What are you, Anyway

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#编译器 #class #nested #c++ #struct #string

本文围绕C++模板编程展开，探讨了消除编译器分析歧义的方法，如使用typename关键字提示编译器嵌套名称为类型名。还介绍了Monostate模式及其扩展，可避免全局变量问题。此外，提及模板中嵌套模板名称的分析难题及解决办法，以及STL分配器的rebind机制。

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What are you, Anyway?
作者：Stephen C. Dewhurst 译者：陶章志

原文出处：http://www.cuj.com/documents/s=8464/cuj0308dewhurst/

在经过艰难的讨论template metaprogramming很长时间后，返回到我们学习的开始。
在这一部分，我们来了解模板编程的更为模糊的语法问题：在编译器没有充分的信息的情况下，怎样引导编译器进行分析。在这里，我们将讨论标准容器中用来消除歧义的“rebind”机制。同时，我们也将对一些潜在的模板编程技术进行热烈的讨论。
甚至经验丰富的C++程序员，也常常被模板的复杂的语法所困扰。在所以模板语法中，我们首先要了解：消除编译器分析的歧义，是最基本的语法困惑。

Types of Names, Names of Types
让我们看看一个没有实现标准容器的模板例子，这个例子很简单。

template <typename T>
class PtrList {
public:
//...
typedef T *ElemT;
void insert( ElemT );
private:
//...
};

常常模板类嵌入Type names信息，这样，我们就可以通过正确的nested name 获得实例化的模板信息。

typedef PtrList<State> StateList;
//...
StateList::ElemT currentState = 0;

嵌入类型的ElenT允许我们可以，很容易的访问PtrList模板的所承认的元素类型。
即使我们用State类型初始化PtrList，元素类型还将是State*。在其他一些情况下，PtrList 可以用指针元素实现。一个比较成熟的PtrList的实现，应该是可以随着初始化的元素类型而变化的。使用nested type，可以帮助我们封装PtrList，以免用户了解内部的实现。
下面还有一个例子：

template <typename Etype>
class SCollection {
public:
//...
typedef Etype ElemT;
void insert( const Etype & );
private:
//...
};

SCollection的实现跟PtrList一样，遵守标准命名的条款。遵守这些条款是有用的，这样我们就可以写出很多优雅的算法来使用这些容器(译注：像标准模板库一样)。例如：可以写一个如下的算法:用适当的元素类型来填充这个容器数组。

template <class Cont>
void fill( Cont &c, Cont::ElemT a[], int len ) { // error!
for( int i = 0; i < len; ++i )
c.insert( a[i] );
}

蹩脚的编译器

很遗憾的是，在这里我们有一个语法错误。编译器不能识别Cont::ElemT这个type name。问题是在fill()的上下文中，没有足够的信息让编译器知道ElemT是一个type name。在标准中规定，在这种情况下，认为nested name 不是type name。现在刚刚开始，如果你没有理解，不要紧。我们来看看在不同的上下文中，编译器所获得的信息。首先，让我们来看看在没有模板的class的情况：
class MyContainer {
public:
typedef State ElemT;
//...
};

//...
MyContainer::ElemT *anElemPtr = 0;

由于编译器可以检测到MyContainer class的上下文确定有个ElemT的成员类型，从而可以确认MyContainer::ElemT确实是一个type name。在实例化的模板类中，其实，也跟这种情况一样简单。

typedef PtrList<State> StateList;
//...
StateList::ElemT aState = 0;
PtrList<State>::ElemT anotherState = 0;

对于编译器来说，一个实例化的模板类跟一个普通的类一样。在存储PtrList<State>的nested name 和在MyContainer中是一样的，没有什么差别。在其他情况下，编译器也是这样检查上下文来看ElemT是不是type name。然而，当我们进入template的上下文后，事情就变得复杂了。因为在这，没有充分的准确信息。考虑下面的程序片断：

template <typename T>
void aFuncTemplate( T &arg ) {
...T::ElemT...

当编译器遇到T::ElemT,它不知道这是什么。从模板的申明中，编译器知道，T是一个类型名。它通过::运算符也能猜测出T是一个类型名。但是，这就是所有编译器知道的。因为，这里没有关于T的更多的信息。例如：我们能够用PtrList来调用一个模板函数，在这里，T::ElemT将是一个Type name。

PtrList<State> states;
//...
aFuncTemplate( states ); // T::ElemT is PtrList<State>::ElemT
But suppose we were to instantiate aFuncTemplate with a different type?
struct X {
double ElemT;
//...
};
X anX;

//...
aFuncTemplate( anX ); // T::ElemT is X::ElemT

在这个例子中，T::ElemT是数据类型，不是type name。编译器将怎么办呢？在标准中规定，在这种情况下，编译器将认为nested name 不是type name。在将在上述fill()模板函数中导致一个语法错误。

Clue In the Compiler
为了处理这种情况，我们必须清晰的提示编译器：

这个nested name 是type name。如下：

template <typename T>
void aFuncTemplate( T &arg ) {
...typename T::ElemT...

在这里，我们使用关键字typename 来告诉编译器后面跟着的name，是type name。这样使得编译器可以正确的分析template。注意：我们告诉编译器：ElemT而不是T，是Type name。当然，编译器也能够知道T也是type name。同样，如果我们这样写：

typename A::B::C::D::E

这样，我们就相当于告诉编译器，E是type name。当然，如果模板函数传入的类型不满足template分解要求的话，会导致一个编译时刻的编译错误。

struct Z {
// no member named ElemT...
};
Z aZ;
//...
aFuncTemplate( aZ ); // error! no member Z::ElemT
aFuncTemplate( anX ); // error! X::ElemT is not a type name
aFuncTemplate( states ); // OK. PtrList<State>::ElemT is a type name

现在，我们可以重写fill()模板函数，

void fill( Cont &c, typename Cont::ElemT a[], int len ) { // OK
for( int i = 0; i < len; ++i )
c.insert( a[i] );
}

Gotcha: Failure to Employ typename with Permissive Compilers
注意：
使用typename 要求嵌入 type name，如果编译器不能得到足够的信息的话，在模板的外部使用typename是非法的。
PtrList<State>::ElemT elem; // OK
typename PtrList<State>::ElemT elem; // error!
在模板的上下文中，这是很常见的错误。考虑一个在模板，在它内部实现，在编译时刻，从两个类型中选出一个,例如：
Select<cond,int,int *>::R r1; // OK
typename Select<cond,int,int *>::R r2; // error!
//...
}

由于编译器可以获得所有模板参数的信息，因此，甚至不需要在Select前写typename。如果，用模板重写f()，我们就可以使用typename。
template <typename T>
void f() {
Select<cond,int,int *>::R r1; // #1: OK, typename not required
typename Select<cond,int,int *>::R r2; // #2: superfluous
Select<cond,T,T *>::R r3; // #3: error! need typename
typename Select<cond,T,T *>::R r4; // #4: OK
//...
}

在情况2中，typename，可以不写，这样是可以的。

最有问题的是情况3，很多编译器都能察觉这个错误，将把这个嵌入的R解释为type name(的确它是一个type name，但是没有希望它解释为type name)以后，如果，这段代码出现在标准编译器上，那么会被查出错误的。因为这个原因，当你用C++模板编程，如果你必须使用非标准编译器的，你最好使用高级标准编译器，来检查你的代码。

Intermezzo: Expanding Monostate Protopattern

在模板问题上，我们先停顿一下，让我们看看搜索技术。当我们想避免Monostate常常是Singleton的很好替代技术。当为了避免全局变量带来的麻烦时，Monostate是Singleton的很好替代品。

class Monostate {
public:
int getNum() const { return num_; }
void setNum( int num ) { num_ = num; }
const std::string &getName() const { return name_; }
private:
static int num_;
static std::string name_;
};

就像Singleton一样，Monostate 提供对象的简单copy，不像典型的Singleton，这种分享机制不是由构造函数实现的。而是通过存储静态成员。注意：Monostate不同于传统的使用静态成员机制，传统的办法是通过静态成员函数来存储静态成员变量。 Monostate提供非静态成员函数来存储静态成员变量。(译注：好方法，我们来看作者怎么实现的)
Monostate m1;
Monostate m2;
//...
m1.setNum( 12 );
cout << m2.getNum() << endl; // shift 12

每一个不同类型的Monostate分享相同的状态。Monostate没有使用任何特殊的语法，不像Singleton的实现。

Singleton::instance().setNum( 12 );
cout << Singleton::instance().getNum() << endl;
Expanding Monostate
如果我们想在Monostate中添加新的静态成员，那么该怎么实现？理想的情况是不添加操作不需要改变源代码，甚至不要重编译不相关的代码。让我们来看看怎样使用template来实现这个任务的。

class Monostate {
public:
template <typename T>
T &get() {
static T member;
return member;
}
};

注意：这个模板函数可以在编译时，按需要初始化，很遗憾的,它不能是虚拟函数。这个版本的Monostate为分享静态成员，实现了"lazy creation" 。

Monostate m;
m.get<int>() = 12; // create an int member
Monostate m2;
cout << m2.get<int>(); // access previously-created member
m2.get<std::string>() = "Hej!" // create a string member

注意：不像传统的Singleton的"lazy creation"那样，这个"lazy creation"作用于编译时刻，而不是运行时刻。

Indexed Expanding Monostate
这个办法其实还很不理想，至少如果用户想有多个分享的特殊类型的成员，那么又该怎么办？一种改善的办法是给模板成员函数添加一个参数“index”。

class IndexedMonostate {
public:
template <typename T, int i>
T &get();
};

template <typename T, int i>
T &IndexedMonostate::get() {
static T member;
return member;
}

现在，我们可以拥有多个特殊类型的成员了，但是这个接口还可以更加完善。

IndexedMonostate im1, im2;
im2.get<int,1066>() = 12;
im2.get<double,42>() = im2.get<int,1066>()+1;

Named Expanding Monostate
我们所需要的是记录用户的使用Monostate成员的类型。这个类型也是为模板函数的包装的类型和static成员的实际类型。

template <typename T, int n>
struct Name {
typedef T Type;
};

这个Name类看上去很简单，但是它已经足够满足要求。

typedef Name<int,86> grossAmount;
typedef Name<double,007> percentage;

现在我们可以可读类型，而且还可以把成员类型和index绑定在一起。注意：这index对应的实际数值不是实质性的，只要[type,index] 是唯一的。一个命名的Monostate假定成员的类型能够从它的初始化类型解压。

class NamedMonostate {
public:
template <class N>
typename N::Type &get() {
static typename N::Type member;
return member;
}
};

这个提高用户接口的技术是没有牺牲原来技术的简单性和方便性(注意：typename是告诉嵌入的N::Type是一个type name)。

可以这样使用：

NamedMonostate nm1, nm2;
nm1.get<grossAmount>() = 12;
nm2.get<percentage>() = nm1.get<grossAmount>() + 12.2;
cout << nm1.get<grossAmount>() * nm2.get<percentage>() << endl;

最后，我们可以修改接口来使用Monostate。

class GSNamedMonostate {
public:
template <typename N>
void set( const typename N::Type &val ) {
// This const_cast is actually safe,
// since we are always actually getting
// a non-const object. (Unless N::Type is
// const, then you get a compile error here.)
const_cast<typename N::Type &>(get()) = val;
}

template <typename N>
const typename N::Type &get() const {
static typename N::Type member;
return member;
}
};

这是原型模式(Protopattern)吗？

其实，像我们刚刚开始提到的一样，这是搜索技术。同样，我们没有权利调用这样的模式。一个设计模式是包装了成功的实际成果的。这个"protopattern"通常应用在上下文中可以察觉的技术，因此，不能被应用于更加广泛的“pattern”软件中。由于我们不能指出它的成功之地方，所以，我们只能尽量扩展monostate这个模式。

Template Names in Templates

让我们回到分析模板的编译器问题上来吧。编译器分析的难题，不仅只有嵌入type names，而且，我们还常常见到嵌入 template names 类似的问题。调用一个类，或类模板必须有一个这样的成员。这个成员是一个类，或模板函数。

例如：一个使用模板成员函数的扩展Monostate可以按需要这样初始化：

typedef Name<int,86> grossAmount;
typedef Name<double,007> percentage;
GSNamedMonostate nm1, nm2;
nm1.set<grossAmount>( 12 );
nm2.set<percentage>( nm1.get<grossAmount>() + 12.2 );
cout << nm1.get<grossAmount>() * nm2.get<percentage>() << endl;

在上面的代码中，编译器在检查模板get不会碰到任何困难。其中，nm1和nm2是GSNamedMonostate的类型名，编译器可以在类里面查询get和set的类型。

然而，考虑写这样一个优雅的函数：它能够用来移置扩展的Monostate object。

template <typename M>
void populate() {
M m;
m.get<grossAmount>(); // syntax error!
M *mp = &m;
mp->get<percentage>(); // syntax error!

}
又一次，问题出在编译器不知道M足够的信息，除了，知道它是type name外。特别是，如果没有足够的get<>信息的话，编译器会认为它不是type，不是模板名。因此，m.get<grossAmount>()的中括号被解释为大于号，和小于号，而不是模板参数列表。
这种情况下，解决办法是要告诉编译器<>是模板参数列表，而不是其他的操作名。

template <typename M>
void populate() {
M m;
m.template get<grossAmount>(); // OK
M *mp = &m;
mp->template get<percentage>(); // OK
}

是不是不可思议啊，就像分析使用typename一样，这种template特殊的用法，仅在必要的情况下，才能使用。
Hints For Rebinding Allocators
我们也碰到嵌入模板类的同样的分析问题，在STL allocator的实现，就是这样的经典例子。

template <class T>
class AnAlloc {
public:
//...
template <class Other>
class rebind {
public:
typedef AnAlloc<Other> other;
};
//...
};

这个模板类AnAlloc中就有嵌入的name，而这个name本身就是一个模板类。这是使用STL的框架来创建allocators，就像allocators为一个容器用不同的数据类型初始化一样。例如：

typedef AnAlloc<int> AI; // original allocator allocates ints
typedef AI::rebind<double>::other AD; // new one allocates doubles
typedef AnAlloc<double> AD; // legal! this is the same type

也许，这样看起来是有些多余。但是使用rebind机制可以允许我们用现存的allocator为不同的数据类型工作，而且不需要知道当前的allocator类型和要allocate数据类型。

typedef SomeAlloc::rebind<ListNode>::other NewAlloc;

如果SomeAlloc要为STL的allocators提供方便的话，它要有嵌入的rebind 模板类。本质上说：“我们不要知道allocator的类型，也不要知道分配类型，但是，我想要一个像allocates ListNodes一样的allocator”。
在模板中常常忽视这种工作，直到template 初始化后，变量的类型和值才能确定。考虑STL各种编译List容器的实现，我们的模板列表有两个模板参数，一个元素类型(T)和allocator type(A)。(像标准容器，我们list提供缺省的allocator )。

template < typename T, typename A = std::allocator<T> >
class OurList {
struct Node {
//...
};
typedef A::rebind<Node>::other NodeAlloc; // error!
};

作为典型基于lists基础的容器，我们的list实际上不分配和操作元素Ts。而是，分配和操作T类型的容器。这种情况，就是我们前面所讲述的。我们有allocator，它知道怎样分配T类型的对象，但是，我们想分配OurList<T,A>::Node。然而，当我们尝试这么rebind的时候，我们会出现语法错误。这个问题再一次是因为编译器没有A类型足够的信息。因此，编译器认为嵌入的rebind name不是模板name，同时，<>被解释为大于，小于操作。但是，这只是我们问题的开始。就算编译器能够知道rebind 是template name，它也会认为不是type name。因此，必须这么写typedef。
typedef typename A::template rebind<Node>::other NodeAlloc;
关键字template告诉编译器这个rebind是模板名，关键字typename告诉编译器整个指向一个type name，很简单吧。
参考资料和注意事项：

[1]这样的接口并不总是一个好的主意。参考 Gotcha #80: Get/Set Interfaces in C++ Gotchas (Addison-Wesley, 2003).
[2]事实上，你也许可以不这样做，尽管从哲学的角度来说，populate是一个很有意思的模板函数，它是为很多模板在编译时刻初始化服务的。这样，不需要在编译时刻调用函数了（译注：虚拟函数就是运行时刻初始化）然而，如果函数没有调用，它将不被初始化，这种初始化也不将完成。其他可行的方法就是得到函数的地址，而不是调用函数，或者作一个明显的初始化，这样，如果，函数在运行时刻不需要，它也会存在。
[3]如果你不熟悉STL的allocator，你不要担心，在以后的讨论中，不需要对它熟悉。allocator就是一个类而已，只不过，它是用来为STL容器管理内存的。Allocators是模板类的典型的实现。

About the Author

Stephen C. Dewhurst (<www.semantics.org>) is the president of Semantics Consulting, Inc., located among the cranberry bogs of southeastern Massachusetts. He specializes in C++ consulting, and training in advanced C++ programming, STL, and design patterns. Steve is also one of the featured instructors of The C++ Seminar (<www.gotw.ca/cpp_seminar>