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【C++学习】模板进阶——非类型模板参数 | 模板的特化 | 分离编译

article 2024/12/29 13:19:45

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《C++学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

模板我们之前一直都在使用，尤其是在模拟STL容器的时候，可以说，模板给类增加了更多的可能性，是C++最重要的部分之一。下面本喵来更深入的讲解一下模板。

模板进阶

📕非类型模板参数
- 📗std::array
📕模板的特化
- 📗函数模板的特化
- 📗类模板的特化
- - 全特化
  - 偏特化
  - 类模板特化应用示例
📕分离编译
📕总结

📕非类型模板参数

#define N 10
namespace wxf
{
	template<class T>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index)
		{
			assert(index < _size);
			return _array[index];
		}

		const T& operator[](size_t index) const
		{
			assert(index < _size);
			return _array[index];
		}
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

在上面代码中，创建了一个数组的模板类，它相比于C语言中的数组，可以自动进行越界检查。

wxf::array<int> a1;
wxf::array<double> a2;

我们可以创建不同类型的对象，数组中的元素可以是int，也可以是double类型。但是，它们的大小都是一样的，都被define定义的N限制了。

如果此时我想让int类型的数组大小是10个元素，而double类型的数组大小是100个元素，该怎么办？

此时就用到了非类型模板参数，我们之前使用的模板，它的参数都是类型模板参数，也就是它的参数都是类型，可以是内嵌类型，也可以是自定义类型。

非类型模板参数：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。

在模板中，加入第二个参数，不使用class或者typename关键字来修饰，表面它是一个非类型模板参数。并且将这个参数应用在定义数组的大小上，如上图所示。

模板参数可以使用缺省值。

wxf::array<int, 10> a3;
wxf::array<double, 100> a4;

此时再创建类对象，就可以在实例化类型的同时，指定数组的大小。指定数组大小的这个模板参数就是非类型模板参数。

非类型模板参数必须是整形家族的常量，比如char类型，int类型等等，不能是double以及float类型。

如上图所示，将非类型模板参数的类型改成float以后就会报错，现在不支持这样，以后不一定。

在实例化时，传模板参数必须传常量，不能传变量。

如上图所示，当实例化传给非类型模板参数的值是一个变量的时候，就会报错。

📗std::array

在C++11的STL中，官方同样给我们提供了array容器。

它就使用了非类型模板参数，下面看看它有什么接口。

这些接口和我们之前学习string，vector，list以及stack和queue中的接口非常相似，但是，array中没有push_back。

STL中的array是一个静态的，它的大小在创建时候就指定了，并不会发生扩容。
它对标的是C语言中的数组，只是比C语言中数组多了越界检查。

C语言数组越界：

int a1[10];
cout << a1[11] << endl;

越界访问并没有报错。

int a1[10];
a1[11] = 5;

越界写也没有报错。

无论是写还是读，越界的时候都不会报错。不同的编译器对越界的处理不同，有的是采取抽查的策略。总得的来说，C语言的数组在越界检查上面存在缺陷。

std::array越界：

std::array<int, 10> a1;
cout << a1[11] << endl;
a1[11] = 10;

使用STL中的array容器就会进行越界检查。

📕模板的特化

📗函数模板的特化

namespace wxf
{
	template<class T>
	bool less(T left, T right)
	{
		return left < right;
	}
}

定义一个函数模板，进行比较大小，当左值小于右值时返回真。

比较结果符合我们的预期。

当传递的参数是两个变量的地址时，比较的结果就和刚刚的截然相反。

模板函数推断出来的类型是int*，按照函数模板的实现逻辑，比较的是两个地址的大小。
但是我们希望的是，即使传入的是地址，但是比较的仍然是两个数的大小。

此时我们就可以使用模板特化。

模板参数给空。
函数名后<>内放入要特化的类型，函数形参同样使用特化的类型。
改变特化后函数内部的逻辑。

可以看到此时就符合我们的预期了，即使传入的是地址，但是比较的仍然是两个数的大小。

模板特化必须在原模版的基础上进行特化。
其他类型仍然会实例化原模版，需要特别处理的类型就会走特化后的模板。

但是：

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。

就像上面的比较函数，在处理指针类型的变量时，完全可以写一个具体的函数而不用函数模板。

bool less(int* left, int* 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。

📗类模板的特化

全特化

template<class T1,class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1, T2>" << endl;
	}
private:
	T1 _a1;
	T2 _a2;
};

定义个这样的数据类，类型模板参数有两个。

此时无论是用什么类型进行实例化，编译器都会按照上面的类模板去推演，去实例化。

如果此时我想让int和char类型对象进行特殊化处理，不按照原理的类进行创建呢？

此时就可以将原本的类模板进行特化处理，对类型模板参数是int和char类型进行特殊化处理。

可以看到，用的类模板都不一样了，因为构造函数中打印的内容不一样。

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

偏特化

还是使用最初的Data数据类模板进行特化。偏特化有有两种：

部分特化

当两个模板参数中的第二个是double类型的时候，进行特殊处理。

无论第一个参数是什么类型，只要第二个是double类型的，就会按照这个部分特化后的模板进行实例化。

参数更进一步的限制

无论是什么类型，只有是指针类型，就进行特化处理。

此时特化后的模板就限制在了只处理指针类型。

还可以对引用类型进行特化。但是引用类型必须进行初始化。

此时特化后的模板就只限制在了引用类型。

从模板特化中也可以看出来编译器在实例化时推演的规则：

有现成的就用现成的，不进行推演。
有全特化的就用全特化的。
有偏特化的就用偏特化的。
实在没办法才全部进行推演。

总得来说，编译器也是懒狗，能少干事就少干，能不推演就不推演，能少推演就少推演。

类模板特化应用示例

template<class T>
struct less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};

写一个两个数相比较的仿函数，左数小于右数的时候返回真。

将vector中的数据按照升序进行排列。

使用的是算符库中的sort函数，需要使用到我们定义的仿函数。

同样，如果vector中放入的不是数据，而是数据的地址，但是我们又想按照升序排列。

可以看到，此时排序后的结果和排序前是一样的。

数组中的地址是连续的，而且后面元素的地址比前面元素的地址大。
此时使用仿函数less还是按照之前逻辑，比较的是地址值，而不是地址指向数据的值。

所以我们需要将less仿函数进行特化处理：

//特化处理
template<class T>
struct less<T*>
{
	bool operator()(T* const& x, T* const& y)
	{
		return *x < *y;
	}
};

此时传的是地址，但是仍然按照升序重新排列好了。

说明：

看红色框中的参数类型，来复习一下const的用法。

通常情况下const T& x，目的是防止x被修改。
此时是T*类型的变量，仍然需要防止变量被修改。
T* const& x，也是防止x被修改。
const T*& x，防止的是指针x指向的内容被修改。

📕分离编译

通常我们会将定义的类，函数声明等等放在一个头文件中，具体的实现放在源文件中，采用声明和定义分离的方式。

同样，模板类也可以这样。以vector举例。

头文件中代码：

#include <iostream>

namespace wxf
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		vector(int capacity = 10);
		int size();
	private:
		T* _arr;
		int _size;
	};
}

源文件中代码：

#include "myvector.h"

namespace wxf
{
	template<class T>
	vector<T>::vector(int capacity)
		:_arr(nullptr)
		,_size(capacity)
	{
		std::cout << "成功创建" << std::endl;
	}

	template<class T>
	int vector<T>::size()
	{
		return _size;
	}
}