《C++ Templates中文版》——2.1 初探函数模板

本节书摘来自异步社区出版社《c++ templates中文版》一书中的第2章，第2.1节，作者： 【美】david vandevoorde , 【德】nicolai m. josuttis，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

函数模板提供了一种函数行为，该函数行为可以用多种不同的类型进行调用；也就是说，函数模板代表一个函数家族。它的表示（即外形）看起来和普通的函数很相似，唯一的区别就是有些函数元素是未确定的：这些元素将在使用时被参数化。为了阐明这些概念，让我们先来看一个简单的例子。

2.1.1 定义模板

下面就是一个返回两个值中最大者的函数模板：

这个模板定义指定了一个“返回两个值中最大者”的函数家族，这两个值是通过函数参数a和b传递给该函数模板的；而参数的类型还没确定，用模板参数t来代替。如例子中所示，模板参数必须用如下形式的语法来声明：

在我们这个例子里，参数列表是typename t。可以看到：我们用小于号和大于号来组成参数列表外部的一对括号，并把它们称作尖括号。关键字typename引入了所谓的类型参数t，到目前为止它是c++程序使用最广泛的模板参数；也可以用其他的一些模板参数，我们将在后面介绍（见第4章）。

在上面程序中，类型参数是t。你可以使用任何标识符作为类型参数的名称，但使用t已经成为了一种惯例。事实上，类型参数t表示的是，调用者调用这个函数时所指定的任意类型。你可以使用任何类型（基本类型、类等）来实例化该类型参数，只要所用类型提供模板使用的操作就可以。例如，在这里的例子中，类型t需要支持operator< ，因为a和b就是使用这个运算符来比较大小的。

鉴于历史的原因，你可能还会使用class取代typename，来定义类型参数。在c++语言的演化过程中，关键字typename的出现相对较晚一些；在它之前，关键字class是引入类型参数的唯一方式，并一直作为有效方式保留下来。因此，模板max()还可以有如下的等价定义：

从语义上讲，这里的class和typename是等价的。因此，即使在这里使用了class，你也可以用任何类型（前提是该类型提供模板使用的操作）来实例化模板参数。然而，class的这种用法往往会给人误导（这里的class并不意味着只有类才能被用来替代t，事实上基本类型也可以）；因此对于引入类型参数的这种用法，你应该尽量使用typename。另外还应该注意，这种用法和类的类型声明不同，也就是说，在声明（引入）类型参数的时候，不能用关键字struct代替typename。

2.1.2 使用模板

下面的程序展示了如何使用max()函数模板：

在上面的程序里，max()被调用了3次，调用实参每次都不相同：一次用两个int，一个用两个double，一次用两个std::string。每一次都计算出两个实参的最大值，而调用结果是产生如下的程序输出：

可以看到：max()模板每次调用的前面都有域限定符 :: ，这是为了确认我们调用的是全局名字空间中的max()。因为标准库也有一个std::max()模板，在某些情况下也可以被使用，因此有时还会产生二义性[1]。

通常而言，并不是把模板编译成一个可以处理任何类型的单一实体；而是对于实例化模板参数的每种类型，都从模板产生出一个不同的实体[2]。因此，针对3种类型中的每一种，max()都被编译了一次。例如，max()的第一次调用：

使用了以int作为模板参数t的函数模板。因此，它具有调用如下代码的语义：

这种用具体类型代替模板参数的过程叫做实例化（instantiation）。它产生了一个模板的实例。遗憾的是，在面向对象的程序设计中，实例和实例化这两个概念通常会被用于不同的场合——但都是针对一个类的具体对象。然而，由于本书叙述的是关于模板的内容，所以在未做特别指定的情况下，我们所说的实例指的是模板的实例。

可以看到：只要使用函数模板，（编译器）会自动地引发这样一个实例化过程，因此程序员并不需要额外地请求模板的实例化。

类似地，max()的其他调用也将为double和std::string实例化max模板，就像具有如下单独的声明和实现一样：

如果试图基于一个不支持模板内部所使用操作的类型实例化一个模板，那么将会导致一个编译期错误，例如：

于是，我们可以得出一个结论：模板被编译了两次，分别发生在

1．实例化之前，先检查模板代码本身，查看语法是否正确；在这里会发现错误的语法，如遗漏分号等。

2．在实例化期间，检查模板代码，查看是否所有的调用都有效。在这里会发现无效的调用，如该实例化类型不支持某些函数调用等。

这给实际中的模板处理带来了一个很重要的问题：当使用函数模板，并且引发模板实例化的时候，编译器（在某时刻）需要查看模板的定义。这就不同于普通函数中编译和链接之间的区别，因为对于普通函数而言，只要有该函数的声明（即不需要定义），就可以顺利通过编译。我们将在第6章讨论这个问题的处理方法。在此，让我们只考虑最简单的例子：通过使用内联函数，只在头文件内部实现每个模板。