C++模板（二）

江烽渔火

已于 2025-03-19 21:19:32 修改

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文章标签： c++ 开发语言

于 2025-03-19 21:18:54 首次发布

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一、非类型模板参数

模板参数分为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。（如 int、char、指针等）

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
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果

二、模板的特化

2.1 概念

模板特化是C++模板编程中的一种机制，它允许为特定的模板参数提供专门的实现。

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：

//...已实现日期类
// 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，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。

此时需要对模板进行特化。模版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：

必须要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，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。

//假设已实现日期类
// 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。

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

函数重载的方式更简单明了且代码的可读性高，因此函数模板不建议特化。

2.3 类模板特化

同样地，类模板特化用于为特定的模板参数提供专门的类定义。类模板特化可以分为全特化和偏特化。

2.3.1 全特化

全特化指将模板参数列表中所有的参数都确定化。

// 通用模板
template <class T1, class T2>
class MyClass {
    T1 _d1;
    T2 _d2;
public:
    MyClass()
    {
        cout << "MyClass(T1,T2)" << endl;
    }
};

// 全特化模板，针对 int 类型
template <>
class MyClass<int,char>
{
    int _d1;
    char _d2;
public:
    MyClass()
    {
        cout << "MyClass(int,char)" << endl;
    }
};

int main() {
    MyClass<int,int> obj1; // 使用通用模板
    MyClass<int,char> obj2; // 使用全特化模板
    return 0;
}

2.3.2 偏特化

偏特化是指为模板的一部分参数提供特定的实现，而其他参数保持通用。偏特化允许模板在某些参数固定的情况下，仍然可以接受其他类型的参数。

偏特化有以下两种表现方式：

1. 部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化：

// 通用特化
// ...
// 部分特化,将第二个参数特化为int
template <class T1>
class MyClass<T1,int>
{
    T1 _d1;
    int _d2;
public:
    MyClass()
    {
        cout << "MyClass(T1,int)" << endl;
    }
};

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。

// 两个参数特化为指针类型
template <class T1,class T2>
class MyClass<T1*,T2*>
{
    T1 _d1;
    T2 _d2;
public:
    MyClass()
    {
        cout << "MyClass(T1*,T2*)" << endl;
    }
};

若已经写好上面所提到的所有版本的模板，运行下面的程序：

MyClass<int,int> obj1;//MyClass(T1,int)
MyClass<int,char> obj2;//MyClass(int,char)
MyClass<int*,int*> obj3;//MyClass(T1*,T2*)
MyClass<char,int> obj4;//MyClass(T1,int)
MyClass<char,char> obj5;//MyClass(T1,T2)

当存在多个模板（包括通用模板和特化模板）时，编译器会按照以下优先级顺序选择最匹配的模板：

全特化 > 偏特化 > 通用模板，如果存在多个偏特化模板，编译器会匹配更具体的那个。如果存在多个模板实例都符合要求，但无法确定哪个更具体，编译器会报错，提示模板匹配歧义

简而言之，能匹配的模板中哪个条件限制最死或最具体就匹配哪个。

三、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;
}

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。

// a.hpp
//声明
//定义
//或者只写定义


// a.cpp
#include"test.hpp"

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。

3.4 模板总结

【优点】

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
增强了代码的灵活性

【缺陷】

模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误