C++/문법/템플릿

1. 개요

template<typename T>
T 변수-식별자;

template<typename T, typename... Ts>
반환-자료형 함수-식별자(매개변수...);

template<typename T, typename... Ts>
class 클래스 식별자;

템플릿 (Template)

2. 템플릿 함수

3. 템플릿 변수

4. 템플릿 인자 추론

<C++ 예제 보기>

#!syntax cpp
import <string>;
import <print>;

template<typename T>
void increment1(T x)
{
    // 전위 증가 연산자를 사용할 수 없으면 예외 발생
    ++x;
}

void increment2(auto x)
{
    // 전위 증가 연산자를 사용할 수 없으면 예외 발생
    ++x;
}

template<typename T>
void increment3(T lhs, T rhs)
{
    lhs += rhs;
}

template<typename T>
void increment4(T lhs, const T* rhs)
{
    lhs += *rhs;
}

void increment5(auto lhs, auto rhs)
{
    lhs += rhs;
}

int main()
{
    int a = 100;
    long long b = 500;
    const int c = 900;
    int& d = a;

    increment1(a); // 아무것도 안 함 (1)
    increment1(510942633); // (2)
    increment1(b); // (3)
    increment1(d); // (4) d는 a의 참조 변수이지만 &가 부패해서 사라진다.
    increment1('B'); // (5)
    increment1("namu"); // 오류! 문자열은 더할 수 없습니다.

    increment2(a); // (4)
    increment2(a + b); // (5) 값에 의한 전달은 prvalue도 전달할 수 있다.
    increment2('B'); // (6)
    increment2("wiki"); // 오류! 문자열은 더할 수 없습니다.

    increment3(a, 1058142); // (7)
    increment3(a, c); // (8) 인자의 const는 매개변수의 auto에 영향을 끼치지 못한다.
    increment3(a, b); // 오류! 전달된 두 매개변수 T의 자료형이 서로 다릅니다.

    increment4(a, &c); // (9) 포인터(주소)는 glvalue만이 가질 수 있다. glvalue는 lvalue라서 모든 한정자를 반드시 유지한다.
    increment4(a, &b); // 오류! 전달된 두 매개변수 T의 자료형이 서로 다릅니다.
    increment4(a, &d); // 오류! 포인터와 인자의 const 한정자가 일치하지 않습니다.

    increment5(a, b); // (10)
    increment5(d, c); // (11) d는 참조형이지만 auto에서 &가 부패해서 사라진다.
    increment5(c, d); // (12)
    increment5(d, b); // (13)
    increment5(std::string{ "Namu" }, std::string{ "Wiki" }); // (14)

    std::println("a의 값: {}", a) // 100
    std::println("b의 값: {}", b) // 500
    std::println("c의 값: {}", c) // 900
    std::println("d의 값: {}", d) // 100 (a의 참조형)

    return 0;
}

템플릿 매개변수 추론 과정에서도 한정자가 부패한다. 예제의 increment1 함수와 increment2 함수는 서로 같은 의미를 가진다. 이게 중요한 이유는 바로 템플릿과 auto는 바로 똑같은 존재임을 뜻하기 때문이다. 즉 auto는 각각 다른 자료형으로 추론되는 템플릿을 간편하게 쓸 수 있게 해주는 문법적 설탕이다. auto를 사용한 변수는 템플릿 변수이며 auto가 사용된 함수는 템플릿 함수다. 그렇기에 auto나 템플릿이나 원래의 한정자가 부패하는 것이다. 이를 막으려면 완벽한 자료형을 얻어야 한다. 그러나 auto에 한정자를 붙이는 작업은 불완전하고 실수를 유발하기 쉽다. 자료형 기입이 아무리 쉬워졌다고 해도 여전히 반복적이고 번거로운 작업이기 때문이다. 이러면 처음으로 돌아가 원래의 온전한 자료형을 쓰는 게 더 이롭다. 다음 단락에서는 해결방법을 소개한다.

4.1. 완벽한 매개변수 전달

완벽한 전달 (Perfect Forwarding)
auto는 인자의 자료형을 부패시키고(Decay), * 혹은 순수한 자료형만 보존한다. 즉 const, volatile, &, &&는 무시하고 값으로 전달을 시행한다. 왜냐하면 썩힌다는 것은 최소한의 의미만 남기고 자료형을 날린다는 것인데 const, volatile, &, &&은 서로 보완하지 않으면 함수 안에서는 아무 의미를 갖지 못한다. 함수 매개변수의 자료형 한정자는 단지 코딩에서 실수를 줄이거나 모호함을 줄이기 위해 구태여 붙이는 한정자다. 단일 const, volatile은 함수 외부에서 전달되는 순간부터는 외부로 영향을 끼칠 수 없다. 참조형이 아니라면 그게 상수던 휘발성이던 값으로 전달될 것이고, 그럼 복사가 되든 이동이 되든지 간에, 인자로 전달된 순간부터는 인자로 전달됐던 원본 값이랑은 전혀 연관이 없는 변수가 되면서 함수 안에서 밖으로 영향을 끼치지 못한다.

<C++ 예제 보기>

#!syntax cpp
import <type_traits>;

void ValueFunction(auto value);
void LvalueFunction(auto& value);
void RvalueFunction(auto&& value);

auto&& Function4_forwarding(auto&& value)
{
    // 복사, &, &&, []가 모두 사라짐 (Decay)
    // 복사할 수 없는 값이라면 오류 발생함
    return value;

    // std::move는 lvalue를 보존하지 않기 때문에 문제가 생긴다.
    // value가 glvalue
    //  T&: T&&
    //  const T&: lvalue는 const T&, xvalue는 const T&&
    // value가 rvalue
    //  T&& - T&&
    //  const T&& - const T&&
    return std::move(value);
}

int main()
{
    const long A = 132435;

    ValueFunction(A); // value는 long
    ValueFunction(std::move(A)); // value는 long
    ValueFunction(8000); // 리터럴 value는 int

    LvalueFunction(A); // value&는 const long&
    LvalueFunction(std::move(A)); // value&는 const long&
    LvalueFunction(8000); // 오류! 리터럴은 lvalue에 대입할 수 없음

    RvalueFunction(A); // value&&는 const long&
    RvalueFunction(std::move(A)); // value&&는 const long&&
    RvalueFunction(8000); // 리터럴 value&&는 int&&
}

그래서 사용자가 auto&로 지정하면 &에 의존하는 모든 한정자가 딸려나온다. 굳이 const volatile을 붙이지 않아도 말이다. 그러나 const또는 volatile가 없는 auto&는 무조건 lvalue가 되어서 &&로 표현되는 리터럴과 임시값을 넣을 수 없다. 예를 들어서 예제의 LvalueFunction에는 500, int(120648395)같은 값을 전달할 수 없다. 그럼 좌측값, 우측값 매개변수 구분을 위해 const& T, T&&를 모두 오버로딩해야만 할까? 사실 그렇지 않다. 가령 예제의 RvalueFunction 함수는 rvalue만 받을 수 있을 것 같지만, auto&&는 모든 한정자에 대해 사용할 수 있다.

<C++ 예제 보기>

#!syntax cpp
import <utility>;

template<typename T>
T&& Function5_forwarding_by_template(T&& value) noexcept(noexcept(std::declval<T&&>()))
// 원본 자료형을 유지한채 value의 객체가 생성될 때 예외가 없음을 확인한다
{
    // lvalue, xvalue, prvalue 모두가 원래 값 범주(Value Category)를 유지한채, 아무 비용없이 전달된다
    // lvalue는 lvalue 그대로 전달된다
    // xvalue를 감싸 이름없이 전달한다
    // prvalue를 감싸 이름없이 전달한다
    return std::forward<T>(value);
}

template<typename T, typename V>
auto&& Function5_modified_forwarding_by_template(V&& value) noexcept(noexcept(std::forward_like<const volatile T>(std::declval<V&&>())))
// 원본 자료형을 바꾼 value의 객체가 생성될 때 예외가 없음을 확인한다
{
    // 원래 값 범주를 유지한채로, 다른 자료형으로 바꿔 전달할 수 있다.
    return std::forward_like<const volatile T>(value);
}

// C++23부터 사용할 수 있는 Function5_forwarding_by_template과 같은 코드
auto&& Function5_forwarding_by_deduction(auto&& value) noexcept(noexcept(std::declval<decltype(value)>()))
// 원본 자료형 그대로 value의 객체가 생성될 때 예외가 없음을 확인한다
{
    // C++23부터 가능한 완벽한 전달 수단
    return auto{ value };
    // 또는 
    return auto(value);
}

Position Function6_forwarding_by_copy(const Position& pos) noexcept(std::is_nothrow_copy_constructible<Position>)
{
    // pos를 복사해서 전달한다
    return pos;
}

Position&& Function6_forwarding_by_move(Position&& pos) noexcept(std::is_nothrow_move_constructible<Position>)
{
    // pos를 아무 성능 오버헤드 없이 그대로 전달한다
    return std::move(pos);

    // 이동 연산에 써도 문제 없다. 그러나 lvalue가 아님을 유의해야 한다
    return std::forward<Position>(pos);

    // 경고! 이 경우 복사가 되어 참조 Dangling이 일어난다
    return pos;
}

매개변수에 대입되기 전에 인자에서는 &, &&를 멀쩡하게 갖고 있다. 그리고 이때 &가 여러번 중첩될 경우 & 또는 && 중 한 가지 경우로 압축한다. &가 중복되면 &가 된다. &&가 중복되면 &&가 된다. &와 &&가 합쳐지면 &가 되어버린다[1]. 이 특성은 인자의 원본 자료형을 그대로 보존하는 효과가 나온다. auto&&만 사용하면 매개변수가 뭔지, 복사해야 할지 참조해야 할지 이동시켜야 할지 고민할 필요를 없애준다. 덕분에 원본 자료형이 뭔지 알기 위해 일일이 decltype(auto)을 쓸 필요가 없다.

===# 사용 예제 #===

<C++ 예제 보기>

#!syntax cpp
// 매개 변수가 있고 반환값은 없는 함수
template<typename T>
void SetID(const T& obj, unsigned long long id)
{
    obj.id = id;
}

// 사용자 정의 noexcept 명세를 사용하는 함수
inline constexpr size_t MySize = 10;
int MyBuffer[MySize]{};

template<size_t Index>
constexpr int& Set(const int& value) noexcept(Index < MySize) // Index가 MySize보다 작으면 오류가 없다.
{
    // 그러나 예외를 잡아내는 코드를 생성하지 않는다는 거지, 예외가 발생하지 않도록 하는 건 아니다.
    // 여전히 Index가 MySize 이상이면 오류가 발생한다.
    // 그냥 noexcept로 지정하면, 메모리 접근 위반이 발생했을때 예외 알림 대신 프로그램이 종료된다.
    return MyBuffer[Index] = value;
}

// 후속 반환형을 사용하는 함수
// 제약조건, noexcept 명세, 후속 반환형 사용
template<typename T, size_t Size>
    requires std::copyable<T> // <concept>
constexpr auto CreateArray(const T& value)
    noexcept(std::is_nothrow_copy_constructible_v<T>) // <type_traits>
    -> std::array<T, Size>
{
    // <array>
    std::array<T, size> result{};
    // <ranges>
    std::ranges::fill(result, value);

    return result; // Return Value Optimization 적용
}

// 템플릿, constexpr, 조건부 noexcept 사용
template<typename T>
constexpr T Instantiate(T&& obj, const float x, const float y, const float z) noexcept(std::is_nothrow_constructible_v<T, std::add_rvalue_reference_t<T>>)
{
    // 완벽한 전달(Perfect Forwarding) 사용
    return T(std::forward<T>(obj), x, y, z);
}

// 가변 템플릿, constexpr, 조건부 noexcept, 후속 반환형 사용
template<typename... Ts>
constexpr auto ForwardAsTuple(Ts&&... args) noexcept(std::conjunction_v<std::is_nothrow_constructible<Ts, Ts&&>...>)
    -> std::tuple<Ts&&...>
{
    // 완벽한 전달(Perfect Forwarding) 사용
    return std::tuple<Ts&&...>{ std::forward<Ts>(args)... };
}

int main()
{
    const long A = 0; // 0
    unsigned long long B = 93140583732; // 1
    bool C = false; // 2
    bool& D = C; // 3
    Squirrel E{}; // 4
    const Squirrel& F = E; // 5
    constexpr unsigned G = 34275860428; // 6

    auto tuple1 = std::make_tuple(A, B, C, D, E, F, G);
    std::get<2>(tuple1) = true; // 복사본은 원본 C, D에 영향을 주지 못함

    auto tuple2 = ForwardAsTuple(A, std::move(B), C, D, E, F, Squirrel{}, std::move(G));
    std::get<2>(tuple2) = true; // C, D가 true가 됨
    std::get<4>(tuple2).myName = "new name"; // E, F의 myName이 "new name"이 됨

    return 0;
}

여기서 tuple1은 복사본 튜플이 되어 std::tuple<long, unsigned long long, bool, bool, Squirrel, Squirrel, unsigned>로 생성된다. 그러나 tuple2는 완벽한 전달을 수행하여 std::tuple<const long&, unsigned long long&&, bool&, bool&, Squirrel&, const Squirrel&, Squirrel&&, const unsigned&&>가 된다.

참고로 ForwardAsTuple과 같은 기능의 함수가 이미 표준 라이브러리에 std::forward_as_tuple, std::tie로 구현되어 있으므로 굳이 또 구현할 필요는 없다.

5. 템플릿 클래스

5.1. 템플릿 데이터 멤버

5.2. 템플릿 멤버 함수

5.3. Deducing this

[1] 왜냐하면 &&는 항상 형변환이 필요하기 때문이다

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4.1. 완벽한 매개변수 전달

5. 템플릿 클래스

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5.3. Deducing this

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