C++初阶—模板进阶

 

目录

1. 非类型模板参数及容器arrary

2. 模板的特化

2.1 概念

2.2 函数模板特化

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

2.3.2 偏特化

2.3.3 类模板特化应用示例

3. 模板分离编译

3.1 什么是分离编译

3.2 模板的分离编译

 3.3 解决方法

4. 模板总结

---

1. 非类型模板参数及容器arrary

模板参数分类 ：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。

//#define N 100
//非类型模板参数,不是类型，是常量
//模板参数可以给缺省值，和函数参数相似
//模板参数只能用于整形,浮点及自定义类型都不可以
// 定义一个模板类型的静态数组
template
class array
{
public:
	T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
	const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

	size_t size()const { return _size; }
	bool empty()const { return 0 == _size; }

private:
	T _array[N];
	size_t _size;
};

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。

c++11新增加了arrary容器，即采用非类型模板参数，通过传递常量，使用数组，底层是对数组的封装！！！

int main1() {
	//非类型模板参数只能传递常量
	std::array a1;// 100
	std::array a2;// 1000
	int a3[10];

	std::cout << sizeof(a1) << std::endl;
	std::cout << sizeof(a2) << std::endl;

	//普通数组越界不一定被查到
	//arrary只要越界就会检查到
	
	//指针解引用--检查是否越界，只针对越界写，越界读不检查
	//a3[15] = 100;

	//主要是函数调用operator[]，只要越界，就会检查出来
	a1[15] = 0;
	return 0;
}

普通数组越界不一定会被检查到，而arrary越界就会直接被检查出来

2. 模板的特化

2.1 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：实现了一个专门用来进行大于小于比较的函数模板、或者使用模板传递指针的函数模板

struct Date {
	Date(int year, int month, int day)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	bool operator>(const Date& d) const;
	bool operator<(const Date& d) const {
		if ((_year < d._year) || (_year == d._year && _month < d._month) || \
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day)) {
			return true;
		}
		return false;
	}
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

//模板特化
//1、函数模板特化 -- 参数匹配

template
bool Greater(const T left, const T right) {
	return left > right;
}

int main() {
	std::cout << Greater(1, 2) << std::endl;

	Date d1(2023, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	std::cout << Greater(d1, d2) << std::endl;

	//需要特化，针对某些类型进行特殊化处理
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	std::cout << Greater(p1, p2) << std::endl;

	Thb::greater lessFunc1;
	std::cout << lessFunc1(d1, d2) << std::endl;

	Thb::greater lessFunc2;
	std::cout << lessFunc2(p1, p2) << std::endl;
	return 0;
}

可以看到，Greater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显然大于p2指向的d2对象，但是Greater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。

2.2 函数模板特化

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。

//模板特化
//1、函数模板特化 -- 参数匹配

template
bool Greater(const T left, const T right) {
	return left > right;
}

template<>
bool Greater(Date* left, Date* right) {
	return *left > *right;
}


int main() {
	std::cout << Greater(1, 2) << std::endl;

	Date d1(2023, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	std::cout << Greater(d1, d2) << std::endl;

	//需要特化，针对某些类型进行特殊化处理
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	std::cout << Greater(p1, p2) << std::endl;

	Thb::greater lessFunc1;
	std::cout << lessFunc1(d1, d2) << std::endl;

	Thb::greater lessFunc2;
	std::cout << lessFunc2(p1, p2) << std::endl;
	return 0;
}

会针对模板参数优先匹配，调用特化之后的版本，而不走模板生成了！！！类似函数重载针对类型优先匹配的原则一样！！！

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实现出来。

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。

2.3 类模板特化

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。

template
class Data
{
public:
	Data() { std::cout << "Data" << std::endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

template<>
class Data
{
public:
	Data() { std::cout << "Data" << std::endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data d1;
	Data d2;
}

调用原则，优先调用最匹配的模板参数！！！

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 Data
{
public:
	Data() { std::cout << "Data" << std::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 Data
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

        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 
class Data 
{
public:
	Data() { cout << "Data" << endl; }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template 
class Data 
{
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 d1; // 调用特化的int版本
	Data d2; // 调用基础的模板 
	Data d3; // 调用特化的指针版本
	Data d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

由上可知，对于模板参数，可以特化为指针，也可以特化为引用

2.3.3 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
#include 
template
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 6);
	Date d3(2022, 7, 8);
	vector 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());
	vector 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());
	return 0;
}

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
{
 bool operator()(Date* x, Date* y) const
 {
 return *x < *y;
 }
};

当需要特定的模板特化时，可以与库中的所实现的仿函数类，实现类模板特化！！！

//针对指针的优先级队列需要进行特化处理
namespace std{
	template<>
	class less {
	public:
		bool operator()(const Date* left, const Date* right) const {
			return *left < *right;
		}
	};
}

int main() {

	//此时结果是按地址比较的，需要特殊化处理，使其按照数据比较
	std::priority_queue, std::less> dq1;
	std::priority_queue, std::less> dq2;
	dq2.push(new Date(2022, 9, 29));
	dq2.push(new Date(2022, 9, 27));
	dq2.push(new Date(2022, 9, 25));
	dq2.push(new Date(2022, 9, 30));
	dq2.push(new Date(2022, 10, 31));
	std::cout << (dq2.top())->_day << std::endl;

	return 0;
}

3. 模板分离编译

3.1 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。

3.2 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：

// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);


//a.cpp
template
T Add(const T& left, const T& right) {
	return left + right;
}


//main.cpp
#include"a.h"

int main() {
	std::cout << Add(1, 2) << std::endl;
	return 0;
}

分析：

 3.3 解决方法

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。推荐使用这种。
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。
3. 分离定义时，如果使用域中类型，需要加typename以确定其时类型还是变量（否则编译器无法区分其有可能时类静态成员变量）

 

4. 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