文章来自Traits: a new and useful template technique
应该是很老(1995)的文章了，不过很适合作为Template入门的材料。
ANSI/ISO C++标准库一开始就想支持国际化(internationalization)，虽然一开始还没相好具体细节，但是最近5年逐渐有点眉目了。现在得到的结论是，应当用template来对需要进行字符操作的工具进行参数化。
给现有的iostream和string类型进行参数化其实挺难的，需要发明一种新的技术才行。幸运的是，这种技术可以很好的服用在其他地方。
问题
在iostream中，streambuf需要一个EOF来完成自身的功能。在一般的库中，EOF就是一个int而已；一些需要读取字符的函数也只返回int数值。
class streambuf {
...
int sgetc(); // return the next character, or EOF.
int sgetn(char*, int N); // get N characters.
};
但如果用一种字符类型来参数化streambuf，会发生什么？一般来说，程序并不需要这个类型，而是需要这个类型的EOF的值。先试试看：
template <class charT, class intT>
class basic_streambuf {
...
intT sgetc();
int sgetn(charT*, int N);
};
这个多出来的intT就有点烦人了。库的使用方才不关心所谓的EOF是啥。问题还不只这个，sgetc在遇到EOF时应该返回什么？莫非要再来一个模板参数？看来这种方式行不通。
Traits技法
这时候就需要引入Traits了。有了traits，就不需要从原来的模板里直接取参数，而是定义一个新的模板。用户一般不会直接使用这个新的模板，所以这个模板名字可以起的人性化一点。
template <class charT>
struct ios_char_traits { };
默认的traits是个空类。对于真实的字符类型，可以特化这个模板以提供有意义的语义。
struct ios_char_traits<char> {
typedef char char_type;
typedef int int_type;
static inline int_type eof() { return EOF; }
};
ios_char_traits
template <class charT>
class basic_streambuf {
public:
typedef ios_char_traits<charT> traits_type;
typedef traits_type::int_type int_type;
int_type eof() { return traits_type::eof(); }
...
int_type sgetc();
int sgetn(charT*, int N);
};
除去typedef，这个和最开始的定义很像。现在就有1个模板参数，也是用户需要关心的唯一一个模板参数。编译器会从这个trait类中寻找需要的信息。除了一些变量的声明需要调整，用户的使用代码和之前看起来没有太大不同。
如果streambuf用了另外一个字符类型，这时只要重新特化ios_char_traits即可。要支持wchar_t可以这么写：
struct ios_char_traits<wchar_t> {
typedef wchar_t char_type;
typedef wint_t int_type;
static inline int_type eof() { return WEOF; }
};
string类可以用同样的方式参数化。
这个技巧的适用场景：1. 对原始类型进行模板参数化；2.对没办法改动的类进行定制
另一个例子
更进一步解释之前，再看看另一个例子（来自ANSI/ISO C++ [Draft] Standard）。
有一个数值计算库使用的类型有float, double和long double，每个类型都有关联的"epsilon”、指数和底数。这些数值在<float.h>里都有定义，但库中有一些工具不知道改用FLT_MAX_EXP还是DBL_MAX_EXP。用traits技术可以很干净的解决这个问题。
template <class numT>
struct float_traits { };
struct float_traits<float> {
typedef float float_type;
enum { max_exponent = FLT_MAX_EXP };
static inline float_type epsilon() { return FLT_EPSILON; }
...
};
struct float_traits<double> {
typedef double float_type;
enum { max_exponent = DBL_MAX_EXP };
static inline float_type epsilon() { return DBL_EPSILON; }
...
};
现在可以在不知道具体类型(float/double/long double)直接取到max_exponent。举个matrix的例子
template <class numT>
class matrix {
public:
typedef numT num_type;
typedef float_traits<num_type> traits_type;
inline num_type epsilon() { return traits_type::epsilon(); }
...
};
到现在为止的例子里，每个模板参数都有一系列public的typedef，而使用这些参数的类都强依赖于这些typedef。这绝非偶然：大多数的情况下，作为参数的traits必须提供public的typedef，使用这些traits的template才能正确的实例化。
学到一点：一定要提供这些public的typedef。
默认模板参数
到1993年为止，编译器就可以支持上述的用法。1993年11月后，一个更好的方案呼之欲出：可以制定默认的模板参数。当下已经有不少编译器支持数值作为默认模板参数了，新方案更进一步，允许类型作为默认模板参数。
Stroustrup’s Design and Evolution of C++ (page 359)有一个示例。首先定义一个traits: CMP，和一个简单的参数化的string。
template <class T> class CMP {
static bool eq(T a, T b) { return a == b; }
static bool lt(T a, T b) { return a < b; }
};
template <class charT> class basic_string;
这时就可以为string自定义compare操作了：
template <class charT, class C = CMP<charT> >
int compare(const basic_string<charT>&,
const basic_string<charT>&);
这里不讨论具体实现细节，但需要关注第二个模板参数。首先，这个C不仅仅是class，而且是实例化后的class。其次，第二个模板参数(C)自己也需要参数，而需要的参数是compare的第一个模板参数(charT)。这在函数声明中是不可以的，但在模板声明时可行。
这种方式允许用户可以自定义比较的过程。把这个技术应用在我们自己的streambuf模板上看下：
template <class charT, class traits = ios_char_traits<charT> >
class basic_streambuf {
public:
typedef traits traits_type;
typedef traits_type::int_type int_type;
int_type eof() { return traits_type::eof(); }
...
int_type sgetc();
int sgetn(charT*, int N);
};
这给了我们为特定char定制traits的机会。这对库的用户来说很重要，因为EOF在不同的字符集映射中是有可能不一样的。
运行时的Traits
更进一步，看戏streambuf的构造函数：
template <class charT, class traits = ios_char_traits<charT> >
class basic_streambuf {
traits traits_; // member data
...
public:
basic_streambuf(const traits& b = traits())
: traits_(b) { ... }
int_type eof() { return traits_.eof(); }
};
现在我们traits也可以在运行时发挥作用了，而不仅仅是编译时。在这个例子中，traits_.eof()可能是一个静态函数，或者是一个普通的成员函数。如果是普通成员函数，eof()可能会用到构造traits时的一些参数。（这个技巧是有实际使用场景的，比如标准库里的容器都有的allocator）
值得注意的是，对使用方来说，现在没有任何的改变，默认参数可以满足大部分的使用需求。但是当有自己特殊需求时，现在的模板定义也能提供修改的机会。不论什么情况下，我们都会生成最优的代码，如果不需要额外的代价，我们就不会引入这些额外的代价！
总结
只要编译器支持template，traits技巧就可以直接上手用起来了。
Traits可以将相关联的类型、值、函数等用模板参数关联起来，同时不引入过多的噪声。这项语言特性（默认模板参数）极大的扩充了语言能力，提供了足够的灵活性，也丝毫不损害运行效率。
参考
- Stroustrup, B. Design and Evolution of C++, Addison-Wesley, Reading, MA, 1993.
- Barton, J.J., and L.R. Nackman, Scientific and Engineering C++, Addison-Wesley, Reading, MA, 1994.
- Veldhuizen, T. " Expression Templates”, C++ Report, June 1995, SIGS Publications, New York.