• ＜模板进阶＞——《C++高阶》

    目录

    1. 非类型模板参数

    2. 模板的特化

    2.1 概念

    2.2 函数模板特化

    2.3 类模板特化

    2.3.1 全特化

    2.3.2 偏特化

    2.3.3 类模板特化应用示例

    3 模板分离编译

    3.1 什么是分离编译

    3.2 模板的分离编译

    3.3 解决方法

    4. 模板总结

    后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知

    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。

    类型模板参数：虚拟类型

    非类型模板参数：常量

    1. namespace byte
    2. {
    3. 	// 定义一个模板类型的静态数组
    4. 	template<class T, size_t N = 10>
    5. 	class array
    6. 	{
    7. 	public:
    8. 		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
    9. 		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }
    10.  
    11. 		size_t size()const { return _size; }
    12. 		bool empty()const { return 0 == _size; }
    13.  
    14. 	private:
    15. 		T _array[N];
    16. 		size_t _size;
    17. 	};
    18. }
    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。

     

    1.  
    2. template<class T,size_t N>
    3. class Stack
    4. {
    5. private:
    6. 	T _a[N];
    7. 	int _top;
    8. };
    9. int main()
    10. {
    11. 	Stack<int,100> st1;    //指定大小为100
    12. 	Stack<double,500> st2; //指定大小为500
    13.  
    14. 	return 0;
    15. }

    栈很小，堆很大，vector在堆上，array在栈上。

    array(封装过得原生数组即operator[ ]）与原生数组（例：int arr[ ]）相比较，array能严格检查越界。实际中，使用vector更方便。

    注：非类型模板参数主要是整型。 

    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

    1. // 函数模板 -- 参数匹配
    2. template<class T>
    3. bool Less(T left, T right) 
    4. {
    5. 	return left < right;
    6. }
    7. int main()
    8. {
    9. 	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
    10. 	Date d1(2022, 7, 7);
    11. 	Date d2(2022, 7, 8);
    12. 	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
    13. 	Date* p1 = &d1;
    14. 	Date* p2 = &d2;
    15. 	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
    16. 	return 0;
    17. }
    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

     

    1. // 函数模板 -- 参数匹配
    2. template<class T>                             //实例化
    3. bool Less(T left, T right)
    4. {
    5. 	return left < right;
    6. }
    7. // 特化：针对特殊类型所进行特殊化的实现方式
    8. template<>                                    //未完全实例化
    9. bool Less(Date* left, Date* right)
    10. {
    11. 	return *left < *right;
    12. }
    13. bool Less(Date* left, Date* right)             //直接匹配
    14. {
    15. 	return *left < *right;
    16. }
    17. int main()
    18. {
    19. 	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
    20. 	Date d1(2022, 7, 30);
    21. 	Date d2(2022, 8, 1);
    22. 	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
    23. 	Date* p1 = &d1;
    24. 	Date* p2 = &d2;
    25. 	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
    26. 	return 0;
    27. }

     

    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。 
    1. // 函数模板 -- 参数匹配
    2. template<class T>
    3. bool Less(T left, T right) 
    4. {
    5. 	return left < right;
    6. }
    7. // 对Less函数模板进行特化
    8. template<>
    9. bool Less(Date* left, Date* right) { return *left < *right; }
    10. int main()
    11. {
    12. 	cout << Less(1, 2) << endl;
    13. 	Date d1(2022, 7, 7);
    14. 	Date d2(2022, 7, 8);
    15. 	cout << Less(d1, d2) << endl;
    16. 	Date* p1 = &d1;
    17. 	Date* p2 = &d2;
    18. 	cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
    19. 	return 0;
    20. }
    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。 
    1. bool Less(Date* left, Date* right) 
    2. {
    3.  return *left < *right; 
    4. }

    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。

    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。 
    1. template<class T1, class T2>
    2. class Data
    3. {
    4. public:
    5. 	Data() { cout << "Data" << endl; }
    6. private:
    7. 	T1 _d1;
    8. 	T2 _d2;
    9. };
    10. template<>
    11. class Data<int, char> 
    12. {
    13. public:
    14. 	Data() { cout << "Data" << endl; }
    15. private:
    16. 	int _d1;
    17. 	char _d2;
    18. };
    19. void TestVector()
    20. {
    21. 	Data<int, int> d1;
    22. 	Data<int, char> d2;
    23. }

     

    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： 
    1. template<class T1, class T2>
    2. class Data
    3. {
    4. public:
    5. 	Data() { cout << "Data" << endl; }
    6. private:
    7. 	T1 _d1;
    8. 	T2 _d2;
    9. };
    偏特化有以下两种表现方式：
    • 部分特化
    • 将模板参数类表中的一部分参数特化。
    1. // 将第二个参数特化为int
    2. template <class T1>
    3. class Dataint> 
    4. {
    5. public:
    6.  Data() {cout<<"Data" <
    7. private:
    8.  T1 _d1;
    9.  int _d2;
    10. };
    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。 
    1. //两个参数偏特化为指针类型
    2. template <typename T1, typename T2>
    3. class Data 
    4. {
    5. public:
    6. 	Data() { cout << "Data" << endl; }
    7.  
    8. private:T1 _d1;
    9. 	   T2 _d2;
    10. };
    11. //两个参数偏特化为引用类型
    12. template <typename T1, typename T2>
    13. class Data 
    14. {
    15. public:
    16. 	Data(const T1& d1, const T2& d2)
    17. 		: _d1(d1)
    18. 		, _d2(d2)
    19. 	{
    20. 		cout << "Data" << endl;
    21. 	}
    22.  
    23. private:
    24. 	const T1& _d1;
    25. 	const T2& _d2;
    26. };
    27. void test2()
    28. {
    29. 	Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
    30. 	Data<int, double> d2; // 调用基础的模板 
    31. 	Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
    32. 	Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
    33. }


     

    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 
    1. #include
    2. #include 
    3. template<class T>
    4. struct Less
    5. {
    6. 	bool operator()(const T& x, const T& y) const
    7. 	{
    8. 		return x < y;
    9. 	}
    10. };
    11. int main()
    12. {
    13. 	Date d1(2022, 7, 7);
    14. 	Date d2(2022, 7, 6);
    15. 	Date d3(2022, 7, 8);
    16. 	vector v1;
    17. 	v1.push_back(d1);
    18. 	v1.push_back(d2);
    19. 	v1.push_back(d3);
    20. 	// 可以直接排序，结果是日期升序
    21. 	sort(v1.begin(), v1.end(), Less());
    22. 	vector v2;
    23. 	v2.push_back(&d1);
    24. 	v2.push_back(&d2);
    25. 	v2.push_back(&d3);
    26.  
    27. 	// 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
    28. 	// 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
    29. 	// 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
    30. 	sort(v2.begin(), v2.end(), Less());
    31. 	return 0;
    32. }
    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： 
    1. // 对Less类模板按照指针方式特化
    2. template<>
    3. struct Less
    4. {
    5.  bool operator()(Date* x, Date* y) const
    6.  {
    7.  return *x < *y;
    8.  }
    9. };

     

    1. #include
    2. #include 
    3. template<class T>
    4. struct Less
    5. {
    6. 	bool operator()( T& x,  T& y) const
    7. 	{
    8. 		return x < y;
    9. 	}
    10. };
    11. // 对Less类模板按照指针方式特化
    12. template<>
    13. struct Less
    14. {
    15. 	bool operator()(Date* x, Date* y) const
    16. 	{
    17. 		return *x < *y;
    18. 	}
    19. };
    20. //偏特化：对于int*、double*、float*等处理
    21. template<class T>
    22. struct Less
    23. {
    24. 	bool operator()(T* x, T* y) const
    25. 	{
    26. 		return *x < *y;
    27. 	}
    28. };
    29. int main()
    30. {
    31. 	Date d1(2022, 7, 7);
    32. 	Date d2(2022, 7, 6);
    33. 	Date d3(2022, 7, 8);
    34. 	vector v1;
    35. 	v1.push_back(d1);
    36. 	v1.push_back(d2);
    37. 	v1.push_back(d3);
    38. 	for (auto e : v1)
    39. 	{
    40. 		cout << e ;
    41. 	}
    42. 	cout << endl;
    43. 	// 可以直接排序，结果是日期升序
    44. 	sort(v1.begin(), v1.end(), Less());
    45. 	for (auto e : v1)
    46. 	{
    47. 		cout << e ;
    48. 	}
    49. 	cout << endl;
    50. 	vector v2;
    51. 	v2.push_back(&d1);
    52. 	v2.push_back(&d2);
    53. 	v2.push_back(&d3);
    54. 	for (auto e : v2)
    55. 	{
    56. 		cout << e << endl;
    57. 	}
    58. 	cout << endl;
    59. 	// 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
    60. 	// 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
    61. 	// 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
    62. 	sort(v2.begin(), v2.end(), Less());
    63. 	for (auto e : v2)
    64. 	{
    65. 		cout << e << endl;
    66. 	}
    67. 	cout << endl;
    68. 	return 0;
    69. }

     特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

    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： 
    1. // a.h
    2. template<class T> T Add(const T& left, const T& right);
    3. // a.cpp
    4. template<class T> T Add(const T& left, const T& right)
    5. {
    6. return left + right; 
    7. }
    8. // main.cpp
    9. #include"a.h"
    10. int main()
    11. {
    12. 	Add(1, 2);
    13. 	Add(1.0, 2.0);
    14.  
    15. 	return 0;
    16. }

    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

    后记：
    ●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知

     

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