Item 46：需要類型轉換時，應當在類模板中定義非成員函數

Item 46: Define non-member functions inside templates when type conversions are desired.

Item 24中提到，如果所有參數都需要隱式類型轉換，該函數應當聲明為非成員函數。Item 24是以Rational和operator*為例子展開的，本文把這個觀點推廣到類模板和函數模板。 但是在類模板中，需要所有參數隱式轉換的函數應當聲明為友元並定義在類模板中。

模板化的Rational

既然是Item 24的推廣，那麼我們先把Item24中的Rational和operator*模板化。得到如下代碼：

template
class Rational {
public:
  Rational(const T& numerator = 0, const T& denominator = 1);
  const T numerator() const;           
  const T denominator() const;        
};

template
const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){}

Item 20解釋了為什麼Rational的參數是常量引用；Item 28解釋了為什麼numerator()返回的是值而不是引用；Item 3解釋了為什麼numerator()返回的是const。

模板參數推導出錯

上述代碼是Item24直接模板化的結果，看起來很完美但它是有問題的。比如我們有如下的調用：

Rational oneHalf(1, 2);            // OK
Rational result = oneHalf * 2;     // Error!

為什麼第二條會出錯呢？因為編譯器無法推導出合適的模板參數來實例化Rational。 模板參數的推導包括兩部分：

• 根據onHalf，它的類型是Rational，很容易知道接受oneHalf的operator*中模板參數T應該是int；
• 根據2的模板參數推導卻不那麼順利，編譯器不知道如何將實例化operator*才能使得它接受一個int類型的2。

  可能你會希望編譯器將2的類型推導為Rational，再進行隱式轉換。但在編譯器中模板推導和函數調用是兩個過程： 隱式類型轉換發生在函數調用時，而在函數調用之前編譯器需要實例化一個函數。而在模板實例化的過程中，編譯器無從推導T的類型。

  聲明為友元函數

  為了讓編譯器知道T是什麼，我們可以在類模板中通過friend聲明來引用一個外部函數。

  template
  class Rational {
  public:
      friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);
  };
  
  template
  const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){}
  

  在Rational中聲明的friend沒有添加模板參數T，這是一個簡便寫法，它完全等價於：friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs);。

  因為類模板實例化後，T總是已知的，因而那個friend函數的簽名會被Rational模板類聲明。 這樣，result = oneHalf * 2便可以編譯通過了，但鏈接會出錯。 雖然在類中聲明了friend operator*，然而編譯器卻不會實例化該聲明對應的函數。 因為函數是我們自己聲明的，那麼編譯器認為我們有義務自己去定義那個函數。

  在類中給出定義

  那我們就在聲明operator*時直接給出定義：

  template
  class Rational {
  public:
      friend const Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
          return Rational(lhs.numerator() * rhs.numerator(), lhs.denominator() * rhs.denominator());
      }
  };
  

  這樣混合模式的調用result = oneHalf * 2終於可以編譯、鏈接並且運行了。到這裡想必問題已經很清楚了：

  1. 為了對所有參數支持隱式類型轉換，operator*需要聲明為非成員函數；
  2. 為了讓編譯器推導出模板參數，operator*需要在類中聲明；
  3. 在類中聲明非成員函數的唯一辦法便是聲明為friend；
  4. 聲明的函數的同時我們有義務給出函數定義，所以在函數定義也應當放在friend聲明中。

     調用輔助函數

     雖然operator*可以成功運行了，但定義在類定義中的函數是inline函數，見Item 30。 如果operator*函數體變得很大，那麼inline函數就不再合適了，這時我們可以讓operator*調用外部的一個輔助函數：

     template class Rational;
     template
     const Rational doMultiply(const Rational& lhs, const Rational& rhs);
     
     template
     class Rational{
     public:
         friend Rational operator*(const Rational& lhs, const Rational& rhs){
             return doMultiply(lhs, rhs);
         }
     };
     

     doMultiply仍然是不支持混合模式調用的，然而doMultiply只會被operator*調用。operator*將會完成混合模式的兼容，然後用統一的Rational類型參數來調用doMultiply。