Modern C++ Standards

2020/2021

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

5

ECTS credits

Delivered by:

School of Software Engineering

Type:

Elective course

When:

3 year, 3, 4 module

Instructor

Воробьев Даниил Владимирович

Программа дисциплины

Аннотация

Курс "Современные стандарты С++" является логическим продолжением курса "Инженерный подход к программированию на С/С++". В рамках данного курса рассматриваются ключевые механизмы и особенности, привнесенные в язык программирования С++ современными стандартами (С++11/С++14/С++17). Особое внимание уделяется объяснению логики работы нововведений, их реализации. Все также большое внимание уделяется практическим заданиям, которые при сдаче проходят этап автоматического тестирования и дальнейшего код-ревью. Курс читается в 3-4 модулях.

Цель освоения дисциплины

• Уверенно знать стандартную библиотеку шаблонов со всеми нововведениями
• Понимать move-семантику и уметь использовать ее в коде
• Понимать основные принципы метапрограммирования и уметь использовать данные подходы при решении прикладных задач
• Понимать и уметь использовать лямбда-функции
• Знать понятие рефлексии и уметь использовать ее в С++

Содержание учебной дисциплины

• Итераторы
  Категории итераторов: LegacyInputIterator, LegacyOutputIterator, LegacyForwardIterator, LegacyBidirectionalIterator, LegacyRandomAccessIterator Обратный итератор Константый итератор Функция std::copy
• Move семантика
  Мотивировка move семантики Мотивировка введения в язык rvalue reference Реализация std::move Различные реализации move конструктора Различные реализации move оператора присваивания, std::exchange Rule of five Rule of zero Дизъюнктивное разбиение выражений в xvalue, prvalue, lvalue Дизъюнктивное разбиение rvalue выражений в xvalue, prvalue Принадлежность идентификатора к lvalue Принадлежность function call expression к xvalue, prvalue, lvalue в зависимости от возвращаемого типа Добавление noexcept спецификатора к move оператору присваивания и замер производительности Коллапсирование ссылок Мотивировка введения в язык universal reference Реализация make_unique Реализация std::forward Подводные камни с std::forward и std::move Подвязка (binding) ссылок к выражениям Порядок отбора перегрузок Реализация std::unordered_map Реализация std::optional Реализация std::variant
• Аллокаторы
  Различия в аллокаторах до и после C++11 Требования к методам: allocate, deallocate, max_size, construct, destroy Требования к выражениям взаимоотношения между экземплярами аллокатора (Relationship between instances) Метод select_on_container_copy_construction Алиасы: propagate_on_container_copy_assignment , propagate_on_container_move_assignment, propagate_on_container_swap Применение std::allocator_traits Применение rebind Реализация std::allocator с std::list
• Умные указатели
  Мотивировка введения std::unique_ptr, std::shared_ptr, std::weak_ptr и объявление std::auto_ptr как deprecated Отсутствие у std::unique_ptr конструктора копирования Наличие у std::unique_ptr частичной специализации для массивов Шаблонный параметр Deleter Реализация подсчета ссылок внутри класса. Вынесение подсчета ссылок в ControlBlock Состав ControlBlock. Атомарность счетчика ссылок и реализация в LLVM Реализация std::make_shared Назначение std::weak_ptr Назначение метода lock в std::weak_ptr Замер производительности при конструировании std::unique_ptr, с raw_ptr и std::make_unique Замер производительности при конструировании std::shared_ptr, с raw_ptr и std::make_shared Семантика аргумента функции, когда он: экземпляр класса raw_ptr ссылка std::unique_ptr Std::shared_ptr Реализация std::shared_ptr, std::weak_ptr как в LLVM
• Лямбда-функции
  Эквивалентность лямбды перегрузке operator(). Ассемблерное представление Различия в захвате по [&], [=] ,[&t=...], [t =...] Значение this в лямбдах Передача лямбды внутри одной единицы трансляции Передача лямбды между разными единицами трансляции Обобщенные лямбды (generic lambdas). Переменное число аргументов (variadic arguments) в лямбдах Реализация tuple и length std::forward в лямбдах до C++20 Список шаблонных параметров в лямбдах std::forward и лямбдах после C++20 Ключевое слово static в лямбдах. Изменение внутреннего состояния внутри лямбды с mutable Зависимость возможности копирования лямбды от возможности копирования захваченных данных
• SFINAE
  Определение термина SFINAE Завязка срабатывания SFINAE на well-formed / ill-formed выражения Мотивировка использования SFINAE на примере std::add_lvalue_reference std::void_t как инструмент для реализации type_traits Разлчиие в конструкциях decltype(x) и decltype((x)) Примеры комбинаций decltype и declval для провоцирования SFINAE Реализация is_static_castable Реализация std::is_assignable Реализация std::is_polymorphic Реализация std::enable_if Реализация std::conditional Реализация std::is_copy_constructible как в LLVM Реализация std::is_nothrow_constructible как в LLVM Реализация std::move_if_noexcept как в LLVM Применение SFINAE: условный explicit конструктор для offset_ptr, улучшение сообщения об ошибки на примере pointer_to в pointer_traits
• сonstexpr
  У constexpr функции parameter type и return type должны быть literal type Невозможность указания constexpr для виртуальных методов до C++20 Тело constexpr функции до и после C++14 Необходимость инициализации non-static членов Возможность использования constexpr переменных и constexpr функций в точках использования константных выражений (constant expressions) Отсутствие гарантии вычисления выражения в compile time при указании constexpr
• Концепты
  Мотивировка введения концептов на примере поиска минимального элемента (std::min_element) и отсутствия информативной ошибки при попытке создания вектора ссылок Синтаксис концептов Извлечение ограничений / требований из алгоритма std::min_element для построения концептов Сущности, на которые можно наложить концепты: класс шаблонная переменная (variable template) шаблонный алиас шаблонные поля (template members) шаблонная функция Реализация концетов: ObjectType, std::floating_point, std::copyable
• Многопоточное программирование I
  Причина введения потоков в стандарт Создание потока с std::thread. Передача в поток функции на исполнение Методы join и detach Определение терминов race condition и data race Определение термина критическая секция std::mutex методы lock и unlock RAII: std::lock_guard, std::unique_lock Структуры std::defer_lock_t, std::adopt_lock_t, std::try_lock_t Определение термина deadlock Захват нескольких мьютексов std::lock и std::scoped_lock Задача о философах std::conditional_variable методы: wait, wait_for, wait_for, wait_until, notify_one, notify_all Реализация класса TokenPool Гарантия thread-safe инициализации static переменных в C++11 Использование std::call_once, std::once_flag для гарантирования ровно одного thread-safe присваивания значения полю класса и последующих thread-safe обращений к этому полю на примере класса Logger Реализация std::shared_mutex (R/W lock) std::counting_semaphore, std::binary_semaphore Реализация std::counting_semaphore Барьеры (C++20) : одноразовый std::latch, многоразовый std::barrier
• Многопоточное программирование II
  Определение гарантии lock-free std::atomic методы, load, store, fetch_add, fetch_sub, ++, -- Различие между compare_exchange_weak, compare_exchange_strong Реализация Append для односвязного списка Проблема ABA Реализация lock-free stack

Элементы контроля

• практические задания
• Итоговый экзамен по курсу в четвертом модуле

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (4 модуль)
  0.4 * Итоговый экзамен по курсу в четвертом модуле + 0.6 * практические задания

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• О’Двайр А. - Осваиваем C++17 STL - Издательство "ДМК Пресс" - 2018 - 352с. - ISBN: 978-5-97060-663-6 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/116126

Рекомендуемая дополнительная литература

• Herlihy, M., & Shavit, N. (2012). The Art of Multiprocessor Programming, Revised Reprint. Burlington: Morgan Kaufmann. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=460894