C++泛型与多态（4）: Duck Typing

对于一门强类型的静态语言来说，要想通过运行时多态来隔离变化，多个实现类就必须属于同一类型体系。也就是说，它们必须通过继承的方式，与同一抽象类型建立is-a关系。

而Duck Typing则是一种基于特征，而不是基于类型的多态方式。事实上它仍然关心is-a，只不过这种is-a关系是以对方是否具备它所关心的特征来确定的。

James Whitcomb Riley在描述这种is-a的哲学时，使用了所谓的鸭子测试（Duck Test）:

当我看到一只鸟走路像鸭子，游泳像鸭子，叫声像鸭子，那我就把它叫做鸭子。（When I see a bird that walks like a duck and swims like a duck and quacks like a duck, I call that bird a duck.）

鸭子测试

Duck Test基于特征的哲学，给设计提供了强大的灵活性。动态面向对象语言，如Python，Ruby等，都遵从了这种哲学来实现运行时多态。下面给出一个Python的例子：

class Duck:
    def quack(self):
        print("Quaaaaaack!")
    def feathers(self):
        print("The duck has white and gray feathers.")

class Person:
    def quack(self):
        print("The person imitates a duck.")
    def feathers(self):
        print("The person takes a feather from the ground and shows it.")
    def name(self):
        print("John Smith")

def in_the_forest(duck):
    duck.quack()
    duck.feathers()

def game():
    donald = Duck()
    john = Person()
    in_the_forest(donald)
    in_the_forest(john)

game()

但这并不意味着Duck Typing是动态语言的专利。C++作为一门强类型的静态语言，也对此特性有着强有力的支持。只不过，这种支持不是运行时，而是编译时。

其实现的方式为：一个模板类或模版函数，会要求其实例化的类型必须具备某种特征，如某个函数签名，某个类型定义，某个成员变量等等。如果特征不具备，编译器会报错。

比如下面一个模板函数:

template  
void f(const T& object) 
{ 
  object.f(0); // 要求类型 T 必须有一个可让此语句编译通过的函数。
} 

对于这样一个函数，下面的四个类均可以用来作为其参数类型。

struct C1 
{
  void f(int); 
};
 
struct C2 
{ 
  int f(char); 
};
 
struct C3 
{ 
  int f(unsigned short, bool isValid = true); 
}; 
 
struct C4
{
  Foo* f(Object*);
};

一旦上述模板函数实现为下面的样子，则只有C2和C3可以和f配合工作。

template  
void f(const T& object) 
{ 
  int result = object.f(0); 
  // ... 
} 

通过之前的解释我们不难发现，Duck Typing要表达的多态语义如下图所示：

DuckTyping的语义

适配器：类型萃取

Duck Typing需要实例化的类型具备一致的特征，而模板特化的作用正是为了让不同类型具有统一的特征（统一的操作界面），所以模板特化可以作为Duck Typing与实例化类型之间的适配器。这种模板特化手段称为萃取（Traits)，其中类型萃取最为常见，毕竟类型是模板元编程的核心元素。

所以，类型萃取首先是一种非侵入性的中间层。否则，这些特征就必须被实例化类型提供，而就意味着，当一个实例化类型需要复用多个Duck Typing模板时，就需要迎合多种特征，从而让自己经常被修改，并逐渐变得庞大和难以理解。

Type Traits的语义

另外，一个Duck Typing模板，比如一个通用算法，需要实例化类型提供一些特征时，如果一个类型是类，则是一件很容易的事情，因为你可以在一个类里定义任何需要的特征。但如果一个基本类型也想复用此通用算法，由于基本类型无法靠自己提供算法所需要的特征，就必须借助于类型萃取。

结论

这四篇文章所介绍的，就是C++泛型编程的全部关键知识。

从中可以看出，泛型是一种多态技术。而多态的核心目的是为了消除重复，隔离变化，提高系统的正交性。因而，泛型编程不仅不应该被看做奇技淫巧，而是任何一个追求高效的C++工程师都应该掌握的技术。

同时，我们也可以看出，相关的思想在其它范式和语言中（FP，动态语言）也都存在。因而，对于其它范式和语言的学习，也会有助于更加深刻的理解泛型，从而正确的使用范型。

最后给出关于泛型的缺点：

1. 复杂模板的代码非常难以理解;
2. 编译器关于模板的出错信息十分晦涩，尤其当模板存在嵌套时；
3. 模板实例化会进行代码生成，重复信息会被多次生成，这可能会造成目标代码膨胀;
4. 模板的编译可能非常耗时;
5. 编译器对模板的复杂性往往会有自己限制，比如当使用递归时，当递归层次太深,编译器将无法编译;
6. 不同编译器（包括不同版本）之间对于模板的支持程度不一，当存在移植性需求时，可能出现问题;
7. 模板具有传染性，往往一处选择模板，很多地方也必须跟着使用模板，这会恶化之前的提到的所有问题。

我对此的原则是：在使用其它非泛型技术可以同等解决的前提下，就不会选择泛型。

相关链接

深入理解C++泛型（1）：基础篇

深入理解C++泛型（2）：模板特化

深入理解C++泛型（3）：类模板特化