C++模板编程（9）---模板的多型（态）威力

    所谓多型（Polymorphism），也常称为多态，是一种以单一泛化记号generic notation表述多种特定行为的能力。多型是面向对象编程思维模型object-oriented programming paradigm的基石。C++主要透过class的继承和虚拟函数（virtual function）支持多型。由于这些机制（全部或部分）生效于执行期，所以称为动态多型（dynamic polymorphism）。谈论C++多型（多态）时，所指通常都是动态多型。然而templates也允许我们以单一泛化记号表述多种特定行为，只不过一般发生在编译期，因此称为静态多型（static polymorphism）。

1. 动态多型（Dynamic Polymorphism）

      从历史上看，C++一开始只是透过继承机制与虚拟函数的结合运用来支持多型。这种背景下的多型设计关键点是：在彼此相关的object types之间确认一套共通能力，并将其声明为某共通基础类别（common base class）的一套虚拟函数接口。

    如下图，基础图元的绘制，可以定义出一个抽象基类，Abstract Base Class,ABC，GeoObj,在其中声明共同的操作operation和共同的属性properties。具体的类Circle， Line，Rectangle都继承自GeoObj。

 1）坐标文件coord.hpp

2)图元类声明头文件dynahier.hpp

 

3)具体实现代码dynapoly.cpp

 

4）测试代码主程序main.cpp

 

上述程序的关键性多型接口元素是draw() 和center_of_gravity() ，两者都是虚拟函数。上面程序中示范了它们在myDraw（）、distance（）和drawElems（）函数内被使用的情况。由于三个函数都使用的抽象基类GeoObj，所以编译期间无法决定使用哪个版本的draw()或center_of_gravity.但是执行期间，调用虚拟函数的那个对象的完整动态类型会被获得。

    动态多型最引人注目的特性是处理异质对象群集（heterogeneous collection of objects）的能力。drawElements（）阐述了这个概念：下面的简单表达式：

elems[i] -> draw()

将根据目前正在处理的元素类型，调用不同的成员函数（虽然都是draw函数）。

2. 静态多型（static Polymorphism）

 模板Templates也可以用来实现多型，然而并不依赖抽象基类来提供共性：相同的属性与操作。具体类别之间彼此独立定义。当模板实例化后，便获得了多型的威力。

                                                        多型透过模板实现示意图

例如，前面的函数myDraw():

void myDraw(GeoObj const& obj)

{

        obj.draw();

}

可以如下以模板形式改写为：

template <typename GeoObj>

void myDraw(GeoObj const& obj)

{

        obj.draw();

}

比较前后两份myDraw（）实现代码，可以看出：两者的区别主要在于GeoObj如今是一个模板参数template parameter而非一个common base class。然而在此表象背后，还有一些更根本的区别。

如果使用动态多型，执行期间只会有一个myDraw（）函数，但如果使用template，我们会拥有不同的函数，如myDraw<Line>() 和myDraw<Circle>()。

现在基于静态多型机制要改写独立的几何类别：

classes的应用程序看起来像如下模样：

 

测试主程序如下：

 

3. 动态多型与静态多型的对比

    动态多型和静态多型支持不同的C++编程手法（idioms）：

    经由继承而实现的多型是bounded（绑定的）和动态的dynamic

绑定意味着参与多型行为的类型，其接口系透过common base class 的设计而预先定妥的。此概念的另一些描述术语为invasive侵略性的或intrusive侵入式的。

dynamic意味着接口的绑定动态完成与执行期。

形成对比的是，

经由templates而实现的多型是unbounded（非绑定的）和静态的static

unbounded意味着参与多型行为的类型，其接口并非预先决定好的。此概念的另一些描述术语有：

noninvasive或nonintrusive非侵入式的。

static意味着接口的绑定静态完成于编译期间。

因此严格说来，动态多型和静态多型分别是绑定之动态多型和未绑定之静态多型。

4. 设计模式的新形式

静态多型为设计模式带来了新的实现形式，举个bridge范式为例子，

引入模板后，静态多型实现如下，

 

5. 泛型编程

    静态多型带来了泛型编程的概念。然而并不存在被普通认同的泛型编程定义。众多定义的根源是：使用泛化参数generic parameters进行编程，以便找出高效算法之最抽象表述。那本书最后总结如下：

    泛型编程是一个计算器科学分支，适合用来找出（发现）高效算法、数据结构、其他软件概念之抽象表述，并用处理它们的系统化组织方式。泛型编程主要用于表现（领域概念）族系。

    在C++环境中，泛型编程有时被定义为以模板进行编程（而面向对象编程则被认为是以虚拟函数进行编程）。从这个意义上讲，只要使用了C++ templates，任何编程行为都可以视为泛型编程。

    迄今为止，这个领域中最耀眼的贡献是STL（Standard Template Library）。STL是个框架（framework），提供大量有用的操作，称为算法（algorithms），以及大量用于处理对象群集（collections of object）的线性数据结构，称为容器（containers）。算法和容器都是templates。不过最关键的还在于：算法并非容器的成员函数，而是以某种泛化方式编写而成，因此可被任何容器所用。为了做到这一点，STL设计者确认了一个抽象概念：迭代器（iterators）

6. 小结

   容器类型时将模板引入C++编程语言的首要动机。templates出现之前，多型阶层体系polymorphic hierarchy是处理容器的流行方式，一个较为流行的例子是NIHCL，National Institutes of Health Class Library，如下图，

    静态多型适合编写十足的基础计算结构。相形之下，动态多型需要选择一个共通基础类型common base type，意味着其库往往是领域专属的domain-specific。