Статья написана с целью максимально просто, на живых примерах рассказать о шаблонах C++. Как создатели языка пришли к концепции шаблонов? Почему шаблонов не стоит бояться? Как они помогают сделать код чище? Почему стоит изучать шаблоны уже сегодня, несмотря на существующий к ним скепсис? Статья пытается ответить на все эти и многие другие вопросы. Для того чтобы статья читалась с большей пользой, по желанию можно ознакомиться с несколькими ремарками: Статья написана с прицелом на начинающих разработчиков. Тем не менее, от читателя ожидается минимальная подготовка. Для эффективного изучения шаблонов стоит понимать синтаксис C++, знать, как работают его управляющие конструкции, понимать, что такое функции и их перегрузки, а также иметь общее представление о классах. Для лучшего восприятия стоит читать статью последовательно, от начала до конца. Разделы располагаются в порядке нарастания сложности. Последующие разделы развивают примеры предыдущих. При этом код используется наравне с текстом - объяснения даются прямо в комментариях.Примечание: После публикации оказалось, что развёрнутые комментарии в коде неудобно читать с мобильных устройств. Постараюсь учесть это замечание в следующих статьях. Стоит компилировать примеры. В идеале, экспериментировать: пробовать менять и улучшать код. Как любая другая тема в программировании, шаблоны лучше всего познаются практикой. Если лень разбираться с настройкой среды разработки, можно использовать какой-нибудь онлайн-компилятор. Например, для анализа ассемблерного кода, получаемого после компиляции, в статье использовался онлайн-компилятор godbolt.org (с отключением оптимизаций опцией "-O0"). Вопреки традиции учебных материалов, примеры кода не содержат распечатки переменных в поток вывода (без "printf" / "std::cout"). Это было сделано намеренно, чтобы избежать лишнего шума в коде. Если будете компилировать код примеров в IDE, можете просматривать значения переменных в дебаггере. Если же удобнее использовать поток вывода - как вариант, можно использовать следующий макрос: Цель статьи - рассказать про шаблоны максимально понятно, чтобы пользу от чтения извлёк даже начинающий программист. С позиций бывалого разработчика исходный код примеров далёк от идеала: почти нет проверок на корректность значений переменных, для индексов используется тип "int" вместо "size_t", местами дублируется код, почти не используется передача значений по ссылкам и т.д. Это делалось чтобы минимально уходить в смежные темы, концентируясь, в первую очередь, на иллюстрации использования шаблонов. Для иллюстрации приёмов на рабочем коде уходить в не связанные с шаблонами темы иногда всё-таки приходилось. Комментарии, не относящиеся напрямую к теме шаблонов, помечены звёздочкой - вот так: (*). В случае, если при прочтении больше интересует тема шаблонов, - такие комментарии можно не читать. Хабр - преимущественно русскоязычный ресурс. Поэтому я старался писать статью на русском. Как часто бывает в программировании, при этом были трудности с переводом терминов. Например, для понятия "template instantiation" используется несколько "творческий" перевод "порождение шаблона". Неуклюже - однако лучшего перевода придумать не вышло. Чтобы компенсировать возможные непонятки, к определениям терминов привязаны оригинальные названия, которые можно посмотреть наведя мышку. Если вы знаете варианты, которые будут удачнее приведённых в статье, - пишите, обсудим. Я с радостью поменяю терминологию на более распространённую. Буду благодарен за указание ошибок, опечаток и неточностей в статье. По традиции, в конце заведены титры с перечислением "народных" редакторов. Чтобы комментарии не загромождались лишним спамом, по незначительным замечаниям лучше писать в личку. Шаблоны функций Выведение типов шаблонных аргументов Шаблоны классов Специализации Валидация шаблонных аргументов Больше шаблонных аргументов Шаблонные аргументы-константы Передача шаблонных аргументов Частичные специализации шаблонов Заключение Часто задаваемые вопросы Концепция шаблонов возникла из принципа программирования Don't repeat yourself. Можно проследить логику, по которой авторы C++ ввели шаблоны в язык. В процедурном программировании повторяющиеся фрагменты кода выносятся в функции. Код, вычисляющий большее из трёх значений… …переписывают, убирая логику в функцию: Использование функций даёт несколько преимуществ: Если надо поменять повторяющуюся логику - достаточно сделать это в функции, не надо менять все копии одинакового кода в программе. Если бы в примере выше вариант без функции содержал системную ошибку в тернарных вызовах, с путаницей порядка операндов: "(a >= b) ? b : a" и "(max_ab >= c) ? c : max_ab" - ошибку пришлось бы искать и править во всех местах использования. Вариант с функцией же требует одной правки - в реализации функции. При грамотном именовании в коде с функциями логика кода становится прозрачнее. В примере без функции внимательного прочтения требует каждая конструкция вида "(... >= ...) ? ... : ..." , надо узнавать повторяющуюся логику выбора большего значения из двух каждый раз заново. Функция же во втором варианте именует повторяющуюся логику, за счёт чего общий смысл программы понятнее. Процедурное программирование делает код чище. Однако, что если логику получения максимального элемента надо поддерживать для всех числовых типов: для всех размеров (1, 2, 4, 8 байт), как знаковых, так и беззнаковых (signed / unsigned), для чисел с плавающей точкой ("float", "double")? Можно воспользоваться перегрузкой функций: Выглядит громоздко. Что печальнее, теряются преимущества процедурного программирования. Логика, совпадающая с точностью до типа, копируется в каждой из перегрузок заново. Придя к тем же неутешительным выводам, в 1985 году разработчики языка придумали шаблоны: Перегрузки функций с повторяющийся логикой заменились на одну "функцию" с новой конструкцией - template<typename Type>. Слово "функция" взято тут в кавычки намеренно. Это не совсем функция. Данная запись означает для компилятора следующее: "После конструкции template<typename Type> описан шаблон функции, по которому подстановкой типа вместо шаблонного аргумента Type порождаются конкретные функции". Не стоит путать при этом аргументы функции (в примере - это "Type a" и "Type b") и аргументы шаблона (в примере - это "typename Type"). Первые задают значения, которые принимает функция при вызове. Вторые же задают параметры, подстановкой в которые значений по месту использования порождаются конкретные функции из шаблонов. Использование шаблона выглядит так: "max<int>(a, b)". В треугольных скобках передаются значения шаблонных аргументов. В данном случае, в качестве значения шаблонного аргумента "Type" передаётся значение - тип "int". После подстановки компилятор создаст "под капотом" конкретную функцию из обобщённого кода. То, что вызывается по записи "max<int>()", для компилятора выглядит так: Встречая дальше обращения к шаблонной функции с подстановкой в качестве "Type" типа "int", компилятор будет использовать эту же сгенерированную из шаблона функцию. Встретив же следующую запись - "max<char>(aChar, bChar)" - компилятор породит для себя новую функцию - но по тому же шаблону: Несмотря на родство по шаблону, функции "max<int>()" и "max<char>()" - совершенно самостоятельны, каждая из них будет превращаться при компиляции в свой ассемблерный код. Зафиксируем терминологию. В терминах C++ обобщённое описание функции называется шаблоном функции. Шаблон без подстановки конкретного типа не превращается в реальный код. Для компилятора это рецепт, правило "генерации" кода функции. В случае подстановки шаблонных аргументов в шаблон функции порождается реальный код функции для подставленного типа. Сгенерированную конкретную функцию называют шаблонной функцией. Термины звучат похоже и есть риск запутаться, поэтому резюмируем: для разных типов, передаваемых аргументами в шаблон функции на этапе компиляции будут порождаться разные шаблонные функции. Зафиксируем также терминологию более высокого уровня. Парадигму программирования, в которой единожды описанный алгоритм может применяться для разных типов, называют обобщённым программированием. Помимо языка C++, который качественно реализует эту парадигму с помощью шаблонов, обобщённое программирование в той или иной мере поддерживают многие популярные языки: C#, Java, TypeScript (каждый по-своему реализует парадигму посредством обобщений), Python (на уровне аннотаций типов). Под термином метапрограммирование объединяют техники написания кода, который генерирует новый код в результате исполнения. C++ позволяет использовать метапрограммирование, причем шаблоны играют при этом ключевую роль. О том, как именно выглядит метапрограммирование в C++, мы подробно поговорим в следующих статьях. В примере с шаблоном функции "template<Type> max(Type, Type)" использовалась явная передача типов в шаблон. Однако во многих случаях компилятор может автоматически вывести тип шаблонного аргумента. Вызов шаблонной функции из примера... ...можно записать, опустив <int>: Такая запись корректна с точки зрения языка. Компилятор проанализирует типы переменных "a" и "b" и выполнит выведение типа для передачи в качестве значения шаблонного аргумента "Type". Тип переменной "a" - "int", тип переменной "b" – тоже "int". Они передаются в шаблон функции "template<Type> Type max(Type, Type)", в котором ожидается, что оба аргумента будут иметь одинаковый тип "Type". Так как типы "a" и "b" совпадают, и нет других правил ограничивающих данный шаблонный аргумент "Type", компилятор делает вывод, что записью "max(a, b)" ожидают применения шаблонной функции "max<int>(a, b)". Стоит отметить, что, например, следующий код... ...не скомпилируется с ошибкой вроде: "deduced conflicting types for parameter ‘Type’". Проблема в том, что для этого кода типы переменных "a" и "b" не совпадают. Компилятор не может однозначно определить какой тип надо передать в качестве значения аргумента "Type". У него есть вариант подставить тип "int" или тип "char". Непонятно какая из подстановок ожидается программистом. Чтобы избавиться от этой проблемы, можно применить явную передачу типа в шаблон: Теперь всё хорошо. Шаблонная функция определена однозначно: "int max<int>(int, int)". Значение переменной "bChar" в этом вызове приведётся  к типу "int" - так же, как это произошло бы при вызове нешаблонной функции "int max(int, int)" из самого начала статьи. Шаблоны можно использовать не только для функций, но также для классов и структур. Вот, например, описание шаблонного класса Interval. С его помощью можно описывать промежутки значений произвольного типа: Шаблоны классов работают аналогично шаблонам функций. Они не описывают готовые типы, это инструкции для порождения классов подстановкой значений шаблонных аргументов. Пример использование шаблона класса "template<Type> class Interval": Встретив запись "Interval<int>" в первый раз, по шаблону класса будет порождён новый шаблонный класс. Порождённый класс будет выглядеть для компилятора следующим образом: Так же, как это было с функциями, порождение шаблонного класса выполнится подстановкой "int" вместо "Type". Порождённый тип будет использоваться везде, где шаблон "template<Type> class Interval<Type>" с подстановкой "int". Терминология для шаблонов классов аналогична рассмотренной для функций. Обобщённое описание называется шаблоном класса. После передачи типа в качестве шаблонного аргумента из шаблона класса порождается новый шаблонный класс. Во всех местах, где выполняется подстановка того же типа, будет подразумеваться один и тот же тип шаблонного класса. Это, пожалуй, один из самых важных и сложных разделов статьи, поэтому он будет длиннее других. Лучший пример на котором можно разобраться со специализациями шаблонов - шаблон класса "массив". Вспомним, массив – структура данных, хранящая набор однотипных значений последовательно одно за другим в памяти. В стандартной библиотеке шаблонов эту структуру данных реализует шаблон класса "std::vector<>". Вот элементарная реализация шаблона массива: По реализации, надеюсь, всё понятно. Рассмотрим пример использования: "SimpleArray<int>" - шаблонный класс, для получения которого в шаблон "template<Type> class SimpleArray" в качестве аргумента "Type" передаётся тип "int". Массив заполняется с помощью обращения к методу "setElement()", после чего в цикле рассчитывается сумма всех элементов. Это рабочий шаблон. Однако есть ситуация, в которой он не достаточно эффективен. Вот пример использования шаблонного класса с подстановкой типа bool: Элементы массива имеют булевый тип, который выражается одним из всего двух возможных значений: "false" или "true" (численно описывающихся, соответственно, значениями "0" или "1"). Вот как "SimpleArray<bool>" использует память для хранения элементов (тут исходим из того, что тип "bool" занимает один байт): В каждом элементе всего один бит полезной информации. Если бы значения хранились побитно, их можно было бы расположить в восемь раз компактнее. C++ задумывался как язык для создания высокоэффективных программ. Поэтому его авторы создали механизм, позволяющий в таких ситуациях добиться большей производительности. Так появились специализации шаблонов. Они позволяют описывать вариации шаблонов, которые надо выбирать при передаче в шаблон определённых заданных типов. Например, можно описать вариацию, которая будет выбираться только если в качестве значения шаблонного аргумента передан тип "bool". Вот по какому принципу описывается специализация: Ниже - полный код специализации шаблона класса "template<Type> class SimpleArray". Для доступа к битам используются следующие побитовые операции: Операция побитового сдвига влево (<<) Операция побитового "И" (&) Операция побитового "ИЛИ" (|) Операция побитового отрицания (~) Разберём принцип доступа к битам на примере. Пусть есть значение длиной в байт, содержащее следующие биты: Как получить значение бита с заданым индексом? Значение бита может быть либо "0", либо "1", поэтому для его выражения используют тип "bool". "bool" имеет смысл "ложь" если все его биты равны "0" и смысл "истина" если хотя бы один его бит не равен "0". Таким образом, чтобы понять имеет ли интересующий нас бит значение "0" или "1", надо добиться того чтобы все биты кроме интересующего нас приняли значение "0". Для этого используются так называемые битовые маски - значения которыми "фильтруются" интересующие нас биты. Например, надо получить значение бита с индексом "4". Для того чтобы "обнулить" значения всех битов кроме интересующего, формируется битвая маска в которой бит по индексу "4" имеет значение "1", а все остальные биты - значение "0". После этого, выполнив побитовое "И" каждого бита значения с битами маски можно добиться того чтобы все биты кроме интересующего гарантированно стали равны "0": Ещё примеры: Разберём обобщённый алгоритм. Как понятно из примеров, чтобы получить значение бита по индексу "bitIndex", надо выполнить операцию побитового "И" между значением и маской, в которой бит по индексу "bitIndex" имеет значение "1", а остальные биты - значение "0". В коде эта логика записывается следующим образом: Как читать биты терерь известно. Однако, как заполнить бит в байте по индексу нужным значением? Эту операцию лучше всего выполнять в два этапа: Значение нужного бита в байте "сбрасывается" в "0". Этого добиваются выполняя логическое "И" между изменяемым байтом и маской в которой бит по целевому индексу имеет значение "0", а все остальные биты - значение "1". Сброшенное в "0" значение нужного бита "записываются" нужным значением. Это достигается выполнением логического "ИЛИ" между результатом первого этапа и маской в которой по целевому индексу находится значение "1", а все остальные биты имеют значение "0". Звучит сложно. Чтобы понять как это работает проще всего будет рассмотреть несколько примеров (в скобках записывается с какого на какое значение бита происходит изменение):  В коде эта логика записывается следующим образом (конкретные значения взяты из первого примера с объяснением выставления полей): Рассмотрим новый пример использования "template<Type> class SimpleArray" с поддержкой специализации по типу "bool": Заканчивая раздел, чуть заглянем в будущее. Изначально специализации создавались как механизм для выбора оптимальной реализации шаблона для конкретного типа. Однако позже они начали исполнять одну из ключевых ролей в метапрограммировании на C++. Возможность выбирать вариации шаблона по передаваемому типу позволяет анализировать типы в программе, что открывает доступ к рефлексии времени компиляции. Данная тема неразрывно связана с шаблонами, и по логике ей место сразу после рассказа о шаблонах функций. Однако в начале статьи раздел выглядел слишком пессимистично. Я решил дать шаблонам возможность показать себя с лучшей стороны. Что ж... Добавим немного дёгтя. Уже при описании шаблонной функции "template<Type> max(Type, Type)" неминуемо возникал вопрос: как проверяется корректность типа, который подставляется в шаблон? Ведь в шаблоне тип как-то используется. Например, что будет если передать в качестве аргумента "template<Type> max(Type, Type)" тип, не поддерживающий оператор ">=" ? Увы, C++ выявляет ошибки компиляции шаблонных конструкций очень поздно: уже после выполнения подстановки, когда некомпилирующаяся конструкция уже полностью порождена. Сейчас в промышленно используемом C++ нет механизма валидации шаблонных аргументов. Долгое время это была одна из главных проблем шаблонов и, в целом, одной из главных проблем языка C++. Особенно ужасно она проявляла себя в сложных шаблонных конструкциях из сторонних библиотек. Там ошибки компиляции могли появляться в глубинах логики чужих шаблонов. Приходилось долго разбираться в реализации стороннего кода. Имевшие дело со стандартной библиотекой шаблонов, с её самыми популярными шаблонами классов "std::vector<>" и "std::map<>", наверняка не раз страдали от многоэтажных ошибок компиляции в недрах их реализаций. Проблему с валидацией решали по-разному. Использовали свойства подстановок, вводили в язык конструкцию "static_assert()", придумывали стили комментариев, в которых текстом описывались бы требования к аргументам шаблонов. Лишь спустя годы поисков, к версии C++20 комитет по стандартизации языка прекратил хождение по мукам и наконец-то качественно решил вопрос, введя в язык КОНЦЕПТЫ. Концепты позволяют описывать требования к типу, который передаётся как шаблонный аргумент. Например, для шаблона функции "template<Type> Type max(Type, Type)" с помощью концептов можно потребовать передавать в качестве значения "Type" тип, поддерживающий операцию сравнения. С помощью концептов компилятор может обнаружить ошибку до выполнения некорректной подстановки типа в шаблон. Напишу без лишнего пафоса - концепты открывают новую страницу в развитии языка. Они резко снижают порог входа в метапрограммирование, которое до этого было отравлено поздним анализом ошибок компиляции. Метапрограммирование же, в свою очередь, даёт невероятную гибкость в написании кода, а также позволяет писать более эффективный код. Могу ответственно сделать прогноз: в течение десяти лет шаблоны и концепты выйдут из резервации библиотек и станут ежедневным инструментом прикладного разработчика. Если вы связываете свою профессиональную карьеру с языком C++, изучайте шаблоны и концепты уже сегодня. Не обращайте внимания на скептиков, они тоже когда-то засядут за изучение, будьте же первыми! На этом закончу пропаганду. Цель статьи - дать вводную начинающим разработчикам, которым предстоит работать с реальным кодом, использующимся в индустрии прямо сейчас. Код этот, увы, написан, в основном, с использованием старых стандартов. Освоим для начала их. До этого речь шла о шаблонах зависящих от одного аргумента. Но C++ позволяет задавать и большее их количество. Чтобы прочувствовать как это используется в реальном коде, рассмотрим шаблон, зависящий от двух шаблонных аргументов. В качестве примера опишем очень простую реализацию шаблона класса словарь (известного также как ассоциативный массив или отображение). Это класс-контейнер, хранящий набор значений, доступ к которым, в отличие от массива, происходит не по индексу (числу выражающему номер элемента), а по ключу (произвольному, уникальному относительно других ключей значению). В стандартной библиотеке шаблонов эту структуру данных реализует шаблон класса "std::map<>". Ниже представлена элементарная реализация словаря. Использование шаблона позволяет как ключ, так и значение задавать произвольным типом: Пример, иллюстрирующий использование шаблона: В случае необходимости возможно описывать шаблоны и от большего количества аргументов. Начиная с версии C++11 вообще возможно описывать шаблоны от произвольного количества аргументов, использующие пакеты параметров. Это важный механизм, вместе с move-семантикой и range-based for, сделавший стандарт C++11 базовым в современной разработке. К сожалению, тема шаблонов от произвольного количества аргументов слишком обширная. В данной статье мы её касаться не будем. Если когда-нибудь напишу материал по теме - обязательно оставлю здесь ссылку на него. До этого рассматривались шаблоны, принимающие лишь типы в качестве шаблонных аргументов. Однако в качестве аргументов шаблонов могут выступать также константы времени компиляции. Такие аргументы по-английски называются non-type template arguments, дословно "шаблонные аргументы не являющиеся типами". Дословный перевод по-русски звучит неуклюже, поэтому дальше будем использовать термин "шаблонные аргументы-константы". Рассмотрим синтаксис использования таких аргументов на небольшом примере, который, несмотря на слегка безумную реализацию, демонстирует сразу несколько аспектов использования шаблонных аргументов-констант. Реализуем шаблон функции для расчёта факториала на шаблонных аргументах: За счёт того, что значение шаблонного аргумента-константы по определению не зависит от вычислений этапа исполнения программы, компилятор с большой вероятностью сможет оптимизировать код при компиляции, подставив в ассемблерном коде константу 4*3*2*1 (то есть, сразу значение 24), вместо полноценного вызова функции "getFactorial<4>()" и всей содержащейся в ней логики. Рассмотрим какие ещё варианты передачи значения шаблонного аргумента-константы допустимы: Cтоит отметить: в реальном коде редко когда стоит таким образом реализовывать вычисление факториала. Да, при правильной доработке эта реализация идеально оптимизирована. Но программы почти всегда оперируют значениями времени исполнения, которые нельзя передать в качестве значений шаблонных аргументов-констант. Этот пример стоит воспринимать скорее как иллюстрацию логики работы шаблонных аргументов-констант. В разделе "Частичные специализации шаблонов" будет ещё один пример, использующий шаблонные аргументы-константы. Он ближе к реальной жизни. Вероятно, в разделе про шаблонные классы у читающего мог возникнуть резонный вопрос: можно ли передать шаблонный класс в функцию, сохранив код обобщённым? Например, возможно ли описать функцию для получениея максимального элемента в шаблонном массиве "template<Type> SimpleArray". Можно начать плодить перегрузки с конкретными шаблонными классами: Такая запись свела на нет все преимущества обобщённого программирования - снова копируется одна и та же логка. Думаю, внимательный читатель без труда вспомнит: статья начиналась с рассмотрения похожей проблемы. Только там копировалась с точностью до типа логика нешаблонных функций "max()", когда понадобилась поддержка всех числовых типов. Что ж, C++ позволяет использовать шаблон и в такой ситуации. На самом деле, случаи нужного нам типа подстановок встречались в статье раньше, просто внимание на них не акцентировалось. Вот, к примеру, метод шаблона "template<Type> class Interval": Вместо повторяющихся перегрузок "getMaxElement()", можно описать шаблон функции, аргумент которой передаётся в шаблон класса "template<Type> class SimpleArray": Использованный в примере выше вариант автоматического вывода типов на деле могущественнее, чем кажется. Это один из столпов метапрограммирования. На пару со специализациями, с его помощью можно анализировать типы (как шаблонные, так и нет) которыми оперирует программа. Фактически, вместе эти два механизма позволяют реализовать рефлексию на этапе компиляции. Пришло время коснуться темы частичных специализаций шаблонов. Тема находится на границе между базовым метапрограммированием и более сложными вопросами, поэтому логично на этом закончить вводную статью. Сделаем более оптимизированную версию массива из четвёртого раздела. Новый шаблон чуть потеряет в гибкости использования, однако будет значительно быстрее работать с памятью. В шаблоне класса "template<Type> SimpleArray" использовалась динамическая память: Использование динамической памяти позволяло создавать массивы разной длины, определяемой на этапе исполнения программы: Память для элементов выделяется единожды, при создании экземпляров. После этого расширить или сократить объём памяти нельзя. Так ли важна эта возможность? Оценим издержки на использование динамической памяти. Вот пример создания буферов одинаковой длины, расположенных в разных видах памяти: Картинка, иллюстрирующая принцип работы кучи и стека. Цветные элементы со знаками "+" и "-" иллюстрируют принцип по которым работает, соответственно, выделение и освобождение памяти этих типов. Блоки памяти в стеке выделяются простым сдвигом вершины стека. Блоки динамической памяти выделяются и удаляются в произвольных местах динамической памяти, что требует дополнительного управляющего механизма ответственного за поиск свободных блоков - аллокатора. При этом указатели, которые используются для доступа к блокам динамической памяти, хранятся на стеке. Можно сравнить ассемблерный код который получится при компиляции примера: Уже по количеству команд для записи значений элементов видно что использование динамической памяти требует большего количества действий. Однако "call" вызовы для создания и освобождения динамической памяти - это ещё более тяжёлые операции обращения к функциям. Было бы здорово получить структуру данных, хранящую элементы в стековой памяти. В стандартной библиотеке шаблонов такую структуру реализует шаблон "std::array<>". Чтобы подобную структуру данных получить из "template<Type> SimpleArray", надо сменить тип поля для хранения элементов массива: Чтобы это работало, количество элементов массива (значение "Size") надо передавать константой времени компиляции. Такой мехнизм уже известен: константы времени компиляции передаются в шаблоны с помощью шаблонных аргументов-констант. Добавим шаблонный аргумент-константу: Вот полная реализация обобщённого шаблона класса. Она очень простая: Теперь внимательному читателю, вероятно, интересно: что же будет со специализацией по типу "bool"? Она, с одной стороны, требует "фиксации" значения первого шаблонного аргумента "Type", с другой - должна поддерживать произвольное значение второго аргумента "Size" (массив флагов может быть любой длины). Для решения этого вопроса существуют частичные специализации шаблонов: Рассмотрим пример использования, аналогичный примеру из четвёртого раздела, разобрав логику по которой компилятор будет выбирать специализацию: Частичные специализации - очень мощный механизм. В следующих статьях будет рассмотрено как он позволяет выполнять глубокий анализ передаваемых в шаблоны аргументов. Увы, частичные специализации не поддерживаются шаблонами функций: Это ограничение можно обойти, однако, лучше рассмотреть этот вопрос в следующих статьях. Спасибо всем кто осилил этот огромный текст. Вы крутые! Надеюсь, он пригодится вам в работе и учёбе. Пишите отзывы в комментариях или в личку, они помогут сделать будущие публикации качественнее. Если материал окажется не безнадёжно провальным, я планирую написать ещё две статьи по шаблонам. Одна коснётся более сложных тем связанных с шаблонами. Вторая рассмотрит техники и трюки, выступающие примитивами в "большом" метапрограммировании. Updated: Если вас заинтересовала тема шаблонов в C++, уже сейчас есть хорошая статья от @4eyes, рассматривающая более продвинутые техники метапрограммирования на практическом примере: "О шаблонах чуть сложнее". 1. Вопрос: Чем шаблоны отличаются от макросов? Ответ: Макросы выполняют текстовую подстановку аргументов, в то время как шаблоны лексически и синтаксически проверяются компилятором. Если для решения задачи стоит выбор между шаблонами и макросы - стоит предпочитать шаблоны. Эти вопросы логично возникают у программистов, изучающих шаблоны. Действительно, на первый взгляд, шаблоны похожи на макроподстановки компиляторов. Оба механизма позволяют "генерировать" код по определённому трафарету с подстановкой передаваемых по месту применения значений-аргументов. Главная разница заключается в том, что макросы - это действия с текстом, который не воспринимается компилятором как исходный код состоящий из определения функций, переменных, выражений, и т.д. С текстом программы работает препроцессор, для которого программа - набор символов (букв, цифр, знаков для операторов, пробелов, и т.д.), которые можно копировать и вставлять полностью аналогично тому как программист это делает в IDE с помощью Ctrl+C, Ctrl+V: #include - указание "вставить вместо макроса весь текст содержащийся в файле" #define - указание "встречая идентификатор определяющий макрос, вставить текст следующий за макросом с заменой аргументов передаваемым по месту использования текстом". и т.д. В случае с шаблонами, компилятор полностью разбирает описание шаблона на конструкции языка, выполняет проверку корректности на уровне типов, переменных, подстановок шаблонов, для функций выполняет проверку правил перегрузки, и т.д. Лучше всего разницу можно понять на следующем примере, который показывает опасность макросов и преимущество шаблонов для прикладных задач. Допустим, имеется следующие фукнции для работы с файлами, содержащими числа: Задача следующая - надо найти максимальное число в файле. Для начала рассмотрим как в этой задаче сработает обобщённая логика для поиска максимального значения, описанная с помощью макроса: На первый взгляд, логика должна работать корректно. Однако давайте посмотрим в какой код буквально раскроется строчка с макросом: Именно с таким кодом функция "main()" отправится на компиляцию. Если обратить внимание на то как работает функция "loadNextValueFromFile()" и внимательно вчитаться в то что сгенерировал препроцессор, в программе можно увидеть неприятный баг. Вот как выполнится логика алгоритма если в файле содержатся числа "1, 3, 0": Записываем в currentMax первое число из файла (число "1"). Вычисляем результат сравнения "currentMax >= loadNextValueFromFile("file")" - причём из-за вызова функции чтения из файла каретка для чтения перемещается на следующее число.Результат проверки - текущее значение currentMax (число "1") меньше чем взятое из файла (число "3"), тернарный оператор должен вернуть значение по условию "false". Для расчёта значения по условию "false" снова вызывается "loadNextValueFromFile("file")". Этот вызов вернёт число "0", так как каретка передвинулась при вычислении сравнения. В currentMax записывается число "0", которое, очевидно, не является самым большим в файле. Безусловно, код можно (и, пожалуй, даже стоило бы) переписать, сохраняя вычитываемое из файла значение в локальную переменную. Однако, промышленный код часто пишется в цейтноте. Уставший, торопливый, либо просто неопытный программист может написать код вроде представленного в примере. Из-за примитивности механизма работы препроцессора, использование макросов в прикладном коде будет стабильно приводить к подобным трудно уловимым ошибкам. Поэтому лучше предпочитать макросам шаблоны: "max<int>()" - это простой вызов функции. При вызове функций выражения, передаваемые в качестве аргументов, вычисляются единожды перед передачей в функцию. Ошибки компиляции внутри шаблонной функции будут проверяться компилятором на уровне логических конструкций программы, без "магического" собирания текста программы из кусков. 2. Вопрос: Увеличивают ли шаблоны объём скомпилированного кода? Ответ: Относительно эквивалентной логики без шаблонов - нет. Уже отмечалось, что для разных шаблонных функций и классов порождаются полностью самостоятельные фрагменты кода. Если есть шаблон функции от одного аргумента который используется с подстановкой трёх разных типов - объём полученного в результате компиляции кода будет в три раза больше, чем требующийся для одной. Наличие подстановок разных типов в шаблонную логику означет необходимость в коде логики для разных типов. Даже без шаблонов её пришлось бы описывать - с помощью перегрузок, требующих при компиляции ровно столько же ассемблерного кода сколько требуется для всех аналогичных шаблонных функций. Код без шаблонов: Код с шаблонами: Сравнение ассемблерного кода: Код идентичен. Это же касается шаблонов классов. Компилятор не формирует ассемблерный код для неиспользуемых методов, а логика для используемых понадобилась бы так или иначе. Код с шаблонами Сравнение ассемблерного кода: 3. Вопрос: Увеличивают ли шаблоны расход ресурсов на компиляцию кода? Ответ: Да, но после перехода на C++20 ситуация может стать лучше. Шаблоны не бесплатные с точки зрения времени компиляции и расходования требуемой для компиляции оперативной памяти. Выполнение вывода типов требует от компилятора дополнительной работы, а память нужна для хранения информации про порождённые шаблонные классы. Концепты из нового стандарта C++20 могут поменять ситуацию - по крайней мере, со временем выполнения компиляции. Они позволяют останавливать подстановку аргументов в шаблон до полноценного формирования шаблонного типа, и экономить таким образом время на завершение генерации априори некорректного типа. 4. Вопрос: Затрудняют ли шаблоны отладку кода? Ответ: Поиск ошибок компиляции - затрудняют (однако с приходом концептов из C++20 станет лучше). Отладку ошибок в логике исполнения программы - нет. Проблемы разбора ошибок компиляции были подробно описаны в пятом разделе. Что касается отладки под дебаггером - удобство зависит от среды разработки. Например, при установке точки останова отладчика в шаблонном контексте Visual Studio позволяет выбирать среди всех имеющихся на этапе исполнения подстановок нужную. Кузьменко Лилия Семенякин Николай Кузьменко Игорь Базанов Александр Князев Олег @berez @izvolov @bombe @denizen Николаев Сергей @keisy @Agranatmark @tmp123 Программист С++