深入實踐c++模板程式設計

內容簡介： 

    全書共16章，分為四部分：第一部分（第1～4章）首先介紹了模板程式設計的基本概念與用法，然後重點討論了編譯器對模板的具體實現方法及其侷限，讀者可以通過本部分內容理解模板的基本原理並自行實現簡單的類别範本與函式模板。第二部分（第5～9章）對標準庫中的演算法與容器的實現原理和用法進行了深入地剖析，讀者通過本部分內容對標準庫中的演算法、迭代器與容器之間的關係有深入的理解，從而可以精確調節標準容器的行為，自行開發適用於標準演算法的容器類别範本。第三部分（第10～13章）討論了模板程式設計的高階技巧，如模板程式設計中“概念”的設計、控制程式碼量的技術、編譯期邏輯的控制以及超程式設計的基本方法等，讀者可以通過本部分內容開發更具規模、更加智慧的模板庫，並利用超程式設計技術實現編譯期的邏輯演繹與型別推導。第四部分（第14～16章）介紹了C++11標準中的新增語言特性，以及對模板程式設計的影響。

前　　言

為什麼要寫這本書

    筆者在工作中最常用的程式語言就是C++。在最初接觸C++語言的時候，只當它是C語言與物件導向程式設計的組合，在寫程式碼時也是積極實踐“萬物皆物件”的法則，不管什麼操作，總要將其在某個物件的某個成員函式中實現才滿意。但在長年的程式設計實踐過程中，卻常常對物件導向的設計方法產生懷疑。

    物件導向的設計思想，是將與某個資料型別相關的操作與該資料型別捆綁在一起，構成一個整體。然而，有時候操作並不完全依賴於資料型別。同一種演算法，可能適用於不同的資料型別。如果硬要遵循“萬物皆物件”的法則，那麼只能將其在各個具體資料型別中重複實現，或是設計一個抽象的型別專門容納演算法。無論怎樣，總顯得有些“削足適履”。

    而在實踐中最苦惱的事情是，雖然演算法固定，但是隻因資料結構不同，每當引入新資料時，只得將演算法重寫一遍，徒費人工。高手看到此，自然就會想到將演算法寫成模板。也正因有此困擾，筆者才開始正視C++語言中的“模板程式設計”，一旦走入這套精密強力卻又不廣為人知的機制，方知此處別有洞天。

    幾番研究與實踐下來，筆者尚不敢稱對C++的模板程式設計掌握幾分，卻早已嘆於其對筆者程式設計思路革新起到巨大的幫助。從“萬物皆物件”，到如今漸漸變為關注設計容器及抽象演算法，這是拜模板所賜。讚歎之餘，不禁想嘗試寫一本書介紹C++中的模板程式設計，於人分享心得，於己則鞏固琢磨。不論章節條理，只求娓娓道來。如能對讀者略有裨益，便是幸甚。

讀者物件

    本書假定讀者對C++的語法有基本瞭解，要求僅此而已。筆者盡力將C++語言中這一部分非常有趣的內容，用詳盡的示例以及平實的語言展現在讀者面前。即使是剛剛踏入C++隊伍的新兵，相信也能跟隨本書的進度，漸漸領略這一片C++祕境。而對於久經沙場的老兵，筆者限於自身閱歷有限，不敢誇口定能有所提高，唯有以誠意將所思所得寫下，請諸位老兵“擇其善者從之，其不善者改之”。

    本書面向瞭解C++基本語法並有C++程式設計經歷的讀者。對C++模板程式設計技術、標準模板庫用法和原理感興趣的讀者，可以將本書作為一本入門與提高的書使用。對於經常開發中小型C++程式碼庫的讀者，本書中有關模板高階程式設計技巧的內容可為您提供有益的補充。另外，本書中有關C++11新標準與模板技術的內容，也可作為對新標準的概要介紹供您參考。

如何閱讀本書

    本書的內容分為四個部分。

    模板基礎（第1～4章）介紹模板程式設計的基本概念與用法，並著重討論編譯器對模板的具體實現方法及其侷限。學習完本部分之後，讀者可以理解模板的基本原理並自行實現簡單的類别範本與函式模板。

    標準庫中的模板（第5～9章）介紹標準庫中的演算法與容器，並對其實現細節進行仔細推敲。演算法與容器可以說是C++模板程式設計的最典型用法。C++程式設計師可以不知道模板程式設計技術，但不可能不用到由模板寫成的標準演算法與容器。瞭解其實現原理的重要意義不言而喻。學習完本部分，讀者將能洞悉標準庫容器的實現原理，對標準庫中的演算法、迭代器與容器之間的關係有深入的理解，從而可以精確調節標準容器的行為以及自行開發適用於標準演算法的容器類别範本等。

    模板程式設計高階技巧（第10～13章）討論模板程式設計中“概念”的設計、控制程式碼量的技術、編譯期邏輯的控制以及超程式設計的基本方法等。學習完本部分，讀者可以開發規模更大、更加智慧的模板庫，並利用超程式設計技術實現編譯期的邏輯演繹與型別推導。

    模板與C++11（第14～16章）介紹新標準C++11中的重要改進及其對模板程式設計的影響。在學習完本部分之後，讀者將能夠準確把握C++11的幾大重要革新的用意和用法，為利用新一代標準進行軟體開發打下堅實基礎。

勘誤和支援

    除封面署名外，本書編寫工作的還有：陳凱、石少華、劉巨集業、林文雯、王春、張敏、付強。由於筆者學識與經歷有限，書中內容難免有偏頗及謬誤之處。筆者將秉持謙虛的態度和開放的胸襟，認真對待各位讀者的批評與指教。書中的全部原始檔可以從華章網站下載，如您對本書內容有任何意見和建議，或者有關C++和程式設計的任何話題，歡迎傳送郵件至yjwen.ty@qq.com和通過新浪微博@宇傑W與筆者交流。

致謝

    感謝我的好友張哲君。作為本書草稿的第一位讀者，你的意見與鼓勵是我寫作本書的動力之源。

    感謝機械工業出版社華章公司的各位同仁為本書的出版付出的辛勤勞動。特別要感謝楊福川編輯和白宇編輯，本書從草稿到成書的過程，離不開你們的精心指導與耐心審校。

    最深深的謝意送給我的母親和我的妻子。沒有你們在我身邊一直默默地支援和付出，不會有提筆寫作的我，也不會有本書存在。

    最美好的祝願送給我即將出生的孩子們。願你們快樂成長，並擁有淡定從容的人生。

    最後，藉此機會，向C++語言的發明者BjarneStroustrup教授、標準模板庫的主要作者Alexander Stepanov和Meng Lee致以崇高的敬意。

溫宇傑

溫宇傑　資深C++軟體工程師，有多年C++開發經驗，對C++模板程式設計和超程式設計有非常深入的研究，實踐經驗十分豐富。擅長組合優化演算法及大規模積體電路輔助設計演算法，對FPGA體系結構以及Verilog和VHDL等硬體描述語言也有非常深入的研究，曾主持並參與開發了一套完整設計流程的FPGA平臺編譯軟體。

目　　錄

前言

第一部分　模板基礎

第1章　Hello模板 / 2

1.1　為什麼需要模板 / 2

1.2　初識函式模板 / 3

1.2.1　函式模板的實現 / 3

1.2.2　如何使用函式模板 / 4

1.2.3　模板引數自動推導 / 5

1.2.4　模板引數預設值 / 7

1.2.5　模板函式的靜態變數 / 8

1.3　如何處理函式模板中的函式體 / 8

1.3.1　HPP檔案還是CPP檔案 / 9

1.3.2　連結器如何識別重複模板例項 / 10

1.4　尷尬的Export Template / 13

1.4.1　什麼是外名模板 / 13

1.4.2　C++編譯器對外名模板的處理 / 14

1.5　本章小結 / 15

第2章　類亦模板 / 16

2.1　型別無關的資料結構 / 16

2.2　實踐——棧類别範本 / 17

2.2.1　棧類别範本例項 / 17

2.2.2　棧類别範本衍生子類别範本例項 / 20

2.3　突破——異質連結串列 / 21

2.4　構造元組 / 23

2.4.1　通過巢狀實現元組 / 23

2.4.2　用類實現元組 / 24

2.5　類别範本的用法 / 25

2.5.1　成員函式模板 / 25

2.5.2　友元函式模板 / 26

2.6　類别範本的靜態成員 / 27

2.7　本章小結 / 30

第3章　模板引數型別詳解 / 31

3.1　整數模板引數 / 31

3.2　函式指標模板引數 / 32

3.3　指標及引用模板引數 / 34

3.4　成員函式指標模板引數 / 35

3.5　模板型模板引數 / 37

3.6　本章小結 / 39

第4章　凡事總有“特例” / 40

4.1　從vector說起 / 40

4.2　特例的多種寫法 / 44

4.3　特例匹配規則 / 46

4.4　函式模板的特例與過載 / 47

4.4.1　分辨過載 / 50

4.4.2　編譯期的條件判斷邏輯 / 52

4.5　本章小結 / 54

第二部分　標準庫中的模板

第5章　容器、迭代器與演算法 / 56

5.1　容器的定義 / 56

5.2　容器的實現 / 56

5.2.1　Java的實現方法 / 57

5.2.2　C++的實現方法 / 60

5.3　容器與迭代器 / 62

5.3.1　連結串列容器與迭代器 / 64

5.3.2　集合容器與迭代器 / 67

5.4　迭代器與演算法 / 71

5.4.1　求容器中元素之和 / 71

5.4.2　例項：微型演算法庫 / 73

5.5　容器與迭代器的分類 / 75

5.6　容器與演算法的關係 / 76

5.7　迭代器的陷阱 / 76

5.8　本章小結 / 77

第6章　標準庫中的容器 / 79

6.1　容器的分類及基本要求 / 79

6.2　序列型容器 / 81

6.2.1　變長陣列vector / 82

6.2.2　雙向連結串列list / 84

6.2.3　雙端序列deque / 85

6.3　容器轉換器 / 87

6.3.1　棧stack與佇列queue / 87

6.3.2　優先佇列priority_queue / 88

6.4　關聯型容器 / 89

6.4.1　基本資料結構 / 89

6.4.2　內嵌型別定義 / 92

6.4.3　構造關聯型容器 / 92

6.4.4　插入資料 / 93

6.4.5　資料的刪除、查詢與訪問 / 96

6.4.6　整數值專用集合bitset / 98

6.5　雜湊表容器 / 99

6.5.1　基本資料結構 / 99

6.5.2　雜湊函式 / 100

6.5.3　桶 / 101

6.6　其他C++11新容器 / 104

6.6.1　定長陣列array / 104

6.6.2　單向連結串列forward_list / 105

6.7　本章小結 / 106

第7章　隱形的助手——分配器 / 107

7.1　分配器的基本要求 / 107

7.2　交換容器內容時的特殊處理 / 110

7.3　有態分配器與無態分配器 / 112

7.4　實踐：池分配器 / 114

7.4.1　池分配器模板類的設計 / 115

7.4.2　物件池的實現 / 116

7.4.3　定位構造 / 121

7.4.4　池分配器的實現 / 122

7.4.5　測試池分配器 / 127

7.4.6　實際執行 / 129

7.5　本章小結 / 131

第8章　標準庫中的迭代器 / 132

8.1　迭代器分類 / 132

8.1.1　輸入迭代器 / 132

8.1.2　前向迭代器 / 133

8.1.3　雙向迭代器與跳轉迭代器 / 135

8.1.4　輸出迭代器 / 136

8.2　迭代器屬性類别範本 / 137

8.3　迭代器轉換器 / 139

8.3.1　反轉迭代器 / 139

8.3.2　插入迭代器 / 141

8.4　流迭代器 / 142

8.5　本章小結 / 144

第9章　標準庫中的演算法 / 145

9.1　演算法的共同特徵 / 145

9.2　標準庫中的常用演算法 / 145

9.2.1　foreach的三種寫法 / 146

9.2.2　搜尋 / 147

9.2.3　計數與比較 / 149

9.2.4　複製、交換、替換與刪除 / 149

9.2.5　排序 / 151

9.2.6　二分搜尋 / 151

9.2.7　集合運算 / 152

9.2.8　二叉堆操作 / 154

9.2.9　其他演算法 / 154

9.3　預設函式物件 / 155

9.3.1　函式物件基類 / 155

9.3.2　運算函式物件 / 156

9.3.3　引數繫結 / 157

9.4　實踐：矩陣操作中如何消除迴圈語句 / 165

9.4.1　跨躍迭代器 / 165

9.4.2　矩陣類别範本 / 167

9.4.3　累計迭代器 / 169

9.4.4　矩陣乘法 / 170

9.4.5　矩陣LU分解 / 171

9.4.6　組合迭代器 / 172

9.4.7　沒有迴圈語句的矩陣乘法 / 177

9.5　本章小結 / 178

第三部分　模板程式設計高階技巧

第10章　專用名詞——概念 / 180

10.1　模板的先天不足 / 180

10.2　“概念”的提案及ConceptGCC編譯器 / 181

10.3　概念語法 / 183

10.3.1　定義概念 / 183

10.3.2　用概念約束模板引數 / 184

10.3.3　概念對映 / 184

10.4　概念模擬庫 / 186

10.4.1　概念檢查巨集 / 187

10.4.2　自定義概念檢查 / 189

10.4.3　概念典型 / 190

10.5　本章小結 / 191

第11章　程式碼膨脹 / 192

11.1　原始碼的增加 / 192

11.1.1　代理類的困境 / 192

11.1.2　D語言的方法 / 195

11.2　目的碼的增加 / 196

11.2.1　目的碼膨脹的成因 / 196

11.2.2　目的碼膨脹例項 / 197

11.2.3　改進程式碼 / 198

11.2.4　測試改進效果 / 206

11.3　本章小結 / 208

第12章　常用模板程式設計技巧 / 209

12.1　標籤與特性 / 209

12.1.1　特性類别範本numeric_limits / 209

12.1.2　例項：矩陣與向量乘法 / 211

12.2　編譯期多型 / 213

12.2.1　全覆蓋的函式模板 / 213

12.2.2　虛擬函式的啟發 / 213

12.2.3　虛基類别範本 / 214

12.3　策略 / 217

12.3.1　策略的產生：再說vector的不足 / 217

12.3.2　為vector新增儲存策略 / 218

12.4　偽變長引數模板 / 223

12.4.1　hetero_node的啟發 / 224

12.4.2　編譯期遞迴 / 225

12.4.3　訪問元組中的資料 / 227

12.5　本章小結 / 230

第13章　超程式設計 / 231

13.1　C++中的超程式設計 / 231

13.2　元函式 / 231

13.2.1　元函式的實現 / 231

13.2.2　元函式的呼叫 / 233

13.3　元容器與元演算法 / 235

13.3.1　元容器的實現 / 235

13.3.2　例項：容納5種型別的元容器 / 236

13.4　型別過濾 / 240

13.4.1　型別過濾元函式的實現 / 240

13.4.2　例項：應用元容器與元演算法 / 242

13.5　本章小結 / 244

第四部分　模板與C++11

第14章　右值引用 / 246

14.1　右值引用的產生 / 246

14.1.1　函式的匿名返回值 / 246

14.1.2　返回值優化 / 249

14.2　右值引用基本概念 / 251

14.2.1　左值與非左值 / 251

14.2.2　右值與右值引用 / 252

14.2.3　移動構造與移動賦值 / 252

14.2.4　狹義與廣義的右值 / 253

14.2.5　左值強制轉義成右值引用 / 254

14.2.6　右值引用變數是左值 / 255

14.3　引用宣告符消去規則 / 256

14.3.1　完美轉發 / 256

14.3.2　例項：智慧的min函式 / 260

14.4　移動與異常 / 263

14.4.1　遷移資料的風險 / 263

14.4.2　關鍵字noexcept / 265

14.4.3　轉義函式模板 / 267

14.4.4　移動的效率問題 / 268

14.5　本章小結 / 269

第15章　模板新語法 / 270

15.1　變長引數模板 / 270

15.1.1　引數包 / 271

15.1.2　引數包的內容 / 272

15.1.3　引數包的展開模式 / 273

15.1.4　遍歷引數包的內容 / 274

15.1.5　輕鬆實現元組 / 275

15.2　擴充套件的型別推導機制 / 276

15.2.1　自動型別變數 / 277

15.2.2　提取表示式結果型別 / 278

15.2.3　函式後置返回型別 / 280

15.3　其他模板新特性 / 281

15.3.1　外部模板例項 / 281

15.3.2　模板別名 / 282

15.3.3　連續的右尖括號 / 282

15.4　本章小結 / 283

第16章　C++11新特性集錦 / 284

16.1　λ表示式 / 284

16.1.1　λ表示式語法 / 284

16.1.2　變數捕獲 / 285

16.2　初值列表新用法 / 290

16.2.1　構造變數 / 290

16.2.2　初值封裝類别範本 / 291

16.3　標準容器與演算法的變化 / 292

16.3.1　對應右值引用 / 292

16.3.2　對應變長引數模板 / 293

16.3.3　對應初值列表 / 294

16.4　標準元組類别範本 / 294

16.5　智慧指標 / 296

16.5.1　獨佔指標unique_ptr / 297

16.5.2　共享指標shared_ptr與weak_ptr / 298

16.6　基於範圍的for迴圈 / 299

16.7　拾遺 / 300

16.8　本章小結 / 301

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