C++模板編程讀書筆記-概覽

概覽

這裏是通過記錄學習的紙質書籍《深入實踐C++模板編程》，因此放上華章的連接：

在我們日常學習C++的過程中，其實不難發現該語言是一門強類型的語言，是一個對於面向對象編程支持的非常好的語言。因此在強類型的要求下，如果只是單純地遵守**“萬物皆對象”**的法則，那麼必然會出現同一種操作/算法在不同的對象裏大量的重複實現的過程，或者有的程序員會採用，設計一個抽象的類型來專門設計容納一些通用的操作和算法。

但是，不然是後者高級的設計，對於大量的對象來說，工作起來依然是看起來捉襟見肘的，那麼對於一個C++程序員來講，是否理解模板編程的原理以及是否掌握模板編程的方法是普通C++程序員與高級C++程序員的分水嶺，今天我在此通過閱讀《深入實踐C++模板編程.溫宇傑》本書，記錄相關的學習過程，深入理解C++模板編程，進一步提升自己的編程能力，革新本人的C++編程思想。

該書主要包含以下知識點：

函數模板的原理、用法、模板參數自動推導，以及函數體的實現方法；
外名模板極其原理；
類模板及其用法，異質鏈表、元組構造方法，以及類模板的靜態變量成員的處理；
各種整數型、指針型以及引用型模板參數類型詳解；
模板的特例、函數模板的重載、特例的寫法以及匹配規則；
標準庫中的容器、迭代器和算法的定義、作用以及他們之間的關係
標準庫中的序列型容器、關聯型容器、散列表容器、C++11新增的容器等多種類型容器的實現原理；
多種分配器和迭代器的實現原理極其編寫方法；
標準庫中常用算法的原理分析及其應用實踐；
模板編程的常用技巧和元編程技術；
C++11新標準的模板新特性和新語法，以及C++11新標準中新增的語言特性解讀。

作者寫書的初衷

作者在工作實踐中，幾番研究與實踐下來，作者尚不敢稱對C++的模板編程掌握幾分，卻早已嘆於其對作者編程思想革新起到的巨大的幫助。從“萬物皆對象”，到如今漸漸變爲關注設計容器以及抽象算法的過程，這是拜模板所賜。讚歎之餘，不禁想嘗試寫一部書介紹C++中的模板編程，與人分享心得，於己則鞏固琢磨。不論章節條理，只求爲位到來。如果對讀者略有裨益，便是幸甚。

其實，很多程序員對於分享自己的見解和認識都還是比較熱衷的，相互學習各種思想，讓自己對於技術有更大的提升和思考。對於書中的技術和見解，像作者希望的那樣，希望能夠做到“擇其善者而從之，其不善者而改之”。

模板基礎

本部分的內容有：

Hello 模板
類亦模板
模板參數類型詳解
凡事總有“特例”

Hello 模板

C++可以被稱爲強類型語言，凡是值必有類型，凡是變量聲明時必須聲明其類型，且變量類型“一生”不變。這樣就出現了，對於某些算法，針對不同數據其操作過程完全一致，只因爲操作數據類型不同，在C++中需實現爲不同的函數，難免重複了。

爲什麼需要使用模板

試想一個尋找最大值的案例，從一列值裏面計算最大的值的操作，用Python這種動態類型的語言來做，算法代碼就非常的簡潔：

def max_element(l):
	max_value = l[0]
	for elem in l[1:] ：
		if elem > max_value: max_value = elem
	return max_value
print(max_element([2, 0, 1, 1, 0, 8, 1, 8]))
print(max_element(['2011', 'August', '11', 'Thursday']))

Python實現上面的代碼，不需要操心類型的前提下，會發現實現是非常簡單的。但是，使用C++來實現一個通用的max_element函數就沒有那麼簡單了，C++中變量的類型不可變，不能像Python那樣用同一個函數、同一個變量處理不同的列表類型。如果沒有使用C++的模板類型的話，對於整數數組，代碼如下：

int max_element(int const *1, unsigned sz)
(
	int max_value = 1[0];
	for (unsigned i = 1; i < sz; ++i)
		if (1 [i] > max_value) max_value = 1[i];
	return max_value;
}

對於字符數組，則函數代碼就改爲：

char max_element(char const *1, unsigned sz)
{
	char max_value = 1[0];
	for (unsigned i = 1; i < sz; ++i)
		if (1[i] > max_value) max_value = 1[i];
	return max_value;
}

會發現，除了函數返回值、第一個函數參數類型有變化之外，其他的內容基本是完全一摸一樣的。因此使用函數模板進行簡化就是一個值得學習的思路和方法。因此，我們與模板的第一次親密接觸就應該從模板函數開始了。函數模板是C++模板機制中的一種，其作用是爲不同類型的數據生成操作相同或相似的函數。

模板以關鍵字template開頭，其後是以一對尖括號劃分的模板參數列表。模板參數列表中可以聲明多個模板參數，多個參數聲明之間以逗號分隔。使用函數模板實現就是以下的代碼：

template<typename T>
T const& max_element(T const *l, unsigned sz)
{
    T const *max_value(l);
    for (unsigned i = 1; i < sz; ++i)
        if (l[i] > *max_value) max_value = &(l[i]);
    return *max_value;
}

上面的例子中函數模板的函數體與前面兩份的函數代碼非常相似，不同之處在於凡是有關列表類型之處，皆由模板類型參數T代替。另外，考慮到列表元素可能爲複雜自定義類型，其賦值會導致額外開銷，在模板中將max_ value改爲指針以避免無謂賦值。

那麼，就可以使用函數模板的過程來模擬實現上面兩個代碼的過程了：

int main()
{
    int l[] = {2, 0, 1, 1, 0, 8, 2, 5};
    char cl[] = "August";

    using namespace std;
    cout << max_element<int>(l, 8) << endl;
    cout << max_element<char>(cl, 6) << endl;

    return 0;
}

可以像調用一個普通函數那樣調用函數模板。不同之處在於，調用函數模板時需要指明模板參數的“值”。對於類型參數，其“值”即爲具體類型如int、char或者是用戶自定義的類。根據所給定的模板參數值以及完整的函數模板聲明，編譯器可自動生成一個對所需數據類型進行操作的函數，稱爲函數模板實例。模板參數的值在函數模板名後接尖括號內聲明。

模板參數自動推導

實際上，在C++語言中實現了這一自動推導模板參數值的功能。凡是可以推導出的模板參數"值”，就無需在模板實參列表中寫明。因此，例1.4中main函數的兩次max_ element調用，可以簡寫成以下形式：

std::cout << max_element(1, 8) << std::endl;
std::cout << max_element(cl, 6) << std::endl;

從而使得模板調用看起來與普通函數調用無異，也使代碼看起來更整潔。
利用模板參數推導時需要注意以下幾點：

編譯器只根據函數調用時給出的實參列表來推導模板參數值，與函數參數類型無關的模板參數其值無法推導。
與函數返回值相關的模板參數其值也無法推導。
所有可推導模板參數必須是連續位於模板參數列表尾部，中間不能有不可推導的模板參數。

下面是一個簡單的多模板參數的函數使用案例：

#include <iostream>

template<typename T0,
         typename T1,
         typename T2,
         typename T3,
         typename T4>
T2 func(T1 v1, T3 v3, T4 v4);

int main() {

    double sv2;

    using namespace std;
    sv2 = func<double, int, int>(1, 2, 3);
    cout << "\tsv2: " << sv2 << endl;

    sv2 = func<double, int, int>(1, 2, 3);
    cout << "\tsv2: " << sv2 << endl;

    sv2 = func<double, int, int>(1, 0.1, 0.1);
    cout << "\tsv2: " << sv2 << endl;

    sv2 = func<int, double, double>(0.1, 0.1, 0.1);
    cout << "\tsv2: " << sv2 << endl;
}

template<typename T0,
         typename T1,
         typename T2,
         typename T3,
         typename T4>
T2 func(T1 v1, T3 v3, T4 v4)
{
    T0 static sv0 = T0(0);
    T2 static sv2 = T2(0);

    std::cout << "\tv1: " << v1
              << "\tv3: " << v3
              << "\tv4: " << v4
              << "\t|| sv0: " << sv0;
    T2 v2 = sv2;

    sv0 -= 1;
    sv2 -= 1;

    return v2;
}

模板實參列表中只可將T3及T4省略，而T0、T1及T2 不能省略。

模板參數默認值

最新的C++11標準允許爲函數模板參數賦默認值，在爲func中無法根據函數參數推導的模板參數賦予默認值後，調用模板時的模板實參列表可以完全省略。例如將func的聲明改爲以下形式：

tempiate<	typename	T0	= float,
			typename	Tl,	
			typename	T2	= float,
			typename	T3,	
			typename	T4>	
T0 func (T1 vl, T3	v3,	T4 v4)

如何處理函數模板中的函數體

既然編譯器是在需要生成模板實例時自動生成，這就帶來一個與傳統C/C++編程習慣的衝突，即函數模板中的函數體應該放在哪裏。

hpp文件還是cpp文件

按照C++語言習慣，普通函數及類的聲明應該放在一個頭文件(通常以h、hpp或者 hh爲擴展名)裏，而將其實現放在一個主代碼文件(通常以c、cpp或者cc爲擴展名)裏，這樣便於將代碼分散編譯到多個目標文件中，最後通過鏈接形成一個完整的目標文件。但是由於模板的實現是隨用隨生成，並不存在真實的函數實現代碼，如果還是按照“頭文件放聲明，主文件放實現”的做法，則會導致編譯失敗。

template<typename T>
T const& func(T const &v) {return v;}

template int const& func(int const &v);

例中用到一種尚未介紹過的語法——明確生成模板實例。當關鍵字template後沒有模板參數列表，而是一個函數聲明時，意味着指示編譯器根據此函數聲明尋找合適的模板實現。當然，所聲明函數必須與某一已知模板函數同名，並且其參數可用模板匹配。

例中將函數聲明爲T=int,從而在編譯func2.cpp時，會在目標文件中生成 func< int >的代碼而不會在鏈接時產生錯誤。但這只是權宜之計，倘若還需要func< float > 或者func< char >,那麼在代碼文件中還得增加相應的語句，以促使編譯器生成相應函數模板實例。如此一來, 又變成由人工生成模板實例，違背了當初由編譯器隨用隨生成的初衷。

可見，雖然模板中的函數也可以有自己的聲明和實現，但編譯器不會在讀到模板實現時立刻生成實際代碼，因爲具體的模板參數類型還未知，無法進行編譯。對於編譯器來說, 模板實現也是一種聲明，聲明如何自動生成代碼。所以模板的實現也應該放在頭文件內，這樣，在其他代碼文件中可以直接將模板的實現也包含進來，當需要生成模板實例時，編譯器可根據已知模板實現當場生成，而無需依賴在別的目標文件中生成的模板實例。

但這樣會帶來另一個問題，即重複模板實例。對此問題，C++標準中給出的解決方案是：在鏈接時識別及合併等價的模板實例。

caller1.cpp

//======================================
//文件名caller1.cpp
#include <iostream>

template<typename T>
void func(T const &v)
{
    std::cout << "func1: " << v << std::endl;
}

void caller1() {
    func(1);
    func(0.1);
}

caller2.cpp

//======================================
//文件名caller2.cpp
#include <iostream>

template<typename T>
void func(T const &v)
{
    std::cout << "func2: " << v << std::endl;
}

void caller2() {
    func(2);
    func(0.2f);
}

main.cpp

//======================================
//文件名main.cpp
void caller1();
void caller2();

int main()
{
    caller1();
    caller2();
    return 0;
}

這兩個目標文件再與main.cpp編譯所得目標文件共同鏈接成可執行文件後會出現什麼情況呢？
執行結果如下：

$ ./a.out
func1 : 1
func1: 0.1
func1: 2
func2: 0.2

由此例的運行結果可以推知，鏈接器不考慮函數具體內容，僅僅通過函數名、模板實參列表以及**參數列表等“接口”**信息來判斷兩個函數是否等價。

常情況下，根據函數接口判斷等價函數實例並在鏈接時合併的簡單方法，可以有效解決重複模板實例的問題。但正如例中所演示那樣，使用這種方法也有弊端。倘若有不同的作者在寫不同的模板庫時，碰巧用到同一函數名以及相同的模板參數列表和函數形參列表，對於一些簡單函數，這也是非常有可能的。

降低落入這一陷阱的可能性，最好的方法就是避免使用相同的函數名。此時，C++中的命名空間(namespace)機制就顯得異常重要。

尷尬的 Export Template

實際上，除了將模板的聲明與實現一同放在頭文件中編譯之外，C++標準（98版）還提供了另一種組織模板代碼的方式——Export Template（暫且稱爲外名模板）。而定義與實現放在同一頭文件中的模板可稱爲內名模板。

外名模板提倡將模板的聲明與實現分別寫在頭文件和主文件內，如此實現模板需要在模板聲明前加關鍵字export以標記外名模板，可以看如下代碼：

square.hpp

//======================================
//文件名：square.hpp
export template<typename T>
T square(T const &v);

square.cpp

//======================================
//文件名：square.cpp
#include "square.hpp"
export template<typename T>
T square(T const &v) {return v * v;}

main.cpp

//======================================
//文件名：main.cpp
#include "square.hpp"
#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << square(0.1f) << std::endl;
}

而在鏈接時，會因爲無法找到main.cpp中所需要的square< float >模板實例而報錯。例如用GCC編譯時情況大抵如此，並且GCC還會給出一個“不支持export”的警告。

由於實現成本高，而且需求可替代，使得外名模板不受編譯器開發者的青睞並且最終被逐出最新的C++11標準。雖然如此，這樣一種設計思想仍然值得了解，並且現在也有完全支持外名模板的編譯器可供使用。對於看重編譯速度及目標碼質量而不太看重代碼移植性的開發者來說，外名模板仍然是一種不錯的選擇。

本章小結

本章所討論的只是C++模板編程中的一小部分——函數模板而已。通過對函數模板編譯過程的介紹，希望能對讀者理解模板的本質有所幫助。

模板本身不是可編譯的代碼，而是用來指導編譯器生成可編譯代碼的文本。函數模板實際上是提取一系列具有相同（或者近似）操作流程的函數中的共性並給予規範描述，從而使得編譯器可以在需要時，根據描述自動生成相應可編譯代碼並編譯。有了模板的支持，程序員的工作從體力勞動向着腦力勞動又前進了一小步。但是如果僅僅是函數模板而已，這一小步並不會走岀太遠，仍然有許多問題是單純用函數模板無法解決的，另一小步便是第2章將要介紹的類模板及其功用。

成長，就是一個不動聲色的過程，一個人熬過一些苦，才能無所不能。

(莫寒C++學習之路)深入實踐C++模板編程讀書筆記01序章

C++模板編程讀書筆記-概覽

概覽

作者寫書的初衷

模板基礎

Hello 模板

爲什麼需要使用模板

模板參數自動推導

模板參數默認值

如何處理函數模板中的函數體

hpp文件還是cpp文件

尷尬的 Export Template

本章小結

(莫寒C++成長貼)C++ 橋接模式

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(莫寒C++學習之路)深入實踐C++模板編程讀書筆記01序章

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