C++是一門(mén)復(fù)雜的語(yǔ)言，之所以復(fù)雜，就是因?yàn)楸缓芏嗟拇笈儼l(fā)掘出了它的很多極其怪異的用法，或者也可以說(shuō)是很高明的技巧，這些技巧，我們普通人難以掌握，也很少有非使用不可的時(shí)候，但是對(duì)于那些大牛們來(lái)說(shuō)，卻是必不可少的利器。不信的話，翻翻Boost的源碼，這樣復(fù)雜的技巧比比皆是。
這些技巧，有的我以前只是聽(tīng)說(shuō)，比如Mataprogram；有的我曾經(jīng)在使用庫(kù)的時(shí)候碰到過(guò)，但是怎么也想不通為什么需要這么個(gè)東西，比如Trait。直到最近幾天，讀《C++ Template》的時(shí)候，才突然豁然開(kāi)朗。這里寫(xiě)出來(lái)和大家分享。
先來(lái)說(shuō)說(shuō)Trait，這是一個(gè)在C++ Template編程中經(jīng)常用到的一個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)制，在使用某些庫(kù)的時(shí)候我也經(jīng)常碰到。比如說(shuō)STL庫(kù)中的basic_string，其定義如下：
template <
class CharType,
class Traits=char_traits<CharType>,
class Allocator=allocator<CharType>
>
class basic_string
其中就有一個(gè)模板參數(shù)為T(mén)raits，而它的默認(rèn)值為char_traits<CharType>，這里的char_traits<>就是一個(gè)trait類(lèi)，它可以提供關(guān)于CharType的特征信息。我們常用的string類(lèi)的定義如下：
typedef basic_string<char> string
如果我們把它的默認(rèn)模板參數(shù)帶入，就可以看到string的形式是這樣的：
basic_string< char, char_traits<char>, allocator<char> > 到這里，我就迷糊了，我在想，為什么char_trait<>就能夠取得char的類(lèi)型信息？為什么basic_string<>就不行？難道說(shuō)加上trait這幾個(gè)字，模板類(lèi)就有了三頭六臂不成？
另外還有一個(gè)例子就是
ATL 3.0中的窗口類(lèi)，這是我很早以前翻譯的一篇文章，其中也使用到了Trait，在定義窗口樣式的時(shí)候，其代碼如下：
class CMyWindow: public CWindowImpl<
CMyWindow,
CWindow,
CWinTraits<WS_OVERLAPPEDWINDOW|WS_VISIBLE,0>
>
{
}; 當(dāng)時(shí)我就想了，為什么不直接把“
WS_OVERLAPPEDWINDOW|WS_VISIBLE,0”當(dāng)成模板參數(shù)傳遞給CWindowImpl<>算了，還非要CWinTraits<>來(lái)?yè)胶鸵话眩?br>
直到現(xiàn)在，我終于知道，原來(lái)一直錯(cuò)的就是我。我不該把char_traits<>看成是一個(gè)模板類(lèi)，不該認(rèn)為傳給它一個(gè)char它就可以讀出char的特征信息，傳給它一個(gè)int它就能讀出int的特征信息。它當(dāng)然不可能具備這么高級(jí)的功能，更不可能加上traits幾個(gè)字就一下子掙脫了C++語(yǔ)言的束縛。
那么不把它看成一個(gè)模板類(lèi)，應(yīng)該怎么看呢？應(yīng)該把char_traits<char>看成一個(gè)整體，說(shuō)專(zhuān)業(yè)點(diǎn)，那叫模板特化，說(shuō)通俗點(diǎn)，就是原來(lái)這里面的特征信息都是編寫(xiě)它的人自己定義的，如果你要讓basic_string能夠處理int，double之類(lèi)的信息，你還得自己寫(xiě)一個(gè)char_traits<int>和一個(gè)char_traits<double>。CWinTraits<...>也同樣是這個(gè)道理。
為了說(shuō)得更清楚點(diǎn)，我這里舉個(gè)小例子。什么例子呢？就寫(xiě)個(gè)計(jì)算平均值的模板函數(shù)吧，如下：
template <typename T>
T average(T const* begin, T const* end)
{
T total = T();
int count = 0;
while (begin != end){
total += * begin;
++begin;
++count;
}
return total/count;
}
下面是使用這個(gè)函數(shù)的代碼，如果我們計(jì)算的類(lèi)型是int，結(jié)果是正確的，如下：
int main(){
int numbers[] = {1,2,3,4,5};
std::cout << average(&numbers[0],&numbers[5]) << std::endl;
}
該程序運(yùn)行的結(jié)果是3，非常正確，將數(shù)據(jù)類(lèi)型換成float，double也沒(méi)有問(wèn)題。但是，如果是char類(lèi)型，就不一定了。代碼如下：
int main(){
char characters[] = "traits";
std::cout << static_cast<int>(average(&characters[0],&characters[6])) << std::endl;
}
運(yùn)行結(jié)果為 -17，不信大家可以自己運(yùn)行試一下。為什么是個(gè)負(fù)數(shù)呢？
原因是因?yàn)閏har類(lèi)型能表示的范圍只有-127到+128，幾個(gè)字母一加，就溢出了。為了得到正確的結(jié)果，我們希望能有一種機(jī)制，來(lái)指定運(yùn)算的時(shí)候用什么作為返回類(lèi)型，這時(shí)候，traits就可以閃亮登場(chǎng)了。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，要把trait<...>看成一個(gè)整體，所以應(yīng)該為每一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型都定義一個(gè)trait。在這個(gè)例子中，我們主要是為了對(duì)每一個(gè)運(yùn)算的類(lèi)型指定合適的返回類(lèi)型，任務(wù)比較簡(jiǎn)單，所以，代碼可以這樣寫(xiě)：
template <typename T>
class TypeTraits;
template <>
class TypeTraits<char>{
public:
typedef int ReturnType;
}
template <>
class TypeTraits<short>{
public:
typedef int ReturnType;
}
template <>
class TypeTraits<int>{
public:
typedef int ReturnType;
}
template <>
class TypeTraits<float>{
public:
typedef double ReturnType;
}
函數(shù)可以改成這樣：
template <typename T,typename Traits>
typename Traits::ReturnType average(T const* begin, T const* end)
{
typedef typename Traits::ReturnType ReturnType;
ReturnType total = ReturnType();
int count = 0;
while (begin != end){
total += * begin;
++begin;
++count;
}
return total/count;
}
使用該函數(shù)的代碼是這樣：
int main(){
int numbers[] = {1,2,3,4,5};
std::cout << average<int,TypeTraits<int> >(&numbers[0],&numbers[5]) << std::endl;
char characters[] = "traits";
std::cout << average<char,TypeTraits<char> >(&characters[0],&characters[6]) << std::endl;
}
這時(shí)候，一切都正常了。只可惜模板函數(shù)不支持默認(rèn)模板參數(shù)，要不然，這里的代碼可以更簡(jiǎn)潔。
再來(lái)說(shuō)說(shuō)Template Mataprogram，中文叫模板元編程。這個(gè)東西，我很早就聽(tīng)說(shuō)過(guò)，如雷灌耳。聽(tīng)說(shuō)它主要有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：
1、它編的程序不是運(yùn)行的時(shí)候執(zhí)行的，而是在編譯的時(shí)候由編譯器執(zhí)行的；
2、它能夠牽著編譯器的鼻子走，靠的完全是符合標(biāo)準(zhǔn)的模板語(yǔ)法，不需要使用編譯器的任何API；
3、它居然是圖靈完備的，也就是說(shuō)它什么事都能干。
牛吧？C++提供了一個(gè)模板機(jī)制，這些大牛們居然可以用模板把編譯器耍得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，居然能在程序還沒(méi)運(yùn)行的時(shí)候就什么都能干。反正我是崇拜得五體投地。直到最近看書(shū)，才找到了它的奧秘所在，當(dāng)然了，只限于基本原理。
那么，這個(gè)基本原理是怎樣的呢？其實(shí)就是靠的模板的實(shí)例化，和使用枚舉值或靜態(tài)常量。具體來(lái)說(shuō)是這樣：當(dāng)編譯器遇到enum的定義的時(shí)候，就會(huì)對(duì)該enum進(jìn)行求值，這個(gè)求值是在編譯期進(jìn)行的，而如果該enum對(duì)應(yīng)的表達(dá)式是一個(gè)模板類(lèi)的成員，則會(huì)實(shí)例化該模板類(lèi)，而實(shí)例化模板類(lèi)的時(shí)候，又是遞歸進(jìn)行的，這樣，就可以在遞歸的過(guò)程中作我們想做的任何事（理論上可以做任何事，但是以我的水平，也就只能算算加減乘除）。看起來(lái)是不是不好理解？沒(méi)關(guān)系，下面看一個(gè)例子，計(jì)算N的階乘：
template <int N>
class Factorial
{
public:
enum { result = N * Factorial<N-1>::result };
};
這下該明白了吧，為了得到Factorial<N>::result的值，就會(huì)實(shí)例化Factorial<N>，然后又會(huì)實(shí)例化Factorial<N-1>，依次類(lèi)推，一直遞歸下去。那么什么時(shí)候結(jié)束呢？所以還需要一個(gè)特化版本：
template<>
class Factorial<1>
{
public:
enum { result = 1 };
}
下面寫(xiě)幾行代碼測(cè)試一下，如下：
int main()
{
std::cout << Factorial<10>::result << std::endl;
return 0;
}
OK，事情就這么簡(jiǎn)單。大家都知道，遞歸可以代替循環(huán)，就只是對(duì)內(nèi)存的消耗大一些，所以遞歸的層次不能太多。解決了循環(huán)的問(wèn)題，那么分支結(jié)構(gòu)如何解決呢？
不用擔(dān)心，看看下面這樣的模板定義：
template <bool C, typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse;
template <typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse<true, Ta, Tb>{
public:
typedef Ta ResultT;
};
template <typename Ta, typename Tb>
class IfThenElse<false, Ta, Tb>{
public:
typedef Tb ResultT;
};
一個(gè)模板類(lèi)加上兩個(gè)局部特化版本就解決了問(wèn)題，如果第一個(gè)模板參數(shù)是true，則選擇Ta作為結(jié)果，否則就選擇Tb作為結(jié)果。
雖然C++為我們提供了模板元編程的能力，雖然我現(xiàn)在知道了它的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但是我依然想不到究竟什么時(shí)候需要用到模板元編程。看來(lái)我還需要讀更多的書(shū)更多的文章。同時(shí)，我覺(jué)得我們還是應(yīng)該保持簡(jiǎn)單的事情簡(jiǎn)單化，繼續(xù)寫(xiě)我的簡(jiǎn)單代碼吧。