在C++中,模板是泛型的基础。

模板定义

定义函数模板

定义

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// impletement strcmp-like generic compare function
// returns 0 if the values are equal, 1 if v1 is larger, -1 if v1 is smaller
template <typename T>
int compare(const T &v1, const T &v2)
{
if (v1 < v2) return -1;
if (v2 < v1) return 1;
return 0;
}

模板定义以关键字 template 开始,后接模板形参表,模板形参表是用尖括号括住的一个或多个模板形参的列表,列表之间以括号分隔。

模板形参表不能为空。

模板形参表

模板形参表很像函数形参表,函数形参表定义了特定类型的局部变量但并不初始化那些变量,在运行时再提供实参来初始化形参。

同样,模板形参表示可以在类或函数的定义中使用的类型或值。例如, compare 函数声明一个名为 T 的类型形参。在 compare 内部,可以使用名字引用一个类型,T 表示哪个实际类型由编译器根据所用的函数而确定。

模板形参可以是表示类型的类型形参,也可以是表示常量表达式的非类型形参。非类型形参跟在类型说明符之后声明,类型形参跟在关键字 class 或 typename 之后定义,例如,class T 是名为 T 的类型形参,在这里 class 和 typename 没有区别

使用

使用函数模板时,编译器会推断哪个(或哪些)模板实参绑定到模板形参。 一旦编译器确定了实际的模板实参,就称它实例化了函数模板的一个实例。实质 上,编译器将确定用什么类型代替每个类型形参,以及用什么值代替每个非类型 形参。推导出实际模板实参后,编译器使用实参代替相应的模板形参产生编译该 版本的函数。编译器承担了为我们使用的每种类型而编写函数的单调工作。

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int main()
{
// T is int;
// compiler instantiates int compare(const int&, const int&)
cout << compare(1, 0) << endl;
// T is string;
// compiler instantiates int compare(const string&, const string&)
string s1 = "hi", s2 = "world";
cout << compare(s1, s2) << endl;
return 0;
}

inline函数模板

函数模板可以用与非模板函数一样的方式声明为 inline。说明符放在模板形参表之后、返回类型之前,不能放在关键字 template 之前

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// ok: inline specifier follows template parameter list
template <typename T> inline T min(const T&, const T&);
// error: incorrect placement of inline specifier
inline template <typename T> T min(const T&, const T&);

定义类模板

定义

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template <class Type> class Queue {
public:
Queue (); // default constructor
Type &front (); // return element from head of Queue
const Type &front () const;
void push (const Type &); // add element to back of Queue
void pop(); // remove element from head of Queue
bool empty() const; // true if no elements in the Queue
private:
// ...
};

类模板也是模板,因此必须以关键字 template 开头,后接模板形参表。Queue 模板接受一个名为 Type 的模板类型形参。

使用

与调用函数模板形成对比,使用类模板时,必须为模板形参显式指定实参:

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Queue<int> qi; // Queue that holds ints
Queue< vector<double> > qc; // Queue that holds vectors of doubles
Queue<string> qs; // Queue that holds strings

模板类型形参

类型形参由关键字 class 或 typename 后接说明符构成。在模板形参表中,这两个关键字具有相同的含义,都指出后面所接的名字表示一个类型。

模板类型形参可作为类型说明符在模板中的任何地方,与内置类型说明符或类类型说明符的使用方式完全相同。

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// ok: same type used for the return type and both parameters
template <class T> T calc (const T& a, const T& b)
{
// ok: tmp will have same type as the parameters & return type
T tmp = a;
// ...
return tmp;
}

typename 与 class 的区别

在函数模板形参表中,关键字 typename 和 class 具有相同含义,可以互换使用,两个关键字都可以在同一模板形参表中使用:

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// ok: no distinctionparameter list between typename and class in template
template <typename T, class U> calc (const T&, const U&);

使用关键字 typename 代替关键字 class 指定模板类型形参也许更为直观,毕竟,可以使用内置类型(非类类型)作为实际的类型形参,而且,typename更清楚地指明后面的名字是一个类型名。但是,关键字 typename 是作为标准 C++ 的组成部分加入到 C++ 中的,因此旧的程序更有可能只用关键字 class。

定义类型成员

除了定义数据成员或函数成员之外,类还可以定义类型成员。例如,标准库的容器类定义了不同的类型,如 size_type,使我们能够以独立于机器的方式使用容器。如果要在函数模板内部使用这样的类型,必须告诉编译器我们正在使用的名字指的是一个类型。必须显式地这样做,因为编译器(以及程序的读者)不能通过检查得知,由类型形参定义的名字何时是一个类型何时是一个值。例如,考虑下面的函数:

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template <class Parm, class U>
Parm fcn(Parm* array, U value)
{
Parm::size_type * p; // IfParm::size_typeis a type, then a declaration
// If Parm::size_type is an object, then multiplication
}

我们知道 size_type 必定是绑定到 Parm 的那个类型的成员,但我们不知道 size_type 是一个类型成员的名字还是一个数据成员的名字,默认情况下,编译器假定这样的名字指定数据成员,而不是类型。

如果希望编译器将 size_type 当作类型,则必须显式告诉编译器这样做:

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template <class Parm, class U>
Parm fcn(Parm* array, U value)
{
typename Parm::size_type * p; // ok: declares p to be a pointer
}

通过在成员名前加上关键字 typename 作为前缀,可以告诉编译器将成员当作类型。通过编写 typename parm::size_type,指出绑定到 Parm 的类型的 size_type 成员是类型的名字。当然,这一声明给用实例化 fcn 的类型增加了一个职责:那些类型必须具有名为 size_type 的成员,而且该成员是一个类型。

如果拿不准是否需要以 typename 指明一个名字是一个类型,那么指定它是个好主意。在类型之前指定 typename 没有害处,因此,即使 typename 是不必要的,也没有关系。

非类型模板形参

模板形参不必都是类型。在调用函数时非类型形参将用值代替,值的类型在模板形参表中指定。

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// initialize elements of an array to zero
template <class T, size_t N> void array_init(T (&parm)[N])
{
for (size_t i = 0; i != N; ++i) {
parm[i] = 0;
}
}

模板非类型形参是模板定义内部的常量值,在需要常量表达式的时候,可使用非类型形参(例如,像这里所做的一样)指定数组的长度。

当调用 array_init 时,编译器从数组实参计算非类型形参的值:

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int x[42];
double y[10];
array_init(x); // instantiates array_init(int(&)[42]
array_init(y); // instantiates array_init(double(&)[10]

实例化

模板在使用时将进行实例化,类模板在引用实际模板类类型时实例化,函数模板在调用它或用它对函数指针进行初始化或赋值时实例化。

模板实参推断

多个类型形参的实参必须完全匹配

模板类型形参可以用作一个以上函数形参的类型。在这种情况下,模板类型推断必须为每个对应的函数实参产生相同的模板实参类型。如果推断的类型不匹配,则调用将会出错。

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template <typename T>
int compare(const T& v1, const T& v2)
{
if (v1 < v2) return -1;
if (v2 < v1) return 1;
return 0;
}
int main()
{
short si;
// error: cannot instantiate compare(short, int)
// must be: compare(short, short) or
// compare(int, int)
compare(si, 1024);
return 0;
}

类型形参的实参的受限转换

一般而论,不会转换实参以匹配已有的实例化,相反,会产生新的实例。除了产生新的实例化之外,编译器只会执行两种转换:

  • const 转换:接受 const 引用或 const 指针的函数可以分别用非 const 对象的引用或指针来调用,无须产生新的实例化。如果函数接受非引用类型,形参类型实参都忽略 const,即,无论传递 const 或非 const 对象给接受非引用类型的函数,都使用相同的实例化。
  • 数组或函数到指针的转换:如果模板形参不是引用类型,则对数组或函数类型的实参应用常规指针转换。数组实参将当作指向其第一个元素的指针,函数实参当作指向函数类型的指针。

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template <typename T> T fobj(T, T); // arguments are copied
template <typename T>
T fref(const T&, const T&); // reference arguments
string s1("a value");
const string s2("another value");
fobj(s1, s2); // ok: calls f(string, string), const is ignored
fref(s1, s2); // ok: non const object s1 converted to const reference
int a[10], b[42];
fobj(a, b); // ok: calls f(int*, int*)
fref(a, b); // error: array types don't match; arguments aren't converted to pointers

应用于非模板实参的常规转换

用普通类型定义的形参可以使用常规转换。

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template <class Type>{ Type sum(const Type &op1, int op2)
return op1 + op2;
}
double d = 3.14;
string s1("hiya"), s2(" world");
sum(1024, d); // ok: instantiates sum(int, int), converts d to int
sum(1.4, d); // ok: instantiates sum(double, int), converts d to int
sum(s1, s2); // error: s2 cannot be converted to int

模板实参推断与函数指针

可以使用函数模板对函数指针进行初始化或赋值,这样做的时候,编译器使用指针的类型实例化具有适当模板实参的模板版本。如果不能从函数指针类型确定模板实参,就会出错。

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template <typename T> int compare(const T&, const T&);
// pf1 points to the instantiation int compare (const int&, const int&)
int (*pf1) (const int&, const int&) = compare;

模板编译模型

标准 C++ 为编译模板代码定义了两种模型。在两种模型中,构造程序的方式很 大程度上是相同的:类定义和函数声明放在头文件中,而函数定义和成员定义放 在源文件中。两种模型的不同在于,编译器怎样使用来自源文件的定义。

包含编译模型

在包含编译模型中,编译器必须看到用到的所有模板的定义。一般而言,可以通过在声明函数模板或类模板的头文件中添加一条 #include 指示使定义可用,该 #include 引入了包含相关定义的源文件:

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// header file utlities.h
#ifndef UTLITIES_H // header gaurd
#define UTLITIES_H
template <class T> int compare(const T&, const T&);
// other declarations
#include "utilities.cc" // get the definitions for compare etc.
#endif
// implemenatation file utlities.cc
template <class T> int compare(const T &v1, const T &v2)
{
if (v1 < v2) return -1;
if (v2 < v1) return 1;
return 0;
}
// other definitions

这一策略使我们能够保持头文件和实现文件的分享,但是需要保证编译器在编译使用模板的代码时能看到两种文件。

某些使用包含模型的编译器,特别是较老的编译器,可以产生多个实例。如果两 个或多个单独编译的源文件使用同一模板,这些编译器将为每个文件中的模板产 生一个实例。通常,这种方法意味着给定模板将实例化超过一次。在链接的时候, 或者在预链接阶段,编译器会选择一个实例化而丢弃其他的。在这种情况下,如 果有许多实例化同一模板的文件,编译时性能会显著降低。对许多应用程序而言, 这种编译时性能降低不大可能在现代计算机上成为问题,但是,在大系统环境中, 编译时选择问题可能变得非常重要。

分别编译模型

在分别编译模型中,编译器会为我们跟踪相关的模板定义。但是,我们必须让编 译器知道要记住给定的模板定义,可以使用 export 关键字来做这件事。

export 关键字能够指明给定的定义可能会需要在其他文件中产生实例化。在一 个程序中,一个模板只能定义为导出一次。编译器在需要产生这些实例化时计算 出怎样定位模板定义。export 关键字不必在模板声明中出现。

函数模板中使用 export

一般我们在函数模板的定义中指明函数模板为导出的,这是通过在关键字 template 之前包含 export 关键字而实现的:

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// the template definition goes in a separately-compiled source file
export template <typename Type>
Type sum(Type t1, Type t2) /* ...*/

这个函数模板的声明像通常一样应放在头文件中,声明不必指定 export。

类模板中使用 export

对类模板使用 export 更复杂一些。通常,类声明必须放在头文件中,头文件中 的类定义体不应该使用关键字 export,如果在头文件中使用了 export,则该头 文件只能被程序中的一个源文件使用。

相反,应该在类的实现文件中使用 export:

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// class template header goes in shared header file
template <class Type> class Queue { ... };
// Queue.ccimplementation file declares Queue as exported
export template <class Type> class Queue;
#include "Queue.h"
// Queue member definitions

导出类的成员将自动声明为导出的。也可以将类模板的个别成员声明为导出的, 在这种情况下,关键字 export 不在类模板本身指定,而是只在被导出的特定成 员定义上指定。导出成员函数的定义不必在使用成员时可见。任意非导出成员的 定义必须像在包含模型中一样对待:定义应放在定义类模板的头文件中。

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