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C++中用函数模板实现和优化抽象操作

(加入日期: 2005-11-03 )

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    本文介绍函数模板的概念、用途以及如何创建函数模板和函数模板的使用方法......

  在创建完成抽象操作的函数时,如:拷贝,反转和排序,你必须定义多个版本以便能处理每一种数据类型。以 max() 函数为例,它返回两个参数中的较大者:

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

//..该函数的其它版本

  尽管这个函数针对不同的数据类型其实现都是一样的,但程序员必须为每一种数据类型定义一个单独的版本:

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;
}

  这样不但重复劳动,容易出错,而且还带来很大的维护和调试工作量。更糟的是,即使你在程序中不使用某个版本,其代码仍然增加可执行文件的大小,大多数编译器将不会从可执行文件中删除未引用的函数。

  用普通函数来实现抽象操作会迫使你定义多个函数实例,从而招致不小的维护工作和调试开销。解决办法是使用函数模板代替普通函数。

  使用函数模板

  函数模板解决了上述所有的问题。类型无关并且只在需要时自动实例化。本文下面将展示如何定义函数模板以便抽象通用操作,示范其使用方法并讨论优化技术。

  第一步:定义

  函数模板的声明是在关键字 template 后跟随一个或多个模板在尖括弧内的参数和原型。与普通函数相对,它通常是在一个转换单元里声明,而在另一个单元中定义,你可以在某个头文件中定义模板。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> 定义 T 作为模板参数,或者是占位符,当实例化 max()时,它将替代具体的数据类型。max 是函数名,t1和t2是其参数,返回值的类型为 T。你可以像使用普通的函数那样使用这个 max()。编译器按照所使用的数据类型自动产生相应的模板特化,或者说是实例:

int n=10,m=16;
int highest = max(n,m); // 产生 int 版本

std::complex<double> c1, c2;
//.. 给 c1,c2 赋值
std::complex<double> higher=max(c1,c2); // complex 版本  

  第二步:改进设计

  上述的 max() 的实现还有些土气——参数t1和t2是用值来传递的。对于像 int,float 这样的内建数据类型来说不是什么问题。但是,对于像std::complex 和 std::sting这样的用户定义的数据类型来说,通过引用来传递参数会更有效。此外,因为 max() 会认为其参数是不会被改变的,我们应该将 t1和t2声明为 const (常量)。下面是 max() 的改进版本:

template <class T> T max(const T& t1, const T& t2)
{
 return (t1 > t2) ? t1 : t2;
}

  额外的性能问题

  很幸运,标准模板库或 STL 已经在 <algorithm> 里定义了一个叫 std::max()的算法。因此,你不必重新发明。让我们考虑更加现实的例子,即字节排序。众所周知,TCP/IP 协议在传输多字节值时,要求使用 big endian 字节次序。因此,big endian 字节次序也被称为网络字节次序(network byte order)。如果目的主机使用 little endian 次序,必须将所有过来的所字节值转换成 little endian 次序。同样,在通过 TCP/IP 传输多字节值之前,主机必须将它们转换成网络字节次序。你的 socket 库声明四个函数,它们负责主机字节次序和网络字节次序之间的转换:

unsigned int htonl (unsigned int hostlong);
unsigned short htons (unsigned short hostshort);
unsigned int ntohl (unsigned int netlong);
unsigned short ntohs (unsigned short netshort);  

  这些函数实现相同的操作:反转多字节值的字节。其唯一的差别是方向性以及参数的大小。非常适合模板化。使用一个模板函数来替代这四个函数,我们可以定义一个聪明的模板,它会处理所有这四种情况以及更多种情形:

template <class T> T byte_reverse(T val);

  为了确定 T 实际的类型,我们使用 sizeof 操作符。此外,我们还使用 STL 的 std::reverse 算法来反转值的字节:

template <class T> T byte_reverse(T val)
{
 // 将 val 作为字节流
 unsigned char *p=reinterpret_cast<unsigned char*> (&val);
 std::reverse(p, p+sizeof(val));
 return val;
}

  使用方法

  byte_reverse() 模板处理完全适用于所有情况。而且,它还可以不必修改任何代码而灵活地应用到其它原本(例如:64 位和128位)不支持的类型:

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:模板使用不当会影响.exe 文件的大小,也就是常见的代码浮肿问题。

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