C++ 模板的进阶关于函数模板和类模板的相关知识-优快云博客

文章目录

非类型模板参数
模板的特化
模板的分离编译
模板总结

非类型模板参数

模板参数可分为类型形参和非类型形参。
类型形参： 出现在模板参数列表中，跟在class或typename关键字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。

例子：

// 定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N> // T：类型参数 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
};

使用了非类型模板参数，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

int main()
{
	StaticArray<int, 10> a1; //定义一个大小为10的静态数组
	cout << a1.arraysize() << endl; //10
	
	StaticArray<int, 20> a2; //定义一个大小为20的静态数组
	cout << a2.arraysize() << endl; //20
	return 0;
}

注意：
1、只允许整形作为非类型模板参数。浮点数、类对象以及字符串不允许作为非类型模板参数。
2、非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。因为编译器需要在编译阶段根据传入的非类型模板参数生成相应的类或函数。

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的可能会得到一些错误的结果，需要特殊处理。

例子：

// 实现一个专门用来进行小于比较的函数模板
template<class T>
bool Less(T x, T y)
{
	return x < y;
}

int main()
{
	cout << Less(1, 3) << endl;   // 可以比较，结果正确
	
	Date d1(2025, 5, 13);
	Date d2(2025, 5, 12);
	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;
}

根据以上代码，可以看到Less这个函数在多数情况下比较是没问题的，但是在特殊情况下比较的结果会出错。上述代码中，p1所指向的对象d1小于p2所指向的对象d2，但是Less函数并没有比较p1和p2指向的对象，而是比较p1和p2指针的地址，所以结果出错。

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。

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，否则不同的编译器可能会报一些奇怪的错误。

例子：
对前面的例子中进行特化解决错误

// 这是基础的函数模板
template<class T>
bool Less(T x, T y)
{
	return x < y;
}

// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* x, Date* y)
{
	return *x < *y;
}

int main()
{
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl;  // 调用特化之后的版本，不走模板生成
	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。这样的实现简单明了，代码可读性高。

bool Less(Date* x, Date* y)
{
	return *x < *y;
}

类模板特化

类模板的特化分为全特化和偏特化（半特化）

类模板特化的步骤：

1、首先必须要有一个基础的类模板。
2、关键字template后面接一对空的尖括号<>。
3、类名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型。

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。

例子：

// 基础的类模板
template<class T1, class T2>
class Fall
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<T1, T2>" << endl;
	}
private:
	T1 _f1;
	T2 _f2;
};

//对于T1是int，T2是double时进行特化
template<>
class Fall<int,double>
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<int,double>" << endl;
	}
private:
	int _f1;
	double _f2;
};

int main()
{
	Fall<int,int> f1; // 调用类模板
	Fall<int,double> f2; // 调用特化的类模板
	return 0;
}

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

比如对于以下类：

template<class T1, class T2>
class Fall
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<T1, T2>" << endl;
	}
private:
	T1 _f1;
	T2 _f2;
};

偏特化有两种表现形式：分别为部分特化和参数更进一步限制

1.部分特化
将模板参数类表中的一部分参数特化

//对T1为int的类进行特化
template<class T2>
class Fall<int, T2>
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<int, T2>" << endl;
	}
private:
	int _f1;
	T2 _f2;
};

int main()
{
	Fall<double,int> f1; // 调用类模板
	Fall<int,double> f2; // 调用特化的类模板
	Fall<int,int> f3; // 调用特化的类模板
	return 0;
}

由于类模板中将T1特化成了int，所以当实例化对象时，第一个参数为int类型，那么就会优先使用这个特化的类模板

2.参数更进一步限制
偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

例子：

//两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Fall<T1*, T2*>
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<T1*, T2*>" << endl;
	}
private:
	T1 _f1;
	T2 _f2;
};

//两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Fall<T1&, T2&>
{
public:
	//构造函数
	Fall()
	{
		cout << "Fall<T1&, T2&>" << endl;
	}
private:
	T1 _f1;
	T2 _f2;
};

int main()
{
	Fall<double,int> f1; // 调用基础的类模板
	Fall<int,double> f2; // 调用特化的int模板
	Fall<int*,int*> f3; // 调用特化的指针模板
	Fall<int&,int&> f4(1,2); // 调用特化的引用模板
	return 0;
}

模板的分离编译

模板的分离编译概念

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

分离编译模式下，一般有三个文件，一个头文件用于函数的声明，一个源文件用于函数的定义，另外一个源文件用于调用头文件中的函数。
在这里插入图片描述
通过以上方式生成可执行文件时，会发生链接的错误

分析：

程序运行的四个步骤：
预处理：头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等。
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。
汇编： 把编译阶段生成的文件转成目标文件。
链接： 将生成的各个目标文件进行链接，生成可执行文件。

通过预处理，进行删除注释和头文件展开进行替换
在这里插入图片描述
会生成以下两个文件

然后是编译阶段，虽然在 main.i 当中有调用Add函数的代码，但是在 main.i 里面也有Add函数模板的声明，因此在编译阶段并不会发现任何语法错误，之后便顺利将 Add.i 和 main.i 翻译成了汇编语言