Наши партнеры

UnixForum

Библиотека сайта rus-linux.net

ITK

Глава 9 из книги "Архитектура приложений с открытым исходным кодом", том 2.

Оригинал: ITK
Авторы: Luis Ibanez, Brad King
Перевод: А.Панин

9.3. Выученные уроки

Повторное использование

Принцип повторного использования может быть также назван "уменьшением избыточности". В случае ITK это достигается с помощью подхода, включающего три принципа:
  • Во-первых, применение объектно-ориеннтированного программирования и в особенности корректной процедуры создания иерархий классов, в которых стандартные функции реализуются в базовых классах.
  • Во-вторых, использование парадигмы обобщенного программирования, реализуемое путем повсеместного использования шаблонов языка C++, а также реализации функций программы, идентифицируемых как шаблоны.
  • В-третьих, широкое использование макросов C++ также позволило повторно использовать стандартные фрагменты кода, которые требуются в миллиарде мест тулкита.

Большая часть этих пунктов сегодня может показаться банальной и очевидной, но в в момент начала разработки ITK в 1999 году некоторые из них не были настолько очевидными. В частности, при поддержке большинством компиляторов языка C++ шаблонов, эта поддержка в точности не соответствовала однозначному стандарту. Даже сегодня такие решения, как применение парадигмы обобщенного программирования и использование реализации с широким применением шаблонов продолжают вызывать споры в сообществе. Это утверждение подчеркивается фактом существования сообществ, участники которых предпочитают использовать ITK с помощью уровня кода для совместимости с языками Python, Tcl или Java.

Обобщенное программирование

Применение парадигмы обобщенного программирования было одной из определяющих особенности реализации ITK черт. В 1999 году это решение было сложным, так как в то время поддержка компиляторами шаблонов C++ была значительно фрагментированной и стандартная библиотека шаблонов (Standard Template Library (STL)) все еще рассматривалась в некоторой степени как экзотическое дополнение.

Обобщенное программирование было применено в ITK путем использования шаблонов C++ для обобщенной реализации концепций и повышения степени повторного использования кода таким способом. Стандартным примером использования параметризации шаблонов C++ в ITK является класс Image, экземпляр которого может быть создан следующим образом: 
typedef unsigned char PixelType;
const unsigned int Dimension = 3;
typedef itk::Image< PixelType, Dimension > ImageType;
ImageType::Pointer image = ImageType::New();

В этом коде разработчик приложения выбирает тип, используемый для представления пикселей изображения, а также количество плоскостей изображения в виде сетки в пространстве. В примере мы выбрали для использования 8-битные пиксели, представленные с помощью значений типа unsigned char для 3-х мерного изображения. Благодаря низкоуровневой обобщенной реализации, в ITK возможно создание экземпляров классов изображений для любых типов пикселей с любым количеством плоскостей.

Для возможности записи этих выражений разработчикам ITK пришлось реализовать класс Image с особой осторожностью в отношении предположений о типе пикселей. Как только разработчик приложения создал экземпляр класса изображения определенного типа, он может создавать объекты этого типа или перейти к созданию экземпляров классов фильтров изображений, типы которых, в свою очередь, зависят от типа изображения. Например: typedef itk::MedianImageFilter< ImageType, ImageType> FilterType; FilterType::Pointer median = FilterType::New();

Алгоритмические особенности некоторых фильтров изображений ограничивают набор актуальных типов пикселей, который они поддерживают. Например, некоторые фильтры изображений ожидают, что тип пикселей изображения будет представлен целочисленными скалярными величинами, в то время, как некоторые другие фильтры ожидают типа пикселя в виде векторов из величин с плавающей точкой. При создании экземпляров классов изображений с неподходящими типами пикселей эти фильтры станут причиной ошибок компиляции или ошибочных результатов расчетов значений пикселей изображения. Для предотвращения некорректного создания объектов и упрощения поиска причин ошибок компиляции в рамках ITK был применен метод концептуальных проверок (concept checking), основанный на принудительном использовании определенных ожидаемых возможностей типов с целью раннего выявления ошибок с выводом понятных человеку сообщений об ошибках.

Шаблоны C++ также используются в определенных системах тулкита в форме шаблонного метапрограммирования (Template Metaprogramming) для повышения производительности кода, а в особенности для разворачивания циклов, которые используются для расчета значений низкоразмерных векторов и матриц. По иронии судьбы, со временем мы обнаружили, что определенные компиляторы научились определять места, где необходимо осуществить разворачивание циклов и в некоторых случаях им больше не требуется выражений шаблонного метапрограммирования.

Продолжение статьи: Знать, когда остановиться