模版编程基础知识

1.编译器匹配问题

例子:

template <typename T> class TypeToID
{
public:
    static int const NotID = -2;
};

template <> class TypeToID<float>
{
public:
    static int const ID = 1;
};

void PrintID()
{
    cout << "ID of float: " << TypeToID<float>::ID << endl; // Print "1"
    cout << "NotID of float: " << TypeToID<float>::NotID << endl; // Error! TypeToID<float>使用的特化的类，这个类的实现没有NotID这个成员。
    cout << "ID of double: " << TypeToID<double>::ID << endl; // Error! TypeToID<double>是由模板类实例化出来的，它只有NotID，没有ID这个成员。
}

类模板和类模板的特化的作用，仅仅是指导编译器选择哪个编译，但是特化之间、特化和它原型的类模板之间，是分别独立实现的。所以如果多个特化、或者特化和对应的类模板有着类似的内容，很不好意思，你得写上若干遍了。

 

2.类型匹配问题

例子2：

template <typename T> // 嗯，需要一个T
class TypeToID<T*> // 我要对所有的指针类型特化，所以这里就写T*
{
public:
    typedef T         SameAsT;
    static int const ID = 0x80000000; // 用最高位表示它是一个指针
};

void PrintID()
{
    cout << "ID of float*: " << TypeToID< TypeToID<float*>::SameAsT >::ID << endl;
}

这里面，TypeToID<float*>后的T，匹配的是什么呢?

.....

.....

.....

float * 匹配 T * ,而不是float * 匹配  T, 即表示红色的地方，就是特化匹配处。

 

3。名称查找：I am who I am

 

名称解析（Name resolution）

1) 模板定义中能够出现以下三类名称：

模板名称、或模板实现中所定义的名称；
和模板参数有关的名称；
模板定义所在的定义域内能看到的名称。

2) 如果名字查找和模板参数有关，那么查找会延期到模板参数全都确定的时候。 …

3) 如果（模板定义内出现的）名字和模板参数无关，那么在模板定义处，就应该找得到这个名字的声明。…

 依赖性名称（Dependent names）

1) …（模板定义中的）表达式和类型可能会依赖于模板参数，并且模板参数会影响到名称查找的作用域 … 如果表达式中有操作数依赖于模板参数，那么整个表达式都依赖于模板参数，名称查找延期到模板实例化时进行。并且定义时和实例化时的上下文都会参与名称查找。（依赖性）表达式可以分为类型依赖（类型指模板参数的类型）或值依赖。

 类型依赖的表达式

1) 如果成员函数所属的类型是和模板参数有关的，那么这个成员函数中的this就认为是类型依赖的。

非依赖性名称（Non-dependent names）

1) 非依赖性名称在模板定义时使用通常的名称查找规则进行名称查找。

 

例子:

template <typename T> struct X {};
    
template <typename T> struct Y
{
    typedef X<T> ReboundType;                        // 这里为什么是正确的？
    typedef typename X<T>::MemberType MemberType2;    // 这里的typename是做什么的？
    typedef UnknownType MemberType3;                // 这里为什么会出错？
};

 

依托上面的学术黑话，理解如下：

template <typename T> struct Y
{
    // X可以查找到原型；
    // X<T>是一个依赖性名称，模板定义阶段并不管X<T>是不是正确的。
    typedef X<T> ReboundType;
    
    // X可以查找到原型；
    // X<T>是一个依赖性名称，X<T>::MemberType也是一个依赖性名称；
    // 所以模板声明时也不会管X模板里面有没有MemberType这回事。
    typedef typename X<T>::MemberType MemberType2;
    
    // UnknownType 不是一个依赖性名称
    // 而且这个名字在当前作用域中不存在，所以直接报错。
    typedef UnknownType MemberType3;                
};

唯一的问题就是第二个：typename是做什么的？

对于用户来说，这其实是一个语法噪音。也就是说，其实就算没有它，语法上也说得过去。事实上，某些情况下MSVC的确会在标准需要的时候，不用写typename。但是标准中还是规定了形如 T::MemberType 这样的qualified id 在默认情况下不是一个类型，而是解释为T的一个成员变量MemberType，只有当typename修饰之后才能作为类型出现。

简单来说，如果编译器能在出现的时候知道它的类型，那么就不需要typename，如果必须要到实例化的时候才能知道它是不是合法，那么定义的时候就把这个名称作为变量而不是类型。

在这里，我举几个例子帮助大家理解typename的用法，这几个例子已经足以涵盖日常使用：

struct A;
template <typename T> struct B;
template <typename T> struct X
{
    typedef X<T> _A; // 编译器当然知道 X<T> 是一个类型。
    typedef X    _B; // X 等价于 X<T> 的缩写
    typedef T    _C; // T 不是一个类型还玩毛
    
    // ！！！注意我要变形了！！！
    class Y 
    {
        typedef X<T>     _D;          // X 的内部，既然外部高枕无忧，内部更不用说了
        typedef X<T>::Y  _E;          // 嗯，这里也没问题，编译器知道Y就是当前的类型，
                                      // 这里在VS2015上会有错，需要添加 typename，
                                      // Clang 上顺利通过。
        typedef typename X<T*>::Y _F; // 这个居然要加 typename！
                                      // 因为，X<T*>和X<T>不一样哦，
                                      // 它可能会在实例化的时候被别的偏特化给抢过去实现了。
    };
    
    typedef A _G;                   // 嗯，没问题，A在外面声明啦
    typedef B<T> _H;                // B<T>也是一个类型
    typedef typename B<T>::type _I; // 嗯，因为不知道B<T>::type的信息，
                                    // 所以需要typename
    typedef B<int>::type _J;        // B<int> 不依赖模板参数，
                                    // 所以编译器直接就实例化（instantiate）了
                                    // 但是这个时候，B并没有被实现，所以就出错了
};

 

4.不定长的模板参数

我们写出的模板原型：

template <typename T0, typename T1> struct DoWork;

继而偏特化/特化问题也解决了：

template <> struct DoWork<int,   void> {};  // (1) 这是 int 类型的特化
template <> struct DoWork<float, void> {};  // (2) 这是 float 类型的特化
template <> struct DoWork<int,    int> {};  // (3) 这是 int, int 类型的特化

显而易见这个解决方案并不那么完美。首先，不管是偏特化还是用户实例化模板的时候，都需要多撰写好几个void，而且最长的那个参数越长，需要写的就越多；其次，如果我们的DoWork在程序维护的过程中新加入了一个参数列表更长的实例，那么最悲惨的事情就会发生 —— 原型、每一个偏特化、每一个实例化都要追加上void以凑齐新出现的实例所需要的参数数量。

所幸模板参数也有一个和函数参数相同的特性：默认实参（Default Arguments）。只需要一个例子，你们就能看明白了goo.gl/TtmcY9：

template <typename T0, typename T1 = void> struct DoWork;

template <typename T> struct DoWork<T> {};
template <>           struct DoWork<int> {};
template <>           struct DoWork<float> {};
template <>           struct DoWork<int, int> {};

DoWork<int> i;
DoWork<float> f;
DoWork<double> d;
DoWork<int, int> ii;

所有参数不足，即原型中参数T1没有指定的地方，都由T1自己的默认参数void补齐了。

但是这个方案仍然有些美中不足之处。

比如，尽管我们默认了所有无效的类型都以void结尾，所以正确的类型列表应该是类似于<int, float, char, void, void>这样的形态。但你阻止不了你的用户写出类似于<void, int, void, float, char, void, void>这样不符合约定的类型参数列表。

其次，假设这段代码中有一个函数，它的参数使用了和类模板相同的参数列表类型，如下面这段代码：

template <typename T0, typename T1 = void> struct X
{
    static void call(T0 const& p0, T1 const& p1);        // 0
};

template <typename T0> struct X<T0> 
{
    static void call(T0 const& p0);                      // 1
};

void foo()
{
    X<int>::call(5);                // 调用函数 1
    X<int, float>::call(5, 0.5f);   // 调用函数 0
}

 

那么，每加一个参数就要多写一个偏特化的形式，甚至还要重复编写一些可以共享的实现。

不过不管怎么说，以长参数加默认参数的方式支持变长参数是可行的做法，这也是C++98/03时代的唯一选择。

例如，Boost.Tuple就使用了这个方法，支持了变长的Tuple：

// Tuple 的声明，来自 boost
struct null_type;

template <
  class T0 = null_type, class T1 = null_type, class T2 = null_type,
  class T3 = null_type, class T4 = null_type, class T5 = null_type,
  class T6 = null_type, class T7 = null_type, class T8 = null_type,
  class T9 = null_type>
class tuple;

// Tuple的一些用例
tuple<int> a;
tuple<double&, const double&, const double, double*, const double*> b;
tuple<A, int(*)(char, int), B(A::*)(C&), C> c;
tuple<std::string, std::pair<A, B> > d;
tuple<A*, tuple<const A*, const B&, C>, bool, void*> e;

 

此外，Boost.MPL也使用了这个手法将boost::mpl::vector映射到boost::mpl::vector _n_上。但是我们也看到了，这个方案的缺陷很明显：代码臃肿和潜在的正确性问题。此外，过度使用模板偏特化、大量冗余的类型参数也给编译器带来了沉重的负担。

为了缓解这些问题，在C++11中，引入了变参模板（Variadic Template）。我们来看看支持了变参模板的C++11是如何实现tuple的：

template <typename... Ts> class tuple;

是不是一下子简洁了很多！这里的typename... Ts相当于一个声明，是说Ts不是一个类型，而是一个不定常的类型列表。同C语言的不定长参数一样，它通常只能放在参数列表的最后。看下面的例子：

template <typename... Ts, typename U> class X {};              // (1) error!
template <typename... Ts>             class Y {};              // (2)
template <typename... Ts, typename U> class Y<U, Ts...> {};    // (3)
template <typename... Ts, typename U> class Y<Ts..., U> {};    // (4) error!

为什么第(1)条语句会出错呢？(1)是模板原型，模板实例化时，要以它为基础和实例化时的类型实参相匹配。因为C++的模板是自左向右匹配的，所以不定长参数只能结尾。其他形式，无论写作Ts, U，或者是Ts, V, Us,，或者是V, Ts, Us都是不可取的。(4) 也存在同样的问题。

但是，为什么(3)中， 模板参数和(1)相同，都是typename... Ts, typename U，但是编译器却并没有报错呢？

(3)和(1)不同，它并不是模板的原型，它只是Y的一个偏特化。回顾我们在之前所提到的，偏特化时，模板参数列表并不代表匹配顺序，它们只是为偏特化的模式提供的声明，也就是说，它们的匹配顺序，只是按照<U, Ts...>来，而之前的参数只是告诉你Ts是一个类型列表，而U是一个类型，排名不分先后。