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. }; 
5.  
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); 
11.  
12. private: 
13.     void fire () 
14.     { 
15.         p_callback_.handle (this, p_callback_arg_); 
16.     } 
17.  
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. }; 
8.  
9. void foo () 
10. { 
11.     static connect_timeout_callback_t callback; 
12.     timer_t *p_timer = new timer_t (100, &callback, 0); 
13. } 
14.  
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. }; 
7.  
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); 
13.  
14. private: 
15.     void fire () 
16.     { 
17.         static T_CALLBACK callback; 
18.         callback.handle (*this, callback_arg_); 
19.     } 
20.  
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. }; 
9.  
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