C++ 模板和 Java/C# 泛型有什么区别，有什么限制？ [关闭]

Question

我从here 阅读了一篇有趣的文章/线程/讨论，我收到了以下问题：

• Java/C# 泛型有哪些限制？
• C++ 模板可以实现哪些 Java/C# 泛型无法实现的功能？

编辑 1Eric Lippert 的更多推荐问题

• 有哪些模式可以用 C# 泛型但不能用 C++ 模板？
• C# 的真正泛型类型和 Java 的类型擦除泛型类型有什么区别？

Answer 1

首先，您可能想阅读my 2009 article on this subject。

在我看来，C++ 模板和 C# 泛型之间的主要区别在于，C++ 模板实际上在构建模板时完全重新编译代码。 C++ 方法的优缺点很多：

• PRO：您可以有效地创建约束，例如“类型参数 T 必须有一个加法运算符”；如果代码包含几个相互添加的 T，那么如果您使用不允许添加的类型参数构造模板，则模板将无法编译。

• CON：您可能会意外创建未记录的约束，例如“类型参数 T 必须具有加法运算符”。

在 C# 中，您必须说哪些约束对用户有帮助，但您仅限于一小部分可能的约束：接口、基类、值与引用类型和默认构造函数约束，仅此而已。

• PRO：语义分析对于两种不同的结构可能完全不同。如果你想要，那就太棒了。

• CON：语义分析对于两种不同的结构可能完全不同。如果你不想这样，那就是等待发生的错误。

在 C# 中，无论类型构造多少次，语义分析都会进行一次一次，因此需要使用满足约束的 any 类型参数，而不仅仅是实际提供的类型参数。

• 专业人士：您只需为您需要的结构生成代码。

• CON：您为您使用的所有结构生成代码。

模板会导致代码生成变大。在 C# 中，泛型类型的 IL 生成一次，然后在运行时抖动对程序使用的所有类型进行代码生成。这会带来很小的性能成本，但由于抖动实际上只为所有引用类型参数生成一次代码，这在一定程度上有所缓解。因此，如果您有List<object> 和List<string>，那么jitted 代码只会生成一次并用于两者。相比之下，List<int> 和 List<short> 会 jit 两次代码。

• 专业人士：当您使用模板库时，源代码就在那里。

• CON：要使用模板库，您必须拥有源代码。

在 C# 中，泛型类型是一等类型。如果将它们放在库中，则可以在任何地方使用该库，而无需提供源代码。

最后：

• PRO：模板允许模板元编程。

• CON：模板元编程对于新手来说很难理解。

• CON：模板系统实际上不允许某些类型拓扑在通用系统中非常简单。

例如，我想在 C++ 中做这样的事情会很困难：

class D<T> 
{
    class S { }
    D<D<T>.S> ds;
}

在 C# 泛型中，没问题。在运行时，该类型只为所有引用类型参数构建一次。

但是在 C++ 模板中，当你有 D<int> 时会发生什么？内部类型构造了一个D<D<int>.S> 类型的字段，所以我们需要构造那个类型。但该类型构造了一个 D<D<D<int>.S>.S>... 类型的字段，以此类推直到无穷大。

Answer 2

Java/C# 泛型有哪些限制？

Java 泛型是有限的，因为它不可能像在 C++ 中那样做一些技巧。

为了证明here 是一个 C++ 示例，仅用 Java 中的模板是不可能重现的。

基于策略的编程是一种在编译时将（模板化）类的使用限制为其他（可能的）模板化类继承的方法。

编译时泛型与运行时泛型有何不同？

交易是编译器了解类/模板可能的运行时行为的所有信息，因此它可以进行大量优化，而 C#/Java/任何运行时环境/编译器（目前）是不可能的。

另一个好处是编译器可以确保模板组合的实例化是有效的，这意味着当程序员想要实例化时，不会像在 Java/C# 中那样发生运行时错误具有无效组合的新对象。

C++ 泛型的缺点是什么？

缺点是模板的阅读、理解和调试会变得非常复杂。这（也许）是 Java 开发人员不想在语言中拥有这样一个野兽的原因之一。

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C++ 泛型可以实现哪些 Java/C# 泛型无法实现？

在 C++ 中可以使用其他模板作为模板参数，这在 C#/Java 中是不可能的，并且允许使用模板元编程等优雅技巧。

Answer 3

Java 泛型的动机始终是提供类型安全，同时保持向后兼容性。 Sun 通过添加类型检查然后在编译过程中擦除泛型类型来实现泛型。代码如下：

// This applies to JDK 1.5, so I won't use <>.
List<Number> list = new ArrayList<Number>();
list.add(2.0);
list.add(-2);
list.add(new BigDecimal("1.23456789");

等价于

List list = new ArrayList();
Double temp = new Double(2.0); // boxing
if (!temp instanceof Number) throw new ClassCastException();
list.add(temp);
// Similar for -2 and the BigDecimal.

不知道列表的类型使其进入运行时类，但编译器可能会删除一些instanceofs，因为它是安全的。

由于编译器不会将泛型类型写入已编译的类文件中，因此上述list.getClass() == ArrayList.class，因此不能像 C++ 中那样存在模板特化。 List<Boolean> 不能打包成位序列。所有泛型类型都是类型，不像 C++ 中的模板：

template<int length, int time, int mass>
class measurement {...}

可用于维度分析，并防止人们增加区域的长度。

Answer 4

根据MSDN，C# 泛型和 C++ 模板之间的主要区别是：

• C# 泛型不提供与 C++ 模板相同的灵活性。例如，虽然可以调用用户定义的运算符，但不能在 C# 泛型类中调用算术运算符。
• C# 不允许非类型模板参数，例如模板 C {}。
• C# 不支持显式特化；也就是说，针对特定类型的模板的自定义实现。
• C# 不支持部分特化：类型参数子集的自定义实现。
• C# 不允许将类型参数用作泛型类型的基类。
• C# 不允许类型参数具有默认类型。
• 在 C# 中，泛型类型参数本身不能是泛型，尽管构造类型可以用作泛型。 C++ 确实允许模板参数。

但在某些情况下，您可以通过使用扩展方法来解决其中一些问题。

可以使用 C++ 泛型，无论是 C# 泛型还是 Java 泛型：真正的模板元编程（编译时图灵完成）。

#include <iostream>
template<unsigned U>
struct Fac{ enum { value = U * Fac<U-1>::value};};
template<>
struct Fac<0>{ enum { value = 1};};
template<unsigned U>
struct Fib{ enum {value = (Fib<U-1>::value + Fib<U-2>::value)};};
template<>
struct Fib<0>{ enum {value = 0};};
template<>
struct Fib<1>{ enum {value = 1};};
template<unsigned U>
void show(){
    show<U-1>();
    std::cout << "Fib(" << U << ")=" << Fib<U>::value << "\t" << "Fac(" << U << ")=" << Fac<U>::value << std::endl;
}
template<>
void show<0>(){}

int main(int argc, char** argv){
    show<12>();
}

http://ideone.com/Gdf3W

编辑

C++ 标准对类型参数没有限制，而 C# 和 Java 有。 Boost 有类似的东西 (Boost Concept Check Library)。但是从 C++11 开始，您现在可以使用 <type_traits> 来获得类似的东西。