O que é um Template em C++

Templates, um recurso amplamente utilizado em C++, sendo um dos grandes diferenciais da linguagem. Veremos um pouco de sua história e como pode ser útil até mesmo no desenvolvimento de sistemas embarcados, e quais os mitos envolvidos que faz muitos desenvolvedores evita-lo.

Como muitos sabém o C++ teve sua primeira versão desenvolvida em 1985 por Bjarne Stroustru, e durante 25 anos ele a desenvolveu junto a ISO.

Bem, eu nasci na programação faz algum tempo, porém sempre passei a certa distância do C e C++ então nas linguagens que programava, como Clipper, Dataflex, e posteriormente o Java, não tive contato algum com algo que pudesse explicar bem o que era o template, sempre ouvi dizer que era um problema, que tornava o código pesado, e isso se deve ao fato que para muitos templates são difíceis de se implementar e entender, os compiladores são muito vagos em suas mensagens de erros, e houve uma época que o código gerado era muito redundante. E sinceramente hoje vejo que foi apenas uma fase do C++, onde os compiladores não conseguiam gerar um código muito otimizado, sem contar o preconceito de alguns com o recurso.

Para quem programa em Java, poderia dizer que Templates é similar a Generics, e na verdade o Generics do java foi inspirado neste conceito, e sua função é como o nome sugere criar código genérico.

Dentro do universo de Templates não temos o conceito de herança, mas sim refinamentos, já que lidamos com conceitos de algorítimos, conceitos de funções, como já foi comentado no artigo “Usando STL C++ LIB com o Arduino e Arquiteturas AVR”, o refinamento de um conceito trata da melhoria de seu algoritmo para que o algoritmo anterior possa continuar com suas funcionalidades e atender novos requisitos, sem que insira incompátibilidade e possíveis bugs.

Os fatos envolvidos na construção de um template determinando requisitos para seu uso, como por exemplo. que haja um certo número de parâmetros e estes parâmetros herdem de classes ou interfaces específicas.

O uso de template é muito restrito, e não se aplica a aplicações finais, a não ser que seja necessário criar uma classe genérica, algo como um contêiner de classes de sua aplicação o que já torna esta classe mais especializada, mesmo que seja genérica dentro de seu contexto, o ideal para se usar Templates é quando se cria classes genéricas para uso em qualquer aplicação ou num contexto bastante amplo de uso, de forma que possa ser compartilhado com outros colegas.

Templates, hoje, são amplamente usado devido a biblioteca STL, também explicada no post citado logo acima, graças ao templates é possível a criação de algoritmos genéricos para operadores como o operador unário ++ em classes, ou mesmo o uso de pares [ e ] para acesso tanto em array do C como da mesma forma vetores, listas e mapas do C++ que são definidos no STL, e claro funções especiais como funções genéricas para manipulação dos tipos de containers citados.

Abaixo podemos ver a sintaxe usada para definir um template para uma função simples:

   template <class InputIterator, class T>
      InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
          while (first != last && *first != value) ++first;
          return first;
      }

Apesar do exemplo simples, já suficiênte para bugar a mente de um iniciante, veja eu defino com a diretiva template que a função a ser definida find é um template e que esta espera uma classe que chamará InputIterator e outra classe que chamará T, mas é ai que se precisa ter muito cuidado, pois não se existe estas classes, são apenas nomes para que os parâmetros sejam generalizados, e assim tais classes sejam referenciadas onde elas devem ser usadas, com isso a classe que será identificada como InputIterator, será na verdade a realização da classe informada quando tal função for chamada, assim se tal função for chamada com parâmetros do tipo intela irá ser a classe equivalente ao tipo int, e isso obriga que o retorno seja do mesmo tipo, e o segundo parâmetro também, perceberam como este tipo de estrutura de código ajuda a amarrar sem perder a generalização.

Desde que seja possível efetuar as operações ali sugeridas pela função find tudo correrá bem, e com os compiladores atuais, tal código será otimizado tanto para melhoria de desempenho como para melhoria de seu tamanho, evitando códigos redundantes, basta usar as chaves corretas para compilação.

Na sintaxe para se definir um template também é permitido usar a palavra chave typename, quando Stroustru criou o C++ ele não queria criar uma nova palavra chave, e reutilizou class, porem isso trouxe uma complexidade em certos casos, não entraremos em detalhes aqui, mas veja que de qualquer forma fica bem mais claro quando substituímos a diretiva class para typename:

   template <typename InputIterator, typename T>
      InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
          while (first != last && *first != value) ++first;
          return first;
      }

Portanto, fica claro que InputIterator é o nome para um local onde haverá substituição do tipo para o que será informado quando a função for chamada, e assim também para T.

Quem usa Generics em java, pode ficar tentado a perguntar como usar templates com curinga ?, já de imediato digo que não é necessário, todo template é um curinga como no Generics do java, e se eu quiser limitar a um determinado grupo de classes pertencentes a uma determinada hierarquia? bem neste caso é bem mais complexo e varia bastante o código necessário entre o C11 e C14, portanto não vou entrar nesta questão aqui, realmente isso daria um novo post, quem sábe no futuro?

E qual o problema relativo a queixa de códigos ficarem maiores com o uso de Templates do C++, isso é verdade? Veremos isso na publicação “O mito que impede o uso de templates em sistemas embarcados”.

Fontes:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Template_Library
• http://www.cplusplus.com/info/history/
• https://blog.feabhas.com/2014/05/an-introduction-to-c-templates/
• http://www.codeproject.com/Articles/257589/An-Idiots-Guide-to-Cplusplus-Templates-Part-1
• http://www.cprogramming.com/tutorial/templates.html
• http://www.stroustrup.com/hopl2.pdf

Referências Cíclicas

• http://www.lapix.ufsc.br/ensino/estrutura-de-dados/metaprogramacao-e-templates-em-c/