【C++】模板进阶：非类型模板参数&模板的特化&模板分离编译

在之前的博客中我们初次接触到了泛型编程和模板的概念 【C++】模板初阶，当时只讲了一些基本的用法，现在做一些补充

1. 非类型模板参数

模板参数分为类型形参和非类型形参

类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之后的参数类型的名称

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作常量来使用。

注意：1. 这个常量的类型只能是整形家族，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. 非类型模板参数必须要在编译节点就能确认结果

举个例子：

假设我们现在定义一个模板类型的静态数组

//按照C语言的方法，需要#define一个容量
#define N 10;
template<class T>
class Array
{
public:
	//...
private:
	T _a[N];
};
//但是在C++中，就可以使用非类型模板参数
template<class T, size_t N = 10>//这里也可以像函数参数一样给缺省值
class Array
{
public:
	//...
private:
	T _a[N];
};

补充：array

在C++11中，新增了一个容器：array

这个容器在底层和静态数组没有差别，是一个存在栈上的固定大小的顺序容器。array使用文档。

这是array的一些接口，由于是静态数组，所以不支持push_back等操作。

那为什么会有array这个类的出现呢？在array出现之前，数组不是用的也挺好？这是因为C语言对于数组越界的处理是抽查，不是很严格，实现array用来代替掉C语言的静态数组，增强对数组越界的检查等操作。除此之外，把静态数组也用容器封装起来，体现了C++的封装性，提高整个程序的可读性、抽象性、兼容性。

2. 模板的特化

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小于比较的函数模板

void Test()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2023, 4, 30);
	Date d2(2023, 5, 1);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = new Date(2023, 4, 30);
	Date* p2 = new Date(2023, 5, 1);
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	cout << p1 << endl;
	cout << p2 << endl;
}

可以看到，在大多数情况下，Less都能正常运转，但是在某些特殊的场景下，由于比较的逻辑有些许不同，所以最终没办法给出正确答案，此时，我们想对这种特殊情况进行特殊处理，就要对模板进行特化，即在原模版的基础上，针对特殊类型进行特殊化的处理

模板特化分为函数模板特化和类模板特化

2. 函数模板特化

函数模板特化的步骤

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面跟一对空的尖括号<>
3. 函数名后面跟一对尖括号，尖括号里面指定需要特化的类型
4. 函数形参表必须要和函数模板的基础参数类型完全相同，否则会报一堆奇怪的错误

针对上述的示例，我们可以进行以下的模板特化

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	cout << "Less(T left, T right)" << endl;//这里为了方便观察，我们对函数调用进行一下标识
	return left < right;
}
//对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	cout << "Less(Date* left, Date* right)" << endl;
	return *left < *right;
}

但是，对于这种情况，我们可以直接使用函数重载的方式来解决，重载一个或者多个形参即可。所以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 (函数重载)。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	cout << "Less(T left, T right)" << endl;
	return left < right;
}
//函数重载
bool Less(Date* left, Date* right)
{
	cout << "Less(Date* left, Date* right)" << endl;
	return *left < *right;
}

如上，使用函数重载的方式反而更加清晰简明，所以一般来说使用到函数模板特化的情况很少，对于普通情况，不建议使用函数模板特化。

3.类模板特化

类模板特化与函数模板特化类似

1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面跟一对空的尖括号<>
3. 函数名后面跟一对尖括号，尖括号里面指定需要特化的类型

类模板特化分为全特化和偏特化。

1. 全特化

顾名思义，全特化就是将模板中的所有参数全部特化处理

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data" << endl;
	}
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data" << endl;
	}
};
void Test2()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}

2. 偏特化

偏特化：任何针对类模板参数进行进一步限制的特化版本。偏特化的表现形式有一下两种

• 部分特化：将类模板参数表中的部分参数特化
• 参数进一步限制：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

//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;
	}
};
//参数限制：将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;
	}
};
//参数限制：将两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data" << endl;
	}
};
void Test3()
{
	Data<int, double> d1;//调用基础的类模板
	Data<double, int> d2;//调用特化int版本
	Data<int*, int*> d3;//调用特化的指针版本
	Data<double&, int&> d4;//调用特化的引用版本
}

特化的本质是在体现编译器参数的匹配原则：有现成的就使用现成的，否则使用半成品，只有二者都没有时，才会去实例化模板

3. 模板分离编译

❓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. 为什么不使用分离编译？

✅在C语言中，我们非常推崇分离编译，但是如果阅读了博主之前的博客就会发现，自从开始模拟实现STL，使用了模板之后，就没有采用分离编译的方式了。这是为什么呢？因为模板不支持分离编译

我们看下面这个场景

// a.h
template<class T>
T Add(const T & left, const T & right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T & left, const T & right)
{
	return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

❓3. 解决方案

• 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。
• 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

4. 模板总结

模板这个东西的出现，极大程度的减少了了我们的编程工作繁杂度，但是也有一些缺点的出现

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