데브웁스

• 함수와 템플릿
  • square는 함수가 아닌 함수 템플릿, square<int>가 함수

template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}

int main()
{
    printf("%p\n", &square); // 함수 템플릿의 주소 출력 error
    printf("%p\n", &square<int>); // int 버전 함수 주소 출력 ok
    printf("%p\n", static_cast<int(*)(int)>(&square)); // int 버전 함수로 캐스팅후 주소 출력 ok

    auto p = &square; // 함수 템플릿 주소는 담을 수 없으므로 error
    auto p = &square<int>; // int 버전 함수 주소 담기 ok
    auto p = static_cast<int(*)(int)>(&square); // int 버전 함수 주소 담기 ok
}

• 템플릿의 구현부는 항상 헤더파일에 함께 제공하여야 함
  • 아래와 같이 함수 템플릿을 헤더와 소스파일로 분리하면 main에서 square 호출 시 실제 Lib.h 헤더파일만 참고하므로 템플릿을 기반으로 실제 int형 함수 생성이 필요한데 생성할 구현부 확인이 불가능하여 에러 발생

// 함수 템플릿을 선언과 구현부를 헤더와 소스파일로 분리한 잘못 구현한 예
////////////////////////////////////////
// Lib.h
int add(int a, int b);
template<typename T> T square(T a);
////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////
// Lib.cpp
int add(int a, int b) 
{
    return a + b;
}

template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}
////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////
// main.cpp
#include "Lib.h"
int main()
{
    add(1, 2);
    square(3);
}
////////////////////////////////////////

// 함수 템플릿을 헤더 파일로 모두 제공한 예
////////////////////////////////////////
// Lib.h
int add(int a, int b);
template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}
////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////
// Lib.cpp
int add(int a, int b) 
{
    return a + b;
}
////////////////////////////////////////

////////////////////////////////////////
// main.cpp
#include "Lib.h"
int main()
{
    add(1, 2);
    square(3);
}
////////////////////////////////////////

함수 템플릿 사용시 컴파일러에 의한 타입 추론을 막는 테크닉

• 함수 템플릿 사용시 사용자가 반드시 타입을 전달하도록 하고 싶을때 사용하는 기법
  • C++17 이하에서 클래스 템플릿이 타입 추론을 지원하지 않는 성격을 활용
  • 함수 템플릿 파라미터로 클래스 템플릿을 사용
  • 컴파일러에 의한 타입 추론이 원하지 않는 타입으로 추론되는 경우 방지

template<typename T> struct identity
{
    typedef T type;
};

template<typename T> void foo(T a) {}
template<typename T> void goo(typename identity<T>::type a) {}

int main()
{
    identity<int>::type n; // int

    foo(3); // ok
    foo<int>(3); // ok

    goo(3); // error, 클래스 템플릿의 인자는 추론이 불가하므로 C++17 이하
    goo<int>(3); // ok
}

• C++17 이전까지는 클래스 템플릿은 함수 인자를 통해 타입을 추론 할 수 없기 때문에, 클래스 템플릿 사용이 복잡하고 불편함
• "클래스 템플릿의 객체를 생성하는 함수 템플릿"을 사용
  • 함수 템플릿은 함수 인자를 통해서 컴파일러가 추론(Argument Type Deduction)할 수 있는 특징 활용 기법
• make_pair(), make_tuple()등의 make 계열 함수, STL 삽입반복자등

#include <iostream>

template<typename T> void foo(T a) {}
template<typename T, typename U> struct pair
{
    T first;
    U second;
    pair(const T& a, const U& b) : first(a), second(b) {}
};

template<typename T, typename U>
pair<T, U> make_pair(const T& a, const U& b)
{
    return pair<T, U>(a, b);
}

int main()
{
    pair<int, double> p(1, 3.4);
    foo(p);
    foo(pair<int, double>(1, 3.4)); // 클래스 템플릿은 꼭 타입 전달 필요
    foo(make_pair(1, 3.4)); // 함수 템플릿으로 타입 추론하여 클래스 객체 생성
}

템플릿 인자 타입 추론(Template Argument Type Deduction)

• 사용자가 템플릿 인자를 명시적으로 지정하지 않은 경우 컴파일러가 인자를 보고 추론(deduction)하는 것
• 타입을 결정하는 방식(type deduction rule  참고)

template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}

int main()
{
    square<int>(3);
    square(3); // 인자 타입 추론(int)
    square(3.3); // 인자 타입 추론(double)
}

클래스 템플릿 인자 타입 추론(Class Template Argument Type Deduction)

• C++ 17부터 지원
• 생성자를 통한 타입 결정
• 사용자가 "user define deduction guide" 제공

#include <list>
using namespace std;

template<typename T> class Vector
{
    T* buff;
public:
    Vector() {} // #1 타입 추론이 불가능 할경우 유저 정의 추론 가이드 필요
    Vector(int sz, T initValue) {}

    template<typename C> Vector(C& c) {} // #2 타입 추론이 불가능 할경우 유저 정의 추론 가이드 필요
};

//유저 정의 추론 가이드 제공 필요(user define deduction guide)
Vector()->Vector<int>; // #1 Vector 기본 생성자 호출 시 int로 타입 추론 가이드
template<typename C> Vector(C& c)->Vector<typename C::valuetype >; // #2 int

int main()
{
    Vector<int> v1(10, 3);

    list<int> s = { 1,2,3 }; // list s = { 1,2,3 }; C++17 Style

    Vector v4(s);
}

Template Instantiation

• 컴파일러가 함수(클래스) 틀(Template)로 부터 실제 C++ 함수(클래스)를 만들어 내는 과정

template<typename T>
T square(T a) // template 기준 int squre(int a), double square(double a) 실제 함수를 만드는 과정
{
    return a * a;
}

int main()
{
    square(3);
}

• 명시적 인스턴스화(Explicit Instantiation)
  • 템플릿을 사용해서 특정 타입의 함수(클래스)를 생성해 달라고 명시적으로 지시하는 것
  • 함수/클래스 선언과 유사한 모양으로 작성

template<typename T> class Test
{
public:
    void foo() {}
    void goo() {}
};
template class Test<int>; // 명시적 인스턴스화(클래스 템플릿), foo, goo 모두 인스턴스화
template void Test<int>::foo(); // 명시적 인스턴스화(클래스 템플릿), foo 부분 인스턴스화

template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}
template int square<int>(int); // 명시적 인스턴스화(함수 템플릿)
template int square<>(int); // 명시적 인스턴스화(템플릿) 축약 표현
template int square(int); // 명시적 인스턴스화(템플릿) 축약 표현

int main()
{
}

• 암시적 인스턴스화(Implicit Instantiation)
  • 명시적 인스턴스화를 하지 않고 템플릿을 사용하는 경우, 암시적으로 인스턴스화가 발생함
  • 사용 방법
    • 사용자가 타입을 직접 전달하는 방법
    • 함수 인자를 통해서 컴파일러가 타입을 추론하는 방법(template argument type deduction)
    • 클래스 생성자를 통한 컴파일러 타입 추론하는 방법(class template type deduction, C++17이상)
  • 클래스 템플릿의 경우 사용하지 않는 멤버 함수는 인스턴스화 되지 않음(lazy instantiation)

template<typename T> class Test
{
public:
    void foo() {}
    void goo() {}
};
//template class Test<int>; // 명시적 인스턴스화(클래스 템플릿), foo, goo 모두 인스턴스화

template<typename T> T square(T a)
{
    return a * a;
}
//template int square<int>(int); // 명시적 인스턴스화(함수 템플릿)

int main()
{
    int n1 = square(3); // 암시적 인스턴스화(인자를 통한 컴파일러 타입 추론)
    int n2 = square<int>(3); //암시적 인스턴스화

    Test<int> t1; // 암시적 인스턴스화(클래스)
    t1.foo(); // Test 클래스의 foo 멤버함수만 사용하므로 foo 멤버함수만 인스턴스화됨(goo x)
}

• 어셈블리 코드 확인
  • cl file.cpp /FAs -> file.asm 파일 생성
  • g++ file.cpp -S -> file.s 파일 생성
• 컴파일러 옵션 사용 g++, clang++(중간 언어로 확인 가능)
  • g++ -fdump-tree-original file.cpp -> file.cpp.003t.original
  • clang++ -Xclang -ast-print -fsyntax-only file.cpp

아래의 Complex 멤버의 data type의 예

• int로 할 경우 : 실수를 담을 수 없음
• double로 할 경우 : 실수와 정수를 모두 담을 수 있지만 double은 int보다 overhead가 있음
• 라이브러리 설계자는 Complex의 틀(template)만 제공하고 내부 타입은 사용자가 결정할 수 있도록 제공

template<typename T>
class Complex
{
    T re, im;
public:
    Complex(T r, T i) : re(r), im(i) {}
};

int main()
{
    Complex<int> c1(1, 2);
    Complex<double> c2(1.1, 2.2);
}

함수 또는 클래스의 틀(template)을 제공하는 방법

• 매크로(macro) 사용
  • 전처리기(pre-processor)가 코드를 생성
  • 전처리기는 함수 인자를 통해서 타입을 추론 할 수 없음

// 함수를 만드는 틀
#define MAKE_SQUARE( T )    \
T square(T a)               \
{                           \
    return a * a;           \
}
// 틀에 타입을 전달해서 함수를 생성한다.
MAKE_SQUARE(int)
MAKE_SQUARE(double)

int main()
{
    square(3);
    square(3.3);
}

• 템플릿(template) 사용
  • 컴파일러가 코드를 생성
  • 컴파일러는 함수 인자를 통해서 타입을 추론할 수 있음

template<typename T> // typename 대신 class로 사용해도 됨
T square(T a)
{
    return a * a;
}

int main()
{
    square<int>(3); // int square(int) 생성
    square<double>(3.3); // double square(double) 생성

    square(3); // 인자 타입 추론으로 
    square(3.3); // 
}