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移除书签第14章 宏和模板简介
现在，读者应对基本的C++语法有深入认识，能够理解使用C++编写的程序，为学习有助于高效编写程序的语言特性做好了准备。
在本章中，您将学习：
• 预处理器简介；
• 关键字#define与宏；
• 模板简介；
• 如何编写函数模板和模板类；
• 宏和模板之间的区别；
• 使用C++11新增的static_assert进行编译阶段检查。
14.1 预处理器与编译器
在第 2 章，您首次接触到了预处理器。顾名思义，预处理器在编译器之前运行，换句话说，预处理器根据程序员的指示，决定实际要编译的内容。预处理器编译指令都以#打头，例如：
本章重点介绍上述代码演示的两种预处理器编译指令，一是使用#define定义常量，二是使用#define定义宏函数。这两个编译指令都告诉编译器，将每个宏实例（ARRAY_LENGTH或SQUARE）替换为其定义的值。
宏也进行文本替换。预处理器只是就地将标识符替换为指定的文本。
14.2 使用#define定义常量
使用#define定义常量的语法非常简单：
例如，要定义将被替换为25的常量ARRAY_LENGTH，可使用如下代码：
这样，每当预处理器遇到标识符ARRAY_LENGTH时，都会将其替换为25。
对于上述三行代码，预处理器运行完毕后，编译器看到的代码如下：
替换将在所有代码中进行，包括下面这样的for循环：
编译器看到的上述循环如下：
要准确地了解#define宏的工作原理，请参阅程序清单14.1。
程序清单14.1 声明并使用定义常量的宏
输出：
分析：
第 3～7 行定义了 4 个宏常量：ARRAY_LENGTH、PI、MY_DOUBLE 和 FAV_WHISKY。正如您看到的，第11行使用了常量ARRAY_LENGTH来指定数组的长度，而第12行使用了运算符sizeof()间接地核实数组长度。第15行使用MY_DOUBLE声明了类型为double的变量Radius，而第17行使用了PI来计算圆的面积。最后，第19行使用了FAV_WHISKY来初始化一个std::string对象，而第20行在cout语句中直接使用了该常量。所有这些语句都表明，预处理器只是进行文本替换。
程序清单14.1大量地使用了“死板的”文本替换，但这种文本替换也有缺点。
预处理器进行死板的文本替换，这减轻了您的负担，但并非总能减轻编译器的负担。在程序清单14.1的第7行中，如果您这样定义FAV_WHISKY：
则第19行实例化std::string的代码将导致编译错误。但如果没有这行代码，该程序将通过编译，并打印如下内容：
这样的输出显然不符合逻辑，而最重要的是，编译器却没有检测到这一点。另外，对于使用宏定义的常量PI，您没有太大的控制权：其类型是double还是float？答案是都不是。在预处理器看来，PI就是3.1416，根本不知道其数据类型。
定义常量时，更好的选择是使用关键字const和数据类型，因此下面的定义好得多：
14.2.1 使用宏避免多次包含
C++程序员通常在.h文件（头文件）中声明类和函数，并在.cpp文件中定义函数，因此需要在.cpp文件中使用预处理器编译指令#include <header>来包含头文件。如果在头文件 class1.h中声明了一个类，而这个类将class2.h中声明的类作为其成员，则需要在class1.h中包含class2.h。如果设计非常复杂，即第二个类需要第一个类，则在class2.h中也需要包含class1.h！
然而，在预处理器看来，两个头文件彼此包含对方会导致递归问题。为避免这种问题，可结合使用宏以及预处理器编译指令#ifndef和#endif。
包含<header2.h>的head1.h类似于下面这样：
header2.h与此类似，但宏定义不同，且包含的是<header1.h>：
#ifndef可读作if-not-defined。这是一个条件处理命令，让预处理器仅在标识符未定义时才继续。#endif告诉预处理器，条件处理指令到此结束。
因此，预处理器首次处理header1.h并遇到#ifndef后，发现宏HEADER1H还未定义，因此继续处理。#ifndef后面的第一行定义了宏HEADER1H，确保预处理器再次处理该文件时，将在遇到包含#ifndef的第一行时结束，因为其中的条件为false。header2.h与此类似。在C++编程领域，这种简单的机制无疑是最常用的宏功能之一。
14.3 使用#define编写宏函数
预处理器对宏指定的文本进行简单替换，因此也可以使用宏来编写简单的函数，例如：
这个宏计算平方值。同样，计算圆面积的宏类似于下面这样：
宏函数通常用于执行非常简单的计算。相比于常规函数调用，宏函数的优点在于，它们将在编译前就地展开，因此在有些情况下有助于改善代码的性能。程序清单 14.2 演示了如何使用这些宏函数。
程序清单14.2 使用计算平方值、圆面积、最小值和最大值的宏函数
输出：
分析：
第4～8行包含几个宏函数，它们分别计算平方值、圆面积以及两个数中的最大值和最小值。注意到第6行的AREA_CIRCLE使用了宏常量PI来计算圆面积，这表明一个宏可使用另一个宏。毕竟，宏是向预处理器发出的文本替换命令。下面来分析使用MIN宏的第25行：
编译器进行编译时，这行代码变成了下面这样，即将宏就地展开了：
宏不考虑数据类型，因此使用宏函数很危险。例如，理想情况下，AREA_CIRCLE的返回类型应为double，这样可确保返回的圆面积的精度，使其不依赖于半径的精度。
再来看一下计算圆面积的宏：
上述代码比较古怪，使用了大量的括号。而在程序清单7.1中，函数Area()的代码如下：
编写宏时使用了大量括号，而在函数中，同样的公式看起来完全不同。这是为什么呢？原因在于宏的计算方式——预处理器支持的文本替换机制。
请看下面的宏，它省略了大部分括号：
如果使用类似于下面的语句调用这个宏，结果将如何呢？
展开后，编译器看到的语句如下：
根据运算符优先级，将先执行乘法运算，再执行加法运算，因此编译器将这样计算面积：
在省略了括号的情况下，简单的文本替换破坏了编程逻辑！使用括号有助于避免这种问题：
经过替换后，编译器看到的表达式如下：
通过使用括号，让宏代码不受运算符优先级的影响，从而能够正确地计算面积。
编写程序后，立即单步执行以测试每种路径很不错，但可能不现实。比较现实的做法是，插入检查语句，对表达式或变量的值进行验证。
assert宏让您能够完成这项任务。要使用assert宏，需要包含<assert.h>，其语法如下：
下面是一个示例，它使用assert()来验证指针的值：
assert()在指针无效时将指出这一点。为演示这一点，我将 sayHello 初始化为 NULL，并在调试模式下执行，Visual Studio弹出了如图 14.1所示的窗口。
图14.1 使用assert检查无效指针的结果
在Microsoft Visual Studio中，assert()让您能够单击“重试”按钮返回应用程序，而调用栈将指出哪行代码没有通过断言测试。这让assert()成为一项方便的调试功能；例如，可使用assert对函数的输入参数进行验证。长期而言，assert有助于改善代码的质量，强烈推荐使用它。
在大多数开发环境中，assert()通常在发布模式下被禁用，因此它仅在调试模式下显示错误消息。
另外，在有些开发环境中，assert()被实现为函数，而不是宏。
由于断言在发布模式下不可用，对于对应用程序正确运行至关重要的检查（如检查dynamic_cast的返回值），为确保它们在发布模式下也会执行，应使用if语句，这很重要。断言可帮助您找出问题，但不能因此不再代码中对指针做必要的检查。
宏函数可用于不同的变量类型。再来看一下程序清单14.2中的下述代码行：
可将宏函数MIN用于整型：
也可将其用于双精度数：
如果MIN()为常规函数，必须编写两个不同的版本：MIN_INT()和MIN_DOUBLE()，前者接受int参数并返回一个int值，而后者接受double参数并返回一个double值。使用宏函数减少了代码行，这是一种细微的优势，诱使某些程序员使用宏来定义简单函数。宏函数将在编译前就地展开，因此简单宏的性能由于常规函数调用。这是因为函数调用要求创建调用栈、传递参数等，这些开销占用的CPU时间通常比MIN执行的计算还多。
虽然具备这些优点，宏也存在严重的问题，那就是不支持任何形式的类型安全。另外，复杂的宏调试起来也不容易。
如果需要编写独立于类型的泛型函数，又要确保类型安全，可使用模板函数，而不是宏函数。如果要改善性能，可将函数声明为内联的。
第7章介绍过，要编写内联函数，可使用关键字inline，如程序清单7.10所示。
现在该学习使用模板进行泛型编程了。
14.4 模板简介
模板可能是C++语言中最强大却最少被使用（或被理解）的特性之一。
在 C++中，模板让程序员能够定义一种适用于不同类型的对象的行为。这听起来有点像宏（参见前面用于判断两个数中哪个更大的简单宏MAX），但宏不是类型安全的，而模板是类型安全的。
模板声明以关键字template打头，接下来是类型参数列表。这种声明的格式如下：
关键字 template标志着模板声明的开始，接下来是模板参数列表。该参数列表包含关键字typename，它定义了模板参数objectType，objectType是一个占位符，针对对象实例化模板时，将使用对象的类型替换它。
上述代码演示了一个模板函数和一个模板类，它们都接受两个模板参数：T1和T2，其中T2的类型默认为T1。
模板声明可以是：
• 函数的声明或定义；
• 类的定义或声明；
• 类模板的成员函数或成员类的声明或定义；
• 类模板的静态数据成员的定义；
• 嵌套在类模板中的类的静态数据成员的定义；
• 类或类模板的成员模板的定义。
假设要编写一个函数，它适用于不同类型的参数，为此可使用模板语法！下面来分析一个模板声明，它与前面讨论的MAX宏等价——返回两个参数中较大的一个：
下面是一个使用该模板的示例：
注意到调用GetMax时使用了<int>，这将模板参数objectType指定为int。上述代码将导致编译器生成模板函数GetMax的两个版本，如下所示：
然而，实际上调用模板函数时并非一定要指定类型，因此下面的函数调用没有任何问题：
在这种情况下，编译器很聪明，知道这是针对整型调用模板函数，如程序清单14.3所示。然而，对于模板类，必须显式地指定类型。
程序清单14.3 模板函数GetMax，它返回两个参数中较大的一个
输出：
分析：
该程序清单包含两个模板函数：第4～11行的GetMax()；第13～18行的DisplayComparison()，它使用了GetMax()。在main()函数中，第23、26和29行表明，可将同一个模板函数用于不同类型的数据：int、double 和 std::string。模板函数不仅可以重用（就像宏函数一样），而且更容易编写和维护，还是类型安全的。
请注意，调用DisplayComparison时，也可显式地指定类型，如下所示：
然而，调用模板函数时没有必要这样做。您无需指定模板参数的类型，因为编译器能够自动推断出类型；但使用模板类时，需要这样做。
程序清单14.3中的模板函数DisplayComparison()和GetMax()是类型安全的，这意味着不能像下面这样进行无意义的调用：
这种调用将导致编译错误。
第9章介绍过，类是一种编程单元，封装类属性以及使用这些属性的方法。属性通常是私有成员，如Human类中的 int Age。类是设计蓝图，其实际表示为对象。例如，可将Tom视为Human类的一个对象，其Age属性为 15。如果对于某些寿命非常长的人，您想使用 long long变量来存储其年龄，而对于寿命较短的人，则使用short变量来存储其年龄，该如何办呢？此时模板类可派生用场。模板类是模板化的 C++类，是蓝图的蓝图。使用模板类时，可指定要为哪种类型具体化类。这让您能够创建不同的Human对象，即有的年龄存储在 long long成员中，有的存储在 int成员中，还有的存储在short成员中。
下面是一个简单的模板类，它只有一个模板参数T：
类CMyFirstTemplate用于保存一个类型为T的变量，该变量的类型是在使用模板时指定的。下面来看该模板类的一种用法：
这里使用该模板类来存储和检索类型为int的对象，即使用int类型的模板参数实例化Template类。同样，这个类也可以用于处理字符串，其用法类似：
因此，这个类定义了一种模式，并可针对不同的数据类型实现这种模式。下面是一个可定制的Human类，可以通过参数T指定Age的类型：
使用这个模板时，在模板实例化语法中指定类型：
对于模板，术语实例化的含义稍有不同。用于类时，实例化通常指的是根据类创建对象。
但用于模板时，实例化指的是根据模板声明以及一个或多个参数创建特定的类型。
因此，对于下面的模板声明：
使用该模板时将编写这样的代码：
这种实例化创建的特定类型称为具体化。
模板参数列表包含多个参数，参数之间用逗号分隔。因此，如果要声明一个泛型类用于存储两个类型可能不同的对象，可以使用如下所示的代码（这个模板类包含两个模板参数）：
在这里，类HoldsPair接受两个模板参数，参数名分别为T1和T2。可使用这个类来存储两个类型相同或不同的对象，如下所示：
可以修改前面的HoldsPair <…>，将模板参数的默认类型指定为 int：
这与给函数指定默认参数值极其类似，只是这里指定的是默认类型。
这样，前述第二种HoldsPair用法可以简写为：
下面使用前面讨论的HoldsPair模板来进行开发，如程序清单14.4所示。
程序清单14.4 包含两个成员属性的模板类
输出：
分析：
这个简单程序演示了如何声明模板类HoldsPair来存储两个值，这两个值的类型取决于模板的参数列表。第1行有一个模板参数列表，它定义了两个参数（T1和T2），这两个参数的默认类型分别为int和 double。存取器函数GetFirstValue ()和GetSecondValue()用于查询对象的值，它们将根据模板实例化语法返回正确的对象类型。HoldsPair定义了一种模式，可通过重用该模式针对不同的变量类型实现相同的逻辑。因此，使用模板可提高代码的可复用性。
前面说过，模板是用于创建类的蓝图，而类是用于创建对象的蓝图。在模板类中，静态成员属性的工作原理是什么样的呢？第 9 章介绍过，如果将类成员声明为静态的，该成员将由类的所有实例共享。模板类的静态成员与此类似，由特定具体化的所有实例共享。也就是说，如果模板类 T 包含静态成员X，该成员将在针对int具体化的所有实例之间共享；同样，它还将在针对double具体化的所有实例之间共享，且与针对int具体化的实例无关。换句话说，可以认为编译器创建了两个版本的X：X_int用于针对int具体化的实例，而X_double针对double具体化的实例，程序清单14.5演示了这一点。
程序清单14.5 静态成员对模板类和实例的影响
输出：
分析：
在第17和23行，分别为针对int和double的模板具体化设置了成员StaticValue。在main()中的第25和26行，通过另一个实例（Int_2和Double_1）读取了这个静态成员的值。输出表明，得到的StaticValue不同：一个是2011，这是通过另一个针对int具体化的实例设置的；另一个为1011，这是通过另一个针对double具体化的实例设置的。
也就是说，对于针对每种类型具体化的类，编译器确保其静态变量不受其他类的影响。模板类的每个具体化都有自己的静态成员。
在程序清单14.5中，第11行不可或缺，它初始化模板类的静态成员：
对于模板类的静态成员，通用的初始化语法如下：
C++11
使用static_assert执行编译阶段检查
static_assert是C++11新增的一项功能，让您能够在不满足指定条件时禁止编译。这好像不可思议，但对模板类来说很有用。您可能想禁止针对int实例化模板类，为此可使用static_assert，它是一种编译阶段断言，可用于在开发环境（或控制台中）显示一条自定义消息：
要禁止针对类型int实例化模板类，可使用static_assert()，并将sizeof(T)与sizeof(int)进行比较，如果它们相等，就显示一条错误消息：
程序清单14.6演示了一个模板类，它禁止针对特定类型实例化它。
程序清单14.6 一个挑剔的模板类，在您针对int类型实例化时，它使用static_assert发出抗议
输出：
没有输出，因为这个程序不能通过编译，它显示一条错误消息，指出您指定的类型不正确：
分析：
编译器发出的抗议是在第6行指定的。static_assert是C++11新增的一项功能，让您能够禁止不希望的模板实例化。
模板最重要也是最强大的应用是在标准模板库（STL）中。STL 由一系列模板类和函数组成，它们分别包含泛型实用类和算法。这些STL模板类让您能够实现动态数组、链表以及包含键-值对的容器，而sort等算法可用于这些容器，从而对容器包含的数据进行处理。
前面介绍的模板语法有助于读者使用本书后面将详细介绍的STL容器和函数；更深入地理解STL将有助于使用STL中经过测试的可靠实现，从而编写出更高效的C++程序，还有助于避免在模板细节上浪费时间。
14.5 总结
本章更详细地介绍了预处理器。每当您运行编译器时，预处理器都将首先运行，对#define等指令进行转换。
预处理器执行文本替换，但在使用宏时替换将比较复杂。通过使用宏函数，可根据在编译阶段传递给宏的参数进行复杂的文本替换。将宏中的每个参数放在括号内以确保进行正确的替换，这很重要。
模板有助于编写可重用的代码，它向开发人员提供了一种可用于不同数据类型的模式。模板可以取代宏，且是类型安全的。学习本章介绍的模板知识后，便为学习如何使用STL做好了准备！
14.6 问与答
问：在头文件中，为何要防范多次包含？
答：多次包含防范使用#ifndef、#define和#endif，可避免头文件出现多次包含或递归包含错误，有时还可提高编译速度。
问：如果所需的功能使用宏函数和模板都能实现，在什么情况下应使用宏函数，而不是模板？
答：在任何情况下都应使用模板，而不是宏函数，因为模板不但提供了通用实现，还是类型安全的。宏函数不是类型安全的，最好不要使用。
问：调用模板函数时，需要指定模板参数类型吗？
答：通常不需要，因为编译器能够根据函数调用使用的实参推断出模板参数类型。
问：对于特定模板类，每个静态成员有多少个版本？
答：这完全取决于针对多少种类型实例化了该模板类。如果针对int、string和自定义类型X实例化了该模板类，则每个静态成员都有三个不同的版本——每种模板具体化一个。
14.7 作业
作业包括测验和练习，前者帮助读者加深对所学知识的理解，后者提供了使用新学知识的机会。请尽量先完成测验和练习题，然后再对照附录D的答案。在继续学习下一章前，请务必弄懂这些答案。
1．什么是多次包含防范（inclusion guard）？
2．#define debug 0与#undef debug之间的区别何在？
3．如果使用参数20调用下面的宏，结果将是多少？
3．如果用10+10调用问题2中的HALVE宏，结果将是多少？
5．如何修改SPLIT宏以避得到错误的结果？
1．编写一个将两个数相乘的宏。
2．编写一个模板，实现练习1中宏的功能。
3．实现模板函数swap，它交换两个变量的值。
4．查错：您将如何改进下面的宏使其计算输入值的1/4？
5．编写一个简单的模板类，它存储两个数组，数组的类型是通过模板参数列表指定的。数组包含10个元素，模板类应包含存取器函数，可用于操作数组元素。
