模板和宏
前些日子，論壇里大打口水仗的時(shí)候，有人提出這樣一個論斷：模板本質(zhì)上是宏。于是，諸位高手為此好好辯論了一番。我原本也想加入論戰(zhàn)，但是覺得眾人的言論已經(jīng)覆蓋了我的想法，所以也就作罷了。
盡管沒有參與討論，但“模板究竟和宏有什么關(guān)系”這個問題，始終在我的腦海中上下翻飛。每當(dāng)我能夠放松下來的時(shí)候，這個問題便悄悄地浮現(xiàn)。（通常都是哄兒子睡下，然后舒舒服服地沖個熱水澡的時(shí)候:)）。
我思索了半天，決定做些實(shí)際的代碼，以了解兩者的差異。現(xiàn)在，我把試驗(yàn)的結(jié)果提交給大家，讓眾人來評判。
模板和宏是完全兩個東西，這一點(diǎn)毋庸置疑。模板的一些功能，宏沒有；宏的一些功能，模板沒有。不可能誰是誰的影子。我們這里主要想要弄清的是，模板的本質(zhì)究竟是不是宏。
需要明確一下，所謂“本質(zhì)”的含義。這里我假定：一樣?xùn)|西是另一樣?xùn)|西的“本質(zhì)”，有么后者是前者的子集，要么后者是通過前者直接或間接地實(shí)現(xiàn)的，要么后者的基礎(chǔ)原理依賴于前者。如果哪位對此設(shè)定心存疑議，那么我們就得另行討論了。
首先，我編寫了一個模板，然后試圖編寫一個宏來實(shí)現(xiàn)這個模板的功能：
template<typename T>
class cls_tmpl
{
public:
string f1() {
strings=v.f()+”1000”;
return s;
}
void f2() {
v.g();
}
private:
Tv;
};
下面是宏的模擬：
#definecls_mcr(T) \
class \
{\
public:\
void f1() {\
v.f();\
}\
void f2() {\
v.g();\
}\
private:\
Tv;\
}
當(dāng)我使用模板時(shí)，需要這么寫：
cls_tmpl<Tp1>ct;
使用宏的版本，這么寫：
cls_mcr(Tp1)cm;
兩者寫法一樣。但是下列代碼便出現(xiàn)問題：
cls_tmpl<Tp1>ct1;
cls_tmpl<Tp1>ct2;
ct1=ct2;//Ok，ct1和ct2是同樣的類型
cls_mcr(Tp1)cm1;
cls_mcr(Tp1)cm2;
cm1=cm2;//編譯錯誤，cm1和cm2的類型不同
由于cls_mcr(Tp1)兩次展開時(shí)，各自定義了一遍類，編譯器會認(rèn)為他們是兩個不同的類型。但模板無論實(shí)例化多少次，只要類型實(shí)參相同，就是同一個類型。
這些便說明，模板和宏具備完全不同的語義，不可能用宏直接實(shí)現(xiàn)模板。如果要使宏避開這些問題，必須采用兩階段方式操作：
typedef cls_mcr(Tp1)cls_mcr_Tp1_;
cls_mcr_Tp1_cm1;
cls_mcr_Tp1_cm2;
cm1=cm2;//同一個類型，可以賦值
這反倒給了我們一個提示，或許編譯器可以在一個“草稿本”上把宏展開，然后通過用展開后的類名將所有用到的cls_mcr(…)替換掉。這樣便實(shí)現(xiàn)了模板。
但事情并沒有那么簡單。請考慮以下代碼：
class Tp1
{
public:
string f() {
return“X”;
}
};
cls_tmpl<Tp1>ct1;
ct1.f1();
cls_mcr(Tp1)cm1;//編譯錯誤：Tp1不包含成員函數(shù)g()
cm1.f1();
盡管模板和宏的代碼一樣，但是編譯器卻給出了不同的結(jié)果。回溯到cls_tmpl和cls_mcr的定義，兩者都有一個f2()成員函數(shù)訪問了Tp1的成員函數(shù)g()。但是，模板的代碼并沒有給出任何錯誤，而宏卻有編譯錯誤。要解釋清楚這個差異，先得了解一下C++模板的一個特殊的機(jī)制：模板中的代碼只有在用到時(shí)才會被實(shí)例化。也就是說，當(dāng)遇到cls_tmpl<Tp1>時(shí)，編譯器并不會完全展開整個模板類。只有當(dāng)訪問了模板上的某個成員函數(shù)時(shí)，才會將成員函數(shù)的代碼展開作語義檢查。所以，當(dāng)我僅僅調(diào)用f1()時(shí)，不會引發(fā)編譯錯誤。只有在調(diào)用f2()時(shí)，才會有編譯錯：
ct1.f2();//編譯錯誤，Tp1不包含成員函數(shù)g()
這種機(jī)制的目的主要是為了減少編譯時(shí)間。但后來卻成為了泛型編程和模板元編程中非常重要的一個機(jī)制。（最早用于traits等方面，參見《C++ Template》一書。我在模擬屬性的嘗試中，也使用了這種機(jī)制，很好用。）
相反，宏是直接將所有的代碼同時(shí)展開，之后在編譯過程中執(zhí)行全面的語言檢查，無論其成員函數(shù)使用與否。而模板一開始僅作語法檢查，只有使用到的代碼才做語義檢查和實(shí)際編譯。
從這一點(diǎn)看出，即使允許宏在“草稿本”中展開，它同模板在展開方式上也存在著巨大的差別。僅憑這一點(diǎn)，便可以否定“模板的本質(zhì)是宏”這個論斷。但是，如果我們把眼光放寬一些，是否可以這么認(rèn)為：盡管模板和宏采用了完全不同的展開方式，那么如果模板中的每個成員都看作獨(dú)立的宏，那么是否可以認(rèn)為模板是通過一組宏，而不是一個宏，實(shí)現(xiàn)的呢？
讓我們來看模板cls_tmpl<>的成員函數(shù)f1()：
string f1() {
strings=v.f()+”1000”;
return s;
}
如果我們把f1看作一個宏， f1在需要時(shí)以宏的方式展開，然后正式編譯。當(dāng)然，我們首先必須將模板轉(zhuǎn)換成一組宏。如果哪個編譯器真是這樣做的，那么可以勉強(qiáng)地認(rèn)為這個編譯器是通過宏實(shí)現(xiàn)模板的。（不過這種樣子的“宏”，還能算宏嗎？）
但是，當(dāng)我們考慮另一個問題，事情就不再那么簡單了。請看以下代碼：
x=y;
a=b;
假設(shè)x、y、a、b都是int類型。這兩行代碼編譯后可能會變成如下等效的匯編代碼（實(shí)際上是機(jī)器碼）：
mov eax, y
mov x, eax
mov eax, b
mov a, eax
我們可以看到，這兩行代碼分別轉(zhuǎn)化成兩條匯編指令，所不同的是參與的內(nèi)存變量。可以認(rèn)為編譯器把賦值的匯編碼（機(jī)器碼）做成一個“宏”：
#define assign(v1, v2) \
mov eax, v2\
mov v1, eax
在編譯時(shí)用內(nèi)存變量（的地址）替換“宏”的參數(shù)。那么這種情況下，我們是否應(yīng)該認(rèn)為編譯器（或者說編譯）的本質(zhì)是宏呢？
由于C++標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定用什么方式展開模板，而我們也很難知道各種編譯器是如何實(shí)現(xiàn)模板的，也就無從得知模板是否通過宏物理實(shí)現(xiàn)。但是，我個人的看法是，宏和模板都是語法層面的機(jī)制。如果一定要用宏這種語法層面的機(jī)制，來解釋模板的（物理）本質(zhì)，那也太牽強(qiáng)附會了。
我覺得比較合理的解釋是：如果一定要把宏和模板扯上什么“親戚關(guān)系”，那么說宏是模板的遠(yuǎn)方大表哥比較合理。兩者在技術(shù)上有一定的同源性。都是以標(biāo)識符替換為基礎(chǔ)的。但是，其他在方面，我們很難說它們有多大的相似性或者關(guān)系。宏是語法層面的機(jī)制，而模板則深入到語義層面。無論是語法、語義，還是具體的實(shí)現(xiàn)，都沒有什么一樣的地方。
至于“模板的本質(zhì)是宏”這種說法的始作俑者，可能是Stroupstrup本人。最初他提出模板（當(dāng)時(shí)稱為類型參數(shù)）可以通過宏實(shí)現(xiàn)。但是不久以后，便發(fā)現(xiàn)他心目中的模板和宏有著天壤之別。于是，他和其他C++的創(chuàng)建者一起建立和發(fā)展了模板的各種機(jī)制。
故事本該就此結(jié)束，但是這個說法卻越傳越廣。我猜想原因有可能兩種。其一是為了使一些初學(xué)者理解模板的基本特征，用宏來近似地解釋以下模板，使人容易理解。我曾經(jīng)對一些不開竅的同僚說：“如果你實(shí)在搞不清模板，可以把它理解成象宏那樣的東西。但是記住，它跟宏沒關(guān)系！”很多人話只聽半句。他們記住了前半句，扔掉了更重要的后半句。所以，我現(xiàn)在再也不說這樣的話了。
另一種原因可就險(xiǎn)惡多了。一些試圖打壓C++的人總是不遺余力地貶損C++的各種特性，（C++的問題我們得承認(rèn)，但是總得實(shí)事求是吧），特別是那些最強(qiáng)大的功能。而模板則是首當(dāng)其沖的。如果把模板和宏，這種丑陋的、臭名昭著的“史前活化石”聯(lián)系在一起，對于打擊C++的名聲有莫大的幫助。（即便C++社群，也非常積極地排斥宏）。
實(shí)際上，模板的本質(zhì)是不是宏，根本沒有什么實(shí)際意義。即便是這樣，也絲毫不會影響模板的價(jià)值。很多高級的編程機(jī)制都是建立在傳統(tǒng)的技術(shù)之上的，比如虛函數(shù)就是利用函數(shù)指針表和間接調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。從沒有人拿這一點(diǎn)說事。
但是，很多人卻對模板大做文章，想借此說明模板在本質(zhì)上是落后的東西。以此欺騙世人，特別是那些懵懂的初學(xué)者。我寫此文的目的，就是實(shí)在忍受不了這種指鹿為馬的言論，借此反擊一下。
另一方面，通過模板和宏的特性的比較，可以使我們更深入地了解和理解兩種機(jī)制的特性、能力和限制。溫故而知新，總會有新的收獲。
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