＜模板进阶＞——《C++高阶》

目录

1. 非类型模板参数

2. 模板的特化

2.1 概念

2.2 函数模板特化

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

2.3.2 偏特化

2.3.3 类模板特化应用示例

3 模板分离编译

3.1 什么是分离编译

3.2 模板的分离编译

3.3 解决方法

4. 模板总结

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                       ——By 作者：新晓·故知

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1. 非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。

类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

非类型形参，就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用。

类型模板参数：虚拟类型

非类型模板参数：常量

namespace byte
{
	// 定义一个模板类型的静态数组
	template
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }

	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

注意：

1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。

2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

 

template
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	int _top;
};
int main()
{
	Stack st1;    //指定大小为100
	Stack st2; //指定大小为500

	return 0;
}

栈很小，堆很大，vector在堆上，array在栈上。

array(封装过得原生数组即operator[ ]）与原生数组（例：int arr[ ]）相比较，array能严格检查越界。实际中，使用vector更方便。

注：非类型模板参数主要是整型。 

2. 模板的特化

2.1 概念

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理，

比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right) 
{
	return left < right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

可以看到，Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。

此时，就需要对模板进行特化。即：在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。模板特化中分为函数模板特化与类模板特化

 

// 函数模板 -- 参数匹配
template                             //实例化
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
// 特化：针对特殊类型所进行特殊化的实现方式
template<>                                    //未完全实例化
bool Less(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}
bool Less(Date* left, Date* right)             //直接匹配
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 30);
	Date d2(2022, 8, 1);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}

 

2.2 函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板

2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>

3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型

4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right) 
{
	return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less(Date* left, Date* right) { return *left < *right; }
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << Less(d1, d2) << endl;
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
	return 0;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

bool Less(Date* left, Date* right) 
{
 return *left < *right; 
}

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

template
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
template<>
class Data 
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data d1;
	Data d2;
}

 

2.3.2 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于以下模板类：

template
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表现方式：

• 部分特化

• 将模板参数类表中的一部分参数特化。

// 将第二个参数特化为int
template 
class Data 
{
public:
 Data() {cout<<"Data" <

参数更进一步的限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

//两个参数偏特化为指针类型
template 
class Data 
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }

private:T1 _d1;
	   T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template 
class Data 
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout << "Data" << endl;
	}

private:
	const T1& _d1;
	const T2& _d2;
};
void test2()
{
	Data d1; // 调用特化的int版本
	Data d2; // 调用基础的模板 
	Data d3; // 调用特化的指针版本
	Data d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

 

2.3.3 类模板特化应用示例

有如下专门用来按照小于比较的类模板Less

#include
#include 
template
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 6);
	Date d3(2022, 7, 8);
	vector v1;
	v1.push_back(d1);
	v1.push_back(d2);
	v1.push_back(d3);
	// 可以直接排序，结果是日期升序
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less());
	vector v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);

	// 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
	// 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
	// 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less());
	return 0;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为：sort最终按照Less模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less
{
 bool operator()(Date* x, Date* y) const
 {
 return *x < *y;
 }
};

 

#include
#include 
template
struct Less
{
	bool operator()( T& x,  T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less
{
	bool operator()(Date* x, Date* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};
//偏特化：对于int*、double*、float*等处理
template
struct Less
{
	bool operator()(T* x, T* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};
int main()
{
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 6);
	Date d3(2022, 7, 8);
	vector v1;
	v1.push_back(d1);
	v1.push_back(d2);
	v1.push_back(d3);
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e ;
	}
	cout << endl;
	// 可以直接排序，结果是日期升序
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less());
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e ;
	}
	cout << endl;
	vector v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	for (auto e : v2)
	{
		cout << e << endl;
	}
	cout << endl;
	// 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
	// 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
	// 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less());
	for (auto e : v2)
	{
		cout << e << endl;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

 特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

3 模板分离编译

3.1 什么是分离编译

一个程序（项目）由若干个源文件共同实现，而每个源文件单独编译生成目标文件，最后将所有目标文件链 接起来形成单一的可执行文件的过程称为分离编译模式。

3.2 模板的分离编译

假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件中进行声明，源文件中完成定义：

// a.h
template T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right; 
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);

	return 0;
}

3.3 解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。

2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

4. 模板总结

【优点】

1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生

2. 增强了代码的灵活性

【缺陷】

1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

后记：
●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                       ——By 作者：新晓·故知