【C++】模版进阶

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目录

非类型模版参数

模版的特化

概念

函数模版特化

类模版特化

全特化

偏特化

模版分离编译

什么是分离编译

模版的分离编译

解决方法

模版总结

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非类型模版参数

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。在当前的编译器中，只支持整形（char，int等）做非类型模版参数。可以使用缺省值。

namespace ghs{// 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，因为没有确认的类模版只算半成品。而函数参数在运行时才确认。

在C++中，因为引入了模版，所以在语法编译之前，还要根据模版实例化->半成品模版->实例化成具体的类/函数->语法编译。

在编译时，还会涉及到按需实例化的问题：

例如，在上面代码的array类中的[  ]运算符重载函数中，改写为：

T& operator[](size_t index) { assert(index < N);size(1);return _array[index]; }

如果在使用时未使用operator[  ]，那就不会报错，因为实例化这个类的时候，会按需实例化（调用哪个成员函数就实例化哪个），没有调用operator[  ]，所以operator[  ]里虽然有调用参数不匹配，但是没有检查出来。只有调用operator[  ]时，才会实例化，才会细致检查语法错误。

模版的特化

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。

函数模版特化

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<>
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

template<>bool Less<Date*>(Date* left, Date* right){return *left < *right;}

说到底，特化就是对某些特殊类型进行特殊处理。  

除了特化外，还可以直接使用重载：

bool Less(Date* left, Date* right){return *left < *right;}

对于函数模版，上面这种重载简单明了，代码可读性高，因此函数模版更推荐使用重载！

类模版特化

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;}

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，对于一下类模版：

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

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

现在我们有了类模版、偏特化、全特化：

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

当我们这样创建类对象时：

结果是：

编译器会找最匹配的类模版初始化。

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，还可以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

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

template<class T1, class T2>class Data<T1&, T2*>{public:Data() { cout << "Data<T1&, T2*>" << endl; }};

模版分离编译

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。

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

//a.cpptemplate<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：

调用的地方，知道实例化T成什么类型，但是只有函数声明，没有定义；

定义的地方，不知道实例化T成什么类型，所以有定义无法实例化，也就是无法生成函数的地址到符号表。

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。

那么为什么模版的定义放到.h就不会出链接错误了？

因为.h预处理展开后，实例化模版时，既有声明也有定义，直接就实例化，编译时，有函数的定义，直接就有地址，不需要链接时再去找。

模版总结

【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

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