C++基础知识9 模版进阶

news2024/11/19 20:25:09

模版进阶

1. 非类型模板参数
2. 模板的特化
- 2.1 概念
- 2.2 函数模板特化
- 2.3 类模板特化
- - 2.3.1 全特化
  - 2.3.2 偏特化
  - 2.3.3 类模板特化应用示例
3 模板分离编译
- 3.1 什么是分离编译
- 3.2 模板的分离编译
- 3.3 解决方法
4. 模板总结

1. 非类型模板参数

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。

namespace Yusei
{
	// 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：

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。
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

2. 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

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;
 }；
}
// 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;  
 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;
}

我们在类与对象实现了日期类
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：

必须要先有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
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(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;
}

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* 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。对于一些参数类型复杂的函数模板，相较于特化
不如直接实现函数

2.3 类模板特化

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。

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;
};

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。比如对于以下模板类：
偏特化有以下两种表现方式：

部分特化
将模板参数类表中的一部分参数特化。

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;
};

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。

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;    
 };

注意先有模版后有特化。

2.3.3 类模板特化应用示例

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;
 }
};

特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

使用了虚函数，虚函数其实是一个重载了()的类，在algorithm头文件中包含这两个类，但可能我们所期望的因此此时应该特化

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。

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
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;
}