《模板的进阶》

本文主要介绍C++模板知识，包括模板的参数类型，模板的特化，模板的分离编译

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思维导图

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一、非类型模板参数

模板参数分为：

• 类型形参
• 非类型形参
  我们现在想要实现一个静态的栈，我们之前可以控制它存储数据的类型，但是现在我们想要控制它的大小，我们就可以用非类型模板参数。直接传入我们想要的存储大小的栈即可。

//#define N 100
// 想要实现一个静态的栈
// 用非类型模板参数(是一个常量)替代宏
template<class T,size_t N=10>
class myStack
{
public:
	void push(const T& x);
private:
	T _a[N];
	size_t _top;
};
int main()
{
	myStack<int,100> st1;//大小为100的栈
	myStack<int,200> st2;//大小为200的栈
	return 0;
}

• 类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename关键字之后的参数类型名称
• 非类型形参：用整型常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可以将该参数当做常量来使用
  注意：浮点数、类对象、字符串是不允许作为非类模板参数的
  非类模板参数必须在编译期间就能确认结果
  非类型模板参数是一个整型常量

二、模板的特化

2.1模板特化的概念

模板特化：不同于模板实例化，模板在某种特定情况下的具体实现
函数模板——可以理解为参数匹配
通常，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但是对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果：

class Date
{
public:
	Date(int year,int month,int day)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}
	bool operator<(const Date& d)
	{
		return (_year < d._year
			|| (_year == d._year && _month < d._month)
			|| (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);	
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
template<class T>
bool ObjLess(const T& left, const T& right) 
{
	return left < right;
}
int main()
{
	cout << ObjLess(1, 2) << endl;

	Date* p1 = new Date(2022, 1, 1);
	Date* p2 = new Date(2022, 2, 1);
	cout << ObjLess(p1, p2) << endl;
	return 0;
}

p1和p2交换一下声明顺序，得出来的结果可能不一样，这是因为new的原因，new是去堆上随机申请一块空闲的空间，我们传值初始化时，T被实例化为Date*类型，比较的就是两个指针的大小，所以出问题了。

解决：
函数模板——参数匹配
我们手动写一个最匹配的函数参数的版本

// 函数模板——参数匹配
template<class T>
bool ObjLess(const T& left, const T& right) 
{
	return left < right;
}

bool ObjLess(Date*& left,  Date*& right)
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << ObjLess(1, 2) << endl;  //->匹配第一个模板
	Date* p1 = new Date(2022, 1, 1);
	Date* p2 = new Date(2022, 2, 1);
	cout << ObjLess(p1, p2) << endl;//->匹配第二个显示实例化类型
	return 0;
}

2.2函数模板特化

函数模板特化步骤：

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。

我们这里需要特化一下，即对于特殊的类型进行处理一下：
写法一：显示实例化(常用)

template<class T>
bool ObjLess(const T& left, const T& right) 
{
	return left < right;
}

写法二：特化(专用化)-不常用

template<>// 空的尖括号
bool ObjLess<Date*&>( Date*& left,  Date*& right)
{
	return *left < *right;
}

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，函数模板中，这种特化很鸡肋。

2.3类模板的特化

特化顾名思义就是特殊化，比如需要针对某些类型特殊化处理

特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的类模板
2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>
3. 类名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型

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

//普通模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//全特化模板
template<>
class Data<int, char> //注意这里给出了类型
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void Test()
{
	Data<int, int> d1;//调用第一个普通模板
	Data<int, char> d2;//调用第二个全特化模板
}

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 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：
第一种：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;
};

第二种：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 T1, class 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 <class T1, class 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 test2 () 
{
 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
}

2.4非类型模板参数也是可以特化的

template<size_t N>
class A
{
public:
	A() { cout << "A" << endl; }
};
template<>
class A<10>
{
public:
	A() { cout << "A<10>" << endl; }
};
void test()
{
	A<20> aa1;
	A<10> aa2;
}

三、模板的分离编译

3.1分离编译的概念

.h：函数声明和结构定义
.cpp：函数定义
平时的项目中，应该做到声明和定义分离，不然难以维护项目
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。
模板是不支持分离编译

3.2模板的分离编译

// func.h
#include
using namespace std;

void func1(int x);

template<class T>
void func2(const T& x);
/
// func.cpp
#include"func.h"
void func1(int x)
{
	cout << "void func1(x)" << endl;
}

template<class T >
void func2(const T& x)
{
	cout << "void func2(const T& x)" << endl;
}
//
// test.cpp
#include"func.h"
int main()
{
	func1(10);
	func2(20);
	return 0;
}

这是什么原因呢？
func.h func.cpp test.cpp

1. 预处理——头文件展开/条件编译/宏替换/去掉注释…
   生成：vector.i test.i
2. 编译——检查语法问题，没有问题，就生成汇编代码
   生成：vector.s test.s
3. 汇编——把汇编代码转成二进制机器码
   生成：vector.o test.o
4. 链接——把所有的.o文件链接起来形成obj文件
   原因就是：模板T不知道具体类型，在编译时不处理，没有实例化，没有生成汇编代码，而正常的函数是可以找到汇编地址，并在链接时调用.

3.3解决办法

1. 将声明和定义放到一个文件 xxx.hpp 或者xxx.h。推荐使用这种。

// func.h
#include
using namespace std;

void func1(int x);

// 声明
template<class T>
void func2(const T& x);
// 定义
template<class T >
void func2(const T& x)
{
	cout << "void func2(const T& x)" << endl;
}

那么使用它的地方，头文件展开以后，直接就有模板定义和实例化,那么直接就可以填上函数调用地址。不需要链接去找。
这样普通函数是链接时去其他文件找，而模板函数是编译时就确定了地址。
由于声明和定义放在一起，维护性就会变得较差。

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。

// 显示实例化
// func.cpp
#include"func.h"
void func1(int x)
{
	cout << "void func1(x)" << endl;
}
template<class T >
void func2(const T& x)
{
	cout << "void func2(const T& x)" << endl;
}
// 解决办法显示实例化
template
void func2<int>(const int& x);

总结模板

优点

• 模板复用了代码，节省资源，可以进行更快的迭代开发，C++STL因此而生成
• 增加了代码的灵活性

缺点

• 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，不容易定位错误