模板进阶（C++）

news2024/9/27 5:57:23

一.非类型模板参数

1.使用方法和概念

模板参数分为类型形参与非类型形参。

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: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。

注意：在c++20之前，这个常量只允许是像（int，size_t，long long……）这样的整数类型，在c++20之后开始支持浮点类型

2.应用

定义静态数组：

namespace bite
{
 // 定义一个模板类型的静态数组
 template<class T, size_t N = 10>
 class array
 {
     private:
     T _array[N];
     size_t _size;
 }；
}

注意：静态数组只能用这种方式封装，在构造函数传参是不行的——那只能是动态内存管理。

3.非类型模板参数在STL中的应用–array类

实现原理与上面的应用是一样的。

3.1 array的优点

1. 普通的静态数组越界编译器不一定能检查出来——编译器在这里的检查是一个抽查机制。但是array越界一定能检查出来——assert断言。

3.2array的缺点

1. 在栈上开空间，栈的空间只有8M。

2.vector可以完美替代array，vector也是可以检查越界的，并且在堆上开空间。

4.知识点补充

不可以直接从未实例化的类模板中直接取类型——因为编译器不会编译模板，所以不知道取出来的是类型还是静态成员。

解决方案：前置typename——相当于向编译器保证取出来的是类型。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
class A {
public:
	typedef int asdf;
};
template<class T>
void test() {
//	A<T>::asdf a1 = 1; //报错
	typename A<int>::asdf a1 = 1;
	cout << a1;
}
int main() {
	test<int>();
	return 0;
}

二.模板的特化

2.1 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。

2.2 函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个原模版

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: 必须要和原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(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;
}

但是，不建议搞函数模板特化，因为重载不仅好写，而且可读性也强。

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

向这样直接重载就很香了。

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

概念：

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都直接给出。

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

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

概念

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。比如对于以上模板类：

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;
};

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。

比如限定指针类型：

//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; 
};

如果传指针，就走这个特化版本

注意：T1，T2比传的类型少一个*

举例：传<int*, int**>

实际：T1（int） T2（int*）

或者是限定引用：

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

此时，传引用就走这个特化版本。

总结：

1. 指定类型限定

2. 说明指针，限定所有指针类型

3. 说明引用，限定所有引用

注意：这三个偏特化可以混编。

三模板分离编译

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。

3.2 模板的分离编译

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
#include"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;
}

3.3 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。

4. 模板总结

【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——每实例化出一个模板类（函数），就会多个几十或上百行的代码。

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误