为什么需要模板/泛型？继承还不够吗？答案

【问题标题】：Why does one need templates/generics? Isn't inheritance enough?为什么需要模板/泛型？继承还不够吗？
【发布时间】：2011-10-12 09:58:23
【问题描述】：

我听到很多人说C++ 模板非常强大。我似乎仍然不明白使用它们而不是使用继承的好处。

由于我主要是一名 Java 开发人员，我认为 generics 和 templates 是一回事，但根据 Wikipedia:

尽管 C++ 模板、Java 泛型和 .NET 泛型通常被认为是相似的，但泛型只是模仿 C++ 模板的基本行为。

我还想知道，在可能只使用类的地方使用模板是否不会混淆代码？

【问题讨论】：

你用过std::vector吗？
您不需要模板/泛型（毕竟，它们只是在 java 1.5 中引入的），但是它们提供了不错的功能。类型安全的集合（例如 STL 中的 std::vector ）就是其中之一：您将如何仅使用继承来实现一个？（例如，Vector 的 add 方法需要接受 Object 的任何子类）。这种参数化在没有“根类”的 C++ 中更为重要（如 java 中的 Object）。
这是一个完全有效的问题
由于这个问题已经结束，我想指出 C++ 模板允许“静态多态性”（参见 CRTP），这是您在 Java 中无法做到的。此外，您可以有整数参数，因此您可以在编译时指定类数组的大小，例如，不需要使用动态分配的内存。在 C++0x 中，数组类使用 this。
我认为，如果您在聊天中提出问题（如果您愿意的话）或者如果您有适合 Q/A 格式的内容：“我知道怎么写某某与继承，模板会是什么样子，我会获得/权衡什么”。

标签： java c++ templates generics inheritance

【解决方案1】：

继承是不够的。以std::vector（或者更相关的std::vector<T>）为例。它为您提供了一个在编译时类型安全的容器类（对于任何T）。继承是不可能的。

【讨论】：

@Luc：你说得对，“正确”不是正确的词！让我改变它。
或者更准确地说：std::vector<T, Allocator>。我同意 Luc Danton 的观点。

【解决方案2】：

如果你有一个类型不可知的方法，比如 (p-code)

void add (object lhs, object rhs)

您将如何正确实施它？ lhs 和 rhs 可以是一切，甚至不能保证两者都是同一类型，所以如果你这样称呼它呢

add ("foo@example.com", 3)
add (std::vector<int>, std::pair<Foo, float>() )
add (add, add)

?

使用模板/泛型，您可以显式（p-code）

template <PARAM_TYPE>
void add (PARAM_TYPE lhs, PARAM_TYPE rhs)

这也意味着您可以保持类型安全。

这只是多态性不能削减的众多例子之一。此外，泛型与模板实际上并不相同，因此实际上很难给出一个量身定制的答案。

运行时调度（虚拟函数等）也总是有潜在的成本。通过 C++ 模板的专用代码仅针对您所调用的内容进行实例化，即不会产生额外的性能成本。代码膨胀可以忽略不计，因为 C++ 模板是惰性实例化的（只有您真正调用的内容才会发送到实际代码），并且与手动专用（“重载”）代码相比，它并不多一个字节。

C++ 世界不仅仅由 OOP [-动态多态性] 组成。

【讨论】：

【解决方案3】：

在过去，您会使用：

 List myList = new ArrayList();
 myList.add(new String("Hello"));
 ....

 String myString = (String) myList.get(0);

如果您在列表中的某个位置插入不同类型的值，您只会在检索对象时找到，而没有关于真正失败位置的信息（插入错误类型的对象）。

现在，你做：

 List<String> myList = new ArrayList<String>();

并在错误所在的地方抛出错误。

这在“过去”已经被控制了，但它涉及扩展 ArrayList 或创建一个包装器，因此它只接受有效的类；泛型简化了很多。

【讨论】：

是的，我知道这一点。谢谢！

【解决方案4】：

模板发生在编译时。继承发生在运行时。您可以在编译时使用模板捕获错误，您必须对其继承进行单元测试（然后希望您不要错过它们）。此外，模板比继承更干净、更流畅。

考虑一个简单的例子，在 Java 中，List。当你有一个只应该包含的列表时，我不知道，客户，但如果实际上它包含一堆对象引用，你不能保证它不包含一堆动物或数据库连接，当你把它拿回来时，你必须施放它，它可以扔。泛型保证正确的结果，不需要强制转换。如果你写了一个错误，试图在这里插入一些不属于的东西，你的编译器就会出错。这种安全级别远远高于多态性所能提供的。

此外，模板（在 C++ 中）可以接受类型以外的参数，例如整数类型，可以执行编译时类型自省等等。模板的可能性远远大于继承的可能性，而且更安全、更快。

最后，使用模板，您不必显式继承。如果我想提供operator+，我是否必须从 Addable 继承？不，模板会自动拾取它。这比必须显式指定我可以继承的每个功能更易于维护，因为当一个新库出现时，我不必更改我的代码以从它们的 Addable 接口继承。在 C++ 中，我不必从 Callable 接口继承来允许使用boost::function，即使它是在我的函数对象编写之后开发的。 Java 永远无法通过继承做到这一点。没有泛型，你怎么能开发出一个可以处理可变数量参数的类呢？写一个Callable1、Callable2、Callable3接口？

考虑另一个简单的例子。假设我想将两个对象相加，然后用最终对象减去结果。如果你有一个 IAddable 接口，你怎么可能指定加法运算的结果是可减的？并且可以减去-我当然希望这不是另一个参数？您基本上必须为每个复杂的用例编写一个新界面。另一方面，模板始终保持其类型信息，因此，如果我执行的操作超过几个，结果不会丢失它们的信息。

实际上，这些参数与静态和动态类型基本相同，其中模板是静态的，而继承是动态的。与动态类型相比，静态类型明显更快且不易出错。

【讨论】：

【解决方案5】：

模板和继承扮演不同的角色，这种情况相当少见您可以在其中进行选择。一个非常简单的描述应该是模板为不同的接口，其中继承提供了一个通用接口不同的实现。在他们通常的角色中，模板强制执行编译时类型系统的不变量；考虑一些预模板库，其中 Vector 只能包含 Object*，一切都必须来自Object（你必须把东西装箱像int)。将int 插入向量中，并尝试读取 double，是运行时错误（或只是未定义的行为），而不是而不是编译时错误。

我不同意 Wikipedia 的引用：从技术上讲，C++ 模板和 Java 模板几乎不相关。 Java模板的目标是在类型上提供不变量的编译时强制执行系统，这也是C++模板的重要用途之一，但是使用的机制完全不相关，C++ 模板可以也用于其他目的。

最后，如果您使用的模板只是一个简单的类就可以了工作，你在滥用模板。仅仅因为 C++ 有模板并不意味着你应该让每个类和函数都成为一个模板。

【讨论】：

【解决方案6】：

我...认为泛型和模板是一回事

实际上它们几乎是截然相反的。 C++ 模板生成新类型。 Java 泛型限制现有类型。真的是粉笔和奶酪。有点遗憾的是它们有相似的语法。

【讨论】：

【解决方案7】：

模板还有助于元编程 - 一种可用于生成编译时代码（循环、多个函数、递归、编译时计算等）、静态断言实现、限制类仅适用于特定的技术类型（比如int，或者定义了一些操作符/方法）。

虽然元编程对于初学者来说很难理解和适应，但已经被广泛使用，特别是在 Boost 中。

【讨论】：

我用 Ruby 和 Python 完成了元编程。从来不知道模板与它有关。谢谢！