模板與泛型編程淺談

摘要(Effective C++)：

? C++template的最初發(fā)展動(dòng)機(jī)很直接：讓我們得以建立“類型安全”的容器如vector,list和map。然而當(dāng)愈多人用上templates時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)template有能力完成愈多可能的變化。容器當(dāng)然很好，但泛型編程(generic programming)——寫出的代碼和其所處理的對象類型彼此獨(dú)立——更好。STL算法如for_each，find和merge就是這一類編程的結(jié)果。最終人們發(fā)現(xiàn)，C++template機(jī)制自身是一部完整的圖靈機(jī)：它可以用來計(jì)算任何可計(jì)算的值。于是導(dǎo)出了模板元編程(template mataprogramming)，創(chuàng)造出“在C++編譯器內(nèi)執(zhí)行并于編譯完成時(shí)停止執(zhí)行”的程序。

模板與泛型編程簡單介紹

? 面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）和泛型編程都可以處理編寫程序時(shí)不知道類型的情況；二者的不同之處在于：OOP能處理類型在程序運(yùn)行之前都未知的情況；而在泛型編程中，在編譯時(shí)就能獲知類型了

? 我們所常用的STL標(biāo)準(zhǔn)庫中，每一個(gè)容器都提供了單一的，泛型的定義，例如我們所常用的vector，我們可以定義很多類型的vector

vector<int> vi; // vi是裝載int類型的vector容器的實(shí)例
vector<string> vs; // vs是裝載string類型的vector容器的實(shí)例
vector<double> vd; // vd是裝載double類型的vector容器的實(shí)例

模板是泛型編程的基礎(chǔ)，一個(gè)模板就是一個(gè)創(chuàng)建類或者函數(shù)的藍(lán)圖或者公式

函數(shù)模板

// 簡單的比較函數(shù)模板
template<typename T>
int cmp(const T& v1,const T& v2) {
    if(v1<v2)
        return -1;
    else if(v1>v2)
        return 1;
    else
        return 0;
}

函數(shù)定義以關(guān)鍵字template開始，后跟一個(gè)模板參數(shù)列表，這是一個(gè)逗號(hào)分隔的一個(gè)或多個(gè)模板參數(shù)的列表，用尖括號(hào)包圍起來

**注：**在模板定義中，模板參數(shù)列表不能為空

模板參數(shù)列表表示在類或函數(shù)定義中用到的類型或者值。當(dāng)我們使用模板的時(shí)候，我們可以（顯式或隱式地）指定模板實(shí)參，將其綁定到模板參數(shù)上

簡單了解模板的實(shí)例化過程

? 眾所周知，當(dāng)你覺得模板編程十分智能的時(shí)候，一定是有東西在為你負(fù)重前行，C++提供了模板與泛型編程的這個(gè)能力，這便意味著有一個(gè)東西在為你動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)模板的功能，而這一定是比C++這個(gè)高級(jí)語言層面更為底層的東西，而我們所了解的知識(shí)中，比C++高級(jí)語言較為底層的東西，除了操作系統(tǒng)，便是編譯器了。

? 當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)函數(shù)模板的時(shí)候，編譯器（通常）用函數(shù)實(shí)參來為我們推斷模板實(shí)參。簡單來講，便是我們在調(diào)用函數(shù)模板的時(shí)候，編譯器通過使用實(shí)參的類型來確定綁定到模板參數(shù)T的類型

cout<<cmp(1,0)<<endl; // T為int

在上訴代碼中，函數(shù)cmp的實(shí)參類型是int，編譯器便會(huì)推斷出模板實(shí)參為int，并將它綁定到模板參數(shù)T上

簡單來說，編譯器用推斷出的模板參數(shù)來為我們實(shí)例化一個(gè)特定版本的函數(shù)

模板編譯

當(dāng)編譯器遇到一個(gè)模板定義的時(shí)候，它并不會(huì)生成代碼。只有我們實(shí)例化出模板的一個(gè)特定的版本時(shí)，編譯器才會(huì)生成其對應(yīng)的代碼。當(dāng)我們使用（而不是定義）模板時(shí)，編譯器才會(huì)生成代碼。這個(gè)特性影響我們?nèi)绾谓M織代碼以及錯(cuò)誤何時(shí)才可以被檢測到

通常來說，我們將類定義和函數(shù)說明放在頭文件中，而普通函數(shù)和類的成員函數(shù)的定義放在源文件中

模板則不盡相同：為了生成一個(gè)實(shí)例化的版本，編譯器需要掌握函數(shù)模板或類模板成員函數(shù)的定義

總結(jié)：與非模板代碼不同，模板的頭文件通常既包括聲明也包括定義，即函數(shù)模板和類模板成員函數(shù)的定義通常放在頭文件中

大多數(shù)編譯錯(cuò)誤出現(xiàn)的時(shí)機(jī)?

• 第一階段，編譯模板本身時(shí)，該時(shí)期所出現(xiàn)的錯(cuò)誤大多數(shù)為語法錯(cuò)誤
• 第二階段，編譯器遇到模板使用時(shí)
• 第三階段，模板實(shí)例化時(shí)，而只有在這個(gè)階段才能發(fā)現(xiàn)類型相關(guān)的問題

**注意事項(xiàng)：**保證傳遞給模板的實(shí)參支持模板所要求的操作，以及這些操作在模板中能正確的工作，是調(diào)用者的責(zé)任

類模板

??類模板是用來生成類的藍(lán)圖的。與函數(shù)模板不同之處是，編譯器不能為類模板推斷模板參數(shù)類型。?所以我們必須在模板名后的尖括號(hào)中提供額外的信息——用來替代模板參數(shù)的模板實(shí)參列表

vector<int> vi;
deque<double> dd;
pair<string,int> key_val;

定義類模板

template<typename T>
class T_vector {
public:
	typedef T value_type;
    // 構(gòu)造函數(shù)
    T_vector() =default;
    T_vectot(std::initializer_list<T> il);
    // 容器的元素?cái)?shù)目
    size_type size() const { return data->size(); }
    bool empty() const { return data->empty(); }
    // 添加元素
    void push_back(const T& val) { 
        data->push_back(val);
    }
    void push_back(T &&val) {
        data->push_back(std::move(val));
    }
private:
    std::shared_ptr<std::vector<T> > data;
    // 若data[i]無效，則拋出msg
    void check(size_type i,const std::string &msg) const;
}

類似函數(shù)模板，類模板以關(guān)鍵字template開始，后跟模板參數(shù)列表。在類模板（及其成員）的定義中，我們將模板參數(shù)當(dāng)作替身，代替使用模板時(shí)用戶需要提供的類型或值

**注：**一個(gè)類模板的每一個(gè)實(shí)例都形成一個(gè)獨(dú)立的類，而類模板的每個(gè)實(shí)例都有其自己版本的成員函數(shù)

? 所以，我們可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)單一模板并不能滿足所有類型的需求，而模板特例化就出現(xiàn)了

類模板成員函數(shù)的實(shí)例化

? 默認(rèn)的情況下，一個(gè)類模板的成員函數(shù)只有在程序用到它的時(shí)候才會(huì)實(shí)例化

// 實(shí)例化T_vector和接受initializer_list<int>的構(gòu)造函數(shù)
T_vector<int> T_vi = { 0,1,2,3,4,5 };

如果一個(gè)成員函數(shù)沒有被使用，則它將不會(huì)被實(shí)例化

為什么我們需要模板特例化？

當(dāng)我們編寫單一的模板時(shí)，使其對任何可能的模板實(shí)參都是最合適的，都能實(shí)例化，但者往往都是過于理想化的情況。在某些特殊的情況下，通用的模板的定義可能對特定的類型是不合適的，通用定義的模板可能會(huì)出現(xiàn)編譯失敗或者做得不夠完善的情況。

??故，當(dāng)我們不能（或者不希望）使用模板版本的時(shí)候，可以定義類或函數(shù)模板的一個(gè)特例化版本

定義函數(shù)模板特例化

// 原先cmp函數(shù)的特殊版本，用來處理特殊的字符數(shù)組的指針template<>int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {    return strcmp(p1,p2);}// 原先cmp函數(shù)的特殊版本，用來處理特殊的字符數(shù)組的指針
template<>
int cmp(const char* const& p1,const char* const& p2) {
    return strcmp(p1,p2);
}

函數(shù)重載與模板特例化的區(qū)別

? 當(dāng)定義函數(shù)模板的特例化版本時(shí)，我們本質(zhì)上接管了編譯器的工作。即，我們?yōu)樵鹊哪０宓钠渲幸粋€(gè)特殊的實(shí)例提供了定義。簡而言之，特例化的本質(zhì)是實(shí)例化一個(gè)模板，而非重載它，因此特例化并不影響函數(shù)匹配

注意事項(xiàng)：

• 為了特例化一個(gè)模板，原模版的聲明必須在作用域中
• 在任何使用模板實(shí)例的代碼之前，特例化版本的聲明也必須在作用域中
• 所有同名模板的聲明應(yīng)該放在前面，然后是這些模板的特例化版本

類模板部分特例化

與函數(shù)模板不同的是，類模板的特例化不必為所有模板參數(shù)提供實(shí)參。一個(gè)類模板的部分特例化本身是一個(gè)模板，使用它時(shí)用戶還必須為那些在特例化版本中指定的模板參數(shù)提供實(shí)參

注：我們只能部分特例化類模板，而不能部分特例化函數(shù)模板

總結(jié)