C++ 模板基础谈

jadedrip 2008-07-17 10:38:27
打算给公司的同事上课,以便推广 C++ 模板,写了以下教程。希望能看到各种意见,以便完善它。

C++ 模板基础谈

1. 什么是模板
模板定义:模板就是实现代码重用机制的一种工具,它可以实现类型参数化,即把类型定义为参数,从而实现了真正的代码可重用性。
我们知道,C++ 是一种“强类型”的语言,也就是说一个变量,编译器必须确切的知道它的类型,而模板就是构建在这个强类型语言基础上的泛型系统。

2. 模板的语法
模板函数
template< typename {类型参数名称}, [ int {Name}=...][, ...] >
{函数定义}

模板类
template< typename ... , [ int {Name}=...] >
class ...

模板的参数可以是类型,或者是一个 int 型的值(或者可以转换为int 型的,比如 bool)。

3. 模板的使用
显式类型参数:对于模板函数,在函数名后添加 < {类型参数表} >。对于模板类,在类后添加 < {类型参数表} >
隐式类型参数:对于模板函数,如果类型参数可以推导,那么可以省略类型参数表
举个例子:
template< typename T >
T max( T a, T b )
{
return a < b ? b : a;
}

这个 max 函数就是一个模板函数,它可以传入一个 “类型”的参数,以便实现任意类型求最大值的效果。假设我们这样使用它:
int x=5, y=10;
int z=max<int>( x, y );
这时候发生了什么呢?我们传入的“类型参数”是int,因此编译器在编译这段代码时会使用 int 来构造一个新函数:
int max( int a, int b )
{
return a < b ? b : a;
}
后面的事就和编译普通的函数一样了,C++编译器继续使用强类型系统编译这个函数,由强类型系统来检查这个函数是否正确。
这个过程叫做模板的“特化”,它发生在编译期,当编译器发现模板函数、模板类被使用(注意,不是定义)的时候进行的。这个系统实际上比较像宏,但是比宏更为智能。
很明显,编译器必须知道模板如何特化这个函数,因此模板函数的实现,必须在“使用点”之前,因此模板库只能通过头文件库的形式来提供。

4. 模板的类型推导
对于函数,编译器是知道传入参数的类型的,比如上面的max,max< ? >( x, y ),由于第一个参数 x 是 int 类型的,那么 ? 这里需要填写什么呢?
我们可以很明显的推断出应该是 "int",否则,后面的强类型系统将无法编译这个函数。编译器同样知道 x 的类型,因此它也能推导出“类型参数”,这时候我们调用时就可省略模板参数了。
这个推导是按顺序来的,因此如果上面的 y 是其他类型,? 仍然会被推导为 int,如果y无法隐性转换为int,强类型编译时就会报错。

5. 类型推导的隐式类型转换
在决定模板参数类型前,编译器执行下列隐式类型转换:

左值变换
修饰字转换
派生类到基类的转换

见《C++ Primer》([注2],P500)对此主题的完备讨论。

简而言之,编译器削弱了某些类型属性,例如我们例子中的引用类型的左值属性。举例来说,编译器用值类型实例化函数模板,而不是用相应的引用类型。

同样地,它用指针类型实例化函数模板,而不是相应的数组类型。

它去除const修饰,绝不会用const类型实例化函数模板,总是用相应的非 const类型,不过对于指针来说,指针和 const 指针是不同的类型。

底线是:自动模板参数推导包含类型转换,并且在编译器自动决定模板参数时某些类型属性将丢失。这些类型属性可以在使用显式函数模板参数申明时得以保留。

6. 模板的偏特化
如果我们打算给模板函数(类)的某个特定类型写一个函数,就需要用到模板的偏特化,比如我们打算用 long 类型调用 max 的时候,返回小的值(原谅我举了不恰当的例子):
template<> // 这代表了下面是一个模板函数
long max<long>( long a, long b ) // 对于 vc 来说,这里的 <long> 是可以省略的
{
return a > b ? b : a;
}
实际上,所谓偏特化,就是代替编译器完成了对指定类型的特化工作,现代的模板库中,大量的使用了这个技巧。

7. 仿函数
仿函数这个词经常会出现在模板库里(比如 STL),那么什么是仿函数呢?
顾名思义:仿函数就是能像函数一样工作的东西,请原谅我用东西这样一个代词,下面我会慢慢解释。
void dosome( int i )
这个 dosome 是一个函数,我们可以这样来使用它: dosome(5);
那么,有什么东西可以像这样工作么?
答案1:重载了 () 操作符的对象,比如:
struct DoSome
{
void operator()( int i );
}
DoSome dosome;
这里类(对 C++ 来说,struct 和类是相同的) 重载了 () 操作符,因此它的实例 dosome 可以这样用 dosome(5); 和上面的函数调用一模一样,不是么?所以 dosome 就是一个仿函数了。

实际上还有答案2:
函数指针指向的对象。
typedef void( *DoSomePtr )( int );
typedef void( DoSome )( int );
DoSomePtr *ptr=&func;
DoSome& dosome=*ptr;

dosome(5); // 这里又和函数调用一模一样了。
当然,答案3 成员函数指针指向的成员函数就是意料之中的答案了。

8. 仿函数的用处
不管是对象还是函数指针等等,它们都是可以被作为参数传递,或者被作为变量保存的。因此我们就可以把一个仿函数传递给一个函数,由这个函数根据需要来调用这个仿函数(有点类似回调)。

STL 模板库中,大量使用了这种技巧,来实现库的“灵活”。
比如:
for_each, 它的源代码大致如下:
template< typename Iterator, typename Functor >
void for_each( Iterator begin, Iterator end, Fucntor func )
{
for( ; begin!=end; begin++ )
func( *begin );
}

这个 for 循环遍历了容器中的每一个元素,对每个元素调用了仿函数 func,这样就实现了 对“每个元素做同样的事”这样一种编程的思想。

特别的,如果仿函数是一个对象,这个对象是可以有成员变量的,这就让 仿函数有了“状态”,从而实现了更高的灵活性。

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tianlu1677 2011-12-09
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STL的内部原理也许更重要一些
lyhylex 2011-09-24
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STL
achi010 2011-07-22
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学习学习。谢谢分享!
Alan_Chen_2011 2011-04-22
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写的很棒,顶
stephenliu2011 2011-03-22
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必须顶顶顶
jerboa509 2010-12-26
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mark一下
billanking 2010-07-30
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天天搞软件重用,软件越写越大了,软件运行越来越慢了。
MyLove_VC 2010-07-22
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void AnimalFillFunction(Array<Animal>& theArray)
{
Animal * pAnimal;
for (int i = 0; i<theArray.GetSize(); i++)
{
pAnimal = new Animal(i*10);
theArray[i] = *pAnimal;
delete pAnimal;
}
}
MyLove_VC 2010-07-22
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void AnimalFillFunction(Array<Animal>& theArray)
{
Animal * pAnimal;
for (int i = 0; i<theArray.GetSize(); i++)
{
pAnimal = new Animal(i*10);
theArray[i] = *pAnimal;
delete pAnimal;
}
}
MyLove_VC 2010-07-22
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void AnimalFillFunction(Array<Animal>& theArray)
{
Animal * pAnimal;
for (int i = 0; i<theArray.GetSize(); i++)
{
pAnimal = new Animal(i*10);
theArray[i] = *pAnimal;
delete pAnimal;
}
}
cileen 2010-04-16
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cileen 2010-04-16
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yu_xiyan 2009-11-27
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mark
tenglongxun2 2009-08-01
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顶,学习了,就是不全,但是也要顶!
uceve 2009-07-15
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学习了,不错.....
qwprince2004 2009-06-01
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[Quote=引用 31 楼 hackers007 的回复:]
模板一种好的思想,我很支持,让软件重用更上一层楼。
[/Quote]

现在都讲软件设计模式
xlb_115 2008-07-23
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好贴!收藏了。。
loveme855 2008-07-22
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发表于:2008-07-18 23:07:1132楼 得分:0
引用 31 楼 hackers007 的回复:
模板一种好的思想,我很支持,让软件重用更上一层楼。


我怎么觉得有时候,使用模板反而会加重程序负担呢?
现实中有几个可以像数据结构那样抽象的?
Nemo1412 2008-07-21
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我们老师教的时候恰好没教模板
收藏了
laowang2 2008-07-20
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[Quote=引用 11 楼 k2eats 的回复:]
建议提出STL这个概念
函数模板和类模板分开讲, 函数模板的实例化讲多一点,还有类模板类型参数
[/Quote]
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