراکتور دومی صدا زده میشه،‌ اول میاد و کانستراکتور اولی رو صدا میزنه و بعد میره کد های مربوط به خودش رو اجرا می‌کنه 🙂 خیلیم قشنگ. به کانستراکتور دومی اصطلاحا می‌گن delegator.

نکات

  • امکان اینکه کانستراکتور A یک delegate برای کانستراکتور B باشه و همین کانستراکتور B یک delegate برای کانستراکتور A باشه وجود داره. این باعث میشه که برنامه شما کرش کنه. پس باید مراقب باشیم که حلقه بی نهایت پیش نیاد.
  • کانستراکتوری که delegator هست نمیتونه عمل member initialization رو انجام بده. در حالت کلی، یک کانستراکتور نمیتونه همزمان هم initializer باشه و هم delegator.

فصل ۲۲ دایتل: نکات اضافه

توی این فصل درمورد struct ها، bit field ها، اوپراتور های بیتی (bitwise) و توابع مربوط به دستکاری رشته های در سی صحبت شده.

البته دو مورد آخر رو من بلد بودم بنابراین توی این پست دربارشون چیزی نمی‌نویسم. راستی، این آخرین فصل کتاب فیزیکیه 🙂

structure ها

نکته جالب اینکه struct ها تقریبا همون کلاس ها هستند و تنها تفاوت‌شون اینه که اعضای یک struct بر خلاف کلاس، به صورت پیش‌فرض public هست و همچنین نوع ارث بری به صورت پیش‌فرض public هست(که در کلاس ها private هست).

typedef و using

همونطور که از قبل می‌دونستیم، از typedef برای تعریف کردن alias برای انواع داده هامون استفاده می‌کردیم. مثلا:

typdef char* string;

توی سی++ ۱۱ قابلیتی اضافه شده که میشه اینکار رو با استفاده از using انجام داد و عبارت پایین برابر با همون typedef عمل می‌کنه:

using string = char*;

Binary Literals ها

در سی++‌۱۴ میتونیم از Binary Literal ها استفاده بکنیم.

برای اینکار کافیه که پشت عبارتمون، کاراکتر 0b یا 0B رو قرار بدیم:

const unsigned binary{0b1000000'00000000'00000000'00000000};

Bit Field ها

‌سی++‌ این امکان رو به ما میده که تعیین کنیم یک عضو خاص(از نوع int یا enum) یک کلاس یا یک struct چقدر از حافظه رو اشغال بکنه(تعداد بیت ها). به عضوی که این قابلیت براش استفاده شده باشه میگن Bit Field.

struct BitCard {
unsigned face : 4;
unsigned suit : 2;
unsigned color : 1;
};

با توجه به مثال بالا، اندازهٔ حافظه ای(تعداد بیت ها) که میخوایم عضو ما داشته باشه رو با یک «:» جدا می‌کنیم.

اصطلاحا به اندازه ای که تعیین می‌کنیم میگن width of the bit field.

unnamed bit field

سی++ این امکان رو به ما میده که عضوی تعریف بکنیم که به عنوان padding استفاده بشه. این عضو هیچ اسمی نداره و صرفا به تعداد بیت ای که مشخص می‌کنیم، حافظه رو رزرو می‌کنه و اون بخش از حافظه قابل استفاده نیست.

struct Example {
unsigned a : 13;
unsigned : 3; // align to next storage-unit boundary
unsigned b : 4;
};

توی مثال بالا تعیین کردیم که ۳ بیت از حافظه رزرو بشه.

این رزرو کردن به یک شکل دیگه هم میتونه نوشته بشه و اون هم اینکه تعداد بیت های unnamed رو برابر با صفر قرار بدیم.

در این حالت خود کامپایلر میاد و هرچقدر که فضا در اون واحد حافظه باقی مونده رو رزرو می‌کنه. عضو بعدی ای که تعریف می‌کنیم در یک واحد دیگه قرار می‌گیره.

struct Example {
unsigned a : 13;
unsigned : 0; // align to next storage-unit boundary
unsigned b : 4;
};

نکات بیت فیلد ها

  • نباید با استفاده از اوپراتور & سعی کنیم که آدرس یک بیت فیلد رو بگیریم.
  • استفاده از بیت فیلد ها باعث میشه که کامپایلر کد کندتری رو تولید بکنه. بخاطر اینکه محاسبه های بیشتری برای پیدا کردن آدرس های حافظه باید انجام بده.

پایان

خب این فصل هم به پایان رسید و رسما فصل های موجود در کتاب pdf «آموزش برنامه نویسی سی++ دایتل» تموم شد. از این به بعد نکات اضافی ای که از منابع دیگه یاد میگیرم رو در پست های جدا می‌نویسم. کتاب جالبی بود 🙂

فصل ۱۹ دایتل: نکاتی درباره پیاده سازی ساختمان داده ها

این فصل از دایتل درباره پیاده سازی ساختمان داده های مرسوم مثل لیست پیوندی، صف، استک و درخت دودویی با استفاده از تمپلیت ها بود. چون من این چیز ها رو از قبل بلد بودم بنابراین این پست بسیار کوتاه بود چون همونطور که میدونیم، من فقط چیزهایی رو می‌نویسم که به نظرم جدیدن.

کلاس Self-Referential

کلاس های خود ارجاعی به کلاسی گفته میشه که یک data member داشته باشه که به یک شئ از جنس خود کلاس اشاره میکنه.

نام های وابسته و غیر وابسته (dependent names vs non-dependent)

به کد زیر توجه کنید:

توابعی که توی این کد استفاده شده در کلاس List تعریف شدن.

همونطور که می‌بینید، کلاس Stack از کلاس List که یک class template هست ارث بری کرده و همونطور که می‌دونیم، تمپلیت ها درواقع همون function overloading هستند که وقتی type رو براشون مشخص می‌کنیم، کامپایلر با اون type مشخص شده کد رو تولید می‌کنه.

خط ۱۳ و خط ۱۸ نمونهٔ اسم های وابسته هستن.

یعنی چی؟ یعنی اینکه تا وقتی نوع STACKTYPE مشخص نشده باشه، کد کلاس List تولید نشده و در نتیجه توابع ذکر شده هم تولید نشدن و کامپایلر این رو می‌فهمه(چون می‌بینه در ورودی‌شون یه STACKTYPE دارن).

خط ۲۳ و ۲۸ نمونه اسم های غیر وابسته یا non-dependent هستن.

این تابع ها(مثل isEmpty و print) چون هیچ ورودی ای ندارن، پس وابسته به type نیستند و کامپایلر وقتی به خطی می‌رسه که داره تابع print رو صدا می‌زنه،‌ گمون می‌کنه که این یک تابع معمولیه و کدش موجوده(درحالی که این تابع جزئی از کلاس List هست و تا مشخص شدن STACKTYPE کدی براش تولید نمیشه).

این مسئله باعث میشه ارور بوجود بیاد.

برای اینکه به کامپایلر بفهمونیم این توابع نباید در زمان دیده شدن resolve بشن و resolve شدن‌شون رو باید به بعد از تولید کد template موکول کرد، از کلمه this استفاده می‌کنیم.

پایان

فصل بعدی درباره الگوریتم های مرتب سازی (sort) و جستجو (search) هست.

فصل ۱۷ دایتل: نگاهی عمیق تر به Exception Handling

توی این فصل قراره نکات عمیق تری رو راجع به مدیریت استثنا ها یاد بگیریم بنابراین مفاهیم اولیه مثل اینکه exception چی هست و چرا باید استفاده بشه و چطور میشه یک استثنا برای خودمون بنویسیم رو ذکر نمی‌کنم.

یادآوری

نکته اول اینکه همیشه باید سعی کنیم توی بلوک catch، تایپ مربوط به exception رو به صورت رفرنس بگیریم چراکه اولا از کپی شدن آبجکت اکسپشن جلوگیری میکنه و دوم اینکه باعث میشه اگر اکسپشن ما از stdexcept ارث بری شده، بتونه به درستی اجرا بشه.

یه بلاک try میتونه چندین بلاک catch رو بعد از خودش داشته باشه که هرکدوم یک استثنا خاصی رو هندل میکنن.

دو نوع مدل برای هندل کردن استثنا داریم:

termination model of exception handling

توی این مدل(که زبان سی++ از این مدل استفاده می‌کنه) وقتی داخل try یک اکسپشن پرت میشه(throw)، در همون نقطه از بلاک try بیرون میاد(اصطلاحا بهش میگن throw point) و بعد از پیدا کردن بلاک catch مورد نظرش میره و خطی که بعد از catch هست رو اجرا میکنه. نه خطی که بعد از throw point هست.

resumption model of exception handling

این مدل برعکس مدل بالاست و وقتی کار بلوک catch تموم میشه، برمیگرده و از ادامهٔ throw point یا همون نقطه پرتاب کد هارو اجرا می‌کنه.

با اینکه کلمهٔ throw میتونه هر چیزی رو پرت بکنه(مثل return) اما بهتره که فقط exception object رو پرت کنیم.

پرت کردن دوباره یک استثنا یا rethrowing exception

گاهی ممکنه وضعیتی پیش بیاد که نیاز باشه یک استثنا رخ داده شده رو چندبار پردازش کنیم. به عنوان مثال فرض کنید در یک تابع چند حافظه رو new کردیم و بعد از تخصیص حافظه و در جایی از این تابع یک exception پرت بشه. اینجا ما میخوایم هم حافظه ای که گرفته شده رو delete کنیم و هم به تابع صدا زننده‌مون اطلاع بدیم که در این تابع یک استثنا رخ داده.

برای اینکه اینکار انجام بشه کافیه در بلوک catch ای که داریم یکبار دیگه throw کنیم تا به تابع صدا زننده بره. کد زیر کاملا شفافه و با خوندنش میتونیم بفهمیم دقیقا منظور از rethrowing exception چیه.

مثال برای پرت کردن دوبارهٔ یک استثنا

Stack unwinding

وقتی یک استثنا پرتاب میشه، برنامه به دنبال یک بلوک catch می‌گرده که متناسب با استثنا پرتاب شده باشه. اگر در جایی(تابعی) که قرار داره نتونه یک catch رو پیدا بکنه، اون تابع رو terminate می‌کنه و میره به جایی که تابع ما داخلش صدا زده شده. اگر اونجا هم بلوک catch ای وجود نداشت که متناسب با استثنا پرت شده بود، باز هم تابع رو terminate میکنه و میره به تابع صدا زننده‌ش و این کار تا موقعی که بتونه یک catch رو پیدا کنه ادامه داره.

اگر هیچ catch متناسبی پیدا نشه در نهایت برنامه بسته میشه.

به این فرآیند میگن stack unwinding چراکه function stack رو پیمایش می‌کنه و دونه دونه به سمت تابع بیرونی حرکت می‌کنه.

مثال زیر به روشن شدن ماجرا کمک می‌کنه:

کلمه noexcept

اگر تابعی داشته باشیم که به هیچ عنوان استثنا ای رو پرت نمی‌کنه یا توابعی رو صدا میزنه که اونها هم استثنا ای رو پرت نمی‌کنن، میتونیم صراحتا به عنوان تابعی که استثنا نداره تعریفش کنیم:

int functionWithoutException() noexcept;

اینکار به کسای دیگه (و حتی خودمون) کمک میکنه که وقتی داریم کد رو می‌خونیم بدونیم این تابع هیچجوره استثنا رو پرت نمی‌کنه و بنابراین با خیال راحت میتونیم خارج از بلوک try قرارش بدیم.

نکته: اگر تابع ما const هست،‌ حتما کلمهٔ noexcept رو باید بعد از const بذاریم. نمیدونم چرا.

استثنا در Constructor و Destructor

یه سری نکات وجود داره که بهش می‌پردازیم:

  • از اشیاء ای که به صورت گلوبال تعریف شدن و اشیاء ای که به صورت static تعریف شدن نباید استثنا ای پرت بشه چرا که این اشیاء قبل از main ساخته میشن و نمیشه catch کردشون.
  • اگر یک شئ رو با استفاده از new ساخته باشیم و در کانستراکتورش یک استثنا رخ بده، اون حافظه ای که گرفته شده خود به خود آزاد میشه.
  • اگر کانستراکتور حافظه ای رو تخصیص داده، قبل از اینکه استثنا ای رو پرت بکنه باید حتما حافظه ای که گرفته رو پاک کنه!

استثنا ها در new

یکی از ویژگی های جالب سی++ که نظرمو جلب کرد، تابع set_new_handler (از هدر <new>)بود. این تابع یک تابع(بدون ورودی و خروجی void) رو به عنوان ورودی خودش میگیره و هر زمان و هرجای برنامه که موقع new کردن یک حافظه، مشکلی ایجاد بشه، اون تابع رو فراخوانی می‌کنه.

اگر تابع handler رجیستر نشده باشه،‌ در حالت پیشفرض new میاد و استثنا bad_alloc رو پرتاب می‌کنه.

کلاس unique_ptr

توضیحاتش زیاده ولی اگر مختصر بخوام بگم، یکی از اشاره گر های هوشمند سی++ هست که این نیاز رو که مجبوریم هر حافظه ای که گرفتیم رو به صورت دستی delete کنیم از بین می‌بره. خودش به صورت خودکار وقتی که out of scope بشه، حافظه رو برمیگردونه به سیستم.

یه مثال ازش میزنم: (کلاس Integer کار خاصی نمی‌کنه. فقط موقع نابود شدن یه متن چاپ میکنه و یه setter و getter داره)

تابع make_unique درواقع کار همون new رو انجام می‌ده و خط ۱۴ رو میشه به این شکل هم نوشت:

unique_ptr<Integer> ptrToInteger {new Integer(7)}

مالکیت در unique_ptr

هر اشاره گری فقط میتونه توسط یک شئ unique_ptr مدیریت بشه و این امکان که یک اشاره گر توسط چند شئ مدیریت بشن وجود نداره. درواقع وقتی یک شئ از این کلاس به یک شئ دیگه نسبت داده میشه(assign)، مالکیت اشاره گر از شئ سمت راست به شئ سمت چپ منتقل میشه.

این موضوع باعث میشه که بتونیم از unique_ptr برای پاس دادن آرگومان ها به تابع و یا برگردوندن اشاره گر از یک تابع استفاده بکنیم.

سلسله مراتب Exception های استاندارد

سلسله مراتب استثناهای استاندارد

با catch کردن کلاس والد، همه استثنا هایی که فرزند اون کلاس هستند هم catch می‌شن.

اگر می‌خوایم همهٔ انواع استثنا هارو catch بکنیم، میتونیم اینطوری بنویسیم:

catch (...) { // code here }

یکی از بدیای این روش اینه که دیگه نمی‌تونیم به جزئیات ارور دسترسی داشته باشیم. البته، اگر در سطوح پایین تر(توابعی که تابع موجود رو صدا زدند) catch ای وجود داشته باشه، میتونیم با rethrow کردن استثنا به جزئیات هم دسترسی داشته باشیم.

پایان

در فصل بعد درباره Template ها صحبت می‌کنیم. فصل باحالیه.

فصل ۱۶ دایتل: الگوریتم های موجود در کتابخانه استاندارد

در این فصل قراره که یاد بگیریم چطور با استفاده از iterator ها و algorithm(الگوریتم) های موجود در کتابخانه استاندارد سی++ یا همون STL کارهامون رو پیش ببریم. یاد میگیریم که توابع لاندا چی هستن و چطور ازشون استفاده بکنیم، اشاره گر به تابع چیه و چطور میشه ازش استفاده کرد و چیز های دیگه.

نکاتی درباره پیمایش‌گر ها (Iterators)

اینکه یه کانتینر از چه iterator هایی پشتیبانی میکنه مشخص کنندهٔ اینه که از چه الگوریتم هایی میشه برای این کانتینر استفاده کرد. به عنوان مثال کانتینر های vector و array. این دو کانتینر از random-access iterator پشتیبانی میکنن(وقتی از این نوع پشتیبانی میکنن یعنی از بقیه انواع پیمایش کننده ها هم پشتیبانی میکنن) و این یعنی همهٔ الگوریتم های موجود رو میشه براشون استفاده کرد. البته نکته اینجاست که الگوریتم هایی که سایز کانتینر رو تغییر میدن برای array قابل استفاده نیستن. بنابراین مهم نیست که کانتینر چیه، اگه اون کانتینر، حداقل نوع iterator مورد نیاز برای یه الگوریتم رو ساپورت بکنه، میشه از اون الگوریتم براش استفاده کرد.

باطل شدن پیمایش ها (iterator invalidation)

ایتریتور ها درواقع یک اشاره گر کپسوله شدن هستند که به عناصر کانتینر اشاره میکنن بنابراین ممکنه در صورت بروز یک سری تغییرات در کانتینر (که به کانتینر بستگی داره)، این اشاره گر اعتبارشو از دست بده و باطل بشه. پروسه invalidate شدن اشاره گر ها، رفرنس ها و ایتریتور ها در بخش 23 استاندارد سی++ موجوده و ما اینجا فقط خلاصه ای از اونها رو بررسی می‌کنیم.

اضافه کردن یه عنصر به کانتینر:

  • در vector ها، اگر اضافه کردن عنصر ما باعث بشه که وکتور اقدام به درخواست فضای بیشتر و در نتیجه reallocate شدن بکنه، تمام iterator هایی که مربوط به این وکتور بودن باطل میشن. در غیر این صورت، هر iterator ای که به فضای بین مکان عنصری که تازه اضافه شده و مکان آخرین عنصر موجود اشاره میکنه باطل میشه.
  • در deque ها، همه iterator ها باطل میشن.
  • در list, forward_list و ordered associative container ها هیچ تغییری در iterator ها بوجود نمیاد
  • در unordered associative container ها تنها اگر عمل reallocation انجام بگیره، همه iterator ها باطل میشن.

حذف کردن یک عنصر از کانتینر باعث میشه iterator ای که به اون عنصر اشاره می‌کنه باطل بشه. علاوه بر اون:

  • در وکتور ها از اونجایی که عنصر حذف شده تا آخرین عنصر هر پیمایش‌گری وجود داشته باشه غیر فعال میشه
  • در deque ها اگر حذفی که رخ داده در جایی غیر از ابتدا یا انتهای کانتینر باشه باعث میشه کل پیمایشگر ها باطل بشن.

توابع لاندا

خیلی از الگوریتم های موجود در STL میتونن یک تابع‌‌‌‌‌‌ رو به عنوان ورودی خودشون داشته باشن. همونطور که قبلا می‌دونیم، اسم یک تابع به صورت ضمنی یک اشاره گر به ابتدای کد اون تابع هست. اما یک راه هم وجود داره که تابع خودمون رو منحصرا برای اون الگوریتمی که داریم ازش استفاده میکنیم بنویسیم و اون رو دقیقا کنار بقیه آرگومان ها بنویسیم! برای اینکار یک مفهوم به اسم توابع لاندا به کارمون میاد که در واقع توابعی هستند که اسم ندارند و اصطلاحا بهشون میگن anonymous function.

برای اینکه دقیق تر متوجه بشیم، یه مثال رو بررسی می‌کنیم:

یکی از الگوریتم های جالبی که در STL وجود داره، اسمش for_each هست. این تابع میاد بازه ای از یک کانتینر رو میگیره و تابعی که ما بهش میدیم رو برای تمام عناصر موجود در اون بازه اجرا میکنه. بهتره که کد رو ببینیم:

مثالی برای نشون دادن for_each و تابع لاندا. دیگه خود کد رو ننوشتم چون عکسش قشنگ تر درمیومد

خب همونطور که می‌بینیم، تابع for_each برای دوتا آرگومان اولش دوتا iterator میگیره و آرگومان سومش یه تابع رو به عنوان ورودی دریافت می‌کنه. توی این مثال ما دوتا for_each زدیم که اولی میاد و صرفا عناصر رو ضربدر ۲ میکنه و چاپ می‌کنه و دومی میاد جمع همهٔ عنصر هارو محاسبه می‌کنه. چجوریش رو میگم حالا.

سینتکس توابع لاندا

خب آرگومان اول و دوم که واضحن. میمونه آرگومان سوم که یه تابع لانداست. سینتکس توابع لاندا این شکلی ان:

[introducer](input arguments) {function  body}

خب همونطور که می‌بینید توابع لاندا با یک [] شروع میشن که اصطلاحا بهشون میگن lambda introducer. بقیه‌ش تقریبا مثل تابع معمولیه و لیست پارامتر های ورودی میاد و در ادامه بدنه تابع قرار داره.

توابع لاندا میتونن به متغییر های محلی(local) جایی که دارن داخلش تعریف میشن دسترسی داشته باشن. مثلا توی مثال بالا تابع های لاندای ما میتونن به متغییر هایی که داخل main تعریف شده دسترسی داشته باشن. اینجاست که lambda introducer به کار میاد. درواقع lambda introducer به ما اجازه میده که مشخص کنیم از کدوم متغییر های موجود میخوایم استفاده کنیم. به اینکار اصطلاحا میگن capture کردن متغییر ها.

توی اولین for_each می‌بینیم که lambda introducer خالیه و این یعنی تابع لاندای ما نمیخواد از هیچ متغییری استفاده کنه. و توی دومی ما این رو می‌بینیم: [&sum] و این یعنی رفرنسی از متغییر sum رو در دسترس تابع قرار میده که ازش استفاده بکنه. دلیل اینکه از رفرنس استفاده شده هم اینه که بتونیم متغییر اصلی که داخل main قرار داره رو modify کنیم.

برگردوندن مقدار در توابع لاندا

تا الآن تابع های لاندای ما هیچ مقدار بازگشتی ای نداشتن و بنابراین به صورت پیشفرض مقدار بازگشتیشون به عنوان void مشخص میشد. اما اگر داخل تابع لاندامون یه return داشته باشیم نیاز داریم که نوع مقدار بازگشتی رو از طریق سینتکس trailing return type مشخص کنیم.

اینطوریه :

-> type

که اگر بخوام توی کد نشون بدم اینطوری میشه:

[] () -> int {return 2}

همونطور که می‌بینیم، جاش بین لیست پارامتر ها و بدنه تابع‌ست.

الگوریتم ها

این بخش از فصل تعداد زیادی الگوریتم رو توضیح داده ولی من فقط اونایی که به نظرم بدرد بخور تر یا جالب تر میان رو اینجا می‌نویسم.

mismatch

وظیفهٔ این تابع اینه که بین دوتا کانتینر بگرده و اونجایی که دوتا خونه متناظر باهم یک مقدار مساوی نداشته باشن، می‌ایسته و اطلاعات اون مکان رو (به شکل یک pair از iterator های هردو کانتینر) بهمون برمیگردونه. این تابع ۴ تا ورودی داره(اونی که توی کتاب نشون داده اینطوریه) که دوتای اول بازه رو برای کانتینر اول مشخص میکنن و دوتای دوم بازه رو برای کانتینر دوم مشخص میکنن.

inserter ها

بیاین تابع merge رو باهم ببینیم:

vector<int> a1{1, 2, 3};
vector<int> a2{4, 5, 6};
vector<int> result;
std::merge(a1.begin(), a1.end(), a2.begin(), a2.end(), result.begin());

توی مثال بالا، وکتور result باید حتما به اندازه ۶ تا خونه جا داشته باشه تا a1 و a2 داخلش ذخیره بشن. بنابراین باید قبل از اجرای تابع merge، باید تخصیص حافظه صورت بگیره.

اما زمانی هست که ما نمی‌خوایم از قبل حافظه ای تخصیص بدیم و میخوایم یک کلاسی مثل وکتور، خودش اینکار رو به ازای اضافه شدن عناصر جدید انجام بده. اینجاست که inserter ها (از هدر iterator) به کمک ما میان. مثال بالا اگر اجرا بشه به مشکل میخوره چراکه result به اندازه کافی جا نداره. حالا با استفاده از inserter این مشکل رو برطرف می‌کنیم:

vector<int> a1{1, 2, 3};
vector<int> a2{4, 5, 6};
vector<int> result;
std::merge(a1.begin(), a1.end(), a2.begin(), a2.end(), back_inserter(result));

تابع back_inserter درواقع میاد و به ازای هر عنصری که میخواد به result اضافه بشه، تابع push_back مربوط به کانتینر result رو صدا می‌زنه. به همین راحتی 🙂

Function Object ها

همونطور که می‌دونیم، بسیاری از الگوریتم های موجود در کتابخونه استاندارد میتونن یک تابع رو به عنوان آرگومان آخرشون بگیرن. تا اینجا دیدیم که این تابع میتونه یک function pointer یا یک تابع لاندا (lambda function) باشه. کلاس هایی که میتونن توابع لاندا یا اشاره گر به توابع رو به عنوان ورودی بگیرن، میتونن یک نوع دیگه از تابع رو هم دریافت کنن که اسمش function object هست. function object درواقع یک شئ از کلاسی هست که اوپراتور پرانتزش overload شده. یعنی ما در member function های کلاس، یک تابع به اسم operator() تعریف کردیم.

اشیاء ای که از این کلاس ما ساخته میشن میتونن بجای تابع لاندا یا اشاره گر به تابع استفاده بشن.(درواقع خود توابع لاندا توسط کامپایلر به یک اشاره گر به تابع یا function object تبدیل میشن تا بشه روشون بهینه سازی انجام داد).

در بیشتر جاها(و نه همه جا) میشه بجای function object از تابع لاندا یا اشاره گر به تابع استفاده کرد.

از طریق هدر <functional> میتونیم به function object های از پیش تعریف شده STL دسترسی داشته باشیم که خیلی هم کاربردی و خفنن. تابع less<T> که توی مثال های بالا(بخش set و …) دیدیم جزئی از function object های موجود در STL عه.

مزایای function object ها

اولین تفاوتش با لاندا و امثالهم اینه که از اونجایی که عضوی از یک کلاسه، کامپایلر راحت تر میتونه بهینه سازی هایی مثل inline کردن رو انجام بده.

دومین تفاوت که یک نقطه قوت محسوب میشه، قابلیت استفاده از data member های کلاس هست.

پایان

این فصل هم تموم شد. مثل فصل های قبلی با تاخیر اما برخلاف فصل های قبلی، تاخیرش زیاد نبود! فصل بعدی توی مدیریت استثنا ها و خطا ها عمیق میشیم.

نکات جدیدی که از فصل ۱۵ دایتل یاد گرفتم – کتابخانه استاندارد

توی این فصل سه بخش از کتابخانه استاندارد سی++ که بهش STL هم میگن رو بررسی می‌کنیم. container ها، iterator ها و algorithm ها. فصل بسیار مهمیه چراکه این کتابخونه بسیاری از کار های مارو راحت تر می‌کنه و اگر خوب بلد باشیم ازش استفاده کنیم، دهن خودمون رو برای پیاده سازی کردن خیلی از چیز ها صاف نمی‌کنیم.

کانتینر ها

کانتینر ها یک ساختمان داده ای هستند که تقریبا میشه همه نوع داده ای رو توشون ذخیره کرد. درکل سه نوع کانتینر داریم که به شکل زیر دسته بندی میشن:

  • first class containers
  • container adapters
  • near containers

یک نوع دسته بندی دیگه هم وجود داره که کانتینر هارو به ۴ بخش تقسیم می‌کنه:

  • Sequence containers
  • Ordered associative containers
  • unordered associative containers
  • container adapters

بخش sequence containers و associative containers درواقع به عنوان first class container در نظر گرفته میشن.

container adapter در اصل همون first class container ها هستن که عملیات هاشون محدود شده. این کانتینر شامل استک، صف و … هست.

یک نوع کانتینر دیگه هم داریم که بهشون میگن near containers. دلیل اینکه اسمشون رو به این شکل انتخاب کردن اینه که این کانتینر ها بعضی از قابلیت های first-class container هارو دارن و بخش دیگه ایشون رو ندارن. مثالی که میشه از این کانتینر ها زد؟ built-in array ها، کلاس های مربوط به bitset و valarray ها(که برای انجام عملیات های سریع ریاضی روی وکتور ها* بکار میره) و …

*اون وکتور، با vector ای که توی کانتینر ها داریم فرق داره.

توی جدول زیر میتونیم لیست کانتینر ها و ویژگی‌هاشون رو ببینیم که خیلی جالبه:

نکاتی درباره پرفورمنس کانتینر ها

  • اضافه/حذف کردن به/از آخر vector ها سریعه. اما اضافه/حذف کردن به/از اول و یا وسط vector ها به صرفه نیست
  • اگر نیاز داریم که صورت مفرط به ابتدا/انتها کانتینرمون المان اضافه(یا حذف) بکنیم بهتره از deque (تلفظ میشه دِکْ) استفاده بکنیم چرا که عملیات هاش در ابتدا و انتهای کانتینر سریعن
  • در آخر اگه نیاز داریم که در وسط کانتینر هم چیزی رو حذف کنیم یا اضافه کنیم، بهتره از list استفاده بکنیم.

Sequence Container ها:

وکتور ها (vector)

وکتور کانتینری هست که از خونه های متوالی حافظه استفاده میکنه. در واقع در لایه های زیرین وکتور میاد و با یک اندازه ثابت یک آرایه تخصیص میده. بعد از پر شدن آرایه، یک آرایه با اندازهٔ بیشتر از حافظه میگیره و اطلاعات آرایه قبلی رو در آرایه جدید کپی میکنه(یا move میکنه) و آرایه قبلی رو حذف می‌کنه. در واقع این قابلیت آرایه بودن این امکان رو بهش میده که بشه به صورت آنی به المان های وکتور دسترسی پیدا کرد.

اگر می‌دونیم که حدودا قراره چه مقدار داده به وکتور اضافه کنیم، بهتره با استفاده از توابع resize یا reserve اون حافظه رو برای وکتور بگیریم تا از تخصیص و حذف پی در پی حافظه جلوگیری کنیم. C++11: shrink_to_fit

اینکه چطور یک وکتور اقدام به افزایش حافظه میکنه بستگی به پیاده سازی داره و ممکنه توی کامپایلر های مختلف، نتیجهٔ متفاوتی داشته باشه. در حالت کلی این یک time-space tradeoff هست.

فرق بین clear و erase

فرق این دو این هست که تابع clear کل اعضای وکتور رو پاک میکنه اما erase این قابلیت رو داره که تک عضو و یا یک رنج از عضو ها رو از وکتور پاک کنه.

لیست ها (list)

لیست که درواقع یک لیست دو پیوندی هست (doubly linked list) اجازهٔ اضافه و حذف کردن سریع در هر جای کانتینر رو میده اما در حالت کلی اگر بیشتر عملیات هامون قراره در دو انتهای کانتینر باشه، بهتره که از دِک (deque) استفاده کنیم.

تابع unique

این تابع عناصر تکراری یه کانتینر رو حذف می‌کنه. البته برای اینکه درست کار کنه کانتینر ما از قبل باید سورت شده باشه تا عناصر تکراری کنار هم قرار بگیرن.

دِک ها (deque)

کلاس دک درواقع نکات مثبت وکتور و لیست رو توی خودش جمع کرده. کلمهٔ deque کوتاه شدهٔ double-ended queue هست. این کلاس قابلیت دسترسی سریع و مستقیم به عناصر داره و همچنین عملیات هایی که در دو سمت انتهایی این کانتینر انجام میشن سریعن.

از اونجایی که از random-access iterator ها ساپورت میکنه بنابراین همهٔ الگوریتم های کتابخونه استاندارد میتونن روی این کلاس اعمال بشن.

در حالت کلی دک سربار بیشتری از وکتور داره و همچنین حذف و اضافه کردن در وسط دک ها بهینه تر از وکتوره(همچنان کند تر از لیست ها)

حالا که یک دید کلی از Sequence container ها داریم، به Associative Container ها می‌پردازیم:

این کانتینر ها قابلیت این رو به ما میدن که با استفاده از یک کلید بتونیم به صورت مستقیم به مقادیر مورد نظرمون دسترسی داشته باشیم. ۸ نوع کلاس وجود داره که ۴ تای اول کلید هارو به صورت مرتب ذخیره میکنن و ۴ تای دوم، ترتیب کلید ها براشون مهم نیست.

multiset, set, multimap, map
unordered_multiset, unordered_set, unordered_multimap, unordered_map

کلاس های set و multiset به ما یه مجموعه ای از مقادیر رو میدن که خود اون مقدار ها، کلید هم هستن. فرق اصلی این دو کلاس اینه که کلاس set اجازه نمیده مقادیر تکراری به مجموعه اضافه بشن اما کلاس multiset این اجازه رو میده.

کلاس های map و multimap یه مجموعه به ما میدن که هر کلید، به یک مقدار وصله. فرقشون هم اینه که در کلاس map نمیشه یک کلید چند مقدار متفاوت داشته باشه اما این امر توی multimap امکان پذیره.

کلاس multiset

این کلاس که از هدر <set> میتونیم بهش دسترسی داشته باشیم به ما قابلیت ذخیره سازی و بازیابی سریع مقادیر رو میده همچنین قابلیت این رو داره مقادیر تکراری رو ذخیره کنه. این کلاس برای مرتب کردن عناصرش از چیزی به نام comparator function object استفاده می‌کنه که توی فصل بعد بهش می‌پردازیم. اگر ترتیب مقدار ها مهم نیست بهتره که از unordered_multiset استفاده بکنیم چراکه سربار کمتری داره(هدر<unordered_set>) . مثال برای استفاده از multiset:

std::multiset <int, less<int>> values;

که در اینجا اون less<int> یک comparator function object هست(اختیاری) و باعث میشه مقادیر ما به صورت صعودی مرتب بشن.

کلاس set

این کلاس تنها فرقی که با multiset داره اینه که عناصر تکراری رو ignore میکنه و درواقع همهٔ عناصر موجود در اون، یکتا هستن.

کلاس multimap

این نوع از associative container که از طریق هدر map میشه بهش دسترسی داشت به ما این قابلیت رو میده که مقادیر رو به صورت «جفت» (pair) ذخیره کنیم. یعنی اینکه به ازای هر مقدار، یک کلید وجود داره. اینکه کلید ها به چه ترتیبی مرتب بشن رو میشه از طریق comparator function ها تعیین کرد. کلاس multimap اجازه میده که کلید های تکراری داشته باشیم یعنی یک کلید میتونه چندین مقدار داشته باشه که بهش میگن one-to-many relationship و احتمالا بخاطر همینه که برای این کلاس random-access iterator نذاشتن.

کلاس map

این کلاس شبیه multimap عه تنها با این تفاوت که امکان وجود کلید تکراری نیست. یعنی هر کلید فقط به یک مقدار اشاره میکنه (one-to-one mapping) و همچنین این قابلیت وجود داره که به مقدار هر کلید به صورت آنی دسترسی داشته باشیم. ( با استفاده از اوپراتور []).

هردو کلاس قبلی که گفته شد دارای یک نسخه غیر مرتب هم هستند که سربار کمتری داره و برای استفاده ازشون کافیه یه unordered_ پشت اسم کلاس بذاریم.

نکاتی درباره Container Adapter ها:

این کانتینر ها در اصل همون first class container ها هستند که عملیات هاشون محدود شده و از iterator پشتیبانی نمی‌کنن. بنابراین لایه زیرین کلاس های این کانتینر از کلاس های first class container ها تشکیل میشه.

  • کلاس stack که یک استک رو میسازه، به صورت پیشفرض از deque استفاده می‌کنه.
  • کلاس queue که یک صف رو میسازه، به صورت پیشفرض از deque استفاده می‌کنه.
  • کلاس priority_qeueu که یک صف اولویت دار رو میسازه(صفی که مقادیر داخلش معمولا با استفاده از تکنیک heap، مرتب شده‌ند)، به صورت پیش‌فرض از کلاس vector به عنوان لایه زیرین خودش استفاده می‌کنه comparator function هم داره.

پیمایش کننده ها (Iterators)

ایتریتور ها چیزی شبیه به پوینتر ها هستند که قابلیت های بیشتری دارن و برای دسترسی و تغییر المان های یک کانتینر بکار میرن. مکانیسم دسترسی و پیمایش در یک کانتینر رو کپسوله میکنن و این به الگوریتم ها اجازه میده که بدون وابستگی به پیاده سازی لایه کانتینر، بتونن کار خودشون رو انجام بدن.

چند تابع داریم که میتونن برامون یک iterator برای یک کانتینر و یا حتی یک آرایه بسازن.

توابع begin و end که یک اشاره گر به اعضاء کانتینر میسازن( از سی++ ۱۱ به بعد میتونن یک پوینتر از built-in array ها بسازن حتی) و توابع cbeing, cend که یک ایتریتور const میسازن و rbegin, rend, crbegin, crend که قابلیت پیمایش برعکس روی یک آرایه رو میدن(از سی++ ۱۴ به بعد).

الگوریتم ها

الگوریتم ها شامل پیاده سازی ساختمان داده ها، الگوریتم های جستجو، مقایسه و مرتب سازی هستن که معمولا از ایتریتور ها استفاده میکنن. ایتریتور هایی که یه کانتینر ساپورت میکنه مشخص میکنه که آیا اون کانتینر میتونه از یه الگوریتم خاص استفاده بکنه یا نه. در مورد این بخش توی فصل بعدی کتاب به صورت مفصل بحث شده.

خب این فصل تقریبا طولانی هم تموم شد. هرچند مثل همیشه خیلی روش تمرکز نداشتم. اما تازگی دارم از تکنیک پومودورو استفاده می‌کنم و فعلا که جواب داده. فصل بعد هم درباره کتابخانه استاندارد صحبت می‌کنیم و بیشتر تمرکزمون روی بخش الگوریتم های این کتابخونه هست. بوس.