by - 赵岩
by - 赵岩
先做个广告置入，如果喜欢这篇文章，你可以到zhaoyan.website/blog 去查看于此类似的C/C++文章。 这是一篇写软件的文章，但是很硬，提前预警一下，女生不要看！
所有写C++的文章，如果没有源代码都是在耍流氓。闲话不说， May the source be with you!
// 第一段程序
class Animal{
public:
virtual void talk() = 0;
};
class Cat :public Animal{
public:
virtual void talk(){cout<<"Miao\n";}
};
class Developer: public Animal{
public:
virtual void talk(){cout<<"Hello world\n";}
};
void LetAnimalTalk(Animal* pa){
pa->talk();
}
int main(){
Developer* pd = new Developer();
Cat* pc = new Cat();
LetAnimalTalk(pd);
LetAnimalTalk(pc);
vector<Animal*> va;
va.push_back(pd);
va.push_back(pc);
return 0;
}
这是一个教科书般经典的例子。介绍C++的继承和多态。 这里唯一需要重点强调的是：对函数LetAnimalTalk和vector<Animal*> va 来说，我们可以想象他们是客户。[face=黑体]通过继承把变化封装到基类的后面，这样使用基类接口的客户就不需要改动！[/face]对客户来说，无论基类后面怎么变化，你都影响不到我。例如，如果现在有一个经理狗加入了项目团队，你的LetAnimalTalk函数是不需要任何改变的。
So far so good! 现在看看引入模版后，发生了什么?
//第二段程序
template< typename T>
class Animal{
public:
T id_;
Animal(T t){id_ = t;};
virtual void talk() = 0;
};
template<typename T>
class Cat :public Animal<T>{
public:
Cat(T t):Animal<T>(t){};
virtual void talk(){cout<<"Miao, I am "<<Animal<T>::id_ <<"\n";}
};
template<typename T>
class Developer: public Animal<T>{
public:
Developer(T t):Animal<T>(t){};
virtual void talk(){cout<<"Hello world, I am "<<Animal<T>::id_ <<"\n";}
};
template<typename T>
void LetAnimalTalk(Animal<T>* pa){
pa->talk();
}
int main()
{
Developer<string>* pd = new Developer<string>("Yan");
Cat<string>* pc = new Cat<string>("Fluffy");
LetAnimalTalk(pd);
LetAnimalTalk(pc);
vector<Animal<string>*> va;
va.push_back(pd);
va.push_back(pc);
return 0;
}
基本的应用场景是这样的。对于animal, 你可以用字符串来表示他的ID， 如果你想developer是不应该享有字符串名字的，那么你也可以用整型数来表示他的ID。上面整个的程序，如果你把main中换成下面的样子，除了猫会有点意见，其它一切都没有问题！
Developer<int>* pd = new Developer<int>(9527);
Cat<int>* pc = new Cat<int>(1234);
LetAnimalTalk(pd);
LetAnimalTalk(pc);
vector<Animal<int>*> va;
va.push_back(pd);
va.push_back(pc);
上面模版继承的一个最明显的弊端是语法变得更加臃肿和复杂了。例如，你不可能在子类中直接引用基类的变量了。如果你引用他，必须使用Animal
另外的一个问题就是虚函数的效率问题。这种多态是发生在程序运行的时候，主要通过虚函数表进行调用分发。所以有一定的效率损失。下面我们再看另外一个例子。 由于猫不喜欢整型ID的名字，所以我们这里完全去掉这个feature，重点关注如何利用模版实现多态。
//第三段程序
template< typename T>
class Animal{
public:
void talk(){static_cast<T*>(this)->talkImplement();}
};
class Cat :public Animal<Cat>{
public:
void talkImplement(){cout<<"Miao \n";}
};
class Developer: public Animal<Developer>{
public:
void talkImplement(){cout<<"Hello world \n";}
};
template<typename T>
void LetAnimalTalk(Animal<T>& pa){
pa.talk();
}
int main(){
Developer pd;
Cat pc;
LetAnimalTalk(pd);
LetAnimalTalk(pc);
vector<Animal<Cat>> va;
va.push_back(pc); // OK
// va.push_back(pd); // compile error here
return 0;
}
这段代码中，有几点注意一下： 1） 多态已经不需要用指针了，我们可以用引用来支持多态。
2）在函数LetAnimalTalk中，pa.talk()到底调用那一个 talkImplement是在编译的时候就决定了。这是一种静态多态技术。所以没有效率的损失。
3）但是函数LetAnimalTalk现在必须是模版函数，同时我们也失去了用vector同时保存Cat 和Developer的能力。这是效率提升带来的灵活性的损失！
4）这个是CRTP模式，更多介绍看参考文献2。翻译过来就是“好奇地不断追问自己！”这应该是一种精神分裂的明显的初期症状了。
目前为止，我们介绍了三个例子。还都遵循着一个基本的IS-A的逻辑关系。也就是说，Cat是一个Animal，Developer也是一个Animal。下面介绍三个IMPLEMENT-BY的逻辑关系。第一个例子完全没有使用继承。
//第四段程序
template< typename T>
class Animal{
private:
T t;
public:
void talk(){t.talkImplement();}
};
class SayMiao {
public:
void talkImplement(){cout<<"Miao \n";}
};
class SayHW{
public:
void talkImplement(){cout<<"Hello world \n";}
};
template<typename T>
void LetAnimalTalk(Animal<T>& pa){
pa.talk();
}
int main(){
Animal<SayMiao> am;
Animal<SayHW> ah;
LetAnimalTalk(am);
LetAnimalTalk(ah);
vector<Animal<SayMiao>> va;
va.push_back(am); // OK
//va.push_back(ah); // compile error here
return 0;
}
1) 这段程序中，通过模版参数，在编译的时候就把不同的talk行为的实现方式传递给Animal类。这个方法在STL中运用的相当广泛。具体的例子像STL中的map类
template<
class Key,
class T,
class Compare = std::less<Key>,
class Allocator = std::allocator<std::pair<const Key, T> >
> class map;
其中， std::less就类似于我们上面的SayMiao。
2）由于导入的是某种行为，所有再叫做Cat就不合适了，所以这里把类的名字叫做SayMiao
为了实现IMPLEMENT-BY关系，我们也可以使用私有继承：
//第五段程序
template< typename T>
class Animal: private T{
public:
void talk(){T::talkImplement();}
};
class SayMiao {
public:
void talkImplement(){cout<<"Miao \n";}
};
class SayHW{
public:
void talkImplement(){cout<<"Hello world \n";}
};
template<typename T>
void LetAnimalTalk(Animal<T>& pa){
pa.talk();
}
int main(){
Animal<SayMiao> am;
Animal<SayHW> ah;
LetAnimalTalk(am);
LetAnimalTalk(ah);
vector<Animal<SayMiao>> va;
va.push_back(am); // OK
//va.push_back(ah); // compile error here
return 0;
}
1) 有没有被 template
2)这种方式是Parameterised inheritance, 也是一种常见的设计模式，请看参考文献4
OK，最后的问题是，既然私有继承可以，共有继承行不行？在一个分裂的病人眼中，没啥是不行的！
//第六段程序
template< typename T>
class Animal: public T{
};
class SayMiao {
public:
void talk(){cout<<"Miao \n";}
};
class SayHW{
public:
void talk(){cout<<"Hello world \n";}
};
template<typename T>
void LetAnimalTalk(Animal<T>& pa){
pa.talk();
}
int main(){
Animal<SayMiao> am;
Animal<SayHW> ah;
LetAnimalTalk(am);
LetAnimalTalk(ah);
vector<Animal<SayMiao>> va;
va.push_back(am); // OK
//va.push_back(ah); // compile error here
return 0;
}
1） 这就是在Modern C++ design中提到的Policy-Based design。一个小提示是：现在在Animal中已经不需要talk这个函数了。
上面我一共给出了六个程序。到 https://www.onlinegdb.com/ 把这六段代码拷贝进去，根据自己的理解和问题修改一下。“纸上得来终觉浅，绝知此事要运行”。 这其实是陆游给广大程序猿的一句忠告。 如果你有足够的耐心，你可以慢慢地深入的体会，这里好玩的东西还挺多的。由于篇章关系（主要是再展开我也不会了！）我就不多说了。
以上这六段程序，分别代表着六种不同的语法方式，表达出两种最基本的设计模式 IS－A还是IMPLEMENT－BY。首先，没有什么优劣之分，在不同的场景下，各有优缺点。另外，C++的模版完全不同于传统的C++编程。他的语法和想表达的语义有非常明显的分裂趋势，非常容易把传统的C++程序猿也搞分裂了。正所谓范型是C++最大的坑，但是不跳此坑，不足以谈人生！
如果没有看懂就算了！你完全可以说：“这个人已经疯了！” 这个我在标题中已经承认了！
参考文献
1）https://eli.thegreenplace.net/2012/02/06/dependent-name-lookup-for-c-templates
2）https://en.wikipedia.org/wiki/Curiously_recurring_template_pattern
3）https://isocpp.org/wiki/faq/private-inheritance#priv-inherit-vs-compos
4）https://blog.feabhas.com/2014/06/template-inheritance/