Effective C++ 46：需要类型转换时，应当在类模板中定义非成员函数

09/14 2015

Item 46: Define non-member functions inside templates when type conversions are desired.

Item 24中提到，如果所有参数都需要隐式类型转换，该函数应当声明为非成员函数。 Item 24是以Rational和operator*为例子展开的，本文把这个观点推广到类模板和函数模板。但是在类模板中，需要所有参数隐式转换的函数应当声明为友元并定义在类模板中。

模板化的Rational

既然是Item 24的推广，那么我们先把Item24中的Rational和operator*模板化。得到如下代码：

template<typename T>
class Rational {
public:
  Rational(const T& numerator = 0, const T& denominator = 1);
  const T numerator() const;           
  const T denominator() const;        
};

template<typename T>
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs){}

Item 20解释了为什么Rational的参数是常量引用；Item 28解释了为什么numerator()返回的是值而不是引用；Item 3解释了为什么numerator()返回的是const。

模板参数推导出错

上述代码是Item24直接模板化的结果，看起来很完美但它是有问题的。比如我们有如下的调用：

Rational<int> oneHalf(1, 2);            // OK
Rational<int> result = oneHalf * 2;     // Error!

为什么第二条会出错呢？因为编译器无法推导出合适的模板参数来实例化Rational<T>。模板参数的推导包括两部分：

根据onHalf，它的类型是Rational<int>，很容易知道接受oneHalf的operator*<T>中模板参数T应该是int；
根据2的模板参数推导却不那么顺利，编译器不知道如何将实例化operator*<T>才能使得它接受一个int类型的2。

可能你会希望编译器将2的类型推导为Rational<int>，再进行隐式转换。但在编译器中模板推导和函数调用是两个过程：隐式类型转换发生在函数调用时，而在函数调用之前编译器需要实例化一个函数。而在模板实例化的过程中，编译器无从推导T的类型。

声明为友元函数

为了让编译器知道T是什么，我们可以在类模板中通过friend声明来引用一个外部函数。

template<typename T>
class Rational {
public:
    friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);
};

template<typename T>
const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs){}

在Rational<T>中声明的friend没有添加模板参数T，这是一个简便写法，它完全等价于： friend const Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs);。

因为类模板实例化后，T总是已知的，因而那个friend函数的签名会被Rational模板类声明。这样，result = oneHalf * 2便可以编译通过了，但链接会出错。虽然在类中声明了friend operator*，然而编译器却不会实例化该声明对应的函数。因为函数是我们自己声明的，那么编译器认为我们有义务自己去定义那个函数。

在类中给出定义

那我们就在声明operator*时直接给出定义：

template<typename T>
class Rational {
public:
    friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
        return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), lhs.denominator() * rhs.denominator());
    }
};

这样混合模式的调用result = oneHalf * 2终于可以编译、链接并且运行了。到这里想必问题已经很清楚了：

为了对所有参数支持隐式类型转换，operator*需要声明为非成员函数；
为了让编译器推导出模板参数，operator*需要在类中声明；
在类中声明非成员函数的唯一办法便是声明为friend；
声明的函数的同时我们有义务给出函数定义，所以在函数定义也应当放在friend声明中。

调用辅助函数

虽然operator*可以成功运行了，但定义在类定义中的函数是inline函数，见Item 30。如果operator*函数体变得很大，那么inline函数就不再合适了，这时我们可以让operator*调用外部的一个辅助函数：

template<typename T> class Rational;
template<typename T>
const Rational<T> doMultiply(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs);

template<typename T>
class Rational{
public:
    friend Rational<T> operator*(const Rational<T>& lhs, const Rational<T>& rhs){
        return doMultiply(lhs, rhs);
    }
};

doMultiply仍然是不支持混合模式调用的，然而doMultiply只会被operator*调用。 operator*将会完成混合模式的兼容，然后用统一的Rational<T>类型参数来调用doMultiply。

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