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C++《模板进阶》

article 2024/11/27 13:28:48

在之前的C++《模板初阶》当中我们初步了解了在C++当中模板的作用，并且了解了模板类和模板函数的定义和实例化时的使用方式，那么接下来在本篇我将进一步的学习模板的相关概念，例如特化，非类型模板参数等，相信通过本篇的学习你将对模板有更深的理解，要求加油吧！！！

1.非类型模板参数

在之前我们使用模板时template模板之后的参数都是类型，其实除了类型参数之外C++还存在非类型模板参数，在此类型参数和非类型参数的区别如下所示：

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：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。

#include<iostream>

using namespace std;
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：
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.模板特化

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。

例如：以下实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板。

//在此假设在以上已经实现日期类Date
// 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;
}

通过以上的示例就可以看出当一般情况下都能使用以上的类模板Less就可以满足要求进行正常的比较，但在特殊的情况下就例如当比较的是Data对象的指针时，这时就无法满足我们的要求了，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。

2.1 函数模板特化

在此函数模板的特化有以下的步骤：
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<>
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。

例如以下示例：

#include<iostream>
using namespace std;

// 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;
}

虽然在函数模板当中提供了特化但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。

例如以上特化的函数模板就可以直接通过直接实现对应的函数，在此能这样实现是因为在调用对应函数时当出现函数能匹配时就不会通过函数模板实例化出相应的函数

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。

2.2 类模板特化

在类的特化当中相比函数模板的特化就较为复杂一些，在此类模板的特化分为全特化和偏特化

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。

例如以下示例：

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;
}

2.3.2 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。

在偏特化当中又放分为部分特化和参数更进一步的限制的特化

1.部分特化

部分特化是指将模板参数类表中的一部分参数特化。

例如以下示例：

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

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。

例如以下示例：

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

//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
}

2.3.3 类模板特化应用示例

在以上我们了解类模板的特化，那么在实际的运用当中有什么作用呢？

来看以下的示例：

#include<vector>
#include<algorithm>
template<class T>

//在此假设在以上已经实现日期类Date
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;
}

在以上的示例当中我们示例化出3个Date的对象，之后先将这三个对象插入到vector对象v1内，再调用算法库内的sort来实现升序，这时仿函数less内的操作是能满足我们的要求的。
但之后我们又将这几个Date对象的地址插入到新创建的vector对象v2当中，这时之后要调用sort进行排升序就仿函数less无法满足我们的要求了，这是由于仿函数less内这时比较的是各个Date对象的地址，排序是按照对象的地址大小排序的，这就不符合我们的要求了。

因此当仿函数不满足我们的要求时就可以通过特化来解决特殊的情况。在以上的示例当中就是当Less的模板参数时Date*时，在类Less内部operator()的比较就需要比较的是函数参数解引用之后的大小

特化出的Less类如下所示：

// 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. 模板分离编译

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。

在之前我们模拟实现string类时就是使用到了分离编译，将string类的成员函数声明放在.h文件内，将函数定义放在.cpp文件内

3.2 模板的分离编译

在之前模拟实现vector和list时就提到了在实现模板当中，不要将声明和定义分离，接下来就来讲解其中的原因

在此假如有以下场景，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);
void Func(int x);

// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
void Func(int x)
{
    cout<<"Func()"<<endl;
}

// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
    Func(1);
	return 0;
}

通过之前的编译和链接的学习我们就知道了在C/C++中文件在翻译环境在会经过编译和链接两个过程，并且在编译当中又可以细化出预处理、编译、汇编三个环节。

那么以上代码首先在预处理阶段就会进行头文件的展开、宏替换、去掉注释等工作，并且预处理之后.cpp文件会变为.i文件（在Linux环境下）
以上代码就变为以下形式：


// a.i
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
void Func(int x)
{
    cout<<"Func()"<<endl;
}

// main.i
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
void Func(int x);

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
    Func(1);
	return 0;
}

完成了预处理之后接下来就进行编译，在此阶段会将检查语法并且将.i文件内的代码生成相应的汇编代码，生成.s文件。在此一个函数就会生成一段汇编，函数的地址就可以大致认为是第一句指令的地址（可能函数的地址不是第一句指令的地址，在之前可能会有一些中转指令，但大致可以这样认为），这里就会生成一句call的指令，之后跟着地址。在以上的代码当中生成的main.s中就会生成call Add() call Add() call Func()。但其实在此call指令之后在此阶段没有函数的地址，这是因为在main.i当中只有函数的声明而没有函数的实现。由于C++支持声明的定义分离，这就使得在call指令中此时无法确定函数的地址，但可以先让该指令通过；这是因为当使用文件分离时就可以出现函数的声明和定义分离。

完成编译之后接下来就会进入到汇编阶段，在此在该阶段当中会将汇编代码转换产成二进制机器码，之后形成相应的.o文件。在以上代码中就会形成main.o和a.o。

在翻译环境下最后进行的链接，在此会根据多个.s文件生成对应的符号表，在链接当中会将多个.o文件合在一起生成.out生成可执行程序，并且之前没有确定地址的函数要确认地址等工作。在以上代码中就是要将符号表内的Add函数地址和Func函数地址填在之前编译阶段生成的call指令。

但在此Add指令就无法确定函数地址了，这是因为在main.i当中Add知道需要实例化出int和double各一份Add函数，但是它只有声明没有定义。而在a.i当中Add有定义，但是不知道要实例化模板成什么类型。这也就是函数模板声明和定义不能分离的原因

以上的分析就大致可以以下图表示：

那么以上代码将函数模板声明和定义分离会出现链接错误，那么解决方法是什么呢？在此有两种

1. 模板定义的位置显式实例化。

// 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;
}

template
int Add(const int& left,const int& right);

template
int Add(const double& left,const double& right);


// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

注：以上这种方法其实在实际当中不实用，不推荐使用。

2.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。

// a.h
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;
}

在此如果你还想再细致的了解分离编译，可以观看以下文章

为什么C++编译器不能支持对模板的分离式编译-CSDN博客