C++模板学习笔记

C++模板 #

基本术语 #

• 函数模板(function template)：模板化的函数
• 类模板(class template)：模板化的类(class、struct、union)
• 变量模板(variable template)：模板化的变量
• 别名模板(alias template)：模板化的类型名

模板形参

• 类型模板形参(type template parameters)
  如template<typename T>，形参表示的是使用模板时指定的类型
• 非类型模板形参(non-type template parameters)
  如template<size_t N>，每一个形参必须有一个结构化类型，包括整型、浮点型(C++20)、指针类型等
• 模板模板形参(template template parameters)
  如template<typename K, template<typename> typename C>，形参的类型是另一个模板

模板特化

• 部分特化(partial specialization)
  只为部分模板形参提供替代实现
• (显式)完全特化((explicit)full specialization)
  为所有模板形参提供特化实现

模板实例化

• 隐式实例化(implicit instantiation)
  编译器由于代码中用到了模板而对其进行实例化，只会为用到的组合或实参进行实例化
• 显式实例化(explicit instantiation)
  显式告诉编译器需要实例化哪些模板，即使代码中没有显式使用

变参模板 #

变参函数模板 #

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

template <typename T, typename... Args>
T min(T a, Args... args)
{
  return min(a, min(args...));
}

• 模板形参包(template parameter pack)
  在模板形参列表中指定形参包，如typename... Args，可用于类型模板形参、非类型模板形参、模板模板形参
• 函数形参包(function parameter pack)
  在函数形参列表中指定形参包，如Args... args
• 形参包展开(paameter pack expansion)
  在函数体中展开形参包，如min(args...)，其结果是一个由零个或多个值(或表达式)组成的都逗号分隔的列表

形参包中的实参数量可在编译器通过sizeof...运算符获取，此运算符返回一个类型为std::size_t的constexpr值。

template <typename T, typename... Args>
T sum(T a, Args... args)
{
  if constexpr (sizeof... (args) == 0)
    return a;
  else
    return a + sum(args...);
}

sizeof...(args)和sizeof...(Args)不等价，前者是用于形参包args上的sizeof运算符，后者是形参包args在sizeof运算符上的展开。

template <typename... Ts>
constexpr auto get_type_sizes()
{
  return std::array<std::size_t, sizeof...(Ts)>{sizeof(Ts)...};
}
auto sizes = get_type_sizes<short, int, long, long long>();

sizeof...(Ts)在编译期求值为4，而sizeof(Ts)...则展开为以逗号分隔的形参包：sizeof(short), sizeof(int), sizeof(long), sizeof(long long)

变参类模板 #

template <typename T, typename... Ts>
struct tuple
{
  tuple(T const& t, Ts const &... ts)
    : value(t), rest(ts...)
  {}

  constexpr int size() const { return 1 + rest.size(); }

  T            value;
  tuple<Ts...> rest;
};
template <typename T>
struct tuple<T>
{
  tuple(const T& t)
    : value(t)
  {}

  constexpr int size() const { return 1; }

  T value;
}

折叠表达式 #

折叠表达式是一种涉及形参包的表达式，在二元运算符上折叠(或减少)形参包中的元素。

template <typename T>
T sum(T a) { return a; }

template <typename T, typename... Args>
T sum(T a, Args... args)
{
  return a + sum(args...);
}

可通过折叠表达式简化为：

template <typename... T>
int sum(T... args)
{
  return (... + args);
}

(... + args)即为折叠表达式，圆括号不能省略，其在求值后变为((((arg0 + arg1) + arg2) + ...) + argN)。 总共有4种不同类型的折叠表达式：

sum中形参包args直接出现在折叠表达式中。形参包也可以成为表达式的一部分如下：

template <typename... T>
void printl(T... args)
{
  (..., (std::cout << args)) << '\n';
}

template <typename... T>
void printr(T... args)
{
  ((std::cout << args), ...) << '\n';
}

printl('d', 'o', 'g'); // (((std::cout<<'d'), std<<cout<<'o'), std::cout<<'g') => dog
printr('d', 'o', 'g'); // (std::cout<<'d', (std::cout<<'o', (std::cout<<'g'))) => dog

形参包args是(std::cout << args)表达式的一部分，这不是一个折叠表达式，((std::cout << args), ...)才是折叠表达式，是逗号运算符上的一元左折叠表达式。

SFINAE 和 enable_if #

SFINAE(Subsitution Failure Is Not An Error)。