详解C++ 模板编程

类型模板

类型模板包括函数模板和类模板，基本上是C++开发人员接触模板编程的起点。

下面代码演示了函数模板和类模板的使用方法：

				?

									// 函数模板

									template<typename T>

									T add(const T& a, const T& b) {

									 return a + b;

									}

									// 类模板

									template<typename T>

									class Point {

									private:

									 T x[3];

									 ...

									};

类型模板以template开始声明，尖括号内的typename关键字可用class替代。类型模板中typename和class具有相同含义，均表示参数类型。实践中typename语义更广泛，表示其后续的参数T是一个类型，不限定于类，建议使用。类型参数T可换成其他任意有意义的合法变量。

C++14新增变量模板：

				?

									// 变量模板

									template<tyepename T>

									constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L);

尖括号之于模板犹如小括号之于函数：函数通过小括号()定义和调用，模板使用尖括号<>定义(需template关键字声明)和实例化。上面演示了类型模板定义，下面代码介绍模板实例化：

				?

									int a = 1, b = 2;

									// 实例化函数模板

									std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

									// 实例化类模板

									auto p = Point<int>();

									double radius = .5;

									// 实例化变量模板

									auto area = pi<double> * radius * radius;

同函数一样，模板可以有默认值：

				?

									// 默认类型为int

									template<typename T=int>

									T add(const T& a, const T& b) {

									 return a + b;

									}

									// 默认类型为double

									template<typename T=double>

									class Point {

									private:

									 T x[3];

									 ...

									};

与函数不同，对于函数模板，如果能从参数推断出模板类型，则可略去尖括号模板实例化参数：

				?

									int a = 1, b = 2;

									// 合法调用，编译器能根据a b推断出参数类型

									std::cout << "add result:" << add(a, b) << std::endl;

									// 等同于

									std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

然而对于类模板，即使有默认参数，也不能省略尖括号(但是可以省去参数)：

				?

									template<typename T=double>

									struct Point {

									 T x[3];

									};

									// 合法声明

									auto p = Point<double>();

									// 合法声明，类型使用默认的double

									auto p2 = Point<>();

									// 非法声明，缺少模板调用标志尖括号

									auto p3 = Point();

类型参数模板在实际中使用最多，STL库中vector、map等容器、algorithm中的许多算法都用到了模板。

非类型参数模板

另一类常用模板是非参数模板，用来替代某个具体的值。例如：

				?

									// N维空间向量

									template<int N>

									struct Vector {

									 double x[N];

									};

									// 实例化

									auto v = Vector<100>();

									...其他操作

需要注意的是，非类型参数模板能使用的类型十分有限，只有(signed/unsigned)整数、char和枚举这几种类型可用（参考switch语法）。

同类型模板一样，非类型参数模板也可以有默认值，但应用到类模板实例化也不能省略尖括号。

类型模板和非类型参数模板可以结合一起用：

				?

									template<typename T, int N>

									struct Point {

									 T x[N];

									};

类型模板解决了类型问题，非类型参数模板解决了值的问题，实际中应用也十分广泛。作为递归的经典场景，斐波那契数列可以用非类型模板解决：

				?

									template<int N>

									struct Fib {

									 static constexpr int value = Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value;

									};

									// 模板特化

									template<>

									struct Fib<1> {

									 static constexpr int value = 1;

									};

									// 模板特化

									template<>

									struct Fib<0> {

									 static constexpr int value = 0;

									};

									// 调用

									std::cout << "Fib(10): " << Fib<10>::value << std::endl;

这个例子出现了”模板特化”，接下来介绍。

模板特化/偏特化

定义模板后，希望在特定条件下使用单独的模板，这便是模板特化。上文中斐波那契数列定义的template<int N> struct Fib是母模板，接下来又定义了0和1两个特化模板(子模板)，指示编译器遇到Fib<0>和Fib<1>的情况，使用这两组单独定义。需要注意的是特化模板的template参数为空，具体模板参数放到了模板名称处，类似于模板实例化。

对多个模板参数的情形，如果只特化某个模板参数，便是偏特化。例如：

				?

									// 泛型模板定义

									template<typename T1, typename T2> struct Add; 

									// 特化模板

									template<> struct Add<int, int> {...};

									// 偏特化模板

									template<typename T> struct Add<T, long> {....};

模板特化/偏特化类似于函数重载，能针对特殊情况进行特别处理。

模板匹配与SFINAE

模板特化使得同一个模板名称有了多个定义，代码具体调用时会遇到模板匹配问题。理解模板匹配机制的关键便是SFINAE，这也是进阶模板编程的必备知识点。

SFINAE是Substitution failure is not an error的缩写，翻译过来便是：匹配(替换)失败不是错误。

怎么理解这句话呢？

对于上面的斐波那契数列数列代码，编译器遇到Fib<10>::value的代码，(可能)先会尝试匹配Fib<0>，发现匹配不上，这是一个Substitution failure，但不是error，所以编译器继续尝试其他可能性。接着匹配Fib<1>，同样发现匹配不上，忽略这个Substitution failure继续尝试Fib<N>，OK，这一次没问题，编译成功。

如果是Fib<-1>::value，编译器达到最大递归深度也找不到一个合适的匹配模板，这是一个error，因此编译失败。

备注：理解上面的话需要对编译过程稍加了解，编译过程会输出许多信息，编译器一般只有遇到error才会终止编译，比较常见的warning则不会。模板匹配中的Substitution可能连warning都算不上，不会影响编译器继续尝试匹配

理解SFINAE是看懂稍微深奥点模板代码的基本功，重点便是：不怕你模板多，就怕找不到合适的模板。

两阶段编译

有了模板(元)编程，C++源码编译可以分为前期和后期，构成两阶段编译。前期是模板的天下，编译器扫描模板实例化语句，生成运算结果和具体代码；后期编译器介入，再编译生成机器码。

模板代码运行在编译期，因此有如下特点：

没有实例化的模板代码，即使有语法错误，编译器也不会检查和报错。对按代码行数考核KPI的C++码农，这绝对是福音，新增template代码十万行，瞎编乱写都可以，只要不实例化，永远能编译通过，编译后的文件大小(一般)不变，也不影响现有代码运行；
对于常量，编译前期直接计算，没有运行时开销。上文中的斐波那契数列值在编译期便已经计算出来了；
无法运行期动态调用代码。例如下面的要求做不到：

				?

									template<int N>

									struct Point {double x[N];};

									// 根据输入动态生成类,无法实现和编译成功

									int n;

									std::cin >> n;

									auto p = new Point<n>();