用函数模板实现和优化抽象操作

用函数模板实现和优化抽象操作

作者：Danny Kalev
编译：MTT 工作室

原文出处：Optimize Abstract Operations with Function Templates

　　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。

作者简介
　　Danny Kalev 是一名通过认证的系统分析师，专攻 C++ 和形式语言理论的软件工程师。1997 年到 2000 年期间，他是 C++ 标准委员会成员。最近他以优异成绩完成了他在普通语言学研究方面的硕士论文。 业余时间他喜欢听古典音乐，阅读维多利亚时期的文学作品，研究 Hittite、Basque 和 Irish Gaelic 这样的自然语言。其它兴趣包括考古和地理。Danny 时常到一些 C++ 论坛并定期为不同的 C++ 网站和杂志撰写文章。他还在教育机构讲授程序设计语言和应用语言课程。