C++ 宏和模板简介

参考《21天学通C++》第14章节，对C++中的宏和模板进行了学习，总结起来其主要内容如下：

（1） 预处理器简介

（2） 关键字#define与宏

（3） 模板简介

（4） 如何编写函数模板和模板类

（5） 宏和模板之间的区别

（6） 使用static_assert进行编译阶段检查

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1 预处理器与编译器

预处理器：在编译器之前运行，根据程序员的指示，决定实际要编译的内容，预编译指令都以#打头

典型的应用有如下几种：

（1） 使用#define定义常量

通常在定义数组的长度时用到。其定义的常量只是进行文本替换，并不进行类型检测，比如定义#define PI 3.1416来讲，这个宏PI的类型编译器并不检测，也不知道其到底是float还是double。

定义常量时，更好地选择是使用关键字const和数据类型，比如const double PI = 3.1416 就比使用宏进行定义要好得多。

（2） 使用宏避免多次包含

C++典型的做法是将类和函数的声明放在头文件（.h）中，而在源文件（.cpp）中定义函数，因此需要在.cpp文件中使用#include <header>来包含头文件。如果两个头文件需要相互包含时，在预处理器看来会导致递归问题，解决方案之一就是使用宏以及预处理器编译指令#ifndef和#endif。举例如下：

/*<header1.h>*/

#ifndef HEADER1_H_

#define HEADER1_H_

#include <header2.h>

....................................

....................................

....................................

#endif

header2.h与此类似，但宏定义不同，且包含 header1.h ：

/*<header2.h>*/

#ifndef HEADER2_H_

#define HEADER2_H_

#include <header1.h>

....................................

....................................

....................................

#endif

解释说明：#ifndef是一个条件处理命令，让预处理器仅在标识符未定时才继续，#endif告诉预处理器，条件处理指令到此结束。因此，预处理器首次处理header1.h并遇到#ifndef后，发现HEADER1_H_还未定义，因此继续处理。#ifndef后面的第一行定义了宏HEADER1_H_，确保预处理器再次处理该文件时，将在遇到包含#ifndef的第一行时结束，因为其中的条件已变为false。header2.h与此类似。在C++编程领域，这种简单的机制是最常用的宏功能应用。

除此之外，还有另一种保证头文件只被编译一次的方法：#pragma once。只需要在开头写上这条预编译指令，就可以保证所有头文件只被包含编译一次。但是#pragma once是编译器相关的，有的编译器支持，有的编译器则不支持，不过大部分编译器都支持这个预编译指令了。而#ifndef，#define，#endif是C/C++语言中的宏定义，所有支持C/C++语言的编译器上都是有效的，如果编写跨平台程序，最好使用宏的方式来避免头文件的重复包含。

（3） 使用assert断言宏进行调试

编写程序后，立即单步执行测试每种路径似乎很不错，但可能不现实，比较好的做法是插入检查语句，对表达式或变量的值进行验证。assert宏就是用来完成这项任务，使用assert宏需包含<assert.h>，语法如下：

assert（expression that evaluates to true or false）；举例：char * test = new char[25]; assert(test != NULL);

assert在指针无效时将指出这一点，在Microsoft Visual Studio 中，assert能够返回应用程序，而调用栈将指出哪行代码没有通过断言测试，这让assert成为一项方便的调试功能。

在大多数开发环境中，assert在发布模式下被禁用，因此它仅在调试模式下显示错误消息。另外在有些开发环境中assert被实现为函数，而不是宏。

（4） 使用#define定义宏函数

预处理器对宏指定的文本进行简单替换，因此可以使用编写简单的函数。宏函数通常用于执行非常简单的计算，相比于常规函数调用，宏函数的优点是它们将在编译前就地展开，有助于改善代码的性能（是不是有点内联函数的感觉？）。因为宏不考虑数据类型，因此使用宏就比较危险，这一点需要考虑到。另外，宏是简单的替换，对于宏函数一定要使用括号保证替换后的功能逻辑正确，这是使用宏函数中经常犯错误的点。

正是宏不进行类型检查，所以使用宏函数可以作用于不同的变量类型。宏函数不像常规函数那样在函数调用时需要创建调用栈、传递参数等，这些开销占用CPU的时间通常比常规函数的执行时间还多。所以，对于简单的函数，通常可以使用宏函数进行。但是宏不支持任何形式的类型安全，而且复杂的宏调试起来不方便。如果比那些独立于类型的泛型函数，又要保证类型安全，可使用模板函数，而不是宏函数，如要改善性能，可以定义为内联函数，使用关键字inline，这样就完全覆盖了宏函数的优势。

小结

尽可能不要自己编写宏函数；尽可能使用const变量，而不是宏常量；请牢记宏并非类型安全的，预处理器不进行类型检查；在宏函数定义中要使用括号将每个变量括起来；避免头文件重复包含编译，可使用宏来解决；别忘了在调试中可以大量使用assert断言，对提高代码质量很有帮助。

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2. 模板

模板可能是C++语言中最强大却最少被使用（或被理解）的特性之一。

在C++中，模板允许程序员定义一种适用于不同类型的对象的行为，有一点类似宏，但宏不是类型安全的，而模板是类型安全的。

（1） 模板声明语法

template <parameter list>

template function / class declaration

关键字template标志模板声明的开始，接下来是模板参数列表。该参数列表包含关键字typename ，它定义了模板参数objectType，而objectType是一个占位符，针对对象实例化模板时，将使用对象类型替换它。

（2） 模板声明的类型

模板声明可以是：函数的声明或定义；类的声明或定义；类模板的成员函数或成员类的声明或定义；类模板的静态数据成员的定义；嵌套在类模板中的类的静态数据成员定义；类或类模板的成员模板的定义。

（3） 模板函数

调用模板函数时并非一定要指定类型。举例如下：

template <typename objectType>

const objectType& GetMax(const objectType& value1,const objectType& value2)

{

if(value1 > value2)

return value1;

else

return value2;

}

具体使用该模板的示例：

int Integer1 = 25;

int Integer2 = 50;

使用 int MaxValue  =  GetMax <int> (Integer1 , Integer2 );

与使用int MaxValue  =  GetMax (Integer1 , Integer2 );效果是一样的。这种情况下编译器会进行数据类型检查。但对于模板类则必须显式的指明类型。但是并不能进行像GetMax
(Integer1 , “some string” )这样的混杂类型。这种调用将导致编译器错误。

（4） 模板类

类是一种编程单元，封装属性以及使用这些属性的方法。属性通常是私有成员。当某一属性可以是int型，也可以是long型等时，模板类可派上用场。使用模板类时，可指定哪种类型的具体化。举例如下：

template <typename T>

class Test

{

public:

void SetValue(const T& newValue) { Value = newValue;}

const T& GetValue() const { return Value;}

private:

T Value;

};

模板类的使用方法：

Test <int> Test1;

Test1.SetValue(5);

这样就实现了模板类中同一个属性可以具有不同的数据类型实现，只要在实例化对象时指定实例化对象需要的属性的数据类型就好了。在术语上，使用模板时，实例化指的是根据模板声明以及一个或多个参数创建特定的类型，而实例化创建的特定类型称为具体化。

（5） 声明包含多个参数的模板

模板参数列表包含多个参数，参数之间使用逗号分割。因此，如果要声明一个泛型类用于存储两个类型可能不同的对象，可以使用如下代码：

template <typename T1, typename T2>

class Test

{

private:

T1 Value1;

T2 Value2;

public:

/*some methods*/

/*constructor*/

Test ( const T1& value1, const T2& value2)

{Value1 = value1; Value2 = value2;}

}；

使用方法如下：

Test <int, int> Test1(5, 6);//通过构造函数来进行初始化。

（6） 声明包含默认参数的模板

举例如下：

template <typename T1 = int, typename T2 = int>

class Test

{

private:

T1 Value1;

T2 Value2;

public:

/*some methods*/

/*constructor*/

Test ( const T1& value1, const T2& value2)

{Value1 = value1; Value2 = value2;}

}；

这与给函数指定默认参数值及其类似。所以，这种指定了默认类型的模板，可以简化实例化过程：

Test < > Test1(5, 6);//通过构造函数来进行初始化。

（7） 模板类和静态成员

如果将类成员声明为静态，该成员将由类的所有实例共享，模板类的静态成员也类似，由特定具体化的所有实例共享。如果模板类T包含静态成员X，该成员将针对int具体化的所有实例之间共享。同样，还将针对double具体化的所有实例之间共享，且针对int具体化的实例无关。编译器创建了两个版本的X，X_int用于针对int具体化的实例，而X_double则针对double具体化的实例。也就是说，对于针对每种类型具体化的类，编译器保证其静态变量不受其他类的影响。模板类的每个具体化都有自己的静态成员。举例如下：

template <typename T>

class TestStatic

{

private:

public:

static int StaticValue;

/*some methods*/

}；

// static member initialization

template <typename T> int TestStatic<T>:: StaticValue;

（8） 使用static_assert执行编译阶段检查

可以用来进行设置挑剔的模板类，屏蔽针对某种类型的具体化，使用static_assert进行编译阶段的检查。举例如下：

template <typename T>

class Test

{

private:

public:

/*some methods*/

EverythingButInt()

{

static_assert(sizeof(T) != sizeof(int), " No int please!");

}

}；

int main()

{

Test<int> test;

return 0;

}

编译结果输出：

error：No int please!

这个编译结果是由模板类中的static_assert指定的。

小结

务必使用模板来实现通用概念，而不是宏；编写模板函数和模板类时尽可能使用const；模板类的静态成员由特定具体化的所有实例共享。

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总结

本文详细介绍了预处理器，在运行编译器时，预处理器都将首先运行，对#define等指令进行转换；预处理器执行文本替换，但在使用宏时替换将比较复杂。通过使用宏函数，可以在编译阶段传递给宏的参数进行复杂的文本替换。将宏中的每个参数放在括号内以确保进行正确的替换，这很重要。模板有助于编写可重用的代码，它向开发人员提供了一种可用于不同数据类型的模式。模板可以取代宏，而且是类型安全的。学习好模板，对于后续使用C++标准模板库STL有着极为重要的概念性基石意义。

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2015-7-30