【C++】模板进阶 — 模板特化

前言

在我们之前的学习中，我们学习了初阶的模板，函数模板、类模板，并学会了简单的运用，本章将继续深入学习模板的内容，模板进阶…

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1. typename的深一层应用

(1)先看一段代码：

void print_list(const list<int>& lt)
{
	list<int>::const_iterator cit = lt.begin();
	while (cit != lt.end())
	{
		cout << *cit << " ";
		cit++;
	}
	cout << endl;
}

上述代码为打印一个链表中节点数据的代码。

(2)我们将上述函数改为函数模板：

template<class T>
void print_list(const list<T>& lt)
{
	typename list<T>::const_iterator cit = lt.begin();

	while (cit != lt.end())
	{
		cout << *cit << " ";
		cit++;
	}
	cout << endl;
}

• 用泛型写一个print函数
• list确定了，但是list的模板参数没确定

STL中list的迭代器的实现：

以list为例子：

• 这里的Iterator的类型是__list_iterator，
• 虽然list中的迭代器类型被实例化成了假如是int类型的，在list的迭代器的类中T就是int
• 但是这里却没有实例化，还是T，是个虚拟的类型
• 取内嵌类型都要加上typename

• 类模板 模板虚拟类型 没有实例化之前不能去它里面找内嵌定义的类型

• 类模板没有实例化，找出来也是虚拟类型，后期无法处理 – 编译报错

typname 告诉编译器后面这一串是一个类型，等Iterator实例化之后，再去它里面找这个内嵌类型。

(3)接着用一下适配器模式：

template<class Container>
void print_container(const Container& lt)
{
	//typename Container::const_iterator cit = lt.begin();
	//用auto则不用加typename，因为auto是根据返回值类型自动推导
    //去类模板里面取的话都要加上typename

	auto cit = lt.begin();

	while (cit != lt.end())
	{
		cout << *cit << " ";
		cit++;
	}
	cout << endl;
}

上述代码是容器适配器的思想，适配一个Container容器，同样的道理，容器虽然确定了，但是容器内的迭代器却是虚拟的。

整体模板的虚拟类型都没确定：

• 不是类模板不行，而是，模板包含中包含虚拟类型时，就需要用到typename
• 类模板是不允许去取的，有可能还会取出来虚拟类型

注意：

• 用auto则不用加typename，因为auto是根据返回值类型自动推导
• 去类模板里面取的话都要加上typename

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2. 非类型模板参数

2.1 非类型模板参数的引入：

定义一个静态的栈：

#define N 100

template<class T>
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	int _pop;
};

这里有个缺陷，这里的栈的大小是固定死的，每次创建出来的栈都是一样的大小。

问题：

模板让我们实现了同时可以创建不同数据类型的栈，但是不能实现不同数据个数的栈。

如下就是上述代码不能实现的功能：（缺陷）

• Stack< int > – 100个数据
• Stack< char > – 500个数据

我们这时候就引入了非类型模板参数：

直接见代码：

template<class T, size_t N = 100>
class Stack
{
public:
	//非类型模板参数是不能修改的 -- 因为常量是不能修改的
	void f()
	{
		N = 10;
	}
private:
	T _a[N];
	int _pop;
};

• 非类型模板参数 – 还可以给一个缺省值

• <>里也可以不定义类型，也可以定义常量
• N是常量不能修改
• 模板不仅可以不定义类型，还可以定义常量
• 比宏更好，可以传一个常量过去，定义不同的对象，可以传不同的常量过去

• 非类型模板参数基本上是整形。
• 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

2.2 array的特性和使用：

C++引入了一个新的类模板 —— array

这里便用到了非类型模板参数，size_t N

array和vector的区别：

• array是一个静态的数组， 不支持插入删除
• 而vector却是动态的
• array的价值是：开大数组
• array没有独特的地方，是C++11新增的

大小不一样：

• vector中只存几个指针来维护数组，实际不存数据
• 而array是直接存数据
  

array与vector的区别：

• array是封装过了的原生数组 - - 越界一定能查到（读写都能查得到）
• array a1;
• array是C++11新增的，相对于vector而言，没有独特的地方
• operator [ ] 能严格检查越界
• 而普通的数组检查越界不一定能查出来，因为是抽查
• vector可以扩容，array不可以

总结：

• array对比原生数组，还有一些越界检查的优势
• 但是实际中，统一用vector更香

• 类型模板参数 - 虚拟类型
• 非类型模板参数 – 常量

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3. 模板的特化

3.1 模板的特化的引入 + 函数模板的特化：

针对某些类型特殊化处理 - - 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。

比较大小模板，直接见代码：

//模板的特化
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

//针对某些类型特殊化处理 -- 模板的特化
//首先要有一个基础的函数模板
//针对Date*进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

bool Less(Date* left, Date* 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 = new Date(2022, 7, 16);
	Date* p2 = new Date(2022, 7, 15);

	//这里比较的是地址
	cout << Less(p1, p2) << endl;
	//只用这种方式（p1, p2相比较）可以用模板的特化来解决

	return 0;
}

日期类复习 – 传送门

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。

问题的解决：

我们比较的是日期的大小，直接传日期类的对象就可以调用日期类的运算符重载，但是如果传的是日期类对象的指针，比较的就是地址的大小，显然不是我们想要的比较日期类对象的大小。如果在我们只传指针还要解决问题的限制下，这时应用模板特化就可以很好的解决这种问题。

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。

注意：

• 上述三个同时存在的时候，先去匹配函数
• 函数模板不一定要特化
• 类模板就需要具体的特化了

• 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。
• 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，直接写一个具体类型的函数更好

3.2 类模板的特化 + 全特化和偏特化(半特化)：

(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;
};

//类模板的特化 -- 全特化（写死了）
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
};

• 制定好了两个模板参数 —— 写死了
• 只能固定的类型走这个函数
• 例如：只能是int 和 double走全特化的模板

(2)偏特化(半特化):

• 任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

//半特化 / 偏特化（）半特化不是特化一半
//1、将部分模板参数列表中的一部分参数特化
template<class T1>
class Data<T1, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
};

//2、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
//只要T1 和 T2是指针就走这个 -- 针对指针特殊化处理
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
};

int main()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, double> d2;

	//只要第二个是char都会匹配：半特化/偏特化
	Data<int, char> d3;
	Data<char, char> d4;

	//只要是两个指针
	Data<int*, int*> d5;
	Data<int*, char*> d6;
	Data<int*, string*> d7;
	Data<int*, void*> d8;
	//void不是类型，但是void*是一个类型，void*是不能解引用不能++

	Data<int*, int> d9;//匹配原生的指针
	Data<int&, char&> d10;

	return 0;
}

运行结果如下：

3.3 模板特化的应用：

//模板的特化 -- 应用
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};

template<>
struct Less<Date*>
{
	bool operator()(Date* x, Date* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};

//偏特化
//只要是指针都走这里
template<class T>
struct Less<T*>
{
	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<Date> 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<Date>());

	vector<Date*> 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<Date*>());

	vector<int*> v3;
	v3.push_back(new int(3));
	v3.push_back(new int(1));
	v3.push_back(new int(2));
	sort(v3.begin(), v3.end(), Less<int*>());

	return 0;
} 

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4. 模板分离编译

这个问题在初识模板章节就已经讲解：

初识模板 – 传送门