【ONE·C++ || 模板进阶】

news2024/9/23 7:26:59

总言

  主要介绍模板相关内容：非类型模板参数、类模板特化、模板的分离编译。

文章目录

  • 总言
  • 1、非类型模板参数
    • 1.1、主要介绍
    • 1.2、std::array 简要说明
  • 2、模板的特化
    • 2.1、基本介绍
    • 2.2、函数模板特化
    • 2.3、类模板特化
      • 2.3.1、基本说明
      • 2.3.2、用途举例
      • 2.3.3、分类：全特化、偏特化
  • 3、模板的分离编译

  
  

1、非类型模板参数

1.1、主要介绍

  1）、问题引入
  在之前，我们已经对模板有一定了解：

	#define N 5
	template<class T>
	class Array
	{
	private:
		T _a[N];
	};

int main()
{
	Array<int>  a1;
	Array<double> a2;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
  根据上述情况，我们能使用模板定义出两个类型不同的类，但是，假如我们需要a1大小为10，a2大小为8，该如何定义呢？
  
  这是我们就需要非类型模板参数。
  
  
  2）、非类型模板参数介绍
  模板参数分类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：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。
  
  举例如下：此处的size_t N即非类型模板参数。

template<class T, size_t N>
class Array
{
private:
	T _a[N];
};


int main()
{
	Array<int,10>  a1;
	Array<double,8> a2;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

  注意事项：
  1、非类型模板参数只能是常量，因此其限制了变长数组的使用。
  2、非类型模板参数也可以使用缺省值。

template<class T, size_t N=5>
struct Array
{
	T _a[N];
};

int main()
{
	Array<int>  a1;
	Array<double,8> a2;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

  3、非类型模板参数限制为整型(包含char)，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。
在这里插入图片描述

  4、非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
  
  
  

1.2、std::array 简要说明

  事实上，库里也有一个array：相关链接
在这里插入图片描述
  其相关使用和数组一致，细微之处在于多了迭代器的各接口。那么，有一个问题：既然有了数组，为什么还要单独创建一个array的类？

	Array<int>  a1;
	int arr[5];

在这里插入图片描述

  实际上，主要的区别在于：对越界的检查。
  Array<int> a1;：属于函数调用，只要越界，就能检查到。
  int arr[5];：属于指针解引用 ，其越界检查属于设岗抽查，且只针对越界写，越界读不检查。
  
  

2、模板的特化

2.1、基本介绍

  1）、问题引入
  如下，我们写一个Less函数模板，用于比较不同类型大小：

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

int main()
{
	// 可以比较，结果正确
	cout <<"Less(1, 2):" << Less(1, 2) << endl;

	// 可以比较，结果正确
	Date d1(2023, 4, 29);
	Date d2(2023, 6, 19);
	cout << "Less(d1, d2):" << Less(d1, d2) << endl;

	// 可以比较，结果错误
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << "Less(p1, p2):" << Less(p1, p2) << endl;

	return 0;
}

  可以发现：Less适用于绝对多数场景，但是在特殊场景下会得到错误的结果。如上述Less(p1, p2)，对此分析，这是因为p1、p2为指针类型，指向的是Date对象的地址，我们期望Less函数内部比较的是p1和p2指向的对象内容（d1，d2），但实际比较的是p1和p2指针的地址。在这里插入图片描述
  针对上述情况，就需要用到模板特化。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。
  

struct Date
{
	Date(int year, int month, int day)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

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

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

	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

  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

  1）、使用说明

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

  仍旧是上述例子，我们对Less函数模板进行特化处理：

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

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

  结果如下：
在这里插入图片描述

  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。
  
  当然我们也可直接使用非模板函数：(这里有一个模板参数的匹配原则，相关内容见模板初阶章节)

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

  
  
  

2.3、类模板特化

2.3.1、基本说明

  除了函数模板特化，类模板也可以根据需求进行特化处理，以下为相关演示：

namespace myless
{
	//类模板
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& val1, const T& val2)
		{
			return val1 < val2;
		}
	};
}

void test06()
{
	Date d1(2023, 4, 29);
	Date d2(2023, 6, 19);
	myless::less<Date> lessFun1;
	cout << lessFun1(d1, d2) << endl;

	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	myless::less<Date*> lessFun2;
	cout << lessFun2(p1, p2) << endl;
}

在这里插入图片描述

  
  同样定义一个类模板，当我们传入参数不同时，存在场景使用错误，因此类模板中也需要特化处理。

namespace myless
{
	//类模板
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& val1, const T& val2)
		{
			return val1 < val2;
		}
	};

	template<>//注意模板特化需要处理的地方
	struct less<Date*>//
	{
		bool operator()(Date* val1, Date* val2)//
		{
			return *val1 < *val2;
		}
	};

}

在这里插入图片描述
  
  
  

2.3.2、用途举例

  我们以优先级队列来举例演示：
  分别用date类构建两个优先级队列，根据之前所学，优先级队列实则是以堆排序数据的，因此我们将相同的date数据传入优先级队列中，再分别拿出打印：

#include<queue>
void test07()
{
	std::priority_queue<Date,vector<Date>,myless::less<Date>> pq1;
	std::priority_queue<Date*, vector<Date*>, myless::less<Date*>> pq2;
	

	pq1.push(Date(2023, 4, 29));pq1.push(Date(2023, 6, 19));pq1.push(Date(2023, 3, 07));pq1.push(Date(2023, 4, 20));
	pq1.push(Date(2023, 9, 18));pq1.push(Date(2023, 7, 11));pq1.push(Date(2023, 8, 24));
	while (!pq1.empty())
	{
		cout << pq1.top();
		pq1.pop();
	}
	
	cout << "________________________________________________" << endl;

	pq2.push(new Date(2023, 4, 29)); pq2.push(new Date(2023, 6, 19)); pq2.push(new Date(2023, 3, 07)); pq2.push(new Date(2023, 4, 20));
	pq2.push(new Date(2023, 9, 18)); pq2.push(new Date(2023, 7, 11)); pq2.push(new Date(2023, 8, 24));
	while (!pq2.empty())
	{
		cout << *(pq2.top());
		pq2.pop();
	}
}

  结果如下：可看到，在没有对模板进行特化处理时，以Date*构建出的优先级队列pq2，其结果非按照大堆排序，实则排序的是new出来的地址空间。
在这里插入图片描述

namespace myless
{
	//类模板
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& val1, const T& val2)
		{
			return val1 < val2;
		}
	};

	//template<>
	//struct less<Date*>
	//{
	//	bool operator()(Date* val1, Date* val2)
	//	{
	//		return *val1 < *val2;
	//	}
	//};

}

  
  
  

2.3.3、分类：全特化、偏特化

  1）、全特化、偏特化举例
  以下述类模板举例：

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

  全特化：将模板参数列表中所有的参数都确定化。

//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<int,char>" << endl;
	}
};

  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。
  偏特化演示一：部分特化，将模板参数类表中的一部分参数特化。

template<class T1>//注意偏特化中，这里模板参数需要给出
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
};

  偏特化演示二：偏特化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<T1*, T2*>//这也是偏特化的一种，这里限制了参数必须是指针类型
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
};

  相关结果：
在这里插入图片描述

  

template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>//模板参数还可以是引用
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2&>//也可以是二者结合
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2&>" << endl; }
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1, T2&>//也可以是二者结合
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2&>" << endl; }
};

在这里插入图片描述

  
  

3、模板的分离编译

  1）、问题说明
  我们以vector来举例说明：

//vector.h文件
namespace myvector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		//这里为了观察省去一部分成员函数
		//……
		
		//尾删数据
		void pop_back()
		{
			assert(_finish > _start);
			_finish--;
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& val);
		void push_back(const T& val);


	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _end_of_storage;
	};
}

  此处以insert、push_back来举例说明，我们将其在类中声明，在类外定义：

  注意这里的各种写法：
  1、vector<T>::push_back、vector<T>::insert 类外使用，要注意指定类域，如果不加命名空间，则为myvector::vector<T>::push_back
  2、typename vector<T>::iterator，加上该关键字是为了区别后面iterator是类中的一个类型，而非静态类成员，因为静态类成员也可以使用类域直接访问。

//vector.cpp文件
namespace myvector
{
	template<class T>
	typename vector<T>::iterator typename vector<T>::insert(typename vector<T>::iterator pos, const T& val)//vector<T>::iterator、vector<T>::insert 类外使用，要注意指定类域
	{
		assert(pos >= _start && pos <= _finish);

		if (_finish == _end_of_storage)
		{
			size_t len = pos - _start;
			reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			pos = _start + len;
		}

		iterator end = _finish - 1;
		while (end >= pos)
		{
			*(end + 1) = *end;
			--end;
		}
		*pos = val;
		++_finish;
		return pos;
	}

	template<class T>
	void vector<T>::push_back(const T& val)
	{
		//检查
		if (_finish == _end_of_storage)
		{
			reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		}
		//插入
		*_finish = val;
		++_finish;
	}
}

  
  以下为测试代码：

//test.cpp
#include"vector.h"
void test09()
{
	myvector::vector<int> v1;
	v1.push_back(1);
	v1.push_back(2);
	v1.push_back(3);
	for (size_t i = 0; i < v1.size(); ++i)
	{
		cout << v1[i] << " ";
	}
}

  我们运行上述代码：可发现结果报错，且是链接错误。但当我们没使用insert、push_back声明和定义分离的这两个函数时，成功运行。
在这里插入图片描述

  原因解释：
  1、test.cpp文件中包含了头文件vector.h，头文件在编译阶段会展开，而故头文件中定义的函数operator[]、size等，后续vector<int> v1实例化时，这些成员函数都跟随实例化，也就有了具体定义，那么编译阶段能够直接确定地址。

  2、insert、push_back声明和定义分离，vector.h中只有二者声明，而test.cpp中我们使用这两个函数，那么即使头文件被展开，在编译阶段我们没有得到二者的确切地址，故只能在链接阶段所有.obj文件汇总后去寻找相关地址。

  3、但我们得到的结果是报错，说明链接阶段没有找到insert、push_back的地址，这是因为声明定义分离后，其中模板参数T无法确定，即二者没有实例化，相应地址也就没有进入符号表，故链接出错。

  
  2）、解决方案
  关于模板声明定义分离解决方案：
  1、将声明和定义放到同一个文件里，比如 “xxx.hpp” 或者xxx.h，在该基础上，类里声明，类外实现函数具体方法。

  2、模板定义的位置显式实例化，如下：这种写法存在的一个缺陷是把类型写死了。

//vector.cpp文件
namespace myvector
{
	template<class T>
	typename vector<T>::iterator typename vector<T>::insert(typename vector<T>::iterator pos, const T& val)//vector<T>::iterator、vector<T>::insert 类外使用，要注意指定类域
	{
		assert(pos >= _start && pos <= _finish);

		if (_finish == _end_of_storage)
		{
			size_t len = pos - _start;
			reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
			pos = _start + len;
		}

		iterator end = _finish - 1;
		while (end >= pos)
		{
			*(end + 1) = *end;
			--end;
		}
		*pos = val;
		++_finish;
		return pos;
	}

	template<class T>
	void vector<T>::push_back(const T& val)
	{
		//检查
		if (_finish == _end_of_storage)
		{
			reserve(capacity() == 0 ? 4 : capacity() * 2);
		}
		//插入
		*_finish = val;
		++_finish;
	}

	//针对整个类进行显示实例化的的方法：
	template
	vector<int>;

	template
	vector<double>;
}

  
  
  3）、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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