[C++]模板进阶

目录

C++模板进阶：：

????????????????????????????????非类型模板参数

????????????????????????????????模板的特化

????????????????????????????????????????函数模板特化

????????????????????????????????????????类模板特化

????????????????????????????????????????????????全特化

????????????????????????????????????????????????偏特化

????????????????????????????????模板的分离编译

????????????????????????????????模板总结

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C++模板进阶：：

非类型模板参数

模板参数可分为类型形参和非类型形参。

类型形参：出现在参数列表中，跟在class或typename关键字之后的参数类型名称。

非类型形参：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。

例如，我们要模拟实现一个静态数组的类，就需要用到非类型模板参数。

namespace wjq
{
	//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 i)
		{
			return _array[i];
		}
		const T& operator[](size_t i) const
		{
			return _array[i];
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		bool empty() const
		{
			return _size == 0;
		}
	private:
		T _array[N];
		size_t _size = N;
	};
}

注意：

1.非类型模板参数只允许使用整型家族，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器就能确认结果，因为编译器在编译阶段就需要根据传入的非类型模板参数生成对应的类或函数。

模板的特化

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& out, const Date& d)
	{
		out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return out;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
// 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(2023, 12, 20);
	Date d2(2023, 12, 21);
	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绝大多数情况下都可以进行两个数之间的正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述实例中，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，这就无法达到我们理想中的预期。

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，模板特化分为函数模板特化和类模板特化。

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1.必须要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

// 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(2023, 12, 20);
	Date d2(2023, 12, 21);
	cout << Less(d1, d2) << endl;
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; //编译器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，通常都是将函数直接给出。

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

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，特化时需特别给出，因此函数模板不建议特化。

类模板特化

不仅函数模板可以进行特化，类模板也可以针对特殊类型进行特殊化实现，并且类模板的特化又可分为全特化和偏特化。

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。

例如：对于以下类模板：

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

当T1和T2分别是int和int时，我们若是想对实例化的类进行特殊化处理，那么我们就可以对T1和T2分别是int和char的模板进行特化。

偏特化

偏特化是指任何针对模板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：

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

偏特化有以下两种表现形式：

1.部分特化

我们可以仅对模板参数列表中的部分参数进行确定化。

例如：我们可以对T2为Int类型的类进行特殊化处理：

// 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;
};

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，还可以针对模板参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

例如：我们还可以指定当T1和T2为某种类型时，使用我们特殊化的类模板。

此时，当实例化对象的T1和T2同时为指针类型或同时为引用类型时，就会分别调用我们特化的两个类模板。

//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;
};

类模板特化应用实例：

有如下专门用来按照小于比较的类模板Less：

#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
int main()
{
	Date d1(2023, 12, 21);
	Date d2(2023, 12, 20);
	Date d3(2023, 12, 22);
	vector<Date> v1;
	v1.push_back(d1);
	v1.push_back(d2);
	v1.push_back(d3);
	// 可以直接排序，结果是日期升序
	sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());
	for (auto e : v1)
	{
		cout << e << endl;
	}
	cout << endl;
	vector<Date*> v2;
	v2.push_back(&d1);
	v2.push_back(&d2);
	v2.push_back(&d3);
	//可以直接排序 但日期不是升序 而v2中存放的地址是升序
	//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
	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
	for (auto e : v2)
	{
		cout << *e << endl;
	}
	return 0;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期类对象可以直接排序，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模板中的方式比较，所以只会比较指针，并不是比较指针指向空间中的内容，此时可以使用类模板特化来处理上述问题：

//对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
	bool operator()(Date* x, Date* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};

模板的分离编译

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。

模板的分离编译：

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，错误信息非常紊乱，不易定位错误。