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C/C++语言基础--C++模板与元编程系列三(变量模板、constexpr、萃取等…………)

article 2024/12/24 11:30:19

本专栏目的

更新C/C++的基础语法，包括C++的一些新特性

前言

模板与元编程是C++的重要特点，也是难点，本人预计将会更新10期左右进行讲解，这是第三期，讲变量模板、constexpr、萃取等知识；
C语言后面也会继续更新知识点，如内联汇编；
欢迎收藏 + 关注，本人将会持续更新。

文章目录

- 非类型模板参数
- 别名模板
- 变量模板(C++14)
- - 定义格式
  - cosntexpr
  - - constexpr定义的一定是常量
    - constexpr与函数
    - constexpr修饰接收函数返回值变量
  - 变量模板的使用
  - - 非静态变量
    - 类静态变量
  - 在C++14之前没有变量模板之前
- 类型萃取(简单了解)
- - is_pod

前言
上两次笔记咱们已经学习了C/C++语言基础–C++模板与元编程系列一(泛型、模板、函数模板、全特化函数模板………)和C/C++语言基础–C++模板与元编程系列二类模板、全特化、偏特化、编译模型简介、实现简单Vetctor等…………)，加下来学习另外两个模板。

别名模板(C++11):
变量模板(C++14):

非类型模板参数

📘 准备

模板参数并不局限于定义类型，可以使用编译器内置类型作为参数，在编译期间变成模板的特定常量，这也是元编程的思想之一，C++元编程中核心思想之一就是在编译的时候确定类型，从而对不同类型进行不同计算。

非类型模板参数：就是说在template定义模板类型的时候，可以定义编译器内置类型，这样就不是定义模板类型参数了。

👓 示例：

编写一个封装了静态数组的类，类名为Array

#include <iostream>

// 简单版本，不扩容
template<typename T, size_t _size=10>
class Array
{
public:
	void push_back(T data)
	{
		_array[_index++] = data;
	}

	T& operator[](size_t index)
	{
		return _array[index];
	}

	size_t size()const
	{
		return _index;
	}

private:
	T _array[_size]{};
	size_t _index{};
};

int main()
{
	Array<int> array;

	for (int i = 1; i <= 10; i++) {
		array.push_back(i);
	}

	for (int i = 0; i < array.size(); i++) {
		std::cout << array[i] << " ";
	}

	/*
	输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
	*/

	return 0;
}

☀️ 在案例中：

我们定义了一个模板类型参数T，同时也定义了一个非模板类型参数size_t类型，并且赋值为10；
定义的非模板类型参数也是一样可以在类中使用，有点像函数的默认参数。

别名模板

我们在写程序的过程中，总是希望写简短的代码，给一些复杂的名称简化，或者取一个简短的名字，于是又有了类型别名，用来重新定义复杂的名字。

🐤 C的typedef

使用typedef不仅可以对遍历取别名，还可以为模板具体化指定别名，🍡 🍡🍡 ，注意：是模板具体化

//模板别名
//1，typedef
typedef Array<int, 20> IntArr;

注意：不能为模板类取别名。

// 如：
template <typename T>
typedef Array<T, 20> _Array;

报错：

在这里插入图片描述

解决方法：C++新特性using

⛅️ C++新特性using

typdef定义不了别名模板，所以C++11新增了一项功能——使用模板提供一系列别名（模板别名），当然也同样可以对编译器类型取别名。

🔛 模板具体类取别名

//2，using
using _IntArr = Array<int, 20>;  // 语法

🎊 模板类取别名

template <typename T>
using _Array = Array<T, 20>;

这样定义好之后，使用_Array就相当于使用Array<T,20>。

变量模板(C++14)

概念：变量模板（Variable Templates）是 C++14 引入的一个新特性，它允许你定义一个模板，该模板在实例化时会生成一个具有特定类型的变量。变量模板的主要作用是减少代码冗余，提高代码的灵活性和可维护性。

概括：

模板实例化生成具体类型变量
减少代码冗余

定义格式

template<typename T>
T name = value;

name：变量名
value：初始值

cosntexpr

变量模板一般会结合constexpr使用，constexpr是const的升级优化版，最大区别是：const定义的不一定是常量，但是constexpr一定是常量，这个什么意思呢？？

如下代码：

int sum = 10;
const int csum = sum;

这里，将sum值赋值给const变量csum，但是csum是一个变量，不是常量啊，他在程序运行的时候才会是常量。

constexpr定义的一定是常量

C++针对以上情况，提出了cosntexpr这个关键字，这个关键字定义的变量是在编译的时候计算出来的，一定是常量，不可能是变量，如下代码：

int sum = 10;
constexpr int csum = sum;

报错：error C2131: 表达式的计算结果不是常数。

constexpr与函数

由于constexpr 是在编译的时候检查的，所以把函数声明为constexpr 了，这样编译器就会大胆优化，只要是出现CharMax()的地方，直接用127替代，是不是和宏很类似？确实，但是宏没有运行时安全检查，这也是为什么有些大佬提议用C++重写Linux内核的原因之一。

注意 : constexpr声明的函数，函数体不要写的太复杂(以前只允许一行代码)

如下：

constexpr uint8_t CharMax()
{
	int max = 117;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		++max;
	}
	return max;
}

这个时候，调用constexpr 返回的就是127，常量的127

constexpr修饰接收函数返回值变量

废话不多说，直接上代码：

size_t getNum()
{
	return 127;
}
// 调用
constexpr size_t num = getNum();

// 报错：表达式必须含有常量值无法调用非 constexpr 函数"getNum"(已声明 所在行数:31)

☀️ 总结：

如果用constexpr修饰接收函数返回值变量，那么这个函数返回值夜泊徐要用constexpr修饰。
解决方法如下：

constexpr size_t getNum()
{
	return 127;
}

变量模板的使用

非静态变量

从变量模板实例化的变量被称为**被实例化变量，从静态数据成员模板实例化的变量被称为被实例化静态数据成员。**
一般结合：constexpr使用，如下代码：

template<typename T>
constexpr T PI = T(3.14159265358L);

template<typename T>
T circle_area(T r)
{
	return PI<T> *r * r;	//PI<是变量模板实例化>
}

首先声明了一个变量模板PI，在后面就可以使用各种类型的PI了(如：PI、PI、PI等等)，非常方便，简化了代码。

类静态变量

在类作用域中使用时，变量模板声明一个静态数据成员模板。与其他静态成员一样，静态数据成员模板的需要一个定义。这种定义可以在类定义外提供：

静态数据，成员模板，静态成员没有加const，需要在类外中初始化。

struct Limits
{
	template<typename T>   // 静态数据的 成员变量模板
	static T max;
};
template<typename T>
const T Limits::max = {};  //注意 注意 注意，这时不需要加static

类模板的非静态数据成员

template<typename T>
struct Foo
{
	static const T foo;
};
template<typename T>
const T Foo<T>::foo =   //是类模板，一定要与“静态成员，成员模板”做好区分，是在哪里进行显示转换

其实如果静态变量声明的是const，并且有初始值，那么可以不用在内外定义，会自动内联。（注意此时不能在外面声明)；

class Test
{
public:
	static const int count = 0;          
};
cout << Test::count << endl;	//可以直接使用

在C++14之前没有变量模板之前

在 C++14 引入变量模板前，参数化变量通常实现为类模板的静态数据成员，或返回所需值的 constexpr 函数模板。

#include <iostream>

using namespace std;

//1，使用变量模板
template<typename T>
constexpr T PI = T(3.14159265358);

//2，使用函数模板
template<typename T>
constexpr T getPI()
{
	return T(3.14159265358);
}

//3，使用类模板
template<typename T>
struct Math
{
	static constexpr T PI = T(3.14159265358);
};

int main()
{
	cout << PI<int> << " " << PI<float> << endl;
	cout << getPI<int>() << " " << getPI<float>() << endl;
	cout << Math<int>::PI << " " << Math<float>::PI << endl;

	/*
	3 3.14159
	3 3.14159
	3 3.14159
	*/
	return 0;
}

类型萃取(简单了解)

类型萃取，可简单理解为类型获取。对不同类型对象进行不同处理，可以提升程序效率，要注意的是：是在编译的时候确定类型，这也是元编程的核心思想之一，在编译的时候去区分、确定类型，然后针对不同类型做不同处理。

is_pod

萃取的典型应用是在模板函数中区分T的类型是原生类型POD，还是自定义类型，POD全称plain old data，简单理解就是C++从C继承来的基本数据类型，如int、double等。

之所以需要区分类型，主要是因为POD类型与自定义类型的很多处理方法不同，典型的就是copy，POD可以直接使用C库提供的memcpy，它主要是实现内存层面的拷贝，而非POD类型需要使用for循环挨个拷贝，因为涉及到深拷贝与浅拷贝的问题，所以在模板中需要识别数据类型，再做不同处理。

如以下代码，用来判断int类型是不是POD类型，有三种使用方式：

cout << std::boolalpha << is_pod<int>::value << endl;	//获取静态成员
cout << std::boolalpha << is_pod<int>() << endl;		//类型转换函数
cout << std::boolalpha << is_pod<int>()() << endl;		//operaotr()函数