C++ 模板基础谈[转]

作者：jadedrip

打算给公司的同事上课，以便推广 C++ 模板，写了以下教程。希望能看到各种意见，以便完善它。
C++ 模板基础谈
1. 什么是模板
模板定义：模板就是实现代码重用机制的一种工具，它可以实现类型参数化，即把类型定义为参数，从而实现了真正的代码可重用性。
我们知道，C++ 是一种“强类型”的语言，也就是说一个变量，编译器必须确切的知道它的类型，而模板就是构建在这个强类型语言基础上的泛型系统。
2. 模板的语法
模板函数
template < typename {类型参数名称}, [ int {Name}=...][, ...] >
{函数定义}
模板类
template < typename ... , [ int {Name}=...] >
class ...
模板的参数可以是类型，或者是一个 int 型的值（或者可以转换为int 型的，比如 bool）。
3. 模板的使用
显式类型参数：对于模板函数，在函数名后添加 < {类型参数表} >。对于模板类，在类后添加 < {类型参数表} >
隐式类型参数：对于模板函数，如果类型参数可以推导，那么可以省略类型参数表
举个例子:
template < typename T >
T max( T a, T b )
{
    return a < b ? b : a;
}
这个 max 函数就是一个模板函数，它可以传入一个 “类型”的参数，以便实现任意类型求最大值的效果。假设我们这样使用它：
int x=5, y=10;
int z=max <int>( x, y );
这时候发生了什么呢？我们传入的“类型参数”是int，因此编译器在编译这段代码时会使用 int 来构造一个新函数：
int max( int a, int b )
{
    return a < b ? b : a;
}
后面的事就和编译普通的函数一样了，C++编译器继续使用强类型系统编译这个函数，由强类型系统来检查这个函数是否正确。
这个过程叫做模板的“特化”，它发生在编译期，当编译器发现模板函数、模板类被使用（注意，不是定义）的时候进行的。这个系统实际上比较像宏，但是比宏更为智能。
很明显，编译器必须知道模板如何特化这个函数，因此模板函数的实现，必须在“使用点”之前，因此模板库只能通过头文件库的形式来提供。
4. 模板的类型推导
对于函数，编译器是知道传入参数的类型的，比如上面的max，max < ? >( x, y )，由于第一个参数 x 是 int 类型的，那么 ? 这里需要填写什么呢？
我们可以很明显的推断出应该是 "int"，否则，后面的强类型系统将无法编译这个函数。编译器同样知道 x 的类型，因此它也能推导出“类型参数”，这时候我们调用时就可省略模板参数了。
这个推导是按顺序来的，因此如果上面的 y 是其他类型，? 仍然会被推导为 int，如果y无法隐性转换为int，强类型编译时就会报错。
5. 类型推导的隐式类型转换
在决定模板参数类型前，编译器执行下列隐式类型转换：
    左值变换
    修饰字转换
    派生类到基类的转换
  见《C++ Primer》（[注2]，P500）对此主题的完备讨论。
简而言之，编译器削弱了某些类型属性，例如我们例子中的引用类型的左值属性。举例来说，编译器用值类型实例化函数模板，而不是用相应的引用类型。
同样地，它用指针类型实例化函数模板，而不是相应的数组类型。
它去除const修饰，绝不会用const类型实例化函数模板，总是用相应的非 const类型，不过对于指针来说，指针和 const 指针是不同的类型。
底线是：自动模板参数推导包含类型转换，并且在编译器自动决定模板参数时某些类型属性将丢失。这些类型属性可以在使用显式函数模板参数申明时得以保留。
6. 模板的偏特化
如果我们打算给模板函数（类）的某个特定类型写一个函数，就需要用到模板的偏特化，比如我们打算用 long 类型调用 max 的时候，返回小的值（原谅我举了不恰当的例子）：
template <>    // 这代表了下面是一个模板函数
long max <long>( long a, long b )    // 对于 vc 来说，这里的 <long> 是可以省略的
{
    return a > b ? b : a;
}
实际上，所谓偏特化，就是代替编译器完成了对指定类型的特化工作，现代的模板库中，大量的使用了这个技巧。
7. 仿函数
仿函数这个词经常会出现在模板库里（比如 STL），那么什么是仿函数呢？
顾名思义：仿函数就是能像函数一样工作的东西，请原谅我用东西这样一个代词，下面我会慢慢解释。
void dosome( int i )
这个 dosome 是一个函数，我们可以这样来使用它： dosome(5);
那么，有什么东西可以像这样工作么？
答案1：重载了 () 操作符的对象，比如：
    struct DoSome
    {
        void operator()( int i );
    }
    DoSome dosome;
这里类(对 C++ 来说，struct 和类是相同的) 重载了 () 操作符，因此它的实例 dosome 可以这样用 dosome(5); 和上面的函数调用一模一样，不是么？所以 dosome 就是一个仿函数了。
实际上还有答案2：
    函数指针指向的对象。
    typedef void( *DoSomePtr )( int );
    typedef void( DoSome )( int );
    DoSomePtr *ptr=&func;
    DoSome& dosome=*ptr;
    dosome(5); // 这里又和函数调用一模一样了。
当然，答案3 成员函数指针指向的成员函数就是意料之中的答案了。
8. 仿函数的用处
不管是对象还是函数指针等等，它们都是可以被作为参数传递，或者被作为变量保存的。因此我们就可以把一个仿函数传递给一个函数，由这个函数根据需要来调用这个仿函数（有点类似回调）。
STL 模板库中，大量使用了这种技巧，来实现库的“灵活”。
比如：
for_each, 它的源代码大致如下：
template < typename Iterator, typename Functor >
void for_each( Iterator begin, Iterator end, Fucntor func )
{
    for( ; begin!=end; begin++ )
        func( *begin );
}
这个 for 循环遍历了容器中的每一个元素，对每个元素调用了仿函数 func，这样就实现了 对“每个元素做同样的事”这样一种编程的思想。
特别的，如果仿函数是一个对象，这个对象是可以有成员变量的，这就让 仿函数有了“状态”，从而实现了更高的灵活性。