深蓝学院C++基础与深度解析笔记 第13章 模板

1. 函数模板

● 使用 template 关键字引入模板：

 template<typename T>              //声明：T模板形参
 void fun(T);                      // T 函数形参
             
 template<typename T>              //定义
 void fun(T) 
 {...}

– 函数模板不是函数
– typename 关键字可以替换为 class ，含义相同
– 函数模板中包含了两对参数：函数形参 / 实参；模板形参 / 实参

● 函数模板的显式实例化（生成函数）： fun(3)

– 实例化会使得编译器产生相应的函数（函数模板并非函数，不能调用）
– 编译期的两阶段处理
  ● 有限的模板语法检查
  ● 模板实例化
– 模板必须在实例化时可见，  翻译单元的一处定义原则 
– 注意与内联函数的异同：都是翻译单元的一处定义原则，模板是调用，内联是引入 

● 函数模板的重载
参数个数重载：

参数重载为指针：

● 模板实参的类型推导 :参考文献

– 如果函数模板在实例化时没有显式指定模板实参，那么系统会尝试进行推导
– 推导是基于函数实参（表达式）确定模板实参的过程，其基本原则与 auto 类型推导相似
   ● 函数形参是左值引用 / 指针：
        – 忽略表达式类型中的引用
        – 将表达式类型与函数形参模式匹配以确定模板实参
   ● 函数形参是万能引用
         int&& x = 3; 
         – 如果实参表达式是右值，确定值那么模板形参被推导为去掉引用的基本类型
        – 如果实参表达式是左值，那么模板形参被推导为左值引用，触发引用折叠
   ● 函数形参不包含引用
        – 忽略表达式类型中的引用
        – 忽略顶层 const
         – 数组、函数转换成相应的指针类型
   ● 第一个函数形参十分重要

● 模板实参并非总是能够推导得到

– 如果模板形参与函数形参无关，则无法推导
– 即使相关，也不一定能进行推导，推导成功也可能存在因歧义而无法使用

● 在无法推导时，编译器会选择使用缺省模板实参

– 可以为任意位置的模板形参指定缺省模板实参 注意与函数缺省实参的区别 
函数参数有默认值的时候，它的右边的参数一定要有默认值，
模板参数有默认值的时候，它的右边的参数不一定要有默认值，

● 显式指定部分模板实参

– 显式指定的模板实参必须从最左边开始，依次指定
– 模板形参的声明顺序会影响调用的灵活性

● 函数模板制动推导时会遇到的几种情况

– 函数形参无法匹配—— SFINAE （替换失败并非错误）
– 模板与非模板同时匹配，匹配等级相同，此时选择非模板的版本
– 多个模板同时匹配，此时采用偏序关系确定选择 最特殊 的版本

● 函数模板的实例化控制

– 显式实例化定义（只声明先不调用 ）： template void fun<int>(int) / template void fun(int)
– 显式实例化声明： extern template void fun<int>(int) / extern template void fun(int)
– 注意一处定义原则
– 注意实例化过程中的模板形参推导，按代码出现顺序

● 函数模板的 ( 完全 ) 特化： 注意尖括号
template<> void f(int) / template<> void f(int)
本质是一个实例

– 并不引入新的（同名）名称，只是为某个模板针对特定模板实参提供优化算法，
– 注意与重载的区别
– 注意特化过程中的模板形参推导

● 避免使用函数模板的特化： 视频参考资料

– 不参与重载解析，会产生反直觉的效果
– 通常可以用重载代替
– 一些不便于重载的情况：无法建立模板形参与函数形参的关联，可以 
    ● 使用 if constexpr 解决
    ● 引入假函数形参 “ ”
    ● 通过类模板特化解决

●(C++20) 函数模板的简化形式：使用 auto 定义模板参数类型

– 优势：书写简捷
– 劣势：在函数内部需要间接获取参数类型信息

2. 类模板与成员函数模板

● 使用 template 关键字引入模板： template class B {…};

– 类模板的声明与定义 翻译单元的一处定义原则 ——
– 成员函数只有在调用时才会被实例化，节省空间
– 类内类模板名称的简写
– 类模板成员函数的定义（类内、类外）
  ● 模板类内可以有模板函数

● 成员函数模板

– 类的成员函数模板
– 类模板的成员函数模板

● 友元函数（模板）

– 可以声明一个函数模板为某个类（模板）的友元
– C++11 支持声明模板参数为友元，but 用途不大

● 类模板的实例化： 更多内容

– 与函数实例化很像
– 可以实例化整个类，或者类中的某个成员函数

● 类模板的（完全）特化 / 部分特化（偏特化）

– 特化版本与基础版本可以拥有完全不同的实现

● 类模板的实参推导（从 C++17 开始）

– 基于构造函数的实参推导
– 用户自定义的推导指引
– 注意：引入实参推导并不意味着降低了类型限制！
– C++ 17 之前的解决方案：引入辅助模板函数

3. Concepts

● 模板的问题：没有对模板参数引入相应的限制

– 参数是否可以正常工作，通常需要阅读代码进行理解
– 编译报错友好性较差 (vector<int&>)

● （ C++20 ） Concepts ：编译期谓词，基于给定的输入，返回 true 或 false进行限制

– 与 constraints （ require 从句）一起使用限制模板参数
– 通常置于表示模板形参的尖括号后面进行限制

● Concept 的定义与使用
– 包含一个模板参数的 Concept:

  ● 使用 requires 从句
  ● 直接替换 typename

– 包含多个模板参数的 Concept:

  ● 用做类型 constraint 时，少传递一个参数，推导出的类型将作为首个参数

● requires 表达式

– 简单表达式：表明可以接收的操作
– 类型表达式：表明是一个有效的类型：typename
– 复合表达式：表明操作的有效性，以及操作返回类型的特性
– 嵌套表达式：包含其它的限定表达式，也可以包含requires嵌套

● 注意区分 requires 从句与 requires 表达式

●requires 从句会影响重载解析与特化版本的选取

– 只有 requires 从句有效而且返回为 true 时相应的模板才会被考虑
– requires 从句所引入的限定具有偏序特性，系统会选择限制最严格的版本

● 特化小技巧：在声明中引入“ A||B” 进行限制，之后分别针对 A 与 B 引入特化

4. 模板相关内容

数值模板参数与模板模板参数
● 模板可以接收（编译期常量）数值作为模板参数

– template <int a> class Str; //数值要有一个类型
– template <typename T, T value> class Str;
– (C++ 17) template <auto value> class Str;
– (C++ 20) 接收字面值类对象与浮点数作为模板参数
   ● 目前 clang 12 不支持接收浮点数作为模板参数

● 接收模板作为模板参数

– template <template<typename T> class C> class Str;
– (C++17) template <template<typename T> typename C> class Str;
–  C++17 开始，模板的模板实参考虑缺省模板实参（clang 12 支持程度有限）

● Str 是否支持？

别名模板与变长模板
● 可以使用 using 引入别名模板

– 为模板本身引入别名
– 为类模板的成员引入别名
– 别名模板不支持特化，但可以基于类模板的特化引入别名，以实现类似特化的功能
  ● 注意与实参推导的关系，要求确定能推导出来才行

● 变长模板（ Variadic Template ）

– 变长模板参数与参数包
– 变长模板参数可以是数值、类型或模板
– sizeof...  操作
– 注意变长模板参数的位置

包展开与折叠表达式

●(C++11) 通过包展开技术操作变长模板参数

– 包展开语句可以很复杂，需要明确是哪一部分展开，在哪里展开

●(C++17) 折叠表达式 (cpp reference)

– 基于逗号的折叠表达式应用
– 折叠表达式用于表达式求值，无法处理输入（输出）是类型与模板的情形

完美转发与 lambda 表达式模板
● (C++11) 完美转发： std::forward 函数
– 通常与万能引用结合使用
– 同时处理传入参数是左值或右值的情形
●(C++20) lambda表达式模板

歧义与变量模板
● 使用 typename 与 template 消除歧义

– 使用 typename 表示一个依赖名称是类型而非静态数据成员
– 使用 template 表示一个依赖名称是模板
– template 与成员函数模板调用

●(C++14) 变量模板
– template T pi = (T)3.1415926;
– 其它形式的变量模板