目錄

• 1.1 初窺函式模板 A First Look at Function Templates
  • 1.1.1 定義模板 Defining the Template
  • 1.1.2 使用模板 Using the Template
  • 1.1.3 二階段翻譯（二次翻譯） Two-Phase Translation

1.1 初窺函式模板 A First Look at Function Templates

函式模板提供了一種針對不同型別的可以被呼叫的函式行為，換句話說，一個函式模板代表一系列的函式。函式模板和普通函式很像，除了函式的一部分元素有待確定：這些元素是引數化的（parameterized）。為了方便描述，首先看一個簡單的例子。

1.1.1 定義模板 Defining the Template

以下是一個返回兩個值中最大值的函式模板：

// basics/max1.hpp
template <typename T>
T max(T a, T b)
{
      // if b<a then yield "a" else yield "b"
      return b < a ? a : b;
}

該模板定義指定了一系列返回兩個值中最大值的函式，這兩個值作為函式引數a和b進行傳遞^[1]。這些引數的型別由模板引數（template parameter）T確定。如該例子中所見，模板引數必須通過如下的語法形式進行宣告：

template <comma-separated-list-of-parameters（用逗號隔開的引數列表）>

本例中，（模板）引數列表為typename T。符號<和>為一對尖括號（angle brackets），請注意該符號的使用。關鍵字typename引入了一個型別引數（type parameter）。雖然這是到目前為止最常用的一種C++程式模板引數，但其他的引數也是有可能的，將在後續章節中討論（詳見第3章）。

該例中，型別引數為T，可以使用任何識別符號（identifier）作為引數名字，但使用T是典型的方式。型別引數代表任何一種引數，並且由呼叫者呼叫該函式時確定。可以使用任何型別（基礎型別（fundamental type）

由於歷史原因，也可以使用關鍵字class代替typename來定義一個型別引數。關鍵字typename出現相對晚一些，在C++98標準進化的過程中出現。在那之前，關鍵字class是引入型別引數的唯一方法，並且該方法依然保持有效。因此，模板函式max()可以等效地被定義成如下形式：

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

該情形下，這兩種定義沒有任何區別。因此，儘管使用關鍵字class，任何型別可以作為模板引數。然而，此處使用關鍵字class會有誤導性（不是隻有class的型別才能夠用於替換T，基本型別也可以），因此更建議使用關鍵字typename。不幸的是，不像類型別宣告（class type declaration），當宣告型別引數時關鍵字struct不能用於替換typename。

1.1.2 使用模板 Using the Template

以下程式展示瞭如何使用max()函式模板：

// basics/max1.cpp
#include "max1.hpp"
#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
      int i = 42;
      std::cout << "max(7,i):      " << ::max(7,i) << '\n';

      double f1 = 3.4;
      double f2 = -6.7;
      std:cout << "max(f1,f2):      " << ::max(f1,f2) << '\n';

      std::string s1 = "mathematics";
      std::string s2 = "math";
      std::cout << "max(s1,s2)      " << ::max(s1,s2) << '\n';
}

在該程式中，函式max()被呼叫三次：一次使用兩個int，一次使用兩個double,和一次使用兩個std::string。每一次，最大值被計算，該程式由如下輸出

max(7,i): 42
max(f1,f2): 3.4
max(s1,s2): mathematics

注意到每一次max()模板被呼叫時，都帶由::，這用於確保我們的max()模板在全域性名稱空間中被找到。在標準庫中有一個std::max()模板，在一定條件下可能被呼叫或者引起不明確（ambiguity）^[3]。

模板不會被編譯成一個可以處理任何型別的單個實體。相反，針對模板使用的每一個型別，對應每一個型別的不同實體從模板中生成^[4]。因此，max()為三個型別分別進行編譯。比如，第一個max()呼叫

int i = 42;
... max(7,i)...

使用int作為模板引數T的函式模板。因此，它具有呼叫如下程式碼的語義：

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

這個使用實體型別代替模板引數的過程稱為例項化（instantiation）,並生成模板的例項（instance）^[5]。

僅僅使用函式模板便可觸發一個例項化的過程，並不需要額外單獨請求例項化。

相似地，其他對max()的呼叫也將例項化double和std::string版的max模板，就像它們被分別以如下方式宣告和實現：

double max(double, double);
std::string max(std::string, std::string);

void也可以作為有效的模板引數，只要生成的程式碼是有效的即可。比如：

template <typename T>
T foo(T*)
{
}

void* vp = nullptr;
foo(vp); //OK: 將推匯出 voi foo(void*);

1.1.3 二階段翻譯（二次翻譯） Two-Phase Translation

如果用某個類例項化模板，但該類不支援模板中所有操作將導致編譯期錯誤（compile-time error），比如：

std::complex<float> c1, c2; //未提供<操作
...
::max(c1,c2); //編譯期錯誤

模板的“編譯”有兩個階段：

1. 定義時（definition time）不進行例項化，模板程式碼的正確性將被檢查（但不考慮模板引數），這包括

   • 發現語法錯誤，比如丟失分號等；

   • 發現使用不依賴於模板引數的未知名字（型別名、函式名...）；

   • 檢查不依賴於模板引數的靜態斷言（static assertion）;

2. 例項化期間（instantiation time），模板程式碼再一次被檢查，以確保所有的程式碼是有效的。也就是說，所有依賴於模板引數的部分被檢查了兩遍（double-checked）。
   舉個例子：

template <typename T>
void foo(T t)
{
      undeclared();       //如果undeclared()是未知的，將產生第一階段編譯器錯誤（first-phase compile-time error）
      undeclared(t);       //如果undeclared(T)是未知的，將產生第二階段編譯錯誤（second-phase compile-time error）
      static_assert(sizeof(int) > 10, "int too small");       //如果sizeof(int)<=10，將一直失敗
      static_assert(sizeof(int) > 10, "T too small");      //如果使用sizeof(T)<=10的型別T進行例項化，將失敗
}

名字被檢查兩遍的過程被稱為二階段檢查/二次檢查（two-phase lookup），該過程將在第14.3.1節中詳細討論。

一些編譯器在第一階段不執行全面檢查（full check），因此在模板程式碼至少進行一次例項化前無法發現一般的問題^[6]。

編譯和連結
在實踐中處理模板過程中，二階段翻譯將導致一個重要的問題：當一個函式模板被使用並觸發例項化時，編譯器（有時候）需要看模板的定義。這破壞了普通函式（ordinary function）的常規編譯和連結之間的差別，即在編譯期只需要函式的宣告（the declaration of a function）便可編譯使用函式的程式碼。處理該問題的方法在第9章中進行討論。此時，可以使用最簡單的方法：在標頭檔案中實現每一個模板。

腳註