詳解C++ 模板編程

更新時(shí)間：2020年09月08日 15:10:01 作者：tlanyan

模板(template)是C++實(shí)現(xiàn)泛型(Generics)和元編程(Meta Programming)的基礎(chǔ)。本文拋磚引玉，簡要介紹C++模板編程，不足之處敬請指正。

類型模板

類型模板包括函數(shù)模板和類模板，基本上是C++開發(fā)人員接觸模板編程的起點(diǎn)。

下面代碼演示了函數(shù)模板和類模板的使用方法：

// 函數(shù)模板
template<typename T>
T add(const T& a, const T& b) {
 return a + b;
}

// 類模板
template<typename T>
class Point {
private:
 T x[3];
 ...
};

類型模板以template開始聲明，尖括號內(nèi)的typename關(guān)鍵字可用class替代。類型模板中typename和class具有相同含義，均表示參數(shù)類型。實(shí)踐中typename語義更廣泛，表示其后續(xù)的參數(shù)T是一個(gè)類型，不限定于類，建議使用。類型參數(shù)T可換成其他任意有意義的合法變量。

C++14新增變量模板：

// 變量模板
template<tyepename T>
constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L);

尖括號之于模板猶如小括號之于函數(shù)：函數(shù)通過小括號()定義和調(diào)用，模板使用尖括號<>定義(需template關(guān)鍵字聲明)和實(shí)例化。上面演示了類型模板定義，下面代碼介紹模板實(shí)例化：

int a = 1, b = 2;
// 實(shí)例化函數(shù)模板
std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

// 實(shí)例化類模板
auto p = Point<int>();

double radius = .5;
// 實(shí)例化變量模板
auto area = pi<double> * radius * radius;

同函數(shù)一樣，模板可以有默認(rèn)值：

// 默認(rèn)類型為int
template<typename T=int>
T add(const T& a, const T& b) {
 return a + b;
}

// 默認(rèn)類型為double
template<typename T=double>
class Point {
private:
 T x[3];
 ...
};

與函數(shù)不同，對于函數(shù)模板，如果能從參數(shù)推斷出模板類型，則可略去尖括號模板實(shí)例化參數(shù)：

int a = 1, b = 2;
// 合法調(diào)用，編譯器能根據(jù)a b推斷出參數(shù)類型
std::cout << "add result:" << add(a, b) << std::endl;
// 等同于
std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

然而對于類模板，即使有默認(rèn)參數(shù)，也不能省略尖括號(但是可以省去參數(shù))：

template<typename T=double>
struct Point {
 T x[3];
};

// 合法聲明
auto p = Point<double>();
// 合法聲明，類型使用默認(rèn)的double
auto p2 = Point<>();
// 非法聲明，缺少模板調(diào)用標(biāo)志尖括號
auto p3 = Point();

類型參數(shù)模板在實(shí)際中使用最多，STL庫中vector、map等容器、algorithm中的許多算法都用到了模板。

非類型參數(shù)模板

另一類常用模板是非參數(shù)模板，用來替代某個(gè)具體的值。例如：

// N維空間向量
template<int N>
struct Vector {
 double x[N];
};

// 實(shí)例化
auto v = Vector<100>();
...其他操作

需要注意的是，非類型參數(shù)模板能使用的類型十分有限，只有(signed/unsigned)整數(shù)、char和枚舉這幾種類型可用（參考switch語法）。

同類型模板一樣，非類型參數(shù)模板也可以有默認(rèn)值，但應(yīng)用到類模板實(shí)例化也不能省略尖括號。

類型模板和非類型參數(shù)模板可以結(jié)合一起用：

template<typename T, int N>
struct Point {
 T x[N];
};

類型模板解決了類型問題，非類型參數(shù)模板解決了值的問題，實(shí)際中應(yīng)用也十分廣泛。作為遞歸的經(jīng)典場景，斐波那契數(shù)列可以用非類型模板解決：

template<int N>
struct Fib {
 static constexpr int value = Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<1> {
 static constexpr int value = 1;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<0> {
 static constexpr int value = 0;
};

// 調(diào)用
std::cout << "Fib(10): " << Fib<10>::value << std::endl;

這個(gè)例子出現(xiàn)了”模板特化”，接下來介紹。

模板特化/偏特化

定義模板后，希望在特定條件下使用單獨(dú)的模板，這便是模板特化。上文中斐波那契數(shù)列定義的template<int N> struct Fib是母模板，接下來又定義了0和1兩個(gè)特化模板(子模板)，指示編譯器遇到Fib<0>和Fib<1>的情況，使用這兩組單獨(dú)定義。需要注意的是特化模板的template參數(shù)為空，具體模板參數(shù)放到了模板名稱處，類似于模板實(shí)例化。

對多個(gè)模板參數(shù)的情形，如果只特化某個(gè)模板參數(shù)，便是偏特化。例如：

// 泛型模板定義
template<typename T1, typename T2> struct Add; 
// 特化模板
template<> struct Add<int, int> {...};
// 偏特化模板
template<typename T> struct Add<T, long> {....};

模板特化/偏特化類似于函數(shù)重載，能針對特殊情況進(jìn)行特別處理。

模板匹配與SFINAE

模板特化使得同一個(gè)模板名稱有了多個(gè)定義，代碼具體調(diào)用時(shí)會(huì)遇到模板匹配問題。理解模板匹配機(jī)制的關(guān)鍵便是SFINAE，這也是進(jìn)階模板編程的必備知識點(diǎn)。

SFINAE是Substitution failure is not an error的縮寫，翻譯過來便是：匹配(替換)失敗不是錯(cuò)誤。

怎么理解這句話呢？

對于上面的斐波那契數(shù)列數(shù)列代碼，編譯器遇到Fib<10>::value的代碼，(可能)先會(huì)嘗試匹配Fib<0>，發(fā)現(xiàn)匹配不上，這是一個(gè)Substitution failure，但不是error，所以編譯器繼續(xù)嘗試其他可能性。接著匹配Fib<1>，同樣發(fā)現(xiàn)匹配不上，忽略這個(gè)Substitution failure繼續(xù)嘗試Fib<N>，OK，這一次沒問題，編譯成功。

如果是Fib<-1>::value，編譯器達(dá)到最大遞歸深度也找不到一個(gè)合適的匹配模板，這是一個(gè)error，因此編譯失敗。

備注：理解上面的話需要對編譯過程稍加了解，編譯過程會(huì)輸出許多信息，編譯器一般只有遇到error才會(huì)終止編譯，比較常見的warning則不會(huì)。模板匹配中的Substitution可能連warning都算不上，不會(huì)影響編譯器繼續(xù)嘗試匹配

理解SFINAE是看懂稍微深?yuàn)W點(diǎn)模板代碼的基本功，重點(diǎn)便是：不怕你模板多，就怕找不到合適的模板。

兩階段編譯

有了模板(元)編程，C++源碼編譯可以分為前期和后期，構(gòu)成兩階段編譯。前期是模板的天下，編譯器掃描模板實(shí)例化語句，生成運(yùn)算結(jié)果和具體代碼；后期編譯器介入，再編譯生成機(jī)器碼。

模板代碼運(yùn)行在編譯期，因此有如下特點(diǎn)：

沒有實(shí)例化的模板代碼，即使有語法錯(cuò)誤，編譯器也不會(huì)檢查和報(bào)錯(cuò)。對按代碼行數(shù)考核KPI的C++碼農(nóng)，這絕對是福音，新增template代碼十萬行，瞎編亂寫都可以，只要不實(shí)例化，永遠(yuǎn)能編譯通過，編譯后的文件大小(一般)不變，也不影響現(xiàn)有代碼運(yùn)行；
對于常量，編譯前期直接計(jì)算，沒有運(yùn)行時(shí)開銷。上文中的斐波那契數(shù)列值在編譯期便已經(jīng)計(jì)算出來了；
無法運(yùn)行期動(dòng)態(tài)調(diào)用代碼。例如下面的要求做不到：

template<int N>
struct Point {double x[N];};
// 根據(jù)輸入動(dòng)態(tài)生成類,無法實(shí)現(xiàn)和編譯成功
int n;
std::cin >> n;
auto p = new Point<n>();

模板和多態(tài)/虛函數(shù)(理念)沖突。多態(tài)/虛函數(shù)的關(guān)鍵是運(yùn)行期動(dòng)態(tài)調(diào)用代碼，而模板在編譯期確定，因此兩者理念上是沖突的。所以，如果你想一個(gè)成員函數(shù)既是模板函數(shù)，又是虛函數(shù)，怎么做實(shí)現(xiàn)預(yù)期？