一、編譯器如何處理模板

1.模板代碼的處理

為了理解模板的復(fù)雜性，你需要了解編譯器是如何處理模板代碼的。當(dāng)編譯器遇到模板方法定義時(shí)，它會(huì)進(jìn)行語(yǔ)法檢查，但實(shí)際上不會(huì)編譯模板。編譯器不能編譯模板定義，因?yàn)樗恢肋@些模板將用于哪些類(lèi)型。編譯器不可能為像 x = y 這樣的代碼生成代碼，而不知道 x 和 y 的類(lèi)型。

當(dāng)編譯器遇到模板的實(shí)例化，例如 Grid<int>，它會(huì)通過(guò)將類(lèi)模板定義中的每個(gè) T 替換為 int 來(lái)為 int 版本的 Grid 模板編寫(xiě)代碼。當(dāng)編譯器遇到模板的不同實(shí)例化，例如 Grid<SpreadsheetCell>，它會(huì)為 SpreadsheetCell 編寫(xiě)另一個(gè)版本的 Grid 類(lèi)。編譯器只是寫(xiě)出了如果沒(méi)有模板支持，你需要為每種元素類(lèi)型編寫(xiě)單獨(dú)類(lèi)時(shí)的代碼。這里沒(méi)有魔法；模板只是自動(dòng)化了一個(gè)煩人的過(guò)程。如果你在程序中沒(méi)有為任何類(lèi)型實(shí)例化類(lèi)模板，那么類(lèi)方法定義就永遠(yuǎn)不會(huì)被編譯。

這種實(shí)例化過(guò)程解釋了為什么你需要在定義的各個(gè)地方使用 Grid<T> 語(yǔ)法。當(dāng)編譯器為特定類(lèi)型（如 int）實(shí)例化模板時(shí)，它會(huì)將 T 替換為 int，使 Grid<int> 成為該類(lèi)型。

2.選擇性實(shí)例化

對(duì)于隱式類(lèi)模板實(shí)例化，如以下示例：

Grid<int> myIntGrid;

編譯器總是為類(lèi)模板的所有虛擬方法生成代碼。然而，對(duì)于非虛擬方法，編譯器只為你實(shí)際調(diào)用的那些非虛擬方法生成代碼。例如，給定前面的 Grid 類(lèi)模板，假設(shè)你在 main() 中寫(xiě)了這樣的代碼（僅此代碼）：

Grid<int> myIntGrid;
myIntGrid.at(0, 0) = 10;

編譯器僅為 int 版本的 Grid 生成無(wú)參數(shù)構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)和非 const 的 at() 方法。它不會(huì)生成其他方法，如拷貝構(gòu)造函數(shù)、賦值運(yùn)算符或 getHeight()。這被稱(chēng)為選擇性實(shí)例化。

存在的風(fēng)險(xiǎn)是，某些類(lèi)模板方法中的編譯錯(cuò)誤可能會(huì)被忽略。未使用的類(lèi)模板方法可能包含語(yǔ)法錯(cuò)誤，因?yàn)檫@些不會(huì)被編譯。這使得測(cè)試所有代碼的語(yǔ)法錯(cuò)誤變得困難。

你可以通過(guò)使用顯式模板實(shí)例化來(lái)強(qiáng)制編譯器為所有方法（虛擬和非虛擬）生成代碼。以下是一個(gè)示例：

template class Grid<int>;

注意：顯式模板實(shí)例化有助于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)樗鼜?qiáng)制編譯器編譯所有即使未使用的類(lèi)模板方法。使用顯式模板實(shí)例化時(shí)，不要只嘗試使用基本類(lèi)型（如 int）實(shí)例化類(lèi)模板，還要嘗試使用更復(fù)雜的類(lèi)型（如 string）。

二、模板對(duì)類(lèi)型的要求

1.類(lèi)型獨(dú)立的代碼編寫(xiě)

當(dāng)你編寫(xiě)與類(lèi)型無(wú)關(guān)的代碼時(shí)，必須對(duì)這些類(lèi)型做出某些假設(shè)。例如，在 Grid 類(lèi)模板中，你假設(shè)元素類(lèi)型（由 T 表示）是可銷(xiāo)毀的、可拷貝/移動(dòng)構(gòu)造的，以及可拷貝/移動(dòng)賦值的。

當(dāng)編譯器嘗試用不支持類(lèi)模板方法所使用的所有操作的類(lèi)型來(lái)實(shí)例化模板時(shí)，代碼將無(wú)法編譯，且錯(cuò)誤消息通常相當(dāng)晦澀難懂。

然而，即使你想使用的類(lèi)型不支持類(lèi)模板的所有方法所需的操作，你也可以利用選擇性實(shí)例化來(lái)使用某些方法而不是其他方法。

2.C++20 引入的概念（Concepts）

C++20 引入了概念（concepts），允許你為模板參數(shù)編寫(xiě)編譯器可以解釋和驗(yàn)證的要求。如果傳遞給模板實(shí)例化的模板參數(shù)不滿(mǎn)足這些要求，編譯器可以生成更易讀的錯(cuò)誤消息。后面將討論概念。

概念為模板編程增加了額外的類(lèi)型安全性，它通過(guò)為模板參數(shù)提供一個(gè)明確的接口合約來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方式不僅可以防止類(lèi)型不匹配的問(wèn)題，還可以改善模板錯(cuò)誤消息的可讀性，從而使模板代碼更容易維護(hù)和理解。

三、類(lèi)模板代碼的文件

在類(lèi)模板中，類(lèi)模板定義和方法定義必須對(duì)任何使用它們的源文件可用。有幾種機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

1.方法定義與類(lèi)模板定義在同一文件

你可以將方法定義直接放在定義類(lèi)模板本身的模塊接口文件中。當(dāng)你在另一個(gè)源文件中導(dǎo)入這個(gè)模塊以使用模板時(shí)，編譯器將能夠訪問(wèn)它所需的所有代碼。這種機(jī)制用于之前的 Grid 實(shí)現(xiàn)。

2.方法定義在單獨(dú)的文件

或者，你可以將類(lèi)模板方法定義放在一個(gè)單獨(dú)的模塊接口分區(qū)文件中。然后，你還需要將類(lèi)模板定義放在自己的分區(qū)中。例如，Grid 類(lèi)模板的主模塊接口文件可能如下所示：

export module grid;
export import :definition;
export import :implementation;

這導(dǎo)入并導(dǎo)出了兩個(gè)模塊分區(qū)：定義（definition）和實(shí)現(xiàn)（implementation）。類(lèi)模板定義在定義分區(qū)中定義：

export module grid:definition;
import <vector>;
import <optional>;
export template <typename T> class Grid { ... };

方法的實(shí)現(xiàn)位于實(shí)現(xiàn)分區(qū)中，該分區(qū)還需要導(dǎo)入定義分區(qū)，因?yàn)樗枰?nbsp;Grid 類(lèi)模板定義：

export module grid:implementation;
import :definition;
import <vector>;
...
export template <typename T> Grid<T>::Grid(size_t width, size_t height)
    : m_width { width }, m_height { height } { ... }