C++ —— 《模板进阶详解》，typedef和class的区别以及用法，非类型模板参数，模板的特化，模板的分离编译

news2024/10/22 22:31:31

目录

1.非类型模板参数

2.模板特化

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

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

4.模板总结

在讲解模板进阶之前，我想先简单单独聊聊class和typename的用法

我们在平时定义模板的时候使用class或typename都是可以的

但是有种情况，请看下面段代码

void Print2(const vector<int>& v)
{
    vector<int>::const_iterator it = v.begin();

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	vector<int> v(10, 8
	Print2(v);

	return 0;
}

我们来看看运行情况

测试运行：

template<class container>
void Print1(const container& v)
{
	container::const_iterator it = v.begin();

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
}

以上段代码我们修改为泛型，让其可以接收更多不同的类型，变的更加灵活

template<class container>
void Print1(const container& v)
{
	container::const_iterator it = v.begin();

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> v(10, 8);
	Print1<vector<int>>(v);

	return 0;
}

运行结果：

我们确实是根据模板语法写出来的代码，为什么编译器会报错呢？  

container::const_iterator it = v.begin();

编译器在编译期间检查的时候，它不知道container::const_iterator这个是类型还是对象，我们知道在类中只要是public权限的都是可以类名加域作用限定符进行访问的，如果编译器将它实例化为变量那么这条语句就会报错，所以为了在编译期间不让它报错，我们应该在这条语句前面加上typename，告诉编译器这是类型

typename container::const_iterator it = v.begin();

我们来运行试一下

template<class container>
void Print1(const container& v)
{
	typename container::const_iterator it = v.begin();

	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		++it;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> v(10, 8);
	Print1<vector<int>>(v);

	return 0;
}

1.非类型模板参数

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之后的参数类型名称。

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。

这里来看一个例子：

#define N 100
template<class T>
class Stack
{	
private:
	T _a[N];
	size_t _top;
};

这里我创建了一个容量为100的静态栈，我将它封装在一个模板类中，这个静态栈的容量是固定的，并不能对其进行修改，这时有一种场景我们需要两个不同容量的静态栈，我们应该怎么实现呢？

正是为了解决这种需求，C++引入了非类型模板参数，由于非类型模板参数的引入，在我们写模板参数时，不仅可以写类型，也可以使用常量作为参数

template<class T, size_t n>
class Stack
{
private:
	T _a[n];
	size_t _top;
};

int main()
{
	Stack<int, 10> s1;
	Stack<int, 100> s2;

	return 0;
}

可以看到由于非模板参数的引入，使我们可以指定静态栈的大小，让静态栈变得更加的灵活

使用非模板类型参数需要注意：

1.非模板类型参数只能是整型家族（例如：size，int，char.....）

2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

还有一点需要注意的是，非类型模板参数是一个常量，你不能在类域中对它进行赋值操作，不然编译器会报错

可以看到这里编译器并没有报错，我们在类型中明明更改了n的取值为什么编译器不报错呢？在VS下编译器是按需实例化的，我们并没有调用func1，所以编译器不会去改变n

template<class T, size_t n>
class Stack
{
public:
	void func1()
	{
		n = 88;
	}

private:
	T _a[n];
	size_t _top;
};

int main()
{
	//Stack<int, 10> s1;
	Stack<int, 100> s2;
	s2.func1();

	return 0;
}

在调用func1函数之后，编译器果然就报错了，“左操作数必须为左值” ，常量不能为左值

2.模板特化

2.1 概念

接下来我举个例子来讲解模板特化

template<class T>
bool compare(T left, T right)
{
	return left > right;
}
int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	cout << compare(x, y) << endl;
	double a = 1.4, b = 2.4;
	cout << compare(a, b) << endl;

	return 0;
}

根据编译器编译结果，可以发现结果在我们的预期之内，并没有出现奇怪的现象

继续传一组数据，看它的结果是否能符合我们的预期

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	cout << compare(x, y) << endl;
	double a = 1.4, b = 2.4;
	cout << compare(a, b) << endl;
    cout << compare(&a, &b) << endl;    

	return 0;
}

这次测试的结果并没有达到我们的预期，我们将传a，b的地址以传参的方式传递过去，事实上compare并没有报错，是可以比较的，但是结果与上一次并不相同，这与我们想看到的结果不一致，因为我们将a，b的地址传入compare进行比较，虽然T实例化了int*，但compare比较的是a和b的地址而不是a和b的值

为了让传地址也能达到我们的目的，这里我们特化一个函数模板

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

方法1：

//基础模板
template<class T>
bool compare(T left, T right)
{
	return left > right;
}

//模板特化
template<>
bool compare<double*>(double* left, double* right)
{
	return *left > *right;
}

这里针对double*类型特化一个函数模板

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。

方法2：

bool compare(double* left, double* right)
{
	return *left > * right;
}

方法3：

template<class T>
bool compare(T* left, T* right)
{
    return *left > *right;
}

如果我们这样写，也是可以完成以上比较操作的，在VS下编译器的优先选择情况：方法2>方法3>方法1

2.3 类模板特化

类模板也可以针对特殊类型进行特殊化实现，而且与函数特化不同，类模板的特化分为：半特化和全特化

类模板特化步骤：

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

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 Date
{
public:
	Date()
	{
		cout<< "Date(T1, T2)" << endl;
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

int main()
{
	Date<int, int> d1;
	Date<int, double> d2;

	return 0;
}

对于类模板的全特化，当我们实例化对象类型为int，int时编译器会自动调用与它最匹配的模板，可以看终端上函数调用情况

2.3.2 偏特化

部分特化即是将模板参数列表中部分的参数都确定化。

偏特化有以下两种表现方式：

部分特化，将类模板参数表中的一部分参数特化。

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

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。

对某种类型的进一步限制

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

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

测试案例：

int main()
{
	Date<int, int> d1;
	Date<int, double> d2;
	Date<int*, double*> d3;
	Date<int&, double&> d4;
	Date<void*, double*> d5;

	return 0;
}

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

我将模板函数的声明和定义分离，我原本以为将要编译成功的时候，编译器报错了，然后我思考了很久，难道模板的声明和定义不能分离吗？我们接着往下看

无法解析的外部符号，这样的报错一般都是在链接期间，这样可以证明我们并没有语法错误

通常程序需要运行起来，都需要以下四个步骤：

1.预处理

预处理也叫预编译：编译器在预处理期间，会处理预处理指令，预处理指令包括，头文件的包含，定义符号的替换和删除，注释的删除，那我们是不是可以理解，处在预处理期间，编译器做的都是文本操作

2.编译

编译期间需要做的操作细分为以下几点：语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总，简单来说就是检查代码的规范性们是否有语法错误等，确定代码实际让计算机所做的操作，在检查没什么问题之后，将代码翻译成汇编语言

3.汇编

编译将高级语言翻译成汇编语言代码，然后将汇编语言代码翻译成二进制指令（存放在目标文件）

4.链接

将多个目标文件（.obj），并处理没有解决的地址问题

3.3 解决方法

解决方法一：

在a.cpp为文件下显示实例化，在链接的时候让编译器链接到Add函数

解决方法二：

将声明和定义放在同一个文件中

函数模板和类模板的解决方法是相同的

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

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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