只有使用C++語(yǔ)言的少數(shù)用戶(hù)才努力嘗試去理解模板的基本原理。然而那些希望去探索更多高級(jí)用法的人往往發(fā)現(xiàn)自己需要努力去理解模板是如何被語(yǔ)言所支持的，因?yàn)槿狈γ鞔_的說(shuō)明。一個(gè)很大的問(wèn)題在于一些工具只實(shí)現(xiàn)了C++標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)子集。本文將指出它們共同的缺陷并深入剖析如何使用C++模板快速產(chǎn)生可重用和高效的代碼。
模板功能應(yīng)用的典型是通過(guò)一系列模板類(lèi)形成的完整類(lèi)庫(kù)，特別是STL和ATL。標(biāo)準(zhǔn)C++庫(kù)(STL)提供了很多可重用和靈活的類(lèi)及算法，而ATL則是使用C++進(jìn)行COM編程的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。要掌握這些及其它的模板庫(kù)，理解模板是如何工作的這一基礎(chǔ)是非常重要的。
函數(shù)模板
int main()
{
0 cout<<add(2,3)<<endl;
1 cout<<add(2.1,3)<<endl;
2 cout<<add(2,3.2)<<endl;
3 cout<<add(2.2,3.3)<<endl;
4 cout<<add("hello eone ","world")<<endl;
return 0;
}
也可以通過(guò)宏定義#define add(a,b) ((a)+(b))來(lái)實(shí)現(xiàn),但是指針(字符串)不能直接相加.對(duì)于2,3,4需要進(jìn)行模板特化.
通過(guò)重載函數(shù)，我們能夠完成多種不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的相同操作。要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)double數(shù)值的加法和兩個(gè)整數(shù)類(lèi)型的加法，我們可以使用一個(gè)重載函數(shù)：
int add(const int x, const int y)
{
return x + y;
}
double add(const double x, const double y)
{
return x + y;
}
這時(shí)，編譯器將根據(jù)它們的參數(shù)正確地解決這一問(wèn)題。
// 調(diào)用int add(const int, const int);
const int z1 = add(3, 2);
// 調(diào)用double add(const double, const double);
const double z2 = add(3.0, 2.0);
如果我們需要處理其它類(lèi)型，我們就不得不提供其他函數(shù)重載。對(duì)每個(gè)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)重載，它們都遵循相同的模式，每當(dāng)我們需要調(diào)用針對(duì)某一數(shù)據(jù)類(lèi)型的函數(shù)時(shí)，原則上編譯器為我們生成相應(yīng)的代碼。而一個(gè)模板函數(shù)則以如下方式實(shí)現(xiàn)：
template<class T>
const T add(const T &t1, const T &t2)
{
return t1 + t2;
}
從概念上來(lái)說(shuō)，編譯器通過(guò)模板關(guān)鍵字(后面跟隨著模板由一或多個(gè)模板參數(shù)構(gòu)成的參數(shù)列表)來(lái)識(shí)別模板。當(dāng)為某一具體類(lèi)型調(diào)用add時(shí)，編譯器將根據(jù)模板定義并用給定的類(lèi)型替換出現(xiàn)在模板中的參數(shù)。在這個(gè)例子中，模板參數(shù)列表由一個(gè)獨(dú)立的類(lèi)型模板參數(shù)T構(gòu)成。使用一個(gè)模板函數(shù)替代函數(shù)重載，編譯器可以自動(dòng)為所需的新類(lèi)型生成代碼
我們可以對(duì)任何擁有+操作符定義的類(lèi)型使用add模板。假設(shè)一個(gè)自定義的String類(lèi)提供了字符串連接并知道如何將自身寫(xiě)入到std::ostream。因?yàn)镾tring與該模板函數(shù)兼容，因此我們可以調(diào)用它來(lái)實(shí)現(xiàn)字符串相加：
// 示例字符串
const string strBook("book");
const string strWorm("worm");
// 顯示 "bookworm".
cout << add(strBook, strWorm) << endl;
Seeing that we intended to add two String values, the compiler will generate the appropriate add function on our behalf, which would look something like:
const String add(const String &t1, const String &t2)
{
return t1 + t2;
}
顯式實(shí)例化
調(diào)用模板函數(shù)時(shí)，編譯器將先把正確的類(lèi)型實(shí)例化模板。雖然標(biāo)準(zhǔn)允許顯式模板實(shí)例化，然而并非所有廠商都能夠正確地實(shí)例它。例如，Visual C++ 6.0 會(huì)潛在地調(diào)用錯(cuò)誤的函數(shù)：:
template<class T>
int getSize(void) {
return sizeof(T);
}
// 輸出4，應(yīng)該為8
cout << "double: " << getSize<double>() << endl;
// 輸出4，正確
cout << "int: " << getSize<int>() << endl;
跨平臺(tái)代碼設(shè)計(jì)者不希望依賴(lài)于顯式模板函數(shù)實(shí)例化，除非有更好的編譯器能夠?qū)λ峁┯行У闹С?
類(lèi)似于函數(shù)模板，模板也可以應(yīng)用于類(lèi)。模板可以用于根據(jù)普通模式提供一系列類(lèi)。如果我們需要一套完整的算術(shù)運(yùn)算來(lái)補(bǔ)充add函數(shù)，我們可以考慮使用一個(gè)類(lèi)。通過(guò)模板，它就可以根據(jù)類(lèi)型參數(shù)化為一個(gè)普通類(lèi)：
template<class T>
class CCalculator
{
public:
CCalculator(const T &x, const T &y) : m_x(x), m_y(y){ }
~CCalculator(void){ }
const T add(void){ return m_x + m_y; }
const T sub(void){ return m_x - m_y; }
const T mult(void){ return m_x * m_y; }
const T div(void){ return m_x / m_y; }
private:
const T m_x;
const T m_y;
};
要實(shí)例化模板類(lèi)，我們需要提供一個(gè)指定類(lèi)型：
// 創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)計(jì)算對(duì)象
CCalculator<int> calc(5, 2);
// 結(jié)果應(yīng)該為 10
const int z = calc.mult();
如函數(shù)模板一樣，編譯器為模板不同類(lèi)型的引用創(chuàng)建不同的類(lèi)。這為代碼重用提供了一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)制，允許單個(gè)模板用于任何兼容的數(shù)據(jù)類(lèi)型
模板編輯模型
在編寫(xiě)模板類(lèi)時(shí)，函數(shù)定義通常與它們的聲明一起保存在頭文件中，而不使用另外的.cpp文件。否則可能會(huì)導(dǎo)致鏈接錯(cuò)誤。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)編譯器要求模板定義在以頭文件為單位的轉(zhuǎn)譯單元中有效
這個(gè)行為的原因是模板只是一個(gè)模式，同樣它們不直接產(chǎn)生代碼(直到編譯器遇到一個(gè)應(yīng)用實(shí)例)。如果我們創(chuàng)建一個(gè)CCalculator<int> 實(shí)例并調(diào)用其中的某個(gè)類(lèi)方法，編譯器將需要找到函數(shù)定義。如果頭文件中包含了該定義則一切都會(huì)是正確的。但是如果定義存在于.cpp文件中，編譯器不能期望在此時(shí)找到匹配的模式并利用其產(chǎn)生所需的代碼。然而，C++標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)機(jī)制對(duì)編譯器進(jìn)行輔助。Export關(guān)鍵字可以使通知編譯器我們提供了一個(gè)分離的編輯模板：
// MyTemplateFunction.h
template<class T>
void myTemplateFunction(const T &t1);
// MyTemplateFunction.cpp
export template <class T>
void myTemplateFunction(const T &t1)
{
...
}
現(xiàn)在，大多數(shù)編譯器要求模板定義通過(guò)頭文件包含被顯式添加到轉(zhuǎn)譯單元，雖然標(biāo)準(zhǔn)期望能夠獨(dú)立定義于.cpp文件中。這兩個(gè)不同的模板編輯模型即為包含模型和分離模型。在編寫(xiě)時(shí)，我所知的支持分離模型的唯一的編譯器是Comeau C++。Comeau 的使用了不少方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中所定義的export關(guān)鍵字用法，但目前也還只是beta版本而已
typename關(guān)鍵字
另一個(gè)與模板相關(guān)的關(guān)鍵字是typename關(guān)鍵字，它有兩種用法。參數(shù)下面的模板類(lèi)：
template<class T>
void myFunction(void)
{
// 這里可能會(huì)有問(wèn)題
T::x1 * x2;
}
初次講到的時(shí)候可能會(huì)以為myFunction聲明了一個(gè)T::x1類(lèi)型的指針變量x2。然而，這個(gè)函數(shù)也能夠表示類(lèi)T的成員變量x1與全局變量x2的二進(jìn)制乘法操作。使用typename關(guān)鍵字可以告訴編譯器某個(gè)未知標(biāo)識(shí)符是一個(gè)類(lèi)型：
// T:x1 是一個(gè)類(lèi)型，而x2是一個(gè)指針
typename T:x1* x2;
第二種用法是在指定模板參數(shù)時(shí)替換class關(guān)鍵字：
// 下面的兩種方法是等效的...
template<class T1, class T2>;
template<typename T1, typename T2>;
標(biāo)準(zhǔn)允許以上任意一種方法，它們都是合法的。
成員函數(shù)模板
除了全局模板函數(shù)外，語(yǔ)言也支持成員模板函數(shù)：一個(gè)類(lèi)可以擁有帶有模板參數(shù)列表的成員函數(shù)。參考下面的非模板類(lèi)，它的構(gòu)造函數(shù)被模板化：
class CTypeSize
{
public:
template<class T>
CTypeSize(const T &t1) :
m_nSize(sizeof(t1))
{
}
~CTypeSize(void){ };
int getSize(void) const{ return m_nSize; }
private:
const int m_nSize;
};
當(dāng)模板成員函數(shù)被調(diào)用時(shí)，編譯器使用模板模式為給定類(lèi)型生成代碼。這種情況下，我們能夠使用任意類(lèi)型變量創(chuàng)建一個(gè)CtypeSize實(shí)例：
// 顯示12
CTypeSize t1("Hello World");
cout << t1.getSize() << endl;
// 在VC++6/Win32中顯示8
CTypeSize t2(7.0);
cout << t2.getSize() << endl;
某些時(shí)候，成員模板是實(shí)現(xiàn)拷貝構(gòu)造函數(shù)最有效的方法，參考一個(gè)只有一個(gè)交易會(huì)的簡(jiǎn)單容器類(lèi)：
template<class T>
class CSingle
{
public:
CSingle(const T &t1) : m_Value(t1) { }
~CSingle(void){ }
T m_Value;
};
它導(dǎo)致下面的問(wèn)題：
// 創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)容器
CSingle<int> x(7);
// 這里需要一個(gè)拷貝構(gòu)造...
CSingle<double> y(x);
通過(guò)使用成員模板，拷貝構(gòu)造就能夠輕松完成：
template<class S>
CSingle(const CSingle<S> &s1) : m_Value(s1.m_Value) { }
當(dāng)編輯器能夠?qū)㈩?lèi)型T的實(shí)例轉(zhuǎn)換為類(lèi)型S時(shí)，這是可行的；這是因?yàn)閐ouble可以從一個(gè)整數(shù)構(gòu)造。
總結(jié)
模板是C++的一個(gè)強(qiáng)大特征，它允許從數(shù)據(jù)類(lèi)型中抽象出算法。本文介紹了模板定義和實(shí)例化的基礎(chǔ)，包括函數(shù)、類(lèi)及成員模板的區(qū)別。