C++ 模板应用浅析

2022-09-27 07:19:01

我不打算更深入地学习C++了，想最后把以前写的C++模板的应用心得发表出来。回想起当时在学习C++模板时的无助和恐惧，现在还心有余悸，其实我现在都还是一样地的有畏惧，当看到模板套模板，不停地typedef，这样的变态代码的时候，就觉得很扯蛋，编程不是让人快乐的吗？这样痛苦是为了什么，写这样难看的东西是为了什么。有更好的动态语言为什么不用？我也想不明白，我也不想争论哪个语言更好。但我分享出来我的心得，只希望别人少走弯路，模板就是特别装逼的，其实就这么几种用法，没啥。

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，就可以在看其它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，最常见的就是此类用法，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容易理解的一种使用场景，我觉得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：相同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，不同的子类对于相同的虚函数调用表现出不同的行为，但调用者丝毫不关心具体的实现，它只对于虚接口进行调用完事。这种多态就是运行时的多态。因为它是在运行时才知道最终调用到哪个子类函数上。

与运行时多态相对，另有一种多态形式是借助于模板实现的，模板允许我们使用单一的泛型标记，来关联不同的特定行为：但这种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 。
请看下方的示例。

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。另一个调用者CFunInvoker需要调用这两个类的fun函数。上面这个例子，A1和A2并没有什么关联，它们只需要提供一个名为fun参数为空的函数就可以被调用了。而调用者CFunInvoker对于被调用者的要求也就是有这样一个函数就行。仅仅能过约定好函数名和参数的方式就可以实现对A1，A2，CFunInvoker  几乎完全的解耦。



如果用动多态实现的话，那就需要A1和A2继承自同一个含有虚接口fun的父类（比如这个父类叫CFunBase）。并且对于CFunInvoker来说，它需要定义一个这样的父类指针（CFunBase*），并对其进行调用。这个时候，A1和A2就不那么*了，任何对CFunBase的修改都会影响到A1和A2的功能。这样A1，A2，CFunInvoker的耦合性变高了，它们需要的是一个类来实现关联。




因此，静多态的好处就是：静多态不需要实现多态的类型有公共的基类，因为它可以一定程度上的解耦，但是它仍然需要模板类与模板参数之间有一些协议(这里协议就比如上面的例子中需要名为fun参数为空的函数)。




但如果有些模板参数类型不满足这些协义，怎么办？比如我想调用CFunInvoker<int>::invoke但int类型又提供不了一个名为fun参数为空的函数。


因此我们引入静多态的另一个用处：Traits(粹取)


比如下面这个Host类需要模板参数类型提供一个叫dosomething的方法，所以Host<A>是可以编译通过，但Host<int>是编译不过的


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为了解决这个问题，我们增加一个Traits类，它一定会对外提供一个dosomething的方法。对于普通类型，它就转发这个方法，于对int型，它作了特化，实现了一个空的dosomething的方法。因此无论是Host<Traits<A>> 还是Host<Traits<int>>，都可以通过编译




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STL中大量运用了traits。比如我们常见的string类型，别以为它只能处理字符串，它可以处理任何类型，你甚至可以用它来处理二进制的buffer(binaryarray)。


比如我们可以修改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


模板类的很多应用在于它能针对不同的模板参数生成不同的类。这使得我们可以通过模板类将函数指针以及它的参数类型记录下来，在需要的时候再对函数进行调用。


基于函数转发的应用有很多


    

  • boost::function
    • 

  • boost::signal slot
    • 

  • 模板实现的C++委托
    • 

  • 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，都可以应用函数转发





下面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);

上面的例子把函数testfun的函数指针，以及它的函数签名int (int)作为模板参数保存在了f1这个对象中。在需要的时候，就可以用f1对这个函数进行调用。






下面的例子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);








上面的例子把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)
作为模板参数保存在了f这个对象中。在需要的时候，就可以用f对这个对象的这个成员函数函数进行调用。



调用的方式很简单




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，最终上调用者与CA类型隔离，实现了解耦。



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不过函数转发的这种封装使会使得调用效率降低，如何让封装后的调用像普通函数调用一样快，请参考我发的另一篇学习心得


高效C++委托的原理




4.元编程


许多书介绍元编程是这样说的：Metaprogram:a program about a program。就是“一个关于另一个程序的程序”。这方面介绍很多。从一个示例入手：一段从1累加到100的程序



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主模板有一个整形的参数N， 主模板中的枚举值value取值会取得模板参数为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。这个值不是在运行时候计算机算的，而是在编译时编译器已经算好了。这么长的C++代码最终编译出来的结果就和只写一句




prinft("%d",5050);



产生的汇编指令是一样的。





从这个小例子可以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执行。







在编译期我们可以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。元编程中特化用法


一般用特化实现条件的判断。

包括普通if的判断

循环条件终结判断

。。。。。




下面是一个例子




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




上面这个例子可以用来判断一个类型是不是void类型







2。元编程中函数重载决议用法

下面这个例子来自于《C++设计模式新思维》


用来判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
 


上面的例子通过重载决议和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，重载决议采用的是char Test(A*)方法，因此Conversion<B*,A*>::exists为1。





而在




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







3。元编程中typedef用法

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







比如下面的示例就实现了一个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 ; 




这个类型链表仅仅只有类型信息，有什么用呢？


我们可以改造一下，给它增加两个对象，形成一个可以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。





下面举一个运用typelist强大威的的实例。






typelist实现简单工厂




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


下面就是一个简单工厂的例子，这种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，如果类型特别多的话，代码就会很长很挫。


我们可以用typelist来帮我们生成这样的代码。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;  //找到对应的类
        }     
        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”);

…







这种方式并没有减少最终生成的汇编指令级的if else的数量，但是它不需要我们写那么多的if else了。通过模板的递归方式，让编译器自动为我们生成分支判断。





动态类型创建已经由前面的类工厂实现了，现在我们可以用类似的方面实现动态类型识别


RuntimeClass主要有两方面的功能：

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。一看到这种遍历或循环的方式，我们就可以考虑用模块递归来实现





下面是实现代码。只需利用前面讲到的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








元编程技术很多，比如还有数值运算等(最简单的1到100累加的例子)，我这里只是挂一漏万，具体可以参考《C++设计模式新思维》。







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