C++的抽象能力解说

C++的抽象能力在各种语言中算得上出类拔萃的。正如大地是Titan的力量之源，C++的抽象能力也有它的技术基础。

泛型编程可以算作最重要的C++特性。在“C With Class”时代，C++等抽象能力相比SmallTalk之类的OOP语言，并没什么过人之处。但在应用的刺激下（最早是io stream），C++引入模板，以实现参数化类型的需求，也就是“泛型”的功能。然而，C++革命性的进步得益于Alexander Stepanov在STL上所做的贡献。

泛型提供了一种“泛化”编程手段。在泛型编程中，我们被赋予了一种面向一类问题，而非单个的具体问题，的编程能力。然而，仅仅“泛化”，还不足以提供充分的抽象能力。实际上，C++的独特，而又强大的抽象能力，来源于两个相对的概念：泛化和特化。

泛化，可以看作处理具备某种特征的一类类型的能力。而特化，则是一个相反的过程：处理一个具体的问题。

如同道家的阴阳变化造就世间万物，泛化和特化的有机组合，构成了C++的抽象体系。可以通过一个简单的（已经被用烂的）例子演示这种组合：

void swap(int& a, int& b) {

   int t=a;

   a=b;

   b=t;

}

函数swap两个int类型变量的值。考虑到类型无穷无尽，不可预测（谁知道swap的使用者会创造除什么类型进行）。所以，为了避免无穷无尽的“来料加工”，我们必须创建一个对任何类型都有效的算法。于是，模板出现了：

//代码#1

template

void swap(T& a, T& b) {

   T t(a);

   a=b;

   b=t;

}

泛化展示出了它的威力：写一次代码，套所有类型（当然得符合要求：可以赋值，拥有复制构造函数）。

但事情并没有完结。对于某些类型，这个swap模板是个着实笨拙的算法。比如matrix：

matrix a,b;

swap(a,b);

此时swap的代码等价于这样一个函数：

//代码#2

void swap_matrix(matrix& a, matrix& b) {

   matrix t(a);

   a=b;

   b=t;

}

这里会产生至少一个临时变量，并且伴随着大量的数据拷贝。对与C++的使用者而言，这是邪恶的犯罪行为。现在，假设
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matrix有一个成员函数swap()。该函数可以在O(1)的复杂度下交换两个matrix对象的内容。利用这个特性，可以大幅提升某些特定类型的swap性能。下一步需要扩展swap，使其可以针对matrix做特别处理。

具体的方法有两种。先看较传统的重载：

//代码#3

void swap(matrix& a, matrix& b) {

   a.swap(b);

}

另一种更摩登的方法是采用模板特化：

//代码#4

template<>

void swap(T& a, T& b) {

   a.swap(b);

}

两种方法都对matrix生成了一个专用的swap函数，这便是一种特化。使用时，也无需关心那个类型用哪个版本的算法，只管调用便是了，其他的都交给swap的作者和C++去吧：

int ia=10, ib=3;

matrix ma, mb;

…

swap(ia, ib);  //使用原始的swap()版本，通过临时对象交换数据

swap(ma, mb);  //使用对象上的swap()函数

在实际应用中，类似[Page]matrix的笨重的类型多如牛毛。最典型的就是STL里的容器，从vector到map都是这副德行。

对所有这些类型挨个儿重载或特化，绝对不是令人愉快的工作。何况也无法预测算法的使用者会搞出什么样古怪的类型来。而且，这种针对性的特化让泛型编程的优点荡然无存，代码重用也就无从谈起。

问题的关键在于泛化（特化）的粒度。在实际开发中，泛化和特化并非有你无我的绝对排斥关系。形象起见，用一个彩色木棍做比喻。想像有一根木棍，一头是红色的，另一头是蓝色的，木棍的颜色从红色渐渐过渡到蓝色。当然啦，中间的颜色应该是紫色。我们假设，蓝色表示泛化，红色表示特化。从红色那头开始，颜色越来越蓝，也就是越来越泛化。

在上面的swap()案例中，代码#1给出了完全泛化的模板（纯蓝色）。而代码#3和#4给出的则是针对一个具体类型的完全特化的版本（纯红色）。

然而，我们所面临的多数问题并非这种纯红/纯蓝模式所能解决的。我们需要的是紫色、红紫色，或者蓝紫色的模式。也就是中间粒度的泛化。具体而言，我们需要的是针对具备某种特性的类型，而不是所有类型或某个具体类型，的泛化和特化。

C++的模板局部特化机制，提供了稍细粒度的泛化（特化）能力。下面是几个典型的案例：

template class X {…};//一般情况下使用这个模板，除非…

template class X {…};//当类型参数是引用时，使用这个模板；

template class X {…};//当类型参数是指针时，使用这个模板；

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ctemplate class X {…};//当类型参数是形如R (P)                                                 //的函数时，使用这个模板

…

这种特化功能已经很强大了。但是，它并不能完全满足我们的要求。因为这种形式仅仅提供了针对类型大类的泛化（特化）功能，如指针、引用、函数、数组等等。但无法直接提供更细粒度的泛化和特化能力。

具体到swap()案例，我们需要这样一种特化：对所有拥有T::swap(T const&)成员函数的类型做特化。这种泛化需求在目前的C++中也只能通过一些复杂、机巧的手段获得：

struct true_ { static const bool result=true;};

struct false_ { static const bool result=false;};

template struct has_swap_mem : false_ {};

template<> struct has_swap_mem : public true_{};

template struct has_swap_mem > : public true_{};

template struct has_swap_mem > : public true_{};

…

template

struct do_swap

{

   void operator(T& a, T& b) {[Page]

       T t(a);

       a=b;

       b=t;

   }

}

template

struct do_swap

{

   void operator(T& a, T& b) {

       a.swap(b);

   }

}

template

void swap(T& a, T& b) {

   do_swap::result>()(a, b);

}

通过这种所谓“tagged dispatch”手法，我们可以手工地为每一个类型配备一个（或一组）traits类（结构），其中包含类型的特征描述。然后利用模板（局部）特化技术，以traits类的特征值进行编译时分派。在此基础上，我们可以进一步增加类型的特性描述，进一步细化swap的泛化粒度。比如，对于数组，必须使用循环，而无法直接用临时变量执行交换等等。

这种技术是有效的，但着实复杂。而且工作量巨大，因为需要为每个类型写traits类。但随着C++09中concept的引入，这些问题迎刃而解。

简单的讲，concept描述了一个类型在对外接口上的特征

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/1726031.aspx，及其参考文献）。比如，我们可以用这样一个concept描述“具备swap()成员函数的类型”：

auto concept has_swap {

   void T::swap(T&);

}

这样，swap()算法便可以写成：

//代码#5

template

void swap(T& a, T& b) {

   T t(a);

   a=b;

   b=t;

}

//代码#6

template

void swap(T& a, T& b) {

   a.swap(b);

}

就这么简单，无需更多的代码。编译器会忠实地履行类型匹配的职责。于是，下面的调用，会以皆大欢喜的方式执行：

int ia=10, ib=3;

matrix ma, mb;

…

swap(ia, ib);  //使用#5，用临时变量。

swap(ma, mb);  //使用#6，用swap成员。

这样已经相当理想了，但还是不够。C++09中，还将提供更进一步的模板约束细化手段：将多个concept联合使用：

template

   requires CopyAssignable

void swap(T& a, T& b) {…}

//或等价的

template

   requires CopyConstructible && CopyAssignable

void swap(T& a, T& b) {…}

甚至可以用 ! 操作符“去除”类型的某种特性：

//具备默认构造函数，但没有复制构造函数的类型：

requires DefaultConstructible && !CopyConstructible

通过不同concept间的&&组合和 && ! 组合，我们便可以很精确地描述一个类型的特征。反过来，当我们需要编写一个泛型算法或模板时，也可以很精确地用concept描述所需要的类型的特征。这种能力带来了两大好处，其一是强化了类型检测，消除了错误信息的问题，简化了学习和使用。[Page]

另一方面，便是为我们提供了非常自由的泛型粒度控制。在C++等现在语言中，类型已经不仅仅是一种数据构造的描述。类型具备了“行为”（通过成员函数和相关的自由函数）。在C++中，一个类型所具备的的“行为”便是这个类型的特征。而concept通过描述类型的成员函数和相关的自由函数，以确定某一类类型的“行为”，进而明确它们的特征。

当concept参与到重载和模板特化中，便使得我们可以针对不同特征的类型编写不同的实现代码，同时却又能维持统一的语义。比如，前面的swap()案例中，无论那种实现，临时变量，还是成员函数，

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swap()的语义完全相同，都是交换两个对象的内容。但不同的类型，则可以采用完全不同的方式实现。swap()的使用者无需关心应当使用swap_by_temp()还是swap_by_mem()。他们需要关心的仅仅是swap()的语义：把两个对象的内容互换，而无需知道实现。但却又能得到最高效，最恰当的算法。

这种相同语义，不同实现的模式，对于简化库的使用，优化库代码起着至关重要的作用。不仅仅在基础库，在应用库，甚至是日常的应用程序开发中，都能发挥巨大的作用。

对C++而言，其异于他人的抽象能力来源于对泛型编程的支持。泛型编程提供了面向一类问题编程的能力。当现实问题以类型的形式描述后，类型泛化便成为语言抽象能力的精髓。泛型编程的核心便是面向泛化的，而非具体的类型编程。

但在泛型编程中，简单地面向所有类型泛化，并没有太大价值。和尽管引入了泛型，但其应用范围也仅仅局限于提供容器而已。因为，它们只能泛化，而不能特化。对于泛化粒度的精确控制，是泛型编程实用化的关键。毕竟，大多数事物除了共性外，还存在着诸多特例。C++09中即将引入的concept便是将各种类型按其特性分类的有效工具。同时，更赋予我们针对不同类型分类编写程序的能力。届时，泛型编程将会进入真正的自由王国。