Effective C++笔记（10）—模板与泛型编程

Posted 2022-12-08 NearXDU

条款46：需要类型转换时请为模板定义非成员函数

考虑之前的例子，对于操作符重载：

class Rational
public:
    Rational() :x(0)
    Rational(int x_) :x(x_)
    Rational &operator*(const Rational& rhs)
    
        x *= rhs.x;
        return *this;
    
    int x;
;

int main()

    Rational a(2);
    Rational b = a * 2;
    cout << b.x << endl;//ok 4
    //Rational c = 2 * a << endl;//error
    system("pause");
    return 0;

在条款24中，说明希望将operator*声明为非成员函数：

class Rational
public:
    Rational() :x(0)
    Rational(int x_) :x(x_)

    int x;
;
const Rational operator*(const Rational &l, const Rational &r)

    return Rational(l.x*r.x);


int main()

    Rational a(2);
    Rational b = a * 2;
    cout << b.x << endl;//ok 4
    Rational c = 3 * a ;//ok
    system("pause");
    return 0;

但是，如果我们将上述代码改成template格式，可能出问题：

template <class T>
class Rational
public:
    Rational() :x(0)
    Rational(T x_) :x(x_)

    T x;
;
template <class T>
const Rational<T> operator*(const Rational<T> &l, const Rational<T> &r)

    return Rational(l.x*r.x);


int main()

    Rational<int> a(2);
    Rational<int> b = a * 2;//error
    system("pause");
    return 0;

第一个是实参是Rational，通过此推导出T为int
传递的第二个实参类型是int，编译器无法推算出T类型，这里不具备构造函数隐式类型转换的条件。

解决的办法是用友元函数：

template <class T>
class Rational
public:
    Rational() :x(0)
    Rational(T x_) :x(x_)

    T x;

    friend const Rational<T> operator*(const Rational<T> &l, const Rational<T> &r)
    
        return Rational(l.x*r.x);
    

;


int main()

    Rational<int> a(2);
    Rational<int> b = a * 2;//ok 4
    cout << b.x << endl;
    system("pause");
    return 0;

通过第一个实参Rational具现化出对应类，接受Rational参数的friend也被具现化出来，这样就满足了隐式转换的条件了。

但是有个缺陷，那就是在类内定义可能会被编译器内联，如果不想inline，我们可以不在operation*中做事情，改调用外部函数：

template <class T>
const Rational<T>func(const Rational<T> &l, const Rational<T> &r)

    return Rational<T>(l.x*r.x);


template <class T>
class Rational
public:
    Rational() :x(0)
    Rational(T x_) :x(x_)

    T x;

    friend const Rational<T> operator*(const Rational<T> &l, const Rational<T> &r)
    
        return func(l, r);
    

;


int main()

    Rational<int> a(2);
    Rational<int> b = 2 * a;//ok 4
    cout << b.x << endl;
    system("pause");
    return 0;

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条款47：请使用traits classes表现类型信息

看到traits我很亲切，萃取器，早先学习STL源码剖析的时候，对这个还算理解得透彻。

回顾一下STL的迭代器：
迭代器类型(iterator_category)是迭代器五种型别之一：
迭代器被分为5类：

Input ：只读 
Output :只写 
Forward ：可读写 
Bidirectional：可双向读写 
Random Access：可以随机访问 

通过is-a的关系表示

//继承关系
struct input_iterator_tag ;
struct output_iterator_tag ;
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag ;
struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag ;
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag ;

为什么这里都是tag了，事实上，在STL里面只需要一个类型去标记一下即可。在EffectiveC++中，举了advance的例子，advance函数用来执行it+=d操作，但是除了random_access之外，其他迭代器类型并不支持+=，只能执行++或者--操作执行d次。显然，advance函数需要根据迭代器类型进行重载。

看看STL里面的实现：

//1.
template <class _InputIterator, class _Distance>
inline void advance(_InputIterator& __i, _Distance __n) 
  __STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);
  __advance(__i, __n, iterator_category(__i));

外部接口advance转调用__advance，这里模板有两个class，一个是迭代器类型，一个是步进distance的类型。

抛开__advance先不看，注意到一个函数iterator_category

//2.
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category
iterator_category(const _Iter& __i)  return __iterator_category(__i); 

先不管函数的返回值，外部接口iterator_category调动了__iterator_category：

//3.
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category//一整行作为函数返回类型
__iterator_category(const _Iter&)

  typedef typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category _Category;
  return _Category();//创建一个临时对象 例如int()创建一个临时的int对象。

我们看到，Iterator_category通过内部转调用，最终能够返回一个iterator_categor的临时对象，这个临时对象作为__advance的第三个实参。

现在来看：
template <class _Iter> typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category
是怎么来的：

//4.
template <class _Iterator>
struct iterator_traits 
  typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
  typedef typename _Iterator::value_type        value_type;
  typedef typename _Iterator::difference_type   difference_type;
  typedef typename _Iterator::pointer           pointer;
  typedef typename _Iterator::reference         reference;
;

//原生指针的特化版本
template <class _Tp>
struct iterator_traits<_Tp*> 
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef _Tp                         value_type;
  typedef ptrdiff_t                   difference_type;
  typedef _Tp*                        pointer;
  typedef _Tp&                        reference;
;

//const原生指针的特化版本
template <class _Tp>
struct iterator_traits<const _Tp*> 
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef _Tp                         value_type;
  typedef ptrdiff_t                   difference_type;
  typedef const _Tp*                  pointer;
  typedef const _Tp&                  reference;
;

原生指针的迭代器类型是支持双向随机访问，因此是random_access_iterator_tag，其他的迭代器例如vector<int>::iterator的类型就在其class中声明了，这里直接使用::访问即可。

到此，先不管__advance的内部实现，我们来看一下整个逻辑：
1.advance接口转调用__advance
2.在__advance中有一个iterator_category(i)参数
3.iterator_category(i)调用了__iterator_category(i)
4.__iterator_category通过i推断出模板类型，并调用iterator_traits获取迭代器的iterator_category型别。
5.返回一个上述型别的临时对象。

最后我们来看看__advance的实现，上文提到，由于不是所有的iterator都支持+=操作，因此这一定是一个重载的过程：

//__advance的重载版本,这里只有类型，没有临时变量（因为不必要）仅仅用来重载
//重载 __advance  input_iterator
template <class _InputIter, class _Distance>
inline void __advance(_InputIter& __i, _Distance __n, input_iterator_tag) 
  while (__n--) ++__i;

//BidirectionalIterator重载版本
template <class _BidirectionalIterator, class _Distance>
inline void __advance(_BidirectionalIterator& __i, _Distance __n, 
                      bidirectional_iterator_tag) 
  __STL_REQUIRES(_BidirectionalIterator, _BidirectionalIterator);
  if (__n >= 0)//可以双向
    while (__n--) ++__i;
  else
    while (__n++) --__i;

//RandomAccessIterator重载版本
template <class _RandomAccessIterator, class _Distance>
inline void __advance(_RandomAccessIterator& __i, _Distance __n, 
                      random_access_iterator_tag) 
  __STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);
  __i += __n;

我们看到，第三个参数虽然返回了一个临时变量，但是在重载的版本里面并没有用到，只是通过类型来进行重载。

那么问题来了，Forward版本的__advance去哪了？
原来由于继承关系，当参数无法完全匹配时，会自动传递调用 Input的版本。

最后，上文说到使用traits拿到iterator_category，是这样的访问顺序：

list<>::iterator::iterator_category

可以想见，在STL中应该有这样的代码：

template <>
class list
public:
    class iterator
        typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
    ;
;

---

条款48：认识template元编程

以前真的没有接触过，模板元编程真的是amazing.
先看一个求阶乘的例子：

template <unsigned n>
struct Factorial
    enum  value = n*Factorial<n - 1>::value ;//enum hack
;
template <>
struct Factorial < 0 > 
    enum  value = 1 ;//enum hack
;
int main()

    cout << Factorial<5>::value << endl;//120
    system("pause");
    return 0;

这个例子就是模板元编程里面的"hello world"了…

TMP(模板元编程)可以将工作由运行期移到编译器，因而得以实现早期错误侦测和更高的执行效率。