【C++】模板进阶--非类型模板参数&&模板特化及分离编译
文章目录
- 一、非类型模板参数
- 二、模板的特化
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- 1.模板特化的概念
- 2.函数模板的特化
- 3.类模板的特化
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- 3.1 全特化
- 3.2 偏特化
- 4.类模板特化应用示例
- 三、模板的分离编译
- 四、模板总结
一、非类型模板参数
模板参数分为类型形参与非类型形参，其中，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
我们以定义一个静态的数组为例，在没有非类型模板参数的时候，我们只能采用如下的方式来定义一个静态的数组：
#define N 10
template<class T>
class arr
{
public:
// ...
private:
T _a[N];
};
void test()
{
arr<int> arr;
}
但是这样定义一个数组有一个极大的缺陷，那就是当我们同时需要使用不同大小的数组的时候，就无法实现，针对这个问题，C++设计出了非类型模板参数来解决这个问题，非类型模板参数和类型模板参数一样，也是通过传递不同的非类型模板参数来定义不同的类，代码如下：
template<class T,size_t N>
class arr
{
public:
// ...
private:
T _a[N];
};
void test()
{
arr<int, 10> arr1;
arr<int, 100> arr2;
}
【注意】
1.非类型模板参数可以给缺省值
2.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，非类型模板参数只能是整形
3.非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果，即非类型模板参数的实参只能是一个常量
二、模板的特化
1.模板特化的概念
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
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;
}
我们可以看到，Less在绝大多数的情况下都可以进行正常的比较，但是在特定的场景下就可能得到错误的结果，比如在上诉案例中p1指向的d1明显小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向对象的内容，而比较的是p1和p2的地址，从而使得得到的不是我们预期的结果
为了解决上面的问题，我们就需要对模板进行特化，即在原模板类的基础上，针对特殊类型进行特殊化处理，模板特化中分为函数模板特化和类模板特化
2.函数模板的特化
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<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;
}
我们可能会说，我们为什么不直接重载一个Date*的函数呢，而是大费周章采用模板特化呢，确实是这样的，因为函数支持多个重载函数，所以注意：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;
}
函数重载实现简单明了，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.类模板的特化
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 T1, class T2>
class Data
{
public:
Data()
{
cout << "Data" << endl;
}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data()
{
cout << "Data" << endl;
}
private:
int _d1;
char _d2;
};
void TestVector()
{
Data<int, int> d1;
Data<int, char> d2;
}
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 T1, class T2>
class Data
{
public:
Data()
{
cout<<"Data" <<endl;
}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
偏特化有以下两种表现方式：
1.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;
};
void TestVector()
{
// 第二个参数与模板特化中的特化参数相同，优先使用特化模板进行实例化
Data<int, int> d1;
// 使用普通模板实例化
Data<int, char> d2;
}
我们可以看到，我们将模板的部分参数显示指定为某种具体的类型，这样模板参数进行匹配的时候会优先匹配
2.参数更进一步的限制
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;
};
void test()
{
Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
Data<int, double> d2; // 调用基础的模板
Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}
从上面的结果，我们可以看到，通过偏特化对模板参数进行进一步限制，比如将模板参数定义为
4.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
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<Date*>
{
bool operator()(Date* x, Date* y) const
{
return *x < *y;
}
};
三、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
我们以stack为例：
stack.h
#pragma once
#includestack.cpp
#include "Stack.h"
template<class T>
Stack<T>::Stack(int capacity)
{
cout << "Stack(int capacity = )" << capacity << endl;
_a = (T*)malloc(sizeof(T)*capacity);
if (_a == nullptr)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
_top = 0;
_capacity = capacity;
}
template<class T>
Stack<T>::~Stack()
{
cout << "~Stack()" << endl;
free(_a);
_a = nullptr;
_top = _capacity = 0;
}
template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)
{
// ....
//
_a[_top++] = x;
}
test.cpp
#include "stack.h"
int main()
{
Stack<int> st;
st.Push(1);
st.Push(2);
st.Push(3);
return 0;
当我们运行的时候发现出现了链接性错误；造成这种的原因如下：
我们知道，一个.c/.cpp程序变成.exe可执行程序一共需要经历四个步骤，分别是预处理，编译，汇编和链接，在这个过程中，他们所执行的工作为：
预处理：注释的删除，#define定义的符号，宏的替换以及删除，各种条件编译的处理，头文件的展开
编译：进行词法分析，语法分析，语义分析和符号汇总
汇编：生成符号表
链接：合并段表，符号表的合并和重定位
此外，预处理，编译，汇编这几个阶段每个源(.c文件)文件都是独立进行的，只有在链接的时候才会将这几个目标文件合并到一起形成可执行程序
综上所诉，我们可知程序报错的原因如下：
1.预处理时，stack.h头文件分别在stack.c和test.c源文件展开
2.经过编译，stack.cpp和test.cpp分别转变成汇编代码
3.经过汇编，stack.cpp里面有stack,push函数的声明，但是没有他们的定义，所以test.cpp在生成符号表的时候会给这些函数一个无效的地址，此外，由于stack.cpp里面没有对函数模板实例化的代码，即没有stack,也就没有生成具体的代码，即没有stack的定义，所以stack.cpp的符号表里函数对应的地址是一个无效的地址
4.在链接时，需要将test.cpp和stack.cpp符号表的内容进行合并与重定位，但由于他们符号表中都是无效的地址，所以会发生链接错误
我们了解程序报错的原因之后，想到的第一个解决方案应该是在stack.cpp中对模板进行实例化
// 在stack.cpp中增加对stack的显式实例化
template class Stack<int>;
这样的做法确实能够解决这个问题，但是当我们定义一个存放double类型的栈的时候，此时，我们又需要在stack.cpp中对stack再进行实例化一次，如果我们再定义不同的对象，就需要不断的进行显式实例化，也就是说，在同一份代码中我们只能定义同一类类型的对象，那么这样就十分麻烦，也失去了模板的初衷了，所以模板不支持分离编译，我们一般采用如下的方法解决：
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
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
【分离编译扩展阅读】为什么C++编译器不能支持对模板的分离式编译
但是声明解决的两种方式有一个问题，就是将函数的声明和定义放在同一个文件中，我们就将类提供给别人使用时，也将底层实现也暴露了给别人
四、模板总结
模板优点
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
模板缺点
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