Effective C++笔记（9）—模板与泛型编程（一）

傷城~ 2022-06-10 23:56 185阅读 0赞

模板内容很丰富，分两次记录吧

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## **条款41：了解隐式接口和编译期多态** ##

对应了显示接口和运行期多态。  
下面一个例子说明：

void func(Widget &w)
 {
 cout<<w.size()<<endl;
 }

`func`参数类型被声明为`Widget`，所以w必须支持Widget接口。而Widget类中包含的接口可以在声明Widget的文件中（Widget.h）找到，因此被称为显示接口。Widget的接口可能是一个虚函数或者纯虚函数（取决于子类是否继承父类的默认版本），在运行期将根据w的动态类型决定究竟调用哪一个版本。

模板编程引入了编译器多态和隐式接口的概念，看下面例子：

template <class T>
 void func(T &t)
 {
 cout << t.size() << endl;
 }

该模板函数要求T必须支持size接口，否则在编译器具现化的时候就会报错，比如说：

template <class T>
 void func(T &t)
 {
 cout << t.size() << endl;
 }
 
 
 class Foo
 {
 
 };
 
 int main()
 {
 
 // int a = 5;
 // func<int>(a);//编译期报错C2228 size的左边需要为class/struct/union类型
 
 // Foo foo;
 // func<Foo>(foo);//编译期报错C2039 size不是Foo的成员
 
 
 string s = "hello";
 func(s);//ok 输出5
 system("pause");
 return 0;
 }

上面的例子可以看出，传入模板实参需要支持模板函数中所支持的隐式接口，否则将在编译期报错。上述例子中除了`string`，还可以是`vector`等STL容器包含size接口，在编译器具现化出不同的func版本，便是所谓的编译期多态。

简单的理解：  
编译器多态：哪一个重载函数该被调用  
运行期多态：哪一个虚函数将被绑定

当然除此之外，隐式接口需要基于有效的表达式，比如上述例子中，如果某个结构体中包含一个接口size()，但返回类型是一个void，那么在编译器也会有问题，因为<<操作符不接受void类型的右操作数（error C2679）

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## **条款42：了解typename的双重意义** ##

在模板声明的时候可以这样：

template <class T> class Widget;
 template <typename T> class Widget;

使用class和typename都是ok的，但是这里要介绍typename另外一个class无法替代的作用。

举个例子：

template <class C>
 void print2nd(const C& container)
 {
 if (container.size() >= 2)
 {
 C::const_iterator iter(container.begin());
 ++iter;
 C::value_type value= *iter;
 cout << value << endl;
 }
 }//打印容器的第二个元素

这里用到了两个嵌套从属类型：  
`C::const_iterator`  
`C::value_type`  
这里可能有歧义，虽然我们知道在STL容器中进行了typedef。但`C::const_iterator`或者`C::value_type`可能是类型C里面的static成员变量，这样就会造成歧义。合法的C++代码应该加上`typename`关键字明确这是一个类型名：

template <class C>
 void print2nd(const C& container)
 {
 if (container.size() >= 2)
 {
 typename C::const_iterator iter(container.begin());
 ++iter;
 typename C::value_type value= *iter;
 cout << value << endl;
 }
 }

在嵌套从属类型名前需要加上typename，除了以下情况：

template<class T>
 class Derived :public Base<T>::Nested{
 //1.不允许出现在Base Class List
 public：
 explicit Derived(int x): Base<T>::Nested(x){}//2.不允许出现在成员初始化列表中。
 {
 typename Base<T>::Nested tmp;//非上述两种情况需要加typename
 }
 };

另外书中给出了最后一个例子，这个例子看过STL源码剖析的应该不陌生：

template <typename iterT>
 void func(iterT iter)
 {
 typename std::iterator_traits<iterT>::value_type t(*iter);
 }

这里用迭代器萃取器获得迭代器所指对象的类型，做为临时变量`t`的类型。  
结合书中的两个例子，上述print2nd也可以这样写：

template <class C>
 void print2nd(const C& container)
 {
 if (container.size() >= 2)
 {
 typename C::const_iterator iter(container.begin());
 ++iter;
 typedef typename C::const_iterator const_iterator;
 typedef typename std::iterator_traits<const_iterator>::value_type value_type;
 value_type value(*iter);
 cout << value << endl;
 }
 }

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## **条款43：学习处理模板化基类的名称** ##

先来看书上的例子：

class CompanyA
 {
 public:
 void sendCleartext(const string&msg)
 {
 cout << "A::sendCleartext" << endl << msg << endl;
 }
 void sendEncrypted(const string&msg)
 {
 cout << "A::sendEncrypted" << endl << msg << endl;
 }
 };
 
 class CompanyB
 {
 public:
 void sendCleartext(const string&msg)
 {
 cout << "B::sendCleartext" << endl << msg << endl;
 }
 void sendEncrypted(const string&msg)
 {
 cout << "B::sendEncrypted" << endl << msg << endl;
 }
 };
 template <class Company>
 class MsgSender
 {
 public:
 void sendClear(const string &msg)
 {
 Company c;
 c.sendCleartext(msg);
 }
 };
 
 int main()
 {
 //CompanyA a;
 MsgSender<CompanyA> sa;
 sa.sendClear("zhangxiao");//调用A的版本
 MsgSender<CompanyB> sb;
 sb.sendClear("zhangxiao2");//调用B的版本
 system("pause");
 return 0;
 }

这是template的解法，当然完全可以用一个Company接口类，然后A和B分别继承这个抽象类，然后在实现虚方法。  
不过本条款要说的核心是，模板基类的问题：

class CompanyZ
 {
 public:
 void sendEncrypted(const string&msg)
 {
 cout << "Z::sendEncrypted" << endl << msg << endl;
 }
 };
 template <>
 class MsgSender < CompanyZ >
 {
 public:
 void sendClear(const string &msg)
 {
 CompanyZ cz;
 cz.sendCleartext(msg);
 }
 };
 
 template <class Company>
 class LoggingMsgSender :public MsgSender<Company>
 {
 public:
 void sendClearMsg(const string &msg)
 {
 //在vs2013并没有出现作者说的编译错误问题！！
 sendClear(msg);
 }
 };
 
 int main()
 {
 LoggingMsgSender<CompanyA> lms;
 lms.sendClearMsg("zhangxiao");
 system("pause");
 return 0;
 }

在之前的基础上，加入了一个CompanyZ的特化版本，并用一个派生类继承了MsgSender。

**在vs2013并没有出现作者说的编译错误问题！！**

不过可能这是编译器相关，我并没有在gcc下尝试编译，不过作者用了一个词语：**对严守规律的编译器而言，无法通过**

**作者在书中提到，在LoggingMsgSender具现化之前，并不能知道它继承的东西是何物，也就是不知道`class MsgSender<Company>`看起来像什么，就更不用说知道有个`sendClear`函数了**

更加严谨的做法有三种：

//1.
 template <class Company>
 class LoggingMsgSender :public MsgSender<Company>
 {
 public:
 void sendClearMsg(const string &msg)
 {
 this->sendClear(msg);
 }
 };
 //2.
 template <class Company>
 class LoggingMsgSender :public MsgSender<Company>
 {
 public:
 using MsgSender<Company>::sendClear;
 void sendClearMsg(const string &msg)
 {
 sendClear(msg);
 }
 };
 //3.
 template <class Company>
 class LoggingMsgSender :public MsgSender<Company>
 {
 public:
 void sendClearMsg(const string &msg)
 {
 MsgSender<Company>::sendClear(msg);
 }
 };

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## **条款44：将参数无关的代码抽离template** ##

两个函数都要调用相同的代码，我们会把相同的的代码放到一个函数中。  
两个类中的某些代码重复，你会把共同的部分放到一个新class里面去，然后使用继承、复合等手段重复利用。

编写模板时，我们也希望达到相同的效果，但这并不容易，因为在具现化之前，我们需要预测一下哪些部分是重复的。先看书中的例子：

template <class T,std::size_t n>
 class SquareMatrix{
 public:
 void invert()
 {
 cout << "invert" << " " << n << endl;
 }
 };
 int main()
 {
 SquareMatrix<int, 5>m1;
 SquareMatrix<int, 10>m2;
 m1.invert();// invert 5
 m2.invert();//invert 10
 system("pause");
 return 0;
 }

上述代码通过**`非类型参数`**将模板类具象化出两个版本的`invert`分别表示计算5×5和10×10的方阵的逆矩阵。

这样template就造成了代码膨胀了，对其进行第一次修改：

template <class T>
 class SquareMatrixBase{
 protected:
 void invert(std::size_t n)
 {
 cout << "invert" << " " << n << endl;
 }
 };
 template<class T,std::size_t n>
 class SquareMatrix :private SquareMatrixBase < T >
 {
 public:
 void invert()
 {
 SquareMatrixBase<T>::invert(n);
 }
 };
 
 int main()
 {
 SquareMatrix<int, 5>m1;
 SquareMatrix<int, 10>m2;
 m1.invert();// invert 5
 m2.invert();//invert 10
 system("pause");
 return 0;
 }

这样不同尺寸大小的矩阵只有一个版本的Invert。用一个模板基类去做处理，最后书中给出了这个例子的终极版本，就是解决如何将矩阵数据传给基类：  
书中用了`boost::scoped_array`这是一个管理动态数组的智能指针，我的VS下面没有装boost，就用`shared_ptr/unique_ptr`来代替了([https://stackoverflow.com/questions/8624146/does-c11-have-wrappers-for-dynamically-allocated-arrays-like-boosts-scoped-ar][https_stackoverflow.com_questions_8624146_does-c11-have-wrappers-for-dynamically-allocated-arrays-like-boosts-scoped-ar])。

template <class T>
 class SquareMatrixBase{
 protected:
 SquareMatrixBase(size_t n_, T* p) :size(n_), pData(p){}//构造函数
 void setDataPtr(T* p){ pData = p; }//set 函数
 void invert()
 {
 cout << "invert" << " " << size << endl;
 for (size_t i = 0; i < size*size; ++i)
 cout << pData[i] << endl;
 }
 private:
 std::size_t size;
 T* pData;
 };
 template<class T,std::size_t n>
 class SquareMatrix :private SquareMatrixBase < T >
 {
 public:
 SquareMatrix() :SquareMatrixBase<T>(n, 0),
 //pData(new T[n*n]{}, std::default_delete<T[]>())//shared_ptr需要deleter
 pData(new T[n*n]{})
 {
 SquareMatrixBase<T>::setDataPtr(pData.get());//传给base
 }
 void invert()
 {
 SquareMatrixBase<T>::invert();
 }
 void SetData(T t[])
 {
 pData.reset(t);
 SquareMatrixBase<T>::setDataPtr(pData.get());//传给base
 }
 private:
 //shared_ptr<T>pData;//shared_ptr这里除了需要指定deleter它不重载[]
 unique_ptr<T[]>pData;
 };
 
 int main()
 {
 #if 1
 SquareMatrix<int, 3>m1;
 int *array1 = new int[3 * 3];
 for (int i = 0; i < 9; ++i)
 {
 array1[i] = i + 1;
 }
 m1.SetData(array1);
 m1.invert();// 
 #endif
 
 system("pause");
 return 0;
 }

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## **条款45：运用成员函数模板接受所有兼容类型** ##

智能指针方便我们管理内存，原始指针方便做隐式转换，本条款通过实现智能指针的例子来讲述：

class A{};
 class B : public A{};
 template <class T>
 class SmartPtr{
 public:
 explicit SmartPtr(T* t){}
 };
 int main()
 {
 A *pa= new B;//ok
 SmartPtr<A>pt1 = SmartPtr(new B);//error
 delete pa;
 system("pause");
 return 0;
 }

我们希望智能指针也能做到类之间的隐式转换，事实上，`shared_ptr`已经实现，不过我们就是要学习如何实现：

shared_ptr<A>pt1 = shared_ptr(new B);//ok
 pt1->func();//b::func

这里，我们需要为`SmartPtr`的构造函数写一个构造模板。即成员模板（member template）

template <class T>
 class SmartPtr{
 public:
 template <class U>
 SmartPtr(const SmartPtr&other);
 };

以上代码的意思是，对任何类型T和任何类型U，这里可以根据SmartPtr生成SmartPtr只要U到T之间存在隐式转换关系。

**1.成员函数模板表示泛化的模式，表示生成“可接受所有兼容类型”的函数**  
**2.如果声明了泛化的拷贝构造函数和赋值操作符，那么也要声明正常的拷贝构造函数和赋值运算符**

基于上述两点约束，根据书中的例子，实现一个简单的智能指针。

class A{
 public:
 virtual void func(){ cout << "a::func" << endl; }
 virtual ~A(){}
 };
 class B : public A{
 public:
 virtual void func(){ cout << "b::func" << endl; }
 };
 
 
 //
 template <class T>
 class SmartPtr{
 public:
 //返回use_count
 int *use_count()const
 {
 return count;
 }
 //返回原始对象的指针
 T*get()const
 {
 return heldPtr;
 }
 //析构函数
 ~SmartPtr()
 {
 if (--(*count) == 0)
 {
 delete count;
 delete heldPtr;
 count = nullptr;
 heldPtr = nullptr;
 }
 }//
 
 //默认构造函数
 SmartPtr() :count(nullptr), heldPtr(nullptr)
 {
 }
 //使用内置指针初始化的构造函数
 template <class U>
 explicit SmartPtr(U * pu) : heldPtr(pu)
 {
 count = new int(1);
 }
 
 //泛化拷贝构造函数
 template <class U>
 SmartPtr(SmartPtr&other) :count(other.use_count()),heldPtr(other.get())
 {
 ++(*count);
 }
 //拷贝构造函数
 SmartPtr(SmartPtr&other) :count(other.use_count()), heldPtr(other.get())
 {
 ++(*count);
 }
 //泛化赋值符号重载
 template<class U>
 SmartPtr &operator=(const SmartPtr&other)
 {
 ++(*other.use_count());
 if ((count != nullptr) && (--(*count) == 0))
 {
 delete heldPtr;
 delete count;
 }
 heldPtr = other.get();
 count = other.use_count();
 return *this;
 }
 
 //赋值符号重载
 SmartPtr &operator=(const SmartPtr&other) 
 {
 ++(*other.use_count());
 if ((count!=nullptr)&&(--(*count) == 0))
 {
 delete heldPtr;
 delete count;
 }
 heldPtr = other.get();
 count = other.use_count();
 return *this;
 }
 
 //->重载 作用类似于get()
 T* operator->()const
 {
 return heldPtr;
 }
 private:
 int* count;
 T* heldPtr;
 };
 
 
 int main()
 {
 A *pa = new B;//ok
 //B*pb = new B;
 SmartPtr<A>global;
 {
 SmartPtrpb(new B);
 SmartPtr<A>pt1 = SmartPtr(new B);//copy构造函数
 global = pt1;//赋值函数
 global = pb;
 global->func();//
 SmartPtr<A>pt2 = pt1;
 pt1->func();
 }
 delete pa;
 
 system("pause");
 return 0;
 }

[https_stackoverflow.com_questions_8624146_does-c11-have-wrappers-for-dynamically-allocated-arrays-like-boosts-scoped-ar]: https://stackoverflow.com/questions/8624146/does-c11-have-wrappers-for-dynamically-allocated-arrays-like-boosts-scoped-ar