템플릿 (C++)

템플릿(template)은 C++ 프로그래밍 언어의 한 기능으로, 함수와 클래스가 제네릭 형과 동작할 수 있게 도와준다. 함수나 클래스가 개별적으로 다시 작성하지 않고도 각기 다른 수많은 자료형에서 동작할 수 있게 한다. 이는 튜링 완전 언어로 볼 수 있다.

템플릿은 C++에서 프로그래머들에게 유용한데, 특히 다중 상속과 연산자 오버로딩과 결합할 때 그러하다. C++ 표준 라이브러리는 연결된 템플릿의 프레임워크 안에서 수많은 유용한 함수들을 제공한다.

C++ 템플릿은 CLU가 제공하는 매개변수 형태의 모듈과 에이다가 제공하는 제네릭에 영향을 받았다.

개괄

템플릿의 종류는 함수 템플릿과 클래스 템플릿의 두 가지가 있다. C++14부터는 세번째 템플릿으로 변수 템플릿이 있다.

함수 템플릿

여러 다른 자료형(int, long, float, double, class... )을 템플릿 인자 ('<...>' 안에 들어가는)로 받아, 함수 내부에서 활용할 수 있도록 한 것이다. 다시 말하면, 여러 다른 자료형에 대하여 같은 역할을 하는 하나의 함수 계열을 하나의 템플릿으로 표현할 수 있다는 점이다. 형태는 아래와 같다.

template <class identifier> function_declaration;
template <typename identifier> function_declaration;

두 표현 모두 같은 의미와 같은 행동을 하도록 되어있다. 다시 말해서 템플릿 안에 들어있는 class 키워드와 typename 키워드는 동일한 의미이다. typename 키워드는 클래스를 생성할 때 활용하는 class 키워드와 혼동되지 않도록 나중에 추가된 키워드이다.

예를 들면, C++ STL에 두 값 중에 더 큰 값을 구하는 max(x,y) 함수가 있다. max(x,y) 함수는 아래와 같이 정의될 수 있다.

template <typename Type>
Type max(Type a, Type b) {
    return a > b ? a : b;
}

위에 정의된 하나의 함수가, 여러 가지 다른 형태의 자료형(int, double, float)에 대하여 동작을 하게 된다.

템플릿이 아니라 오버로딩으로 구현하고자 했다면 아래와 같이 각각의 변수형에 대해 각각의 함수를 정의해 주어야 한다.

int max(int a, int b) {
    return a > b ? a : b;
}

double max(double a, double b) {
    return a > b ? a : b;
}

float ...

long ....

컴파일 과정 중에 해당 함수가 어떤 자료형으로 호출이 될지 결정이 될 때 실제 함수가 생성이 되도록 되어 있다.

#include <iostream>

int main()
{
  // This will call max <int> (by argument deduction)
  std::cout << max(3, 7) << std::endl;
  // This will call max<double> (by argument deduction)
  std::cout << max(3.0, 7.0) << std::endl;
  // This type is ambiguous, so explicitly instantiate max<double>
  std::cout << max<double>(3, 7.0) << std::endl;
  return 0;
}

앞 두 형태의 경우 컴파일러는 들어오는 자료 형태를 각각 int와 double로 추론한다. 세 번째 형태는 컴파일러가 추론에 실패한다. 왜냐하면 인자로 넘어오는 두가지 자료형이 정확하게 같다고 정의되어 있기 때문이다. 이럴 경우, 해당 함수 template은 (y < x)를 만족하는, 카피 컨스트럭터 형태의 어떠한 형태로도 인스턴스화 된다. 사용자 정의 타입의 경우에는 < 연산자가 class의 오버로드 적용을 받아 적법할 때 인스턴스화 된다.

클래스 템플릿

클래스 템플릿은 클래스를 템플릿 변수에따라 생성할 수 있게 하는 기능이다. 클래스 템플릿은 컨테이너의 용도로 많이 쓰인다. C++ 표준 라이브러리에는 다수의 템플릿들이 있는데, 벡터와 같은 컨테이너들은 표준 템플릿 라이브러리로부터 유래했다.

이렇게 Type마다 하나의 함수를 추가하여야 했을 것이다.

외부 링크

• (영어) Demonstration of the Turing-completeness of C++ templates (Lambda calculus implementation)