CPP-Templates-2nd--第十一章 泛型库

目录

11.1 可调用对象（Callables） 

11.1.1 函数对象的支持

11.1.2 处理成员函数以及额外的参数

11.1.3 函数调用的包装

11.2 其他一些实现泛型库的工具

11.2.1 类型萃取

11.2.2 std::addressoff()

11.2.3 std::declval()

11.3 完美转发临时变量

11.4 作为模板参数的引用

11.5 推迟计算（Defer Evaluation)

11.6 在写泛型库时需要考虑的事情

11.7 总结

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参考：GitHub - Walton1128/CPP-Templates-2nd--: 《C++ Templates 第二版》中文翻译，和原书排版一致，第一部分（1至11章）以及第18，19，20，21、22、23、24、25章已完成，其余内容逐步更新中。 个人爱好，发现错误请指正

11.1 可调用对象（Callables） 

一些库包含这样一种接口，客户端代码可以向该类接口传递一个实体，并要求该实体必须被 调用。相关的例子有：必须在另一个线程中被执行的操作，一个指定该如何处理 hash 值并 将其存在 hash 表中的函数（hash 函数），一个指定集合中元素排序方式的对象，以及一个 提供了某些默认参数值的泛型包装器。标准库也不例外：它定义了很多可以接受可调用对象 作为参数的组件。

这里会用到一个叫做回调（callback）的名词。传统上这一名词被作为函数调用实参使用， 我们将保持这一传统。比如一个排序函数可能会接受一个回调参数并将其用作排序标准，该 回调参数将决定排序顺序。

在 C++中，由于一些类型既可以被作为函数调用参数使用，也可以按照 f(...)的形式调用，因 此可以被用作回调参数：

 函数指针类型

 重载了 operator()的 class 类型（有时被称为仿函数（functors）），这其中包含 lambda 函数

 包含一个可以产生一个函数指针或者函数引用的转换函数的 class 类型

这些类型被统称为函数对象类型（function object types），其对应的值被称为函数对象 （function object）

11.1.1 函数对象的支持

template
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op)
{
while (current != end) { //as long as not reached the end
op(*current); // call passed operator for current element
++current; // and move iterator to next element
}
}
#include #include 
#include "foreach.hpp"
// a function to call:
void func(int i)
{
std::cout << "func() called for: " << i << ’\n’;
}
// a function object type (for objects that can be used as functions):
class FuncObj {
public:
void operator() (int i) const { //Note: const member function
std::cout << "FuncObj::op() called for: " << i << ’\n’;
}
};
int main()
{
std::vector primes = { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 };
foreach(primes.begin(), primes.end(), // range
func); // function as callable (decays to pointer)
foreach(primes.begin(), primes.end(), // range
&func); // function pointer as callable
foreach(primes.begin(), primes.end(), // range
FuncObj()); // function object as callable
foreach(primes.begin(), primes.end(), // range
[] (int i) { //lambda as callable
std::cout << "lambda called for: " << i << ’\n’;
});
}

详细看一下以上各种情况：

 当把函数名当作函数参数传递时，并不是传递函数本体，而是传递其指针或者引用。和 数组情况类似（参见 7.4 节），在按值传递时，函数参数退化为指针，如果参数类型是 模板参数，那么类型会被推断为指向函数的指针。 和数组一样，按引用传递的函数的类型不会 decay。但是函数类型不能真正用 const 限 制。如果将 foreach()的最后一个参数的类型声明为 Callable const &，const 会被省略。 （通常而言，在主流 C++代码中很少会用到函数的引用。）

 在第二个调用中，函数指针被显式传递（传递了一个函数名的地址）。这和第一中调用 方式相同（函数名会隐式的 decay 成指针），但是相对而言会更清楚一些。

 如果传递的是仿函数，就是将一个类的对象当作可调用对象进行传递。通过一个 class 类型进行调用通常等效于调用了它的 operator()。因此下面这样的调用： op(*current);

会被转换成： op.operator()(*current);

注意在定义 operator()的时候最好将其定义成 const 成员函数。否则当一些框架或者库 不希望该调用会改变被传递对象的状态时，会遇到很不容易 debug 的 error。

 Lambda 表达式会产生仿函数（也称闭包），因此它与仿函数（重载了 operator()的类） 的情况没有不同。不过 Lambda 引入仿函数的方法更为简便，因此它们从 C++11 开始变 得很常见。 有意思的是，以[]开始的 lambdas（没有捕获）会产生一个向函数指针进行转换的运算 符。但是它从来不会被当作 surrogate call function，因为它的匹配情况总是比常规闭包 的 operator()要差。

11.1.2 处理成员函数以及额外的参数

在以上例子中漏掉了另一种可以被调用的实体：成员函数。这是因为在调用一个非静态成员 函数的时候需要像下面这样指出对象：object.memfunc(...)或者 ptr->memfunc(...)，这和常规 情况下的直接调用方式不同：func(...)。

从 C++17 开始，标准库提供了一个工具：std::invlke()，它非常方便的统一了上面 的成员函数情况和常规函数情况，这样就可以用同一种方式调用所有的可调用对象。：

#include 
#include 
template
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op, Args const&…args)
{
while (current != end) { //as long as not reached the end of the
elements
std::invoke(op, //call passed callable with
args…, //any additional args
*current); // and the current element
++current;
}
}
#include 
#include 
#include 
#include "foreachinvoke.hpp"
// a class with a member function that shall be called
class MyClass {
public:
void memfunc(int i) const {
std::cout << "MyClass::memfunc() called for: " << i << ’
\n’;
}
};
int main()
{
std::vector primes = { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 };
// pass lambda as callable and an additional argument:
foreach(primes.begin(), primes.end(), //elements for 2nd arg of
lambda
[](std::string const& prefix, int i) { //lambda to call
std::cout << prefix << i << ’\n’;
},
"- value:"); //1st arg of lambda
// call obj.memfunc() for/with each elements in primes passed as
argument
MyClass obj;
foreach(primes.begin(), primes.end(), //elements used as args
&MyClass::memfunc, //member function to call
obj); // object to call memfunc() for
}

第一次调用 foreach()时，第四个参数被作为 lambda 函数的第一个参数传递给 lambda，而 vector 中的元素被作为第二个参数传递给 lambda。第二次调用中，第三个参数 memfunc() 被第四个参数 obj 调用。

11.1.3 函数调用的包装

Std::invoke()的一个常规用法是封装一个单独的函数调用。此时可以通过完美转发可调 用对象以及被传递的参数来支持移动语义：

#include  // for std::invoke()
#include  // for std::forward()
template
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&… args)
{
return std::invoke(std::forward(op), //passed callable with
std::forward(args)…); // any additional args
}

为了能够返回引用（比如 std::ostream&）,需要使用 decltype(auto)而不是 auto：

主要还是因为auto作为返回值，会导致类型退化，decltype(auto) 避免了这种退化。

  auto （可有 cv 限定符）一定会推导出返回类型为对象类型。并且应用数组到指针、函数到指针隐式转换。
  auto 加上 & 或 && （可有 cv 限定符）一定会推导出返回类型为引用类型。
  decltype(auto) 可以推导出对象类型，也可以推导出引用类型。具体取决于 decltype 应用到 return 语句中表达式的结果。

decltype(auto)（在 C++14 中引入）是一个占位符类型，它根据相关表达式决定了变量、返回值、或者模板实参的类型。

如果你想暂时的将 std::invoke()的返回值存储在一个变量中，并在做了某些别的事情后将其 返回（比如处理该返回值或者记录当前调用的结束），也必须将该临时变量声明为decltype(auto)类型：

decltype(auto) ret{std::invoke(std::forward(op),
std::forward(args)…)}; …
return ret;

如果可调用对象的返回值是 void， 那么将 ret 初始化为 decltype(auto)是不可以的，这是因为 void 是不完整类型。

分别实现 void 和非 void 的情况：

#include  // for std::invoke()
#include  // for std::forward()
#include  // for std::is_same<> and
invoke_result<>
template
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&… args)
{
if constexpr(std::is_same_v, void>) {// return type is void:
std::invoke(std::forward(op),
std::forward(args)…); …
return;
} else {
// return type is not void:
decltype(auto) ret{std::invoke(std::forward(op),
std::forward(args)…)}; …

return ret;
}
}

11.2 其他一些实现泛型库的工具

11.2.1 类型萃取

使用类型萃取的时候需要额外小心：其行为可能和程序员的预期不同。比如：

std::remove_const_t // 

这里由于引用不是 const 类型的（虽然你不可以改变它），这个操作不会有任何效果。

这样，删除引用和删除 const 的顺序就很重要了：

std::remove_const_t> // int
std::remove_reference_t> // int const

另一种方法是，直接调用：

std::decay_t // yields int

但是这同样会让裸数组和函数类型退化为相应的指针类型。

当然还有一些类型萃取的使用是有要求的。这些要求不被满足的话，其行为将是未定义的。 比如：

make_unsigned_t // unsigned int
make_unsigned_t // undefined behavior 

某些情况下，结果可能会让你很意外。比如：

add_rvalue_reference_t // int const&&
add_rvalue_reference_t // int const& (lvalueref remains lvalue-ref)

这里我们期望 add_rvalue_reference 总是能够返回一个右值引用，但是 C++中的引用塌缩 （reference-collapsing rules，参见 15.6.1 节）会令左值引用和右值引用的组合返回一个左值 引用。

11.2.2 std::addressoff()

函数模板 std::addressof<>()会返回一个对象或者函数的准确地址。即使一个对象重载了运算 符&也是这样。虽然后者中的情况很少遇到，但是也会发生（比如在智能指针中）。因此， 如果需要获得任意类型的对象的地址，那么推荐使用 addressof()：

template
void f (T&& x)
{
auto p = &x; // might fail with overloaded operator &
auto q = std::addressof(x); // works even with overloaded operator
& …
}

11.2.3 std::declval()

函数模板 std::declval()可以被用作某一类型的对象的引用的占位符。该函数模板没有定义， 因此不能被调用（也不会创建对象）。因此它只能被用作不会被计算的操作数（比如 decltype 和 sizeof）。也因此，在不创建对象的情况下，依然可以假设有相应类型的可用对象。

比如在如下例子中，会基于模板参数 T1 和 T2 推断出返回类型 RT：

#include 
template() :
std::declval())>>
RT max (T1 a, T2 b)
{
return b < a ? a : b;
}

为了避免在调用运算符?:的时候不得不去调用 T1 和 T2 的（默认）构造函数，这里使用了 std::declval，这样可以在不创建对象的情况下“使用”它们。不过该方式只能在不会做真正 的计算时（比如 decltype）使用。

不要忘了使用 std::decay<>来确保返回类型不会是一个引用，因为 std::declval<>本身返回的 是右值引用。否则，类似 max(1,2)这样的调用将会返回一个 int&&类型。

11.3 完美转发临时变量

使用转发引用（forwarding reference）以及 std::forward<> 来完美转发泛型参数：

template
void f (T&& t) // t is forwarding reference
{
g(std::forward(t)); // perfectly forward passed argument t to g()
}

但是某些情况下，在泛型代码中我们需要转发一些不是通过参数传递进来的数据。此时我们 可以使用 auto &&创建一个可以被转发的变量。比如，假设我们需要相继的调用 get()和 set() 两个函数，并且需要将 get()的返回值完美的转发给 set():

templatevoid foo(T x)
{
set(get(x));
}

假设以后我们需要更新代码对 get()的返回值进行某些操作，可以通过将 get()的返回值存储 在一个被声明为 auto &&的变量中实现：

template
void foo(T x)
{
auto&& val = get(x); …
// perfectly forward the return value of get() to set():
set(std::forward(val));
}

这样可以避免对中间变量的多余拷贝。

11.4 作为模板参数的引用

#include 
template
void tmplParamIsReference(T) {
	std::cout << "T is reference: " << std::is_reference_v << '\n';
}
int main()
{
	std::cout << std::boolalpha;
	int i;
	int& r = i;
	tmplParamIsReference(i); // false
	tmplParamIsReference(r); // false
	tmplParamIsReference(i); // true
	tmplParamIsReference(r); // true
}

即使传递给 tmplParamIsReference()的参数是一个引用变量，T 依然会被推断为被引用的类型。

为什么tmplParamIsReference(r); // false？

（因为对于引用变量 v，表达式 v 的类型是被引用的类型，表达式（expression）的类型永远 不可能是引用类型）。--不明白

个人理解：模板参数按值传递进行类别推导，引用被去除。

显示指定 T 的类型化为引用类型。这样做可能 会触发错误或者不可预知的行为。考虑如下例子：

template
class RefMem {
private:
T zero;
public:
RefMem() : zero{Z} {
}
};
int null = 0;
int main()
{
RefMem rm1, rm2;
rm1 = rm2; // OK
RefMem rm3; // ERROR: invalid default value for N
RefMem rm4; // ERROR: invalid default value for N extern
int null;
RefMem rm5, rm6;
rm5 = rm6; // ERROR: operator= is deleted due to reference member
}

用 int 实例化该模板会 获得预期的行为。但是如果尝试用引用对其进行实例化的话，情况就有点复杂了：

 非模板参数的默认初始化不在可行。

 不再能够直接用 0 来初始化非参数模板参数。

 最让人意外的是，赋值运算符也不再可用，因为对于具有非 static 引用成员的类，其默 赋值运算符会被删除掉。（赋值运算符的默认实现是逐成员赋值，而引用成员是不能被重新绑定的。因此，如果一个类有非静态引用成员，编译器会自动删除其默认赋值运算符，防止意外的引用重新绑定。）

而且将引用类型用于非类型模板参数同样会变的复杂和危险。考虑如下例子：

#include 
#include 
template // Note: size is reference
class Arr {
private:
std::vector elems;
public:
Arr() : elems(SZ) { //use current SZ as initial vector size
}
void print() const {
for (int i=0; i y; // compile-time ERROR deep in the code of class
std::vector<>
Arr x; // initializes internal vector with 10 elements
x.print(); // OK
size += 100; // OOPS: modifies SZ in Arr<>
x.print(); // run-time ERROR: invalid memory access: loops over 120 elements
}

基于这一原因，C++标准库在某些情况下制定了很特殊的规则和限制。比如：

 在模板参数被用引用类型实例化的情况下，为了依然能够正常使用赋值运算符， std::pair<>和 std::tuple<>都没有使用默认的赋值运算符，而是做了单独的定义。比如：

namespace std {
template
struct pair {
T1 first;
T2 second; …
// default copy/move constructors are OK even with references:
pair(pair const&) = default;
pair(pair&&) = default; …
// but assignment operator have to be defined to be available with
references:
pair& operator=(pair const& p);
pair& operator=(pair&& p) noexcept(…); …
};
}

 由于这些副作用可能导致的复杂性，在 C++17 中用引用类型实例化标准库模板 std::optional<>和 std::variant<>的过程看上去有些古怪：

为了禁止用引用类型进行实例化，一个简单的 static_assert 就够了:

template
class optional
{
static_assert(!std::is_reference::value, "Invalid
instantiation of optional for references"); …
};

11.5 推迟计算（Defer Evaluation)

在实现模板的过程中，有时候需要面对是否需要考虑不完整类型（参见 10.3.1 节）的问题。

该 class 可以被用于不完整类型。这很有用，比如可以让其成员指向其自身的 类型。 

template
class Cont {
private:
	T* elems;
public: 
};
struct Node
{
	std::string value;
	Cont next; // only possible if Cont accepts incomplete types
};

编译运行成功。 

template
class Cont {
private:
	T* elems;
public: 
	typename
	std::conditional::value, T&&,
	T& >::type foo();
};
struct Node
{
	std::string value;
	Cont next; // only possible if Cont accepts incomplete types
};

编译报错：
错误    C2139    “Node”: 未定义的类不允许作为编译器内部类型特征“__is_constructible”的参数   

这里通过使用 std::conditional来决定 foo()的返回类型是 T&&还是 T&。决策标准 是看模板参数 T 是否支持 move 语义。

问题在于 std::is_move_constructible 要求其参数必须是完整类型。

使用这 种类型的 foo()，struct node 的声明就会报错。 

template
class Cont {
private:
	T* elems;
public:
	template
	typename
		std::conditional::value, T&&,
		T&>::type foo();
};
struct Node
{
	std::string value;
	Cont next; // only possible if Cont accepts incomplete types
};

 编译运行成功。

为了解决这一问题，需要使用一个成员模板代替现有 foo()的定义，这样就可以将 std::is_move_constructible 的计算推迟到 foo()的实例化阶段：

其实就是利用“模板只有在被调用时才会被实例化”和“两阶段编译检查”的特性。

现在，类型萃取依赖于模板参数 D（默认值是 T），并且编译器会一直等到 foo()被以完整类 型（比如 Node）为参数调用时，才会对类型萃取部分进行计算（此时 Node 是一个完整类 型，其只有在定义时才是非完整类型）。

11.6 在写泛型库时需要考虑的事情

1. 在模板中使用转发引用来转发数值（参见 6.1 节）。

template
void f (T&& val) {
g(std::forward(val)); // perfect forward val to g()
}

如果数值不依赖于模板参数，就使 用 auto &&（参见 11.3）。

template
void foo(T x)
{
auto&& val = get(x); …
// perfectly forward the return value of get() to set():
set(std::forward(val));
}

 2.如果一个参数被声明为转发引用，并且传递给它一个左值的话，那么模板参数会被推断 为引用类型。

 3.在需要一个依赖于模板参数的对象的地址的时候，最好使用 std::addressof()来获取地址， 这样能避免因为对象被绑定到一个重载了 operator &的类型而导致的意外情况。

 4.对于成员函数，需要确保它们不会比预定义的 copy/move 构造函数或者赋值运算符更 能匹配某个调用。

 5.如果模板参数可能是字符串常量，并且不是被按值传递的，那么请考虑使用 std::decay。

template
constexpr pair::type, typename
decay::type>
make_pair (T1&& a, T2&& b)
{
return pair::type, typename
decay::type>(forward(a), forward(b));
}

6. 如果你有被用于输出或者即用于输入也用于输出的、依赖于模板参数的调用参数，请为 可能的、const 类型的模板参数做好准备。

如果想禁止向非 const 应用传递 const 对象，有如下选择：

使用 static_assert 触发一个编译期错误：

通过使用 std::enable_if<>（参见 6.3 节）禁用该情况下的模板：

或者是在 concepts 被支持之后，通过 concepts 来禁用该模板（参见 6.5 节以及附录 E）：

template
requires !std::is_const_v
void outR (T& arg) {
……
}

7. 请为将引用用于模板参数的副作用做好准备（参见 11.4 节）。尤其是在你需要确保返 回类型不会是引用的时候（参见 7.5 节）。

 8.请为将不完整类型用于嵌套式数据结构这一类情况做好准备（参见 11.5 节）。

 9.为所有数组类型进行重载，而不仅仅是 T[SZ]（参见 5.4 节）

11.7 总结

 可以将函数，函数指针，函数对象，仿函数和 lambdas 作为可调用对象（callables）传 递给模板。

 如果需要为一个 class 重载 operator()，那么就将其声明为 const 的（除非该调用会修改 它的状态）。

 通过使用 std::invoke()，可以实现能够处理所有类型的、可调用对象（包含成员函数） 的代码。  使用 decltype(auto)来完美转发返回值。

 类型萃取是可以检查类型的属性和功能的类型函数。  当在模板中需要一个对象的地址时，使用 std::addressof().

 在不经过表达式计算的情况下，可以通过使用 std::declval()创建特定类型的值。

 在泛型代码中，如果一个对象不依赖于模板参数，那么就使用 auto&&来完美转发它。

 可以通过模板来延迟表达式的计算（这样可以在 class 模板中支持不完整类型）