[C++] typename的双重意义

提一个问题:以下template声明式中,class和typename有什么不同?

template<class T> class Widget;
template<typename T> class Widget;

答案:没有不同。
当我们声明template类型参数,class和typename的意义完全相同。
某些程序员始终比较喜欢class,因为可以少打几个字。
其他人(包括我)比较喜欢typename,因为它暗示参数并非一定得是个class类型。
少数开发人员在接受任何类型时使用typename,而在只接受用户自定义类型时保留旧式的class。
然而从C++的角度来看,声明template参数时,不论使用关键字class或typename,意义完全相同。

然而,C++并不总是把class和typename视为等价,有时候,你一定得使用typename。
为了解其时机,我们必须先谈谈你可以在template内指涉(refer to)的两种名称。

1. 嵌套从属名称

假设我们有个template function,接受一个STL兼容容器为参数,容器内持有的对象可被赋值为int。
进一步假设这个函数仅仅只是打印其第二元素值。
这是一个无聊的函数,以无聊的方式实现,而且如稍后所言,它甚至不能通过编译。
但请暂时漠视那些事,下面是实践这个愚蠢想法的一种方式:

// 打印容器内的第二元素,注意这不是有效的C++代码
template<typename C>
void print2nd(const C& container){
    if(container.size() >= 2){

        // 取得第一元素的迭代器
        C::const_iterator iter(container.begin());

        // 将iter移往第二元素
        ++iter;

        // 将该元素复制到某个int
        int value = *iter;

        // 打印那个int
        std::cout << value;
    }
}

我在代码中特别强调两个local变量iter和value,
iter的类型是C::const_iterator,实际是什么必须取决于template参数C。

template内出现的名称如果相依于某个template参数,称之为从属名称(dependent name),
如果从属名称在class内呈内嵌状,我们称它为嵌套从属名称(nested dependent name)。
C::const_iterator就是这样的一个名称。

实际上它还是嵌套从属类型名称(nested dependent type name),
也就是个嵌套从属名称并且指涉某类型。

print2nd内的另一个local变量value,其类型是int,
int是一个并不倚赖任何template参数的名称,这样的名称是谓非从属名称(non-dependent name)。

2. typename + 嵌套从属类型名称

嵌套从属名称,有可能导致解析(parsing)困难。
举个例子,假设我们令print2nd更愚蠢些,这样起头:

template<typename C>
void print2nd(const C& container){
    C::const_iterator* x;
    ...
}

看起来好像我们声明x为一个local变量,它是一个指针,指向一个C::const_iterator
但它之所以被那么认为,只因为我们“已经知道”C::const_iterator是个类型。
如果C::const_iterator不是个类型呢?
如果C有个static成员变量,而碰巧被命名为const_iterator,
或如果x碰巧是个global变量名称呢?
那样的话,上述代码就不再是声明一个local变量,而是一个相乘动作:
C::const_iterator乘以x

当然啦,这听起来有点疯狂,但却是可能,而撰写C++解析器的人必须操心所有可能的输入,
甚至是这么疯狂的输入。

在我们知道C是什么之前,没有任何办法可以知道C::const_iterator是否为一个类型。
而当编译器开始解析template print2nd时,尚未确知C是什么东西。
C++有个规则可以解析(resolve)此一歧义状态:
如果解析器在template中遭遇一个嵌套从属名称,它便假设这个名称不是一个类型,除非你告诉它是。
所以,缺省情况下嵌套从属名称不是类型,此规则有个例外,稍后我会提到。

把这些记在心上,现在再次看看print2nd起始处:

template<typename C>
void print2nd(const C& container){
    if(container.size() >= 2){
        // 这个名称被假设为非类型
        C::const_iterator iter(container.begin());

        ...

现在应该很清楚为什么这不是有效的C++代码了把。
iter声明式只有在C::const_iterator是个类型时才合理,但我们并没有告诉C++说它是。
于是C++假设它不是。
若要矫正这个形势,我们必须告诉C++说C::const_iterator是个类型,
只要紧临它之前放置关键字typename即可:

// 这是合法的C++代码
template<typename C>
void print2nd(const C& container){
    if(container.size() >= 2){
        typename C::const_iterator iter(container.begin());
        ...

一般性规则很简单:
任何时候当你想要在template中指涉一个嵌套从属类型名称,就必须在紧临它的前一个位置放上关键字typename。
(再提醒一次,很快我们会谈到一个例外)

typename只被用来验明嵌套从属类型名称,其他名称不该有它存在。
例如下面这个function template,接受一个容器和一个“指向该容器”的迭代器:

template<typename C>    // 允许使用typename或class
void f(const C& container,    // 不允许使用typename
    typename C::iterator iter){    // 一定要使用typename
    ...
}

上述的C并不是嵌套从属类型名称(它并非嵌套于任何“取决于template参数”的东西内),
所以声明container时并不需要以typename为前导,
C::iterator是个嵌套从属类型名称,所以必须以typename为前导。

3. 例外

“typename必须作为嵌套从属类型名称的前缀词”,这一规则的例外是,
typename不可以出现在base class list内的嵌套从属类型名称之前,
也不可以在member initialization list(成员初值列)中作为base class的修饰符。

例如:

template<typename T>
class Derived: public Base<T>::Nested{    // base class list中,不允许typename
public:
    explicit Derived(int x)
    : Base<T>::Nested(x){    // mem init list中,不允许typename

        // 嵌套从属名称
        // 既不在base class list中,也不在mem init list中,
        // 作为一个base class修饰符,需加上typename
        typename Base<T>::Nested temp;    
        ...
    }
    ...
};

这样的不一致性令人恼恨,但一旦你有了一些经验,勉勉强强还能接受它。

4. 真实程序的例子

让我们看看最后一个typename的例子,那是你将在真实程序中看到的代表性例子。
假设我们正在撰写一个function template,它接受一个迭代器,而我们打算为该迭代器指涉的对象做一份local复件(副本)temp。
我们可以这么写:

template<typename IterT>
void workWithIterator(IterT iter){
    typename std::iterator_traits<IterT>::value_type temp(*iter);
    ...
}

别让std::iterator_traits<IterT>::value_type惊吓到你,
那只不过是标准traits class的一种运用,相当于说“类型为IterT之对象所指之物的类型”。
这个语句声明一个local变量(temp),使用IterT对象所指物的相同类型,并将temp初始化为iter所指物。
如果IterT是vector<int>::iterator,temp的类型就是int。
如果IterT是list<string>::iterator,temp的类型就是string。

由于std::iterator_traits<IterT>::value_type是一个嵌套从属类型名称,
(value_type被嵌套于iterator_traits<IterT>之内,而IterT是个template参数),
所以,我们必须在它之前放置typename。

如果你认为std::iterator_traits<IterT>::value_type读起来不畅快,
想象一下打那么长的字又是什么光景。
如果你像大多数程序员一样,认为多打几次这些字实在很恐怖,那么你应该会想建立一个typedef。
对于traits成员名称如value_type,普遍的习惯是设定typedef名称用以代表某个traits成员名称,
于是常常可以看到类似这样的local typedef:

template<typename IterT>
void workWithIterator(IterT iter){
    typedef typename std::iterator_traits<IterT>::value_type value_type;
    value_type temp(*iter);
    ...
}

许多程序员最初认为把“typedef typename”并列颇不和谐,
但它实在是指涉“嵌套从属类型名称”的一个合理附带结果。
你很快会习惯它,毕竟你有强烈的动机,你希望多打几次std::iterator_traits<IterT>::value_type吗?

5. 可移植性问题

作为结语,我应该提到,typename相关规则在不同的编译器上有不同的实践,
某些编译器接受的代码原本该有typename却遗漏了,原本不该有typename却出现了,
还有少数编译器(通常是较旧版本)根本就拒绝typename。
这意味着typename和“嵌套从属类型名称”之间的互动,也许会在移植性方面带给你某种温和的头疼。


Effective C++ - P203

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