پرچمداران

جزئیات، به‌روز رسانی‌ها و ویژگی‌های C++20 معرفی و نمونه کد‌های کلاس std::span کلاس std::span یک کلاس در C++20 است که برای نشان دادن (نمایش ظاهری) یک محدوده دنباله‌ای از اشیاء پیوسته بکار می‌رود. الگوی کلاس span یک شیء را توصیف می‌کند که می‌تواند به یک دنباله متوالی از اشیاء با اولین عنصر دنباله در موقعیت صفر ارجاع دهد. یک span می‌تواند دارای دامنه‌ی استاتیک باشد، در این صورت تعداد عناصر در دنباله در زمان کامپایل مشخص است و در نوع خودشان رمزگذاری شده‌اند و یا دامنه‌ی داینامیک دارد. اگر یک span دارای دامنه‌ٔ داینامیک باشد، به طور معمول، پیاده‌سازی آن شامل دو عضو است: یک اشاره‌گر به T و یک اندازه است. یک span با دامنه‌ٔ استاتیک ممکن است فقط یک عضو داشته باشد: یک اشاره‌گر به T. template< class T, std::size_t Extent = std::dynamic_extent > class span; برای استفاده از کلاس std::span، باید ابتدا کتابخانه <span> را به کدتان اضافه کنید. سپس برای ایجاد یک شیء از این کلاس، می‌توانید از یک اشاره‌گر به شروع دنباله و طول آن استفاده کنید. برای مثال: #include <span> #include <iostream> int main() { int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; std::span<int> mySpan(arr, 5); for (int i : mySpan) { std::cout << i << " "; } return 0; } در این مثال، یک آرایه از نوع int با ۵ عضو تعریف شده و سپس یک شیء از کلاس std::span با استفاده از این آرایه و طول آن ایجاد می‌شود. سپس با استفاده از حلقه for، اعضای دنباله در خروجی چاپ می‌شوند. استفاده از std::span می‌تواند در کدهایی که بر روی داده‌های چند بعدی یا برای داده‌هایی که آن‌ها نمی‌توانند با طول ثابت در داخل یک آرایه شبیه‌سازی شوند، مفید باشد. همچنین، با استفاده از std::span می‌توان با مراجعه به همه اعضای یک آرایه به صورت پویا از زمان اجرا، از یک پیاده‌سازی معمولی با تراکم حافظه کمتر استفاده کرد. همچنین استفاده از std::span برای پشتیبانی از روش‌های پیشرفته‌تر و بازبینی کدها مفید است. اینجا یک نمونه از استفاده از std::span در یک کد C++20 آورده شده است: #include <iostream> #include <span> int main() { int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; std::span<int, 5> s(arr); // s refers to the whole array for (auto& elem : s) { // range-based for loop std::cout << elem << ' '; } std::cout << '\n'; std::span<int, 3> s2(arr + 1, 3); // s2 refers to {2, 3, 4} for (auto& elem : s2) { std::cout << elem << ' '; } std::cout << '\n'; } در این کد، یک آرایه از 5 عدد تعریف شده است. سپس با استفاده از std::span، دو نمونه برای این آرایه تعریف شده است. پس از آن ، با استفاده از حلقه for ، مقادیر در هر دو نمونه std::span به ترتیب چاپ شده و تفاوت بین آن‌ها نیز نشان داده شده است. برخی از مزایای این کلاس به صورت زیر است: کد مطمئن‌تر: به دلیل استفاده از نمای مناسبی از ارث‌بری، این کلاس امکان بازنویسی کد و تجدید نظر در طراحی را فراهم می‌کند. کاربردهای متعدد: توانایی نشان دادن داده‌های پیوسته با هر نوع، دنباله‌های داخلی و خارجی، بردارها، ماتریس‌ها و موارد دیگر، std::span را به یک وسیله کارآمد در برنامه‌نویسی ترکیب‌شدها و هم‌زمان‌سازی داده‌ها تبدیل کرده است. عملکرد بهتر: به دلیل این که std::span یک کلاس ساده به همراه تعریف مجددی از iterator (https://en.cppreference.com/w/cpp/iterator) هاست، عملیاتی مانند خواندن، نوشتن و مرتب سازی داده‌ها، بسیار سریعتر از زیربرنامه‌های برنامه سازی بهینه شده است. پشتیبانی از تشخیص خطا: با استفاده از std::span، می‌توان یک شیء معتبری ایجاد کرد که در آن تغییرات اندیس باید در محدوده معتبر واقع شود که باعث بهبود تشخیص خطا در کد می‌شود. اینجا یک نمونه کد ورودی با std::span برای محاسبه میانگین اعداد یک محدوده از داده هاست که توضیحات کد نیز در کد ذکر شده است: #include <iostream> #include <span> #include <algorithm> double average(std::span<int> ns) { if (ns.empty()) throw std::invalid_argument("empty span"); if (ns.size() > static_cast<size_t>(std::numeric_limits<int>::max())) throw std::invalid_argument("span size exceeds int max"); if (std::any_of(ns.begin(), ns.end(), [](const int& n) { return n < 0; })) throw std::invalid_argument("span contains negative values"); return static_cast<double>(std::accumulate(ns.begin(), ns.end(), 0)) / ns.size(); } int main() { int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 }; std::span<int> span_arr(arr, 5); try { std::cout << average(span_arr) << '\n'; } catch(const std::exception& ex) { std::cerr << "Error: " << ex.what() << '\n'; } return 0; } در کد زیر، یک std::span از یک آرایه از اعداد پشت سر هم ایجاد شده است و سپس به عنوان ورودی به تابع calculate_mean() منتقل شده است. تابع calculate_mean() به صورت یک حلقه که به ازای عنصری که به عنوان ورودی دریافت می کند، محدوده داده ها را پیمایش می کند و میانگین اعداد را محاسبه می کند. با استفاده این تابع و تعریف یک آرایه از اعداد، برنامه قادر است میانگین اعداد را محاسبه کند. #include <iostream> #include <span> double calculate_mean(std::span<double> nums) { double sum = 0.0; for (auto num : nums) { sum += num; } return sum / static_cast<double>(nums.size()); } int main() { double nums[] = {2.0, 3.0, 5.0, 7.0, 11.0, 13.0}; std::span<double> nums_span(nums, std::size(nums)); double mean = calculate_mean(nums_span); std::cout << "mean = " << mean << std::endl; return 0; } کاربرد std::span در ورودی توابع یکی از استفاده های مهم std::span ، به عنوان ورودی تابع است. با استفاده از std::span به عنوان ورودی، می توان به سادگی یک محدوده از داده ها را به یک تابع انتقال داد و از انتقال داده های اضافی و همچنین رعایت روشن بودن کد استفاده کرد. با استفاده از std::span به عنوان ورودی تابع، عملیات از هر نوع می تواند مستقل از نوع داده های کانتینر باشد و به همین دلیل کد تمیز تر و بیشتر چند منظوره خواهد بود. #include <iostream> #include <span> double calculateAverage(std::span<double> nums) { double sum = 0; for (auto num : nums) { sum += num; } return (nums.size() > 0) ? sum / nums.size() : 0; } int main() { double data[] = {2.5, 3.8, 4.2, 1.7, 6.5}; double average = calculateAverage(data); std::cout << "Average: " << average << std::endl; return 0; } در این کد، تابع calculateAverage یک std::span از نوع double به عنوان ورودی دریافت می کند و با استفاده از آن، میانگین عناصر را محاسبه می کند. سپس در تابع main یک آرایه از اعداد اولیه تعریف شده است که به عنوان ورودی به تابع calculateAverage ارسال می شود و سپس میانگین محاسبه شده چاپ می شود. استفاده از std::span به خصوص زمانی مناسب است که به دنبال ارسال یک محدوده از داده ها به تابع هستیم، بدون آنکه نیاز به کپی کردن داده ها باشد. در این حالت، استفاده از std::span به جای استفاده از نشانگر به عنوان ورودی تابع، توصیه می شود. با استفاده از std::span، می توان محدوده ای از داده ها را مستقیماً به تابع انتقال داد و از کپی نشانگر آندونه و داده های مربوط به آن جلوگیری کرد و در عین حال، کد را شفاف تر و آسان تر قابل فهم نیز می کند. کاربرد std::span در کلاس‌ها استفاده از std::span در کلاس ها، می تواند در طراحی کلاس هایی که بر روی داده هایی فیکس‌شده کار می کنند، مفید باشد. این کار به تشخیص و جلوگیری از خطرات مربوط به ارجاع به اشاره یا نشانگر اشاره که به محدوده ای خارج از داده های کلاس مستقر شده اند، کمک می کند. #include <span> class DataProcessor { private: std::span<const int> data; public: explicit DataProcessor(std::span<const int> d) : data(d) {} double calculateMean() const { double sum = 0.0; for (auto num : data) { sum += num; } return sum / static_cast<double>(data.size()); } }; همچنین، می‌توان با تعریف تابع‌هایی که با std::span کار می کنند، از صرفه جویی در حجم کدها خود لذت برد. اینجا یک نمونه کد با استفاده از std::span در طراحی یک کلاس برای مدیریت یک آرایه با سایز ثابت است: #include <array> #include <span> template <typename T, std::size_t N> class FixedArray { public: FixedArray(std::array<T, N>& arr) : data(arr), memory(data) { } std::span<T, N> memory; private: std::array<T, N>& data; }; در این کد، FixedArray یک کلاس است که یک آرایه با سایز ثابت را مدیریت می‌کند. با استفاده از std::span، ما می‌توانیم برای نگهداری داده‌ها از حافظه‌ای استفاده کنیم که قبل تر allocated شده است (در اینجا داده‌ها از آرایه data استخراج شده و به صورت پویایی در memory نگهداری می‌شوند). به این ترتیب، ما از خطرات ارجاع به اشاره به محدوده‌های خارج از داده ها به دلیل دستکاری در آرایه، محافظت می‌کنیم.