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C++感受15-Hello STL 泛型启蒙

article 2025/3/1 7:33:40

生鱼片和STL的关系，你听过吗？
泛型编程和面向对象编程，它们打架吗？
行为泛型和数据泛型，各自的目的是？

泛型启蒙

0 楔

俄罗斯生鱼片，号称俄罗斯版的中国烤鸭，闻名于世。其鱼肉，源于北极海域，传统上用白鱼如omul、nelma 或 muksun 制作，传统上与伏特加搭配，加冰食用，味道柔软、新鲜、冰爽。

虽然我隐约知道前苏联曾经有过一段人民生活物资贫溃的时期，但我还是不太清楚，26岁的Alexander Stepanov 是怎么吃生鱼片，吃到严重中毒，吃到住院，吃到精神恍惚，吃到在心中产生 STL 库的种子……
在这里插入图片描述

1 五段话

五段来自 STL之父（Alexander Stepanov / 亚历山大・斯特潘诺夫）的话（摘自其多个采访会谈内容）。

谈专业——

“我出生在前苏联的莫斯科。我曾求学于莫斯科国立大学，学习数学。但‘遗憾’的是，我从来都没能成为数学家”

谈程序设计——

“程序设计就像同未理顺的复杂问题打的一场战斗，要打好这场战斗，数学首当其冲，几个世纪以来，数学的作用正在于此。如果将现在生动的数学体系作为实验证据，对于解决人类遇到的复杂性问题，数学还是最有效的”

谈中国——

“中国是一个伟大的国家。曾有过许多伟大的数学家：秦九韶的《数书九章》就是古代数学中的经典……”

谈为什么没成为数学家——

“我实在不能对Tamagawa算术、Coxeter群等一些纯数学的东西感到兴趣” “我想用数学干点实事……”

谈数学专业对编程思想的影响——

“…… 1976年，又要说回到苏联了，我因为吃生鱼片得了严重的食物中毒而住院，在精神恍惚中，我忽然意识到并发的加法计算能力是基于加法是结合性的。同时，我意识到并发的减法运算是和半群结构类型有关联的，这就是最基本的重点：算法是定义于代数结构基础之上的。我又花了一些年头，意识到必须在正规公理上加入复杂性必要条件以扩展结构的概念，接着又花了15年之久才完成全面的架构。我相信迭代器理论是计算科学的中心就象环或Banach区间理论是数学的中心一样。每次当我找到一个算法时，我都要努力去寻求它所定义的结构基础。我想做的就是泛化地描述算法，并乐此不疲。我可以花一个月时间去精确地描述一个众所周知的算法的泛化表示……”

2 课堂视频

我们对 STL，对泛型编程的认识，就从 STL 之父的介绍说起……

C++感受16-Hello STL 泛型启蒙

3 泛型函数

3.1 语法

template <typename T /* 类型参数列表 */>
函数定义

其中函数定义中，可将 T 视为类型名字，可用在函数返回值类型、函数参数、函数体内，比如：

template <typename T>
T add(T a, T b)
{
   return a + b;  // 相加结果的类型需为 T ，或能隐式转换为 T
}

类型参数列表和函数参数类似，可以有多个参数：

// 一个双类型参数的函数模板，可用于输出带标题的值
tempate <typename S, typename V>
void OutputWithTitle( S const& title, V const& value)
{
    std::cout << title << " : " << value;
}

3.2 使用

调用者通常通过精准地指定参数类型，为编译器提供准确的类型参数，由编译器在代码需要处，使用明确的类型，替换模板中对应的类型参数（比如上述示例中的 T、S 、V），在编译器自动生成实际函数。由“函数模板”生成的函数，需要时，我们会称它为 “模板函数”。

例一、add 使用

// 调用1， 生成 int add (int a, int b) ...
auto r1 = add (1, 2); // auto 是 C++11 的新语法，此处编译器可推出其为 int 

// 调用2， 生成 double add (double a, double b) ...
double r2 = add (1.1, 2.0); // 此处的 2.0 不能写成 2

// 调用3， 生成 std::string add(std::string a, std::string b) ...
std::string r3 = add(
             	std::string("Hello "), // 明确的std::string 类型
		std::string("STL") // 同上
           ); // 将返回 "Hello STL"

上述代码将生成三个版本的 add 函数。
其中，r2 例中，如果 2.0 写成 2, 将造成编译器无法判定原模板中唯一的类型参数 T 的实际类型。r3 例中，如果直接传递纯C风格字符串（即字符串祼指针）"Hello " 和 “STL”，将造成编译失败，因为祼的字符串指针，不支持 “相加” 操作。

例二、OutputWithTitle 使用

OutputWithTitle("姓名", "丁小明"); // S和V都是 char const* 类型

std::string title = "积分";
double value = 2999.052;
OutputWithTitle(title, value); // S→std::string，V→double;

3.3 auto: C++20 的骚操作

到了 C++20 新标准，一些简单的函数模板定义，可以使用 auto 来简化写法。

比如，经典写法：

template <typename T>
void foo(T v)
{
  // ...
}

在 20 新标下，可写作：

void foo(auto v)
{
   // ...
}

注意，如果需要多个参数模板，而每个参数模板都使用 auto 限定类型的话，此时，auto 并不执行 “同一类型” 的限定。比如：

// a , b 都是 auto，但并不存在类型必须一致的限定
auto add(auto a, auto b)
{
    return a + b;
}

// 以下调用成立
auto r = add(900, 99.99); // 返回 999.99

看起来很自由，但如此 “挣脱类型的束缚”，反倒容易滋生程序逻辑错误的恶果。

4. 泛型数据

有些时候——哪怕不是数学家——我们也会更加关心一个类型内部的组成结构，而不太关心（或者可以相对放心地忽略）数据的内部组成的类型。

比如，一个数学软件，可能希望有个类型，可以表示二维笛卡尔坐标（Cartesian coordinates）中的二维直角坐标点，不关心其中的x, y 坐标采用哪种类型。

像“不关心”，或 “随便”这样的用语，记得要反过来理解，它们的真实意思不是真的不在乎，面是：“干嘛分这分那？我都要！”。

template <typename T>
struct Point
{
   T x, y; // 用 T 表示 x, y 将来的真实类型，二者一致
};

和函数模板自动推理出函数略有不同，实际使用中，类的模板转换成类时，通常需要在类（class或struct）之后带上，其中 T 用于明确指定所需模板参数的真实类型。

// 使用 int 实例化类模板
Point<int> p1; 
p1.x = 10；
// 可将 float 赋 .y，只是转换过程中小数位会丢失
p1.y = 9.8f; 

// 使用 float 实例
Point<float> p2; 
p2.x = 99.f;
p2.y = 100; // 同样，此时不存在语法错误

以上示例中，之所以能跨类型赋值，是因为此时无论 p1 还是 p2 ，内部的 x, y 的类型都已经明确指定了。

定义类模板时，各类型参数既可用于指定成员数据的类型，也可用在成员方法（包括构造、析构等）身上（返回值、入参、函数内临时变量定义等等）：

template <typename T>
struct Point
{
   T x, y;
   Point() = default; // 默认构造 C++11语法

   Point(T x, T y)
      : x(x), y(y) // 成员数据初始化列表
   {}


   // 让 x, y 各自增加指定的长度
   void IncBy (T dx, T dy)
   {
      x += dx;
      y += dy;
   }
};

构造、成员数据初始化列表知识点，讲见《Hello Object 封装版.下》等课堂。

注意，Point的第二个构造函数，和 IncBy() 成员函数都用到了 T，它就是定义类模板时的那个T，无需在函数自身加 template <typename > 作定义。

继续本体不包含，当构造函数使用到所在类模板的类型参数，并且，构造对象时的入参，能明确的，完整地推后出类模板的所有模板参数，则从 17 新标开始，定义对象时，不显示指定类模板的类型入参（全部或部分），也是可行的，比如：

Point p3 (99, 100); // 相当于 Point<int>
Point p4 (99.0, 100.0); // 相当于 Point<double>
Point p5 (std::string("90"), std::string("12.345")); // 虽然奇怪，但也合法

我们当然举双手双脚反对 p5 的类型 Point<std::string> ，试想对它调用 IncBy(“哦”, “哈”)之后……

5 初窥 vector

vector 翻译为 “矢量”，它是 STL 中最经典的的一个数据容器类（模板）。请阅读以下示例代码，在下一节课一上课，我们就来完善它：

#include <vector>

using namespace std;

struct 鸡精 { void 忍耐() { cout << "欢迎品尝！\n"; } };
struct 象妖 { void 愤怒() { cout << "大胆！可笑！！\n"; } };

int main()
{   
   vector<鸡精> v1; // 鸡精专用瓶
   vector<象妖> v2; // 象妖专用瓶

   std::cout << "妖怪！我叫你一声，你可敢答应?\n";

   ...

   鸡精 sj1;
   v1.push_back(sj1);

   象妖 dx1;
   v2.push_back(dx1);

   ...
}