分类: C/C++
2012-05-17 16:47:26
模板定义:模板就是实现代码重用机制的一种工具,它可以实现类型参数化,即把类型定义为参数,从而实现了真正的代码可重用性。
我们知道,C++ 是一种“强类型”的语言,也就是说一个变量,编译器必须确切的知道它的类型,而模板就是构建在这个强类型语言基础上的泛型系统。
2. 模板的语法
模板函数
template< typename {类型参数名称}, [ int {Name}=...][, ...] >
{函数定义}
模板类
template< typename ... , [ int {Name}=...] >
class ...
模板的参数可以是类型,或者是一个 int 型的值(或者可以转换为int 型的,比如 bool)。
3. 模板的使用
显式类型参数:对于模板函数,在函数名后添加 < {类型参数表} >。对于模板类,在类后添加 < {类型参数表} >
隐式类型参数:对于模板函数,如果类型参数可以推导,那么可以省略类型参数表
举个例子:
template< typename T >
T max( T a, T b )
{
return a < b ? b : a;
}
这个 max 函数就是一个模板函数,它可以传入一个 “类型”的参数,以便实现任意类型求最大值的效果。假设我们这样使用它:
int x=5, y=10;
int z=max
这时候发生了什么呢?我们传入的“类型参数”是int,因此编译器在编译这段代码时会使用 int 来构造一个新函数:
int max( int a, int b )
{
return a < b ? b : a;
}
后面的事就和编译普通的函数一样了,C++编译器继续使用强类型系统编译这个函数,由强类型系统来检查这个函数是否正确。
这个过程叫做模板的“特化”,它发生在编译期,当编译器发现模板函数、模板类被使用(注意,不是定义)的时候进行的。这个系统实际上比较像宏,但是比宏更为智能。
很明显,编译器必须知道模板如何特化这个函数,因此模板函数的实现,必须在“使用点”之前,因此模板库只能通过头文件库的形式来提供。
4. 模板的类型推导
对于函数,编译器是知道传入参数的类型的,比如上面的max,max< ? >( x, y ),由于第一个参数 x 是 int 类型的,那么 ? 这里需要填写什么呢?
我们可以很明显的推断出应该是 "int",否则,后面的强类型系统将无法编译这个函数。编译器同样知道 x 的类型,因此它也能推导出“类型参数”,这时候我们调用时就可省略模板参数了。
这个推导是按顺序来的,因此如果上面的 y 是其他类型,? 仍然会被推导为 int,如果y无法隐性转换为int,强类型编译时就会报错。
5. 类型推导的隐式类型转换
在决定模板参数类型前,编译器执行下列隐式类型转换:
左值变换
修饰字转换
派生类到基类的转换
见《C++ Primer》([注2],P500)对此主题的完备讨论。
简而言之,编译器削弱了某些类型属性,例如我们例子中的引用类型的左值属性。举例来说,编译器用值类型实例化函数模板,而不是用相应的引用类型。
同样地,它用指针类型实例化函数模板,而不是相应的数组类型。
它去除const修饰,绝不会用const类型实例化函数模板,总是用相应的非 const类型,不过对于指针来说,指针和 const 指针是不同的类型。
底线是:自动模板参数推导包含类型转换,并且在编译器自动决定模板参数时某些类型属性将丢失。这些类型属性可以在使用显式函数模板参数申明时得以保留。
6. 模板的偏特化
如果我们打算给模板函数(类)的某个特定类型写一个函数,就需要用到模板的偏特化,比如我们打算用 long 类型调用 max 的时候,返回小的值(原谅我举了不恰当的例子):
template<> // 这代表了下面是一个模板函数
long max
{
return a > b ? b : a;
}
实际上,所谓偏特化,就是代替编译器完成了对指定类型的特化工作,现代的模板库中,大量的使用了这个技巧。
7. 仿函数
仿函数这个词经常会出现在模板库里(比如 STL),那么什么是仿函数呢?
顾名思义:仿函数就是能像函数一样工作的东西,请原谅我用东西这样一个代词,下面我会慢慢解释。
void dosome( int i )
这个 dosome 是一个函数,我们可以这样来使用它: dosome(5);
那么,有什么东西可以像这样工作么?
答案1:重载了 () 操作符的对象,比如:
struct DoSome
{
void operator()( int i );
}
DoSome dosome;
这里类(对 C++ 来说,struct 和类是相同的) 重载了 () 操作符,因此它的实例 dosome 可以这样用 dosome(5); 和上面的函数调用一模一样,不是么?所以 dosome 就是一个仿函数了。
实际上还有答案2:
函数指针指向的对象。
typedef void( *DoSomePtr )( int );
typedef void( DoSome )( int );
DoSomePtr *ptr=&func;
DoSome& dosome=*ptr;
dosome(5); // 这里又和函数调用一模一样了。
当然,答案3 成员函数指针指向的成员函数就是意料之中的答案了。
8. 仿函数的用处
不管是对象还是函数指针等等,它们都是可以被作为参数传递,或者被作为变量保存的。因此我们就可以把一个仿函数传递给一个函数,由这个函数根据需要来调用这个仿函数(有点类似回调)。
STL 模板库中,大量使用了这种技巧,来实现库的“灵活”。
比如:
for_each, 它的源代码大致如下:
template< typename Iterator, typename Functor >
void for_each( Iterator begin, Iterator end, Fucntor func )
{
for( ; begin!=end; begin++ )
func( *begin );
}
这个 for 循环遍历了容器中的每一个元素,对每个元素调用了仿函数 func,这样就实现了 对“每个元素做同样的事”这样一种编程的思想。
特别的,如果仿函数是一个对象,这个对象是可以有成员变量的,这就让 仿函数有了“状态”,从而实现了更高的灵活性。