掌握C++模板的艺术:类型参数、默认值和自动推导

掌握C++模板的艺术:类型参数、默认值和自动推导

模板参数

类型模板参数

在 Grid 示例中，Grid 模板有一个模板参数：存储在网格中的类型。编写类模板时，您需要在尖括号内指定参数列表，例如：

template <typename T>

这个参数列表类似于函数或方法中的参数列表。与函数和方法一样，你可以编写具有任意多个模板参数的类。此外，这些参数不必是类型，它们可以有默认值。

非类型模板参数

非类型参数是普通参数，如整数和指针——这类参数你可能已经在函数和方法中很熟悉了。然而，非类型模板参数只能是整型（char、int、long 等）、枚举类型、指针、引用、std::nullptr_t、auto、auto& 和 auto*。C++20 还允许浮点类型和类类型的非类型模板参数。后者有很多限制，在本文中不再详细讨论。

在 Grid 类模板中，你可以使用非类型模板参数来指定网格的高度和宽度，而不是在构造函数中指定。在模板列表中指定非类型参数而不是在构造函数中指定的主要优点是这些值在代码编译之前就已知。回想一下，编译器通过在编译之前替换模板参数来生成模板实例的代码。因此，你可以在实现中使用普通的二维数组，而不是动态调整大小的向量数组。以下是带有更改的新类定义：

export template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
class Grid {
public:Grid() = default;virtual ~Grid() = default;// 明确默认复制构造函数和赋值运算符。Grid(const Grid& src) = default;Grid& operator=(const Grid& rhs) = default;std::optional<T>& at(size_t x, size_t y);const std::optional<T>& at(size_t x, size_t y) const;size_t getHeight() const { return HEIGHT; }size_t getWidth() const { return WIDTH; }private:void verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const;std::optional<T> m_cells[WIDTH][HEIGHT];
};

注意，模板参数列表需要三个参数：存储在网格中的对象类型，以及网格的宽度和高度。宽度和高度用于创建存储对象的二维数组。下面是类方法的定义：

// 类方法定义
template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
void Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const {if (x >= WIDTH) {throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", x, WIDTH) };}if (y >= HEIGHT) {throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", y, HEIGHT) };}
}template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
const std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) const {verifyCoordinate(x, y);return m_cells[x][y];
}template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) {return const_cast<std::optional<T>&>(std::as_const(*this).at(x, y));
}

注意，之前你在哪里指定了 Grid<T>，现在你必须指定 Grid<T, WIDTH, HEIGHT> 来指定三个模板参数。你可以这样实例化并使用这个模板：

Grid<int,10, 10> myGrid;
Grid<int, 10, 10> anotherGrid;
myGrid.at(2, 3) = 42;
anotherGrid = myGrid;
cout << anotherGrid.at(2, 3).value_or(0);

这段代码看起来很棒，但不幸的是，存在比你最初预期的更多限制。首先，你不能使用非常量整数来指定高度或宽度。以下代码无法编译：

size_t height { 10 };
Grid<int, 10, height> testGrid; // 无法编译

然而，如果你将高度定义为常量，则可以编译：

const size_t height { 10 };
Grid<int, 10, height> testGrid; // 可编译并工作

具有正确返回类型的 constexpr 函数也可以工作。例如，如果你有一个返回 size_t 的 constexpr 函数，你可以用它来初始化高度模板参数：

constexpr size_t getHeight() { return 10; }
...
Grid<double, 2, getHeight()> myDoubleGrid;

第二个限制可能更重要。现在宽度和高度是模板参数，它们是每个网格类型的一部分。这意味着 Grid<int,10,10> 和 Grid<int,10,11> 是两种不同的类型。你不能将一种类型的对象赋值给另一种类型的对象，也不能将一种类型的变量传递给期望另一种类型变量的函数或方法。

注意：非类型模板参数成为实例化对象类型规范的一部分。

类模板参数的默认值

设置高度和宽度的默认值

如果您继续使用高度和宽度作为模板参数的方法，您可能想为 Grid<T> 类构造函数中之前的高度和宽度非类型模板参数提供默认值。C++ 允许您使用类似的语法为模板参数提供默认值。同时，您也可以为 T 类型参数提供默认值。下面是类定义：

export template <typename T = int, size_t WIDTH = 10, size_t HEIGHT = 10>
class Grid {// 其余部分与之前版本相同
};

在方法定义的模板规范中，您不需要为 T、WIDTH 和 HEIGHT 指定默认值。例如，这是 at() 方法的实现：

template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
const std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) const {verifyCoordinate(x, y);return m_cells[x][y];
}

现在，您可以在没有任何模板参数的情况下实例化 Grid，只需指定元素类型，元素类型和宽度，或元素类型、宽度和高度：

Grid<> myIntGrid;
Grid<int> myGrid;
Grid<int, 5> anotherGrid;
Grid<int, 5, 5> aFourthGrid;

请注意，如果您不指定任何类模板参数，您仍然需要指定一组空的尖括号。例如，以下代码无法编译！

Grid myIntGrid;

类模板参数列表中默认参数的规则与函数或方法相同；也就是说，您可以从右边开始为参数提供默认值。

类模板参数推导（CTAD）

自动推导模板参数

类模板参数推导允许编译器自动从传递给类模板构造函数的参数推导出模板参数。例如，标准库中有一个名为 std::pair 的类模板，在 <utility> 中定义，并在第1章中介绍。pair 存储两个可能不同类型的值，通常需要指定为模板参数。例如：

pair<int, double> pair1 { 1, 2.3 };

为了避免编写模板参数，可以使用一个名为 std::make_pair() 的辅助函数模板。编写自己的函数模板的细节将在本章后面讨论。函数模板一直支持基于传递给函数模板的参数自动推导模板参数。因此，make_pair() 能够根据传递给它的值自动推导出模板类型参数。例如，编译器为以下调用推导出 pair<int, double>：

auto pair2 { make_pair(1, 2.3) };

使用类模板参数推导（CTAD），不再需要这样的辅助函数模板。编译器现在会根据传递给构造函数的参数自动推导出模板类型参数。对于 pair 类模板，您可以简单地编写以下代码：

pair pair3 { 1, 2.3 }; // pair3 的类型为 pair<int, double>

当然，这仅在类模板的所有模板参数要么具有默认值，要么用作构造函数中的参数，从而可以推导出来时才有效。请注意，CTAD 要求有一个初始化器才能工作。以下是非法的：

pair pair4;

许多标准库类支持 CTAD，例如 vector、array 等。

注意：这种类型推导对 std::unique_ptr 和 shared_ptr 无效。您向它们的构造函数传递 T*，这意味着编译器必须在推导 <T> 或 <T[]> 之间选择，如果选错了就会很危险。因此，请记住，对于 unique_ptr 和 shared_ptr，您需要继续使用 make_unique() 和 make_shared()。

用户定义的推导指南

您也可以编写自己的用户定义推导指南来帮助编译器。这些指南允许您编写模板参数如何被推导的规则。这是一个高级主题，所以不会详细讨论，但会给出一个示例来展示它们的强大功能。假设您有以下 SpreadsheetCell 类模板：

template <typename T>
class SpreadsheetCell {
public:SpreadsheetCell(T t) : m_content { move(t) } { }const T& getContent() const { return m_content; }private:T m_content;
};

使用自动模板参数推导，您可以创建一个 std::string 类型的 SpreadsheetCell：

string myString { "Hello World!" };
SpreadsheetCell cell { myString };

然而，如果您将 const char* 传递给 SpreadsheetCell 构造函数，则类型 T 被推导为 const char*，这不是您想要的！您可以创建以下用户定义的推导指南，当向构造函数传递 const char* 作为参数时，使其将 T 推导为 std::string：

SpreadsheetCell(const char*) -> SpreadsheetCell<std::string>;

这个指南必须在类定义

之外但在与 SpreadsheetCell 类相同的命名空间内定义。通用语法如下。explicit 关键字是可选的，其行为与构造函数的 explicit 相同。通常，这样的推导指南也是模板。

explicit TemplateName(Parameters) -> DeducedTemplate;