C++模板和模板特例（防坑指南）
大家好啊！逗比老师又和大家见面了！今天要给大家分享的是C++中的模板。不过并不是基础教程，而是以“避坑”为主。所以呢，可能更适合有一定C++基础的同学。当然了，如果你正在被这个恶心的C++模板困扰，那么，你来对地方了！
那么首先，我们举一个栗子给大家吃（呸~~给大家听）。假如我们要做的事，是接受一个变量作为圆的半径，然后返回圆的面积。（emmm...这里栗子很逗比，原谅我实在想不出什么高大上的例子了，大家凑合看看吧，咳咳……）。但是，这个半径可能是用整数、浮点数、字符串等形式传进来的，我们要求返回值类型和传入的类型一直。这种需求自然是很适合用模板来完成的，于是，有了以下代码：
template
T aera(const T &radium) {
return M_PI * radium * radium;
} 只不过这样写有个问题，我传整型、无符号整型、浮点型都是OK的，但是，传字符串就出问题了。因为如果T实例化为std::string的话，两个字符串是没有*运算的。所以，字符串需要单独适配的。有一种做法就是，为字符串单独写一个函数，和这个模板函数分开，比如这样：
std::string aera_str(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
} 但是这种解决方法就有点逃避问题了，因为两个函数的函数名是不一样的，我们在使用的时候，还必须知道两个函数的存在，否则，很容易会调用aera
那么，有没有一种方法是，我们还是使用aera这个模板函数，但是，当我们传入的是字符串的时候，单独写一个方法呢？答案是肯定的，那就是使用模板特例。
顾名思义，模板特例就是有别于通用模板定义的一个特例，它针对于某一个特殊的类型，进行特殊的处理，而没有在特例中的则使用通用的模板方法。例如，我们想为std::string类型做一个模板特例，我们应该这样做：
template
T aera(const T &radium) {
return M_PI * radium * radium;
}
template <>
std::string aera(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
} 效果和上面的aera_str是相同的，但是，我们在调用的时候，就可以直接用aera
貌似到此我们问题完美解决了。勤快的同学可能已经在自己的IDE上试验了，确实，这样做可以解决我们的问题。但是，这种表面上的美丽背后是一些列**疼的坑。
假如我们这个求aera的功能是要在多个文件中使用的，我们就应当把它单独写到一个头文件中，然后，让需要的模块去include这个头文件。下面的代码我们将aera函数放在aera.hpp中，然后main.cpp和test.cpp都去调用它：
// aera.hpp
#ifndef aera_h
#define aera_h
#include
#include
template
T aera(const T &radium) {
return M_PI * radium * radium;
}
template <>
std::string aera(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
}
#endif /* aera_h */ // test.cpp
#include "test.hpp"
#include "aera.hpp"
void test() {
int a1 = aera(5);
std::string a2 = aera("6");
} // main.cpp
#include
#include "aera.hpp"
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a1 = aera(7);
std::string a2 = aera("2");
return 0;
} 每一个cpp文件编译都是OK的，但是，一旦链接，就会报错，报了一个重定义的错误。它会说，aera
道理上说得通，但是我们会发现，如果仅仅把string处理的特例函数注释掉，保留原来的模板函数，这样就是OK可以链接通过的。这又是为什么呢？不写模板特例的话，难道就不会重定义吗？
这个问题先放一下，既然是这个特例函数出了问题，那我们让它单独定义可不可以呢？做个实验，把string这个特例函数从头文件中拿出来，放到一个cpp文件中，这样可行吗？比如我们定义了aera.cpp，然后现在的代码是这样的：
// aera.hpp
#ifndef aera_h
#define aera_h
#include
#include
template
T aera(const T &radium) {
return M_PI * radium * radium;
}
#endif /* aera_h */ // aera.cpp
#include "aera.hpp"
template <>
std::string aera(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
} // test.cpp
#include "test.hpp"
#include "aera.hpp"
void test() {
int a1 = aera(5);
std::string a2 = aera("6");
} // main.cpp
#include
#include "aera.hpp"
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a1 = aera(7);
std::string a2 = aera("2");
return 0;
} 这下我们会发现，直接在编译阶段报错了，而且main.cpp和test.cpp都报了同样的错，错误的信息是两个const char *类型的变量没有重载"*"运算。
换句话说，它其实是调用到默认的函数模板了，没有找到这个特例。可能是因为没有找到test.cpp中的函数定义吧，如果我们把这个模板特例拿到main.cpp或者test.cpp中，那么，这个文件就正常了，另外那个文件就会编译失败。但是如果我们两个文件都放一份，其实也就相当于之前写在头文件中是一种效果了，也就是在链接时会报重定义错误。
天哪！这玩意原来是个鸡肋啊！看似模板特例可以解决很多问题，怎么现在看起来这玩意没办法用啊！我总不能保证某一个特例只在一个cpp文件中使用，其他文件都不使用吧？所以到这一步，很多小伙伴就受不了了，改去使用最初的定义两个函数的方法了。
不过别灰心，今天逗比老师就是来帮大家解决这个问题的！要想知道这个问题怎么解决，首先我们要先知道为什么会发生这样的情况。
C++是一个静态类型语言，也就是说，所有的变量类型都是在编译的时候就确定好的，不能等到运行的时候再确定。因此C++无法支持反射机制，无法支持运行时等特性，同样，C++也不支持泛型编程。“什么？逗比老师你又逗比了！咱今天不就在讲模板吗？模板难道不是泛型吗？要是C++都不支持泛型，那还会有今天这些事啊？”别急！听我把话说完。所谓的“泛型编程”其实就是在编译的时候不能确定一些变量的类型，在运行时根据某些因素来决定的。因此，泛型其实已经就是动态类型了。既然C++是静态类型，那么一定无法支持泛型。而我们所谓的模板其实也就是泛型的代替品，让我在不能使用泛型的情况下，还能完成一些类似于泛型的事情。
既然是叫“类似”，那么，肯定还是有本质区别的。即使我们使用模板，在编译阶段，所有变量的类型也都是确定的。这就意味着，你在写一个模板之后，是不能生成对应的机器码的。因为，编译器怎么知道这个模板以后会被实例化成什么类型呢？又不可能把所有的类型都生成一份，一来是浪费资源，二来自定义类型是未知的，无穷多的，不可能全部提前生成。于是，C++编译器想了个办法，就是你在写这个模板代码的时候，不做任何事情（当然，IDE还是会做一些静态检查的，只不过，内容非常有限，很多语法错误都没办法检测出来，比如这里的乘号，到底实例化后支不支持乘法，现在不知道）。然后，当你实例化这个模板的时候，再根据你传入的类型去生成对应的代码。
换句话说，在我们的例子当中，这个aera
那么，同样地，我们也就解释了，为什么模板函数写在头文件中，不会发生重定义问题。因为根本没有代码，而在每个文件 实际调用的时候，临时生成的一个类型（有点像匿名的结构体直接生成了一个变量那种效果），所以生成的代码都是局部的，对跨文件的部分不会产生影响。
可是，为什么当我们写模板特例的时候，就出现问题了呢？是因为，模板特例本身其实已经不是模板了，类型既然已经确定了，那么，它应该成为一个普通函数才对。既然是普通函数，那么理所应当，声明放到头文件中，实现放到源文件中。当我们引入这个头文件时，就得到了通用模板的完整定义，以及，模板特例的函数声明。这样编译器就知道怎么去做了，如果是特例类型，因为已经有了模板特例的声明，那么，就会到其他cpp文件中找它的定义，最后链接起来；而如果不是特例类型，就会根据通用模板单独生成一个新的局部的类型然后使用。
所以，我们正确的代码应该长下面这样：
// aera.hpp
#ifndef aera_h
#define aera_h
#include
#include
// 通用模板
template
T aera(const T &radium) {
return M_PI * radium * radium;
}
// 模板特例函数的声明
template <>
std::string aera(const std::string &radium);
#endif /* aera_h */ // aera.cpp
#include "aera.hpp"
// 模板特例函数的实现
template <>
std::string aera(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
}
// test.cpp
#include "test.hpp"
#include "aera.hpp"
void test() {
int a1 = aera(5);
std::string a2 = aera("6");
} // main.cpp
#include
#include "aera.hpp"
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a1 = aera(7);
std::string a2 = aera("2");
return 0;
} 现在我们的代码已经可以正常运行了。
所以使用模板要避开的坑就是，通用模板和模板特例要分别对待。对待通用模板要把它当做宏一样去对待，所有的内容都应该放在同一个头文件中，让需要的部分去包含它，在预编译阶段会替换成对应的代码。而对待模板特例，要把它当做普通的函数一样去对待，声明部分放到头文件中，实现部分放到单独的源文件中。（也就是说，通用模板的声明和模板特例的声明是不可以共用的！）
当然，还有一种不太常遇见的情况就是，我们想定义一个模板，但是这个模板并没有通用的定义，而是只存在几个特例。比如说，我写的这个aera只想让它支持double和std::string类型，其他类型都不支持，并且，支持的这两种类型实现方法还不同。这种时候，可以使用两个模板特例加一个公用的模板声明。代码如下：
// aera.hpp
#ifndef aera_h
#define aera_h
#include
#include
// 模板声明（不含通用模板）
template
T aera(const T &radium);
#endif /* aera_h */ // aera.cpp
#include "aera.hpp"
// 模板特例函数的实现
template <>
std::string aera(const std::string &radium) {
double r = std::stod(radium);
double squ = M_PI * r * r;
return std::to_string(squ);
}
template <>
double aera(const double &radium) {
return M_PI * radium * radium;
} 在这种情况下，编译器发现模板声明是空的，就会知道，这个模板类型不含有通用实现，都是用特例来完成的，于是，就会按照普通函数的方式来编译了。注意！只有在通用模板是空的情况下，才可以省略模板特例的声明，否则，一旦省略了，就会在预编译阶段按照通用方式来生成代码，而不是去找实际模板特例对应的函数了。
哦， 当然了，如果你在aera.hpp中还是把两个模板特例的声明给写上了，那也没什么问题。反倒是这样还更有利于代码可读性。那么，在这种通用模板为空的这种用法中，其实并不是用到了模板的特性，倒更像是写了一组重载函数而已，只不过把类型给显示写出来了。不过还是有一点区别，就是重载函数各是各的声明，而纯特例的模板函数可以共用一个声明。（这里有一点要注意，纯特例的模板中，每个模板的特例声明可写可不写，但是，即便所有的模板特例声明都写出来了，仍然需要保留那个空的通用模板声明，否则将会编译报错。可以把这个空的通用模板声明理解成一个函数簇，有了这个函数簇才能有里面的函数。）
坑的地方已经给大家讲解完毕了，相信大家使用的时候可以避开这些坑了。不过模板语法确实比较奇怪，而且还分个通用和特例两种情况，写的时候确实容易把人搞晕，接下来逗比老师就给大家展示一些实例，模板函数的例子上面已经有了，下面是一些包括模板类、模板成员函数以及它们的特例的写法，供参考：
模板类、成员模板函数，以及特例的写法示例
// example.hpp
#ifndef example_hpp
#define example_hpp
// 通用模板
template
class Example {
public:
// 模板类中的普通函数
void test();
// 模板类中的模板函数（嵌套的模板函数）
template
S test2();
};
// 通用模板的函数实现（可以写到类外，但是不能写到别的文件去）
template // 类型名可以与之前的不同，但是需要对应
void Example::test() {
}
// 通用模板中的模板函数（同样，不能写到别的文件）
template
template
S Example::test2() {
return 0;
}
// 模板特例声明（相当于普通类）
template <>
class Example {
// 这里甚至都可以写和通用模板毫无关系的实现
public:
// 一个普通函数（相当于普通成员函数）
void another_test();
// 模板特例中的模板函数（相当于普通的模板函数）
template
void test2();
};
// 模板函数就必须在当前文件里定义
template
void Example::test2() {
}
#endif /* example_hpp */ // example.cpp
#include "example.hpp"
// 模板特例函数实现
// 注意这里，类是个模板，但是函数不是，所以这里不需要加template <>
void Example::another_test() {
} 总之就是把持住一点，只要是模板，就要像宏一样写在同一个文件中，如果是特例，就要像普通函数（或者类）一样，声明写在头文件中，实现写在源文件中。
在以前，我们只能把一个模板实例进行重命名，比如：
// 重命名一个模板实例
typedef std::vector Vec_int; 但是对于模板类型，或者不完全实体化的模板类型就不可以了。不过在C++11以后，就可行了，例如下面的例子：
// 重命名一个模板类型
template
using Vec = std::vector;
// 重命名一个部分实例化的模板类型
template
using Map = std::map;
好啦！以上就是关于C++模板的全部内容了。如果同学们还有什么问题，欢迎留言，欢迎讨论！
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