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小 發表於 2007-5-14 02:50
C++模板概述
簡介只有使用C++語言的少數用戶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用法的人往往發現自己需要努力去理解模板是如何被語言所支持的，因為缺乏明確的說明。一個很大的問題在於一些工具只實現了C++標準的一個子集。本文將指出它們共同的缺陷並深入剖析如何使用C++模板快速產生可重用和高效的代碼。
模板功能應用的典型是通過一系列模板類形成的完整類庫，特別是STL和ATL。標準C++庫(STL)提供了很多可重用和靈活的類及算法，而ATL則是使用C++進行COM編程的事實標準。要掌握這些及其它的模板庫，理解模板是如何工作的這一基礎是非常重要的。
函數模板通過重載函數，我們能夠完成多種不同數據類型的相同操作。要實現兩個double數值的加法和兩個整數類型的加法，我們可以使用一個重載函數：
int add(const int x, const int y) { return x + y; }
double add(const double x, const double y) { return x + y; }
這時，編譯器將根據它們的參數正確地解決這一問題。
// 調用int add(const int, const int); const int z1 = add(3, 2);
// 調用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型，我們就不得不提供其他函數重載。對每個不同的數據類型實現一個函數重載，它們都遵循相同的模式，每當我們需要調用針對某一數據類型的函數時，原則上編譯器為我們生成相應的代碼。而一個模板函數則以如下方式實現：
template<class T> const T add(const T &t1, const T &t2) { return t1 + t2; }
從概念上來說，編譯器通過模板關鍵字(後面跟隨著模板由一或多個模板參數構成的參數列表)來識別模板。當為某一具體類型調用add時，編譯器將根據模板定義並用給定的類型替換出現在模板中的參數。在這個例子中，模板參數列表由一個獨立的類型模板參數T構成。使用一個模板函數替代函數重載，編譯器可以自動為所需的新類型生成代碼。
我們可以對任何擁有+操作符定義的類型使用add模板。假設一個自定義的String類提供了字符串連接並知道如何將自身寫入到std: stream。因為String與該模板函數兼容，因此我們可以調用它來實現字符串相加：
// 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;
}
顯式實例化調用模板函數時，編譯器將先把正確的類型實例化模板。雖然標準允許顯式模板實例化，然而並非所有廠商都能夠正確地實例它。例如，Visual C++ 6.0 會潛在地調用錯誤的函數：:
template<class T> int getSize(void) { return sizeof(T); }
// 輸出4，應該為8 cout << "double: " << getSize<double>() << endl;
// 輸出4，正確 cout << "int: " << getSize<int>() << endl;
跨平台代碼設計者不希望依賴於顯式模板函數實例化，除非有更好的編譯器能夠對它提供有效的支持。
類模板類似於函數模板，模板也可以應用於類。模板可以用於根據普通模式提供一系列類。如果我們需要一套完整的算術運算來補充add函數，我們可以考慮使用一個類。通過模板，它就可以根據類型參數化為一個普通類：
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; };
要實例化模板類，我們需要提供一個指定類型：
// 創建一個整數計算對像 CCalculator<int> calc(5, 2);
// 結果應該為 10 const int z = calc.mult();
如函數模板一樣，編譯器為模板不同類型的引用創建不同的類。這為代碼重用提供了一個強大的機制，允許單個模板用於任何兼容的數據類型。
模板編輯模型在編寫模板類時，函數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。否則可能會導致鏈接錯誤。這是因為大多數編譯器要求模板定義在以頭文件為單位的轉譯單元中有效。
這個行為的原因是模板只是一個模式，同樣它們不直接產生代碼(直到編譯器遇到一個應用實例)。如果我們創建一個CCalculator<int> 實例並調用其中的某個類方法，編譯器將需要找到函數定義。如果頭文件中包含了該定義則一切都會是正確的。但是如果定義存在於.cpp文件中，編譯器不能期望在此時找到匹配的模式並利用其產生所需的代碼。然而，C++標準提供了一個機制對編譯器進行輔助。Export關鍵字可以使通知編譯器我們提供了一個分離的編輯模板：
// MyTemplateFunction.h template<class T> void myTemplateFunction(const T &t1);
// MyTemplateFunction.cpp export template <class T> void myTemplateFunction(const T &t1) { ... }
現在，大多數編譯器要求模板定義通過頭文件包含被顯式添加到轉譯單元，雖然標準期望能夠獨立定義於.cpp文件中。這兩個不同的模板編輯模型即為包含模型和分離模型。在編寫時，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實現對標準中所定義的export關鍵字用法，但目前也還只是beta版本而已。
typename關鍵字另一個與模板相關的關鍵字是typename關鍵字，它有兩種用法。參數下面的模板類：
template<class T> void myFunction(void) { // 這裡可能會有問題 T::x1 * x2; }
初次講到的時候可能會以為myFunction聲明了一個T::x1類型的指針變量x2。然而，這個函數也能夠表示類T的成員變量x1與全局變量x2的二進制乘法操作。使用typename關鍵字可以告訴編譯器某個未知標識符是一個類型：
// T:x1 是一個類型，而x2是一個指針 typename T:x1* x2;
第二種用法是在指定模板參數時替換class關鍵字：
// 下面的兩種方法是等效的... template<class T1, class T2>; template<typename T1, typename T2>;
標準允許以上任意一種方法，它們都是合法的。
成員函數模板除了全局模板函數外，語言也支持成員模板函數：一個類可以擁有帶有模板參數列表的成員函數。參考下面的非模板類，它的構造函數被模板化：
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; };
當模板成員函數被調用時，編譯器使用模板模式為給定類型生成代碼。這種情況下，我們能夠使用任意類型變量創建一個CtypeSize實例：
// 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;
某些時候，成員模板是實現拷貝構造函數最有效的方法，參考一個只有一個交易會的簡單容器類：
template<class T> class CSingle { public: CSingle(const T &t1) : m_Value(t1) { } ~CSingle(void){ }
T m_Value; };
它導致下面的問題：
// 創建一個整數容器 CSingle<int> x(7);
// 這裡需要一個拷貝構造... CSingle<double> y(x);
通過使用成員模板，拷貝構造就能夠輕鬆完成：
template<class S> CSingle(const CSingle<S> &s1) : m_Value(s1.m_Value) { }
當編輯器能夠將類型T的實例轉換為類型S時，這是可行的；這是因為double可以從一個整數構造。
總結模板是C++的一個強大特徵，它允許從數據類型中抽像出算法。本文介紹了模板定義和實例化的基礎，包括函數、類及成員模板的區別。
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