模板与泛型编程

Posted 2021-03-10 tianzeng

　　C++ templates的最初发展动机很直接：让我们得以建立“类型安全”的容器如vector，list和map。然而当愈多人用上templates，他们发现templates有能力完成愈多可能的变化。容器当然很好，但泛型编程——写出的代码和其所处理的对象类型彼此独立——更好。STL算法如for_each, find 和 merge 就是这一类编程的成果。最终人们发现，C++ template机制自身是一部完整的图灵机：它可以被用来计算任何可计算的值。于是导出了模板元编程，创造出“在C++编译器内执行并于编译完成时停止执行”的程序。容器反倒只成为C++ template 上的一小部分。然而，尽管template 的应用如此宽广，有一组核心观念一直支撑着所有基于template的编程。那些观念便是本章焦点。

条款41 ： 了解隐式接口和编译期多态

　　面向对象编程世界总是以显式接口和运行期动态解决问题。如下代码所示：

class Widget
{
    public:
        Widget();
        virtual ~Widget();
        virtual std::size_t size() const;
        virtual void normalize();
        void swap(Widget& other);     // 条款25
        .....
};

void doProcessing(Widget& w)
{
    if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget)
    {
        Widget temp(w);
        temp.normalize();
        temp.swap(w);
    }
}

　　1.由于w的类型被声明为Widget，所以w必须支持Widget接口。我们可以在源码中找出这个接口，看看它是什么样子，所以我们称为一个显式接口，也就是它在源码中明确可见。

　　2.由于Widget的某些成员函数是virtual，w对那些函数的调用将表现出运行期多态，也就是说将于运行期根据w的动态类型（条款37）决定究竟调用哪一个函数。

　　Templates及泛型编程的世界，与面向对象有根本不同。在此世界中显式接口和运行期多态仍然存在，但重要性降低。反倒是隐式接口和编译器多态更显重要了。如下：

template<typename T>
void doProcessing(T& w)
{
    if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget)
    {
        Widget temp(w);
        temp.normalize();
        temp.swap(w);
    }
}

　　3.w 必须支持哪一种接口，系由template中执行于w身上的操作来决定。本例看来w的类型T好像必须支持size,normalize和swap成员函数，copying函数（用来建立temp），不等比较（用来比较someNasty-Widget）等等。这一组表达式（对此template而言必须有效编译）便是T必须支持的一组隐式接口。

　　4.凡涉及w的任何函数调用，例如operator>和operator!=,有可能造成template具现化，使这些调用得以成功。这样的具现行为发生在编译期。“以不同的template参数具现化function templates（函数模板）”会导致调用不同的函数，这个便是所谓的编译期多态。（“哪一个函数应该被调用”——发生在编译期； “哪一个virtual函数该被绑定”——发生在运行期）。

　　通常，显式接口由函数签名式（也就是函数名称、参数类型、返回类型）构成。

　　隐式接口就完全不同了。它并不基于函数签名式，而是由有效表达式组成。

　　template参数身上的隐式接口，就像class对象身上的显示接口一个样真实，二者都在编译期完成检查。无法在template中使用“不支持template所要求之隐式接口”的对象，代码编译通不过。

请记住：

　　1. classes 和 templates 都支持接口和多态。

　　2. 对classes而言接口是显式的，以函数签名为中心。多态则是通过virtual函数发生于运行期。

　　3. 对template参数而言，接口是隐式的，奠基于有效表达式。多态则是通过template具现化和函数重载解析发生于编译期。