泛型(GP)之前, 先谈一下面向对象(OO), OO强调世界是由对象组成的,对象是由方法和属性组成的(个人感觉还应该加上事件),而对象之间又有继承(is-a)和组合等 关系。OO很符合我们认识世界的直觉,它以封装,继承和多态为特性,我们在现实工作中又总结出来了OO的5大设计原则和23种设计模式。总之,OO基本上已经可以很好的解决我们现实生活中的所有问题。

那么既然OO已经可以很好的解决我们的问题了,为什么还要有GP? 

我们先来看一下OO的缺点:
OO的多态是通过继承自同一接口来实现的, 修改接口会导致所有派生类的修改,耦合比较紧密。
OO的多态是运行时的, 性能比较低。
OO的多态通过抽象接口实现,使用不安全,在不支持反射的语言(比如C++)中会丧失类型检测。 

用OO设计时,你只能通过抽象接口来处理不同的事物。比如你要让Cat和Dog同时跑动,你可能会抽象出一个IAnimal接口,内部有一个Run的方法,然后让Cat和Dog分别继承。但是如果你想让猫(Cat)和玩具猫(ToyCat)支持跑动,这时你抽象出IAnimal就不合适了, 你可能会抽象出ICatProperty。可以看到OO的这种继承体系非常笨重,到后面可能会导致非常深的继承层次(比如MFC),代码扩展和维护都很艰难。

上面OO的这些缺点在GP没有被发现之前都不是缺点,因为我们没有更好的解决方案,但是人们逐渐发现了GP,GP最初是在使用容器(Container)时被发现的,container<T>可以放任意类型的元素,根据元素类型,我们可以可以生成任意类型的container. 这些技术后来发展成泛型编程和模板元编程。

那么什么是GP?
我的理解是 GP是基于concept的程序设计,我们通过concept来定义对象之间的关系。

什么是concept?
按我的理解,concept就是我们自己定义的概念和规则。

比如说任何对象,只要可赋值,他就符合Assignable的concept:
class A {};
class B {};

void test()
{
   A a1; A a2; a1 = a2;
   B b1; B b2; b1 = b2;
}
上面的A和B就都符合Assignable的concept.

又比如任何对象,只要可比较, 他就符合Comparable的concept:
class C
{
   public:
       bool operator < (const C& c);
       bool operator > (const C& c);
       bool operator == (const C& c);
       bool operator != (const C& c);
       bool operator <= (const C& c);
       bool operator >= (const C& c);
};
上面的对象C,他就符合他就符合Comparable的concept。

再看一个例子:
class Dog 
{
public
   void run();
};

class Cat
{
public
   void run();
};

template<typename T>
void run(T& t)
{
    t.run();
}
上面的Cat和Dog就都符合拥有成员函数Run这个concept.

GP的concept可以是任何我们能想到的规则,比如包含某个成员变量,或是定义某个类型, 比如下面代码:
class myTraits
{
public:
   typedef int type;
   type value;
};

template<typename T>
typename T::type GetValue(T& t)
{
   return t.value;
}

甚至GP的concept可以是指明基类和派生类, 比如下面代码:

template<typename TDrived, typename TBase>
class CMyImpl: public TBase
{
public:
     void work()
   { 
      TDrived* p = static_cast<TDrived*>(this);
      p->Hello();
     }
};

class CMyBase {};
class CMyClass: public CMyImpl<CMyClass, CMyBase>
{
public:
     void Hello() {}
};
ATL中大量应用这种concept来实现代码重用和模拟虚函数。

这些concept在不同语言中定义不一样,在一些语言中(比如C#)我们可以通过定义来进行显式约束,表明我们某个concept要满足哪些条件;在有些语言中(比如C++)则没有这显式约束定义,我们只能通过我们编程时自己的逻辑来保证,当然如果某个方法要求他的对象满足某个concept而你的对象没有满足 ,编译器也是不会让你通过的。

另外GP的concept之间本身也有某种关系, 某个concept可能继承与另外一个concept,或者说某个concept是另外一个concept的强化,也就是满足某个concept的对象肯定也同时满足另外一个concept. 比如concept  A包含Run方法, concept B包含Run和Eat方法,则concept B是concept A的强化,满足concept B的对象肯定同时满足concept A。

我们可以看到GP的这种基于concept的设计方式,大大降低了对象之间的耦合性,我们不再要求象OO那样抽象出共同的接口来让大家继承;任何两个看似没有关系的对象, 只要他们满足某个concept的约束,他们就能当作模板参数传给GP代码(模板类或是模板函数)。另外,我们可以看到GP的这些类型检测是在编译时就完成的,他的多态是在编译时就确定的静多态, 效率大大高于OO的动多态。
 
有些人说GP的抽象能力高于OO,这个观点我并不认同,我感觉只是他们的抽象方式不一样,OO是基于接口, 而GP是基于concept。OO的基于接口的抽象,在源代码和最终运行时都能体现,源代码中是接口,运行时是虚表,所以他们是一致的, 符合普通人的思维习惯。GP基于concept的抽象, 主要体现在源代码中 ,只是你用来告诉编译器你的思维方式, 在运行时他可能是一个完全不同的世界,所以比较难理解。

如果说OO的设计是抽象出接口, GP的设计就是抽象出concept, 满足某个concept的class是一个template class(如template<typename T> class vector), 而template class的又可以实例化成某个特定的class(如vector<int>)。 所以GP可以大大减少我们源代码的数量,但是他本身不能减小我们最终编译的可执行文件的大小,相反如果模板类过大,反而会造成代码膨胀,而OO的继承则没有这个问题(可参考C++模板会使代码膨胀吗)。

对于在实际开发中主要用OO还是用GP的问题, 可能应人和公司而异, 最好的方式当然是OO和GP的灵活结合。有人觉得GP的代码不好理解,那是因为你没有理解他的concept,比如看了《泛型编程与STL》,你就会发现自己也可以扩展STL了。当然,因为C++对concept没有约束定义机制, 而concept这个东西注释又不好描述,所以大部分时候我们只能通过源代码来推理,这在一定程度上也造成了GP代码难读懂这种说法的流行。

不知道大家在实际开发中GP用的多不多?
posted on 2012-11-10 14:25 Richard Wei 阅读(2997) 评论(7)  编辑 收藏 引用 所属分类: STL&GP

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# re: 范型编程杂谈[未登录]
2012-11-11 21:00 | jeff
第一次接触GP的解释,很新奇  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2012-11-11 23:16 | r.h
请教:
请问,能否只是用GP来实现动态多态?

假设,一个程序有两个菜单,dog和cat,用户选择dog菜单,程序会显示dog在跑,同理,用户选择cat菜单,程序会显示cat在跑。
如果使用OO来做的话,就很简单,实现一个基类,基类里有一个run的虚函数,再分别实现cat和dog派生类,实现run虚函数。

如果只用GP是否能实现根据用户动态选择,而调用对应的实现函数呢? 我知道GP应该只是在编译时期的多态,应该不能实现上面的功能。但我想ATL肯定能实现上面的功能,是不是ATL同时使用了OO和GP?  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2012-11-11 23:56 | Richard Wei
@r.h
用GP实现运行时多态在C++ 中现在来说还做不到,ATL同时用了GP和OO。
有兴趣的话可以看下这篇http://www.cppblog.com/longshanks/archive/2007/12/06/37915.aspx  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2012-11-12 11:01 | r.h
@Richard Wei
谢谢.虽然我也这样认为的,但能从专家这里获得同样的结论,心理就踏实多了.  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2012-11-16 17:52 | 华夏之火
在下比较喜欢使用C++中template的代码自动生成技术,由此感觉C++已通过泛型进入一个新的阶段。只可惜目前还曲高和寡  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2013-02-19 17:11 | Richard Wei
@华夏之火
不错, 从C++11的变化可以看到好多新特性都是针对模板编程的,范型编程是C++编程的趋势  回复  更多评论
  
# re: 范型编程杂谈
2013-02-22 11:32 | 永遇乐
作者的思路很清晰,讲解的也很透彻,学习了。。。  回复  更多评论
  

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