c++11-17 模板核心知识（一）—— 函数模板

• 1.1 定义函数模板
• 1.2 使用函数模板
• 1.3 两阶段翻译 Two-Phase Translation
  • 1.3.1 模板的编译和链接问题
• 1.4 多模板参数
  • 1.4.1 引入额外模板参数作为返回值类型
  • 1.4.2 让编译器自己找出返回值类型
  • 1.4.3 将返回值声明为两个模板参数的公共类型
• 1.5 默认模板参数
• 1.6 重载函数模板
  • 1.6.1 重载时最好不要随便改变模板参数个数，最好可以显示的指定模板参数类型
  • 1.6.2 确保所有被重载的函数模板在使用时已经被声明定义

1.1 定义函数模板

template<typename T>
T max(T a,T b) {
  return b < a ? a : b;
}

1.2 使用函数模板

  std::cout << max(7,42) << std::endl;

  std::cout << max(1.1,2.2) << std::endl;
  
  std::cout << max("math","mathematics") << std::endl;

模板不是被编译成可以处理任何类型的单个函数。相反，编译器会针对每一个使用该模板的类型生成对应的函数。例如，max(7,42)的调用在语义上相当于调用了：

int max(int a,int b) {
  return b < a ? a : b;
}

double、string同理。

将模板参数替换成具体参数类型的过程叫做instantiation，这个过程会产生一个instance of template。

1.3 两阶段翻译 Two-Phase Translation

如果某一特定参数类型不支持模板内的操作，那么编译阶段会报错，例如：

std::complex<float> c1,c2;        //不支持 max中的 < 操作，编译阶段会报错
...
max(c1,c2);

模板会分成两个阶段进行”编译“：

1. 在不进行模板instantiation的definition time阶段，此时会忽略模板参数，检查如下方面：
   • 语法错误，包括缺失分号。
   • 使用未定义参数。
   • 如果static assertion不依赖模板参数，会检查是否通过static assertion.
2. 在instantiation阶段，会再次检查模板里所有代码的正确性，尤其是那些依赖模板参数的部分。

例如：

template<typename T>
void foo(T t) {
  undeclared();         // first-phase compile-time error if undeclared() unknown

  undeclared(t);       // second-phase compile-time error if undeclared(T) unknown

  static_assert(sizeof(int) > 10,"int too small");      // first-phase compile-time error

  static_assert(sizeof(T) > 10, "T too small");        // second-phase compile-time error

}

1.3.1 模板的编译和链接问题

大多数人会按照如下方式组织非模板代码：

• 将类或者其他类型声明放在头文件(.hpp、.H、.h、.hh、.hxx)中。
• 将函数定义等放到一个单独的编译单元文件中(.cpp、.C、.c、.cc、.cxx)。

但是这种组织方式在包含模板的代码中却行不通，例如：
头文件：

// myfirst.hpp
#ifndef MYFIRST_HPP
#define MYFIRST_HPP
// declaration of template
template<typename T>
void printTypeof (T const&);
#endif // MYFIRST_HPP

定义函数模板的文件：

// myfirst.cpp
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include "myfirst.hpp"
// implementation/definition of template
template<typename T>
void printTypeof (T const& x) {
  std::cout << typeid(x).name() << '
';
}

在另一个文件中使用该模板：

// myfirstmain.cpp
#include "myfirst.hpp"
// use of the template
int main() {
  double ice = 3.0;
  printTypeof(ice); // call function template for type double
}

在c/c++中，当编译阶段发现一个符号(printTypeof)没有定义只有声明时，编译器会假设它的定义在其他文件中，所以编译器会留一个”坑“给链接器linker，让它去填充真正的符号地址。

但是上面说过，模板是比较特殊的，需要在编译阶段进行instantiation，即需要进行模板参数类型推断，实例化模板，当然也就需要知道函数的定义。但是由于上面两个cpp文件都是单独的编译单元文件，所以当编译器编译myfirstmain.cpp时，它没有找到模板的定义，自然也就没有instantiation。

解决办法就是我们把模板的声明和定义都放在一个头文件。大家可以看一下自己环境下的vector等STL源文件，就是把类的声明和定义都放在了一个文件中。

1.4 多模板参数

template<typename T1, typename T2>
T1 max (T1 a, T2 b) {
    return b < a ? a : b;
}
...
auto m = max(4, 7.2);       // 注意：返回类型是第一个模板参数T1 的类型

但是问题正如注释中说的，max的返回值类型总是T1。如果我们调用max(42, 66.66)，返回值则是66。

一般有三个方法解决这个问题：

• 引入额外模板参数作为返回值类型
• 让编译器自己找出返回值类型
• 将返回值声明为两个模板参数的公共类型，比如int和float，公共类型就是float

1.4.1 引入额外模板参数作为返回值类型

在函数模板的参数类型推导过程中，一般我们不用显式指定模板参数类型。但是当模板参数不能根据传递的参数推导出来时，我们就需要显式的指定模板参数类型。

template<typename T1, typename T2, typename RT>
RT max(T1 a, T2 b);

RT是不能根据函数的参数列表推导出来的，所以我们需要显式的指定：

max<int, double, double>(4, 7.2);

或者我们改变模板参数列表顺序，这种情况只需显式的指定一个参数类型即可：

template<typename RT typename T1, typename T2>      //RT变为第一个模板参数
RT max(T1 a, T2 b);   
...
max<double>(4, 7.2);

1.4.2 让编译器自己找出返回值类型

在C++11中，我们可以利用auto和trailing return type来让编译器找出返回值类型：

template <typename T1, typename T2>
auto max(T1 a, T2 b) -> decltype(b < a ? a : b) {
  return b < a ? a : b;
}

decltype后面的文章会讲到，这里只需知道它可以获取到表达式的类型。

我们可以写的更简单点：

template <typename T1, typename T2>
auto max(T1 a, T2 b) -> decltype(true ? a : b) {      // true ? a : b
  return b < a ? a : b;
}

关于?:返回值规则可以参考这个：Conditional Operator: ? :

看到true ? a : b不要奇怪为什么是true，这里的重点不是计算返回值，而是得到返回值类型。

在C++14中，我们可以省略trailing return type：

template<typename T1, typename T2>
auto max (T1 a, T2 b) {
    return b < a ? a : b;
}

1.4.3 将返回值声明为两个模板参数的公共类型

c++11新特性std::common_type可以产生几个不同类型的共同类型，其实核心意思跟上面说的差不多：

template <typename T1, typename T2>
typename std::common_type<T1, T2>::type max(T1 a, T2 b) {
  return b < a ? a : b;
}

在c++14中，可以更简单的写：

template <typename T1, typename T2>
std::common_type_t<T1, T2> max(T1 a, T2 b) {     
  return b < a ? a : b;
}

这里使用_t后缀让我们不用写typename和::type。类似的还有_v，这个在c++14的type traits里很常见。

1.5 默认模板参数

这个很像函数的默认参数，直接看例子：

template <typename T1, typename T2, typename RT = std::common_type_t<T1, T2>>
RT max(T1 a, T2 b) {
  return b < a ? a : b;
}

auto a = max(4, 7.2);
auto b = max<double,int,long double>(7.2, 4);

正如第二个用法，如果我们想显示的指明RT的类型，必须显示的指出全部三个参数类型。但是与函数默认参数不同的是，我们可以将默认参数放到第一个位置：

template <typename RT = long, typename T1, typename T2> 
RT max(T1 a, T2 b) {
  return b < a ? a : b;
}

int i;
long l;
…
max(i, l);                     // 返回值类型是long (RT 的默认值)
max<int>(4, 42);      //返回int，因为其被显式指定

1.6 重载函数模板

这个跟普通函数重载也类似：

// maximum of two int values:
int max(int a, int b) { 
  return b < a ? a : b; 
}

// maximum of two values of any type:
template <typename T> 
T max(T a, T b) { 
  return b < a ? a : b; 
}

int main() {
  max(7, 42);         // calls the nontemplate for two ints
  max(7.0, 42.0);     // calls max<double> (by argument deduction)
  max('a', 'b');      // calls max<char> (by argument deduction)
  max<>(7, 42);       // calls max<int> (by argument deduction)
  max<double>(7, 42); // calls max<double> (no argument deduction)
  max('a', 42.7);     // calls the nontemplate for two ints
}

这里需要解释下最后一个max('a', 42.7)。因为在模板参数类型推导过程中不允许类型自动转换，但是调用普通函数是允许的，所以这个会调用非模板函数。

ps. 由于函数模板重载，所以函数模板并不像类模板一样可以进行偏特化。

还有两点关于重载的基本原则需要了解一下:

1.6.1 重载时最好不要随便改变模板参数个数，最好可以显示的指定模板参数类型

下面是段有问题的代码：

// maximum of two values of any type (call-by-reference)
template <typename T> T const &max(T const &a, T const &b) {
  return b < a ? a : b;
}

// maximum of two C-strings (call-by-value)
char const *max(char const *a, char const *b) {
  return std::strcmp(b, a) < 0 ? a : b;
}

// maximum of three values of any type (call-by-reference)
template <typename T> T const &max(T const &a, T const &b, T const &c) {
  return max(max(a, b), c);           // error if max(a,b) uses call-by-value
}

int main() {
  auto m1 = max(7, 42, 68);         // OK

  char const *s1 = "frederic";
  char const *s2 = "anica";
  char const *s3 = "lucas";
  auto m2 = max(s1, s2, s3);         // run-time ERROR
}

问题出现在return max (max(a,b), c);，因为char const *max(char const *a, char const *b)的参数是按值传递，max(a,b)会产生一个指向已经销毁的栈帧地址，这会导致未定义行为。

1.6.2 确保所有被重载的函数模板在使用时已经被声明定义

// maximum of two values of any type:
template <typename T> 
T max(T a, T b) {
  std::cout << "max<T>()
";
  return b < a ? a : b;
}

// maximum of three values of any type:
template <typename T> 
T max(T a, T b, T c) {
  return max(max(a, b), c); 
}

// maximum of two int values:
int max(int a, int b) {
  std::cout << "max(int,int) 
";
  return b < a ? a : b;
}

int main() {
  max(47, 11, 33);    // max<T>()
}

这点很好理解。

（完）

朋友们可以关注下我的公众号，获得最及时的更新：