【模版进阶】

news2024/11/24 20:55:51

模版进阶

小杨

一、非类型模版参数

模板参数分为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。

下面这个栈来说，如果我们先创建两个栈，让第一个栈存30个，第二个栈存100个，但是这里N是常量啊，所以说这样做不到.

#include<iostream>
using namespace std;

#define N 100

//静态的栈
template<class T>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int> st1;  //30
	Stack<int> st2;  //100

	return 0;
}

那么如何解决这种情况，就引入了非类型模版参数。

#include<iostream>
using namespace std;

//#define N 100

//静态的栈
template<class T,size_t N=10>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int,30> st1;  //30
	Stack<int,100> st2;  //100

	return 0;
}

像上图这样，就可以建两个不同的栈，上面建的这两个栈不是同一个类型(存储的大小不一样)，因此分别实例化.
传统的非类型模版参数只能定义整型(C++20之后就可以了)。

//会报下图的错误信息
template<double a>
class A
{
private:
	int _a[a];
	int _top;
};

int main()
{
	//Stack<int,30> st1;  //30
	//Stack<int,100> st2;  //100

	A<1.1> a1;
	return 0;
}

在这里插入图片描述
这里vs2022默认支持的是C++14
在这里插入图片描述

C++20之前，只允许整型做非类型模版参数
C++20之前，可以支持double等其他内置类型
非类型的模版参数必须在编译期就能确定结果。

二、模版的特化

一个类被实例化时，并不是他其中的所有函数都被实例化了，他遵循按需实例化的原则。(不调用不报错，因为没有实例化)。

下图的打印:只能打印int的，那存储的double就打印不了。

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7 };
	vector<double> v2 = { 1.1,2.1,3.1,2.3,4.1 };
	PrintVector(v1);
	return 0;
}

因为类型不同，因此就可以采用模版来解决。

template<class T>
void PrintVector(const vector<T>& v)
{
	vector<T>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7 };
	vector<double> v2 = { 1.1,2.1,3.1,2.3,4.1 };
	PrintVector(v1);
	PrintVector(v2);
	return 0;
}

比如此时，运行就会发现编译报错,解决方法是在vector::const_iterator it = v.begin();前面加上typename.
原因: 因为在没有实例化的类模版中取东西，但是他不会去取，因为他没有进行详细的检查，类中typedef的类型或者是静态变量可以指定类域去取，但这里不确定会取到什么，因此编译器规定类模版不实例化时，不去里面查细节的东西.；语法规定，在其前面加一个typename，来告诉编译器这是一个类型。
这里还可以直接用auto，因为auto推导的是一个类型。

温习:typedef是给类型取别名，引用是给变量取别名

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

// 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(2024, 8, 6);
	Date d2(2024, 8, 7);
	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。
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(const T& left,const T& right)
{
	return left < right;
}
//对Less函数模版进行特化
//const在*之前修饰的是指向的内容。
//const在*之后修饰的是本身。
template<>
bool Less<Date*>(Date* const& left, Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2024, 8, 6);
	Date d2(2024, 8, 7);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化的版本，就不走模版生成了。
	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。

bool Less(Date* const& left, Date* const& 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。
如果该函数和该模版的特化同时存在，会优先调用这个函数。

3.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。
// 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;
};
  1. 参数更进一步的限制
    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
}
类模版特化应用实例

有如下专门用来按照小于比较的类模板Less:

#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;
}

通过观察上述程序的结果发现，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.

// 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;
 }
};

三、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。

2.什么是分离编译

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;
}

在这里插入图片描述

3.解决办法
  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。
    其实对于类模版来说，长的成员函数，声明和定义分离，写到当前文件类外面，短的可以直接定义在类里面，默认是inline

四、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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