C++中用函數(shù)模板實現(xiàn)和優(yōu)化抽象操作

2019-11-17 05:10:51

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供稿：網(wǎng)友

摘要：本文介紹函數(shù)模板的概念、用途以及如何創(chuàng)建函數(shù)模板和函數(shù)模板的使用方法......

　　在創(chuàng)建完成抽象操作的函數(shù)時，如：拷貝，反轉(zhuǎn)和排序，你必須定義多個版本以便能處理每一種數(shù)據(jù)類型。以 max() 函數(shù)為例，它返回兩個參數(shù)中的較大者：

double max(double first, double second);
complex max(complex first, complex second);
date max(date first, date second);

//..該函數(shù)的其它版本
　　盡管這個函數(shù)針對不同的數(shù)據(jù)類型其實現(xiàn)都是一樣的，但程序員必須為每一種數(shù)據(jù)類型定義一個單獨的版本：

double max(double first, double second)
{
　return first＞second? first : second;
}

complex max(complex first, complex second)
{
　return first＞second? first : second;
}

date max(date first, date second)
{
　return first＞second? first : second;
}
　　這樣不但重復(fù)勞動，輕易出錯，而且還帶來很大的維護(hù)和調(diào)試工作量。更糟的是，即使你在程序中不使用某個版本，其代碼仍然增加可執(zhí)行文件的大小，大多數(shù)編譯器將不會從可執(zhí)行文件中刪除未引用的函數(shù)。

　　用普通函數(shù)來實現(xiàn)抽象操作會迫使你定義多個函數(shù)實例，從而招致不小的維護(hù)工作和調(diào)試開銷。解決辦法是使用函數(shù)模板代替普通函數(shù)。

　　使用函數(shù)模板

　　函數(shù)模板解決了上述所有的問題。類型無關(guān)并且只在需要時自動實例化。本文下面將展示如何定義函數(shù)模板以便抽象通用操作，示范其使用方法并討論優(yōu)化技術(shù)。

　　第一步：定義

　　函數(shù)模板的聲明是在要害字 template 后跟隨一個或多個模板在尖括弧內(nèi)的參數(shù)和原型。與普通函數(shù)相對，它通常是在一個轉(zhuǎn)換單元里聲明，而在另一個單元中定義，你可以在某個頭文件中定義模板。例如：

// file max.h
#ifndef MAX_INCLUDED
#define MAX_INCLUDED
template ＜class T＞ T max(T t1, T t2)
{
　return (t1 ＞ t2) ? t1 : t2;
}
#endif
　　＜class T＞定義 T 作為模板參數(shù)，或者是占位符，當(dāng)實例化 max()時，它將替代具體的數(shù)據(jù)類型。max 是函數(shù)名，t1和t2是其參數(shù)，返回值的類型為 T。你可以像使用普通的函數(shù)那樣使用這個 max()。編譯器按照所使用的數(shù)據(jù)類型自動產(chǎn)生相應(yīng)的模板特化，或者說是實例：

int n=10,m=16;
int highest = max(n,m); // 產(chǎn)生 int 版本

std::complex＜double＞ c1, c2;
//.. 給 c1,c2 賦值
std::complex＜double＞ higher=max(c1,c2); // complex 版本
　　第二步：改進(jìn)設(shè)計

　　上述的 max() 的實現(xiàn)還有些土氣——參數(shù)t1和t2是用值來傳遞的。對于像 int，float 這樣的內(nèi)建數(shù)據(jù)類型來說不是什么問題。但是，對于像std::complex 和 std::sting這樣的用戶定義的數(shù)據(jù)類型來說，通過引用來傳遞參數(shù)會更有效。此外，因為 max() 會認(rèn)為其參數(shù)是不會被改變的，我們應(yīng)該將 t1和t2聲明為 const （常量）。下面是 max() 的改進(jìn)版本：

template ＜class T＞ T max(const T& t1, const T& t2)
{
　return (t1 ＞ t2) ? t1 : t2;
}
　　額外的性能問題

　　很幸運，標(biāo)準(zhǔn)模板庫或 STL 已經(jīng)在＜algorithm＞里定義了一個叫 std::max()的算法。因此，你不必重新發(fā)明。讓我們考慮更加現(xiàn)實的例子，即字節(jié)排序。眾所周知，TCP/ip 協(xié)議在傳輸多字節(jié)值時，要求使用 big endian 字節(jié)次序。因此，big endian 字節(jié)次序也被稱為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)次序（network byte order）。假如目的主機(jī)使用 little endian 次序，必須將所有過來的所字節(jié)值轉(zhuǎn)換成 little endian 次序。同樣，在通過 TCP/IP 傳輸多字節(jié)值之前，主機(jī)必須將它們轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)次序。你的 socket 庫聲明四個函數(shù)，它們負(fù)責(zé)主機(jī)字節(jié)次序和網(wǎng)絡(luò)字節(jié)次序之間的轉(zhuǎn)換：

unsigned int htonl (unsigned int hostlong);
unsigned short htons (unsigned short hostshort);
unsigned int ntohl (unsigned int netlong);
unsigned short ntohs (unsigned short netshort);
　　這些函數(shù)實現(xiàn)相同的操作：反轉(zhuǎn)多字節(jié)值的字節(jié)。其唯一的差別是方向性以及參數(shù)的大小。非常適合模板化。使用一個模板函數(shù)來替代這四個函數(shù)，我們可以定義一個聰明的模板，它會處理所有這四種情況以及更多種情形：

template ＜class T＞ T byte_reverse(T val);
　　為了確定 T 實際的類型，我們使用 sizeof 操作符。此外，我們還使用 STL 的 std::reverse 算法來反轉(zhuǎn)值的字節(jié)：

template ＜class T＞ T byte_reverse(T val)
{
　// 將 val 作為字節(jié)流
　unsigned char *p=reinterPRet_cast＜unsigned char*＞ (&val);
　std::reverse(p, p+sizeof(val));
　return val;
}
　　使用方法

　　byte_reverse() 模板處理完全適用于所有情況。而且，它還可以不必修改任何代碼而靈活地應(yīng)用到其它原本（例如：64 位和128位）不支持的類型：

int main()
{
　int n=1;
　short k=1;
　__int64 j=2, i;
　int m=byte_reverse(n);// reverse int
　int z=byte_reverse(k);// reverse short
　k=byte_reverse(k); // un-reverse k
　i=byte_reverse(j); // reverse __int64
}
　　注：模板使用不當(dāng)會影響.exe 文件的大小，也就是常見的代碼浮腫問題。