【C++初阶】十三、模板进阶（总）|非类型模板参数|模板的特化|模板分离编译|模板总结（优缺点）

news2024/12/23 12:24:20

目录

一、非类型模板参数

二、模板的特化

2.1 模板特化概念

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

三、模板分离编译

四、模板总结（优缺点）

前言：之前模板初阶并没有把 C++模板讲完，因为当时没有接触 STL，下面讲解模板后半部分

一、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

template<class T, size_t N>

class T 就是类型参数，size_t N 就是非类型形参

例如，要实现一个静态数组的类，就需要用到非类型模板参数

template<class T, size_t N> //N：非类型模板参数
class StaticArray
{
public:
	size_t arraysize()
	{
		return N;
	}
private:
	T _array[N]; //利用非类型模板参数指定静态数组的大小
};

使用非类型模板参数后，就可以在实例化对象的时候指定所要创建的静态数组的大小

测试代码

void Test()
{
	StaticArray<int, 10> a1; //定义一个大小为10的静态数组
	cout << a1.arraysize() << endl; //10
	StaticArray<int, 100> a2; //定义一个大小为100的静态数组
	cout << a2.arraysize() << endl; //100
}

运行结果

注意

  1. 非类型模板参数对于 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. 非类型的模板参数在编译期就需要确认结果，因为编译器在编译阶段就需要根据传入的非类型模板参数生成对应的类或函数

 对于第二点进行测试

void Test1()
{
	int n = 10;
	StaticArray<int, n> a1; //定义一个大小为10的静态数组
	cout << a1.arraysize() << endl; //10
}

运行结果 

介绍 STL 的 array

array文档介绍 

        array 是一个固定大小的容器，即静态数组，array 是 C++11 新增的，它唯一的优点就是严格对数据越界进行检查，其他优点就没有了.... ，array 了解就行了，平时几乎不使用

注：C语言的数组越界是进行抽查的，不是严格每一个进行检查

二、模板的特化

2.1 模板特化概念

        模板特化是给特殊类型准备特殊模板，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;
}

进行测试

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
void Test2()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2023, 2, 12);
	Date d2(2023, 2, 13);
	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
}

运行结果，第三个结果错误

        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

修改上面的代码

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// 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;
}

void Test2()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2023, 2, 12);
	Date d2(2023, 2, 13);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了，结果正确
}

运行结果正确

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，比如上面的特化

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，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

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

测试代码

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

//进行特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};

void Test()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;//调用特化的类
}

 运行结果

 

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

偏特化有以下两种表现方式：部分特化和参数更进一步的限制
（1）部分特化

部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化

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;
};

 进行部分特化

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;
};

void Test()
{
	Data<char, int> d1;//调用特化的类
	Data<int, char> d2;
}

运行结果

（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，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

测试代码

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;
};
 
//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 Test()
{
	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
}

 运行结果

三、模板分离编译

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

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;
}

 这里会报链接问题，分析：

程序要运行起来一般要经历以下四个步骤：

  1. 预处理： 头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等
  2. 编译： 检查代码的规范性、是否有语法错误等，确定代码实际要做的工作，在检查无误后，将代码翻译成汇编语言
  3. 汇编： 把编译阶段生成的文件转成目标文件
  4. 链接： 将生成的各个目标文件进行链接，生成可执行文件

 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（两者合并），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

显示实例化如下，把类型写死了，没有展示模板的优势，不推荐

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

// a.cpp
template<class T>
T Add(const int& left, const int& right)
{
	return left + right;
}

四、模板总结（优缺点）

【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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文章到这里就结束了，下一篇即将更新

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