我们或许会经常听到“模板元编程”这样的说法，又或者会将它们同泛型编程混为一谈。但严谨地说，它们是相对独立的三个概念：

  • C++ 模板（Template）：是 C++ 提供的语法机制，允许在编译时生成代码（此过程即为实例化）
  • 泛型编程（Generic Programming）：是一种编程范式，目的是将代码与特定的数据类型解耦
  • 元编程（Metaprogramming）：是一种在编译阶段执行计算的技术。模板是实现这一技术的手段，不过引入 constexpr 后，后者才是更加现代化的选择

我们学习的重点是 C++ 模板本身。

 

1. 函数模板

1. 定义与范式

在 C++ 标准中，函数模板是一个抽象的函数声明，它定义了一族函数的生成规则。

其基本范式为由关键字 template 引导，后续 <> 包围的模板参数列表：

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template<typename T1, typename T2, ...>
return_type function_name(parameter_list){}

typename 是模板参数的占位符，也可以使用 class。

二者在大部分场景是等价的，但 typename 具有更明确的语义。此外，只有 typename 可以定义嵌套从属名称，而 class 不行，即：

当模板中的某个名称依赖于模板参数，并且想要将其当作一个类型时，必须在它前面加上 typename。否则，编译器编译器会默认把它当作一个变量或静态成员，从而导致编译错误

依赖名称是指名称的含义依赖于模板参数，如：T::foo，T 是模板参数。但是 foo 具体是什么呢（类型、变量，枚举值）？编译器在编译阶段无法确定，只有使用具体类型替换模板参数进行模板实例化时，才能知道依赖名称的真实含义。

在默认情况下，依赖名称被当作非类型（变量/静态成员），如果想让它被解释为类型，就必须显式使用 typename 关键字：

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template <typename Container>
void printFirst(const Container& c) 
{
	// Container::value_type* ptr;   // 错误：编译器以为 Container::value_type 是一个变量
	typename Container::value_type* ptr;
}

下面是一个函数模板示例，返回两个对象中较大那个：

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

例如，当我们调用 max(1, 2) 时，编译器首先进行类型推导（此处推导 T 为 int），然后实例化出 int 版本的 max 函数。此处的返回值的类型也是 T，这要求 T 还需要是可复制或可移动的，才可以作为返回值类型返回。

C++17 之前，类型 T 必须是可复制或移动才能传递参数。C++17 以后，即使复制构造函数和移动构造函数都无效，因为 C++17 强制的复制消除，也可以传递临时纯右值。

所谓复制消除简单来说，在 C++17 之前，即使编译器非常聪明（使用了 RVO，即返回值优化），它在语义检查上仍然比较死板，例如：

  • 当编译器遇到 T x = T() 时，会认为发生了两步：创建一个临时的 T 对象；调用复制/移动构造函数将其搬运给 x
  • 哪怕编译器想要优化这个搬运过程，C++ 标准也要求 T 必须具备可用的复制或移动构造函数。如果这二者被 delete 了，代码就无法通过编译

而 C++17 之后，对纯右值(prvalue) 进行了重新定义，prvalue 不再是一个临时对象，而是一个初始化操作(initializer)。T x = T() 不再被视为创建后搬运，二十直接在 x 的内存上执行 T 的构造函数。因为根本没有发生复制或移动的操作，所以编译器完全不需要检查复制或移动构造函数是否存在。

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#include <iostream>

struct CantMove 
{
   CantMove() { std::cout << "Constructed\n"; }
   CantMove(const CantMove&) = delete;
   CantMove(CantMove&&) = delete;
};

CantMove makeCantMove() 
{
   // 返回一个纯右值 (prvalue)
   return CantMove(); 
}

int main() 
{
   // C++17 以前：编译错误（即便有 RVO）
   // C++17 以后：编译通过，直接在 obj 的位置构造
   CantMove obj = makeCantMove();
}

 

2. 实例化

模板并不是真正的函数或类，而是定义了一族函数或类的生成规则。编译器不会为模板本身生成机器码，只有指定了具体的类型，它才会生成真正的代码，这个过程称之为实例化

根据使用模板方式的不同，实例化的触发时机也会不同：

  • 隐式实例化（Implicit Instantiation）

    在编译当前翻译单元时，如果遇到一个尚未实例化的调用，且该调用需要函数定义（不仅仅是声明），编译器就会按需生成代码

    该过程以翻译单元为单位，同一模板可能在多个翻译单元中被相同的模板参数隐式实例化。虽然链接器会丢弃重复实例化的代码，但每个翻译单元都要单独编译一次，增加了整体的编译时间

  • 显式实例化 (Explicit Instantiation)

    显式实例化分为两种形式：显式实例化声明和显式实例化定义。

    编译器在遇到显式实例化定义语句时会立刻生成需要的代码，如：

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    template int max<int>(int, int);

    该翻译单元编译后就有了该实例的强符号定义。

    显式实例化声明使用 extern template 来声明一个在某处已经有过显式实例化定义的模板，阻止本翻译单元对它进行隐式实例化，如：

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    extern int max<int>(int, int);

将常用实例集中在少数翻译单元中显式定义，其他翻译单元只需要声明即可避免重复实例化，整体减少编译时间。

 

3. 模板参数推导

Reference