C++模版的本質(zhì)

1.定義模板類，讓每個(gè)模板類擁有模板簽名。

templateclass X{...};

上面的模板簽名可以理解成：X; 主要包括模板參數(shù)和模板名字X（類名）， 基本的語(yǔ)法可以參考《C++ Templates: The Complete Guide》，《C++ primer》等書籍。
模板參數(shù)在形式上主要包括四類，為什么會(huì)存在這些分類，主要是滿足不同類對(duì)參數(shù)化的需求:

2. 在用模板類聲明變量的地方，把模板實(shí)參（Arguments）（類型）帶入模板類，然后按照匹配規(guī)則進(jìn)行匹配，選擇最佳匹配模板. 模板實(shí)參和形參類似于函數(shù)的形參和實(shí)參，模板實(shí)參只能是在編譯時(shí)期確定的類型或者常量，C++17支持模板類實(shí)參推導(dǎo)。

3. 選好模板類之后，編譯器會(huì)進(jìn)行模板類實(shí)例化--記帶入實(shí)際參數(shù)的類型或者常量自動(dòng)生成代碼，然后再進(jìn)行通常的編譯。

C++實(shí)現(xiàn)模板函數(shù)（function template）技術(shù)

模板函數(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和模板類形式上差不多：

templateretType function_name(T t)；

其中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

• 函數(shù)模板的簽名包括模板參數(shù)，返回值，函數(shù)名，函數(shù)參數(shù), cv-qualifier；

• 函數(shù)模板編譯順序大致：名稱查找(可能涉及參數(shù)依賴查找)->實(shí)參推導(dǎo)->模板實(shí)參替換(實(shí)例化,可能涉及 SFINAE)->函數(shù)重載決議->編譯；

• 函數(shù)模板可以在實(shí)例化時(shí)候進(jìn)行參數(shù)推導(dǎo)，必須知道每個(gè)模板的實(shí)參，但不必指定每個(gè)模板的實(shí)參。編譯器會(huì)從函數(shù)實(shí)參推導(dǎo)缺失的模板實(shí)參。這發(fā)生在嘗試調(diào)用函數(shù)、取函數(shù)模板地址時(shí)，和某些其他語(yǔ)境中；

• 函數(shù)模板在進(jìn)行實(shí)例化后會(huì)進(jìn)行函數(shù)重載解析, 此時(shí)的函數(shù)簽名不包括返回值(template  argument deduction/substitution)；

• 函數(shù)模板實(shí)例化過(guò)程中，參數(shù)推導(dǎo)不匹配所有的模板或者同時(shí)存在多個(gè)模板實(shí)例滿足，或者函數(shù)重載決議有歧義等，實(shí)例化失??；

• 為了編譯函數(shù)模板調(diào)用，編譯器必須在非模板重載、模板重載和模板重載的特化間決定一個(gè)無(wú)歧義最佳的模板；

C++模板的核心技術(shù)

1. SFINAE -Substitution failure is not an error

要理解這句話的關(guān)鍵點(diǎn)是failure和error在模板實(shí)例化中意義，模板實(shí)例化時(shí)候，編譯器會(huì)用模板實(shí)參或者通過(guò)模板實(shí)參推導(dǎo)出參數(shù)類型帶入可能的模板集（模板備選集合）中一個(gè)一個(gè)匹配，找到最優(yōu)匹配的模板定義，

Failure：在模板集中，單個(gè)匹配失??；

Error：在模板集中，所有的匹配失??；

所以單個(gè)匹配失敗，不能報(bào)錯(cuò)誤，只有所有的匹配都失敗了才報(bào)錯(cuò)誤。

2. 模板特化

模板特化為了支持模板類或者模板函數(shù)在特定的情況（指明模板的部分參數(shù)（偏特化）或者全部參數(shù)（完全特化））下特殊實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化，而這個(gè)機(jī)制給與模板某些高階功能提供了基礎(chǔ)，比如模板的遞歸（提供遞歸終止條件實(shí)現(xiàn)），模板條件判斷（提供true或者false 條件實(shí)現(xiàn)）等。

3. 模板實(shí)參推導(dǎo)

模板實(shí)參推導(dǎo)機(jī)制給與編譯器可以通過(guò)實(shí)參去反推模板的形參，然后對(duì)模板進(jìn)行實(shí)例化，具體推導(dǎo)規(guī)則見參考;

4. 模板計(jì)算

模板參數(shù)支持兩大類計(jì)算：

一類是類型計(jì)算（通過(guò)不同的模板參數(shù)返回不同的類型），此類計(jì)算為構(gòu)建類型系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，也是泛型編程的基礎(chǔ)；
一類是整型參數(shù)的算術(shù)運(yùn)算, 此類計(jì)算提供了模板在實(shí)例化時(shí)候動(dòng)態(tài)匹配模板的能力；實(shí)參通過(guò)計(jì)算后的結(jié)果作為新的實(shí)參去匹配特定模板（模板特化）。

5. 模板遞歸

模板遞歸是模板元編程的基礎(chǔ)，也是C++11變參模板的基礎(chǔ)。

C++模版的應(yīng)用場(chǎng)景

1. C++ Library:

可以實(shí)現(xiàn)通用的容器（Containers）和算法（Algorithms），比如STL，Boost等,使用模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)的迭代器（Iterators）和仿函數(shù)（Functors）可以很好讓容器和算法可以自由搭配和更好的配合;

2. C++ type traits

通過(guò)模板技術(shù)，C++ type traits實(shí)現(xiàn)了一套操作類型特性的系統(tǒng)，C++是靜態(tài)類型語(yǔ)言，在編譯時(shí)候需要對(duì)變量和函數(shù)進(jìn)行類型檢查，這個(gè)時(shí)候type traits可以提供更多類型信息給編譯器， 能讓程序做出更多策略選擇和特定類型的深度優(yōu)化，Type Traits有助于編寫通用、可復(fù)用的代碼。
C++創(chuàng)始人對(duì)traits的理解：

"Think of a trait as a small object whose main purpose is to carry information used by another object or algorithm to determine "policy" or "implementation details". - Bjarne Stroustrup

而這個(gè)技術(shù)，在其他語(yǔ)言也有類似實(shí)現(xiàn)，比如go的interface，java的注解，反射機(jī)制等。

3. Template metaprogramming-TMP

隨著模板技術(shù)發(fā)展，模板元編程逐漸被人們發(fā)掘出來(lái)，metaprogramming本意是進(jìn)行源代碼生成的編程（代碼生成器），同時(shí)也是對(duì)編程本身的一種更高級(jí)的抽象，好比我們?cè)J(rèn)知這些概念，就是對(duì)學(xué)習(xí)本身更高級(jí)的抽象。TMP通過(guò)模板實(shí)現(xiàn)一套“新的語(yǔ)言”（條件，遞歸，初始化，變量等），由于模板是圖靈完備，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何可計(jì)算編程，把本來(lái)在運(yùn)行期實(shí)現(xiàn)部分功能可以移到編譯期實(shí)現(xiàn)，節(jié)省運(yùn)行時(shí)開銷，比如進(jìn)行循環(huán)展開，量綱分析等。

4. Policy-Based Class Design

C++ Policy class design 首見于 Andrei Alexandrescu 出版的 《Modern C++ Design》一書以及他在C/C++ Users Journal雜志專欄 Generic，參考wiki。通過(guò)把不同策略設(shè)計(jì)成獨(dú)立的類，然后通過(guò)模板參數(shù)對(duì)主類進(jìn)行配置,通常policy-base class design采用繼承方式去實(shí)現(xiàn)，這要求每個(gè)策略在設(shè)計(jì)的時(shí)候要相互獨(dú)立正交。STL還結(jié)合CRTP （Curiously recurring template pattern）等模板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)類似動(dòng)態(tài)多態(tài)（虛函數(shù)）的靜態(tài)多態(tài)，減少運(yùn)行開銷。

5. Generic Programming(泛型編程）

由于模板這種對(duì)類型強(qiáng)有力的抽象能力，能讓容器和算法更加通用，這一系列的編程手法，慢慢引申出一種新的編程范式：泛型編程。泛型編程是對(duì)類型的抽象接口進(jìn)行編程，STL庫(kù)就是泛型編程經(jīng)典范例。

C++模版的展望

1. 模版的代價(jià)

沒有任何事物是完美的，模板設(shè)計(jì)如此精良也有代價(jià)的，模板的代碼和通常的代碼比起來(lái)，

• 代碼可讀性差，理解門檻高

  一般人初學(xué)者很難看懂，開發(fā)和調(diào)試比較麻煩，對(duì)人員要求高，是跨越C++三座大山之一；

• 代碼實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性代價(jià)大

  對(duì)模板代碼，實(shí)際上很難覆蓋所有的測(cè)試，為了保證代碼的健壯性，需要大量高質(zhì)量的測(cè)試，各個(gè)平臺(tái)（編譯器）支持力度也不一樣（比如模板遞歸深度，模板特性等），可移植性不能完全保證。模板多個(gè)實(shí)例很有可能會(huì)隱式地增加二進(jìn)制文件的大小等，所以模板在某些情況下有一定代價(jià)，一定要在擅長(zhǎng)的地方發(fā)揮才能；

如何降低門檻，對(duì)初學(xué)者更友好，如何降低復(fù)雜性，這個(gè)是C++未來(lái)發(fā)展重要的方向?，F(xiàn)代c++正在追求讓模板，或者說(shuō)編譯期的計(jì)算和泛型約束變簡(jiǎn)單，constexpr，concept，fold expression，還有C++ 20一大堆consteval，constinit，constexpr virtual function,constexpr dynamic cast,constexpr container等等特性的加入就是為了解決這些問(wèn)題。曾經(jīng)的遞歸變成了普通的constexpr函數(shù)，曾經(jīng)的SFINAE變成了concept，曾經(jīng)的枚舉常量變成了constexpr常量，曾經(jīng)的遞歸展開變成了fold expression，越來(lái)越簡(jiǎn)單，友好了。

2. 基于模板的設(shè)計(jì)模式

隨著C++模板技術(shù)的發(fā)展，以及大量實(shí)戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，逐漸形成了一些基于模板的經(jīng)典設(shè)計(jì)，比如STL里面的特性（traits），策略（policy），標(biāo)簽（tag）等技法；Boost.MPL庫(kù)（高級(jí)C++模板元編程框架）設(shè)計(jì)；Andrei Alexandrescu 提出的Policy-Based Class Design；以及Jim Coplien的curiously recurring template pattern (CRTP)，以及衍生Mixin技法；或許未來(lái)，基于模板可以衍生更多的設(shè)計(jì)模式，而這些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)模式可以實(shí)現(xiàn)最大性能和零成本抽象，這個(gè)也是C++的核心精神。

3. 模板的未來(lái)

隨著模板衍生出來(lái)的泛型編程，模板元編程，模板函數(shù)式編程等理念的發(fā)展，將來(lái)也許會(huì)發(fā)展出更抽象，更通用編程理念。模板本身是圖靈完備的，所以可以結(jié)合C++其他特性，編譯期常量和常量表達(dá)式，編譯期計(jì)算，繼承，友元friend等開闊出更多優(yōu)雅的設(shè)計(jì)，比如元容器，類型擦除，自省和反射（靜態(tài)反射和metaclass）等，將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。