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VisualStudio2005把泛型编程的类型参数模型引入了微软.NET框架组件。C++/CLI支持两种类型参数机制--通用语言运行时(CLR)泛型和C++模板。本文将介绍两者之间的一些区别--特别是参数列表和类型约束模型之间的区别。参数列表又回来了 参数列表与函数的信号(signature)类似:它标明了参数的数量和每个参数的类型,并把给每个参数关联一个唯一的标识符,这样在模板定义的内部,每个参数就可以被唯一地引用。 参数在模板或泛型的定义中起占位符(placeholder)的作用。用户通过提供绑定到参数的实际值来建立对象实例。参数化类型的实例化并非简单的文本替代(宏扩展机制就
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C++/CLR泛型与泛型与C++模板的对比模板的对比
Visual Studio 2005把泛型编程的类型参数模型引入了微软.NET框架组件。
C++/CLI支持两种类型参数机制--通用语言运行时(CLR)泛型和C++模板。本
文将介绍两者之间的一些区别--特别是参数列表和类型约束模型之间的区别。
参数列表又回来了参数列表又回来了
参数列表与函数的信号(signature)类似:它标明了参数的数量和每个参数
的类型,并把给每个参数关联一个唯一的标识符,这样在模板定义的内部,每
个参数就可以被唯一地引用。
参数在模板或泛型的定义中起占位符(placeholder)的作用。用户通过提供
绑定到参数的实际值来建立对象实例。参数化类型的实例化并非简单的文本替
代(宏扩展机制就是使用文本替代的)。相反地,它把实际的用户值绑定到定
义中的相关的形式参数上。
在泛型中,每个参数都表现为Object类型或衍生自Object的类型。在本文后
面你可以看到,这约束了你可能执行的操作类型或通过类型参数声明的对象。
你可以通过提供更加明确的约束来调整这些约束关系。这些明确的约束引用那
些衍生出实际类型参数的基类或接口集合。
模板除了支持类型参数之外,还支持表达式和模板参数。此外,模板还支持默
认的参数值。这些都是按照位置而不是名称来分解的。在两种机制之下,类型
参数都是与类或类型名称关键字一起引入的。
参数列表的额外的模板功能参数列表的额外的模板功能
模板作为类型参数的补充,允许两种类型的参数:非类型(non-type)参数
和模板参数。我们将分别简短地介绍一下。
非类型参数受常数表达式的约束。我们应该立即想到它是数值型或字符串常
量。例如,如果选择提供固定大小的堆栈,你就可能同时指定一个非类型的大
小参数和元素类型参数,这样就可以同时按照元素类别和大小来划分堆栈实例
的类别。例如,你可以在代码片断1中看到带有非类型参数的固定大小的堆栈。
代码片断1:带有非类型固定大小的堆栈
template <class elemType, int size>
public ref class tStack
{
array<elemType> ^m_stack;
int top;
public:
tStack() : top( 0 )
{
m_stack = gcnew array<elemType>( size );
}
};
此外,如果模板类设计者可以为每个参数指定默认值,使用起来就可能方便
多了。例如,把缓冲区的默认大小设置为1KB就是很好的。在模板机制下,可
以给参数提供默认值,如下所示:
// 带有默认值的模板声明
template <class elemType, int size = 1024>
public ref class FixedSizeStack {};
用户可以通过提供明确的第二个值来重载默认大小值:
// 最多128个字符串实例的堆栈
FixedSizeState<String^, 128> ^tbs = gcnew FixedSizeStack<String^, 128>;
否则,由于没有提供第二个参数,它使用了相关的默认值,如下所示:
// 最多1024个字符串实例的堆栈
FixedSizeStack<String^> ^tbs = gcnew FixedSizeStack<String^>;
使用默认的参数值是标准模板库(STL)的一个基本的设计特征。例如,下面
的声明就来自ISO-C++标准:
// ISO-C++名字空间std中的默认类型参数值示例
{
template <class T, class Container = deque<T> >
class queue;
template <class T, class Allocator = allocator<T> >
class vector;
// ...
}
也可以提供默认的元素类型,如下所示:
// 带有默认的元素类型的模板声明
template <class elemType=String^, int size=1024>
public ref class tStack {};
从设计的角度来说很难证明它的正确性,因为一般来说容器不会集中在在单个
默认类型上。
指针也可以作为非类型参数,因为对象或函数的地址在编译时就已知了,因
此是一个常量表达式。例如,你可能希望为堆栈类提供第三个参数,这个参数
指明遇到特定条件的时候使用的回调处理程序。明智地使用typedef可以大幅度
简化那些表面上看起来很复杂的声明,如下所示:
typedef void (*handler)( ... array<Object^>^ );
template <class elemType, int size, handler cback >
public ref class tStack {};
当然,你可以为处理程序提供默认值--在这个例子中,是一个已有的方法的
地址。例如,下面的缓冲区声明就提供了大小和处理程序:
void defaultHandler( ... array<Object^>^ ){ ... }
template < class elemType,
int size = 1024,
handler cback = &defaultHandler >
public ref class tStack {};
由于默认值的位置次序优先于命名次序,因此如果不提供明确的大小值(即
使这个大小与默认值是重复的),也就无法提供重载处理程序。下面就是可能
用到的修改堆栈的方法:
void demonstration()
{
// 默认的大小和处理程序
tStack<String^> ^ts1 = nullptr;
// 默认的处理程序
tStack<String^, 128> ^ts2 = gcnew tStack<String^, 128>;
// 重载所有的三个参数
tStack<String^, 512, &yourHandler> ^ts3;
}
模板支持的第二种额外的参数就是template模板参数--也就是这个模板参数本
身表现为一个模板。例如:
// template模板参数
template <template <class T> class arena, class arenaType>
class Editor {
arena<arenaType> m_arena;
// ...
};
Editor模板类列出了两个模板参数arena和arenaType。ArenaType是一个模
板类型参数;你可以传递整型、字符串型、自定义类型等等。Arena是一个
template模板参数。带有单个模板类型参数的任何模板类都可以绑定到arena。
m_arena是一个绑定到arenaType模板类型参数的模板类实例。例如:
// 模板缓冲区类
template <class elemType>
public ref class tBuffer {};
void f()
{
Editor<tBuffer,String^> ^textEditor;
Editor<tBuffer,char> ^blitEditor;
// ...
}
类型参数约束
如果你把参数化类型简单地作为存储和检索元素的容器,那么你可以略过这
一部分了。当你需要调用某个类型参数(例如在比较两个对象,查看它们相等
或者其中一个小于另一个的时候,或者通过类型参数调用方法名称或嵌套类型
的时候)上的操作的时候,才会考虑约束的问题。例如:
template <class T>
ref class Demonstration {
int method() {
typename T::A *aObj;
// ...
}
};
这段代码成功地声明了aObj,它同时还约束了能够成功地绑定到你的类模板
的类型参数。例如,如果你编写下面的代码,aObj的声明就是非法的(在这种
特定的情况下),编译器会报错误信息:
int demoMethod()
{
Demonstration<int> ^demi =
gcnew Demonstration<int>( 1024 );
return dm->method();
}
当然,其特定的约束是,这个类型参数必须包含一个叫做A的类型的嵌套声
明。如果它的名字叫做B、C或Z都没有关系。更普通的约束是类型参数必须表
示一个类,否则就不允许使用T::范围操作符。我使用int类型参数同时违反了这
两条约束。例如,Visual C++编译器会生成下面的错误信息:
error C2825: ’T’: must be a class or namespace when followed by ’::’
C++模板机制受到的一条批评意见是:缺乏用于描述这种类型约束的形式语
法(请注意,在参数化类型的原始设计图纸中,Bjarne Stroustrup论述了曾经
考虑过提供显式约束语法,但是他对这种语法不太满意,并选择了在那个时候
不提供这种机制)。也就是说,在一般情况下,用户在阅读源代码或相关的文
档,或者编译自己的代码并阅读随后的编译器错误消息的时候,才能意识到模
板有隐含约束。
如果你必须提供一个与模板不匹配的类型参数该怎么办呢?一方面,我们能做
的事情很少。你编写的任何类都有一定的假设,这些假设表现为某些使用方面
的约束。很难设计出适合每种情况的类;设计出适合每种情况和每种可能的类
型参数的模板类更加困难。
另一方面,存在大量的模板特性为用户提供了"迂回"空间。例如,类模板成
员函数不会绑定到类型参数,直到在代码中使用该函数为止(这个时候才绑
定)。因此,如果你使用模板类的时候,没有使用那些使类型参数失效的方
法,就不会遇到问题。
如果这样也不可行,那么还可以提供该方法的一个专门的版本,让它与你的
类型参数关联。在这种情况下,你需要提供Demonstration<int>::方法的一个
专用的实例,或者,更为普遍的情况是,在提供整数类型参数的时候,提供整
个模板类的专门的实现方式。
一般来说,当你提到参数化类型可以支持多种类型的时候,你一般谈到的是
参数化的被动使用--也就是说,主要是类型的存储和检索,而不是积极地操作处
理它。
作为模板的设计人员,你必须知道自己的实现对类型参数的隐含约束条件,
并且努力去确保这些条件不是多余的。例如,要求类型参数提供等于和小于操
作是合理的;但是要求它支持小于或等于或XOR位运算符就不太合理了。你可
以通过把这些操作分解到不同的接口中,或者要求额外的、表示函数、委托或
函数对象的参数来放松对操作符的依赖性。例如,代码片断2显示了一个本地
C++程序员使用内建的等于操作符实现的搜索方法。
代码片断2:不利于模板的搜索实现
template <class elemType, int size=1024>
ref class Container
{
array<elemType> ^m_buf;
int next;
public:
bool search( elemType et )
{
for each ( elemType e in m_buf )
if ( et == e )
return true;
return false;
}
Container()
{
m_buf = gcnew array<elemType>(size);
next = 0;
}
void add( elemType et )
{
if ( next >= size )
throw gcnew Exception;
m_buf[ next++ ] = et;
}
elemType get( int ix )
{
if ( ix < next )
return m_buf[ ix ];
throw gcnew Exception;
}
// ...
};
在这个搜索函数中没有任何错误。但是,它不太利于使用模板,因为类型参
数与等于操作符紧密耦合了。更为灵活的方案是提供第二个搜索方法,允许用
户传递一个对象来进行比较操作。你可以使用函数成员模板来实现这个功能。
函数成员模板提供了一个额外的类型参数。请看一看代码片断3。
代码片断3:使用模板
template <class elemType, int size=1024>
ref class Container
{
// 其它的都相同 ...
// 这是一个函数成员模板...
// 它可以同时引用包含的类参数和自有参数...
template <class Comparer>
bool search( elemType et, Comparer comp )
{
for each ( elemType e in m_buf )
if ( comp( et, e ) )
return true;
return false;
}
// ...
};
现在用户可以选择使用哪一个方法来搜索内容了:紧密耦合的等于操作符搜
索效率较高,但是不适合于所有类型;较灵活的成员模板搜索要求传递用于比
较的类型。
哪些对象适用这种比较目的?函数对象就是普通的用于这种目的的C++设计
模式。例如,下面就是一个比较两个字符串是否相等的函数对象:
class EqualGuy {
public:
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