C++ 模版进阶

前言：C++模版（初阶）-优快云博客

1. 非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。

a.类型形参即：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。

b.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。（整型常量）

namespace sy
{
	// 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：

1. 浮点数（C++20支持）、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 必须在编译期 就能确认结果。

template<size_t N = 10, bool flag = false>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};
// C++20
//template<double D>
//class A
//{
//private:
//
//};

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。

#include<iostream>
using namespace std;
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);
	}
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;
}
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;
}
//运行结果 ： 1 1 1

当我们改把d1改大:

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
	Date d1(2022, 7, 9);
	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;
}
//运行结果： 1 0 1
//我们想要得到的结果应该是 1 0 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显然大于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导致错误产生。

我们也可以调试观察，这里比较的是地址而不是对象本身。

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。

---

还是刚才那个测试代码，我们在添加特化之后，就能得到正确的结果。

// 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, 9);
	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;
}
//运行结果1 0 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 。（参考函数模板的匹配规则）

bool LessFunc(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。

总结：可以自行调试观察

#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
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);
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

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

class DateLess
{
public:
	bool operator()(Date* p1, Date* p2)
	{
		return *p1 < *p2;
	}
};


// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
//bool LessFunc(T const & left, T const & right)
bool LessFunc(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}

 //const 特化
template<>
bool LessFunc<const Date*>(const Date* const& left, const Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}

template<>
bool LessFunc<Date*>(Date* const& left, Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}

// 推荐
bool LessFunc(const Date* left, const Date* right)
{
	return *left < *right;
}

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

int main()
{
	cout << LessFunc(1, 2) << endl;

	Date d1(2022, 7, 9);
	Date d2(2022, 7, 8);
	cout << LessFunc(d1, d2) << endl; 

	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << LessFunc(p1, p2) << endl; 

	const Date* p3 = &d1;
	const Date* p4 = &d2;
	cout << LessFunc(p3, p4) << endl; 

	const int i = 0;
	int const j = 0;
	const int& rx = i;
	int const& ry = i;

	return 0;
}

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;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, 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：

两种表现方式：

1.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;
};

//部分特化
// 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;
};

  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。  

//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 test2()
{
	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
}

int main()
{
	test2();
	return 0;
}

//运行结果：
//Data<T1, int>
//Data<T1, T2>
//Data<T1*, T2*>
//Data<T1&, T2&>

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>

class Date
{
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
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);
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
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;
	}
};
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);
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());
	vector<Date*> v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
	return 0;
}

总结：可以自行调试观察

#include<iostream>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

// 偏特化/半特化
template<class T1>
class Data<T1, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, double>" << endl; }
};

template<class T1>
class Data<T1, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
};

// 偏特化，传的类型是指针
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1*, T2*>" << endl;
	}
};

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


template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1&, T2*>" << endl;

		int a = 0;
		T1& x = a;
		T2* y = &a;
		T1 z = a;

		//类型
		cout << typeid(x).name() << endl;
		cout << typeid(y).name() << endl;
	}

	void Push(const T1& x)
	{}
};

int main()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
	Data<int, double> d3;
	Data<char, double> d4;
	Data<char, char> d5;
	Data<char*, char*> d6;
	Data<int*, char*> d7;
	Data<int&, char&> d8;
	Data<int&, double&> d9;
	Data<int&, int*> d10;
	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

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;
}

生成一个可执行文件的过程：

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。

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误。