【C++】模板进阶
作者：@阿亮joy.
专栏：《吃透西嘎嘎》
座右铭：每个优秀的人都有一段沉默的时光，那段时光是付出了很多努力却得不到结果的日子，我们把它叫做扎根
目录
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- 非类型模板参数
- 模板的特化
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- 概念
- 函数模板特化
- 类模板特化
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- 1. 全特化
- 2. 偏特化
- 类模板特化应用示例
- 模板分离编译
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- 什么是分离编译
- 模板的分离编译
- 模板总结
- 总结
非类型模板参数
模板参数分为类型参数和非类型参数。类型参数：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 后的参数类型名称。非类型参数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。
// N个空间的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
class Array
{
private:
T _a[N];
};
int main()
{
Array<int, 10> a1;
Array<double, 100> a2;
return 0;
}
有了非类型模板参数，我们就可以根据需求来调整静态数组的大小。
C++ 11 也新增了静态数组array，其大小是固定的。它没有头插和尾插的函数接口，也不像 vector 那样要求数据连续，其数据可以不连续。array是通过operator[]来插入数据的，它和 C 语言中的数组进行对比的，它们的数据都是在栈上的。array和 C 语言的数组的区别就是对越界访问的检查。C 语言的越界读不检查，越界写是抽查；而array越界就会报错。
#include array 的相关接口
演示使用 array
#include 
C++ 11 除了增加了静态数组array，还增加了单链表forward_list。单链表forward_list是不支持push_front的，因为效率比较低。
forward_list 的相关接口
那么，我们来看一下使用非类型参数需要注意的事情。
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。
3. 局部变量不能用作非类型参数。
4. 整型常量可以作为非类型参数。
模板的特化
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。
// 注：日期类相关代码已省略
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
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。
函数模板特化
函数模板的特化步骤：
- 必须要先有一个基础的函数模板。
- 关键字 template 后面接一对空的尖括号 <>。
- 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型。
- 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。
#include 
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;
}
类模板特化
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 T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
int _d1;
char _d2;
};
int main()
{
Data<int, int> d1;
Data<int, char> d2;
return 0;
}
注：全特化的类和模板类并不是同一个类，全特化类的成员变量和成员函数可以和模板类完全不一样。特化并不会针对 vector 和 list 等进行特化，而是针对仿函数等简单类进行特化。
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 T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
偏特化有两种表现方式：
- 部分特化，将模板参数类表中的一部分参数特化。
- 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。
部分特化
// 将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
int _d2;
};
参数更进一步的限制
//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
Data(const T1& d1, const T2& d2)
: _d1(d1)
, _d2(d2)
{
cout << "Data" << endl;
}
private:
const T1& _d1;
const T2& _d2;
};
注：偏特化的两个形参类型可以一个是引用，另一个是指针。
类模板特化应用示例
#include
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。此时可以使用类模板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<Date*>
{
bool operator()(Date* x, Date* y) const
{
return *x < *y;
}
};
模板分离编译
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。
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：
// Add.h
#pragma once
#include 出现链接错误：
解决方法：
- 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。
- 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。
显式实例化
// Add.h
#pragma once
#include 声明和定义不分离
// Add.h
#pragma once
#include 
声明和定义不分离就不需要在链接时去找函数的地址了，因为头文件展开就有了函数声明和定义。不推荐显式实例化，因为换个类型就要再多写一次。
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。
总结
本篇博客主要讲解了非类型模板参数、函数模板特化、类模板的全特化和偏特化以及模板的分离编译等。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！❣️