模板与泛型编程

--模板编译模型

引言：

当编译器看到模板定义的时候，它不立即产生代码。只有在用到模板时，如果调用了函数模板或定义了模板的对象的时候，编译器才产生特定类型的模板实例。

一般而言，当调用函数时[不是模板]，编译器只需看到函数的声明。类似的，定义类类型的对象时，类定义必须可用，但成员函数的定义不是必须存在的。因此，应该将类定义和函数声明放在头文件中，而普通函数和类成员函数的定义放在源文件中。

模板则不同：要进行实例化，编译器必须能够访问定义模板的源代码。当调用函数模板或类模板的成员函数的时候,编译器需要函数定义,需要那些通常放在源文件中的代码。

标准C++为编译模板代码定义了两种模型。在两种模型中，构造程序的方式很大程度上是相同的：类定义和函数声明放在头文件中，而函数定义和成员定义放在源文件中。两种模型的不同在于，编译器怎样使用来自源文件的定义。如本书所述，所有编译器都支持第一种模型，成为“包含”模型，只有一些编译器支持第二种模型，“分别编译”模型。

一、包含编译模型

在包含编译模型中，编译器必须看到用到的所有模板的定义。一般而言,可以通过在声明函数模板或类模板的头文件中添加一条#include指示使定义可用,该#include引入了包含相关定义的源文件:

//in utilities.h
#ifndef UTILITIES_H_INCLUDED
#define UTILITIES_H_INCLUDED

#include "utilities.cpp"

template <class T>
int compare(const T &,const T &);

#endif // UTILITIES_H_INCLUDED

//in  utilities.cpp
#include "utilities.h"

template <class T>
int compare(const T &val1,const T &val2)
{
    if (val1 < val2)
        return -1;
    if (val2 < val1)
        return 1;
    return 0;
}

这一策略使我们能够保持头文件和实现文件的分离，但是需要保证编译器在使用模板的代码时能看到两种文件。

某些使用包含模型的编译器,特别是较老的编译器,可以产生多个实例。如果两个或多个单独编译的源文件使用同一模板,这些编译器将为每个文件中的模板产生一个实例。通常,这种方法意味着给定模板将实例化超过一次。在链接的时候,或者在预链接阶段,编译器会选择一个实例化而丢弃其他的。在这种情况下,如果有许多实例化同一模板的文件,编译时性能会显著降低。对许多应用程序而言,这种编译时性能降低不大可能在现代计算机上成为问题,但是,在大系统环境中,编译时选择问题可能变得非常重要。

这种编译器通常支持某些机制,避免同一模板的多个实例化中隐含的编译进开销。编译器优化编译时性能的方法各不相同。如果使用模板的程序的编译时间难于承担,请查阅编译器的用户指南,看看你的编译器能提供什么支持以避免多余的实例化。

二、分别编译模型

在分别编译模型中，编译器会为我们跟踪相关的模板定义。但是，我们必须让编译器知道要记住给定的模板定义，可以使用export关键字来做这件事。

export关键字能够指明给定的定义可能会需要在其他文件中产生实例化。在一个程序中,一个模板只能定义为导出一次。编译器在需要产生这些实例化时计算出怎样定位模板定义。export关键字不必在模板声明中出现。

一般我们在函数模板的定义中指明函数模板为导出的,这是通过在关键字template之前包含export关键字而实现的:

//in  utilities.h
export template <typename Type>
int compare(const Type &val1,const Type &val2)
/***/

这个函数模板的声明像通常一样应放在头文件中，声明不必指定export。

对类模板使用export更复杂一些。通常,类声明必须放在头文件中,头文件中的类定义体不应该使用关键字export,如果在头文件中使用了export,则该头文件只能被程序中的一个源文件使用。

相反,应该在类的实现文件中使用export:

// in header file 
template <class Type> class Queue { ... }; 

// in implementation file
export template <class Type> class Queue; 
#include "Queue.h" 
//...

导出类的成员将自动声明为导出的。也可以将类模板的个别成员声明为导出的,在这种情况下,关键字export不在类模板本身指定,而是只在被导出的特定成员定义上指定。导出成员函数的定义不必在使用成员时可见。任意非导出成员的定义必须像在包含模型中一样对待：定义应放在定义类模板的头文件中。

//P544 习题16.27
//in middle.h
#ifndef MIDDLE_H_INCLUDED
#define MIDDLE_H_INCLUDED

#include <vector>
#include <algorithm>

using namespace std;

template <typename Type>
bool middle(const vector<Type> &,Type &);

#include "middle.cpp"
#endif // MIDDLE_H_INCLUDED

//in middle.cpp
#include "middle.h"

template <typename Type>
bool middle(const vector<Type> &vec,Type &val)
{
    vector<Type> tmp(vec);
    sort(tmp.begin(),tmp.end());

    if (tmp.size() % 2 == 0)
    {
        return false;
    }

    typename vector<Type>::iterator index =
        tmp.begin() + tmp.size()/2;

    if (*index > *(index -1) && *(index) < *(index + 1))
    {
        val = *index;
        return true;
    }

    return false;
}

//in main.cpp
#include <iostream>
#include "middle.h"

using namespace std;

int main()
{
    int ia[] = {1,2,3,4,5,6,7};
    int ai[] = {1,2,3,4,5,6};

    vector<int> ivec1(ia,ia + 7),ivec2(ai,ai + 6);

    int val;
    if (middle(ivec1,val))
    {
        cout << "Middle: " << val << endl;
    }
    else
    {
        cout << "No Middle!" << endl;
    }

    if (middle(ivec2,val))
    {
        cout << "Middle: " << val << endl;
    }
    else
    {
        cout << "No Middle!" << endl;
    }
}
/**注意：g++编译器支持包含模型
*但是不能将模板的实现文件包含到project中，
*否则会引起编译错误！
*/