C++ 模板应用浅析

把曾经写的C++模板的应用心得发表出来。

回忆起当时在学习C++模板时的无助和恐惧，如今还心有余悸。我分享出来我的心得，仅仅希望别人少走弯路，事实上它就这么几种使用方法，不须要害怕。

我总结了模板的四种使用方式，基本覆盖了大部分的模板使用场景，了解了这四种方式。就能够在看其他代码时理解别人为什么会在这个地方用模板。

模板的四大场景

1.数据类型与算法相分离的泛型编程
2.类型适配Traits
3.函数转发
4.元编程

1.数据类型与算法相分离的泛型编程

在模板编程中，最常见的就是此类使用方法。将数据类型与算法相分离，实现泛型编程。

STL本身实现了数据容器与算法的分离，而STL中大量的模板应用，则实现了数据类型与容器算法的分离，它是泛型编程的一个典范。
如：

std::vector<int>
std::vector<long>

单件的模板实现，将单件的算法和单件的类型相分离。
如：

template <class T> class  Singleton  
{  
protected:  
    Singleton(){}  
public:  
    static T& GetInstance()  
    {  
        static T instance;  
        return instance;  
    }  
};  
Class CMySingleton : public Singleton< CMySingleton >

数据类型与算法的分离是最easy理解的一种使用场景。我认为这可能也是发明泛型算法的初衷。

2.类型适配Traits

C++教科书一定会提到C++语言的多态性。我对多态的理解就是：同样的方法产生了不同的行为。这在C++中最常见的用例就是虚函数，虚函数被子类覆盖后由子类重写，不同的子类对于同样的虚函数调用表现出不同的行为，但调用者丝毫不关心详细的实现，它仅仅对于虚接口进行调用完事。

这样的多态就是执行时的多态。由于它是在执行时才知道终于调用到哪个子类函数上。

与执行时多态相对，另有一种多态形式是借助于模板实现的。模板同意我们使用单一的泛型标记，来关联不同的特定行为：但这样的关联是在编译期进行处理的，这些借助于模板的多态称为静多态。

请看下方的演示样例。

class A1  
{    
public:  void fun(); 
};    
class A2  
{    
public:  void fun();  
};    
template<typename A>  class CFunInvoker    
{  public:  
	Static void invoke(A* t)  
	{   t->fun();  }  
}    
A1 a1;    
A2 a2;    
CFunInvoker<A1>::invoke(&a1);   
CFunInvoker<A2>::invoke(&a2);

A1，A2两个类。都有一个fun的函数。还有一个调用者CFunInvoker须要调用这两个类的fun函数。

上面这个样例。A1和A2并没有什么关联，它们只须要提供一个名为fun參数为空的函数就能够被调用了。而调用者CFunInvoker对于被调用者的要求也就是有这样一个函数即可。只能过约定好函数名和參数的方式就能够实现对A1，A2。CFunInvoker 差点儿全然的解耦。

假设用动多态实现的话，那就须要A1和A2继承自同一个含有虚接口fun的父类（比方这个父类叫CFunBase）。而且对于CFunInvoker来说。它须要定义一个这种父类指针（CFunBase*）。并对其进行调用。这个时候，A1和A2就不那么自由了。不论什么对CFunBase的改动都会影响到A1和A2的功能。这样A1。A2，CFunInvoker的耦合性变高了。它们须要的是一个类来实现关联。

因此，静多态的优点就是：静多态不须要实现多态的类型有公共的基类。由于它能够一定程度上的解耦。可是它仍然须要模板类与模板參数之间有一些协议(这里协议就比方上面的样例中须要名为fun參数为空的函数)。

但假设有些模板參数类型不满足这些协义。怎么办？比方我想调用CFunInvoker<int>::invoke但int类型又提供不了一个名为fun參数为空的函数。

因此我们引入静多态的还有一个用处：Traits(粹取)

比方以下这个Host类须要模板參数类型提供一个叫dosomething的方法。所以Host<A>是能够编译通过，但Host<int>是编译只是的

为了解决问题。我们添加一个Traits类，它一定会对外提供一个dosomething的方法。对于普通类型，它就转发这种方法，于对int型，它作了特化。实现了一个空的dosomething的方法。因此不管是Host<Traits<A>> 还是Host<Traits<int>>，都能够通过编译

STL中大量运用了traits。比方我们常见的string类型，别以为它仅仅能处理字符串，它能够处理不论什么类型，你甚至能够用它来处理二进制的buffer(binaryarray)。

比方我们能够改动std::string让其内部处理long类型，让它成为一个long型数组。

typedef 
basic_string<long, char_traits<long>, allocator<long> > longstring;

longstring strlong;
strlong.push_back(23);
strlong.push_back(4562);
long arrLong[2] = {23, 4562};

longstring strlongFromArr(arrLong, ARRAYSIZE(arrLong));
assert(strlong == strlongFromArr);

3.函数转发

模板类的非常多应用在于它能针对不同的模板參数生成不同的类。

这使得我们能够通过模板类将函数指针以及它的參数类型记录下来。在须要的时候再对函数进行调用。

基于函数转发的应用有非常多

boost::function
boost::signal slot
模板实现的C++托付
模板实现的C++反射

…………

凡是涉及到把函数指针存放起来。进行延迟调用的情况，都能够应用函数转发

以下模拟一个简单的转发

template<typename T>  class function;
template<typename R, typename A0>  
class  function <R (A0)>
{  
public:  
    typedef R(*fun)(A0 );  
    function(fun ptr):m_ptr(ptr){}     
    R operator()(A0 a)  
    {(*m_ptr)(a);}  
    fun m_ptr;  
};  
int testfun(int a)  
{   
printf("%d", a);  
    return 2;
} 
function<int (int)> f1(&testfun);
f1(4);

上面的样例把函数testfun的函数指针，以及它的函数签名int (int)作为模板參数保存在了f1这个对象中。在须要的时候，就能够用f1对这个函数进行调用。

以下的样例模拟了类成员函数的转发

<pre name="code" class="cpp">template<class T> class function;  
template<typename R, typename A0, typename T>  
class  function<R (T::*)(A0) >   
{  
public:  
    typedef R(T::*fun)(A0);  
     function (fun p, T* pthis):m_ptr(p), m_pThis(pthis){}  
  
    R operator()(A0 a)      {(m_pThis->*m_ptr)(a);}  
    fun m_ptr;  
    T* m_pThis;  
};  
class CA
{
public:
	void Fun(int a) {cout << a;}
};

CA a;
function<void (CA::*)(int)>   f(&CA::Fun, &a);
f(4);  // 等价于a.Fun(4);

上面的样例把class CA的对象指针，成员函数指针。以及它的成员函数签名

void (CA::*)(int)

作为模板參数保存在了f这个对象中。在须要的时候，就能够用f对这个对象的这个成员函数函数进行调用。

调用的方式非常easy

f(4);  // 等价于a.Fun(4);

就像是调用一个普通的C函数一样。CA类对象不见了，.或->操作符不见了。函数转发实现了一层层的封装与绑定。终于上调用者与CA类型隔离，实现了解耦。

只是函数转发的这样的封装使会使得调用效率减少。怎样让封装后的调用像普通函数调用一样快，请參考我发的还有一篇学习心得

高效C++托付的原理

4.元编程

很多书介绍元编程是这样说的：Metaprogram:a program about a program。就是“一个关于还有一个程序的程序”。这方面介绍非常多。

从一个演示样例入手：一段从1累加到100的程序

主模板有一个整形的參数N。主模板中的枚举值value取值会取得模板參数为N-1的模板类的value值，加上自身的N值。

然后为N=1的时候特化处理value=1。

这样在GetSum<100>这个类中它的value值就是5050。这个值不是在执行时候计算机算的，而是在编译时编译器已经算好了。这么长的C++代码终于编译出来的结果就和仅仅写一句

prinft("%d",5050);

产生的汇编指令是一样的。

从这个小样例能够总结出元编程的思想：

在编译期实现对类型或数值的计算。
利用模板特化机制实现编译期条件选择结构，利用递归模板实现编译期循环结构，模板元程序则由编译器在编译期解释运行。

在编译期我们能够用来帮助计算的工具有：

模板的特化
函数重载决议
typedef
static类型变量和函数
sizeof，
=，:?。-。+，<, >运算符
enum

1。元编程中特化使用方法

一般用特化实现条件的推断。
包含普通if的推断
循环条件终结推断
。

。

。。

以下是一个样例

struct is_void  
{  
    enum{value = false;}  
}  
  
template<>  
struct is_void<void>  
{  
    enum{value = true;}  
}  
  
std::cout << is_void<int>  //显示false

上面这个样例能够用来推断一个类型是不是void类型

2。元编程中函数重载决议使用方法

以下这个样例来自于《C++设计模式新思维》

用来推断两个类型之间是否有转化关系

<pre name="code" class="cpp">template <class T, class U>  
struct Conversion  
{  
  static char Test(U);  
  static long Test(...);  
  static T MakeT();  
  enum { exists =  
  (sizeof(Test(MakeT())) == sizeof(char) )};  
};  


class A;
class B: public A;

printf("%d, %d", Conversion<B*, A*>::exists, Conversion<A*, B*>::exists);
                    输出1,0

上面的样例通过重载决议和sizeof取得重载函数Test的返回值大小，再通过枚举常量exists在编译期保存。

在

Conversion<B*, A*>

中，重载决议採用的是char Test(A*)方法，因此Conversion<B*,A*>::exists为1。

而在

 Conversion<A*, B*>

中，重载决议採用的是long Test(...)方法，因此Conversion<A*,B*>::exists为0。

3。
元编程中typedef使用方法

在元编程中，typedef主要用来形成编译期的类型数据结构。
最经典的TypeList结构
boost::tuple结构也是基于类似TypeList的结构
Boost的mpl库中还实现了vector map set等数据结构

比方以下的演示样例就实现了一个ClassA=>ClassB=>ClassC的类型链表。

typedef  struct   NULL_TYPE{}   NullType  
  
template<typename T,  typename   U = NullType>   
struct Typelist     
{   
 typedef T Head;  
 typedef U Tail;  
}  
  
typedef  Typelist<ClassA,  Typelist< ClassB, Typelist< ClassC,   NullType>>> mytypelist ;

这个类型链表只唯独类型信息，有什么用呢？

我们能够改造一下，给它添加两个对象，形成一个能够把不同类型元素存到一个链表中的对象链表

template<typename T,  typename   U = NullType>   
struct Typelist     
{   
 typedef T Head;  
 typedef U Tail;  

Head m_head;
Tail  m_tail;
}  

Typelist<ClassA, Typelist <ClassB>> storage;
Storage. m_head = ClassA();
Storage.m_tail.m_head = ClassB();

这样链表就存了ClassA和ClassB的两个实例对象。

以下举一个运用typelist强大威的的实例。

typelist实现简单工厂

非常多时候我们会涉及到对象工厂，这是简单工厂模式的一种，就是依据需求产生不同的类对象。

以下就是一个简单工厂的样例。这样的代码随处可见于各种C++项目。

void * CreateObj(const std::string & strClsName)  
{  
    if (strClsName  == “ClassA")  
    {  
        return new  ClassA();  
    }  
    else if (strClsName  == " ClassB")  
    {  
        return new  ClassB();  
    }  
    else if (strClsName  == " ClassC")  
    {  
        return new  ClassC();  
    }  
}

这就是一个分支结构，假设类型特别多的话，代码就会非常长非常挫。

我们能够用typelist来帮我们生成这种代码。

这是一种高大上的方法

class ClassA
{   
public;
virtual const char*  getClassName(){    return  m_classname;}
static char* m_classname; //每一个类型用一个字符串来表示自己的型别
};
char* ClassA::m_classname = “ClassA”;


class ClassB …
class ClassC …


typedef   
    Typelist<ClassA,   
         Typelist< ClassB,   
            Typelist< ClassC>   
        >  
    >  
  
 mytypelist ; 
template<typename T, typename U>   
struct Typelist     
{   
    typedef T Head;  
    typedef U Tail;    
  
    static void* CreatObj(const char *pName)     
    {   
        if (strcmp(Head::m_classname, pName) == 0 )   
        {   
            return new Head;  //找到相应的类
        }     
        else     
        {   
            return Tail::CreatObj(pName );//这里就是对Typelist进行了递归调用。从而产生了分支代码   
        }   
    }  
};


template<typename T>   
struct Typelist<T, NullType >//特化用以递归结束条件
{   
  
    static void* CreatObj(const char *pName)     
    {   
        if (strcmp(Head::m_classname, pName) == 0 )   
        {   
            return new Head;  
        }     
        else     
        {   
            return NULL;   
        }   
    }  
};


ClassA* pa = (ClassA* )mytypelist:: CreatObj(“ClassA”);
ClassB* pb = (ClassB* )mytypelist:: CreatObj(“ClassB”);
ClassC* pc = (ClassC* )mytypelist:: CreatObj(“ClassC”);

…

这样的方式并没有降低终于生成的汇编指令级的if else的数量。可是它不须要我们写那么多的if else了。通过模板的递归方式，让编译器自己主动为我们生成分支推断。

动态类型创建已经由前面的类工厂实现了，如今我们能够用类似的方面实现动态类型识别

RuntimeClass主要有双方面的功能：
1.动态类型创建
ClassA* pObj = CreateObj(“ClassA”);
2.动态类型识别
pObj ->IsKindOf( ClassA::GetRuntimeClass() ) ;

在MFC中，IsKindOf 方法是通过遍历继承链来确定是否属于某种类型。一看到这样的遍历或循环的方式。我们就能够考虑用模块递归来实现

以下是实现代码。仅仅需利用前面讲到的Conversion模板

template<typename T,   typename   U = NullType>   
struct Typelist     
{   
 typedef T Head;  
 typedef U Tail;  
  
 template<typename SuperClass>  
 static bool IsKindOf(const char *pName)     
 {   
  if (strcmp(Head:: getClassName(), pName) == 0 )   
  {   
   return Conversion<Head*, SuperClass*>::exists;  
  }     
  else     
  {   
   return Tail::IsKindOf<SuperClass>(pName );   
  }   
 }   
}; 

class ClassA;
class ClassB : public Class A;
class ClassC;

ClassA* pa = new  ClassA;
ClassB* pb = new  ClassB;


typedef   Typelist<ClassA, Typelist< ClassB,  Typelist< ClassC>> >  
 mytypelist ;  

printf(“%d, %d, %d,%d”, mytypelist::IsKindOf< ClassA >(pa->getClassName()),mytypelist::IsKindOf< ClassB >(pa->getClassName()),
  mytypelist::IsKindOf< ClassC >(pa->getClassName()),
  mytypelist::IsKindOf< ClassA >(pb->getClassName()));
                                       // 结果是 1,0,0,1

元编程技术非常多。比方还有数值运算等(最简单的1到100累加的样例)，我这里仅仅是挂一漏万。详细能够參考《C++设计模式新思维》。