Effective C++ 45：使用成员函数模板来接受所有兼容的类型

09/13 2015

Item 45: Use member function templates to accept "all compatible types".

Item 13提到智能指针可用来自动释放堆中的内存，STL中的迭代器也是一种智能指针，它甚至支持链表元素指针的++操作。这些高级特性是普通指针所没有的。本文以智能指针为例，介绍成员函数模板的使用：

成员函数模板可以使得函数可以接受所有兼容的类型。
如果你用成员函数模板声明了拷贝构造函数和赋值运算符，仍然需要手动编写普通拷贝构造函数和拷贝运算符。

隐式类型转换

智能指针虽然比普通指针提供了更多有用的特性，但也存在一些问题，比如我们有一个类的层级：

class Top{};
class Middle: public Top{};
class Bottom: public Middle{};

普通指针可以做到派生类指针隐式转换为基类指针：

Top *p1 = new Bottom;
const Top *p2 = p1;

但如果是智能指针，比如我们实现了SmartPtr，我们则需要让下面代码经过编译：

SmartPtr<Top> p1 = SmartPtr<Bottom>(new Bottom);
SmartPtr<const Top> p2 = p1;

同一模板的不同实例之间是没有继承关系的，在编译器看来AutoPtr<Top>和AutoPtr<Bottom>是完全不同的两个类。所以上述代码直接编译是有问题的。

重载构造函数

为了支持用SmartPtr<Bottom>初始化SmartPtr<Top>，我们需要重载SmartPtr的构造函数。原则上讲，有多少类的层级我们就需要写多少个重载函数。因为类的层级是会扩展的，因此需要重载的函数数目是无穷的。这时便可以引入成员函数模板了：

template<typename T>
class SmartPtr{
public:
    template<typename U>
    SmartPtr(const SmartPtr<U>& other);
};

注意该构造函数没有声明为explicit，是为了与普通指针拥有同样的使用风格。子类的普通指针可以通过隐式类型转换变成基类指针。

接受同一模板的其他实例的构造函数被称为通用构造函数（generalized copy constructor）。

兼容类型检查

事实上，通用构造函数提供了更多的功能。他可以把一个SmartPtr<Top>隐式转换为SmartPtr<Bottom>，把一个SmartPtr<int>转换为SmartPtr<double>。但普通指针是不允许这些隐式转换的。因此我们需要把它们禁用掉。注意一下通用构造函数的实现方式便可以解决这个问题：

template<typename T>
class SmartPtr{
public:
    template<typename U>
    SmartPtr(const SmartPtr<U>& other): ptr(other.get()){};
    T* get() const{ return ptr; }
private:
    T *ptr;
};

在ptr(other.get())时编译器会进行类型的兼容性检查，只有当U可以隐式转换为T时，SmartPtr<U>才可以隐式转换为SmartPtr<T>。这样就避免了不兼容指针的隐式转换。

其他使用方式

除了隐式类型转换，成员函数模板还有别的用途，例如赋值运算符。。下面是shared_ptr的部分源码：

template<class T> 
class shared_ptr{
public:
    template<class Y>
        explicit shared_ptr(Y *p);
    template<class Y>
        shared_ptr<shared_ptr<Y> const& r>;
    template<class Y>
        shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y> const& r);
};

可以看到普通指针Y*到shared_ptr<Y>声明了explicit，需要显式的类型转换；而shared_ptr<Y>之间只需要隐式转换。使用拷贝构造函数模板存在一个问题：编译器是会生成默认的拷贝构造函数？还是会从你的模板实例化一个拷贝构造函数？即Y == T场景下的编译器行为。

事实上，成员函数模板不会改变C++的规则。C++规则讲：如果你没有声明拷贝构造函数，那么编译器应该生成一个。所以Y == T时拷贝构造函数不会从成员函数模板实例化，而是会自己生成一个。

所以shared_ptr模板中还是手动声明了拷贝构造函数：

template<class T>
class shared_ptr{
public:
    shared_ptr(shared_ptr const& r);
    template<class Y>
        shared_ptr(shared_ptr<Y> const& r);

    shared_ptr& operator=(shared_ptr const& r);
    template<class Y>
        shared_ptr& operator=(shared_ptr<Y> const& r);
};

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