模板的进阶

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分类专栏： C++ 文章标签： c++

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本文详细介绍了C++中的模板技术，包括非类型模板参数的使用、模板特化的概念（函数模板特化和类模板特化，特别是全特化和偏特化），以及模板分离编译的原理和解决方法。讨论了模板的优点和缺点，如代码复用和可能的编译时间增加问题。

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1.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。

// 定义一个模板类型的静态数组
//非类型模板参数
//1.它是常量不可进行修改
//2.必须是整形
template<class T, size_t N = 10>//N是非类型模板参数
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int, 10> st1;
	Stack<int, 100> st2;
}

注意：
1. 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。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果，所以可以加上缺省值。

2.模板特化

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

// 函数模板 -- 参数类型匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; //结果正确

	int a = 30, b = 20;
	cout << Less(a, b) << endl; //结果正确

	cout << Less(&a, &b) << endl; //结果错误

	return 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，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普通函数模板
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。

//普通函数模板 -- 参数类型匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

//第一种方法
//函数模板的特化
template<>
bool Less<int*>(int* left, int* right)
{
	return *left < *right;
}

//第二种方法
template<class T>
bool Less(T* left, T* right)
{
	return *left < *right;
}

//函数重载
bool Less(int* left, int* right)
{
	return *left < *right;
}

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; //结果正确

	int a = 30, b = 20;
	cout << Less(a, b) << endl; //结果正确
	cout << Less(&a, &b) << endl; //结果错误

	double c = 1.1, d = 2.2;
	cout << Less(&c, &d) << endl;

	return 0;
}

2.3类模板特化

类模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的普通类模板
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
4. 模板类参数表里面的类型个数要和普通类模板的类型个数一样

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

//普通类模板
template<class T1, class T2>//普通类模板参数
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//全特化
template<>
class Data<int, char>//模板类参数表
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
int main()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;

	return 0;
}

2.3.2偏特化

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

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

//普通类模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//1.将第二个参数特化为int
template <class T1>
class Data<T1, int>//部分特化，将模板类参数表中的一部分参数特化
{
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
}

注：这些特化模板是新的类吗？肯定不是，因为他们不是独立存在的，他们是建立在普通类模板的上面，不需要把他们的所有成员变量和成员函数全部再写一遍，只需要在你特化出来的类里面实现需要该特化类里面才能实现的功能的成员函数或者成员变量即可也就是说根据需求来写，但是模板实例化出来的东西是独立存在的是新的东西。

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"test.h"
int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

分析：

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.h
#pragma once
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

//main.cpp
#include"test.h"

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}

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、由头文件"xxx.hpp"或者"xxx.h"使用include包含源文件"xxx.cpp"

//a.h
#pragma once

#include"test.cpp"

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"test.h"

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1.0, 2.0);
	return 0;
}