【C++】模版进阶-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Sakura_ding/article/details/146549241

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。
示例：

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;
};

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。

模板的特化

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可能会得到错误的结果，需要特殊处理。例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;
}
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;
}

上述示例中，Less多数情况下可正常比较，但在特殊场景（比较指针时）得到错误结果。
因为Less内部比较的是指针地址，而非指针指向对象的内容。此时需要对模板进行特化，即在原模板类的基础上，针对特殊类型进行特殊化的实现方式。模板特化分为函数模板特化与类模板特化。

函数模板特化

步骤：
- 必须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，否则编译器可能会报奇怪的错误。
示例：

// 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。例如：

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

这种实现简单明了，代码可读性高，容易书写。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。

类模板特化

全特化：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;
}

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。
- 部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化。

// 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;
};

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
}

类模板特化应用示例：有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，并且结果正确。但如果待排序元素是指针，结果不一定正确。因为sort最终按照Less模板中方式比较，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，运行上述代码，就可以得到正确的结果。

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。
模板的分离编译：假如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;
}

分析：C/C++程序要运行，一般要经历预处理、编译、汇编、链接。
编译时对程序按照语言特性进行词法、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码，头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是分离开单独编译的。链接是将多个obj文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题。
在main.obj中调用的Add< int > 与Add < double >，编译器在链接时才会找其地址，但是这两个函数没有实例化没有生成具体代码，因此链接时报错。
在a.cpp中，编译器没有看到对Add模版函数的实例化，因此不会生成具体的加法函数。
解决方法：
- 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。
- 模板定义的位置显式实例化，这种方法不实用，不推荐使用。
分离编译扩展阅读