Effective C++读书笔记~7 模板与泛型编程

目录

• 条款41：了解隐式接口和编译期多态
  • 显式接口和运行期多态
  • 隐式接口和编译期多态
  • 小结
• 条款42：了解typename的双重意义
  • 小结
• 条款43：学习处理模板化基类内的名称
  • 编译器无法识别模板基类内名称解决办法
  • 小结
• 条款44：将与参数无关的代码抽离templates
  • 小结
• 条款45：运用成员函数模板接受所有兼容类型
  • 真实指针隐式转换
  • 智能指针隐式转换
  • Template和泛型编程（Generic Programming）
  • member template（成员函数模板）
  • 如何编写“返回copy构造函数”？
  • 声明泛化copy构造函数和copy构造函数
  • 小结
• 条款46：需要类型转换时请为模板定义非成员函数
  • 小结
• 条款47：请使用traits classes表现类型信息
  • traits class技术
  • 小结
• 条款48：认识template元编程
  • 小结

条款41：了解隐式接口和编译期多态

Understand implicit interfaces and compile-time polymorphism.

显式接口和运行期多态

面向对象编程中，以显式接口（explicit interface）和运行期多态（runtime polymorphism）解决问题。例如：

class Widget {
public:
    /* 显式接口 由函数签名式构成 */
    Widget();
    virtual ~Widget();
    virtual std::size_t size() const;
    virtual void normalize();
    void swap(Widget& other);
    ...
};

void doProcessing(Widget& w)
{
    if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) { // size是virtual函数, 运行期根据w动态类型决定
        Widget temp(w);
        temp.normalize(); // normalize是virtual函数, 运行期根据w的动态类型决定
        temp.swap(w);
    }
}

对于doProcessing参数w，所谓显式接口和运行期多态，具体是指：

• 由于w类型被声明为Widget，所以w必须支持Widget接口：Widget类对应头文件（如Widget.h）中声明的接口，称为显式接口（explicit interface）；
• 由于Widget的某些成员函数是virtual，w对那些函数的调用将表现出运行期多态（runtime polymorphism），也就是说将于运行期根据w的动态类型（条款37）决定究竟调用哪个函数；

显式接口通常由函数的签名式（函数名称、参数类型、返回类型）构成，如Widget class的public接口：构造函数、析构函数、函数size，normalize，swap及其参数类型，返回类型，常量性（constness），也包括编译器合成的copy构造函数、copy assignment操作符等。

隐式接口和编译期多态

与面向对象不同，在template和泛型编程中，隐式接口（implicit interface）和编译期多态（compile-time polymorphism）更重要。
隐式接口不基于函数签名式，而是由有效表达式组成。隐式接口在编译期完成检查。具体看下面的例子，

将doProcessing改写成template版本

template<typename T>
void doProcessing(T& w)
{
    if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) {
        T temp(w);
        temp.normalize();
        temp.swap(w);
    }
}

T（w的类型）的隐式接口看起来好像有这些约束：

• 它必须提供一个名为size的成员函数，该函数返回一个整数值；
• 它必须支持一个operator!= 重载运算符的函数，用于比较2个T类型对象。

然而，由于操作符重载（operator overloading）的存在，这2个约束都不必满足。一种可能性是，T可以支持size成员函数，而size也可能从base class继承（不必是T自身的）而得到的。size也不必返回一个整数值，也可以不必是一个数值类型，唯一需要的是返回X类型的对象，X对象+int(10的类型)必须能够调用一个operator>。也就是说，X不必支持operator>，也可以是Y类型，而只需要存在一个隐式转换能将X对象转换为Y对象，而Y对象支持operator>。
类似地，T不需要支持operator!=（调用形式X.operator!=(Y)），也可以是operator!=(X,Y)（重载operator!=），其中T可以转换为X类型，someNastyWidget可以转换为Y类型。
另外，opeartor&&也可能被重载，而不再是逻辑与运算符。

函数size, operator>, opeartor&&, opeartor!= 身上的约束条件，很难明确描述，但是整体确认表达式约束条件却很容易。如if语句（if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget)）的条件必须是bool表达式。

小结

1）class和template都支持接口（interface）和多态（polymorphism）。
2）对class而言，接口是显式的（explicit），以函数签名为中心。多态则是通过virtual函数发生于运行期（通过指针要调用的函数）。
3）对template参数而言，接口是隐式的（implicit），奠基于有效表达式。多态则是通过template具现化和函数重载解析（function overloading resolution）发生于编译期。

[======]

条款42：了解typename的双重意义

Understand the two meaning of typename.

在声明template参数时，class和typename完全相同。

// 下面2行等价
template<class T> class Widget;
template<tyepname T> class Widget;

然而，class和typename并不总是等价。比如，

// 错误示例：嵌套从属名称，会被假设为非类型，除非使用typename指定
template<typename C>
void print2nd(const C& container)
{
       if (container.size() >= 2) {
              C::const_iterator iter(container.begin()); // 不会通过编译. C::const_iterator是嵌套从属名称, 编译器并不会认为这是一个类型
              ++iter;
              int value = *iter;
              cout << value;
       }
}

嵌套从属名称：template内出现的名称如果依赖于某个template参数，称为从属名词（dependent name）。如果从属名词在class内呈现嵌套状，比如C::const_iterator，称为嵌套从属名词（nested dependent name）。
看起来，C::const_iterator是一个类型，但实际上编译器会默认认为它是一个成员变量。如果要让编译器认为这是一个类型，就要用typename明确指出。

if (container.size() >= 2) {
       typename C::const_iterator iter(container.begin()); // OKtypename 指明嵌套从属名C::const_iterator是个类型
    ...
}

指定嵌套从属类型名称的一般性规则：当你想要在template中指涉一个嵌套从属类型名称时，在紧邻它的前一个位置上放关键字typename即可。
例外情况：typename不可以出现在base class list（基类继承列表）内嵌套从属类型名称前，也不可以在构造函数的member initialization list （成员初值列表）中作为base class修复。例如，

template<typename T>
class Derived: public Base<T>::Nested { // 基类继承列表，不允许出现typename
public:
    explicit Derived(int x) : Base<T>::Nested(x) { // 构造含的member initialization list，不允许出现typename
        typename Base<T>::Nested temp; // 嵌套从属类型名称，需要前缀typename
        ...
    }
};

typename另外一个用途：用typedef typename 为嵌套从属类型名定义一个简短的别名。

template<typename IterT>
void workWithIterator(IterT iter)
{
    // 类型为IterT之对象所指之物的类型
    typedef typename std::iterator_traits<IterT>::value_type value_type; // 定义别名
    value_type temp(*iter);
    ...
}

小结

1）声明template参数时，前缀关键字class和typename可互换；
2）请使用关键字typename标识嵌套从属类型名称；但不得在base class list（基类列）或member initialization list（成员初值列）内以它作为base class修饰符；
3）typename相关规则在不同编译器有不同的实践；

[======]

条款43：学习处理模板化基类内的名称

Know how to access names in templatized base classes.

我们定义如下基于template的class，用于传递消息

class CompanyA {
public:
       void sendClearText(const std::string& msg);
       void sendEncrypted(const std::string& msg);
};

class CompanyB {
public:
       void sendClearText(const std::string& msg);
       void sendEncrypted(const std::string& msg);
};

class MsgInfo { ... }; // 用来保存信息

// 消息发送类
template<typename Company>
class MsgSender {
public:
       void sendClear(const MsgInfo& info) { // 信息传递函数
              std::string msg;
              根据info参数信息;
              Company c;
              c.sendCleartext(msg); // OK
       }
       void sendSecret(const MsgInfo& info) {
       }
};

// 带日志功能的消息发送类
template<typename Company>
class LogginMsgSender : public MsgSender<Company> {
public:
       void sendClearMsg(const MsgInfo& info) { // 信息传递函数, 不与base MsgSender<Company>的同名, 避免遮掩继承而得到的non-virtual函数
              将“传送前”的信息写至log;
              sendClear(info); // 报错：编译器无法识别该函数
              将“传送后”的信息写至log;
       }
};

编译器遇到派生类template LogginMsgSender的定义式时，并不知道它继承什么样的class，因为其中的Company是个template参数，不到LogginMsgSender被具现化，无法确切知道它是什么。如果无法知道class MsgSender是什么，就没办法知道它是否有个sendClear函数。

对于特例化模板也是一样

class CompanyZ {
public:
       void sendEncrypted(const std::string& msg);
};

// MsgSender针对CompanyZ进行的全特化
template<>
class MsgSender<CompanyZ> {
public:
       void sendSecret(const MsgInfo& info) {
       }
};

template<typename Company>
class LogginMsgSender : public MsgSender<Company> {
public:
       void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
              将“传送前”的信息写至log;
              sendClear(info); // 报错：编译器无法识别该函数
              将“传送后”的信息写至log;
       }
};

编译器无法识别模板基类内名称解决办法

1）在模板基类函数调用动作前加上"this->"

template<typename Company>
class LogginMsgSender : public MsgSender<Company> {
public:
       void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
              将“传送前”的信息写至log;
              this->sendClear(info); // OK
              将“传送后”的信息写至log;
       }
};

2）使用using声明式
见条款33，using声明式可以将”被遮掩的base class名称“带入一个derived class作用域内。不过这里并不是base class名称被derived class名称遮掩，而是编译器不进入base class作用域内查找，因为编译器不知道MsgSender是什么东西。因此，我们通过using告诉它，让它到base class MsgSender中去寻找。

template<typename Company>
class LogginMsgSender : public MsgSender<Company> {
public:
       using MsgSender<Company>::sendClear; // 告诉编译器，请它假设sendClear位于base class内
       void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
              将“传送前”的信息写至log;
              sendClear(info); // OK
              将“传送后”的信息写至log;
       }
};

3）明确调用base class内的函数

template<typename Company>
class LogginMsgSender : public MsgSender<Company> {
public:
       void sendClearMsg(const MsgInfo& info) {
              将“传送前”的信息写至log;
              MsgSender<Company>::sendClear(info); // OK
              将“传送后”的信息写至log;
       }
};

缺点：如果被调用的是virtual函数，上面的明确调用方式会关闭“virtual绑定行为”。建议使用1）或者2）。

小结

1）可在derived class template内通过“this->”指涉base class template内的成员名称，或借由一个明白写出的“base class资格修饰符”完成。

[======]

条款44：将与参数无关的代码抽离templates

Factor parameter-independent code out of templates.

template的存在是为了节省时间和避免重复代码。

举个例子，现在你想为固定尺寸的正方形矩阵编写一个template，该矩阵支持逆矩阵运算（matrix inversion）。

// template导致代码膨胀的一个典型例子
template<typename T, std::size_t n> // template 支持nxn矩阵, 元素是类型为T的object
class SquareMatrix {
public:
    void invert(); // 求矩阵的逆
};

// 客户端
SquareMatrix<double, 5> sm1; 
sm1.invert();                     // 调用SquareMatrix<double, 5>::invert
SquareMatrix<double, 10> sm2;
sm2.invert();                     // 调用SquareMatrix<double, 10>::invert

该template会根据客户端调用情况，具现化2份invert，但除了矩阵尺寸不一样，2个函数其余部分完全相同。

改善：增加一个base class辅助求矩阵逆，将矩阵尺寸从模板参数移除，放到base class的函数参数中 -- 利用函数参数消除非类型模板参数

// 所有给定元素对象类型的矩阵, 共享同一个SquareMatrixBase
template<typename T> // 与尺寸无关的base class, 用于方阵
class SquareMatrixBase { 
protected: // 为何用protected, 不用public/private? 因为SquareMatrixBase::invert只是"避免derived class代码重复"的一种方法
    void invert(std::size_t matrixSize); // 以给定尺寸求逆矩阵
};

tempalte<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> { // 为什么是private继承? 不是is-a关系, 而是has-a关系, 辅助求矩阵逆
private:
    using SquareMatrixBase<T>::invert;    // 避免遮掩base的invert
public:
    void invert() { this->invert(n); }
};

带参数的invert移到base class SquareMatrixBase中，这样就只对base class矩阵元素对象的类型 参数化，而不对矩阵尺寸参数化。因此，对于某给定元素对象类型，所有矩阵共享同一个SquareMatrixBase class。可以有效减少代码量。

为何函数SquareMatrixBase::invert是protected，而不是public或private？
因为该函数只是“避免derived class代码重复”的一种方法，客户无需知道，而又需要被derived class调用，因此应该为protected。

为何使用SquareMatrix类中使用using SquareMatrixBase::invert ？
根据条款43的方法2，使用using声明式，是告诉编译器请它假设invert位于base class内。

为何SquareMatrix::invert函数还要使用“this->”记号？
因为derived class也实现了同名函数invert，如果不这样做，根据条款43，模板化基类内的函数名会被derived class遮掩。

为何SquareMatrix是private继承SquareMatrixBase，而不是public继承？
因为SquareMatrix不是SquareMatrixBase，两者并非is-a关系，SquareMatrixBase的存在只是为了帮助SquareMatrix进行求逆矩阵。

接下来的问题是，
如何存储矩阵数据？应该存放到 SquareMatrix，还是SquareMatrixBase中？
矩阵可以用一个一维数组T data[n*n]来存放。而具体要存放多少数据，最清楚的应该是SquareMatrix，而SquareMatrixBase要想操作矩阵，可以用一个指针指向该数组。

// 使用静态一维数组存放矩阵内容示例

template<typename T>
class SquareMatrixBase {
protected:
    SquareMatrixBase(std::size_t n, T* pMem) : size(n), pData(pMem) {}
    void setDataPtr(T* ptr) { pData = ptr; }
    ...
private:
    std::size_t size; // 矩阵大小
    T* pData; // 指向矩阵内容
};

template<typename T, std::size_t n>
class SquareMatrix: private SquareMatrixBase<T> {
public:
    SquareMatrix() : SquareMatrixBase<T>(n, data) { } // 用构造函数初始化列表将矩阵大小和数据指针传递给base class
    ...
private:
    T data[n * n]; // 存放矩阵内容
};

也可以通过动态分配内存，把矩阵的数据放进heap，然后将其交给base class。

上面SquareMatrix的做法是通过函数参数，消除template非类型参数（矩阵尺寸）。
有些可能是由于类型参数带来的，如一些平台int和long有相同二进制表述，所以vector和vector的成员函数可能完全相同。有些链接器（linker）会合并完全相同的函数实现码，有些则不会。这种情况下，可以对每个成员函数使用唯一一份底层实现，实现某些成员函数操作强类型指针（strongly typed pointers，即 T），令它们调用另一个操作无类型指针（untyped pointer，即void）的函数，由后者完成实际工作。

小结

1）template生成多个class和多个函数，所以任何template代码都不该与某个造成膨胀的template参数参数相依关系；
2）因非类型模板参数（non-type template paramter）而造成的代码膨胀，往往可以消除，做法是以函数参数或class成员变量替换template参数；
3）因类型参数（type parmaeter）而造成的代码膨胀，往往可降低，做法是让带有完全相同二进制表述（binary representation）的具现类型（instantiation type）共享实现代码；

[======]

条款45：运用成员函数模板接受所有兼容类型

Use member function template to accept "all compatible types."

真实指针隐式转换

智能指针（smart pointer）是“行为像指针”的对象，并提供指针没有的功能。
如，条款13提到的shared_ptr, unqiue_ptr，如何被利用起来在正确时机自动删除heap-based资源。

真实指针做得很好的一件事，就是支持隐式转换（implicit conversion），体现在2方面：
1）derived class指针可以隐式转换为base class指针；
2）指向non-const对象的指针，可以转换为指向const对象，而无需显式转型（cast）；
例如，

class Top { ... };
class Middle: public Top { ... };
class Bottom: public Middle { ... };
Top* pt1 = new Middle; // 将Middle*转换为Top* (Middle* => Top*)
Top* pt2 = new Bottom; // Bottom* => Top*
const Top* pt2 = pt1;  // const Top* => Top*

智能指针隐式转换

但如果想要用智能指针模拟上述转换，如何进行？
比如，要施行以下转换：

template<typename T>
class SmartPtr {
public:
    explicit SmartPtr(T* realPtr);
    ...
};

// 客户端想要进行的智能指针转换
SmartPtr<Top> pt1 = SmartPtr<Middle>(new Middle); // SmartPtr<Middle> => SmartPtr<Top>
SmartPtr<Top> pt2 = SmartPtr<Bottom>(new Bottom); // SmartPtr<Bottom> => SmartPtr<Top>
SmartPtr<const Top> pt3 = pt1; // SmartPtr<Top> => SmartPtr<const Top>

template的2个具现SmartPtr和SmartPtr并没有任何关系，如果希望获得SmartPtr class之间的转换能力，就必须将它们明确编写出来。

Template和泛型编程（Generic Programming）

上面例子中，客户端进行智能指针转换时，其实都是创建了一个新的智能指针对象，我们可以关注如何编写智能指针的构造函数，以满足我们的转型需要。

member template（成员函数模板）

那么如何为template class编写构造函数呢？
如果我们为SmartPtr，SmartPtr编写了构造函数，可能在某天，我们又增添了另外一个模板类继承自SmartPtr或者SmartPtr，可能会需要再添加一个构造函数，甚至可能修改原来base class的构造函数。
实际上，需要构造函数的数量是没有止尽的，因为一个template可以被无线具现化，以至于生成无限量函数。因此，我们需要的不是为SmartPtr写构造函数，而是为它写一个构造模板。这样的模板就是所谓的member function template（简称member template），作用是为class生成函数：

// 构造模板, 对任何类型的T, U, 可以根据SmartPtr<U>对象生成一个SmartPtr<T>对象
template<tyepname T>
class SmartPtr {
public:
    template<typename U>
    SmartPtr(const SmartPtr<U>& other); // member template，为了生成copy构造函数
    ...
};

// 客户端调用: SmartPtr<U> => SmartPtr<T>, 其中T和U是任意类型
SmartPtr<U> pu = SmartPtr<U>(new XXX);
SmartPtr<T> pt = pu;

这种 用类型为T的模板类对象构造类型为U的模板类的构造函数，我们称之为“泛化copy构造函数”。

为什么上面的泛化copy构造函数并未声明为explicit？
这是蓄意的，因为原始指针类型之间的转换是隐式转换，无需明白写出转型动作（cast），所以让智能指针效仿这种行径也是合理的。在模板化构造函数（templatized constructor）中略去explicit就是为了这个目的。

如何编写“返回copy构造函数”？

完成声明后，如何编写“返回copy构造函数”？ 我们希望根据一个SmartPtr创建一个SmartPtr，却不希望根据一个SmartPtr创建一个SmartPtr，因为两者对继承而言是矛盾的（条款32）。同时，我们也不希望根据一个SmartPtr创建一个SmartPtr，因为现实中没有将“int* 转换为double*”的对应隐式转换行为。也就是说，我们必须对member template创建的成员函数进行拣选或者筛除。

假设SmartPtr遵循unique_ptr和shared_ptr所提供的榜样，也提供get成员函数，返回智能指针对象（条款15）所持有的原始指针的副本，那么我们可以在“构造模板”实现代码中约束转换行为，使得它符合我们的期望：

template<typename T>
class SmartPtr {
public:
    // 构造模板, i.e. 泛化copy构造函数
    template<typename U>
    SmartPtr(const SmartPtr<U>& other) : heldPtr(other.get()) { ... } // 以other的heldPtr初始化this->heldPtr
    
    T* get() const { return heldPtr; } // 返回原始指针的副本
    ...
private:
    T* heldPtr; // SmartPtr持有的内置指针（原始指针）
};

我们的构造模板是使用成员初值列（member initialization list）来初始化SmartPtr内类型为T的成员变量，并以类型为U的指针（由SmartPtr<U>持有）作为初值。前提条件：存在隐式转换，可以将U指针转换为T指针。也就是说，该构造函数只有在获得与其实参兼容类型时，才通过编译。

member function template（成员函数模板）并不局限于构造函数，也经常应用于赋值操作。如shared_ptr，unique_ptr，weak_ptr的构造行为，以及除weak_ptr外的赋值操作（why？）。

例如，TR1规范中shared_ptr的一份摘录，

template<class T>
class shared_ptr {
public:
    template<class Y>
    explicit shared_ptr(Y* p); // 构造来自兼容的内置指针

    template<class Y>
    shared_ptr(shared_ptr<Y> const& r); // 构造来自兼容的shared_ptr. 泛化copy构造函数

    template<class Y>
    explicit shared_ptr(weak_ptr<Y> const& r); // 构造来自兼容的weak_ptr

    template<class Y>
    explicit shared_ptr(unique_ptr<Y>& r); // 构造来自兼容的unique_ptr

    template<class Y>
    shared_ptr& operator=(shread_ptr<Y> const& r); // assignment操作符, 来自兼容的shread_ptr

    template<class Y>
    shared_ptr& operator=(unique_ptr<Y>& r); // assignment操作符, 来自兼容的unique_ptr
    ...
};

上面所有的构造函数都是explicit，只有“泛化copy构造函数”除外，为什么？
因为这样意味着某个shared_ptr类型隐式转换为另一个shared_ptr类型是被允许的，但从内置指针或其他智能指针类型进行隐式转换是不被认可的。不过，如果是显示转换比如cast强制转型，则是可以的。

为什么传给构造函数、operator=的 unique_ptr参数，都并非const？
因为条款13提到，复制unique_ptr，会导致原来的unique_ptr改变（指向null）。这是由unique_ptr的特性决定的：同一时刻，只允许一个unique_ptr指向一个给定对象。当把原来unique_ptr指向的对象，交由新unique_ptr指向时，原来的unique_ptr就指向了null。

声明泛化copy构造函数和copy构造函数

member template并不改变语言规则。条款5提到，编译器可能为我们生成4个成员函数：默认构造函数，copy构造函数和copy assignment操作符，析构函数。（注：C++11新增移动构造函数）

如果程序需要一个copy构造函数，而你却没有声明它，编译器会为你暗自生成一个。在class内声明泛化copy构造函数（是个member template）并不会阻止编译器生成它们自己的copy构造函数（一个non-template），所以如果你想要控制copy构造的方方面面，你必须同时声明泛化copy构造函数和“正常的”copy构造函数。相同的规则也适用于赋值（assignment）运算符。
下面是shared_ptr的一份定义摘要：

tempalte<class T>
class shared_ptr {
public:
    shared_ptr(shared_ptr const& r); // copy构造函数

    template<class Y>
    shared_ptr(shared_ptr<Y> const& r); // 泛化copy构造函数

    shared_ptr& opeartor=(shared_ptr const& r); // copy assignment
    
    template<class Y>
    shared_ptr& opeartor=(shared_ptr<Y> const& r);  // 泛化copy assignment
    ...
};

小结

1）请使用member function template（成员函数模板）生成“可接受所有兼容类型”的函数；
2）如果你声明member template用于“泛化copy构造”或者“泛化assignment操作”，你还是需要声明正常的copy构造函数和copy assignment操作符。

[======]

条款46：需要类型转换时请为模板定义非成员函数

Define non-member functions inside template when type conversions are desired.

本条款类同条款24。条款24讨论过：为什么只有non-member的函数才有能力“在所有实参身上实施隐式式类型转换”。本条款同样以Rational class的operator*为例。

// 条款24的Rational的template版本
template<typename T>
class Rational {
public:
    Rational(const T& numerator = 0, const T& denominator = 1); // 参数以passed by reference方式传递避免拷贝, 同时修改可以影响实参
    const T numerator() const; // 分子
    const T denominator() const; // 分母
    ...
};

// non-member函数重载operator*
template<typename T>
const Rational<T> operator* (const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs)
{ ... }

但与条款24示例不同的是，

Rational oneHalf(1,2);
Rational result = oneHalf * 2; // MSVC报错：没有与这些操作数匹配的 "*" 运算符

同样是重载operator*，这里的例子为什么会报错？
条款24内，编译器知道我们尝试调用什么函数（接受2个Rational参数的operator），但这里编译器却不知道我们想要调用哪个函数，因为它们想试图想出什么函数被名为operator的template具现化（产生）出来。而要具现化某个“名为operator并接受2个Rational参数”的函数，就必须先算出T是什么。问题是编译器不能做到。
为了推动出T，先看operator调用动作的实参类型：Rational（oneHalf的类型）和int（数字2的类型）。2个参数分开考虑：
1）以oneHalf（Rational）进行推导，operator*第一个参数被声明为const Rational，而传递的类型是Rational，所以T是int。
2）以数字2（int）进行推导，由于template实参推导过程从不将隐式类型转换函数纳入考虑（也不考虑通过构造函数而发生的隐式类型转换），编译器并不能使用Rational的non-explicit构造函数将2转换为Rational。不过，这样的隐式转换却在函数调用过程中被使用，前提是在能调用一个函数前，首先必须知道那个函数存在。而为了知道它，必须先为相关function template推导出参数类型，然后才可以将适当的函数具现化出来。

有一个简便方法：
template class内friend声明式可以指涉某个特定函数。意味着class Rational可以声明operator是它的一个friend函数。class template并不依赖template实参推导（实参推导只施行于function template身上），所以编译器总是能在class Rational具现化时知道T类型。如果令Rational class声明适当operator为其friend函数，可以简化整个问题：

template<typename T>
class Rational {
public:
    friend const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs);
    // 由于在class template内, template名称(Rational)可以被用来作为“template和其参数”(Rational<T>)的简略表达式
    // 因此, 上面声明式等价于下面的声明式 <=>
    friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) { // 使用简略表达式
        return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), lhs.denominator() * rhs.denominator());
    }
};

注意：如果将operator的实现放到class template外部（如.cpp文件），能通过编译，但无法链接。
能通过编译原因：因为编译器通过模板函数operator，知道我们要调用哪个函数。
无法链接原因：不能在class template外部定义operator* template，必须在class内部定义。

当然，我们可以通过operator* template调用一个定义在外部的函数doMultiply，来简化operator* 。

template<typename T>
const Rational<T> doMultiply(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs) 
{
    return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

template<typename T>
class Rational {
public:
    friend const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs);
    // 由于在class template内, template名称(Rational)可以被用来作为“template和其参数”(Rational<T>)的简略表达式
    // 因此, 上面声明式等价于下面的声明式 <=>
    friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs) { // 使用简略表达式
        return doMultiply(lhs, rhs);
    }
};

小结

1）当我们编写一个class template，请将那些与template相关的、用于隐式类型转换的函数 定义为“class template内部的friend函数”。
隐含2方面：class template的friend函数，内部实现。

[======]

条款47：请使用traits classes表现类型信息

Use traits clases for information about types.

STL中，容器和算法是分开的，通过迭代器联系到一起。算法如何从迭代器类中萃取出容器元素的类型呢？
这就需要用到traits class技术。

在用traits class技术之前，先看下如何获得元素类型：

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d); // 函数模板：将迭代器iter移动d位置

// 问题：如何得到IterT所指元素类型？
// 如果IterT支持 随机访问（+=）操作，advance要做的事就是iter += d；
// 如果不支持，advance要做的事就是 反复施行++iter（或--iter）一共d次。

C++有5种常用迭代器：input(输入），output（输出），forward（前向），bidirectional（双向），random access（随机访问）。
C++ STL分别提供专属卷标结构（tag struct）加以确认：

struct input_iterator_tag
       {      // identifying tag for input iterators
       };
struct output_iterator_tag
       {      // identifying tag for output iterators
       };
struct forward_iterator_tag
       : input_iterator_tag
       {      // identifying tag for forward iterators
       };
struct bidirectional_iterator_tag
       : forward_iterator_tag
       {      // identifying tag for bidirectional iterators
       };
struct random_access_iterator_tag
       : bidirectional_iterator_tag
       {      // identifying tag for random-access iterators
       };

5类迭代器详细介绍参见：C++Primer中文版5th Page366，或者 https://blog.csdn.net/CSDN_564174144/article/details/76231626

迭代器如何得到IterT所指元素类型，并实现advance？
一种方案是：

template <typename IterT, typename DistT>
void advance(Iter& iter, DistT d)
{
    if (iter is a random access iterator) { // 只有random access iterator支持随机访问操作
        iter += d; // random access迭代器使用迭代器算术运算
    }
    else {
        if (d >= 0) { while(d--) ++iter; }
        else { while (d++) --iter; }
    }
}

这种做法首先必须判断iter是否为random access迭代器，即iter类型（Iter&）是否为random access迭代器。而要获得Iter代表的类型，我们可以通过traits class技术，在编译期就能获得。

traits class技术

traits class技术并不是C++关键字，而是C++程序员共同遵守的协议。其要求之一是：对内置（build-in）类型和用户自定义（user-defined）类型的表现必须一样好。
具体来说，是将类型的traits（特征）信息放入一个template及其特化版本中，不同的容器模板实例化时，类型信息在不同特化版本中携带的traits信息不一样。

利用迭代器萃取元素类型信息示例：

// 通用版本
template<class IterT>
struct my_iterator_traits {
       typedef typename IterT::value_type value_type; // traits信息
};
// 偏特化版本
template<class IterT>
struct my_iterator_traits<IterT*> {
       typedef IterT value_type; // traits信息
};
void fun(int a) {
       cout << "func(int) is called" << endl;
}
void fun(double a) {
       cout << "func(double) is called" << endl;
}
void fun(char a) {
       cout << "func(char) is called" << endl;
}

// 客户端
int main()
{
       my_iterator_traits<vector<int>::iterator>::value_type a = 0;
       fun(a); // 打印"func(int) is called"
       my_iterator_traits<vector<double>::iterator>::value_type b = 1;
       fun(b); // 打印"func(double) is called"
       my_iterator_traits<vector<char>::iterator>::value_type c = 2;
       fun(c); // 打印"func(char) is called"
       return 0;
}

traits class技术简要介绍参见
https://blog.csdn.net/lihao21/article/details/55043881

小结

1）traits class使得“类型相关信息”在编译期可用，使用template和template偏特化实现。

[======]

条款48：认识template元编程

Be aware of template metaprogramming.

元编程具体内容，暂略。

小结

1）Template metaprogramming（TMP，模板元编程）可将工作由运行期移往编译期，因而得以实现早期错误侦测和更高的执行效率；
2）TMP可被用来生成“基于政策选择组合”（based on combinations of policy choices）客户定制代码，也可用来避免生成对某些特殊类型并不合适的代码。

[======]