在C++中通過模板規避潛在錯誤

注：本文節選自我正在創作的第二本書《C++跨平台與框架開發》，其中一些措詞並未就博文進行調整，閱讀時請注意。

模板（template）為C++帶來了泛型編程的能力，但也帶來了使用難度。大體上，使用模板的三大動機分別是提高復用性、去除強制轉換和規避潛在錯誤。在此讓我們看一看規避錯誤的一個例子。

假設我們有圖 1所示的被簡化了的定時器管理模塊程序。從構造函數來看，它的三個參數分別指明了定時器的延時時間、回調函數和回調函數的參數，其中的回調函數是通過timer_callback_t類加以封裝的。當定時器到期時，它的fire()函數會被調用。間接地，fire()函數調用定時器所保存回調函數類對象的handle()函數。

1. class timer_callback_t
2. {
3. virtual void handle (timer_t &_timer, timer_callback_arg_t *_p_arg) = 0;
4. };
6. class timer_t
7. {
8. public:
9. timer_t (msecond_t _duration, timer_callback_t *_p_callback,
10. timer_callback_arg_t *_p_callback_arg);
12. private:
13. void fire ()
14. {
15. p_callback_.handle (this, p_callback_arg_);
16. }
18. timer_callback_t *p_callback_;
19. timer_callback_arg_t *p_callback_arg_;
20. };

圖1

圖 2示例了如何使用定時器。首先，得針對定時器的用途通過派生timer_callback_t類實現相應的回調函數類。接著，在創建定時器時需實例化回調函數類。圖中foo()和bar()函數分別示例了兩種實例化回調函數類的方法，前者采用的是定義靜態類變量，後者采用的是通過new進行動態分配。

1. class connect_timeout_callback_t: public timer_callback_t
2. {
3. void handle (timer_t &_timer, timer_callback_arg_t *_p_arg)
4. {
5. // do something here
6. }
7. };
9. void foo ()
10. {
11. static connect_timeout_callback_t callback;
12. timer_t *p_timer = new timer_t (100, &callback, 0);
13. }
15. void bar ()
16. {
17. connect_timeout_callback_t *p_callback = new connect_timeout_callback_t ();
18. timer_t *p_timer = new timer_t (100, p_callback, 0);
19. }

圖2

定時器模塊的實現使得在foo()和bar()函數中實例化回調函數類的方法需要注意一些點，否則容易犯錯。在foo()函數所使用的方法中，如果不小心忘記了將類變量定義成靜態的，會因為變量分配在棧上而最終導致程序出錯；在bar()函數中，如果忘記了將通過new分配獲得的內存用delete釋放，則會產生內存洩漏。能否通過設計避免這些潛在的問題呢？

圖3是對定時器管理模塊采用模板重寫後的程序。其中最大的變化是timer_t類的構造函數省去了指定回調函數類實例，且回調函數類和回調函數參數成為了兩個模板類型。另一個變化是，fire()函數中通過定義靜態變量的方式實例化回調函數類。

1. template <typename T_CALLBACK, typename T_CALLBACK_ARG>
2. class timer_callback_t
3. {
4. virtual void handle (timer_t <T_CALLBACK, T_CALLBACK_ARG> &_timer,
5. T_CALLBACK_ARG _arg) = 0;
6. };
8. template <typename T_CALLBACK, typename T_CALLBACK_ARG>
9. class timer_t
10. {
11. public:
12. timer_t (msecond_t _duration, T_CALLBACK_ARG _callback_arg);
14. private:
15. void fire ()
16. {
17. static T_CALLBACK callback;
18. callback.handle (*this, callback_arg_);
19. }
21. T_CALLBACK_ARG callback_arg_;
22. };

圖3

圖4示例說明了新實現下如何使用一個定時器。很顯然，我們通過模板將一些潛在問題通過內部化的方式給規避了。

1. class connect_timeout_callback_t:
2. public timer_callback_t <connect_timeout_callback_t, void *>
3. {
4. void handle (timer_t <connect_timeout_callback_t, void *> &_timer, void *_arg)
5. {
6. // do something here
7. }
8. };
10. void foo ()
11. {
12. timer_t <connect_timeout_callback_t, void *> *p_timer =
13. new timer_t < connect_timeout_callback_t, void *> (100, 0);
14. }

圖4