C++模版的本质

1.定义模板类，让每个模板类拥有模板签名。

templateclass X{...};

上面的模板签名可以理解成：X; 主要包括模板参数和模板名字X（类名）， 基本的语法可以参考《C++ Templates: The Complete Guide》，《C++ primer》等书籍。
模板参数在形式上主要包括四类，为什么会存在这些分类，主要是满足不同类对参数化的需求:

2. 在用模板类声明变量的地方，把模板实参（Arguments）（类型）带入模板类，然后按照匹配规则进行匹配，选择最佳匹配模板. 模板实参和形参类似于函数的形参和实参，模板实参只能是在编译时期确定的类型或者常量，C++17支持模板类实参推导。

3. 选好模板类之后，编译器会进行模板类实例化--记带入实际参数的类型或者常量自动生成代码，然后再进行通常的编译。

C++实现模板函数（function template）技术

模板函数实现技术和模板类形式上差不多：

templateretType function_name(T t)；

其中几个关键点：

• 函数模板的签名包括模板参数，返回值，函数名，函数参数, cv-qualifier；

• 函数模板编译顺序大致：名称查找(可能涉及参数依赖查找)->实参推导->模板实参替换(实例化,可能涉及 SFINAE)->函数重载决议->编译；

• 函数模板可以在实例化时候进行参数推导，必须知道每个模板的实参，但不必指定每个模板的实参。编译器会从函数实参推导缺失的模板实参。这发生在尝试调用函数、取函数模板地址时，和某些其他语境中；

• 函数模板在进行实例化后会进行函数重载解析, 此时的函数签名不包括返回值(template  argument deduction/substitution)；

• 函数模板实例化过程中，参数推导不匹配所有的模板或者同时存在多个模板实例满足，或者函数重载决议有歧义等，实例化失败；

• 为了编译函数模板调用，编译器必须在非模板重载、模板重载和模板重载的特化间决定一个无歧义最佳的模板；

C++模板的核心技术

1. SFINAE -Substitution failure is not an error

要理解这句话的关键点是failure和error在模板实例化中意义，模板实例化时候，编译器会用模板实参或者通过模板实参推导出参数类型带入可能的模板集（模板备选集合）中一个一个匹配，找到最优匹配的模板定义，

Failure：在模板集中，单个匹配失败；

Error：在模板集中，所有的匹配失败；

所以单个匹配失败，不能报错误，只有所有的匹配都失败了才报错误。

2. 模板特化

模板特化为了支持模板类或者模板函数在特定的情况（指明模板的部分参数（偏特化）或者全部参数（完全特化））下特殊实现和优化，而这个机制给与模板某些高阶功能提供了基础，比如模板的递归（提供递归终止条件实现），模板条件判断（提供true或者false 条件实现）等。

3. 模板实参推导

模板实参推导机制给与编译器可以通过实参去反推模板的形参，然后对模板进行实例化，具体推导规则见参考;

4. 模板计算

模板参数支持两大类计算：

一类是类型计算（通过不同的模板参数返回不同的类型），此类计算为构建类型系统提供了基础，也是泛型编程的基础；
一类是整型参数的算术运算, 此类计算提供了模板在实例化时候动态匹配模板的能力；实参通过计算后的结果作为新的实参去匹配特定模板（模板特化）。

5. 模板递归

模板递归是模板元编程的基础，也是C++11变参模板的基础。

C++模版的应用场景

1. C++ Library:

可以实现通用的容器（Containers）和算法（Algorithms），比如STL，Boost等,使用模板技术实现的迭代器（Iterators）和仿函数（Functors）可以很好让容器和算法可以自由搭配和更好的配合;

2. C++ type traits

通过模板技术，C++ type traits实现了一套操作类型特性的系统，C++是静态类型语言，在编译时候需要对变量和函数进行类型检查，这个时候type traits可以提供更多类型信息给编译器， 能让程序做出更多策略选择和特定类型的深度优化，Type Traits有助于编写通用、可复用的代码。
C++创始人对traits的理解：

"Think of a trait as a small object whose main purpose is to carry information used by another object or algorithm to determine "policy" or "implementation details". - Bjarne Stroustrup

而这个技术，在其他语言也有类似实现，比如go的interface，java的注解，反射机制等。

3. Template metaprogramming-TMP

随着模板技术发展，模板元编程逐渐被人们发掘出来，metaprogramming本意是进行源代码生成的编程（代码生成器），同时也是对编程本身的一种更高级的抽象，好比我们元认知这些概念，就是对学习本身更高级的抽象。TMP通过模板实现一套“新的语言”（条件，递归，初始化，变量等），由于模板是图灵完备，理论上可以实现任何可计算编程，把本来在运行期实现部分功能可以移到编译期实现，节省运行时开销，比如进行循环展开，量纲分析等。

4. Policy-Based Class Design

C++ Policy class design 首见于 Andrei Alexandrescu 出版的 《Modern C++ Design》一书以及他在C/C++ Users Journal杂志专栏 Generic，参考wiki。通过把不同策略设计成独立的类，然后通过模板参数对主类进行配置,通常policy-base class design采用继承方式去实现，这要求每个策略在设计的时候要相互独立正交。STL还结合CRTP （Curiously recurring template pattern）等模板技术，实现类似动态多态（虚函数）的静态多态，减少运行开销。

5. Generic Programming(泛型编程）

由于模板这种对类型强有力的抽象能力，能让容器和算法更加通用，这一系列的编程手法，慢慢引申出一种新的编程范式：泛型编程。泛型编程是对类型的抽象接口进行编程，STL库就是泛型编程经典范例。

C++模版的展望

1. 模版的代价

没有任何事物是完美的，模板设计如此精良也有代价的，模板的代码和通常的代码比起来，

• 代码可读性差，理解门槛高

  一般人初学者很难看懂，开发和调试比较麻烦，对人员要求高，是跨越C++三座大山之一；

• 代码实现稳定性代价大

  对模板代码，实际上很难覆盖所有的测试，为了保证代码的健壮性，需要大量高质量的测试，各个平台（编译器）支持力度也不一样（比如模板递归深度，模板特性等），可移植性不能完全保证。模板多个实例很有可能会隐式地增加二进制文件的大小等，所以模板在某些情况下有一定代价，一定要在擅长的地方发挥才能；

如何降低门槛，对初学者更友好，如何降低复杂性，这个是C++未来发展重要的方向。现代c++正在追求让模板，或者说编译期的计算和泛型约束变简单，constexpr，concept，fold expression，还有C++ 20一大堆consteval，constinit，constexpr virtual function,constexpr dynamic cast,constexpr container等等特性的加入就是为了解决这些问题。曾经的递归变成了普通的constexpr函数，曾经的SFINAE变成了concept，曾经的枚举常量变成了constexpr常量，曾经的递归展开变成了fold expression，越来越简单，友好了。

2. 基于模板的设计模式

随着C++模板技术的发展，以及大量实战的经验总结，逐渐形成了一些基于模板的经典设计，比如STL里面的特性（traits），策略（policy），标签（tag）等技法；Boost.MPL库（高级C++模板元编程框架）设计；Andrei Alexandrescu 提出的Policy-Based Class Design；以及Jim Coplien的curiously recurring template pattern (CRTP)，以及衍生Mixin技法；或许未来，基于模板可以衍生更多的设计模式，而这些优秀的设计模式可以实现最大性能和零成本抽象，这个也是C++的核心精神。

3. 模板的未来

随着模板衍生出来的泛型编程，模板元编程，模板函数式编程等理念的发展，将来也许会发展出更抽象，更通用编程理念。模板本身是图灵完备的，所以可以结合C++其他特性，编译期常量和常量表达式，编译期计算，继承，友元friend等开阔出更多优雅的设计，比如元容器，类型擦除，自省和反射（静态反射和metaclass）等，将来会出现更多优秀的设计。