[引擎开发] 深入C++模板编程

[本文大纲] 引言 模板实例化         隐式实例化         显式实例化 模板具体化         显式具体化         部分具体化         函数重载和具体化 类型推断         隐式类型转换         支持的类型转换         引用和const         通用引用、引用折叠和完美转发         通用引用和右值引用 类型萃取         typename         关联类型         类型萃取         迭代器萃取         特性萃取 - SFINAE特性 auto和decltype         auto         decltype         后置返回值类型         逗号运算符与类型限制         lambda函数 可变参数模板         参数包展开         函数模板：使用函数展开         函数模板：使用初始化表展开         函数模板：使用递归展开         类模板：使用继承递归展开 模板函数重载决议         重载匹配规则         指针         列表和数组         类类型         引用和const         通用引用的重载         辅助函数重载匹配 其他问题         模板与继承         模板与友元函数         支持隐式转换         函数回调

引言

        C++作为常用于高性能开发环境的编程语言，不仅提供了对底层的精细控制方法，而且为工程开发提供了足够的特性支持，C++的模板特性就是其中重要的体现之一，它的意义体现在以下多个方面：

        ① 作为泛型编程的基础。C++标准库中提供的泛型容器以及其它第三方泛型库普遍依赖C++模板。泛型意味着我们在编写代码时可以忽略对象本身具体类型，而认为它可以是任意类型，在使用的时候才去决定它的类型。

        如果我们基于泛型的角度去认识模板，就是通过模板可以实现一次编程适配所有类型。如果单是实现这一点那么模板并没有那么复杂，引入复杂度的可能来自以下这些内容，一是我们总是需要对特定类型做特殊处理，二是编译器本身在翻译模板的时候可能会产生的问题，比如模板参数会被推断成什么类型、多个特化的情况下如何匹配模板类型等。

        ② 实现代码的复用和生成。模板本质上就是编译器在编译期间为我们生成代码，我们可以简单地把它理解成一个更高级版的宏定义。

        如果基于代码生成的角度去认识模板，我们可以基于模板去实现一些高级语言的特性，比如反射；或者像高级语言一样做一些易用的封装接口，比如实现一个通用消息转发类。更进一步，我们可以利用代码生成去完成一些编译期的计算。

        * 阅读本文需要对左右值的概念有一定的了解，需要对模板基础概念有一定的了解

模板实例化

        首先需要明确的一点是，模板是一个纯编译期的特性，它不具备运行时动态的特性，并且模板的生成仅在使用模板的时候，编译器才会根据模板定义生成对应类型的实例；这一特性导致了如下情况的发生：

        ① 只有实际使用到的模板参数才会被实例化。换言之，如果从未调用过某个模板参数，那么就不会生成对应的实例。这个规则同样适用于模板类的函数，也就是说模板类的函数可以是部分实例化的。

        ② 模板不支持运行时动态推断。一个最简单的例子是，如果我们定义一个非类型模板参数作为数组大小的模板数组，那么它只能是一个静态数组：

template <typename T, int SIZE> 
class Array { 
    T arr[SIZE];
};


Array<int, 5> arr0; // ok
Array<int, n> arr1; // error

        ③ 模板的声明和定义必须同时写在头文件中，不然可能会产生链接错误。这是因为当我们写下模板函数定义的实现的时候，我们只是向编译器描述了模板函数应该是什么样的，但是编译器并没有真正实例化，只有当我们实际调用某个模板函数的时候，才会生成对应的实例化结果。假如我们把模板的函数定义放在cpp文件中，实例化的时候就找不到函数模板定义。

        隐式实例化

        当我们在讨论模板的声明和定义能否分离编译的时候，我们实际上基于这一事实，就是模板是在实际调用的时候才去实例化的，这被称为隐式实例化：

min(1.0f, 4.0f); // 生成min<float>(float, float)的实例

        显式实例化

        当然，我们也可以直接地指出实例化的类型，称为显式实例化。这通常应用于当我们需要频繁使用某个实例化的类型时，我们在头文件中完成显式实例化，比如：

using ObjType = Array<Object, ObjectAllocator>;

        这样我们就确保了我们可以在不同文件中都去访问ObjType类，并且它是一定存在的。

        显式实例化只需要像上述这样的声明，不需要额外的定义，定义是由编译器根据模板内容生成的。

        假设我们仅仅需要引用有限数量的模板实例，我们也可以利用显式实例化来完成分离编译。但这通常只在少数场景上是有效的。

模板特化/具体化

        模板特化/具体化（specialization），是指我们可能需要为特殊类型的实例化做一些模板的改动。其中，包含了显式具体化（全特化）和部分具体化（偏特化）两种改动方式。

        显式具体化

        对于一些特殊类型，模板的实现是不合适的，所以需要我们对这种情况做特殊处理。这个时候就可以使用显式具体化(explicit specialization)，也被翻译为全特化。

        比如，对const char*的字符串类型，我们需要做特殊处理：

template<>
bool Compare<const char*>(const char* a, const char* b)
{
    //...
}

        或者对类模板做处理：

template<typename T1, typename T2>
class A
{
    T1 a;
    T2 b;
};

template<>
class A<float, int>
{
    float a;
    int b;
};

        显式具体化的特点是声明template时，尖括号的内容是空的。 

        部分具体化

        我们还可以对部分实例做特殊的模板改动，这被称为部分具体化(partial specialization)，也被翻译为偏特化。

template<typename T1>
class A<T1, int>
{
    T1 a;
    int b;
};

        当我们在实现部分具体化时，我们在尖括号内仅省略我们具体化的参数，而没有具体化的参数仍然保留在尖括号内。

        部分具体化只能作用于类模板，不能作用于函数模板

        函数重载和具体化

        具体化实际上只是告诉编译器，在生成特定类型的模板函数实例化时，需要做什么特殊操作。它有别于函数重载，因为它根本就没有生成可供选择的同名函数重载。

类型推断

        当我们使用隐式实例化的时候，编译器会去推断我们匹配的类型。当我们提供了准确的类型时，类型推断一般不会出什么问题，但如果我们提供了会产生歧义的类型呢？

        隐式类型转换

        如果我们调用普通的函数，并提供了不匹配的类型，那么函数可能会通过隐式转换来完成类型转换，比如：

double min(double a, double b)
{
    return a < b ? a : b;
}

float x = min(1.0, 2);

        此时2作为int类型，可以隐式转换为double类型，调用成立。

        但是对于模板而言，对于不同的类型，它更倾向于生成新的类型实例，而不是基于已有的类型实例进行隐式转换，比如同样对于上述例子，如果我们把min函数写成模板函数：

template<typename T>
T min(T a, T b)
{
    return a < b ? a : b;
}

int x = min(1.0, 2.0); // min<float>
int y = min(1, 2); // min<in>
int z = min(1.0, 2); // error

        当我们先调用min(1.0, 2.0)时，会生成min<double>模板实例，随后调用min(1, 2)时，会新生成min<int>的模板实例，而不是将int隐式转换为double，并调用min<double>的实例。

        但如果我们一定要让min(1,2)使用min<double>的实例，我们可以使用显式实例化：

int y = min<double>(1, 2);

        如果我们提供了不匹配的输入，比如min(1.0, 2)，由于模板调用默认不进行隐式转换，编译器无法确认生成min<double>还是min<int>的实例，就会发生编译报错。

        支持的类型转换

        特别的，模板仅支持以下有限的类型转换：

        const/reference

        我们同样使用以上模板函数为例，假如我们混合输入const和非const的类型：

const int a = 1;
int b = 2;
int x = min(a, b); // min<int>();

        以上例子是可以通过编译的，事实上，模板处理值传递时总是会忽略顶层const，比如两个参数都是const int类型，模板总是会翻译成int。

        函数/数组

        当我们传入函数或者数组的时候，它会退化成函数指针/数组指针，相当于发生了类型转换：

template<typename T>
void func(T param);

void test(int param);

int arr[2] = { 1, 2 };
func(arr); // int*

func(test); // void(*)(int)

        总体而言，模板推断会忽略顶层const/reference、函数和数组。但如果我们强制通过引用来访问，则不会发生类型转换：

int arr[2] = { 1, 2 };
auto& arr1 = arr; // int(&)[2]

const int ci = 1;
auto& cr = ci;  // const int&

        以上设计是可以理解的，比如对于数组来说，如果对不同大小的数组都生成对应大小的实例化函数，那么将会出现代码膨胀。另一方面，大小不一致也会不被认为是一个类型。 

        引用和const

        我们在考虑模板的类型推断的时候，还需要考虑到变量的修饰属性，也就是const和左右值属性。假设我们在声明模板的时候，添加了const或是&/&&的修饰符，那么将会发生什么呢？我们分以下几种情况讨论。

         值类型

template<typename T>
void func1(T);

        正如我们在前面所提及，对于非引用的模板参数，模板推断会忽略const和引用属性。 

int i = 1;
const int ci = 1;
int& ri = i;
func1(i); // int
func1(ci); // int
func1(ri); // int

       左值引用

template<typename T>
void func2(T&);

        假如我们在函数参数中添加了&的左值限定，这个时候用右值作为输入就会出错。

int i = 1;
const int ci = 1; 
func2(i); // int
func2(ci); // const int
func2(1); // error

         在上述例子中，对于包含了const的输入，模板会翻译出const。这和模板参数不带任何左右值限定的情况完全不一样。

        常量左值引用

template<typename T>
void func3(const T&);

        假如我们在函数参数中添加了&的左值限定和const，这个时候理论上我们可以输入任何参数，并且由于参数本身包含了const，我们推断出的结果就不会包含const，这是基于const本身可以提升临时变量的生命周期。

int i = 1;
const int ci = 1; 
func3(i); // int
func3(ci); // int
func3(1); // int

        右值引用

template<typename T>
void func4(T&&);

        假设我们在函数参数中添加了&&的右值，我们可以输入右值，但同时也能输入左值，只是编译器会将左值推断成左值引用类型。

int i = 1;
const int ci = 1;
func4(i); // int&
func4(ci); // const int&
func4(1); // int

       这是一个非常特殊的引用，因为它和我们认识的非模板函数的右值引用完全不一样，它保留了变量的const/引用属性，比如对于数组而言，就不会退化成指针：

template<typename T>
void TestType(T&& param)
{
    cout << typeid(T).name() << endl;
}

Test("abc"); // const char[3]

        常量右值引用

template<typename T>
void func5(const T&&);

        只能接受右值作为输入。

        在以上情况中，通常我们使用非引用的版本。对于一些常见的作为工具函数使用的模板函数，我们其实并不关心其const/引用属性，此时它如果生成了const/引用的多个实例化，对于开发者来说是一种不必要的代码膨胀。

        当我们使用了包含左值/右值的版本时，通常我们是为了处理一些和引用/const相关的逻辑，比如我们可能想要保留原有参数的const/引用属性，或者移除/添加const/引用属性，又或者是完成左右值转换等。

        比如在标准库中就提供了一些辅助方法：