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C++：模板进阶

article 2024/11/19 12:20:06

 目录

1.非类型模板参数

2. 模板的特化

2.1 概念

2.2 函数模板的特化

2.3 类模板的特化

2.3.1 全特化

2.3.2 偏特化

3. 模板的分离编译

3.1 什么是分离编译

3.2 模板的分离编译

3.3 解决方法

4. 模板总结

1.非类型模板参数

  • 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。
namespace bite
{
    // 定义一个模板类型的静态数组
    template<class T, size_t N = 10>
    class array
    {
    public:
        T& operator[](size_t index){return _array[index];}
        const T& operator[](size_t index)const{return _array[index];}
        size_t size()const{return _size;}
        bool empty()const{return 0 == _size;}
    private:
        T _array[N];
        size_t _size;
    }；
}

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。

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，当我们传入指针时，我们的目的不是比较指针的大小，而是比较指针所指向的内容。

// 函数模板 -- 参数匹配
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
    Date(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }
    bool operator<(const Date& date)
    {
        if (_year < date._year)
        {
            return true;
        }
        else if (_year == date._year)
        {
            if (_month < date._month)
            {
                return true;
            }
            else if(_month == date._month)
            {
                if (_day < date._day)
                {
                    return true;
                }
            }
        }
        return false;
    }
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

template<class T>
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(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，但只是简单的指针变量数值比较
    return 0;
}

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

2.2 函数模板的特化

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<>，因为函数模板只有全特化。全特化下面会讲。
  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<class T>
bool Less(T left, T right)
{
    return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
    return *left < *right;
}

int main()
{
    cout << Less(1, 2) << endl;
    Date d1(2022, 7, 7);
    Date d2(2022, 7, 8);
    cout << Less(d1, d2) << endl;
    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
    return 0;
}

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，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。

示例：const修饰指针的指向。

template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}
//特化
template<>
bool Less<int*>(int* const & left, int* const & right)//const放在指针前会修饰指针指向的内容
{
	return *left < *right;
}

2.3 类模板的特化

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 T1, class T2>
class Data
{
public:
    Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
    Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:
    int _d1;
    char _d2;
};
void TestVector()
{
    Data<int, int> d1;
    Data<int, char> d2;
}

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 T1, class T2>
class Data
{
public:
    Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

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 T1>
class Data<T1, int>
{
public:
    Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<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 <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
    Data() {cout<<"Data<T1*, T2*>" <<endl;}
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
    Data(const T1& d1, const T2& d2)
    : _d1(d1)
    , _d2(d2)
    {
        cout<<"Data<T1&, T2&>" <<endl;
    }
private:
    const T1 & _d1;
    const T2 & _d2;
};
void test2 ()
{
    Data<double , int> d1; // 调用特化的int版本
    Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
    Data<int *, int*> d3; // 调用特化的指针版本
    Data<int&, int&> d4(1,2); // 调用特化的指针版本
}

3. 模板的分离编译

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：

Stack.h  头文件： 

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void func();

template<class T>
class Stack
{
public:
	void push(const T& x);
	void pop();
private:
	T* _a = nullptr;
	int _top = 0;
	int _capacity = 0;
};

Stack.cpp 源文件中定义：

//编译时不知道实例化成什么，不会实例化
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;
	return left + right;
}

void func()
{
	cout << "void func()" << endl;
}

//类模板
template<class T>
void Stack<T>::push(const T& x)
{
	cout << "void Stack<T>::push(const T& x)" << endl;
}

template<class T>
void Stack<T>::pop()
{
	cout << "void Stack<T>::pop()" << endl;
}

test.cpp main函数：

#include "Stack.h"

int main()
{
	Add(1, 2);
	//汇编时会生成 call Add<int>(地址）
	//有声明没有地址，可通过编译。有定义直接有地址

	//Stack.cpp因为Add中没有实例化，所以没有Add的地址
	func();

	Add(1.1, 2.1);//call Add<double>(?)

	Stack<int> s1;
	s1.push(1);

	Stack<double> s2;
	s2.push(1.1);

	return 0;
}

执行可以发现，如果只有func这个普通函数，是可以通过编译的。但是模板是不可以的。

这是因为每个源文件.cpp是分开编译的。Stack.cpp 文件虽然有模板的定义，但是编译器在这个文件中没有看到对Add模板函数的实例化，因此不会生成具体的加法函数。

而在test.cpp中编译器在链接时才会找Add函数的地址，但是这个函数没有实例化没有生成具体代码，因此链接时报错。类模板也是相同的原因。

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。
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。因为实例化一个不同类型，都需要显示实例化。

#include "Stack.hpp" 大概率有模板，代表有声明有定义，都是展开到源文件。

在Stack.cpp中显示实例化：

//显示示例化
template
int Add<int>(const int& left, const int& right);

template
double Add<double>(const double& left, const double& right);

//显示实例化
template
class Stack<int>;

template
class Stack<double>;

 

4. 模板总结

【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

【缺陷】

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

本篇结束！


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