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大话C++模板编程的来龙去脉

计算机编程语言种类繁多,目前能够查询到的有 600 多种,常用的不超过 20 种,TIOBE 每个月都会发布世界编程语言排行榜,统计前 50 名编程语言的市场份额以及它们的变动趋势。该榜单反映了编程语言的热门程度,程序员可以据此来检查自己的开发技能是否跟得上趋势,公司或机构也可以据此做出战略调整。

这些编程语言根据不同的标准可以分为不同的种类,根据“在定义变量时是否需要显式地指明数据类型”可以分为强类型语言弱类型语言

1) 强类型语言

强类型语言在定义变量时需要显式地指明数据类型,并且一旦为变量指明了某种数据类型,该变量以后就不能赋予其他类型的数据了,除非经过强制类型转换或隐式类型转换。典型的强类型语言有 C/C++JavaC# 等。

下面的代码演示了如何在 C/C++ 中使用变量:
int a = 100;  //不转换
a = 12.34;  //隐式转换(直接舍去小数部分,得到12)
a = (int)"http://c.biancheng.net";  //强制转换(得到字符串的地址) 

下面的代码演示了如何在 Java 中使用变量:
int a = 100;  //不转换
a = (int)12.34;  //强制转换(直接舍去小数部分,得到12)
Java 对类型转换的要求比 C/C++ 更为严格,隐式转换只允许由低向高转,由高向低转必须强制转换。

2) 弱类型语言

弱类型语言在定义变量时不需要显式地指明数据类型,编译器(解释器)会根据赋给变量的数据自动推导出类型,并且可以赋给变量不同类型的数据。典型的弱类型语言有 JavaScript、Python、PHP、Ruby、Shell、Perl 等。

下面的代码演示了如何在 JavaScript 中使用变量:
var a = 100;  //赋给整数
a = 12.34;  //赋给小数
a = "http://c.biancheng.net";  //赋给字符串
a = new Array("JavaScript","React","JSON");  //赋给数组
var 是 JavaScript 中的一个关键字,表示定义一个新的变量,而不是数据类型。

下面的代码演示了如何在 PHP 中使用变量:
$a = 100;  //赋给整数
$a = 12.34;  //赋给小数
$a = "http://c.biancheng.net";  //赋给字符串
$a = array("JavaScript","React","JSON");  //赋给数组
$ 是一个特殊符号,所有的变量名都要以 $ 开头。PHP 中的变量不用特别地定义,变量名首次出现即视为定义。
这里的强类型和弱类型是站在变量定义和类型转换的角度讲的,并把 C/C++ 归为强类型语言。另外还有一种说法是站在编译和运行的角度,并把 C/C++ 归为弱类型语言。本节我们只关注第一种说法。
类型对于编程语言来说非常重要,不同的类型支持不同的操作,例如class Student类型的变量可以调用 display() 方法,int类型的变量就不行。不管是强类型语言还是弱类型语言,在编译器(解释器)内部都有一个类型系统来维护变量的各种信息。

对于强类型的语言,变量的类型从始至终都是确定的、不变的,编译器在编译期间就能检测某个变量的操作是否正确,这样最终生成的程序中就不用再维护一套类型信息了,从而减少了内存的使用,加快了程序的运行。

不过这种说法也不是绝对的,有些特殊情况还是要等到运行阶段才能确定变量的类型信息。比如 C++ 中的多态,编译器在编译阶段会在对象内存模型中增加虚函数表、type_info 对象等辅助信息,以维护一个完整的继承链,等到程序运行后再执行一段代码才能确定调用哪个函数,这在《C++多态与虚函数》一章中进行了详细讲解。

对于弱类型的语言,变量的类型可以随时改变,赋予它什么类型的数据它就是什么类型,编译器在编译期间不好确定变量的类型,只有等到程序运行后、真的赋给变量一个值了,才能确定变量当前是什么类型,所以传统的编译对弱类型语言意义不大,因为即使编译了也有很多东西确定不下来。

弱类型语言往往是一边执行一边编译,这样可以根据上下文(可以理解为当前的执行环境)推导出很多有用信息,让编译更加高效。我们将这种一边执行一边编译的语言称为解释型语言,而将传统的先编译后执行的语言称为编译型语言

强类型语言较为严谨,在编译时就能发现很多错误,适合开发大型的、系统级的、工业级的项目;而弱类型语言较为灵活,编码效率高,部署容易,学习成本低,在 Web 开发中大显身手。另外,强类型语言的 IDE 一般都比较强大,代码感知能力好,提示信息丰富;而弱类型语言一般都是在编辑器中直接书写代码。

为了展示弱类型语言的灵活,我们以 PHP 为例来实现上节中的 Point 类,让它可以处理整数、小数以及字符串:
class Point{
    public function Point($x, $y){  //构造函数
        $this -> m_x = $x;
        $this -> m_y = $y;
    }

    public function getX(){
        return $this -> m_x;
    }

    public function getY(){
        return $this -> m_y;
    }

    public function setX($x){
        $this -> m_x = $x;
    }

    public function setY($y){
        $this -> m_y = $y;
    }

    private $m_x;
    private $m_y;
}

$p = new Point(10, 20);  //处理整数
echo $p->getX() . ", " . $p->getY() . "<br />";

$p = new Point(24.56, "东京180度");  //处理小数和字符串
echo $p->getX() . ", " . $p->getY() . "<br />";

$p = new Point("东京180度", "北纬210度");  //处理字符串
echo $p->getX() . ", " . $p->getY() . "<br />";
运行结果:
10, 20
24.56, 东京180度
东京180度, 北纬210度

看,PHP 不需要使用模板就可以处理多种类型的数据,它天生对类型就不敏感。C++ 就不一样了,它是强类型的,比较“死板”,所以后来 C++ 开始支持模板了,主要就是为了弥补强类型语言“不够灵活”的缺点。

模板所支持的类型是宽泛的,没有限制的,我们可以使用任意类型来替换,这种编程方式称为泛型编程(Generic Programming)。相应地,可以将参数 T 看做是一个泛型,而将 int、float、string 等看做是一种具体的类型。除了 C++,Java、C#、Pascal(Delphi)也都支持泛型编程。

C++ 模板也是被迫推出的,最直接的动力来源于对数据结构的封装。数据结构关注的是数据的存储,以及存储后如何进行增加、删除、修改和查询操作,它是一门基础性的学科,在实际开发中有着非常广泛的应用。C++ 开发者们希望为线性表、链表、图、树等常见的数据结构都定义一个类,并把它们加入到标准库中,这样以后程序员就不用重复造轮子了,直接拿来使用即可。

但是这个时候遇到了一个无法解决的问题,就是数据结构中每份数据的类型无法提前预测。以链表为例,它的每个节点可以用来存储小数、整数、字符串等,也可以用来存储一名学生、教师、司机等,还可以直接存储二进制数据,这些都是可以的,没有任何限制。而 C++ 又是强类型的,数据的种类受到了严格的限制,这种矛盾是无法调和的。

要想解决这个问题,C++ 必须推陈出新,跳出现有规则的限制,开发新的技术,于是模板就诞生了。模板虽然不是 C++ 的首创,但是却在 C++ 中大放异彩,后来也被 Java、C# 等其他强类型语言采用。

C++ 模板有着复杂的语法,可不仅仅是前面两节讲到的那么简单,它的话题可以写一本书。C++ 模板也非常重要,整个标准库几乎都是使用模板来开发的,STL 更是经典之作。
STL(Standard Template Library,标准模板库)就是 C++ 对数据结构进行封装后的称呼。

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