|
|
@@ -1,4 +1,4 @@
|
|
|
-
|
|
|
+
|
|
|
# C++ Template 进阶指南
|
|
|
|
|
|
## 0. 前言
|
|
|
@@ -13,11 +13,11 @@ C++之所以变成一门层次丰富、结构多变、语法繁冗的语言，
|
|
|
|
|
|
但是实际上C++模板远没有想象的那么复杂。我们只需要换一个视角：在C++03的时候，模板本身就可以独立成为一门“语言”。它有“值”，有“函数”，有“表达式”和“语句”。除了语法比较蹩脚外，它既没有指针也没有数组，更没有C++里面复杂的继承和多态。可以说，它要比C语言要简单的多。如果我们把模板当做是一门语言来学习，那只需要花费学习OO零头的时间即可掌握。按照这样的思路，可以说在各种模板书籍中出现的多数技巧，都可以被轻松理解。
|
|
|
|
|
|
-简单回顾一下模板的历史。87年的时候，泛型（Generic Programming）变被纳入了C++的考虑范畴，并直接导致了后来模板语法的产生。可以说模板语法一开始就是为了在C++中提供泛型机制。92年的时候，Alexandar Stepanov开始研究利用模板语法制作程序库，后来这一程序库发展成STL，并在93年被接纳入标准中。
|
|
|
+简单回顾一下模板的历史。87年的时候，泛型（Generic Programming）便被纳入了C++的考虑范畴，并直接导致了后来模板语法的产生。可以说模板语法一开始就是为了在C++中提供泛型机制。92年的时候，Alexander Stepanov开始研究利用模板语法制作程序库，后来这一程序库发展成STL，并在93年被接纳入标准中。
|
|
|
|
|
|
-此时不少人以为STL已经是C++模板的集大成之作，C++模板技止于此。但是在95年的《C++ Report》上，John Barton和Lee Nackman提出了一个矩阵乘法的模板示例。可以说元编程在那个时候开始被很多人所关注。自此篇文章发表之后，很多人大牛都开始对模板产生了浓厚的兴趣。其中对元编程技法贡献最大的当属Alexandrescu的《Modern C++ Design》及模板程序库Loki。这一2001年发表的图书间接地导致了模板元编程库的出现。书中所使用的Typelist等泛型组件，和Policy等设计方法令人耳目一新。但是因为全书用的是近乎Geek的手法来构造一切设施，因此使得此书阅读起来略有难度。
|
|
|
+此时不少人以为STL已经是C++模板的集大成之作，C++模板技止于此。但是在95年的《C++ Report》上，John Barton和Lee Nackman提出了一个矩阵乘法的模板示例。可以说元编程在那个时候开始被很多人所关注。自此篇文章发表之后，很多大牛都开始对模板产生了浓厚的兴趣。其中对元编程技法贡献最大的当属Alexandrescu的《Modern C++ Design》及模板程序库Loki。这一2001年发表的图书间接地导致了模板元编程库的出现。书中所使用的Typelist等泛型组件，和Policy等设计方法令人耳目一新。但是因为全书用的是近乎Geek的手法来构造一切设施，因此使得此书阅读起来略有难度。
|
|
|
|
|
|
-2002年出版的另一本书《C++ Templates》，可以说是在Template方面的集大成制作。它详细阐述了模板的语法、提供了和模板有关的语言细节信息，举了很多有代表性例子。但是对于模板新手来说，这本书细节如此丰富，让他们随随便便就打了退堂鼓缴械投降。
|
|
|
+2002年出版的另一本书《C++ Templates》，可以说是在Template方面的集大成之作。它详细阐述了模板的语法、提供了和模板有关的语言细节信息，举了很多有代表性例子。但是对于模板新手来说，这本书细节如此丰富，让他们随随便便就打了退堂鼓缴械投降。
|
|
|
|
|
|
本文的写作初衷，就是通过“编程语言”的视角，介绍一个简单、清晰的“模板语言”。我会尽可能的将模板的诸多要素连串起来，用一些简单的例子帮助读者学习这门“语言”，让读者在编写、阅读模板代码的时候，能像 `if(exp) { dosomething(); }`一样的信手拈来，让“模板元编程”技术成为读者牢固掌握、可举一反三的有用技能。
|
|
|
|
|
|
@@ -70,7 +70,7 @@ template <typename T> class ClassA
|
|
|
void foo(int a);
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-`T`则可以类比为函数形参`a`，这里的“模板形参”`T`，也同函数形参一样取成任何你想要的名字；`typename`则类似于例子中函数参数类型`int`，它表示模板参数中的`T`将匹配一个类型。
|
|
|
+`T`则可以类比为函数形参`a`，这里的“模板形参”`T`，也同函数形参一样取成任何你想要的名字；`typename`则类似于例子中函数参数类型`int`，它表示模板参数中的`T`将匹配一个类型。除了 `typename` 之外，我们再后面还要讲到，整型也可以作为模板的参数。
|
|
|
|
|
|
在定义完模板参数之后，便可以定义你所需要的类。不过在定义类的时候，除了一般类可以使用的类型外，你还可以使用在模板参数中使用的类型 `T`。可以说，这个 `T`是模板的精髓，因为你可以通过指定模板实参，将T替换成你所需要的类型。
|
|
|
|
|
|
@@ -198,7 +198,7 @@ void vector::clear()
|
|
|
因此，在成员函数实现的时候，必须要提供模板参数。此外，为什么类型名不是`vector`而是`vector<T>`呢？
|
|
|
如果你了解过模板的偏特化与特化的语法，应该能看出，这里的vector<T>在语法上类似于特化/偏特化。实际上，这里的函数定义也确实是成员函数的偏特化。特化和偏特化的概念，本文会在第二部分详细介绍。
|
|
|
|
|
|
-最终，正确的成员函数实现如下所示：
|
|
|
+综上，正确的成员函数实现如下所示：
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
template <typename T> // 模板参数
|
|
|
@@ -364,8 +364,7 @@ float a = GetValue(0); // 出错了！
|
|
|
int b = GetValue(1); // 也出错了！
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-为什么会出错呢？你仔细想了想，原来编译器是没办法去根据返回值推断类型的。函数调用的时候，返回值被谁接受还不知道呢。
|
|
|
-如下修改后，就一切正常了：
|
|
|
+为什么会出错呢？你仔细想了想，原来编译器是没办法去根据返回值推断类型的。函数调用的时候，返回值被谁接受还不知道呢。如下修改后，就一切正常了：
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
float a = GetValue<float>(0);
|
|
|
@@ -374,14 +373,14 @@ int b = GetValue<int>(1);
|
|
|
|
|
|
嗯，是不是so easy啊？嗯，你又信心满满的做了一个练习：
|
|
|
|
|
|
-你要写一个模板函数叫 `c_style_cast`，顾名思义，执行的是C风格的转换。然后出于方便起见，你希望它能和 `static_cast` 这样的内置转换有同样的写法。
|
|
|
-于是你写了一个use case。
|
|
|
+你要写一个模板函数叫 `c_style_cast`，顾名思义，执行的是C风格的转换。然后出于方便起见，你希望它能和 `static_cast` 这样的内置转换有同样的写法。于是你写了一个use case。
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
DstT dest = c_style_cast<DstT>(src);
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
根据调用形式你知道了，有 `DstT` 和 `SrcT` 两个模板参数。参数只有一个， `src`，所以函数的形参当然是这么写了： `(SrcT src)`。实现也很简单， `(DstT)v`。
|
|
|
+
|
|
|
我们把手上得到的信息来拼一拼，就可以编写自己的函数模板了：
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
@@ -400,8 +399,7 @@ float i = c_style_cast<float>(v);
|
|
|
error C2783: 'DstT _1_2_2::c_style_cast(SrcT)' : could not deduce template argument for 'DstT'
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-然后你仔细的比较了一下，然后发现 … 模板参数有两个，而参数里面能得到的只有 `SrcT` 一个。结合出错信息看来关键在那个 `DstT` 上。
|
|
|
-这个时候，你死马当活马医，把模板参数写完整了：
|
|
|
+然后你仔细的比较了一下，然后发现 … 模板参数有两个，而参数里面能得到的只有 `SrcT` 一个。结合出错信息看来关键在那个 `DstT` 上。这个时候，你死马当活马医，把模板参数写完整了：
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
float i = c_style_cast<float, int>(v);
|
|
|
@@ -410,7 +408,8 @@ float i = c_style_cast<float, int>(v);
|
|
|
嗯，很顺利的通过了。难道C++不能支持让参数推导一部分模板参数吗？
|
|
|
|
|
|
当然是可以的。只不过在部分推导、部分指定的情况下，编译器对模版参数的顺序是有限制的：先写需要指定的模板参数，再把能推导出来的模板参数放在后面。
|
|
|
-在这个例子中，能推导出来的是 `SrcT`，需要指定的是 `DstT`。于是你把函数模板写成：
|
|
|
+
|
|
|
+在这个例子中，能推导出来的是 `SrcT`，需要指定的是 `DstT`。把函数模板写成下面这样就可以了：
|
|
|
|
|
|
``` C++
|
|
|
template <typename DstT, typename SrcT> DstT c_style_cast(SrcT v) // 模版参数 DstT 需要人肉指定，放前面。
|
|
|
@@ -422,13 +421,99 @@ int v = 0;
|
|
|
float i = c_style_cast<float>(v); // 形象地说，DstT会先把你指定的参数吃掉，剩下的就交给编译器从函数参数列表中推导啦。
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
-
|
|
|
###1.3 整型也可是Template参数
|
|
|
|
|
|
-## 2. 模板世界的If-Then-Else：特化与偏特化
|
|
|
-###2.1 类模板的匹配规则：特化与部分特化
|
|
|
-###2.2 函数模板的重载、参数匹配、特化与部分特化
|
|
|
-###2.3 技巧单元：模板与继承
|
|
|
+模板参数除了类型外（包括基本类型、结构、类类型等），也可以是一个整型数（Integral Number）。这里的整型数比较宽泛，包括布尔、不同位数、有无符号的整型，甚至包括指针。我们将整型的模板参数和类型作为模板参数来做一个对比：
|
|
|
+
|
|
|
+``` C++
|
|
|
+template <typename T> class TemplateWithType;
|
|
|
+template <int V> class TemplateWithValue;
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+我想这个时候你也更能理解 `typename` 的意思了：它相当于是模板参数的“类型”，告诉你 `T` 是一个 `typename`。
|
|
|
+
|
|
|
+按照C++ Template最初的想法，模板不就是为了提供一个类型安全、易于调试的宏吗？有类型就够了，为什么要引入整型参数呢？考虑宏，它除了代码替换，还有一个作用是作为常数出现。所以整型模板参数最基本的用途，也是定义一个常数。例如这段代码的作用：
|
|
|
+
|
|
|
+``` C++
|
|
|
+template <typename T, int Size> struct Array
|
|
|
+{
|
|
|
+ T data[Size];
|
|
|
+};
|
|
|
+
|
|
|
+Array<int, 16> arr;
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+便相当于下面这段代码：
|
|
|
+
|
|
|
+``` C++
|
|
|
+class IntArrayWithSize16
|
|
|
+{
|
|
|
+ int data[16]; // int 替换了 T, 16 替换了 Size
|
|
|
+};
|
|
|
+
|
|
|
+IntArrayWithSize16 arr;
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+其中有一点要注意的是，因为模板的匹配是在编译的时候完成的，所以实例化模板的时候所使用的参数，也必须要在编译期就能确定。例如以下的例子编译器就会报错：
|
|
|
+
|
|
|
+``` C++
|
|
|
+template <int i> class A {};
|
|
|
+
|
|
|
+void foo()
|
|
|
+{
|
|
|
+ int x = 3;
|
|
|
+ A<5> a; // 正确！
|
|
|
+ A<x> b; // error C2971: '_1_3::A' : template parameter 'i' : 'x' : a local variable cannot be used as a non-type argument
|
|
|
+}
|
|
|
+```
|
|
|
+因为x不是一个编译期常量，所以 `A<x>` 就会告诉你，x是一个局部变量，不能作为一个模板参数出现。
|
|
|
+
|
|
|
+嗯，这里我们再来写几个相对复杂的例子：
|
|
|
+
|
|
|
+``` C++
|
|
|
+template <int i> class A
|
|
|
+{
|
|
|
+public:
|
|
|
+ void foo(int)
|
|
|
+ {
|
|
|
+ }
|
|
|
+};
|
|
|
+template <uint8_t a, typename b, void* c> class B {};
|
|
|
+template <bool, void (*a)()> class C {};
|
|
|
+template <void (A<3>::*a)(int)> class D {};
|
|
|
+
|
|
|
+template <int i> int Add(int a) // 当然也能用于函数模板
|
|
|
+{
|
|
|
+ return a + i;
|
|
|
+}
|
|
|
+
|
|
|
+void foo()
|
|
|
+{
|
|
|
+ A<5> a;
|
|
|
+ B<
|
|
|
+ 7, A<5>, nullptr
|
|
|
+ > b; // 模板参数可以是一个无符号八位整数，可以是模板生成的类；可以是一个指针。
|
|
|
+ C<false, &foo> c; // 模板参数可以是一个bool类型的常量，甚至可以是一个函数指针。
|
|
|
+ D<&A<3>::foo> d; // 丧心病狂啊！它还能是一个成员函数指针！
|
|
|
+ int x = Add<3>(5); // x == 8。因为整型模板参数无法从函数参数获得，所以只能是手工指定啦。
|
|
|
+}
|
|
|
+
|
|
|
+template <float a> class E {}; // ERROR: 别闹！早说过只能是整数类型的啦！
|
|
|
+```
|
|
|
+
|
|
|
+当然，除了单纯的用作常数之外，整型参数还有一些其它的用途。这些“其它”用途最重要的一点是让类型也可以像整数一样运算。《Modern C++ Design》给我们展示了很多这方面的例子。不过你不用急着去阅读那本天书，我们会在做好足够的知识铺垫后，让你轻松学会这些招数。
|
|
|
+
|
|
|
+###1.4 模板形式与功能是统一的
|
|
|
+
|
|
|
+第一章走马观花的带着大家复习了一下C++ Template的基本语法形式，也解释了包括 `typename` 在内，类/函数模板写法中各个语法元素的含义。形式是功能的外在体现，介绍它们也是为了让大家能理解到，模板之所以写成这种形式是有必要的，而不是语言的垃圾成分。
|
|
|
+
|
|
|
+从下一章开始，我们便进入了更加复杂和丰富的世界：讨论模板的匹配规则。其中有令人望而生畏的特化与偏特化。但是，请相信我们在序言中所提到的：将模板作为一门语言来看待，它会变得有趣而简单。
|
|
|
+
|
|
|
+## 2. 模板元编程基础
|
|
|
+###2.1 编程，元编程，模板元编程
|
|
|
+###2.2 模板世界的If-Then-Else：类模板的特化与偏特化
|
|
|
+###2.3 函数模板的重载、参数匹配、特化与部分特化
|
|
|
+###2.4 技巧单元：模板与继承
|
|
|
|
|
|
## 3 拿起特化的武器，去写程序吧！
|
|
|
###3.1 利用模板特化规则实现If-Then-Else与Switch-Case
|
|
|
@@ -464,4 +549,4 @@ alexandrescu 关于 min max 的讨论：《再谈Min和Max》
|
|
|
###7.4 Linq的C++实践
|
|
|
###7.5 更高更快更强：从Linq到FP
|
|
|
|
|
|
-## 8 结语：讨论有益，争端无用
|
|
|
+## 8 结语：讨论有益，争端无用
|
Ye WU