模板模板参数有哪些用途？

Question

我见过一些使用模板模板参数（即以模板作为参数的模板）进行基于策略的类设计的 C++ 示例。这种技术还有什么其他用途？

Answer 1

我认为你需要使用模板模板语法来传递一个参数，其类型是一个依赖于另一个模板的模板，如下所示：

template <template<class> class H, class S>
void f(const H<S> &value) {
}

这里，H 是一个模板，但我希望这个函数能够处理 H 的所有特化。

注意：我从事 c++ 编程多年，只需要一次。我发现它是一个很少需要的功能（当你需要它时当然很方便！）。

我一直在努力想出好的例子，老实说，大多数时候这不是必需的，但让我们设计一个例子。让我们假设std::vector 没有有一个typedef value_type。

那么你将如何编写一个函数来为向量元素创建正确类型的变量？这会奏效。

template <template<class, class> class V, class T, class A>
void f(V<T, A> &v) {
    // This can be "typename V<T, A>::value_type",
    // but we are pretending we don't have it

    T temp = v.back();
    v.pop_back();
    // Do some work on temp

    std::cout << temp << std::endl;
}

注意：std::vector 有两个模板参数，类型和分配器，所以我们必须接受它们。幸运的是，由于类型推导，我们不需要显式写出确切的类型。

你可以这样使用：

f<std::vector, int>(v); // v is of type std::vector<int> using any allocator

或者更好的是，我们可以使用：

f(v); // everything is deduced, f can deal with a vector of any type!

更新：由于 c++11 引入了auto，即使是这个人为的例子，虽然是说明性的，但不再是一个令人惊叹的例子。现在同样的函数可以写成：

template <class Cont>
void f(Cont &v) {

    auto temp = v.back();
    v.pop_back();
    // Do some work on temp

    std::cout << temp << std::endl;
}

这就是我更喜欢编写这种类型的代码的方式。

Answer 2

实际上，模板模板参数的用例是相当明显的。一旦您了解到 C++ 标准库存在未为标准容器类型定义流输出运算符的巨大漏洞，您将继续编写如下内容：

template<typename T>
static inline std::ostream& operator<<(std::ostream& out, std::list<T> const& v)
{
    out << '[';
    if (!v.empty()) {
        for (typename std::list<T>::const_iterator i = v.begin(); ;) {
            out << *i;
            if (++i == v.end())
                break;
            out << ", ";
        }
    }
    out << ']';
    return out;
}

然后你会发现 vector 的代码是一样的，因为 forward_list 是一样的，实际上，即使对于多种地图类型它仍然是一样的。这些模板类除了元接口/协议之外没有任何共同点，并且使用模板模板参数可以捕获所有它们的共性。不过，在继续编写模板之前，值得检查参考以回忆序列容器接受 2 个模板参数 - 用于值类型和分配器。虽然分配器是默认的，但我们仍然应该在模板操作符 中说明它的存在

template<template <typename, typename> class Container, class V, class A>
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, Container<V, A> const& v)
...

瞧，这将自动适用于所有当前和未来遵循标准协议的序列容器。要将地图添加到组合中，需要看一下引用以注意它们接受 4 个模板参数，因此我们需要上面带有 4-arg 模板模板参数的 operator

顺便说一句，使用允许可变参数模板的 C+11（因此应该允许可变参数模板模板参数），可以使用单个 operator

#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
#include <list>

template<typename T, template<class,class...> class C, class... Args>
std::ostream& operator <<(std::ostream& os, const C<T,Args...>& objs)
{
    os << __PRETTY_FUNCTION__ << '\n';
    for (auto const& obj : objs)
        os << obj << ' ';
    return os;
}

int main()
{
    std::vector<float> vf { 1.1, 2.2, 3.3, 4.4 };
    std::cout << vf << '\n';

    std::list<char> lc { 'a', 'b', 'c', 'd' };
    std::cout << lc << '\n';

    std::deque<int> di { 1, 2, 3, 4 };
    std::cout << di << '\n';

    return 0;
}

输出

std::ostream &operator<<(std::ostream &, const C<T, Args...> &) [T = float, C = vector, Args = <std::__1::allocator<float>>]
1.1 2.2 3.3 4.4 
std::ostream &operator<<(std::ostream &, const C<T, Args...> &) [T = char, C = list, Args = <std::__1::allocator<char>>]
a b c d 
std::ostream &operator<<(std::ostream &, const C<T, Args...> &) [T = int, C = deque, Args = <std::__1::allocator<int>>]
1 2 3 4 

Answer 3

以下是 Andrei Alexandrescu 取自 'Modern C++ Design - Generic Programming and Design Patterns Applied' 的一个简单示例：

他使用带有模板模板参数的类来实现策略模式：

// Library code
template <template <class> class CreationPolicy>
class WidgetManager : public CreationPolicy<Widget>
{
   ...
};

他解释说： 通常，主机类已经知道或可以轻松推断出策略类的模板参数。在上面的例子中，WidgetManager 总是管理 Widget 类型的对象，因此要求用户在 CreationPolicy 的实例化中再次指定 Widget 是多余的，并且有潜在的危险。在这种情况下，库代码可以使用模板模板参数来指定策略。

效果是客户端代码可以更优雅地使用'WidgetManager'：

typedef WidgetManager<MyCreationPolicy> MyWidgetMgr;

而不是缺少模板模板参数的定义所需要的更麻烦且容易出错的方式：

typedef WidgetManager< MyCreationPolicy<Widget> > MyWidgetMgr;

Answer 4

这是来自我的CUDA Convolutional neural network library 的另一个实际示例。 我有以下类模板：

template <class T> class Tensor

这实际上是实现 n 维矩阵操作。 还有一个子类模板：

template <class T> class TensorGPU : public Tensor<T>

它实现了相同的功能，但在 GPU 中。 两个模板都可以使用所有基本类型，例如 float、double、int 等 而且我还有一个类模板（简化）：

template <template <class> class TT, class T> class CLayerT: public Layer<TT<T> >
{
    TT<T> weights;
    TT<T> inputs;
    TT<int> connection_matrix;
}

这里有模板模板语法的原因是因为我可以声明类的实现

class CLayerCuda: public CLayerT<TensorGPU, float>

在 GPU 上将同时具有浮点类型的权重和输入，但 connection_matrix 将始终为 int，无论是在 CPU 上（通过指定 TT = Tensor）还是在 GPU 上（通过指定 TT=TensorGPU）。

Answer 5

假设您正在使用 CRTP 为一组子模板提供“接口”；并且父母和孩子在其他模板参数中都是参数化的：

template <typename DERIVED, typename VALUE> class interface {
    void do_something(VALUE v) {
        static_cast<DERIVED*>(this)->do_something(v);
    }
};

template <typename VALUE> class derived : public interface<derived, VALUE> {
    void do_something(VALUE v) { ... }
};

typedef interface<derived<int>, int> derived_t;

注意'int'的重复，它实际上是为两个模板指定的相同类型参数。您可以使用 DERIVED 的模板模板来避免这种重复：

template <template <typename> class DERIVED, typename VALUE> class interface {
    void do_something(VALUE v) {
        static_cast<DERIVED<VALUE>*>(this)->do_something(v);
    }
};

template <typename VALUE> class derived : public interface<derived, VALUE> {
    void do_something(VALUE v) { ... }
};

typedef interface<derived, int> derived_t;

请注意，您正在消除直接向派生模板提供其他模板参数； “接口”仍然接收它们。

这还允许您在“接口”中构建依赖于类型参数的 typedef，这些参数可以从派生的模板中访问。

上面的 typedef 不起作用，因为你不能 typedef 到一个未指定的模板。但是，这可行（并且 C++11 原生支持模板类型定义）：

template <typename VALUE>
struct derived_interface_type {
    typedef typename interface<derived, VALUE> type;
};

typedef typename derived_interface_type<int>::type derived_t;

不幸的是，对于派生模板的每个实例化，您都需要一个 derived_interface_type，除非我还没有学到另一个技巧。

Answer 6

这是我遇到的：

template<class A>
class B
{
  A& a;
};

template<class B>
class A
{
  B b;
};

class AInstance : A<B<A<B<A<B<A<B<... (oh oh)>>>>>>>>
{

};

可以解决：

template<class A>
class B
{
  A& a;
};

template< template<class> class B>
class A
{
  B<A> b;
};

class AInstance : A<B> //happy
{

};

或（工作代码）：

template<class A>
class B
{
public:
    A* a;
    int GetInt() { return a->dummy; }
};

template< template<class> class B>
class A
{
public:
    A() : dummy(3) { b.a = this; }
    B<A> b;
    int dummy;
};

class AInstance : public A<B> //happy
{
public:
    void Print() { std::cout << b.GetInt(); }
};

int main()
{
    std::cout << "hello";
    AInstance test;
    test.Print();
}

Answer 7

这是我刚刚使用的东西的概括。我发布它是因为它是一个 非常 简单的示例，它演示了一个实际用例以及默认参数：

#include <vector>

template <class T> class Alloc final { /*...*/ };

template <template <class T> class allocator=Alloc> class MyClass final {
  public:
    std::vector<short,allocator<short>> field0;
    std::vector<float,allocator<float>> field1;
};

Answer 8

在 pfalcon 提供的带有可变参数模板的解决方案中，由于可变参数专业化的贪婪特性，我发现实际上很难将 ostream 运算符专门用于 std::map。这是一个对我有用的小修改：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
#include <list>
#include <map>

namespace containerdisplay
{
  template<typename T, template<class,class...> class C, class... Args>
  std::ostream& operator <<(std::ostream& os, const C<T,Args...>& objs)
  {
    std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << '\n';
    for (auto const& obj : objs)
      os << obj << ' ';
    return os;
  }  
}

template< typename K, typename V>
std::ostream& operator << ( std::ostream& os, 
                const std::map< K, V > & objs )
{  

  std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << '\n';
  for( auto& obj : objs )
  {    
    os << obj.first << ": " << obj.second << std::endl;
  }

  return os;
}


int main()
{

  {
    using namespace containerdisplay;
    std::vector<float> vf { 1.1, 2.2, 3.3, 4.4 };
    std::cout << vf << '\n';

    std::list<char> lc { 'a', 'b', 'c', 'd' };
    std::cout << lc << '\n';

    std::deque<int> di { 1, 2, 3, 4 };
    std::cout << di << '\n';
  }

  std::map< std::string, std::string > m1 
  {
      { "foo", "bar" },
      { "baz", "boo" }
  };

  std::cout << m1 << std::endl;

    return 0;
}

Answer 9

它提高了代码的可读性，提供了额外的类型安全性并节省了一些编译器工作。

假设要打印一个容器的每个元素，可以使用下面的代码，不带模板模板参数

template <typename T> void print_container(const T& c)
{
    for (const auto& v : c)
    {
        std::cout << v << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

或带有模板模板参数

template< template<typename, typename> class ContainerType, typename ValueType, typename AllocType>
void print_container(const ContainerType<ValueType, AllocType>& c)
{
    for (const auto& v : c)
    {
        std::cout << v << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

假设你传入一个整数，比如print_container(3)。对于前一种情况，模板将由编译器实例化，编译器会抱怨在 for 循环中使用了c，后者根本不会实例化模板，因为找不到匹配的类型。

一般来说，如果你的模板类/函数被设计成将模板类作为模板参数处理，最好说清楚。

Answer 10

我将它用于版本化类型。

如果你有一个通过模板版本化的类型，例如MyType<version>，你可以编写一个函数来捕获版本号：

template<template<uint8_t> T, uint8_t Version>
Foo(const T<Version>& obj)
{
    assert(Version > 2 && "Versions older than 2 are no longer handled");
    ...
    switch (Version)
    {
    ...
    }
}

因此，您可以根据传入的类型的版本做不同的事情，而不是为每种类型都重载。 您还可以使用转换函数以通用方式接收MyType<Version> 并返回MyType<Version+1>，甚至递归它们以具有ToNewest() 函数，该函数从任何旧版本返回类型的最新版本（对于可能已存储一段时间但需要使用当今最新工具处理的日志）。