std::, namespace আর যে header-গুলো সত্যিই include করবে

Bob-এর contest program শুরু হয় #include <bits/stdc++.h> দিয়ে, আর Playground-এ সেটা দিব্যি compile হয়, pass-ও করে। Maria program-টা নিজের Mac-এ নিয়ে যায়, যেখানে compiler হলো clang, তার নিজের library সহ, আর প্রথম লাইনেই আটকে যায়: fatal error: 'bits/stdc++.h' file not found। Program-এ কোনো ভুল নেই, তবু এক compiler নেয়, আরেকটা নেয় না। কেন, সেটা বুঝতে দুইটা জিনিস জানা লাগবে: একটা standard নাম থাকে কোথায়, আর কোন file সেটা তোমার program-এ নিয়ে আসে। এই lesson দুইটাই দেবে, সাথে হাতের কাছে রাখার মতো একটা table।

Namespace: নামের একটা বাক্স, যার নিজেরও নাম আছে

C-তে প্রতিটা function-এর নাম global, তাই দুইটা library-র দুজনেরই sort থাকতে পারে না। C library-গুলো এটা এড়ায় প্রতিটা নামের আগে একটা prefix বসিয়ে, যেমন sqlite3_open। C++-এর হাতে এর চেয়ে ভালো উপায় আছে। Namespace হলো নামের একটা বাক্স, যার নিজেরও একটা নাম আছে: দুইটা বাক্সে আলাদা আলাদা sort থাকতে পারে, আর তাদের মধ্যে কখনো ধাক্কা লাগে না।

namespace box_name {
    declarations: functions, variables, constants
}

box_name::name

নিচের program-এ sort নামের দুইটা function, একটা দোকানের বাক্সে, আরেকটা স্কুলের বাক্সে।

#include <iostream>

namespace shop {
void sort()
{
    std::cout << "shop::sort puts prices cheapest first\n";
}
}

namespace school {
void sort()
{
    std::cout << "school::sort puts marks highest first\n";
}
}

int main()
{
    shop::sort();
    school::sort();
    return 0;
}

shop::sort puts prices cheapest first
school::sort puts marks highest first

Compiler কখনো জিজ্ঞেস করে না কোন sort-এর কথা বলছ, কারণ প্রতিটা call তার বাক্সের নাম বলে দেয়। main নিজে তোমার বানানো কোনো বাক্সে নেই। ও থাকে global namespace-এ, প্রতিটা program-এর সবচেয়ে বাইরের বাক্স, যেখানে C-র সব নামও থাকে।

মানে namespace থাকলে দুই টুকরা code একই নাম ব্যবহার করতে পারে, আর box::name বলে দেয় তুমি কোনটা চাইছ।

std:: আর সেটা না লেখার তিনটা উপায়

C++-এর standard library তার প্রতিটা নাম রাখে একটাই namespace-এ, std। এজন্যই lesson 01 লিখেছিল std::cout: std বাক্সের cout। একটা program-এ পঞ্চাশবার std:: লেখা ক্লান্তিকর, তাই C++ এটা বাদ দেওয়ার তিনটা উপায় দেয়।

Using-declaration একটা নাম ভিতরে আনে: using std::cout;। Using-directive পুরো বাক্সটাই ভিতরে আনে: using namespace std;। দুইটাই কাজ করে যে লাইনে লেখা হয়েছে সেখান থেকে, যে block-এর ভিতরে আছে তার শেষ পর্যন্ত। File-এর একদম ওপরে লিখলে সেটা বাকি পুরো file; function-এর ভিতরে লিখলে শুধু ওই function।

#include <iostream>
#include <string>

using std::cout;

int main()
{
    using std::cin;

    std::string title;
    int pages = 0;
    cin >> title >> pages;
    cout << title << " has " << pages << " pages\n";
    return 0;
}

Matilda has 240 pages

এই output input Matilda 240-এর জন্য। Using-declaration-এর নিচে কোথাও cout-এর আগে std:: লাগে না, আর main-এর ভিতরে cin-এরও লাগে না। std::string-কে কখনো ভিতরে আনা হয়নি, তাই ওর std:: থেকে যায়।

মানে এগুলোর যেকোনোটার পরে cout আসলে std::cout-ই। বদলায় শুধু এটুকু: বাক্স থেকে কয়টা নাম বের করে দিচ্ছ, আর কত দূর পর্যন্ত।

using namespace std-এর দাম, আর একটাই নিয়ম

Lesson 01 বলেছিল, using namespace std; তোমার program-এ শত শত নাম ঢেলে দেয়, আর তোমার কোনো একটা নামের সাথে ওদের কোনোটার ধাক্কা লাগতে পারে। এই হলো সেই ধাক্কা। Kenji-র আর কয়টা lap বাকি, সেটা ও রাখে left নামের একটা global variable-এ।

#include <iostream>

using namespace std;

int left = 3;

int main()
{
    cout << left << " laps left\n";
    return 0;
}

GCC 12 Playground-এর command line-এ আর -Wall -Wextra-এ একইভাবে এটা ফিরিয়ে দেয়: error: reference to 'left' is ambiguous। Note-গুলো দুই candidate-এর নাম বলে: Kenji-র 'int left' আর 'std::ios_base& std::left(ios_base&)'। std::left হলো <iostream>-এর একটা আসল নাম, এমন একটা setting যেটা output বাঁ দিক ঘেঁষে সাজায়। Kenji এটা কখনো চায়নি; using-directive এটাকে বাক্স থেকে বের করে দিয়েছে, আর এখন global left দুইটা।

Variable-টা main-এর ভিতরে সরিয়ে নাও, একই program compile হয়ে print করবে 3 laps left। Function-এর ভিতরে declare করা নাম বাইরের নামগুলোকে ঢেকে দেয়, বাক্স থেকে আসা নামও। তাই ধাক্কাটা লাগে file-এর একদম ওপরের নামগুলোতে, আর contest program ঠিক ওখানেই তার বড় array আর counter রাখে।

এই গেল এক file-এর দাম। Header-এ, মানে যে file অন্য file include করে, দামটা ছড়িয়ে পড়ে। #include header-এর লেখাটা হুবহু বসিয়ে দেয় যে file include করছে তার ভিতরে, C-র মতোই। তাই header-এর ভিতরের using-directive গিয়ে পড়ে ওই প্রতিটা file-এ। ওই file-গুলোর লেখক এই লাইন কখনো লেখেনি, তবু তাদের নামে ধাক্কা লাগা শুরু হয়।

তাই এই track-এর একটা নিয়ম আছে, আর একটা অভ্যাস। নিয়ম: using namespace std; কখনো header-এ যায় না। অভ্যাস: ছোট, এক file-এর contest program-এ এটা চলতে পারে, কিন্তু এই module, আর track-এর প্রতিটা project lesson, প্রতিটা standard নামের আগে std:: লেখে।

Header table: কোন file কোন নাম আনে

Namespace বলে একটা নাম কী নামে ডাকা হয়। Header বলে নামটা কোথায় declare করা, আর নামটা তোমার program-এ আসার আগে সেটা #include করতেই হবে। এই track-এর প্রতিটা নাম আসে নিচের কোনো একটা header থেকে। প্রথম কয়েকটা STL program লেখার সময় table-টা পাশে খুলে রাখার মতো।

দুইটা row অনেককে অবাক করে। std::priority_queue-এর নিজের কোনো header নেই; ও থাকে <queue>-এ। আর std::swap আছে <utility>-এ, অথচ ওর পড়শি std::max আর std::min আছে <algorithm>-এ। তাই GCC যখন বলে কোনো নাম is not a member of 'std', আগে এখানে তার header খুঁজে দেখো।

যা ব্যবহার করো, ঠিক সেটাই include করো

Lesson 05 লেখার সময় একটা মজার জিনিস ধরা পড়েছিল। এই program-এ <algorithm> নেই, তবু GCC 12 এটা compile করে ফেলে।

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << std::max(3, 7) << '\n';
    return 0;
}

7

এটা চলছে কপাল জোরে। GCC-র library, libstdc++, <iostream> বানিয়েছে আরও কয়েকটা header জুড়ে জুড়ে। সেই শিকলের কয়েক file নিচে এটা <string> include করে, আর <string> include করে bits/stl_algobase.h, যে file-এ std::max define করা। Compiler Explorer-এর include list (GCC-র -H option) প্রতিটা ধাপ দেখায়।

অন্য compiler আসে অন্য library নিয়ে, আর সেগুলো অন্যভাবে বানানো। Compiler Explorer-এ আমরা তিনটা ছোট program compile করেছি, প্রতিটায় শুধু <iostream>, তিনটা toolchain-এ।

GCC column-টা Playground-এর command line, -O2 -std=c++17। Clang column হলো clang 15, -stdlib=libc++ দিয়ে, মানে clang-এর নিজের library, আর MSVC column হলো "x64 msvc v19.latest", /std:c++17 দিয়ে। প্রতিটা library সাথে আলাদা আলাদা বাড়তি জিনিস টেনে আনে, আর কেউই কথা দেয় না যে সামনেও আনবে। তাই যে program কোনো বাড়তির ওপর ভর দেয়, সেটা এক machine-এ ঠিক, পরেরটায় ভাঙা।

সমাধানের খরচ প্রতি header-এ এক লাইন। যে header-এর নাম ব্যবহার করছ, প্রতিটা include করো, program সেটা ছাড়া compile হলেও। তাহলে যেকোনো standard library-তে compile হবে, আজও, পরের library update-এর পরেও। তাই নিরাপদ উত্তর কখনো "আমার এখানে তো compile হলো" না, বরং "যে নামই ব্যবহার করি, তার header ওপরে আছে"।

bits/stdc++.h: সব header একসাথে, শুধু GCC-তে

<bits/stdc++.h> হলো GCC-র library-র ভিতরের একটা file, যেটা একবারে সব standard header include করে। File-টার নিজের comment একে বলে "an implementation file for a precompiled header", মানে GCC-র build দ্রুত করার একটা সহায়ক। এটা C++ standard-এর অংশ না। Contest programmer-রা এটা খুব পছন্দ করে, কারণ এক লাইনে এক ডজন লাইনের কাজ হয়, আর Playground সহ অনেক contest judge compile করে GCC দিয়ে।

#include <bits/stdc++.h>

int main()
{
    std::cout << "hello\n";
    return 0;
}

hello

এটা GCC 12-এর output। অন্য toolchain-এ file-টাই নেই। Compiler Explorer-এ clang 15, libc++ দিয়ে, মানে যে library একটা Mac নিজে থেকেই ব্যবহার করে, লাইন 1-এই থেমে যায়: fatal error: 'bits/stdc++.h' file not found। MSVC-ও ওখানেই থামে: fatal error C1083: Cannot open include file: 'bits/stdc++.h': No such file or directory। এটাই এই lesson-এর শুরুর Bob আর Maria-র গল্প।

Compile-এর সময়েও এর খরচ আছে, কারণ compiler প্রতিটা header পড়ে, লাগুক বা না লাগুক। আমরা hello program-টা দুইবার build করেছি, একবার <iostream> দিয়ে, একবার <bits/stdc++.h> দিয়ে, প্রতিটা একবার করে run।

দুই machine-এই এই এক লাইন পাঁচ লাইনের একটা program-এর build অন্তত তিন গুণ ধীর করেছে। পরে Compiler Explorer-এ আরও তিনবার চালিয়ে এসেছে 289 থেকে 378 ms, বনাম 1,863 থেকে 2,888 ms। Local run-গুলো হয়েছে প্রতিটার একবার warm-up build-এর পরে, তাই তফাতটা disk-এর কারণে না। Contest-এ এই খরচ সহ্য করা যায়; শত শত file-এর project-এ প্রতিটা file এই দাম দেয়।

তাই track-এর নিয়ম সোজা। Contest program-এ <bits/stdc++.h> চলবে, আর যতবার আসবে, ততবার আমরা বলে দেব এটা শুধু GCC-র। Project lesson-এ এটা কখনো আসবে না, কারণ project-কে build হতে হয় team-এর ব্যবহার করা প্রতিটা compiler-এ।

#include <iostream>

namespace bookshop {
int stock = 0;
}

namespace library {
int stock = 0;
}

int main()
{
    bookshop::stock = 12;
    library::stock = 340;
    bookshop::stock = bookshop::stock - 2;

    std::cout << "bookshop " << bookshop::stock << ", library " << library::stock << '\n';
    return 0;
}

bookshop 10, library 340

#include <algorithm>
#include <iostream>

namespace shop {
// Prices go cheapest first.
void sort(int prices[], int n)
{
    std::sort(prices, prices + n);
}
}

namespace school {
// Marks go highest first.
void sort(int marks[], int n)
{
    std::sort(marks, marks + n);
    std::reverse(marks, marks + n);
}
}

void print(const int a[], int n)
{
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (i > 0) {
            std::cout << ' ';
        }
        std::cout << a[i];
    }
    std::cout << '\n';
}

int main()
{
    int prices[4] = {300, 120, 450, 200};
    int marks[4] = {72, 91, 65, 85};

    shop::sort(prices, 4);
    school::sort(marks, 4);
    print(prices, 4);
    print(marks, 4);
    return 0;
}

120 200 300 450
91 85 72 65

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <numeric>
#include <string>

const int MAX_N = 100;

int main()
{
    std::string shop;
    int n = 0;
    std::cin >> shop >> n;
    if (n == 0) {
        std::cout << shop << ": no items\n";
        return 0;
    }

    int prices[MAX_N] = {0};
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        std::cin >> prices[i];
    }

    std::sort(prices, prices + n);
    long long total = std::accumulate(prices, prices + n, 0LL);

    std::cout << shop << ": " << n << " items, total " << total << '\n';
    std::cout << "cheapest " << prices[0] << ", dearest " << prices[n - 1] << '\n';
    return 0;
}

Bookworm: 4 items, total 1070
cheapest 120, dearest 450

cout << "hello\n";

std:cout << "hello\n";

#include <iostream>

int main()
{
    std::vector<int> v(3);
    return 0;
}

namespace shop {
void sort()
{
}
}

sort();

#include <algorithm>
#include <iostream>

using namespace std;

int count = 0;

int main()
{
    int marks[100] = {0};
    int x = 0;
    while (count < 100 && cin >> x) {
        marks[count] = x;
        count++;
    }
    sort(marks, marks + count);
    cout << count << " marks, lowest " << marks[0] << '\n';
    return 0;
}

#include <iostream>
// Add the other headers this program uses here, one per line,
// in alphabetical order. Not <bits/stdc++.h>.

const int MAX_N = 100;

int main()
{
    int n = 0;
    std::cin >> n;

    // Read n words into an array of std::string, sort it with
    // std::sort, and print the words one per line.

    return 0;
}

#include <algorithm>
#include <iostream>

namespace weather {
// Return whichever of a and b is further from zero; on a tie, return a.
int max(int a, int b)
{
    return a; // replace this line
}
}

int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    std::cin >> a >> b;

    // Print "std::max " and std::max(a, b) on one line,
    // then "weather::max " and weather::max(a, b) on the next.

    return 0;
}

এটাই এই module-এর শেষ lesson। এরপর আসছে এর problem set, দশটা judged problem, যেগুলোতে লাগবে lesson 01 থেকে 07, আর তারপর Module 2 খুলবে std::vector।