C++箴言：類型轉換時定義非成員函數

2019-11-17 05:12:38

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供稿：網友

　　《C++箴言：聲明為非成員函數的時機》闡述了為什么只有 non-member functions（非成員函數）適合于應用到所有 arguments（實參）的 implicit type conversions（隱式類型轉換），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：聲明為非成員函數的時機》中的示例做了一個無傷大雅（模板化 Rational 和 operator*）的擴展討論：

template<typename T>
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：避免返回對象內部構件的句柄》for why return
const T denominator() const; // values are still passed by value,
... // Item 3 for why they're const
};

template<typename T>
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs,
const Rational<T>& rhs)
{ ... }
　　就像在《C++箴言：聲明為非成員函數的時機》中，我想要支持 mixed-mode arithmetic（混合模式運算），所以我們要讓下面這些代碼能夠編譯。我們指望它能，因為我們使用了和 Item 24 中可以工作的代碼相同的代碼。僅有的區別是 Rational 和 operator* 現在是 templates（模板）：

Rational<int> oneHalf(1, 2); // this example is from 《C++箴言：聲明為非成員函數的時機》,
// except Rational is now a template

Rational<int> result = oneHalf * 2; // error! won't compile
　　編譯失敗的事實暗示對于模板化 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：聲明為非成員函數的時機》中，編譯器知道我們想要調用什么函數（取得兩個 Rationals 的 operator*），但是在這里，編譯器不知道我們想要調用哪個函數。作為替代，它們試圖斷定要從名為 operator* 的 template（模板）中實例化出（也就是創建）什么函數。它們知道它們假定實例化出的某個名為 operator* 的函數取得兩個 Rational<T> 類型的參數，但是為了做這個實例化，它們必須斷定 T 是什么。問題在于，它們做不到。

　　在推演 T 的嘗試中，它們會察看被傳入 operator* 的調用的 arguments（實參）的類型。在當前情況下，類型為 Rational<int>（oneHalf 的類型）和 int（2 的類型）。每一個參數被分別考察。

　　使用 oneHalf 的推演很簡單。operator* 的第一個 parameter（形參）被聲明為 Rational<T> 類型，而傳入 operator* 的第一個 argument（實參）(oneHalf) 是 Rational<int> 類型，所以 T 一定是 int。不幸的是，對其它參數的推演沒那么簡單。operator* 的第二個 parameter（形參）被聲明為 Rational<T> 類型，但是傳入 operator* 的第二個 argument（實參）(2) 的 int 類型。在這種情況下，讓編譯器如何斷定 T 是什么呢？你可能期望它們會使用 Rational<int> 的 non-eXPlicit constrUCtor（非顯式構造函數）將 2 轉換成一個 Rational<int>，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（隱式類型轉換函數）。從不。這樣的轉換可用于函數調用過程，這沒錯，但是在你可以調用一個函數之前，你必須知道哪個函數存在。為了知道這些，你必須為相關的 function templates（函數模板）推演出 parameter types（參數類型）（以便你可以實例化出合適的函數）。但是在 template argument deduction（模板實參推演）過程中不考慮經由 constructor（構造函數）調用的 implicit type conversion（隱式類型轉換）。《C++箴言：聲明為非成員函數的時機》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（友元聲明）可以指涉到一個特定的函數，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<T> 可以為 Rational<T> 聲明作為一個 friend function（友元函數）的 operator*。class templates（類模板）不依靠 template argument deduction（模板實參推演）（這個過程僅適用于 function templates（函數模板）），所以 T 在 class Rational<T> 被實例化時總是已知的。通過將適當的 operator* 聲明為 Rational<T> class 的一個 friend（友元）使其變得輕易：

template<typename T>
class Rational {
public:
...
friend // declare operator*
const Rational operator*(const Rational& lhs, // function (see
const Rational& rhs); // below for details)
};

template<typename T> // define operator*
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, // functions
const Rational<T>& rhs)
{ ... }
　　現在我們對 operator* 的混合模式調用可以編譯了，因為當 object oneHalf 被聲明為 Rational<int> 類型時，class Rational<int> 被實例化，而作為這一過程的一部分，取得 Rational<int> parameters（形參）的 friend function（友元函數）operator* 被自動聲明。作為已聲明函數（并非一個 function template（函數模板）），在調用它的時候編譯器可以使用 implicit conversion functions（隱式轉換函數）（譬如 Rational 的 non-explicit constructor（非顯式構造函數）），而這就是它們如何使得混合模式調用成功的。

　　唉，在這里的上下文中，“成功”是一個可笑的詞，因為盡管代碼可以編譯，但是不能連接。但是我們過一會兒再處理它，首先我想討論一下用于在 Rational 內聲明 operator* 的語法。

　　在一個 class template（類模板）內部，template（模板）的名字可以被用做 template（模板）和它的 parameters（參數）的縮寫，所以，在 Rational<T> 內部，我們可以只寫 Rational 代替 Rational<T>。在本例中這只為我們節省了幾個字符，但是當有多個參數或有更長的參數名時，這既能節省擊鍵次數又能使最終的代碼顯得更清楚。我把這一點提前，是因為 operator* 被聲明為取得并返回 Rationals，而不是 Rational<T>s。它就像如下這樣聲明 operator* 一樣合法：

template<typename T>
class Rational {
public:
...
friend
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs,
const Rational<T>& rhs);
...
};
　　然而，使用縮寫形式更簡單（而且更常用）。

　　現在返回到連接問題?；旌夏Ｊ酱a編譯，因為編譯器知道我們想要調用一個特定的函數（取得一個 Rational<int> 和一個 Rational<int> 的 operator*），但是那個函數只是在 Rational 內部聲明，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。假如我們自己聲明一個函數（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數。當前情況是，我們沒有提供定義，這也就是連接器為什么不能找到它。

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

template<typename T>
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：聲明為非成員函數的時機》
};
　　確實，這樣就可以符合預期地工作：對 operator* 的混合模式調用現在可以編譯，連接，并運行。萬歲！

　　關于此技術的一個有趣的觀察結論是 friendship 的使用對于訪問 class 的 non-public parts（非公有構件）的需求并沒有起到什么作用。為了讓所有 arguments（實參）的 type conversions（類型轉換）成為可能，我們需要一個 non-member function（非成員函數）（《C++箴言：聲明為非成員函數的時機》依然適用）；而為了能自動實例化出適當的函數，我們需要在 class 內部聲明這個函數。在一個 class 內部聲明一個 non-member function（非成員函數）的唯一方法就是把它做成一個 friend（友元）。那么這就是我們做的。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 內部的函數被隱式地聲明為 inline（內聯），而這也包括像 operator* 這樣的 friend functions（友元函數）。你可以讓 operator* 不做什么事情，只是調用一個定義在這個 class 之外的 helper function（輔助函數），從而讓這樣的 inline declarations（內聯聲明）的影響最小化。在本文的這個示例中，沒有非凡指出這樣做，因為 operator* 已經可以實現為一個 one-line function（單行函數），但是對于更復雜的函數體，這樣做也許是合適的。"have the friend call a helper"（“讓友元調用輔助函數”）的方法還是值得注重一下的。

　　Rational 是一個 template（模板）的事實意味著那個 helper function（輔助函數）通常也是一個 template（模板），所以典型情況下在頭文件中定義 Rational 的代碼看起來大致如下：

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

friend
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs,
const Rational<T>& 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）都放在頭文件中，所以你可能同樣需要在你的頭文件中定義 doMultiply。（就像 Item 30 闡述的，這樣的 templates（模板）不需要 inline（內聯）。）可能看起來就像這樣：

template<typename T> // define
const Rational<T> doMultiply(const Rational<T>& lhs, // helper
const Rational<T>& rhs) // template in
{ // header file,
return Rational<T>(lhs.numerator() * rhs.numerator(), // if necessary
lhs.denominator() * rhs.denominator());
}
　　當然，作為一個 template（模板），doMultiply 不支持混合模式乘法，但是它不需要。它只被 operator* 調用，而 operator* 支持混合模式運算！本質上，函數 operator* 支持為了確保被相乘的是兩個 Rational objects 而必需的各種 type conversions（類型轉換），然后它將這兩個 objects 傳遞給一個 doMultiply template（模板）的適當的實例化來做實際的乘法。配合行動，不是嗎？

　　Things to Remember

　　·在寫一個提供了 class template（類模板），而這個 class template（類模板）提供了一個函數，這個函數指涉到支持所有 parameters（參數）的 implicit type conversions（隱式類型轉換）的 template（模板）的時候，把這些函數定義為 class template（類模板）內部的 friends（友元）。