C++ 模板编程技术解析

模板基础知识

C++模板编程是一项强大的特性，它为泛型编程和元编程提供了丰富的功能，使得代码更具有通用性和可重用性。类型模板包括函数模板和类模板，基本上是C++开发人员接触模板编程的起点。

// 函数模板
template<typename T>
T add(const T& a, const T& b) {
  return a + b;
}

// 类模板
template<typename T>
class Point {
private:
  T x[3];
  // ...
}

在C++14中引入了变量模板，它允许我们在编译期直接计算常量，并且可以根据模板参数的类型自动推导模板的实例化类型。

// 变量模板
template<typename T>
constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L);

C++17引入了"auto"模板参数，它允许我们在函数模板中使用auto关键字来自动推导函数模板的返回类型，使得代码更简洁。

// 自动推导返回类型的函数模板
template<typename T, typename U>
auto multiply(const T& a, const U& b) {
  return a * b;
}

非类型参数模板

除了类型模板，C++模板编程还支持非类型参数模板，它用来替代某个具体的值作为模板参数。非类型参数模板可以是整数、枚举、指针等类型。

// N维空间向量
template<int N>
struct Vector {
  double x[N];
};

非类型参数模板也可以使用指针类型作为模板参数。下面是一个使用指针作为非类型参数模板的示例：

#include <iostream>

// 非类型参数模板，接受指针类型作为参数
template<int* Ptr>
void printPointerValue() {
    std::cout << "Pointer value: " << *Ptr << std::endl;
}

int main() {
    int value = 42;
    int* ptr = &value;

    // 实例化模板，传入指针作为参数
    printPointerValue<ptr>();

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个非类型参数模板printPointerValue，它接受一个指向整数的指针作为参数。在main函数中，我们声明一个整数value并获取其指针ptr，然后通过实例化模板printPointerValue<ptr>()，将指针ptr作为参数传递给模板，从而打印出指针所指向的整数值。

需要注意的是，指针作为非类型参数模板时，模板参数必须是指向具体对象的指针，而不能是空指针或未初始化的指针，因为这些在编译期无法确定具体的值。

C++17 引入的"auto"模板参数：在C++17中，可以使用"auto"作为模板参数，使得编译器能够自动推导模板参数的类型。例如：

// 函数模板
template <auto N>
void printValue() {
    std::cout << N << std::endl;
}

// 调用
printValue<42>(); // 输出: 42
printValue<'c'>(); // 输出: c

类型模板解决了类型问题，非类型参数模板解决了值的问题，实际中应用也十分广泛。作为递归的经典场景，斐波那契数列可以用非类型模板解决：

template<int N>
struct Fib {
  static constexpr int value = Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<1> {
  static constexpr int value = 1;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<0> {
  static constexpr int value = 0;
};

// 调用
std::cout << "Fib(10): " << Fib<10>::value << std::endl;

模板特化/偏特化

定义模板后，希望在特定条件下使用单独的模板，这便是模板特化。上文中斐波那契数列定义的template struct Fib是母模板，接下来又定义了0和1两个特化模板(子模板)，指示编译器遇到Fib<0>和Fib<1>的情况，使用这两组单独定义。需要注意的是特化模板的template参数为空，具体模板参数放到了模板名称处，类似于模板实例化。 对多个模板参数的情形，如果只特化某个模板参数，便是偏特化。例如：

// 泛型模板定义
template<typename T1, typename T2> struct Add; 
// 特化模板
template<> struct Add<int, int> {...};
// 偏特化模板
template<typename T> struct Add<T, long> {....};

模板特化/偏特化类似于函数重载，能针对特殊情况进行特别处理。

模板匹配与SFINAE

模板特化使得同一个模板名称有了多个定义，代码具体调用时会遇到模板匹配问题。理解模板匹配机制的关键便是SFINAE，这也是进阶模板编程的必备知识点。

SFINAE是Substitution failure is not an error的缩写，翻译过来便是：匹配(替换)失败不是错误。

怎么理解这句话呢？

对于上面的斐波那契数列数列代码，编译器遇到Fib<10>::value的代码，(可能)先会尝试匹配Fib<0>，发现匹配不上，这是一个Substitution failure，但不是error，所以编译器继续尝试其他可能性。接着匹配Fib<1>，同样发现匹配不上，忽略这个Substitution failure继续尝试Fib，OK，这一次没问题，编译成功。

如果是Fib<-1>::value，编译器达到最大递归深度也找不到一个合适的匹配模板，这是一个error，因此编译失败。

备注：理解上面的话需要对编译过程稍加了解，编译过程会输出许多信息，编译器一般只有遇到error才会终止编译，比较常见的warning则不会。模板匹配中的Substitution可能连warning都算不上，不会影响编译器继续尝试匹配

理解SFINAE是看懂稍微深奥点模板代码的基本功，重点便是：不怕你模板多，就怕找不到合适的模板。

可变长参数模板

C++11引入了可变长参数模板，它允许模板接受不定数量的参数。这种技术在实现通用的函数模板时非常有用，比如实现一个能够打印任意数量参数的函数。

#include <iostream>

// 可变长参数模板的递归终止函数
void printArgs() {
    std::cout << std::endl;
}

// 可变长参数模板的递归调用函数
template<typename T, typename... Args>
void printArgs(const T& arg, const Args&... args) {
    std::cout << arg << " ";
    printArgs(args...);
}

int main() {
    int num = 42;
    double pi = 3.141592653589793;
    std::string str = "Hello, World!";

    // 调用可变长参数模板函数，打印多个参数
    printArgs(num, pi, str);

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个可变长参数模板函数printArgs，它接受不定数量的参数，并使用递归方式逐个打印参数。在main函数中，我们传递了一个整数num，一个双精度浮点数pi和一个字符串str作为参数调用printArgs函数，它会依次打印这些参数的值。

可变长参数模板在实现许多通用函数时非常有用，它允许我们在编译期处理不定数量的参数，增加了代码的灵活性和通用性。

C++20中的概念(Concepts)

C++20引入了概念(Concepts)特性，它为模板编程带来了重要的改进。概念可以用于对模板参数进行约束，从而使得编译器能够更好地推断和匹配模板实例化。概念可以被视为一种形式化的要求，用于描述模板参数必须满足的条件。

// 定义一个概念Even，要求类型T必须是偶数
template<typename T>
concept Even = (T % 2 == 0);

// 函数模板，使用概念Even约束模板参数
template<Even T>
T divideByTwo(T value) {
    return value / 2;
}

在上面的代码中，我们首先定义了一个概念Even，它要求类型T必须是偶数。然后我们在函数模板divideByTwo中使用概念Even来约束模板参数T，即只有满足Even概念的类型才能进行调用。
当使用C++20中的Concepts约束类型时，可以将概念应用于函数模板、类模板、模板别名以及普通函数，以确保类型参数满足特定的条件或行为。Concepts提供了一种更加直观和清晰的方式来对泛型代码进行限制，让模板代码更易于阅读和理解：

  • 定义概念（Concepts）
    可以使用concept关键字定义概念。概念类似于函数签名，它定义了一组要求，约束类型参数的行为。以下是定义概念的基本语法：

    template <typename T>
concept MyConcept = /* Constraints on T */;
使用概念作为模板参数
定义概念后，可以在模板中使用概念来约束类型参数，以确保传递的类型满足概念的条件。

template <MyConcept T>
void foo(T arg) {
    // Some code here
}

  • 概念的约束条件
    概念可以使用一系列条件对类型参数进行约束。例如，可以检查类型是否支持特定的成员函数、操作符、是否是特定类型的派生类等。您可以在概念定义中使用requires关键字来指定约束条件。

  • 概念与requires子句
    概念通常与requires子句结合使用，以对类型进行更详细的约束。requires子句允许您在概念中使用表达式，用于对类型的特性进行更复杂的检查。

  • 概念的组合
    您可以使用逻辑运算符（&&、||、!）将多个概念组合在一起，以定义更复杂的约束。

  • 标准库概念
    C++20标准库中引入了一些内置的概念，例如std::regular、std::integral、std::floating_point等。您可以直接使用这些标准库概念，也可以根据需要自定义自己的概念。

自定义概念的例子
下面是一个示例，展示如何定义自己的概念来约束类型参数：

template <typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    { a + b } -> std::convertible_to<T>;
};
  • 错误信息
    当使用概念约束类型时，如果类型不满足约束条件，编译器将提供更有意义的错误信息，帮助您更轻松地调试和修复代码。

Concepts是C++20中一个非常强大的特性，它使得泛型代码更加易读、易用和安全。通过使用概念，可以在编译时对类型进行约束和检查，防止不正确的使用，同时提供更好的错误反馈，帮助开发者更高效地编写模板代码。在C++20中，引入了一些内置的Concepts，它们是在标准库中定义的一组通用概念。这些内置的Concepts可以直接用于泛型代码中，以约束类型参数的行为:

  • std::movable 和 std::copyable
    这两个概念用于约束可以进行移动语义和复制语义操作的类型。类型满足std::movable概念，表示它可以被移动构造和移动赋值。而满足std::copyable概念的类型，则还可以进行复制构造和复制赋值。

  • std::semiregular
    std::semiregular概念约束了满足半正则类型的行为。一个满足std::semiregular概念的类型需要满足默认构造、析构、复制构造和复制赋值的要求。

  • std::regular
    std::regular概念是对正则类型的约束。一个类型满足std::regular概念，必须满足std::semiregular概念，并且还需要支持相等比较（==）。

  • std::totally_ordered
    std::totally_ordered概念约束了可以进行全序比较的类型。满足该概念的类型需要支持 <、<=、> 和 >= 操作。

  • std::integral和std::floating_point
    这两个概念分别约束整数类型和浮点数类型。std::integral概念用于整数类型，std::floating_point概念用于浮点数类型。

  • std::signed_integral和std::unsigned_integral
    这两个概念用于约束带符号整数类型和无符号整数类型。

  • std::input_iterator和std::output_iterator
    std::input_iterator概念约束了输入迭代器的行为，用于在范围上进行只读遍历。而std::output_iterator概念约束了输出迭代器的行为，用于在范围上进行只写遍历。

  • std::input_or_output_iterator
    std::input_or_output_iterator概念约束了可以用于读写遍历的迭代器，即同时满足输入和输出迭代器的要求。

  • std::forward_iterator、std::bidirectional_iterator和std::random_access_iterator
    这些概念分别约束了前向迭代器、双向迭代器和随机访问迭代器的行为，用于描述不同迭代器的功能级别。

  • std::contiguous_iterator
    std::contiguous_iterator概念约束了可以进行连续内存访问的迭代器，用于支持指针语义。

这些内置的Concepts为泛型代码提供了更强大的约束和类型检查，同时还可以在代码中提供更好的文档说明，让代码更易读、易维护。开发者可以根据自己的需求，选择合适的内置Concepts或自定义概念来约束类型参数，以确保泛型代码的正确性和安全性。

两阶段编译

C++编译过程分为两个阶段：前期编译和后期编译。前期编译是模板的天下，编译器会扫描模板定义，但并不进行实例化。后期编译器会根据实际的模板实例化来生成机器码。

由于模板代码运行在编译期，具有类似反射/自省的能力，但也有一些限制，比如无法在运行时动态调用代码。

最佳实践

C++模板编程具有许多优点，包括：

  1. 减少代码输入，提高代码重用和编程效率；
  2. 支持鸭子类型(Duck typing)的特性，使用便利，功能强大；
  3. 某些情况下能减少运行期开销；
  4. 能实现元编程，C++高手必备之路。

然而，模板编程也有一些缺点：

  1. 语法看起来是hack黑科技，代码可读性差，编写繁琐；
  2. 模板代码调试困难，生成的错误信息也晦涩难懂；
  3. 编译时间增加，特别是在使用复杂的模板技巧和递归时。

在进行模板编程时，可以采取以下最佳实践来提高代码质量和可维护性：

  1. 使用概念(Concepts)来约束模板参数，增加代码的可读性和安全性；
  2. 尽量避免使用复杂的模板技巧，保持代码简洁易懂；
  3. 在使用模板特化时，注意避免产生二义性的情况；
  4. 优先选择函数重载而不是类模板的特化，提高代码可读性；
  5. 考虑使用模板元编程来在编译期进行计算，以减少运行期开销。

综上所述，C++模板编程是一项强大而灵活的特性，它为C++程序提供了更高的通用性和可维护性。通过合理地运用模板编程，我们可以编写出更加优雅和高效的C++代码。然而，模板编程也需要谨慎使用，避免过度复杂化代码，增加维护难度和编译时间。掌握好模板编程的技巧和最佳实践，将会使C++代码更具有表现力和可读性。

posted @ 2023-07-20 18:36  非法关键字  阅读(185)  评论(0)  编辑  收藏  举报