C++模版从精通到精神分裂

by - 赵岩

先做个广告置入，如果喜欢这篇文章，你可以到zhaoyan.website/blog 去查看于此类似的C/C++文章。 这是一篇写软件的文章，但是很硬，提前预警一下，女生不要看！

所有写C++的文章，如果没有源代码都是在耍流氓。闲话不说， May the source be with you!

这是一个教科书般经典的例子。介绍C++的继承和多态。 这里唯一需要重点强调的是：对函数LetAnimalTalk和vector<Animal*> va 来说，我们可以想象他们是客户。[face=黑体]通过继承把变化封装到基类的后面，这样使用基类接口的客户就不需要改动！[/face]对客户来说，无论基类后面怎么变化，你都影响不到我。例如，如果现在有一个经理狗加入了项目团队，你的LetAnimalTalk函数是不需要任何改变的。

So far so good! 现在看看引入模版后，发生了什么?

基本的应用场景是这样的。对于animal, 你可以用字符串来表示他的ID， 如果你想developer是不应该享有字符串名字的，那么你也可以用整型数来表示他的ID。上面整个的程序，如果你把main中换成下面的样子，除了猫会有点意见，其它一切都没有问题！

上面模版继承的一个最明显的弊端是语法变得更加臃肿和复杂了。例如，你不可能在子类中直接引用基类的变量了。如果你引用他，必须使用Animal ::id_这样的语法。背后的原因是当编译器编译Cat的时候，Animal是根本不存在的！具体的细节你可以看后面的参考文献1。 

另外的一个问题就是虚函数的效率问题。这种多态是发生在程序运行的时候，主要通过虚函数表进行调用分发。所以有一定的效率损失。下面我们再看另外一个例子。 由于猫不喜欢整型ID的名字，所以我们这里完全去掉这个feature，重点关注如何利用模版实现多态。

这段代码中，有几点注意一下： 1） 多态已经不需要用指针了，我们可以用引用来支持多态。

2）在函数LetAnimalTalk中，pa.talk()到底调用那一个 talkImplement是在编译的时候就决定了。这是一种静态多态技术。所以没有效率的损失。

3）但是函数LetAnimalTalk现在必须是模版函数，同时我们也失去了用vector同时保存Cat 和Developer的能力。这是效率提升带来的灵活性的损失！

4）这个是CRTP模式，更多介绍看参考文献2。翻译过来就是“好奇地不断追问自己！”这应该是一种精神分裂的明显的初期症状了。

目前为止，我们介绍了三个例子。还都遵循着一个基本的IS-A的逻辑关系。也就是说，Cat是一个Animal，Developer也是一个Animal。下面介绍三个IMPLEMENT-BY的逻辑关系。第一个例子完全没有使用继承。

1) 这段程序中，通过模版参数，在编译的时候就把不同的talk行为的实现方式传递给Animal类。这个方法在STL中运用的相当广泛。具体的例子像STL中的map类

其中， std::less就类似于我们上面的SayMiao。

2）由于导入的是某种行为，所有再叫做Cat就不合适了，所以这里把类的名字叫做SayMiao

为了实现IMPLEMENT-BY关系，我们也可以使用私有继承：

1) 有没有被 template class Animal: private T{ 这样的语法惊到！没关系，我们慢慢来。首先私有继承不是IS－A的关系。而是IMPLEMENT-BY的关系。关于什么时候使用私有继承，什么时候使用组合(composition) 。请看参考文献3。 

2)这种方式是Parameterised inheritance, 也是一种常见的设计模式，请看参考文献4

OK，最后的问题是，既然私有继承可以，共有继承行不行？在一个分裂的病人眼中，没啥是不行的！

1） 这就是在Modern C++ design中提到的Policy-Based design。一个小提示是：现在在Animal中已经不需要talk这个函数了。

上面我一共给出了六个程序。到 https://www.onlinegdb.com/ 把这六段代码拷贝进去，根据自己的理解和问题修改一下。“纸上得来终觉浅，绝知此事要运行”。 这其实是陆游给广大程序猿的一句忠告。 如果你有足够的耐心，你可以慢慢地深入的体会，这里好玩的东西还挺多的。由于篇章关系（主要是再展开我也不会了！）我就不多说了。

以上这六段程序，分别代表着六种不同的语法方式，表达出两种最基本的设计模式 IS－A还是IMPLEMENT－BY。首先，没有什么优劣之分，在不同的场景下，各有优缺点。另外，C++的模版完全不同于传统的C++编程。他的语法和想表达的语义有非常明显的分裂趋势，非常容易把传统的C++程序猿也搞分裂了。正所谓范型是C++最大的坑，但是不跳此坑，不足以谈人生！

如果没有看懂就算了！你完全可以说：“这个人已经疯了！” 这个我在标题中已经承认了！

参考文献

1）https://eli.thegreenplace.net/2012/02/06/dependent-name-lookup-for-c-templates

2）https://en.wikipedia.org/wiki/Curiously_recurring_template_pattern

3）https://isocpp.org/wiki/faq/private-inheritance#priv-inherit-vs-compos

4）https://blog.feabhas.com/2014/06/template-inheritance/

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原文链接：https://www.epubit.com/articleDetails?id=Neb1cdf2d-2c4d-49d4-87b9-10f2fe1e8409