【C++】模板进阶
模板进阶
- 一、非类型模板参数
- 二、 模板的特化
- 1、引入
- 2、函数模板特化
- 3、类模板特化
- a、全特化
- b、偏特化
- 三、模板分离编译问题
- 1、什么是分离编译
- 2、为什么模板的分离编译会报错
- 3、解决方法
- 四、模板总结
一、非类型模板参数
模板参数一般被划分为两类：类型形参与非类型形参
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。
注意：
- 非类型形参只允许整形作为参数！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。
- 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
例如：
//这样写会报错，非类型参数不能是double类型
//template<class T, double N = 10.2>
template<class T, size_t N = 10>
class Array
{
public:
T& operator[](size_t i)
{
//N = 0 //此条语句也会报错，N是常量不能改变
return _arr[i];
}
size_t size()
{
return _size;
}
private:
int _arr[N];
size_t _size = N;
};
二、 模板的特化
1、引入
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，这需要进行特殊处理，例如：
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)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
int main()
{
cout << "Less(1, 2) :" << 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) :" << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << "Less(p1, p2) :" << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
}
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。
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、函数模板特化
函数模板的特化步骤：
- 必须要先有一个基础的函数模板
- 关键字
template或class后面接一对空的尖括号<> - 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
- 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。
例如对于上面的问题我们就可以这样解决了：
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
//对Less函数进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
//比较的是指针指向的内容
return *left < *right;
}
这样，当我们传递的是Date*时就会去调用特化版本的函数模板了，就能按照我们想要的比较方式进行比较了。
当然有了特化我们就需要考虑，编译器是怎么来进行匹配这些模板的呢？
C++中的编译器通过模板参数推导来确定应该使用哪个版本。当编译器在实例化模板时，它会根据函数或类模板的参数类型和数量，推导出实际的模板参数，并在模板参数列表中寻找与之匹配的特化版本。如果找到了特化版本，编译器就会使用特化版本进行实例化；否则，编译器会使用通用模板进行实例化。
简单来说：就是在使用模板时，编译器在匹配时会优先去特化版本中去寻找合适的模板，如果找不到就使用普通模板。
当然，看了上面的函数模板的特化，你可能会说，这里不用特化，利用函数重载也能完成想要的比较方式啊，是的，特化对于函数模板特化的意义并不大，大多数情况都可以用函数重载替换掉特化处理的情况。
bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}
这里引出一条建议：
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（即通过函数重载来进行解决）。
函数重载实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，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。
3、类模板特化
类的特化分为两种：全特化与偏特化
a、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。
//普通类模板
template<class T1, class T2>
class Test
{
public:
Test()
{
cout << "template<class T1, class T2>" << endl;
}
......
};
//全特化
template<>
class Test<int, char>
{
public:
Test()
{
cout << "template<class int, class char>" << endl;
}
......
};
如果我们传递的模板参数是int char，那么编译器就会为我们匹配全特化版本。
看下面一段代码：
int main()
{
Test<int, int> t1;
Test<int, char> t2;
}
运行结果：
b、偏特化
偏特化：针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。
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
//普通类模板
template<class T1, class T2>
class Test
{
public:
Test()
{
cout << "template<class T1, class T2>" << endl;
}
......
};
//偏特化的部分特化
template<class T>
class Test<T, double>
{
public:
Test()
{
cout << "template<class T1, class double>" << endl;
}
......
};
- 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。
//偏特化的进一步限制
template<class T1,class T2>
class Test<T1*, T2*> //只针对指针类型
{
public:
Test()
{
cout << "template<class T1*, class T2*>" << endl;
}
......
};
//偏特化的进一步限制
template<class T1, class T2>
class Test<T1&, T2&> //只针对引用类型
{
public:
Test()
{
cout << "template<class T1&, class T2&>" << endl;
}
......
};
我们看一下下面代码的结果：
int main()
{
//调用部分特化
Test<int, double> t3;
Test<float, double> t4;
//调用进一步限制的偏特化
Test<int*, int*> t5;
//调用进一步限制的偏特化
Test<int&, double&> t6;
}
到这里有了偏特化后，我们又要去讨论编译器的匹配问题了。
对于全特化，就算没有调用全特化函数或类，编译器也会直接在编译期间将全特化的函数或类给直接实例化出来。
对于部分特化与普通模板，编译器会优先去部分特化里面去匹配相应的函数和类，如果匹配不到，就使用普通模板。
三、模板分离编译问题
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。
模板无法分离编译，分离编译会报链接错误！
2、为什么模板的分离编译会报错
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<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;
}
C/C++程序要运行，一般要经历一下步骤:
预处理——>编译—–>汇编—>链接
编译:对程序按照语言特性进行词法、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码，注意头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是分离开单独编译的。
链接:将多个obj文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题
3、解决方法
- 将声明和定义放到一个xxx.h文件里面，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。
例如上述的.cpp文件内进行显示实例化
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
template
int Add(const int& left, const int& right); //显示生成int 类的函数
template
double Add(const double& left, const double& right);//显示生成double类的函数
四、模板总结
- 优点
- 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
- 增强了代码的灵活性
- 缺陷
- 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
- 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误