【读书笔记】Effective C++（07）模板与泛型

作者：LogM

本文原载于 https://segmentfault.com/u/logm/articles，不允许转载~

7. 模板与泛型

• 7.1 条款41：了解隐式接口和编译期多态

  • //不用模板的写法
    class Widget {
        Widget();
        virtual ~Widget();
        virtual std::size_t size() const;
        virtual void normalize();
        void swap(Widget& other);
        ...
    };
    
    void doProcess(Widget& w) {
        if (w.size() > 10; && w!= ...) {
            Widget temp(w);
            temp.normalize();
            temp.swap(w);
        }
    }
    //w支持的接口是类型Widget决定的，这称为"显式接口"。
    //Widget类里面的virtual函数是在运行期确定具体调用哪个函数，这称为"运行期多态"。

  • //使用模板的写法
    template
    void doProcessing(T& w) {
        if (w.size() > 10 && w != ...) {
            T temp(w);
            temp.normalize();
            temp.swap(w);
        }
    }
    //w支持的接口，是由w所参与执行的操作所决定的，比如例子中的w需要支持size()、normalize()、swap()、拷贝构造、不等比较。这称为"隐式接口"。
    //w所参与执行的操作，都有可能导致template的具现化，使函数调用得以成功，具现化发生在编译期。这称为"编译期多态"。

• 7.2 条款42：了解typename的双重意义

  • //第一重意义
    template class Widget;
    template class Widget;
    //上面两句话效果完全一样

  • //第二重意义
    //考虑一个例子
    template
    void print2nd(const C& container) {
        C::const_iterator* x;   //bad，不加typename被假设为非类型，理由见下面注释
        ...
    }
    //一般，我们认为C::const_iterator指的是某种类型，但是存在一种逗比情况：
    //C是一个类，const_iterator是这个类的int型的成员变量，x是一个int型的变量，那么上面一句话就变成了两个int的相乘。
    //正因为有这种歧义情况的存在，C++假设不加typename的"嵌套从属名称"是非类型。
    
    //应该这么写
    template
    void print2nd(const C& container) {
        typename C::const_iterator* x;   //ok，告诉编译器，C::const_iterator是类型
        ...
    }

• 7.3 条款43：学习处理模板化基类内的名称

  • //基类
    template
    class MsgSender {
    public:
        ...
        void sendClear(const MsgInfo& info);
        ...
    };
    //派生类
    template
    class LoggingMsgSender : public MsgSender {
    public:
        void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
            sendClear(info);   //bad，理由见下方注释
        }
    }
    //编译器遇到LoggingMsgSender类时，不知道要继承哪种MsgSender类，所以编译器不知道sendClear这个函数是MsgSender类里继承下来的成员方法，还是类外面的全局的函数。
    //为什么说不同的MsgSender类不一定有sendClear成员方法呢？因为C++允许template的特化，比如我在下面写了一个特化的类，这个特化的类为空类，就没有sendClear成员方法。
    template<>
    class MsgSender {  };
    
    //解决这个问题的方法，本质就是告诉编译器，sendClear函数的来源。具体来说，有三种方法：
    //方法1
    template
    class LoggingMsgSender : public MsgSender {
    public:
        void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
            this->sendClear(info);   //ok，告诉编译器，sendClear函数是类内的成员方法
        }
    }
    //方法2
    template
    class LoggingMsgSender : public MsgSender {
    using MsgSender::sendClear; //先声明，告诉编译器，如果遇到sendClear函数，则视为类内的成员方法进行编译
    public:
        void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
            sendClear(info);   //ok
        }
    }
    //方法3
    template
    class LoggingMsgSender : public MsgSender {
    public:
        void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
            MsgSender::sendClear(info);   //ok，告诉编译器，sendClear函数是类MsgSender内的成员方法
        }
    }
    //方法3不太好的地方是，假如sendClear()是virtual函数，这种写法会把它的多态性破坏；方法1和方法2则不会破坏。

• 7.4 条款44：将与参数无关的代码抽离templates

  • 编译器对template的处理，实际上是对所有可能的template具现出具体代码

  • //模板类
    template
    class SquareMatrix {
    public:
        ...
        void invert();    //该函数与template无关
    }
    //使用
    SquareMatrix sm1;
    SquareMatrix sm2;
    sm1.invert();
    sm2.invert();
    //这个例子中，invert()函数与template无关，但它被编译器生成了两份，造成重复。

  • 作者认为将与参数无关的代码抽离templates，可以避免编译器产生这类的重复代码；但我觉得有时候要达到这个目的，会造成代码可读性和编写效率的下降，实际使用时还是要权衡。

• 7.5 条款45：运用成员函数模板接受所有兼容类型

  • 假设派生类D继承于基类B，由B具现化的模板类和由D具现化的模板类，并不能相互转换。以代码表述：

  • class B {...};
    class D : public B {...};
    
    template
    class SmartPtr {
    public:
        SmartPtr(T* realPtr);
        ...
    }
    
    //使用
    SmartPtr pt1 = SmartPtr(new D);  //bad，SmartPtr与SmartPtr没有继承关系来使得他们相互转换
    
    //解决方法
    template
    class SmartPtr {
    public:
        SmartPtr(T* realPtr);
        template SmartPtr(const SmartPtr& other);  //建立一个泛化拷贝构造函数，来解决上面的问题
        ...
    }
    //当然，对于赋值函数也可以这么操作

• 7.6 条款46：需要类型转换时，请为模板定义非成员函数

  • 这条把条款24扩充到模板类上。

  • template
    class Rational {
    public:
        ...
        Rational(const T& numerator, const T& denominator);
        Rational(sonst T& num);  
        const T numerator() const;
        const T denominator() const;
    }
    
    const Rational operator* (const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
      ...
    }
    //使用
    Rational lhs(1, 9);
    Rational result;
    result = lhs * 2;   //bad，template的推导不考虑隐式类型转换，编译器猜不出T是什么
    result = 2 * lhs;   //bad，template的推导不考虑隐式类型转换，编译器猜不出T是什么
    
    //解决方法
    template
    class Rational {
    public:
        ...
        Rational(const T& numerator, const T& denominator);
        Rational(sonst T& num);  
        const T numerator() const;
        const T denominator() const;
    
        friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
            //这里要把类外面operator*实现的代码拷贝一份到这里
            ...
        }  
        //在类内声明friend函数，使编译器在类初始化时可以先具现出:
        //"const Rational operator* (const Rational& lhs, const Rational& rhs)"
    };
    const Rational operator* (const Rational& lhs, const Rational& rhs) {
      ...
    }
    //使用
    Rational lhs(1, 9);
    Rational result;
    result = lhs * 2;   //ok，由于friend函数带来的具现化，编译器执行到这里时，具现化好的函数中，已经有满足需要的了，不需要推导T
    result = 2 * lhs;   //ok，由于friend函数带来的具现化，编译器执行到这里时，具现化好的函数中，已经有满足需要的了，不需要推导T

• 7.7 条款47：使用traits classes表现类型信息

  • STL中广泛使用traits classes来标记容器属于哪一类容器（比如"可随机访问容器"：vector、deque等）

• 7.8 条款48：认识template元编程（TMP）

  • 所谓元编程，是执行于编译器内的程序，C++以template实现元编程。
  • 优点：a. 完成一些以前不可能完成的任务；b. 将工作从运行期转移到编译期（比如之前在运行期才找到的错误可以在编译期找到）。
  • 缺点：编译时间变长。
  • TMP不同于"正常化的"C++，还没有完全被C++标准支持，普通用户可以暂时不用了解。