A Tour of C++ : 7장 컨셉과 제네릭 프로그래밍

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7. 컨셉과 제네릭 프로그래밍

7.1 소개

템플릿의 기능

- 타입을 정보의 손실 없이 인자로 전달. 인라인을 활용할 기회 커짐

- 인스턴스화 시점에 여러 경우에 따라 정보를 달리함으로 최적화

- 상수 값을 인자로 전달, 컴파일 시간 계산 수행 가능.

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컴파일 시간에 계산과 타입 조작 메커니즘 제공, 코드를 명료하고 효율적으로 만듬. 타입(클래스)은 코드와 값을 모두 포함할 수 있다는 것이 중요.

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가장 우선적/일반적 사용 목적은 제네릭 프로그래밍 지원. “일반적”인 알고리즘 설계, 구현에 집중.

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7.2 컨셉(C++20)

어떤 템플릿 함수의 첫 템플릿 인자가 시퀀스의 한 종류이고, 두 번째 템플릿 인자가 수의 한 종류인 경우. 이런 요구 사항을 컨셉(concept)이라 함.

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7.2.1 컨셉의 사용

template<typename Seq, typename Num>

Num sum(Seq s, Num v) { ... }

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->

template<Sequence Seq, Number Num>

Num sum(Seq s, Num v) { ... }

​

->

template<Sequence Seq, Number Num>

requires Arithmetic<Value_type<Seq>, Num>

Num sum(Seq s, Num n);

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Arithmetic<X,Y> 는 수치 타입 X, Y 를 이용한 산술 연산이 가능함을 나타내는 컨셉. vector<int>, <double> 은 허용, vector<string> 은 방지.

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requirements 절 = requires Arithmetic<Value_type<Seq>, Num>

절충안

=>

template<Sequence Seq, Arithmetic<Value_type<Seq>> Num>

Num sum(Seq s, Num n);

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컨셉을 못쓴다면, 아래와 같이 명명 관례와 주석을 활용.

template<typename Sequence, typename Number>

// requires Arithmetic<Value_type<Seq>, Num>

Number sum(Sequence s, Number n);

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이처럼 템플릿 인자에 의미 있는 제약을 주도록 설계하자.

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// 다음 소제목들은 스킵

7.2.2 컨셉 기반 오버로딩

7.2.3 유효한 코드

7.2.4 컨셉 정의

컨셉은 하나 이상의 타입을 어떻게 사용할 수 있는지를 지정하는 컴파일 시간 술어.

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7.3 제네릭 프로그래밍

서로 다른 데이터 표현에 적용 가능한 제네릭 알고리즘 만들기가 주.

이런 기본적인 연산, 데이터 구조 표현하는 추상화 = 컨셉

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7.3.2 템플릿을 이용한 추상화

훌륭한 추상화는 구체적인 예로부터 생겨난다.

모든 필요와 기술에 대비한 추상화 시도는 부주의함과 쓸데없이 긴 코드만 남을 뿐이다.

실제 용례로부터 시작하고 불필요한 세부 사항은 제거하자.

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double sum(const vector<int>& v)

{

double res = 0;

for (auto x : v)

res += x;

return res;

}

​

무엇이 일반성을 떨어뜨리는가?

왜 int?

왜 vector?

왜 double?

왜 0부터?

왜 덧셈?

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앞 네 개의 질문 => 구체 타입을 템플릿 인자로 교체

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template<typename Iter, typename Val>

Val accumulate(Iter first, Iter last, Val res)

{

for (auto p = first; p != last; ++p)

res += *p;

return res;

}

​

- 반복자 한 쌍으로 어떤 자료구조 탐색할지 추상화

- 누산기 타입을 파라미터로 받음

- 초깃값을 인자로 받아, 초깃값 타입은 누산기 타입을 따름

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void use( const vector<int>& vec, const list<double>& lst )

{

auto sum = accumulate( begin(vec), end(vec), 0.0 ); // 0.0 을 인자로 넣어, double 에 더하기

auto sum2 = accumulate( begin(lst), end(lst), sum );

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동일한 성능을 유지하면서 구체적인 코드를 일반화하는 과정 = 리프팅(lifting)

템플릿 개발 가장 좋은 과정은 일반적으로 거꾸로 진행됨.

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1. 구체 버전 만들기

2. 디버그, 테스트, 측정

3. 구체 타입을 템플릿 인자로 교체.

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begin(), end() 반복도 단순화

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template<Range R, Number Val>

Val accumulate( R r, Val res = 0 )

{

for (auto p = begin(r); p ~= end(r); ++p )

res += *p;

return res;

}

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완벽한 일반화를 위해 += 연산도 대체 가능. 14.3절 참조.

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7.4 가변 템플릿

인자 개수를 가변적으로 받아들이는 템플릿.

전통적 가변 템플릿 = 첫 번째 인자와 나머지를 분리하고, 인자 목록 끝에 인자를 재귀적 호출.

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template< typename T, typename ... Tail >

void print( T head, Tail... tail)

{

cout << head << ‘ ‘;

print(tail...);

}

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typename ... 은 Tail 이 타입의 시퀀스, Tail... 은 tail 이 Tail에 속하는 타입의 값들로 이뤄진 시퀀스임을 나타냄. ... 선언은 파라미터 팩(parameter pack).

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가변 템플릿의 단점

- 재귀적인 구현 고치기 어렵다.

- 컴파일 시간 비용이 의도치 않게 클 수 있다.

- 인터페이스의 타입 검사하려면 어려운 템플릿 프로그램이 필요할 수 있다.

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표준 라이브러리에서 많이 사용되지만, 같은 이유로 남용되기도.

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7.4.1 접힘 표현식

가변 템플릿 구현 단순화 위해 C++17 파라미터 팩 요소 순회 방법 제한된 형태로 제공.

template<Number ... T>

int sum( T... v ) {

return (v + ... + 0); // 접힘 표현식 오른쪽 접힘.

// v[0] + (v[1] + ( ... ( v[n] + 0 ) ) ) 와 같다.

// return (0 + ... + v); // 왼쪽 접힘.

}

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현재 C++ 의 접힘 표현식은 가변 템플릿 구현 단순화 용도로만 제한됨.

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template<typename ... T>

void print(T&&... args)

{

(std::cout << ... << args) << ‘\n’; // 모든 인자 출력

}

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print( “Hello!”s, ‘ ‘, “World “, 2017 );

// (((((std::cout << “Hello!”s) << ‘ ‘) << “World”) << 2017) << ‘\n’);

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7.4.2 인자 포워딩

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template<typename Transport>

requires concepts::InputTransport<Transport>

class InputChannel {

public:

InputChannel(TransportArgs&&... transportArgs)

: _transport( std::forward<TransportArgs>(transportArgs)... )

{}

​

Transport _transport;

}

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표준 라이브러리 함수 forward() (13.2.2절) 이용, _transport 생성자에 그대로 전달. InputChannel 작성자는 필요 인자 무엇인지 모른 채로 Transport 타입 객체 생성 가능.

기본 라이브러리에서 인자 포워딩 널리 사용.(일반성, 런타임 부하 감소.)

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7.5 템플릿 컴파일 모델

컨셉 사용 이전의 코드에서는 모든 타입 검사를 인스턴스화 시간에 수행. 덕 타이핑(duck typing)문제를 유발. 컨셉을 사용하면 모든 컨셉을 확인한 후에 인스턴스화가 이루어짐. 또, 모듈(3.3절)을 사용하여 템플릿 함수의 코드를 정리할 수 있어 텍스트 포함(textual inclusion)문제로부터 보호된다.

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7.6 조언

[1] 템플릿은 컴파일 시간 프로그래밍에 필요한 일반적인 메커니즘 제공

[3] 템플릿 설계 시, 템플릿 인자에서 가정하는 개념(요구사항)을 고려

[4] 컨셉을 설계 도구로

[7] 한 곳에서만 필요한 간단한 표현식이라면 람다를

[9] 템플릿으로 컨테이너와 구간 표현

[13] 동일한 타입의 인자 목록은 가변 템플릿 대신 초깃값 목록을

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