C++ Templates (1.1 初窥函数模板 A First Look at Function Templates)

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• 1.1 初窥函数模板 A First Look at Function Templates
  • 1.1.1 定义模板 Defining the Template
  • 1.1.2 使用模板 Using the Template
  • 1.1.3 二阶段翻译（二次翻译） Two-Phase Translation

1.1 初窥函数模板 A First Look at Function Templates

函数模板提供了一种针对不同类型的可以被调用的函数行为，换句话说，一个函数模板代表一系列的函数。函数模板和普通函数很像，除了函数的一部分元素有待确定：这些元素是参数化的（parameterized）。为了方便描述，首先看一个简单的例子。

1.1.1 定义模板 Defining the Template

以下是一个返回两个值中最大值的函数模板：

// basics/max1.hpp
template <typename T>
T max(T a, T b)
{
      // if b<a then yield "a" else yield "b"
      return b < a ? a : b;
}

该模板定义指定了一系列返回两个值中最大值的函数，这两个值作为函数参数a和b进行传递^[1]。这些参数的类型由模板参数（template parameter）T确定。如该例子中所见，模板参数必须通过如下的语法形式进行声明：

template <comma-separated-list-of-parameters（用逗号隔开的参数列表）>

本例中，（模板）参数列表为typename T。符号<和>为一对尖括号（angle brackets），请注意该符号的使用。关键字typename引入了一个类型参数（type parameter）。虽然这是到目前为止最常用的一种C++程序模板参数，但其他的参数也是有可能的，将在后续章节中讨论（详见第3章）。

该例中，类型参数为T，可以使用任何标识符（identifier）作为参数名字，但使用T是典型的方式。类型参数代表任何一种参数，并且由调用者调用该函数时确定。可以使用任何类型（基础类型（fundamental type）、类（class）等等），只要该类型提供了模板中使用的操作（operation）。本例中，类型T必须支持<操作，因为a和b通过该操作符（operator）进行比较。可能不太明显的是，根据max()函数的定义，类型T的值必须是能够拷贝的（copyable），以使得该值能够被返^[2]。

由于历史原因，也可以使用关键字class代替typename来定义一个类型参数。关键字typename出现相对晚一些，在C++98标准进化的过程中出现。在那之前，关键字class是引入类型参数的唯一方法，并且该方法依然保持有效。因此，模板函数max()可以等效地被定义成如下形式：

template <class T>
T max(T a, T b)
{
      return b < a ? a : b;
}

该情形下，这两种定义没有任何区别。因此，尽管使用关键字class，任何类型可以作为模板参数。然而，此处使用关键字class会有误导性（不是只有class的类型才能够用于替换T，基本类型也可以），因此更建议使用关键字typename。不幸的是，不像类类型声明（class type declaration），当声明类型参数时关键字struct不能用于替换typename。

1.1.2 使用模板 Using the Template

以下程序展示了如何使用max()函数模板：

// basics/max1.cpp
#include "max1.hpp"
#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
      int i = 42;
      std::cout << "max(7,i):      " << ::max(7,i) << '\n';

      double f1 = 3.4;
      double f2 = -6.7;
      std:cout << "max(f1,f2):      " << ::max(f1,f2) << '\n';

      std::string s1 = "mathematics";
      std::string s2 = "math";
      std::cout << "max(s1,s2)      " << ::max(s1,s2) << '\n';
}

在该程序中，函数max()被调用三次：一次使用两个int，一次使用两个double,和一次使用两个std::string。每一次，最大值被计算，该程序由如下输出

max(7,i): 42

max(f1,f2): 3.4

max(s1,s2): mathematics

注意到每一次max()模板被调用时，都带由::，这用于确保我们的max()模板在全局命名空间中被找到。在标准库中有一个std::max()模板，在一定条件下可能被调用或者引起不明确（ambiguity）^[3]。

模板不会被编译成一个可以处理任何类型的单个实体。相反，针对模板使用的每一个类型，对应每一个类型的不同实体从模板中生成^[4]。因此，max()为三个类型分别进行编译。比如，第一个max()调用

int i = 42;
... max(7,i)...

使用int作为模板参数T的函数模板。因此，它具有调用如下代码的语义：

int max(int a, int b)
{
      return b < a ? a : b;
}

这个使用实体类型代替模板参数的过程称为实例化（instantiation）,并生成模板的实例（instance）^[5]。

仅仅使用函数模板便可触发一个实例化的过程，并不需要额外单独请求实例化。

相似地，其他对max()的调用也将实例化double和std::string版的max模板，就像它们被分别以如下方式声明和实现：

double max(double, double);
std::string max(std::string, std::string);

void也可以作为有效的模板实参，只要生成的代码是有效的即可。比如：

template <typename T>
T foo(T*)
{
}

void* vp = nullptr;
foo(vp); //OK: 将推断出 void foo(void*);

1.1.3 二阶段翻译（二次翻译） Two-Phase Translation

如果用某个类实例化模板，但该类不支持模板中所有操作将导致编译期错误（compile-time error），比如：

std::complex<float> c1, c2; //未提供<操作
...
::max(c1,c2); //编译期错误

模板的“编译”有两个阶段：

1. 定义时（definition time）不进行实例化，模板代码的正确性将被检查（但不考虑模板参数），这包括

   • 发现语法错误，比如丢失分号等；

   • 发现使用不依赖于模板参数的未知名字（类型名、函数名...）；

   • 检查不依赖于模板参数的静态断言（static assertion）;

2. 实例化期间（instantiation time），模板代码再一次被检查，以确保所有的代码是有效的。也就是说，所有依赖于模板参数的部分被检查了两遍（double-checked）。
   
   举个例子：

template <typename T>
void foo(T t)
{
      undeclared();       //如果undeclared()是未知的，将产生第一阶段编译器错误（first-phase compile-time error）
      undeclared(t);       //如果undeclared(T)是未知的，将产生第二阶段编译错误（second-phase compile-time error）
      static_assert(sizeof(int) > 10, "int too small");       //如果sizeof(int)<=10，将一直失败
      static_assert(sizeof(int) > 10, "T too small");      //如果使用sizeof(T)<=10的类型T进行实例化，将失败
}

名字被检查两遍的过程被称为二阶段检查/二次检查（two-phase lookup），该过程将在第14.3.1节中详细讨论。

一些编译器在第一阶段不执行全面检查（full check），因此在模板代码至少进行一次实例化前无法发现一般的问题^[6]。

编译和链接

在实践中处理模板过程中，二阶段翻译将导致一个重要的问题：当一个函数模板被使用并触发实例化时，编译器（有时候）需要看模板的定义。这破坏了普通函数（ordinary function）的常规编译和链接之间的差别，即在编译期只需要函数的声明（the declaration of a function）便可编译使用函数的代码。处理该问题的方法在第9章中进行讨论。此时，可以使用最简单的方法：在头文件中实现每一个模板。

脚注

---

1. 注意到max()模板依据[StepanovNotes]有意地返回“b < a ? a : b”而不是“a < b ? b : a”来确保函数正确，尽管这两个值相等但并不等价（equivalent but not equal）。进一步讨论可参考知乎：b < a ? a : b 和 a < b ? b : a 有什么不同？和博客园:为什么 max() 应该写成 b < a ? a : b 呢？ ︎

2. C++17以前，类型T必须是可拷贝的，才能进行参数传递给函数。但是自从C++17，可以传递临时量（temporaries）（右值，见附录B）尽管没有有效的拷贝构造和移动构造。 ︎

3. 比如说，如果一种参数类型在std命名空间中被定义（如std::string），根据C++查找规则，全局的和std命名空间中的max()都可以被发现（参见附录C）。 ︎

4. “一个实体适用于所有类型”的方案是可信的，但是实践中没有被采用（这将导致运行时效率降低）。所有的语言规则都是基于一个原则：不同的模板参数生成不同的实体。 ︎

5. 在面向对象编程中，术语实例和实例化也被使用，指一个类的实例（concrete object of a class）。然而由于此书关于模板，该术语指使用模板的语境，除非特殊说明。 ︎

6. 比如说，一些版本的Visual C++的编译器（如Visual Studio 2013 和 2015）允许不依赖于模板参数的未声明的名字，甚至允许一些语法缺陷（syntax flaws），比如丢失分号。 ︎