c++之模板【进阶版】

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c++之模板【进阶版】

前言

        对于泛型编程，学好模板这节内容是非常有必要的。在前面学习的STL中，由于模板的可重性和扩展性，几乎所有的代码都采用了模板类和模板函数的方式，这相比于传统的由函数和类组成的库来说提供了更好的代码重用机会。 

                                                       模板初阶                                                                      进度：55%

目录

前言

​编辑非类型模板参数

​编辑模板的特化 

​编辑模板分离编译

​编辑模板总结

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。

通过实例来使用非类型模板参数，这是简单使用模板

#include <iostream>
using namespace std;
#define N 100;
template<class T>
class Array
{
private:T _a[N];
};int main()
{int a1[100];Array<int> a1;Array<int> a2;return 0;
}

虽然能够控制类型，但是我们发现不能分别控制a1和a2的N值（变量），如果我们想改变a1数组有10个元素，a2有100个元素。这很显然是不能实现的，那通过给模板增加非类型模板参数就能很好的解决这一问题。

template<class T,size_t N = 10>
class Array
{
private:T _a[N];
};
int main()
{int a1[10];//对于越界的检查//越界读不检查//越界写 抽查cout << a1[10] << endl;cout << a1[11] << endl;Array<int,10> a2; Array<double,100> a3;//对于array//能直接检查出cout << a2[10] << endl;cout << a2[11] << endl;return 0;
}

在上述代码也强调了使用模板封装后的数组能够很好的对越界进行检查，但是在c语言时期定义的数组是不具备这一功能。

std::array

template < class T, size_t N > class array;

因为array对越界的检查，它可以直接比较N值，就能够很好的检查出越界。

使用注意：

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。

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 。

日期类测试代码

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){_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;}private:int _year;int _month;int _day;
};

主要观察函数模板和主函数的测试结果

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;
}

结果： 1        1        0(错误)

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。

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。

// 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;
}

结果： 1        1        1(正确)

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。  

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，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

类模板特化

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。

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;
};void TestVector()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;
} 

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：

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方式：

        ♤部分特化

        ♤将模板参数类表中的一部分参数特化。  

// 将第二个参数特化为inttemplate <class T1> 
class Data<T1, int>
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}private:T1 _d1;int _d2;
}; 

        ♤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。

//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 Date <T1&, T2&>
{
public:Date(const T1& d1, const T2& d2):_d1(d1), _d2(d2){cout << "Date<T1&,T2&>" << endl;}
private:const T1 & _d1;const T2 & _d2;
};void test2()
{Date<double, int> d1;Date<int, double> d2;Date<int*, int*> d3;Date<int&, int&> d4(1,2);
}

类模板特化应用用示例

下面比较类模板Less测试，客观来讲实则就是在类里添加了一个函数，这里用类模板的并意义不大，只是为了测试使用。测试代码还是日期类。

template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y)const{return x < y;}
};int main()
{Date d1(2023, 2, 1);Date d2(2023, 2, 2);Date d3(2023, 2, 3);
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>());vector<Date*>v2;v2.push_back(&d1);v2.push_back(&d2);v2.push_back(&d3);//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//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//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	sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date>());return 0;
}

据上述代码的结果发现，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：

//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

☸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;
}

☸之前在初阶的时候就已经提到类模板未被实例化--Link错误（链接错误），这个错误就是在链接的时候，main.cpp就开始去a.h中找Add两个函数的地址，那么在a.h中找到了a.cpp中函数的地址，但是在编译的时候他们都是各自进行的，在a.h中只有声明没有实例化，在a.cpp中由于没有声明只有实例化，这两个函数就导致没有被实例化生成二进制代码，而且这个过程是单向的这个时候就只能报错了。

特别需要理解：一个模板需要实例化之后才能生成二进制代码，模板的实例化需要声明。链接的时通过call指令替换"虚拟"地址，通过符号表将.o文件合并，链接过程就是生成可执行文件。

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。

函数模板显示实例化：

template 返回值类型 函数模板名<模板实参列表>(函数形参列表);

template int Add<int>(const int&,const int &);

 【分离编译力推阅读】：

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

 [ 作者 ]   includeevey

 📃  [ 日期 ]   2023/2/1
 📜  [ 声明 ]   到这里就该说再见了，若本文有错误和不准确之处，恳望读者批评指正！
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