C++ Primer阅读心得（第十六章）

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#c++11 #模板 #泛型编程

于 2016-02-21 19:02:08 首次发布

本文详细探讨了C++中的模板，包括模板实例化、函数模板、类模板、模板实参推断、模板别名、成员模板、模板与继承、默认模板实参、模板显式实例化、模板函数的右值引用参数类型推断规则，以及std::move和std::forward的使用。还介绍了模板重载、特化、变参模板等高级话题。

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1.模板实例化：C++中的模板是一个函数或者类的蓝图，编写了不局限于类型的通用代码。模板定义本身不参与编译，而是编译器根据模板的用户使用模板时提供的类型参数生成代码，再进行编译，这一过程被称为模板实例化。用户提供不同的类型参数，就会实例化出不同的代码。模板与OO的区别在于：OO是通过显式接口（写在.h文件中的基类）和运行期多态（根据运行时的实际类型调用相应的virtual函数）来扩展程序的；而模板是通过隐式接口（类型必须满足模板代码中的相关语句需求，例如：可调用某函数等）和编译期多态（根据使用者提供的不同类型，编译出不同的代码）来扩展程序的。

2.函数模板：编译器可以根据用户使用函数模板时提供的实参，推断出函数模板的类型参数，这被称为模板实参推断。

template<typename T>
int compare(const T& left, const T& right) {
    if (left < right) {
        return -1; 
    }
    if (right < left) {
        return 1; 
    }
    return 0;
}

compare(12, 13); //推断类型为int，实例化int版本
compare(0.1, 0.2); //推断类型为double，实例化double版本

除了类型参数之外，还可以在函数模板中定义非类型参数，我们可以在模板定义中使用一个具体类型来指定它们。

template<unsigned N, unsigned M> //使用unsigned标记非类型参数
int compare(const char (&left) [N], const char (&right) [M]) {
    return compare(left, right);
}

compare("hi", "hello"); //推断出N=3，M=6

一个非类型参数可以是一个整形，或者是指针或左值引用。作为整形推断的结果必须是一个常量表达式，指针和引用必须指向具有静态生存周期的对象（static或者全局）或者是nullptr或0。此外，当用户把函数模板赋值给一个指定类型的函数指针时，编译还可以根据这个指针的类型，对模板参数进行推断。

template<typename T>
int compare(const T&, const T&){...}

int (*pf) (const int&, const int&) = compare; //ok，推断T的类型为int

另外，函数模板可以声明为inline或者constexpr的，将它们放在template之后，返回值之前即可。

3.类模板：与函数模板不同，类模板不能推断实例化，只能在使用时由用户显示制定类型参数来实例化。

template<typename T>
class Foo {
...
};
Foo f1; //错误，必须指定类型
Foo<int> f2; //ok

类模板的成员函数既可以定义在内部，也可以定义在外部。定义在内部的被隐式声明为inline，定义在外部的类名之前必须加上template。

template<typename T>
class Foo{
public:
    void f1() {...} //ok，内部定义
    void f2();
};

template<typename T>
void Foo<T>::f2 {...} //注意外部定义要加上template<>

类模板中既可以把非模板函数、类声明为自己的友元，也可以将模板函数、类声明为自己的友元。如果一个类模板包含一个非模板友元，那么这个友元可以访问此模板的所有实例。如果一个类模板包含一个模板友元，那么根据实现，既可以授权给这个模板友元的一个实例，也可以授权给这个模板友元的所有实例。在C++11中，我们还可以将模板类型参数声明为友元。

class A{...};
template<typename T>
class B{...};
template<typename T>
class C{...};

template<typename T>
class D {
    friend class A; //A是D所有实例的友元
    friend class B<T>; //B<T>是D<T>的友元
    template<typename X> friend class C; //C的所有实例都是D的所有实例的友元
    friend T; //T是D<T>的友元
};

类模板中可以声明static成员，它必须有且仅有一个定义。但是，每个不同的模板实例都会有一个独有的static成员对象。还有一点需要注意的是，类模板的成员函数并非全部实例化的，而是哪个成员函数被使用到了，哪个成员函数才会被实例化，而未被使用到的成员函数是不会被实例化的（静态成员例外，一定会被实例化）。

4.类模板别名：我们可以使用typedef为类模板定义个别名。在C++11中，使用using语句可以固定一个或多个类型参数（partial模板？）。

template <typename T> using WithNum = std::pair<T, int>;
WithNum<std::string> strs; //实际类型，pair<string, int>
WithNum<int> ints; //实际类型，pair<int, int>

5.模板中使用类的类型成员：在C++中，假定通过域操作符访问的名称不是类型（而是static成员、全局变量等）。所以在模板中，如果想使用一个模板类型参数的类型成员，就要通过使用typename关键字显式的通知编译器，域操作符后面的是一个类型。

template <typename containerT, typename elemT>
typename containerT::difference_type count(const containerT& c, const elemT& e) {
    typename containerT::difference_type ret = 0;
    typename containerT::const_iterator iter = c.cbegin();
    while (iter != c.cend()) {
        if (*iter == e) {
            ret++;
        }
        iter++;
    }
    return ret;
}

6. 模板与继承：当从一个模板基类继承时，派生类不能直接使用基类中继承过来的内容，这是因为此时基类还带有参数尚未明确定义，所以编译器无法向上查找。你必须通过this指针或者明确指明内容所属的基类名称（using声明或者前面加上基类名称）来通知编译器这个内容属于谁。

template<typename T>
class TemplateBase {
public:
    void show_base() {
        std::cout << "Show template base" << std::endl;
    }
};

template<typename T>
class TemplateDerived : public TemplateBase<T>{
public:
    using TemplateBase<T>::show_base; //using声明函数在基类中
    void show_derived() {
        std::cout << "Show template derived" << std::endl;
        //show_base();                 //直接调用，error
        this->show_base();             //ok，声明实例化就在对象内部
        TemplateBa