【C++模板特化的奥秘：个性化定制函数与类，掌握代码实现的无限可能】
【本节目标】
1. 非类型模板参数
2. 类模板的特化
3. 模板的分离编译
1. 非类型模板参数
我们首先来看一下我们之前C语言实现的静态栈的写法。
#include
using namespace std;
#define N 10
template
class Stack
{
private:
T _a[N];
int _top;
};
int main()
{
Stack st1; //期望存储10个数据
Stack st2; //期望存储20个数据
return 0;
} 可是未来在某一天，再同一个程序里面，我们希望Stack
- 模板参数分类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。
#include
using namespace std;
// 非类型模板参数,只能是整型常量
template
class Stack
{
public:
void func()
{
++N;//error:error C2105: “++”需要左值 - 常量
}
private:
T _a[N];
int _top;
int _capacity;
};
int main()
{
Stack st1; //期望存储10个数据
Stack st2; //期望存储20个数据
st2.func();
return 0;
} 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。
库里面也也存在一个非类型模板参数的容器
int main()
{
array a1;
cout << sizeof(a1) << endl;
return 0;
} 运行结果：
上面的运行结果是40个字节，说明这个数组是定义在array这个容器内部的，我们也可以通过监视窗口来看一下。
我们可以发现此时确实有10个元素，但是没有初始化，那么array在这里有什么优势呢？
这里我们定义一个普通的数组，它也和array一样也是创建了10个元素，也都没有初始化。我想说的是array没有特别的含义，它就是具有定义一个常量大小数组的行为，仅此而已。但是它在越界处理上还是做的比较好的。
但是如果我们想要这个检查的话，我们可以使用vector。
vector不仅可以帮我们进行越界检查，同时还能帮我们进行元素初始化，这不比array更香嘛！！！
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小于比较的函数模板
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
bool operator<(const Date& d)const
{
return (_year < d._year) ||
(_year == d._year && _month < d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
}
bool operator>(const Date& d)const
{
return (_year > d._year) ||
(_year == d._year && _month > d._month) ||
(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
}
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right)
{
//如果是内置类型，直接比较
//如果是自定义类型，调用operator<
return left < right;
}
int main()
{
cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
Date* n1 = new Date(2022, 7, 8);
Date* n2 = new Date(2022, 7, 7);;
cout << Less(n1, n2) << endl; // 可以比较，结果错误
return 0;
} 运行结果：
为什么这里的结果呈现出不确定性呢？因为这里比较的不再是实例化对象之后的各个成员变量，而是比较的实例化对象的地址，而地址都是通过开辟出来，每次都会不同，所以结果不确定。
可以看到，Less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显然小于p2指向的d2对象，但是Less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。对于第三次的结果都是0，这是因为都是一个局部的指针变量，而局部变量存储在栈中的，先定义的变量的地址肯定小于后定义变量的地址，所以结果会一直是0。
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。
// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(T left, T right)
{
//如果是内置类型，直接比较
//如果是自定义类型，调用operator<
return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
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(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
Date* n1 = new Date(2022, 7, 7);
Date* n2 = new Date(2022, 7, 8);
cout << Less(n1, n2) << endl; // // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
return 0;
} 运行结果：
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，我们上面在函数模板没有加上const和引用，函数模板化必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果上面在函数模板加上const和引用，此时const优先修饰的是指向的内容，就会导致匹配不上的问题。
// 函数模板 -- 参数匹配
template
bool Less(const T& left, const T& right)
{
//如果是内置类型，直接比较
//如果是自定义类型，调用operator<
return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less(const Date*& left, const Date*& right)
{
return *left < *right;
}
int main()
{
cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
Date* n1 = new Date(2022, 7, 7);
Date* n2 = new Date(2022, 7, 8);;
cout << Less(n1, n2) << endl; // // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
return 0;
} 运行结果：
此时就没有匹配上，如果要强制匹配上，就要下面这样写。
但是为了实现简单通常都是将该函数直接给出。
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() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
template<>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
int _d1;
char _d2;
};
void TestVector()
{
Data d1;
Data d2;
}
int main()
{
TestVector();
} 运行结果：
然后我们来用我们之前的priority_queue对日期类排序一下
#include "priority_queue.h"
int main()
{
yu::priority_queue q;
q.push(new Date(2014, 1, 25));
q.push(new Date(2014, 1, 26));
q.push(new Date(2014, 1, 27));
while (!q.empty())
{
cout << *q.top() << endl;
q.pop();
}
return 0;
} 运行结果：
我们发现现象和之前的一模一样，其结果又是具有不确定性，因为我们比较的还是地址，这里我们就可以通过专门去写一个Date*比较的类去解决问题。
#include "priority_queue.h"
struct PDateLess
{
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 < *p2;
}
};
int main()
{
yu::priority_queue, PDateLess> q;
q.push(new Date(2014, 1, 25));
q.push(new Date(2014, 1, 26));
q.push(new Date(2014, 1, 27));
while (!q.empty())
{
cout << *q.top() << endl;
q.pop();
}
return 0;
} 随后无论我们怎么运行，程序都是正确的，但是我们也可以通过对类Less的全特化去解决问题。
template
class less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
//全特化
template<>
class less
{
public:
bool operator()(const Date* x, const Date* y)
{
return *x < *y;
}
};
int main()
{
yu::priority_queue q;
q.push(new Date(2014, 1, 25));
q.push(new Date(2014, 1, 26));
q.push(new Date(2014, 1, 27));
while (!q.empty())
{
cout << *q.top() << endl;
q.pop();
}
return 0;
} 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() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
}; 偏特化有以下两种表现方式：
- 部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化。
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 偏特化:特化部分参数
// 将第二个参数特化为int
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
int _d2;
};
int main()
{
Data d1;
Data d2;
Data d3;
return 0;
} 运行结果：
此时只要实例化模板参数的第二个参数是int，就会走偏特化，那我们既有全特化，又有偏特化，那么会走谁呢？
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 将第二个参数特化为int
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
int _d2;
};
// 全特化
template <>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
int _d1;
int _d2;
};
int main()
{
Data d1;
Data d2;
Data d3;
return 0;
} 运行结果：
模板的特化本质是一种参数匹配，也就意味着全特化是现成的，而偏特化还需要去实例化一部分参数，如果有更匹配的，编译器就会走它，而不会再去实例化参数。
- 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。
// 基础版本
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 将第二个参数特化为int
template
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data" << endl; }
private:
T1 _d1;
int _d2;
};
//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;
};
int main()
{
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
} 运行结果：
匹配规则：全特化、偏特化、原模板
此时我们再去用我们的int*去用priority_queue排序
int main()
{
yu::priority_queue q;
q.push(new int(1));
q.push(new int(2));
q.push(new int(3));
while (!q.empty())
{
cout << *q.top() << endl;
q.pop();
}
return 0;
} 很明显，此时我们上面只实现了Date*的比较，没有实现int*的比较，所以这里肯定会出问题，这里我们就可以不使用全特化，而使用偏特化去解决。
//偏特化
template
class less
{
public:
bool operator()(const T* x, const T* y)
{
return *x < *y;
}
}; 此时只要指针，就会走我们下面的偏特化版本，此时程序也就正常输出了。上面我们没有加上引用，加上引用会导致匹配不上，下面是原因和解决办法。
所以const加指针的时候，引用要慎用！！！
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
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()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
} 
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。
// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);
// 定义也放a.h中
// 调用的地方，直接就有定义，直接实例化，不需要再链接时去寻找
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
} 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。
// a.cpp
// 显示实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
} 4. 模板总结
