模板是如何实例化的？

Posted 2023-02-21

【中文标题】模板是如何实例化的？

【英文标题】：How is a template instantiated?

【发布时间】：2014-02-06 09:24:52

【问题描述】：

这是C++ Primer 5th Edition中的一个练习：

练习 16.27：对于每个带标签的陈述，解释什么，如果有的话， 实例化发生。如果模板被实例化，请解释原因；如果 不，解释为什么不。第677页

template <typename T> class Stack  ;

void f1(Stack<char>);                   // (a)

class Exercise 
    Stack<double> &rsd;                 // (b)
    Stack<int>    si;                   // (c)
;

int main() 
    Stack<char> *sc;                    // (d)
    f1(*sc);                            // (e)
    int iObj = sizeof(Stack< string >); // (f)

以下是我尝试过的：

(a) Stack<char> 被实例化，但没有任何成员被实例化。

(b) Stack<double> 被实例化，但没有任何成员被实例化。

(c) Stack<int> 及其默认构造函数被实例化。

(d) (e) 完全不知道...

(f) Stack< string > 被实例化，但没有任何成员被实例化。

我说的对吗？谁能告诉我这段代码是如何实例化的？

【问题讨论】：

如果有疑问，您可以添加相关的静态断言（或类似的东西来强制编译时错误），例如断言T 是void。然后，成员函数中的失败断言会告诉您该成员函数已实例化。当你知道会发生什么时，解释它发生的原因就变得容易多了。成员函数外部的失败断言同样会告诉您该类本身已实例化。

@hvd 谢谢。因为我以前从未使用过断言。我试图理解这种方法。在这种情况下，由于所有的复制和控制成员都是合成版本，我应该像默认构造函数那样编写自定义版本并将断言放入其中吗？如果它没有编译，这意味着这个默认构造函数被实例化了。我说的对吗？

是的，我就是这个意思。您首先检查（使用 David Kernin 的回答）在哪些情况下类本身会被实例化。然后，您可以将类（从答案复制断言样式）更改为，例如，template <typename T> class Stack public: Stack() typedef typename T::ThisDoesntExist StaticAssert; ; 以检测默认构造函数的使用位置。

【参考方案1】：

在您的具体情况下，声明并不意味着实例化

#include <iostream>
using namespace std;


template <typename T> class Stack 
  typedef typename T::ThisDoesntExist StaticAssert; // T::ThisDoesntExist doesn't exist at all!
;


void f1(Stack<char>); // No instantiation, compiles

class Exercise 
  Stack<double> &rsd; // No instantiation, compiles (references don't need instantiation, are similar to pointers in this)
  
  Stack<int>    si; // Instantiation! Doesn't compile!!
;


int main()
  
  Stack<char> *sc; // No Instantiation, this compiles successfully since a pointer doesn't need instantiation
  
  f1(*sc); // Instantiation of Stack<char>! Doesn't compile!!

  int iObj = sizeof(Stack< std::string >); // Instantiation of Stack<std::string>, doesn't compile!!
 

注意指针/引用的东西：它们不需要实例化，因为实际上没有分配数据（指针只是包含地址的几个字节，不需要存储所有数据......看看pimpl idiom)。

只有在分配了东西时，模板才必须被完全解析（这发生在编译时，这就是为什么它们通常需要声明和定义..还没有链接阶段）

【讨论】：

我以前从未使用过断言。在尝试从您的代码中编译语句Stack<int> si;时，有人抱怨'int' is not a class, struct, or union type。如何理解它？

如果您删除所有“不编译”行并将其注释掉，它应该可以编译：ideone.com/Amopp5。

另外：该特定行需要知道练习对象的有多大。如果您不实例化 si 对象，您无法提前知道这一点，而对于指针，它并不重要（在 x64 系统上，指针是 8 字节宽）。

所以……无论指针指向什么对象，指针的大小都是固定的，总是8字节。编译器将始终使用 8 字节空间来存储指针，即使在实例化之前也是如此。但是对于一个对象，编译器在实例化之前不会知道它的大小。你是这个意思吗？

在 x64 系统上，8 个字节。在 32 位 x86 系统上 4 个字节，依此类推，具体取决于架构。指针的类型很重要，但不知道应该提前分配多少空间。

【参考方案2】：

关于 e 和 d 我将引用标准 14.7.1

除非函数模板特化已明确 实例化或显式特化的函数模板 当专业化是隐式实例化时 在需要函数定义存在的上下文中引用。 除非调用是对函数模板显式特化或 显式特化类模板的成员函数，a 函数模板或成员函数的默认参数 调用函数时隐式实例化类模板 在需要默认参数值的上下文中。

也来自标准的示例

template<class T> struct Z 
    void f();
    void g();
;

void h() 
    Z<int> a;     // instantiation of class Z<int> required
    Z<char>* p;   // instantiation of class Z<char> not required
    Z<double>* q; // instantiation of class Z<double> not required
    a.f();        // instantiation of Z<int>::f() required
    p->g();       // instantiation of class Z<char> required, and instantiation of Z<char>::g() required

这意味着在 d 中没有实例化发生。如果该函数实际上需要调用该类型的函数（可以是复制构造函数或函数内部调用的任何其他函数），它将在 e 中实例化。