【C++升级之路】第十二篇：模板进阶 | 非类型模板参数 & 模板特化 & 类模板的分离编译 & 模板优缺点总结
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系列专栏：【C++学习与应用】
✒️✒️本篇内容：非类型模板参数，函数模板特化，类模板特化（全特化，部分特化，参数更进一步的限制），类模板的分离编译问题，模板优缺点总结
作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-
文章目录
- 一、非类型模板参数
- 二、模板的特化
-
- 1.概念
- 2.函数模板特化
- 3.类模板特化
-
- （1）全特化
- （2）偏特化、半特化
- 三、类模板的分离编译
-
- 1.什么是分离编译
- 2.模板的分离编译
- 3.解决方法
- 四、模板优缺点总结
- 结语
一、非类型模板参数
模板参数分为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后面的参数类型名称。
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。
非类型模板参数代码如下（示例）：
// 静态数组
// 非类型模板参数 -- 常量
template<class T, size_t N>
class Array
{
private:
T _a[N];
};
int main()
{
Array<int, 10> a1; // 10
Array<double, 1000> a2; // 1000
return 0;
}
array - 自定义类型可变数组使用示例
#include【注意】
- 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。
- 非类型的模板参数在编译期就能确认结果。
template<class T, double N> //报错
void Func(const T& x)
{
cout << N << endl;
}
template<class T, size_t N> //传入的不是直接的变量100，报错
void Func(const T& x)
{
cout << N << endl;
}
int main()
{
int N = 100;
Func<int, N>(1);
return 0;
}
二、模板的特化
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：实现一个专门用来进行小于比较的函数模板
//日期类
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
bool operator<(const Date& d)const
{
return (_year < d._year) ||
(_year == d._year && _month < d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
}
bool operator>(const Date& d)const
{
return (_year > d._year) ||
(_year == d._year && _month > d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
}
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
// 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，因此造成了错误。
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。
2.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。
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(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以函数形式直接给出。
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。
3.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。
特化前
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data()
{
cout << "Data" << endl;
}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
特化后
template<>
class Data<int, char>//类型参数确定化
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
int _d1;
char _d2;
};
（2）偏特化、半特化
偏特化有以下两种表现方式：部分特化和进一步参数限制
- 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 T1>
class Data<T1, int>
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
int _d2;
};
- 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 <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;
};
int main()
{
Data<double, int> d1; // 调用部分特化的int版本
Data<int, double> d2; // 调用基础的（特化前的）模板
Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的引用版本
return 0;
}
三、类模板的分离编译
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。
2.模板的分离编译
下面的代码分离编译时会报错，大家可以思考一下原因。
代码如下（示例）：
// a.h - 头文件名
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp - 源文件名
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
// main.cpp - 源文件名
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}
报错分析：
在两个.cpp文件完成相互独立的编译过程中， a.cpp文件中没有完成模板的实例化，因此不会生成具体的加法函数，导致在两个.obj文件链接之后，代码 Add(1, 2);无法找到解决方案，即a.cpp中没有加法函数可供main.cpp调用。对模板实例化有疑惑的朋友可以查看这篇文章：模板初阶
3.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。
——【分离编译拓展阅读】
四、模板优缺点总结
【优点】
- 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；
- 增强了代码的灵活性；
【缺陷】
- 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长；
- 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误；
结语
模板进阶的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！