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模版进阶（template）

article 2024/11/13 9:06:15

1.非类型模版参数

模版参数分类类型形参与非类型形参。

① 类型形参：出现在在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

② 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。

(1) 概念

● C++20以前非类型模版参数只支持整形常量。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。 bool类型也可以作非类型模版参数

● C++20以后才开始支持更多类型作非类型模版参数。（double等）

● 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

● 可以给缺省值，但是调用缺省值时，老版本要带上<>，新版本不用，建议用老版本：

namespace zyt
{
	template<size_t N = 10>
	class Stack
	{
	public:
		//...
	private:
		size_t _arr[N];
	};
}
int main()
{
	zyt::Stack<> a0;//老版本调用要用<>,建议用老版本
	//zyt::array a1;//C++20以后调用不用<>

	zyt::Stack<10> a2;
    return 0;
}

(2) 模版类型的静态数组：

● 普通静态数组的越界检查采用抽查的形式，用标识符判断，越界读取一般不能被查出来。

● 模版定义的数组在越界检查上更精准，array越界读写都能检查,调用了operator[ ]。

● 模版定义的动态数组可以动态调整数组的大小，但空间是在堆上开辟的，模版定义数组是在栈上开的，而栈上开空间比在堆上开空间要效率高。

namespace zyt
{
	// 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) 
		{
			assert(index < N);
			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;
	};
}

void Testarray()
{
	//数据存在栈上
	zyt::array<int, 10> a1;
	zyt::array<int, 100> a2;
	int a3[10];

	//越界检查
	//静态数组，抽查。标志位判断(程序进行完后检查标志位是否被修改，若是修改了就会报错)
	//越界读一般不能被查出来
	//cout << a3[10] << endl;//底层是指针解引用
	
	//a3[11] = 10;
	//a3[12] = 10;

	//array越界读写都能检查,会调用operator[]
	//error: Assertion failed: index < N
	//a1[10]; 
	//a1[12] = 10;

	//在堆上开空间，栈上开空间比在堆上开空间要效率高
	vector<int> v(100, 1);
	//都是100个字节，但占用内存大小却不一样
	cout << sizeof(a2) << endl;//408
	cout << sizeof(v) << endl;//32
}

(3) 思考

在示例代码最后两行我们发现同样对模版数组和模版动态数组开100字节的空间，为什么sizeof之后的结果差距大？

在C++中，sizeof 运算符返回的是对象在内存中占用的字节数，但是它并不总是反映对象实际分配的内存大小。array会存储100个int类型的元素，并且并且 sizeof 通常会返回正好是100个 int 大小的总和加上可能的填充字节。vector<int> 是一个动态数组，它存储了一个指向动态分配内存的指针，vector 的 sizeof 不包括它动态分配的内存，只包括它在栈上存储的元数据

2.模版的特化

(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

// 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) << 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
	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) 函数模版特化

函数模版特化的步骤：

① 必须先有一个基础的函数模版

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：必须要和模版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 LessFunc(const T& left, const T& right)//优化，当T是类类型时，避免拷贝构造
{
	return left < right;
}
// 特化两个版本
template<>
bool LessFunc<const Date*>(const Date* const & left, const Date* const& right)
{
	//*右用const是对指针修饰
	//*左用const修饰的是指针所指物是const Date类型
	return *left < *right;
}
template<>
bool LessFunc<Date*>(Date* const& left, Date* const& right)
{
	//*右用const是对指针修饰
	return *left < *right;
}

int main()
{
	cout << LessFunc(1, 2) << endl;
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << LessFunc(d1, d2) << endl;
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << LessFunc(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。

//推荐直接实现一个函数，编译器调用时也会优先调用函数而不是特化
bool LessFunc(Date* left, Date* right)//*后用const才是对指针修饰
{
	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。

(3) 类模版特化

<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;
};
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> 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;
};

偏特化有以下表现形式：

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 参数更近一步的限制：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> 应用示例

#include<vector>
#include<algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	Date d1(2022, 7, 7);
	Date d2(2022, 7, 6);
	Date d3(2022, 7, 8);
	vector<Date> v1;
	v1.push_back(d1);
	v1.push_back(d2);
	v1.push_back(d3);
	// 可以直接排序，结果是日期升序
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());
	vector<Date*> v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	// 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
	// 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
	// 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
	return 0;
}

对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为：sort最终按照Less模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

特化之后，在运行下述代码，就可以得到正确的结果

// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
	bool operator()(Date* x, Date* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};

3.模版分离编译

(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) 模版的分离编译

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<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;
}

分析：