模板

Posted 2022-12-10 小键233

隐式接口与编译器多态

假如有如下的模板函数：

template<typename T>
void doSomething(T& t)

    if(t.getIs() )
    
        t.traver();
    

那么，对于T 而言，它的隐式接口便是：

bool getIs();
traver();

T 的类型必须要支持这两个接口才能通过编译。

而编译器多态是：

以不同的template 参数具现化function templates ，会导致调用不同的函数

关于typename 的含义

在template 的声明式中，经常有看到class 代替typename 的情况

template<class T> SomeClass;
template<typename T> SomeClass;

其实这是因为历史原因，一开始是让用class 的，但是后来为了把class 归化到类的声明中，而引入了新的关键字typename。
除了多打了几个字符，它们并没有什么分别。

然而，typename 存在的意义并不只是做一点原来class 能做的事情。

考虑有这样的代码：

template<typename T>
void doSomething(T& t)

    T::some_type * x;  //1
    //...

现在问题来了，怎么解释注释1 的那句。
如果some_type 是一种类型，那么x 就是一个指针。
如果some_type 是一个变量（T 中的静态变量，或者其他），那么这句就变成了some_type 乘以x了。

那么在C++中，有个规则解析这一中歧义的状态：

如果解析器在template 中遭遇一个嵌套从属名称，它便假设这名称不是个类型，除非你告诉它是。[1]

所以，对于上述的语句，会被解释为some_type 乘以x。
如果想声明的话，那么应该在嵌套从属名称之前放置typename：

template<typename T>
void doSomething(T& t)

    typename T::some_type * x;  //1
    //...

它告诉编译器，这是个类型！这就是typename 的第二个含义了。

但是“typename 必须作为嵌套从属类型名称的前缀词”这一规则有个例外：

typename 不可以出现在base classed list 内嵌套从属类型名称之前，也不可在member initialization 中作为 base class 修饰词。
比如：

template<T>
class SomeClass: Base<T>::Nested

public:
    SomeClass(int x): Base<T>::Nested(x)
    
        ...
    
;

模板类成为基类时

看下面的代码

class Base

public:
    void doSomething()
    
    
    virtual ~Base() 
;

class Derived: public Base

public:
    void func()
    
        doSomething();
    
;

如果有使用：

    Derived d;
    d.func();

ok。这个表现得很好，程序能够编译和运行。
现在我们要给它们加上模板了。

template<typename T>
class Base

public:
    virtual ~Base() 
    void doSomething()
    
    
;

template<typename T>
class Derived: public Base<T>

public:
    void func()
    
        doSomething();
    
;

除了加上模板，并没有什么不同的。
但是，当这样的时候：

    Derived<int> d;
    d.func();

ok，它挂了，它报错了，它变了，它以前不是这样的！

为什么呢？
在回答这个问题之前，我们不妨给Base模板类写个全特化的版本：

struct Special
;

template<>
class Base<Special>

public:
    virtual ~Base() 
    //Special 的特化版本中没有dosomething 的函数
;

这完全没有问题，也能通过编译，这时候，假如有下面的使用：

Derived<int> d;  //这个有api  doSomething
Derived<Special> ds;//这个没有api

看明白了吗，如果模板类的Base 特化以后，它的行为可能会和泛化的完全不一样，那么在继承了模板类的Derived Class 中，不问结果地调用基类的接口，可能会出错。

这就是为什么编译出错的原因：

它知道base template class 有可能会特化，而那个特化版本可能不提供和一般性的template 相同的接口。因此，它往往拒绝在templatized base class （模板化基类）内寻找继承而来的名称。[1]

直白点，就是说，当继承模板化基类时，它的派生类会假装我并不知道基类的接口是什么

如果我确实是想调用一般化的基类的接口，那么有两种方法

• 加this 指针调用
• 使用using

对于代码如下：

template<typename T>
class Derived: public Base<T>

public:
    void func()
    
        using Base<T>::doSomething(); //两种选一种就可以了
        this->doSomething();
    
;

模板类型转换

假设我们现在写一个封装类型的类：

template<typename T>
class Type

    T i;
public:
    Type(T ini) : i(ini) 
    Type doOpe (const Type& b) const
    
        return i*b.i;
    
;

template<typename T>
Type<T> operator * (const Type<T>& a, const Type<T>& b)

    return a.doOpe(b);

我们希望能够做乘法运算，于是重载了操作符。
那么，假如现在这么使用：

    Type<int> a(3);
    Type<int> b(2);
    Type<int> c = a*b;
    Type<int> d = a*4;  //不通过

你会发现其中d 不会被编译通过。
但是在使用的过程中，我们是希望这句能够通过的，因为我们将int 封装为Type ，自然希望这样的乘法能够通过。

不能通过是因为：

template实参推导过程中从不将隐式类型转换函数纳入考虑。[1]

也就是说，必须这样显示地使用才会让你通过编译：

    Type<int> d = ::operator*<int>(a,4);

但是，这样使用未免不够直观，所以，我们可以把operator × 操作符声明为Type 的友元函数。这样，当具现化Type 时，友元函数自然也会被推导出来，于是编译器找到合适的函数，运行下去：

template<typename T>
class Type

    T i;
public:
    Type(T ini) : i(ini) 
    friend Type operator * (const Type& a, const Type& b)
    
        return a.i*b.i;
    
;

*有些编译器强制要求模板类的定义和实现放在一起。

事已至此，皆大欢喜。

[参考资料]
[1] Scott Meyers 著, 侯捷译. Effective C++ 中文版: 改善程序技术与设计思维的 55 个有效做法[M]. 电子工业出版社, 2011.
（条款41：了解隐式接口和编译器多态;
条款42：了解typename 的双重含义;
条款43：学习处理模板化基类内的名称;
条款46：需要类型转换时请为模板定义非成员函数）