在C++中,模板是泛型的基础。
1 | // impletement strcmp-like generic compare function |
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。
1 | int main() |
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。
1 | // ok: inline specifier follows template parameter list |
1 | template <class Type> class Queue { |
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。
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:
1 | Queue<int> qi; // Queue that holds ints |
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。
1 | // ok: same type used for the return type and both parameters |
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:
1 | // ok: no distinctionparameter list between typename and class in template |
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。
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:
1 | template <class Parm, class U> |
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:
1 | template <class Parm, class U> |
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。
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。
1 | // initialize elements of an array to zero |
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:
1 | int x[42]; |
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。
1 | template <typename T> |
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:
1 | template <typename T> T fobj(T, T); // arguments are copied |
用普通类型定义的形参可以使用常规转换。
1 | template <class Type>{ Type sum(const Type &op1, int op2) |
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。
1 | template <typename T> int compare(const T&, const T&); |
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。
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:
1 | // header file utlities.h |
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。
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。
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:
1 | // the template definition goes in a separately-compiled source file |
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。
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:
1 | // class template header goes in shared header file |
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。