C++模板进阶

Posted 2022-01-26 The August

模板进阶

• 非类型模板参数
• 模板的特化
• • 函数模板特化(用的少)
  • 类模板特化（用的多）
  • • 全特化
    • 偏特化
• 模板分离编译
• 模板的按需实例化
• 模板总结

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
// 定义一个模板类型的静态数组
//T是类型模板参数
//N是非类型模板参数，N是一个常量
template<class T=char, 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;
;
int main()

	Array<int, 100> a1;
	Array<double> a2;
	Array<> a3;
	return 0;

注：
模板参数都可以给缺省值
模板参数给缺省值跟函数参数给缺省值是完全类似的（全缺省、半缺省（必须从右往左连续缺省））
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。

总结：

• STL中的array不建议使用它，最好用vector，因为如果数据量大，可能会导致栈溢出
• STL中的forword_list没有提供尾插、尾删，是因为效率太低
• STL中的array和forword_list非常鸡肋，经常被吐槽
• C++缺点之一，后期C++11等等标准增加了不少鸡肋的语法，让语言变得臃肿，增加了学习成本，还有一些刚需的东西，姗姗来迟，甚至还没有来（网络库）

模板的特化

函数模板特化(用的少)

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
using namespace std;
// 模板的特化，针对某些类型进行特殊化处理
template<class T>
bool IsEqual(const T& left, const T& right) 

	return left == right;

//bool IsEqual(char* const& left, char* const& right)
//
//	return strcmp(left, right) == 0;
//
bool IsEqual(char* left, char*  right)

	return strcmp(left, right) == 0;

int main()

	int a = 0;
	int b = 10;
	cout << IsEqual(a, b) << endl;
	char p1[] = "hello";
	char p2[] = "hello";
	cout << IsEqual(p1, p2) << endl;
	return 0;

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T>
void Swap(T& a, T& b)

	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;

模板匹配原则，进行特殊化处理 ——推荐用这个
//void Swap(vector<int>& a, vector<int>& b)
//
//	a.swap(b);
//

//模板特殊化
template<>
void Swap<vector<int>>(vector<int>& a, vector<int>& b)

	a.swap(b);

int main()

	int x = 1;
	int y = 2;
	Swap(x, y);
	vector<int> v1 =  1,2,30 ;
	vector<int> v2 =  20,10,30 ;
	Swap(v1, v2);
	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。

类模板特化（用的多）

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Data

public:
	Data() 
	 
		cout << "Data<T1, T2>" << endl;
	
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
;
//类模板特化
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;

int main()

	TestVector();
	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
部分特化:将模板参数类表中的一部分参数特化。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Data

public:
	Data()  cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
;
// 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;
;

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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Data

public:
	Data()  cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
;
//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

int main()

	test2();
	return 0;

注：偏特化/半特化：不一定是特化部分参数，而是对模板参数类型的进一步限制

模板分离编译

函数模板分离编译

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

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; 

分析：

注：
预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、去掉注释……（将.cpp转为.i）
编译：语法检查、生成汇编代码（将.i转为.s）
汇编：把汇编代码转换成二进制机器码（将.s转为.o）
链接：把类似.o的文件里面没有函数地址的地方，拿名字去目标文件中找，找到以后填上，再把目标文件合并到一起，生成可执行文件

解决方案：

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
   

注：
显式实例化缺陷用一个类型就得显示实例化一个，非常麻烦

类模板分离编译

.h
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
template<class T>
class Stack

public:
	Stack();
	~Stack();
	void Push(const T& x);
private:
	T* _a;
	int _top;
	int _capacity;
;


.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"a.h"
template<class T>
Stack<T>::Stack()

	_a = new T[10];
	_top = 0;
	_capacity = 10;


template<class T>
Stack<T>::~Stack()

	delete[] _a;
	_a = nullptr;

template<class T>
void Stack<T>::Push(const T& x)

	_a[_top] = x;
	++_top;


.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"a.h"
int main()

	Stack<int> st1;
	Stack<double> st2;
	st1.Push(1);
	return 0;

解决方法：

注：类模板分离编译和函数模板分离编译的解决方法相似

模板的按需实例化

当类模板中的成员函数的内容有语法问题，没有被检查出来，编译不报错，原因是模板如果没有实例化，编译器不会去检查模板内部语法错误，当我们实例化了这个类，对类模板是按需实例化，调用了哪个成员函数就实例化谁。

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