C++:模板进阶

前言

在C++:模板初阶中，已经介绍过了模板的基本用法，接下来将着重讲解模板特化等问题。

一、非类型模板参数

模板参数分为：类类型形参与非类型形参。
类类型形参即：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。

在C++中，我们有时需要定义一个静态数组、静态vector、静态stack等。下面以静态stack为例，我们想来看看这样行吗？

#define N 10
template <class T>
class stack
{
private:
	T _a[N];
};

int main()
{
	stack<int> st1;
	stack<int> st2;
	return 0;
}

显然是成立的。但如果我们实际需要st1大小为10，st2大小为10000。如果只是上述简单的宏替换会导致大量的空间浪费。为此，C++引入了非类型模板参数。即在模板参数中，用一个常量作为类(函数)模板的一个参数。我们可以根据常量的大小来确定变量空间大小。

template <class T, size_t N>
class stack
{
private:
	T _a[N];
};

int main()
{
	stack<int, 10> st1;
	stack<int, 10000> st2;
	return 0;
}

小tips：

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。(即非类型的模板参数不可以传变量，因为编译时编译器无法确定要开多大空间)

二、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

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d) const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d) const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return _cout;
}
///
//上述为date类实现，下面是具体需求
// 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;
}

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 类模板特化

C++类模板特化分为：全特化和 偏特化

2.2.1 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。
【实例】：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//全特化
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<int, double>" << endl;
	}
};
int main()
{
	Data<int, double> d2;//调用全特化模板
	return 0;
}

结果：

2.2 偏特化

偏特化是指任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。
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。

【实例】：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//偏特化
template<class T>
class Data<double,T>//将第一个参数特化为double
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T, double>" << 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。

【实例】：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

//偏特化:两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
	}
};

int main()
{
	Data<int, int> d1;	//调用基础的模板
	Data<int*, int*> dd1;	//调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> dd2;	//调用特化的指针版本
	return 0;
}

【运行结果】：

2.3 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。

【实例】：

// 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。
比如：上述Less函数中在实际编写过程中，为了防止传参数拷贝带来的代价，我们一般加引用；为了防止数据被修改，我们一般用const修饰。具体如下：

template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}

//template<>
//bool Less<Date*>(Date* const & left, Date* const & right)//很怪，函数模板建议不要用特化
//{
//	return *left < *right;
//}

//我们发现此时函数模板特化很别扭，而且很容易写错。所以，对于函数模板一般不建议写特化，而是直接显示定义
template<class T>
bool Less(T* left, T* right)
{
	return *left < *right;
}

四、模板分离编译

4.1 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。

4.2 模板的分离编译

// 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】：

4.3 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。

五、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