C++ 模板应用浅析
把以前写的C++模板的应用心得发表出来。回想起当时在学习C++模板时的无助和恐惧，现在还心有余悸，我分享出来我的心得，只希望别人少走弯路，其实它就这么几种用法，不需要害怕。
我总结了模板的四种使用方式，基本覆盖了大部分的模板使用场景，了解了这四种方式，就可以在看其它代码时理解别人为什么会在这个地方用模板。
模板的四大场景
1.数据类型与算法相分离的泛型编程
2.类型适配Traits
3.函数转发
4.元编程
1.数据类型与算法相分离的泛型编程
在模板编程中，最常见的就是此类用法，将数据类型与算法相分离，实现泛型编程。
STL本身实现了数据容器与算法的分离，而STL中大量的模板应用，则实现了数据类型与容器算法的分离，它是泛型编程的一个典范。
如：
如：
std::vector
std::vector
单件的模板实现，将单件的算法和单件的类型相分离。
如：
数据类型与算法的分离是最容易理解的一种使用场景，我觉得这可能也是发明泛型算法的初衷。
如：
template class Singleton
{
protected:
Singleton(){}
public:
static T& GetInstance()
{
static T instance;
return instance;
}
};
Class CMySingleton : public Singleton< CMySingleton > 数据类型与算法的分离是最容易理解的一种使用场景，我觉得这可能也是发明泛型算法的初衷。
2.类型适配Traits
C++教科书一定会提到C++语言的多态性。我对多态的理解就是：相同的方法产生了不同的行为。这在C++中最常见的用例就是虚函数，虚函数被子类覆盖后由子类重写，不同的子类对于相同的虚函数调用表现出不同的行为，但调用者丝毫不关心具体的实现，它只对于虚接口进行调用完事。这种多态就是运行时的多态。因为它是在运行时才知道最终调用到哪个子类函数上。
与运行时多态相对，另有一种多态形式是借助于模板实现的，模板允许我们使用单一的泛型标记，来关联不同的特定行为：但这种关联是在编译期进行处理的，这些借助于模板的多态称为静多态 。
请看下方的示例。
class A1
{
public: void fun();
};
class A2
{
public: void fun();
};
template class CFunInvoker
{ public:
Static void invoke(A* t)
{ t->fun(); }
}
A1 a1;
A2 a2;
CFunInvoker::invoke(&a1);
CFunInvoker::invoke(&a2);
如果用动多态实现的话，那就需要A1和A2继承自同一个含有虚接口fun的父类（比如这个父类叫CFunBase）。并且对于CFunInvoker来说，它需要定义一个这样的父类指针（CFunBase*），并对其进行调用。这个时候，A1和A2就不那么自由了，任何对CFunBase的修改都会影响到A1和A2的功能。这样A1，A2，CFunInvoker的耦合性变高了，它们需要的是一个类来实现关联。
因此，静多态的好处就是：静多态不需要实现多态的类型有公共的基类，因为它可以一定程度上的解耦，但是它仍然需要模板类与模板参数之间有一些协议(这里协议就比如上面的例子中需要名为fun参数为空的函数)。
但如果有些模板参数类型不满足这些协义，怎么办？比如我想调用CFunInvoker
因此我们引入静多态的另一个用处：Traits(粹取)
比如下面这个Host类需要模板参数类型提供一个叫dosomething的方法，所以Host是可以编译通过，但Host
为了解决这个问题，我们增加一个Traits类，它一定会对外提供一个dosomething的方法。对于普通类型，它就转发这个方法，于对int型，它作了特化，实现了一个空的dosomething的方法。因此无论是Host
STL中大量运用了traits。比如我们常见的string类型，别以为它只能处理字符串，它可以处理任何类型，你甚至可以用它来处理二进制的buffer(binaryarray)。
比如我们可以修改std::string让其内部处理long类型，让它成为一个long型数组。
typedef
basic_string, allocator > longstring;
longstring strlong;
strlong.push_back(23);
strlong.push_back(4562);
long arrLong[2] = {23, 4562};
longstring strlongFromArr(arrLong, ARRAYSIZE(arrLong));
assert(strlong == strlongFromArr);
3.函数转发
模板类的很多应用在于它能针对不同的模板参数生成不同的类。这使得我们可以通过模板类将函数指针以及它的参数类型记录下来，在需要的时候再对函数进行调用。
基于函数转发的应用有很多
- boost::function
- boost::signal slot
- 模板实现的C++委托
- 模板实现的C++反射
凡是涉及到把函数指针存放起来，进行延迟调用的情况，都可以应用函数转发
下面模拟一个简单的转发
template class function;
template
class function
{
public:
typedef R(*fun)(A0 );
function(fun ptr):m_ptr(ptr){}
R operator()(A0 a)
{(*m_ptr)(a);}
fun m_ptr;
};
int testfun(int a)
{
printf("%d", a);
return 2;
}
function f1(&testfun);
f1(4);
下面的例子模拟了类成员函数的转发
template class function;
template
class function
{
public:
typedef R(T::*fun)(A0);
function (fun p, T* pthis):m_ptr(p), m_pThis(pthis){}
R operator()(A0 a) {(m_pThis->*m_ptr)(a);}
fun m_ptr;
T* m_pThis;
};
class CA
{
public:
void Fun(int a) {cout << a;}
};
CA a;
function f(&CA::Fun, &a);
f(4); // 等价于a.Fun(4);
上面的例子把class CA的对象指针，成员函数指针，以及它的成员函数签名
void (CA::*)(int)调用的方式很简单
f(4); // 等价于a.Fun(4);
不过函数转发的这种封装使会使得调用效率降低，如何让封装后的调用像普通函数调用一样快，请参考我发的另一篇学习心得
高效C++委托的原理
4.元编程
许多书介绍元编程是这样说的：Metaprogram:a program about a program。就是“一个关于另一个程序的程序”。这方面介绍很多。从一个示例入手：一段从1累加到100的程序
主模板有一个整形的参数N， 主模板中的枚举值value取值会取得模板参数为N-1的模板类的value值，加上自身的N值。然后为N=1的时候特化处理value=1。这样在GetSum<100>这个类中它的value值就是5050。这个值不是在运行时候计算机算的，而是在编译时编译器已经算好了。这么长的C++代码最终编译出来的结果就和只写一句
prinft("%d",5050);产生的汇编指令是一样的。
从这个小例子可以总结出元编程的思想：
在编译期实现对类型或数值的计算。
利用模板特化机制实现编译期条件选择结构，利用递归模板实现编译期循环结构，模板元程序则由编译器在编译期解释执行。
利用模板特化机制实现编译期条件选择结构，利用递归模板实现编译期循环结构，模板元程序则由编译器在编译期解释执行。
在编译期我们可以用来帮助计算的工具有：
- 模板的特化
- 函数重载决议
- typedef
- static类型变量和函数
- sizeof，
- =，:?，-，+，<, >运算符
- enum
1。元编程中特化用法
一般用特化实现条件的判断。
包括普通if的判断
循环条件终结判断
。。。。。
包括普通if的判断
循环条件终结判断
。。。。。
下面是一个例子
struct is_void
{
enum{value = false;}
}
template<>
struct is_void
{
enum{value = true;}
}
std::cout << is_void //显示false
上面这个例子可以用来判断一个类型是不是void类型
2。元编程中函数重载决议用法
下面这个例子来自于《C++设计模式新思维》
用来判断两个类型之间是否有转化关系
template
struct Conversion
{
static char Test(U);
static long Test(...);
static T MakeT();
enum { exists =
(sizeof(Test(MakeT())) == sizeof(char) )};
};
class A;
class B: public A;
printf("%d, %d", Conversion::exists, Conversion::exists);
输出1,0
在
Conversion
而在
Conversion3。元编程中typedef用法
在元编程中，typedef主要用来形成编译期的类型数据结构。最经典的TypeList结构
boost::tuple结构也是基于类似TypeList的结构
Boost的mpl库中还实现了vector map set等数据结构
比如下面的示例就实现了一个ClassA=>ClassB=>ClassC的类型链表。
typedef struct NULL_TYPE{} NullType
template
struct Typelist
{
typedef T Head;
typedef U Tail;
}
typedef Typelist>> mytypelist ;
我们可以改造一下，给它增加两个对象，形成一个可以把不同类型元素存到一个链表中的对象链表
template
struct Typelist
{
typedef T Head;
typedef U Tail;
Head m_head;
Tail m_tail;
}
Typelist> storage;
Storage. m_head = ClassA();
Storage.m_tail.m_head = ClassB(); 这样链表就存了ClassA和ClassB的两个实例对象。
下面举一个运用typelist强大威的的实例。
typelist实现简单工厂
很多时候我们会涉及到对象工厂， 这是简单工厂模式的一种，就是根据需求产生不同的类对象。
下面就是一个简单工厂的例子，这种代码随处可见于各种C++项目。
void * CreateObj(const std::string & strClsName)
{
if (strClsName == “ClassA")
{
return new ClassA();
}
else if (strClsName == " ClassB")
{
return new ClassB();
}
else if (strClsName == " ClassC")
{
return new ClassC();
}
}这就是一个分支结构，如果类型特别多的话，代码就会很长很挫。
我们可以用typelist来帮我们生成这样的代码。这是一种高大上的方法
class ClassA
{
public;
virtual const char* getClassName(){ return m_classname;}
static char* m_classname; //每个类型用一个字符串来表示自己的型别
};
char* ClassA::m_classname = “ClassA”;
class ClassB …
class ClassC …
typedef
Typelist
>
>
mytypelist ;
template
struct Typelist
{
typedef T Head;
typedef U Tail;
static void* CreatObj(const char *pName)
{
if (strcmp(Head::m_classname, pName) == 0 )
{
return new Head; //找到对应的类
}
else
{
return Tail::CreatObj(pName );//这里就是对Typelist进行了递归调用，从而产生了分支代码
}
}
};
template
struct Typelist//特化用以递归结束条件
{
static void* CreatObj(const char *pName)
{
if (strcmp(Head::m_classname, pName) == 0 )
{
return new Head;
}
else
{
return NULL;
}
}
};
ClassA* pa = (ClassA* )mytypelist:: CreatObj(“ClassA”);
ClassB* pb = (ClassB* )mytypelist:: CreatObj(“ClassB”);
ClassC* pc = (ClassC* )mytypelist:: CreatObj(“ClassC”);
…
这种方式并没有减少最终生成的汇编指令级的if else的数量，但是它不需要我们写那么多的if else了。通过模板的递归方式，让编译器自动为我们生成分支判断。
动态类型创建已经由前面的类工厂实现了，现在我们可以用类似的方面实现动态类型识别
RuntimeClass主要有两方面的功能：
1.动态类型创建
ClassA* pObj = CreateObj(“ClassA”);
2.动态类型识别
pObj ->IsKindOf( ClassA::GetRuntimeClass() ) ;
在MFC中，IsKindOf 方法是通过遍历继承链来确定是否属于某种类型。一看到这种遍历或循环的方式，我们就可以考虑用模块递归来实现
1.动态类型创建
ClassA* pObj = CreateObj(“ClassA”);
2.动态类型识别
pObj ->IsKindOf( ClassA::GetRuntimeClass() ) ;
在MFC中，IsKindOf 方法是通过遍历继承链来确定是否属于某种类型。一看到这种遍历或循环的方式，我们就可以考虑用模块递归来实现
下面是实现代码。只需利用前面讲到的Conversion模板
元编程技术很多，比如还有数值运算等(最简单的1到100累加的例子)，我这里只是挂一漏万，具体可以参考《C++设计模式新思维》。
template
struct Typelist
{
typedef T Head;
typedef U Tail;
template
static bool IsKindOf(const char *pName)
{
if (strcmp(Head:: getClassName(), pName) == 0 )
{
return Conversion::exists;
}
else
{
return Tail::IsKindOf(pName );
}
}
};
class ClassA;
class ClassB : public Class A;
class ClassC;
ClassA* pa = new ClassA;
ClassB* pb = new ClassB;
typedef Typelist> >
mytypelist ;
printf(“%d, %d, %d,%d”, mytypelist::IsKindOf< ClassA >(pa->getClassName()),mytypelist::IsKindOf< ClassB >(pa->getClassName()),
mytypelist::IsKindOf< ClassC >(pa->getClassName()),
mytypelist::IsKindOf< ClassA >(pb->getClassName()));
// 结果是 1,0,0,1
元编程技术很多，比如还有数值运算等(最简单的1到100累加的例子)，我这里只是挂一漏万，具体可以参考《C++设计模式新思维》。