【C++ 泛型编程 进阶篇】 C++ 泛型编程 模板与异常处理、模板与友元之间的使用（一）

1. 简介

以下是C++中模板与异常处理、模板与友元之间的相互影响和关系的图：

• 模板（Templates）可以使用异常处理（Exception Handling）和友元函数（Friend Functions）。
• 异常处理可以在模板中使用。
• 友元函数可以在模板中声明。

1.1 模板的基础理念

在C++中，模板（Template）是一种强大的编程工具，它允许程序员编写对类型（Type）进行参数化的代码，这样就可以使用一种"一次编写，多次使用"的策略来处理各种数据类型的操作。模板的出现允许了在编译时进行类型检查，这使得我们的代码变得更加健壮且易于维护。

在口语交流中，我们可以这样描述模板：“In C++, templates are a powerful programming tool that allow us to parameterize code over types. This allows us to use a ‘write once, use for many types’ strategy for handling operations across data types. The presence of templates enables compile-time type checking, which makes our code more robust and easier to maintain.”

在心理学的角度，模板类似于我们处理问题的"心理模型"或者"思维模式"。就像我们在面对一个新问题时，会根据之前的经验和知识构建一个解决问题的"模型"，然后将这个模型应用到新问题上。C++模板的作用也类似，我们创建一种处理数据类型的通用模式，然后将这种模式应用到各种不同的数据类型上。

这个观点在C++领域的著名书籍 “C++ Primer” 中也有所体现。作者们写到，“模板是一种处理类型的机制，使得我们可以编写与类型无关的代码。” 这与心理学家Jean Piaget的“认知模型”理论有所呼应。Piaget 提出，我们的大脑会根据经验和接触的信息，形成用于理解和解决问题的模型或模式。

我们可以通过下表总结模板的一些主要用途：

1.2 异常处理的基础理念

异常处理（Exception Handling）是编程中的一个重要概念，它的目的是提供一种控制程序中错误处理流程的机制。在C++中，异常处理是通过三个关键字实现的：try，catch和throw。

在口语交流中，我们可以这样描述异常处理：“Exception handling in C++, is a mechanism that is used for handling the runtime errors, it is achieved by using three keywords in C++: try, catch, and throw.”

从心理学的角度来看，异常处理类似于我们面对突发情况的应对策略。当遇到意料之外的情况时，我们不会让它直接影响到我们的正常活动，而是会寻找一种处理这种突发情况的方法。类似的，当程序在运行时遇到错误时，异常处理机制就会捕获这个错误，并提供一个处理错误的代码块，这样程序就可以在错误出现后继续运行，而不是直接崩溃。

在 C++ 的经典书籍 “Effective C++” 中，作者 Scott Meyers 强调了异常处理的重要性，并指出，良好的异常处理可以帮助我们编写出健壮的程序。这与心理学家 Albert Bandura 的"自我效能理论"相吻合，Bandura 提出，面对困难和挑战时，我们的自我效能感（也就是我们相信自己能够处理这些问题的信念）会大大影响我们的行动方式和结果。

以下是异常处理的一些主要作用和用途：

2. 模板与异常处理

2.1 异常处理在模板中的基本应用

在C++中，模板（Templates）是编程中强大而重要的工具，可以用来创建通用的类型安全的代码。同时，异常处理（Exception Handling）是一种处理程序中运行时错误的机制。在模板中使用异常处理，可以使我们的代码更稳健、更易于调试和维护。

2.1.1 为模板函数/类添加异常处理

在C++中，我们可以直接在模板函数或类中加入异常处理。比如，一个简单的模板函数可能如下：

template <typename T>
void throwIfZero(T t) {
    if (t == 0)
        throw std::runtime_error("Zero value");
}

这里的 throwIfZero 是一个模板函数，接受任何类型的参数 t，如果 t 等于0，就抛出运行时错误。这里的 std::runtime_error 是标准库中的一个异常类型，表示运行时错误。

在口语交流中，你可以这样描述这段代码：“I have a template function called ‘throwIfZero’. It takes an argument ‘t’ of any type. If ‘t’ equals zero, it throws a runtime error."（我有一个叫做 ‘throwIfZero’ 的模板函数。它接受任何类型的参数 ‘t’。如果 ‘t’ 等于零，它就抛出一个运行时错误。）

2.1.2 使用noexcept指定模板函数是否抛出异常

从C++11开始，我们可以使用 noexcept 关键字来明确指定模板函数是否能抛出异常。例如：

template <typename T>
void doSomething(T t) noexcept {
    // do something with t
}

这里的 doSomething 是一个模板函数，接受任何类型的参数 t。noexcept 关键字表示这个函数保证不抛出任何异常。

在口语交流中，你可以这样描述这段代码：“I have a template function called ‘doSomething’. It takes an argument ‘t’ of any type. The ‘noexcept’ keyword indicates that this function will not throw any exceptions."（我有一个叫做 ‘doSomething’ 的模板函数。它接受任何类型的参数 ‘t’。‘noexcept’ 关键字表示这个函数不会抛出任何异常。）

“程序必须做好错误处理，但也不能过度依赖异常。” – Bjarne Stroustrup（C++的创始人）

从心理学的角度来看，编程与人的思维过程有许多相似之处。编程就像是在进行逻辑思考和解决问题。在面对错误时，我们既要准备好应对，也要避免过度依赖某一种解决策略，这与心理学家推崇的心理韧性概念是一致的。

2.2 异常处理在模板中的限制

尽管在模板中使用异常处理可以使我们的代码更稳健，但它也带来了一些限制。

2.2.1 类型决定的异常处理限制

由于模板的类型是在编译时确定的，某些类型可能无法支持我们预期的异常处理操作。例如，当你尝试对一个不能抛出异常的函数对象进行异常处理时，编译器将报错。例如：

template <typename T>
void runWithExceptionHandling(T t) noexcept {
    try {
        t();
    } catch (...) {
        // Handle exception
    }
}
void noThrowFunc() noexcept {
    // Some operation
}
runWithExceptionHandling(noThrowFunc);  // This will cause a compiler error

在上述代码中，runWithExceptionHandling函数试图对函数对象t()进行异常处理。但是当我们尝试用一个被noexcept修饰的函数noThrowFunc实例化这个模板函数时，编译器将报错。

在口语交流中，你可以这样描述这段代码：“I have a template function ‘runWithExceptionHandling’, which tries to handle exceptions for the function object ‘t’. However, when I try to instantiate this template function with a ‘noexcept’ function ‘noThrowFunc’, the compiler will give an error."（我有一个模板函数’runWithExceptionHandling’，它试图为函数对象’t’处理异常。然而，当我试图用一个’noexcept’函数’noThrowFunc’实例化这个模板函数时，编译器会报错。）

2.2.2 编译时决定的异常处理限制

另一个限制源于C++的异常处理机制：异常规格（Exception Specification）。从C++17开始，只有noexcept是被接受的异常规格。而且，在模板中，异常规格是编译时确定的，这可能会导致某些不可预见的行为。例如，一个模板函数可能在某些情况下抛出异常，而在其他情况下不抛出：

template <typename T>
void mayThrow() noexcept(noexcept(T())) {
    T();
}
void throwFunc() {
    throw std::runtime_error("Error");
}
void noThrowFunc() noexcept {
    // Some operation
}
mayThrow<throwFunc>;  // This may throw
mayThrow<noThrowFunc>;  // This is noexcept

在这里，mayThrow模板函数的异常规格取决于它的模板参数。如果模板参数T是一个可能抛出异常的函数，那么mayThrow也可能抛出异常。如果T是一个noexcept函数，那么mayThrow将不会抛出异常。

在口语交流中，你可以这样描述这段代码：“The ‘may Throw’ template function’s exception specification depends on its template parameter. If the template parameter ‘T’ is a function that may throw an exception, ‘mayThrow’ may also throw an exception. If ‘T’ is a ‘noexcept’ function, ‘mayThrow’ will not throw an exception."（'mayThrow’模板函数的异常规格依赖于它的模板参数。如果模板参数’T’是一个可能抛出异常的函数，'mayThrow’也可能抛出异常。如果’T’是一个’noexcept’函数，'mayThrow’将不会抛出异常。）

心理学家Carol Dweck在她的成长思维理论中强调，我们应该积极面对挑战，接受失败，并从中学习。在编程中，我们同样要意识到不可能所有的代码都能正常运行，有些代码可能会抛出异常，有些可能会因为类型的限制而失败。我们的任务是去理解这些限制，并尽可能地减少其对我们代码的影响。

3. 模板与友元

3.1 友元函数在模板中的基本应用

在C++编程中，友元函数（Friend function）是一个能够访问类的私有（private）和保护（protected）成员的非成员函数。它们是由类自身声明的，允许突破类的访问控制。将函数定义为友元函数，可以让这些函数访问类中的私有和保护成员。

3.1.1 为模板类添加友元函数

模板类（Template Class）就是以模板形式定义的类。为了增加代码的复用性和泛用性，我们可以将友元函数引入模板类。这个操作通常在你需要某个完全独立的函数能够访问模板类的私有或保护成员时使用。在模板类中声明友元函数的基本语法格式是：

template<typename T>
class MyClass {
    friend void friendFunction(MyClass<T>&);
};

这个例子中，friendFunction 是友元函数，它可以访问 MyClass 的所有成员，包括私有和保护成员。这种声明方法允许 friendFunction 针对 MyClass 的任何特化版本进行访问。

在人际关系中，朋友是可以相互信任并分享一些私有信息的人。这个原则同样适用于编程中的"友元"概念。在心理学上，这种信任关系被称为"互惠原则"（Reciprocity），是建立有效人际关系的基础。同样，友元函数在编程中也是基于这种信任原则，允许友元函数访问类的私有和保护成员。

3.1.2 模板友元函数与非模板友元函数的比较

这里将通过表格对比模板友元函数（Template Friend Function）和非模板友元函数（Non-Template Friend Function）的主要差异。

以上这两种类型的友元函数都能够突破访问控制，访问类的私有和保护成员。然而，选择哪种类型的友元函数取决于特定的使用场景和需求。

如果你在交流这个主题时，你可以说 “In C++, a friend function of a class is granted the same access as methods with public or private access specifier. They can be useful when a function needs to access the private or protected members of a class. This function is not a member of the class but is declared a ‘friend’ of the class.”

以上就是友元函数在模板中的基本应用。接下来，我们将探讨在模板类中声明已存在的函数为友元的具体方法。

3.2 友元函数在模板中的使用方法

为了进一步理解和使用模板中的友元函数，我们将探讨如何在模板类中声明已存在的函数为友元。

3.2.1 模板类中定义友元函数

在模板类中，我们不仅可以声明外部的函数为友元，还可以直接在类内部定义友元函数。以下是一个例子：

template<typename T>
class MyClass {
    friend void friendFunction(MyClass<T>& mc) {
        // 可以访问 mc 的私有和保护成员
    }
};

在这个例子中，friendFunction 被直接定义在 MyClass 的内部，它可以访问到 MyClass 的所有私有和保护成员。这种方法适用于当友元函数较小，且与特定类密切相关时。

3.2.2 模板类中声明已存在的函数为友元

除了在模板类中定义友元函数，我们还可以声明一个已经存在的函数为模板类的友元。以下是一个例子：

void ExistingFunction();
template<typename T>
class MyClass {
    friend void ExistingFunction();
};

在这个例子中，ExistingFunction 是一个已经存在的函数。在模板类 MyClass 中，我们声明了 ExistingFunction 为友元，这样它就可以访问到 MyClass 的所有私有和保护成员。

以上就是在模板类中使用友元函数的两种主要方法。在具体的编程实践中，选择何种方法取决于具体的编程需求和上下文环境。

这里需要注意的一点是，使用友元函数需要谨慎，因为它们可能破坏对象的封装性。而在心理学中，我们也同样鼓励人们建立健康的界限，过度的亲密可能会破坏这些界限，同样会带来问题。所以在编程实践中，使用友元函数要考虑到其可能带来的影响，以保持良好的代码结构和封装性。

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