如何理解C++模板
2014-02-25 02:03:46蘇子偉
軟件工程 2014年2期
蘇子偉
首先談一下什么是模板。模板就是為解決某一類問題，從而抽象了這類問題的具體共性，為這類問題提供一種通用的解決方法。工作中有很多這樣的例子，比如我們熟知的Microsoft Office中的模板，它給我們的工作帶來了很多便利，改變了每件事都得從頭編碼的做事方法，使得代碼重用變得如此簡(jiǎn)單。
C++模板的基礎(chǔ)討論
C++模板的思想也是基于此，它抽象了具體的型別，實(shí)現(xiàn)了共性邏輯，為一類問題提供了統(tǒng)一的泛型接口。模板機(jī)制使得編程者在定義類和函數(shù)時(shí)能以類型作為參數(shù)，并且模板只依賴于實(shí)際使用時(shí)的傳入?yún)?shù)，不關(guān)心能被用作參數(shù)的那些不同類型之間的任何聯(lián)系。剛剛接觸C++模板時(shí)，可能會(huì)感覺它不就是C的#define宏嗎，只是在這里換了一種說法，無非是“新瓶裝舊酒”啊。但是如果你對(duì)它感興趣，再深入地理解一下，相信它會(huì)帶給你很大的驚喜的。當(dāng)前，C++模板已經(jīng)變成了通用編程的基礎(chǔ)，是標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(STL)的基石。它使得用戶接口更簡(jiǎn)單，表達(dá)更清晰。
C++是一門靜態(tài)的語言，它是強(qiáng)類型檢查的，所以代碼不可能在運(yùn)行時(shí)再編譯生成。而C++模板的技術(shù)核心也在于編譯期的代碼解釋和執(zhí)行期的零成本。雖然這點(diǎn)同#define宏比較類似，但是它實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，更不容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，使得代碼看起來更具美感，并且它提供函數(shù)返回值，可以進(jìn)行代碼調(diào)試，可以進(jìn)行編譯期的變量類型檢查等等，這些都不是#define宏能比擬的。下面讓我們先看一下C++中如何定義一個(gè)模板。
怎么去定義一個(gè)模板
C++中有兩種模板，一種是類模板，一種是函數(shù)模板，函數(shù)模板也可以在類模板中使用。因?yàn)槟０迨蔷幾g期生成代碼的，所以一般我們都把模板代碼放到一個(gè)頭文件中聲明定義。首先，我們看一下類模板。
template
{
enum { ssize = 50 };
T m_Stack[ssize];
intm_Top_postion;
public:
ClassName () :m_Top_postion(0) { }
voidpush_into(const T& i){
m_Stack[m_Top_postion++] = i;
}
T pop_up() {
returnm_Stack[--m_Top_postion];
}
int size(){
returnm_Top_postion;
}
};
template這個(gè)關(guān)鍵字告知編譯器，隨后的類定義ClassName將需要一個(gè)或更多的類型。這里的T是需要替換的類型參數(shù)，你可以指定T為任何你所需要的有意義的類型，比如整型、結(jié)構(gòu)體類型，或者是一個(gè)模板類型等。(關(guān)于類模板中的常量以及詳細(xì)的模板的語法，請(qǐng)參照C++語言程序設(shè)計(jì)者BjarneStroustrup的大作《C++程序設(shè)計(jì)語言》)
其次，是函數(shù)模板。它用于創(chuàng)建基于泛型為參數(shù)的函數(shù)。
template
這里的template和class的意義同類模板的一樣。但是在函數(shù)模板中模板參數(shù)必須出現(xiàn)在函數(shù)參數(shù)中。
模板的實(shí)例化
C++模板提供了對(duì)源代碼重用的方法，而不像是繼承跟組合提供的對(duì)目標(biāo)代碼的重用方式。這使得處理問題的耦合更小，更簡(jiǎn)單，接口更加豐富，代碼量更少。編譯器會(huì)根據(jù)具體的參數(shù)，生成具體問題的解法的特定代碼，這就是模板的實(shí)例化。下面讓我們通過一個(gè)例子來認(rèn)識(shí)一下模板代碼是怎么生成具體的特定代碼的。
template
T m_data[size];
intm_pos;
public:
ClassName () :m_pos(0) { }
voidput_into(const T& t)
{
m_data[m_pos++] = t;
}
};
下面我們定義一個(gè)變量ClassName
classClassName {
intm_data[60];
intm_pos;
public:
ClassName () :m_pos(0) { }
voidput_into(const T& t)
{
m_data[m_pos++] = t;
}
};
這就是模板參數(shù)的實(shí)例化過程，根據(jù)不同的參數(shù)生成了特定的類。函數(shù)模板的原理同類模板相同，這里就不在贅述了。
模板的特化
一個(gè)模板描述了某個(gè)范圍內(nèi)的一族函數(shù)或類。當(dāng)給定模板參數(shù)時(shí)，這些模板參數(shù)決定了這一族函數(shù)或類中的獨(dú)一無二的特例，這樣的過程結(jié)果被稱為特化。當(dāng)然模板實(shí)例化也是特化的過程。特化分為全特化和半特化，但是函數(shù)模板不能半特化，必須一次性的全特化。下面我們分別看看這兩中情況。
首先看看全特化，全特化使用了template<>來標(biāo)識(shí)。
template
return (a > b) ? a : b;
}
// An explicit specialization of the max template
template<>
const char* const& compare
return (strlen(a) >strlen(b)) ? a : b;
}
這樣我們使用模板時(shí)，例如compare<>(s1,s2)就是使用全特化后的模板生成的最終代碼。compare(4,5)就是使用未全特化的模板生成的最終代碼。
再看一個(gè)例子：
template
template<> class CAssert
在這個(gè)例子中實(shí)現(xiàn)的部分跟省略的一樣多，但是它可以工作得很好。它的全特化只是實(shí)現(xiàn)了bool型別為true的情況，這樣我們就能使用它在代碼中進(jìn)行靜態(tài)斷言。
再來看一下半特化，半特化又叫偏特化。這種特化方式只是針對(duì)于類模板。故名思議，半特化只是部分地特化了模板，約束了符合用戶期望的行為的模板參數(shù)，其他參數(shù)仍然維持其泛型的性質(zhì)。編譯器在生成模板代碼時(shí)會(huì)查找出最匹配的定義，來進(jìn)行實(shí)例化。模板的半特化有很多巧妙的應(yīng)用，它很好地處理了一些分支問題。下面就以loki庫(kù)中的一個(gè)例子來看看這種迷人的用法。
比如你需要向一個(gè)容器里面插入變量，有時(shí)是T，有時(shí)是T*。Loki庫(kù)的實(shí)現(xiàn)如下。
template
struct Select
{
Typedef T result;
};
template
struct Select
{
TypedefU result;
};
Select
模板的遞歸模式
這種模板的遞歸方式能使得每個(gè)派生類都派生于一個(gè)唯一的基類，這個(gè)基類使用了它本身作為模板參數(shù)。從理論上來說這會(huì)產(chǎn)生無休止的遞歸循環(huán)，使得編譯器無法推斷出派生類及其基類的具體的型別大小等，但是只要基類中的數(shù)據(jù)成員不含有與模板型別相關(guān)的依賴，模板是可以被實(shí)例化出來的。當(dāng)程序設(shè)計(jì)者需要派生類具有某些性質(zhì)，但是這些性質(zhì)的實(shí)現(xiàn)通過繼承又不能很好的處理時(shí)，此時(shí)可以考慮模板的遞歸模式。下面我們看一下具體的例子。
template
staticsize_t count;
public:
Counted() { ++count; }
Counted(const Counted
~Counted() { --count; }
staticsize_tgetCount() { return count; }
};
template
// children class definitions
classClass1 : public Counted
classClass2 : public Counted
這樣我們的子類都繼承了唯一的基類，并且基類的型別參數(shù)就是其自身。
模板的特征和策略
特征(traits)提供了類或類模板的類型接口，而策略(policy)提供了類或類模板的函數(shù)接口。特征和策略被大量地應(yīng)用到了STL標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)，通過對(duì)策略的組合應(yīng)用，可以使得同一個(gè)模板類產(chǎn)生出無與倫比的構(gòu)建能力，從而涵蓋更多的信息，接口更通用。
下面看一個(gè)具體的例子。
#include
#include
class cat {
public:
friendstd::ostream& operator<<(std::ostream&os, const cat&) {
returnos<< "cat!";
}
};
class dog {
public:
friendstd::ostream& operator<<(std::ostream&os, const dog&) {
returnos<< "dog!";
}
};
class Johnson {
public:
friendstd::ostream& operator<<(std::ostream&os, const Johnson&) {
returnos<< "Johnson";
}
};
class Tom {
public:
friendstd::ostream& operator<<(std::ostream&os, const Tom&) {
returnos<< "Tom";
}
};
template
template<> class PersonTraits
public:
typedef cat Favorite_thing;
};
template<> class PersonTraits
public:
typedef dog Favorite_thing;
};
class dance {
public:
std::stringtodo() { return std::string(" loves to dance."); }
};
class sing {
public:
std::stringtodo() { return std::string(" loves to sing."); }
};
template
class family {
person who;
typedeftypename traits::Favorite_thingFavorite_thing;
Favorite_thingfav;
actlike_to_do;
public:
family(const person& p) : who(p) {}
voidfavorite_thing() {
std::cout<< who <<" loves " < } }; int main() { Johnson John; family fam1.favorite_thing(); Tom tom; family fam2.favorite_thing(); } 這里面特征就是PersonTraits類里面的Favorite_thing，而策略就是todo()函數(shù)。這里我們能夠看到，當(dāng)把策略組合使用時(shí)，就是它們最有用的時(shí)候了。程序接口的使用者可以借由組合不同的策略來實(shí)現(xiàn)自己需要的高階行為。建立策略類最重要的部分就是如何正確地分解策略。一般來說建立好的策略類，必須遵守的前提就是這些策略類必須是正交的。這樣這些策略類彼此之間是不會(huì)產(chǎn)生耦合的。在我們?cè)O(shè)計(jì)類的時(shí)候，我們也應(yīng)該考慮，某個(gè)機(jī)能如果有一個(gè)以上的解決方法，就應(yīng)該考慮把該機(jī)能移出來，做成一個(gè)策略。這樣我們就不會(huì)把大量的精力花在維護(hù)龐大的代碼上了。 由于篇幅有限，本文只是討論了C++模板的部分知識(shí)，還有很多有趣的應(yīng)用等待我們?nèi)グl(fā)掘，C++模板的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新之境。
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