C++进阶之路——模板进阶

本节目标：

1.非类型模板参数

2.类模板的特化

3.模板的分离编译

4.模板总结

1.非类型模板参数

模板参数分为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。

之前我们定义静态数组都是通过#define的方式给数组定义大小，比如下面这段代码：

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;

#define N 10

template<class T>
class Stack
{
private:
	T _a[N];
};

int main()
{
	Stack<int> st1; //10
	Stack<int> st2;  //10000
}

假如我想让st1的大小也就是(size())为10，st2的size()为10000，这种写法相当于把数组的长度给写死了，如果把N改成10000，那么st1的空间就存在大量的浪费。所以呢，c++给了一个非类型模板参数。写法如下：

????????

#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;

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

int main()
{
	Stack<int,10> st1; //10
	Stack<int,10000> st2;  //10000
}

这样就能很好的解决这个问题，给每个对象自行设计空间大小。

但是呢，这个非类型模板参数目前只能传整形

写了个double型编译器会报错，说至少需要c++20才能传，所以到当前的版本来说只能传整形

那么非类型模板参数在哪些地方有用到呢？

其实C++的std库里面就有这样一个容器array

这个容器呢相比于我们c语言中的静态数组增加了严格的越界检查

如果静态数组越界不会进行严格的检查，

但是如果array越界会进行严格的检查

所以呢，这个array容器并不常用，更常用的还是建议用vector

2.模板的特化

2.1类模板的特化

概念：模板的特化其实就是针对某些类型进行特殊化处理。

下面我们以一个例子来进行说明：

#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<array>
using namespace std;


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

//特化
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
private:
	int _d1;
	double _d2;
};


int main()
{
	Data<int, int>d1;
	Data<int, double>d2;
	return 0;
}

从上述代码可以看到，我们对Data类进行了特化，分别构造两个对象，一个对象是走通用的模板，一个是走类模板的特化（上述代码对<int, double>这种类型进行了特殊化处理）。这种特化叫做全特化。

运行结果如下：

类模板特化又分为全特化和偏特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

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。

// 模板特化：针对某些类型进行特殊化处理
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

// 特化 -- 全特化
template<>
class Data<int, double>
{
public:
    Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
};

// 偏特化
template<class T1>
class Data<T1, double>
{
public:
    Data() { cout << "Data<T1, double>" << endl; }
};


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

2.2函数模板的特化

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;
}

struct PDateCompare
{
    bool operator()(Date* p1, Date* p2)
    {
        return *p1 > *p2;
    }
};

// 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;
}

运行结果如下：

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。

3.模板的分离编译

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

假如模板的声明与定义分离开，声明在头文件，定义在源文件，那么会发生什么问题呢？

下面我们以一个案例来说明：

这是函数模板在Stack.h中声明

这是在Stack.cpp中定义

这是在test.cpp中调用

上述代码编译后成功了

然而运行的时候报错了，链接错误

下面我们来分析原因：

根据我们之前c语言的学习，我们知道c语言的编译过程是要经过以下步骤的

原因值普通函数func()链接的时候可以找到func()的地址，而Stack.cpp中函数模板Add由于没有实例化，所以找不到地址，从而导致的链接失败。

那么我们该如何解决呢？

方法一：显示实例化

在Stack.cpp中添加如下代码：

运行之后：

运行成功了。

但是这个方法有一个巨大的缺陷，目前只对int类型适用，此时并没有发挥出模板的作用。所以这个解决办法不推荐。

方法二： 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。

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