C++模板的原理与应用

相信大家对模板并不陌生，模板的基本概念我想就不用多说了。大多数人包括我自己对模板的理解就是“T容器”。

请看下面的代码：

template<intm1, int l1, int t1,int m2, int l2, intt2>

Physical<m1+m2,l1+l2, t1+t2> operator*(Physical<m1,l1, t1 > lhs, Physical<m2,l2, t2> rhs)

{

    return Physical<m1+m2,l1+l2, t1+t2>::unit*lhs.value() *rhs.value();

}

头一次见到template的这种用法时，我确实有点目眩。看来我们对模板的认识只是皮毛而已J

在当今的程序设计中模板已经显露出它的价值来了，比如STL全部都是以模板架构的。自VS2003(VC7)以来的编译器也对模板提供了更多的支持。

我们需要对模板有更进一步的认识，下面就让我们进入模板的世界。

§1模板的特性

首先来看一个例子：

template<intn>

intFunc1()     { returnn; }

intFunc2(int n) { return n; }

你能看出这两个函数的区别在哪里吗？

它们的区别就在于，Func1的参数是编译期指定，如Func1<0>()；而Func2的参数则是运行期指定。

这正体现了模板的特性或者说是它的技术核心，就是编译期的动态机制，这种机制使程序在运行期具有更大的效率优势。

到此你是不是对本文开头那段代码有了更深入的理解了呢？

模板的另一个特性是，如果一个模板没有被特化，那么编译器根本不会去理会它，也就是说模板内的代码被隐藏了。

§2函数模板与类模板

这是一个函数模板：template<class T> Func(T param) {}

函数模板的模板参数是隐式的，编译器会自动根据传入值的类型来确定模板参数的类型。因此函数模板的模板参数不能有默认值。

这是一个类模板：template<class T> class MyClass {};

类模板的模板参数是显式的，使用一个模板类时必须指明其模板参数，因此类模板的模板参数可以有默认值。

我们还可以做更多的事情，比如MyClass可以派生自T（XTP界面库就是这么做的），在MyClass内部可以使用关于T的enum、typedef等等。这些将在下文一一谈到。

（我在这里提出一个建议，创建一个类模板，请记得第一件事就是对模板参数进行typedef定义。）

§3模板的部分特化与应用

模板最有价值的地方就是它的部分特化，也是应用最广泛的特性。

所谓“部分特化”也就是说，一个模板有多个参数，但我们只对其中一部分参数进行特化，或者是只针对常量模板参数的某种情况进行特化。

?编译期ASSERT

这是对bool型模板参数部分特化的一个例子。最简单的实现：

template<bool>struct CompileTimeAssert;

template<>struct CompileTimeAssert<true> {};

当我们将一个表达式作为模板参数，而这个表达式的值为false时，编译器就找不到合适的实现，便会报错了。

我们可以将它扩展一下：

template<bool>struct CompileTimeAssert {CompileTimeAssert(…) ;};  // 这里使用了C++支持的任意参数表

template<>struct CompileTimeAssert<false> {};

#defineCOMPILE_CHECK(expr,msg) /

{/

           class ERROR_##msg {}; /

            (void)CompileTimeAssert<((expr)!=0)>(ERROR_##msg()); /

}

   // 这里不直接传入expr是为了获得更大的适应性，因为expr有可能是无法隐式转换为bool型的（比如指针），笔者曾参与的

 // 一个项目在由VC6平台升级到VS2003平台时，由于后者ASSERT宏实现的变化，就遇到了这一问题。

当然，事实是编译期可用的表达式或函数（如sizeof、__alignof）数量上并不太多，但是这种方式是有着积极意义的。

?编译期分派与类型选择

常量映射为类型

请看这样一个模板：template<intv> struct Int2Type{ enum{ value = v }; };

模板参数的不同数值，就会产生不同类型的Int2Type。即Int2Type<0>不同于Int2Type<1>，以此类推。

我们可以利用这个模板实现编译期分派。看这样一个例子：

template<class T,bool bPolymorphic>

classMyClass

{

    ……

    void Func(T* pObj)

{

    if (bPolymorphic)

{

    T* pNewObj = pObj->Clone(); // 多态类型

……

}

else

{

    T* pNewObj = new T(*pObj); // 非多态类型

……

}

}

};

显然，编译器不会让你侥幸成功。而使用了Int2Type就不一样了：

template<class T,bool bPolymorphic>

classMyClass

{

    ……

voidFunc(T* pObj)

{

    Func(pObj, Int2Type< bPolymorphic >);

}

    private:

    void Func(T* pObj, Int2Type<true>)

{

T* pNewObj = pObj->Clone(); // 多态类型

……

}

voidFunc(T* pObj,Int2Type<false>)

{

T* pNewObj = new T(*pObj); // 非多态类型

……

}

};

 

类型映射为类型

也就是这样一个模板：template<typename T> struct Type2Type{typedef T    _MyType; };

其用法跟Int2Type类似，但我们可以利用它进而实现类型选择。

举一个例子，我们使用vector来存储数据，如果数据是非多态类型，存储其实体比较有效率；如果数据是多态类型，显然只能存储其指针。使用Type2Type实现如下：

template<boolflag, typename T,typename U> structTypeSelector { typedef T   _Result; };

template<typename T,typename U> structTypeSelector<false, T, U> {typedef U    _ Result; };

template<typename T,bool bPolymorphic>

classMyClass

{

    ……

    typedef TypeSelector< bPolymorphic, T*, T>::_Result    _MyType;

}

模板的部分特化与枚举的结合使用

这是一种具有极大的可扩展性的方式。比如我们要检查两个类型是否是相同的类型，可以这样实现：

template<class T,class U> struct CompileCheck { enum{ same_type = false }; };

template<class T>struct CompileCheck<T, T> {enum{ same_type =true }; };

使用这种方式还可以检查两个类型是否可以转换、是否可以双向转换、是否具有派生关系，可以判断一个类型是否是基本类型、属于那种基本类型、是否是指针，等等。当然这些都是在编译期进行的。请大家参阅附注中说明的原著，这里就不详述了。

一个另类的技巧

代码如下：

template<class T>struct UnConst {typedef T    _Result; };

template<>struct UnConst <const T> {typedef T    _ Result; };

template<class T>

classMyClass

{

    ……

    typedef UnConst <T>::_Result   _MyType;

}

看，我们巧妙的去掉了const修饰符。用同样的方法我们还可以去掉volatile修饰符。