C++型別轉換時定義非成員函式(轉)

C++型別轉換時定義非成員函式(轉)[@more@]《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》闡述了為什麼只有 non-member functions（非成員函式）適合於應用到所有 arguments（實參）的 implicit type conversions（隱式型別轉換），而且它還作為一個示例使用了一個 Rational class 的 operator* function。我建議你在閱讀本文之前先熟悉那個示例，因為本文進行了針對《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》中的示例做了一個無傷大雅（模板化 Rational 和 operator*）的擴充套件討論：

template
class Rational {
public:
Rational(const T& numerator = 0, // see《C++箴言：用傳引用給const取代傳值》for why params
const T& denominator = 1); // are now passed by reference

const T numerator() const; // see《C++箴言：避免返回物件內部構件的控制程式碼》for why return
const T denominator() const; // values are still passed by value,
... // Item 3 for why they're const
};

template
const Rational operator*(const Rational& lhs,
const Rational& rhs)
{ ... }

就像在《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》中，我想要支援 mixed-mode arithmetic（混合模式運算），所以我們要讓下面這些程式碼能夠編譯。我們指望它能，因為我們使用了和 Item 24 中可以工作的程式碼相同的程式碼。僅有的區別是 Rational 和 operator* 現在是 templates（模板）：

Rational oneHalf(1, 2); // this example is from 《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》,
// except Rational is now a template

Rational result = oneHalf * 2; // error! won't compile

編譯失敗的事實暗示對於模板化 Rational 來說，有某些東西和 non-template（非模板）版本不同，而且確實存在。在《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》中，編譯器知道我們想要呼叫什麼函式（取得兩個 Rationals 的 operator*），但是在這裡，編譯器不知道我們想要呼叫哪個函式。作為替代，它們試圖斷定要從名為 operator* 的 template（模板）中例項化出（也就是建立）什麼函式。它們知道它們假定例項化出的某個名為 operator* 的函式取得兩個 Rational 型別的引數，但是為了做這個例項化，它們必須斷定 T 是什麼。問題在於，它們做不到。

在推演 T 的嘗試中，它們會察看被傳入 operator* 的呼叫的 arguments（實參）的型別。在當前情況下，型別為 Rational（oneHalf 的型別）和 int（2 的型別）。每一個引數被分別考察。

使用 oneHalf 的推演很簡單。operator* 的第一個 parameter（形參）被宣告為 Rational 型別，而傳入 operator* 的第一個 argument（實參）(oneHalf) 是 Rational 型別，所以 T 一定是 int。不幸的是，對其它引數的推演沒那麼簡單。operator* 的第二個 parameter（形參）被宣告為 Rational 型別，但是傳入 operator* 的第二個 argument（實參）(2) 的 int 型別。在這種情況下，讓編譯器如何斷定 T 是什麼呢？你可能期望它們會使用 Rational 的 non-explicit constructor（非顯式建構函式）將2 轉換成一個 Rational，這樣就使它們推演出 T 是 int，但是它們不這樣做。它們不這樣做是因為在 template argument deduction（模板實參推演）過程中從不考慮 implicit type conversion functions（隱式型別轉換函式）。

這樣的轉換可用於函式呼叫過程，這沒錯，但是在你可以呼叫一個函式之前，你必須知道哪個函式存在。為了知道這些，你必須為相關的 function templates（函式模板）推演出 parameter types（引數型別）（以便你可以例項化出合適的函式）。但是在 template argument deduction（模板實參推演）過程中不考慮經由 constructor（建構函式）呼叫的 implicit type conversion（隱式型別轉換）。《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》不包括 templates（模板），所以 template argument deduction（模板實參推演）不是一個問題，現在我們在 C++ 的 template 部分，這是主要問題。

在一個 template class（模板類）中的一個 friend declaration（友元宣告）可以指涉到一個特定的函式，我們可以利用這一事實為受到 template argument deduction（模板實參推演）挑戰的編譯器解圍。這就意味著 class Rational 可以為 Rational 宣告作為一個 friend function（友元函式）的 operator*。class templates（類别範本）不依靠 template argument deduction（模板實參推演）（這個過程僅適用於 function templates（函式模板）），所以 T 在 class Rational 被例項化時總是已知的。透過將適當的 operator* 宣告為 Rational class 的一個 friend（友元）使其變得容易：
template
class Rational {
public:
...
friend // declare operator*
const Rational operator*(const Rational& lhs, // function (see
const Rational& rhs); // below for details)
};

template // define operator*
const Rational operator*(const Rational& lhs, // functions
const Rational& rhs)
{ ... }

現在我們對 operator* 的混合模式呼叫可以編譯了，因為當 object oneHalf 被宣告為 Rational 型別時，class Rational 被例項化，而作為這一過程的一部分，取得 Rational parameters（形參）的 friend function（友元函式）operator* 被自動宣告。作為已宣告函式（並非一個 function template（函式模板）），在呼叫它的時候編譯器可以使用 implicit conversion functions（隱式轉換函式）（譬如 Rational 的 non-explicit constructor（非顯式建構函式）），而這就是它們如何使得混合模式呼叫成功的。

唉，在這裡的上下文中，“成功”是一個可笑的詞，因為儘管程式碼可以編譯，但是不能連線。但是我們過一會兒再處理它，首先我想討論一下用於在 Rational 內宣告 operator* 的語法。

在一個 class template（類别範本）內部，template（模板）的名字可以被用做 template（模板）和它的 parameters（引數）的縮寫，所以，在 Rational 內部，我們可以只寫 Rational 代替 Rational。在本例中這隻為我們節省了幾個字元，但是當有多個引數或有更長的引數名時，這既能節省擊鍵次數又能使最終的程式碼顯得更清晰。我把這一點提前，是因為 operator* 被宣告為取得並返回 Rationals，而不是 Rationals。它就像如下這樣宣告 operator* 一樣合法：

template
class Rational {
public:
...
friend
const Rational operator*(const Rational& lhs,
const Rational& rhs);
...
};

然而，使用縮寫形式更簡單（而且更常用）。

現在返回到連線問題。混合模式程式碼編譯，因為編譯器知道我們想要呼叫一個特定的函式（取得一個 Rational 和一個 Rational 的 operator*），但是那個函式只是在 Rational 內部宣告，而沒有在此處定義。我們的意圖是讓 class 之外的 operator* template（模板）提供這個定義，但是這種方法不能工作。如果我們自己宣告一個函式（這就是我們在 Rational template（模板）內部所做的事），我們就有責任定義這個函式。當前情況是，我們沒有提供定義，這也就是聯結器為什麼不能找到它。

讓它能工作的最簡單的方法或許就是將 operator* 的本體合併到它的 declaration（定義）中：

template
class Rational {
public:
...

friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs)
{
return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), // same impl
lhs.denominator() * rhs.denominator()); // as in
} //《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》
};

確實，這樣就可以符合預期地工作：對 operator* 的混合模式呼叫現在可以編譯，連線，並執行。萬歲！

關於此技術的一個有趣的觀察結論是 friendship 的使用對於訪問 class 的 non-public parts（非公有構件）的需求並沒有起到什麼作用。為了讓所有 arguments（實參）的 type conversions（型別轉換）成為可能，我們需要一個 non-member function（非成員函式）（《C++箴言：宣告為非成員函式的時機》 依然適用）；而為了能自動例項化出適當的函式，我們需要在 class 內部宣告這個函式。在一個 class 內部宣告一個 non-member function（非成員函式）的唯一方法就是把它做成一個 friend（友元）。那麼這就是我們做的。反傳統嗎？是的。有效嗎？毫無疑問。

就像《C++箴言：理解inline化的介入和排除》闡述的，定義在一個 class 內部的函式被隱式地宣告為 inline（內聯），而這也包括像 operator* 這樣的 friend functions（友元函式）。你可以讓 operator* 不做什麼事情，只是呼叫一個定義在這個 class 之外的 helper function（輔助函式），從而讓這樣的 inline declarations（內聯宣告）的影響最小化。在本文的這個示例中，沒有特別指出這樣做，因為 operator* 已經可以實現為一個 one-line function（單行函式），但是對於更復雜的函式體，這樣做也許是合適的。"have the friend call a helper"（“讓友元呼叫輔助函式”）的方法還是值得注意一下的。

Rational 是一個 template（模板）的事實意味著那個 helper function（輔助函式）通常也是一個 template（模板），所以典型情況下在標頭檔案中定義 Rational 的程式碼看起來大致如下：

template class Rational; // declare
// Rational
// template
template // declare
const Rational doMultiply(const Rational& lhs, // helper
const Rational& rhs); // template
template
class Rational {
public:
...

friend
const Rational operator*(const Rational& lhs,
const Rational& rhs) // Have friend
{ return doMultiply(lhs, rhs); } // call helper
...
};

多數編譯器基本上會強迫你把所有的 template definitions（模板定義）都放在標頭檔案中，所以你可能同樣需要在你的標頭檔案中定義 doMultiply。（就像 Item 30 闡述的，這樣的 templates（模澹┎恍枰?inline（內聯）。）可能看起來就像這樣：

template // define
const Rational doMultiply(const Rational& lhs, // helper
const Rational& rhs) // template in
{ // header file,
return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), // if necessary
lhs.denominator() * rhs.denominator());
}

當然，作為一個 template（模板），doMultiply 不支援混合模式乘法，但是它不需要。它只被 operator* 呼叫，而 operator* 支援混合模式運算！本質上，函式 operator* 支援為了確保被相乘的是兩個 Rational objects 而必需的各種 type conversions（型別轉換），然後它將這兩個 objects 傳遞給一個 doMultiply template（模板）的適當的例項化來做實際的乘法。配合行動，不是嗎？
Things to Remember
在寫一個提供了 class template（類别範本），而這個 class template（類别範本）提供了一個函式，這個函式指涉到支援所有 parameters（引數）的 implicit type conversions（隱式型別轉換）的 template（模板）的時候，把這些函式定義為 class template（類别範本）內部的 friends（友元）。