Item 41: 理解 implicit interfaces（隐式接口）和 compile-time polymorphism（编译期多态）

作者：Scott Meyers

译者：fatalerror99 (iTePub's Nirvana)

发布：http://blog.csdn.net/fatalerror99/

object-oriented programming（面向对象编程）的世界是围绕着 explicit interfaces（显式接口）和 runtime polymorphism（执行期多态）为中心的。例如，给出下面这个（没有什么意义的）class（类），

class Widget {
public:
  Widget();
  virtual ~Widget();
  virtual std::size_t size() const;
  virtual void normalize();
  void swap(Widget& other);                 // see Item 25

  ...
};

以及这个（同样没有什么意义的）function（函数），

void doProcessing(Widget& w)
{
  if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) {
      Widget temp(w);
      temp.normalize();
      temp.swap(w);
  }
}

我们可以这样谈论 doProcessing 中的 w：

  • 因为 w 被声明为 Widget 类型的引用，w 必须支持 Widget interface（接口）。我们可以在源代码中找到这个 interface（接口）（例如，Widget 的 .h 文件）以看清楚它是什么样子的，所以我们称其为一个 explicit interface（显式接口）——它在源代码中显式可见。

  • 因为 Widget 的一些 member functions（成员函数）是虚拟的，w 对这些函数的调用就表现为 runtime polymorphism（执行期多态）：被调用的特定函数在执行期基于 w 的 dynamic type（动态类型）来确定（参见 Item 37）。

templates（模板）和 generic programming（泛型编程）的世界是根本不同的。在那个世界，explicit interfaces（显式接口）和 runtime polymorphism（执行期多态）继续存在，但是它们不那么重要了。作为替代，把 implicit interfaces（隐式接口）和 compile-time polymorphism（编译期多态）推到了前面。为了了解这是怎样一种情况，看一下当我们把 doProcessing 从一个 function（函数）转为一个 function template（函数模板）时会发生什么：

template<typename T>
void doProcessing(T& w)
{
  if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) {
     T temp(w);
     temp.normalize();
     temp.swap(w);
  }
}

现在我们可以如何谈论 doProcessing 中的 w 呢？

  • w 必须支持的 interface（接口）是通过 template（模板）中在 w 身上所执行的操作确定的。在本例中，它显现为 w 的 type (T) 必须支持 size，normalize 和 swap member functions（成员函数）；copy construction（拷贝构造函数）（用于创建 temp）；以及对不等于的比较（用于和 someNastyWidget 之间的比较）。我们将在以后看到这并不很精确，但是对于现在来说它已经足够正确了。重要的是这一系列必须有效地适合于模板编译的表达式是 T 必须支持的 implicit interface（隐式接口）。

  • 对诸如 operator> 和 operator!= 这样的包含 w 的函数的调用可能伴随 instantiating templates（实例化模板）以使这些调用成功。这样的 instantiation（实例化）发生在编译期间。因为用不同的 template parameters（模板参数）实例化 function templates（函数模板）导致不同的函数被调用，因此以 compile-time polymorphism（编译期多态）著称。

即使你从没有使用过模板，你也应该熟悉 runtime（运行期）和 compile-time polymorphism（编译期多态）之间的区别，因为它类似于确定一系列重载函数中哪一个应该被调用的过程（这个发生在编译期）和 virtual function（虚拟函数）调用的 dynamic binding（动态绑定）（这个发生在运行期）之间的区别。explicit（显式）和 implicit interfaces（隐式接口）之间的区别是与 template（模板）有关的新内容，需要对他进行近距离的考察。

一个 explicit interface（显式接口）由 function signatures（函数识别特征）组成，也就是说，函数名，参数类型，返回值，等等。例如，Widget class（类）的 public interface（显式接口），

class Widget {
public:
  Widget();
  virtual ~Widget();
  virtual std::size_t size() const;
  virtual void normalize();
  void swap(Widget& other);
};

由一个 constructor（构造函数），一个 destructor（析构函数），以及函数 size，normalize 和 swap 组成，再加上 parameter types（参数类型），return types（返回类型）和这些函数的 constnesses（常量性）。（它也包括 compiler-generated（编译器生成）的 copy constructor（拷贝构造函数）和 copy assignment operator（拷贝赋值运算符）——参见 Item 5。）它还可能包含 typedefs，还有，如果你胆大包天敢于违背 Item 22 的让 data members（数据成员）private（私有）的建议，即使在这种情况下，这些 data members（数据成员）也不是。

一个 implicit interface（隐式接口）有很大不同。它不是基于 function signatures（函数识别特征）的。它是由 valid expressions（合法表达式）组成的。再看一下在 doProcessing template 开始处的条件：

template<typename T>
void doProcessing(T& w)
{
  if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) {
  ...

对于 T（w 的类型）的 implicit interface（隐式接口）看起来有如下这些约束：

  • 它必须提供一个名为 size 的返回一个正数值的 member function（成员函数）。

  • 它必须支持一个用于比较两个类型 T 的对象的 operator!= 函数。（这里，我们假定 someNastyWidget 的类型为 T。）

由于 operator overloading（运算符重载）的可能性，这两个约束都不必满足。是的，T 必须支持一个 size member function（成员函数），值得提及的是虽然这个函数可以是从一个 base class（基类）继承来的。但是这个 member function（成员函数）不需要返回一个整数类型。它甚至不需要返回一个数值类型。对于这种情况，它甚至不需要返回一个定义了 operator> 的类型！它要做的全部就是返回类型 X 的一个 object（对象），有一个 operator> 可以用一个类型为 X 的 object（对象）和一个 int（因为 10 为 int 类型）来调用。这个 operator> 不需要取得一个类型 X 的参数，因为它可以取得一个类型 Y 的参数，只要在类型 X 的 objects（对象）和类型 Y 的 objects（对象）之间有一个 implicit conversion（隐式转型）就可以了！

类似地，T 支持 operator!= 也是没有必要的，因为如果 operator!= 取得一个类型 X 的 objects（对象）和一个类型 Y 的 objects（对象）是可接受的一样。只要 T 能转型为 X，而 someNastyWidget 的类型能够转型为 Y，对 operator!= 的调用就是合法的。

（一个旁注：此处的分析没有考虑 operator&& 被重载的可能性，这会将上面的表达式的含义从与转换到某些大概完全不同的东西。）

第一次考虑 implicit interfaces（隐式接口）的时候，大多数人都会头疼，但是他们真的不需要阿司匹林。implicit interfaces（隐式接口）简单地由一套 valid expressions（合法表达式）构成。这些表达式自身看起来可能很复杂，但是它们施加的约束通常是简单易懂的。例如，给出这个条件，

if (w.size() > 10 && w != someNastyWidget) ...

关于 functions size，operator>，operator&& 或 operator!= 上的约束很难说出更多的东西，但是要识别出整个表达式的约束是非常简单的。一个 if 语句的条件部分必须是一个 boolean expression（布尔表达式），所以不管 "w.size() > 10 && w != someNastyWidget" 所产生的类型涉及到的精确类型，它必须与 bool 兼容。这就是 template（模板）doProcessing 施加于它的 type parameter（类型参数）T 之上的 implicit interface（隐式接口）的一部分。被 doProcessing 需要的 interface（接口）的其余部分是 copy constructor（拷贝构造函数），normalize 和 swap 的调用对于类型 T 的 objects（对象）来说必须是合法的。

implicit interface（隐式接口）对 template（模板）的 parameters（参数）施加的影响正像 explicit interfaces（显式接口）对一个 class（类）的 objects（对象）施加的影响，而且这两者都在编译期间被检查。正像你不能用与它的 class（类）提供的 explicit interface（显式接口）矛盾的方法使用 object（对象）（代码无法编译）一样，除非一个 object（对象）支持 template（模板）所需要的 implicit interface（隐式接口），否则你就不能在一个 template（模板）中试图使用这个 object（对象）（代码还是无法编译）。

Things to Remember

  • classes（类）和 templates（模板）都支持 interfaces（接口）和 polymorphism（多态）。

  • 对于 classes（类），interfaces（接口）是 explicit（显式）的并以 function signatures（函数识别特征）为中心的。polymorphism（多态性）通过 virtual functions（虚拟函数）出现在运行期。

  • 对于 template parameters（模板参数），interfaces（接口）是 implicit（隐式）的并基于 valid expressions（合法表达式）。polymorphism（多态性）通过 template instantiation（模板实例化）和 function overloading resolution（函数重载解析）出现在编译期。