从C语言到C++_21(模板进阶+array)+相关笔试题
目录
1. 非类型模板参数
1.1 array
1.2 非类型模板参数的使用场景
1.3 注意事项
2. 模板的特化
2.1 函数模板的特化
2.2 类模板的特化
2.3 全特化和偏特化(半特化)
3. 模板关于分离编译
4. 模板优缺点
5. 模板相关笔试题
本章完。
1. 非类型模板参数
对于函数模板和类模板，模板参数并不局限于类型，普通值也可以作为模板参数。
STL 的 array 就有一个非类型模板参数。
T 是类型，而 N 这里并不是类型，而是一个常量。
类型模板参数定义的是虚拟类型，注重的是你要传什么，而非类型模板参数定义的是常量。
1.1 array
array是一个固定大小的顺序容器（静态数组），是 C++11 新增的，它有什么独特的地方吗？
很可惜，基本没有，并且 vector 可以完全碾压 array，这就是为什么只在这里简单地讲讲 array。
看段代码：
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
vector v(100, 0);
array arr;
cout << "v : " << sizeof(v) << endl;
//这里sizeof算的是成员变量的大小，VS2022下vector应该有四个成员变量，32位平台每个指针是4个字节，因此16字节
cout << "arr : " << sizeof(arr) << endl;
return 0;
} vector 是开在空间大的堆上的而 array 是开在栈上的，堆可比栈的空间大太多太多了。
array 能做的操作几乎 vector 都能做，因为 vector 的存在 array 显得有些一无是处。
所以我们拿 array 去对标 vector 是不对的，拿去和原生数组比还是可以对比的。
但是 array 也只是封装过的原生数组罢了，就是有了接口函数，
比起原生数组，array 的最大优势也只是有一个越界的检查，读和写都可以检查到是否越界。
原生数组的读检查不到，写只能检查到后面几个数，
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
int a[10];
array arr; // array也不会初始化
int x = a[15]; // 没报错
a[10] = 2; // 报错
a[11] = 2; // 没报错
int y = arr[15]; // 报错
arr[10] = 2; // 报错
arr[11] = 2; // 报错
return 0;
} 在 C++11 增加完 array 后备受吐槽，从简化的角度来说完全可以不增加 array。
并且现在大多数人都习惯了用原生数组，基本没人用array。
1.2 非类型模板参数的使用场景
假设我们要定义一个静态栈：
#define N 100
template
class Stack
{
private:
int _arr[N];
int _top;
}; 如果定义两个容量不一样的栈，一个容量是100 另一个是 500，能做到吗？
这就像 typedef 做不到一个存 int 一个存 double，而使用模板可以做到 st1 存 int，st2 存 double。
这里你的 #define 无论是改 100 还是改 500 都没办法解决这里的问题，
对应的，这里使用非类型模板参数就可以做到 s1 存 100，s2 存 500。
#include
using namespace std;
template
class Stack
{
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main()
{
Stack st1; // 大小是100
Stack st2; // 大小是500
return 0;
} 在模板这定义一个常量 N，派遣它去做数组的大小。
于是我们就可以在实例化 Stack 的时候指定其实例化对象的大小了，分别传 100 和 500。
1.3 注意事项
注意事项 ①：非类型模板参数是是常量，是不能修改的。
#include
using namespace std;
template
class Stack
{
public:
void modify()
{
N = 10; // 错误 C2106 “ = ”: 左操作数必须为左值
}
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main()
{
Stack st1;
st1.modify();
return 0;
} 注意事项 ②：有些类型是不能作为非类型模板参数的，比如浮点数、类对象以及字符串。
非类型模板参数基本上都是整型家族，char也是整形家族，也只有整型家族是有意义和价值的。
#include
using namespace std;
template // 错误 C2058 常量表达式不是整型
class Stack
{
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main()
{
Stack st1;
return 0;
} 注意事项 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常量。
#include
using namespace std;
template // 错误 C2058 常量表达式不是整型
class Stack
{
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main()
{
size_t N;
cin >> N;
Stack st1; // 错误 C2971 “Stack” : 模板参数“N”:“N”: 包含非静态存储持续时间的变量不能用作非类型参数
return 0;
} 2. 模板的特化
通常情况下，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，可能我们就要对其进行一些 "特殊化的处理" 。
举例：如果不对特殊类型进行特殊处理就可能会出现一些问题，比如：
#include
using namespace std;
class Date // 简化的日期类
{
public:
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
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;
}
else
{
return false;
}
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
template // 函数模板 -- 参数匹配
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(2023, 1, 1);
Date d2(2023, 1, 2);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p2 = &d2;
Date* p1 = &d1;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
return 0;
} 
这里我们想比较的是指针指向的内容，而不是指针本身，怎么解决？
2.1 函数模板的特化
首先，必须要先有一个基础的函数模板。
其次，关键字 template 后面接上一对空的 <> 尖括号。
然后，函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的内容。
最后，函数形参表必须要和模板函数的基础参数类型完全相同。
template // 函数模板 -- 参数匹配
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
template<> // 针对某些类型要特殊化处理 ———— 使用模板的特化解决
bool Less(Date* left, Date* right) {
return *left < *right;
} 代码演示：
#include
using namespace std;
class Date // 简化的日期类
{
public:
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
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;
}
else
{
return false;
}
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
template // 函数模板 -- 参数匹配
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
template<> // 针对某些类型要特殊化处理 ———— 使用模板的特化解决
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(2023, 1, 1);
Date d2(2023, 1, 2);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p2 = &d2;
Date* p1 = &d1;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果正确
return 0;
} 
解读：对于普通类型，它还是会调正常的模板。对于 Date* 编译器就会发现这里有个
专门为 Date* 而准备的特化版本，编译器会优先选择该特化版本。这就是函数模板的特化。
思考：现在我们加一个普通Less函数的函数重载，Date* 会走哪个版本？
bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}答案：函数重载，会走直接匹配的普通函数版本，因为是现成的，不用实例化。
你可以这么理解：原模板是生肉，模板特化是半生不熟的肉，直接匹配的普通函数是熟肉。
所以：函数模板不一定非要特化，因为在参数里面就可以处理，
写一个匹配参数的普通函数也更容易理解。
2.2 类模板的特化
刚才函数模板不一定非要特化，因为可以写一个具体实现的函数。
但是类模板我们没法实现一个具体的实际类型，就必须要特化了。
我们前面实现的仿函数（类模板）也有这样的问题：
#include
using namespace std;
class Date // 简化的日期类
{
public:
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
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;
}
else
{
return false;
}
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
template // 函数模板 -- 参数匹配
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
template<> // 针对某些类型要特殊化处理 ———— 使用模板的特化解决
bool Less(Date* left, Date* right) {
return *left < *right;
}
类模板
template
struct Less2
{
bool operator()(const T& x1, const T& x2) const
{
return x1 < x2;
}
};
int main()
{
Less2 LessFunc1;
Date d1(2023, 1, 1);
Date d2(2023, 1, 2);
cout << LessFunc1(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Less2 LessFunc2;
Date* p2 = &d2;
Date* p1 = &d1;
cout << LessFunc2(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
return 0;
} 
加上类模板的特化：
#include
using namespace std;
class Date // 简化的日期类
{
public:
Date(int year, int month, int day)
:_year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
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;
}
else
{
return false;
}
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
template // 函数模板 -- 参数匹配
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
template<> // 针对某些类型要特殊化处理 ———— 使用模板的特化解决
bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}
类模板
template
struct Less2
{
bool operator()(const T& x1, const T& x2) const
{
return x1 < x2;
}
};
template<>// 类模板特化
struct Less2
{
bool operator()(const Date* x1, const Date* x2) const
{
return *x1 < *x2;
}
};
int main()
{
Less2 LessFunc1;
Date d1(2023, 1, 1);
Date d2(2023, 1, 2);
cout << LessFunc1(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Less2 LessFunc2;
Date* p2 = &d2;
Date* p1 = &d1;
cout << LessFunc2(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误，加上类模板特化后结果正确
return 0;
} 
2.3 全特化和偏特化(半特化)
全特化和偏特化的概念和缺省值很像，前面我们写的都叫作模板的全特化。
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。
偏特化（又称半特化）：将部分参数类表中的一部分参数特化。
（半特化并不是特化一半，就像半缺省并不是缺省一半一样）
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
} 放一段代码体会偏特化的花哨玩法：
#include
using namespace std;
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 全特化
template<>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
/*int _d1;
char _d2;*/
};
// 偏特化
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
/*T1 _d1;
int _d2;*/
};
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
};
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
};
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
};
int main()
{
Data d0;
Data d1;
Data d2;
Data d3;
Data d4;
Data d5;
Data d6;
Data d7;
Data d8;
Data d9;
return 0;
} 
这就对应说过的类型匹配原则，有更匹配的就去调用它，没有就逐层递减去匹配。
3. 模板关于分离编译
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。
如上图所示，在template.cpp源文件中定义了Sub函数，并在template.h头文件中进行了声明。
但是在编译过程中，编译器是对各个源文件进行单独编译的，template.cpp源文件进行编译的过程中，没有检测到Sub函数模板的实例化，所以不会生成对应的代码，在main.cpp源文件中进行调用，链接阶段便会出错。如图：
理解两个概念：
- 导出符号表：编译完成后该源文件中地址（函数定义的位置）已经确定的函数
- 未解决符号表：源文件中地址还没有确定的函数
这里main.cpp源文件编译完成后，没有找到Sub函数的定义，但是由于头文件中进行了声明，在预处理阶段头文件中的声明会拷贝到源文件中，所以并不会立即报错，而是将Sub函数放在未解决符号表中，链接阶段，在template.cpp文件的导出符号表中找Sub函数的入口地址，而如果Sub函数没有生成则会报错。
4. 模板优缺点
【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。
5. 模板相关笔试题
1. 下列的模板声明中，其中几个是正确的（ ）
1)template
2)template
3)template
4)template
5)template
6)template
7)template
8)
9)template
10)template
11)template
A.3
B.4
C.5
D.6
2. 以下程序运行结果正确的是( )
template
Type Max(const Type &a, const Type &b)
{
cout<<"This is Max return a > b ? a : b; } template<> int Max { cout<<"This is Max return a > b ? a : b; } template<> char Max { cout<<"This is Max return a > b ? a : b; } int Max(const int &a, const int &b) { cout<<"This is Max"< return a > b ? a : b; } int main() { Max(10,20); Max(12.34,23.45); Max('A','B'); Max return 0; } A.This is Max This is Max B.This is Max C.This is Max This is Max D.This is Max This is Max 3. 关于模板的编译说法错误的是( ) A.模板在.h文件中声明，在.cpp里面实现 B.模板程序一般直接在一个文件里面进行定义与实现 C.不久的将来，编译器有望支持export关键字，实现模板分离编译 D.模板不能分离编译，是因为模板程序在编译过程中需要经过两次编译 4. 以下程序运行结果正确的是( ) template class Data { public: Data() { cout << "Data private: T1 _d1; T2 _d2; }; template class Data { public: Data() { cout << "Data private: T1 _d1; int _d2; }; template class Data { public: Data() { cout << "Data private: T1 _d1; T2 _d2; }; template class Data { public: Data(const T1& d1, const T2& d2) : _d1(d1) , _d2(d2) { cout << "Data } private: const T1 & _d1; const T2 & _d2; }; int main() { Data Data Data Data return 0; } A.Data B.Data C.Data D.Data 答案： 1. D 分析:正确的定义为：4 6 7 9 10 11，一共6个 2. A 分析:Max(10,20); //能够直接匹配int参数，调动非模板函数 Max(12.34,23.45); //double类型参数没有最佳匹配函数，此时只能调动模板函数 Max('A','B'); //能够直接匹配char参数,调动非模板函数 Max 3. A A.模板不支持分离编译，所以不能在.h声明，在.cpp实现 B.由于不支持分离编译，模板程序一般只能放在一个文件里实现 C.不支持分离编译并不是语法错误，而是暂时的编译器不支持，不久将来，或许会被支持 D.模板程序被编译两次，这是不能分离编译的原因所在 4. C 分析:Data Data Data Data 下一部分：C++中的继承，讲完继承讲多态。本章完。