C++：模板进阶与继承

模板进阶与继承

• • 模板进阶
  • • 1.非类型的模板参数
    • 2.模板的特化
    • • 2.1特化的概念
      • 2.2函数模板特化
      • 2.3类模板特化
      • 2.4全特化和偏特化
      • • 2.4.1全特化
        • 2.4.2偏特化
    • 3.模板的分离编译
    • • 3.1同文件分离
      • 3.2不同文件下分离
  • 继承
  • • 1.继承的概念和定义
    • • 1.1继承的概念
      • 1.2继承的定义
      • • 1.2.1定义格式
        • 1.2.2继承关系和访问限定符
    • 2.基类和派生类的对象赋值转换
    • 3.继承中的作用域
    • 4.派生类的默认成员函数
    • • 4.1构造和拷贝构造
      • [4.2operator = ()](#4.2operator = ())
      • 4.3析构函数
    • 5.继承中的友元与静态成员
    • 6.菱形继承
    • • 6.1菱形继承的概念
      • 6.2菱形继承的危害
      • 6.3菱形继承的解决方式
      • 6.4菱形虚拟继承的实现原理
      • 6.5菱形虚拟的总结
    • 7.继承和组合

模板进阶

1.非类型的模板参数

模板参数：类型形参和非类型形参。

类型形参 ：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之后 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。

// 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 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;
};

注意：

1. 非类型参数其实很少用，因为只能给整形，给double或一系列自定义类型都会报错。
2. 非类型模板参数必须在编译期间确定结果，所以必须给常量。

2.模板的特化

2.1特化的概念

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，比如下面的情况：

//拿日期类举例，我们比较日期类大小要比的是内容
//指针的比较是没有意义的！！！
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，结果不确定
	return 0;
}

2.2函数模板特化

函数模板特化的要求：

1. 必须要先有一个基础的函数模板。
2. 关键字template后面接一对尖括号<>，里面也可以加模板参数，放到偏特化讲。
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，不能多加参数或者调换参数位置。

// 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; // 这里调用的就是特化的版本，不是指针而是内容比较
	return 0;
}

2.3类模板特化

//类模板特化和函数模板相似，只是加<>的位置变成了类名后面加
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

template<>
class Data<int, char>  //特化版本
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;  //这个会通过模板生成更加合适的
	Data<int, char> d2;  //这个特化版本最合适
}

2.4全特化和偏特化

2.4.1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，我们前面所写的都是全特化。

2.4.2偏特化

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

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

// 对模板参数列表的一部分特化，这个还是比较好理解的
// 将第二个参数特化为int，注意特化必须保证有一个基础的函数模板
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

• 参数限制：对模板参数类型的限制

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

//只要是指针，不管你指向什么类型你都匹配我
//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; }
};


//只要是引用，不管你引用什么类型你都匹配我
//不过其实和指针是一回事，引用底层就是指针
template <class T1, class T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; }
};

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

int main()
{
	Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
	Data<int, double> d2; // 调用基础的模板生成合适的 
	Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4; // 调用特化的引用版本
	return 0;
}

3.模板的分离编译

先说结论：模板一般不建议声明定义分离 ，如果需要也尽量在同一个文件内进行分离。

3.1同文件分离

namespace My
{
	template<class T>
	class A
	{
	public:
		typedef T* ptr;  //T类型指针
		ptr operator&();  //取到T类型指针

		T get();
	private:
		T _a;
	};
}

//写简单一点，就分离两个函数好了
//分离编译的时候A<T>还没有完全实例化
//不知道ptr是类型还是静态成员，所以需要加typename指定它是类型
//另外需要用类域限定符指定该函数（类型）属于那个空间中的那个类
template<class T>
typename My::A<T>::ptr My::A<T>::operator&()  //取到T类型指针
{
	return &_a;
}

template<class T>
T My::A<T>::get()
{
	return _a;
}

3.2不同文件下分离

在C/C++程序中每个源文件在链接之前都是互不关联的，而模板要求编译之前就确定好模板参数类型 ，模板才会去实例化，而分文件最大的问题就在于分离的部分无法确定参数类型(T)，也就无法实例化。

//a.h,这里写一起是方便看，实际在不同文件
namespace My
{
	template<class T>
	class A
	{
	public:
		typedef T* ptr;  //T类型指针
		ptr operator&();  //取到T类型指针

		T get();
	private:
		T _a;
	};
}

//a.cpp
#include "a.h"
//这里因为A<T>还没有完全实例化，可以理解为实例化过程中分离的部分和内部是隔离的
//也就是说不知道指定的内容是类型还是静态变量，需要加typename指定它是类型
template<class T>
typename My::A<T>::ptr My::A<T>::operator&()  //取到T类型指针
{
	return &_a;
}

template<class T>
T My::A<T>::get()
{
	return _a;
}

//test.cpp
#include "a.h"
int main()
{
	My::A<int> a;
	a.get();  //调了一下这个分离的函数
	return 0;
}

我们看执行结果：

这里的报错是链接错误，其实就是get这个函数压根没有实例化出来，我们通过显示实例化可以解决这个问题。

//a.cpp
template<class T>
typename My::A<T>::ptr My::A<T>::operator&()  //取到T类型指针
{
	return &_a;
}

template<class T>
T My::A<T>::get()
{
	return _a;
}

template
My::A<int>;  //告诉了T类型，你去实例化

但是显示实例化非常局限，不同的类型都要写一次，要分离我还是建议采用第一种写法。

继承

1.继承的概念和定义

1.1继承的概念

继承(inheritance)机制是面向对象程序设计使代码可以复用 的最重要的手段，它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展 ，增加功能，这样产生新的类，称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构 ，体现了由简单到复杂的认知过程。以前我们接触的复用都是函数复用，继承是类设计层次的复用 。

1.2继承的定义

1.2.1定义格式

1.2.2继承关系和访问限定符

这里说一下大多数的继承都是public(公有)继承 ，C++中protected这个访问限定符就是为继承准备的。

这九种情况我们通过表格给出，但是大家不需要记忆这个表格 ，看总结1和2即可：

总结：

1. 基类的private成员 在派生类中无论如何都不可见(不可见：①类外不能访问 ②隐身了，派生类内部也不能访问，继承了个寂寞)。
2. 基类其它成员 在派生类中的访问方式 == Min(成员在基类的访问限定符 , 继承方式)，即谁的权限小就取谁，认为 public > protected > private。
3. 想让派生类像大多数类一样，我们可以把基类中想让别人访问的成员用public修饰，不想让别人访问的用protected修饰，最后采用pubilc方式继承即可。
4. 继承方式不是必须写的，使用关键字class时默认的继承方式是private，使用struct时默认的继承方式是public，不过最好显示的写出继承方式。

2.基类和派生类的对象赋值转换

• 派生类对象可以赋值给 ①基类的对象 ②基类的指针 ③基类的引用 。这里有个形象的说法叫切片 或者切割。寓意把派生类中父类那部分切出来赋值过去。
• 基类对象不能赋值给派生类对象 (派生类有基类的部分，但基类却没有派生类的部分)。
  

class Person
{
protected:
	string _name; // 姓名
	string _sex; // 性别
	int _age; // 年龄
};
class Student : public Person
{
public:
	int _No; // 学号
};
void Test()
{
	Student sobj;
	// 1.子类对象可以赋值给父类对象/指针/引用
	Person pobj = sobj;
	Person* pp = &sobj;
	Person& rp = sobj;

	//2.基类对象不能赋值给派生类对象
	sobj = pobj;

	// 3.基类的指针可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针
	pp = &sobj;
	Student * ps1 = (Student*)pp; // 这种情况转换时可以的。
	ps1->_No = 10;

	pp = &pobj;
	Student* ps2 = (Student*)pp; // 这种情况转换时虽然可以，但是会存在越界访问的问
	ps2->_No = 10;
}

3.继承中的作用域

1. 在继承体系中基类 和派生类 都有独立的作用域。
2. 派生类和基类中有同名成员 ，派生类成员将屏蔽对父类同名成员的直接访问 ，这种情况叫隐藏，也叫重定义 。（在派生类成员函数中，可以使用 基类::基类成员 去显示访问）
3. 需要注意的是如果是成员函数的隐藏，只需要函数名相同就构成隐藏。
4. 注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。

类成员变量同名：

// Student的_num和Person的_num构成隐藏关系，可以看出这样代码虽然能跑，但是非常容易混淆
class Person
{
protected:
	string _name = "小李子"; // 姓名
	int _num = 111;  //身份证号
};

class Student : public Person
{
public:
	void Print()
	{
		cout << " 姓名:" << _name << endl;
		cout << " 身份证号:" << Person::_num << endl; // 类名::成员显示访问
		cout << " 学号:" << _num << endl;
	}
protected:
	int _num = 999; // 学号
};
void Test()
{
	Student s1;
	s1.Print();
};

类成名函数同名：

//这里要重点区分一下函数重载，首先重载是对同一域中才有的概念，这里肯定不构成重载
//其次隐藏的要求也和重载不同，只要和基类成员函数同名就构造隐藏
class A
{
public:
	void fun()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	void fun(int i)
	{
		A::fun();  //类名::成员 还是可以访问的
		cout << "func(int i)->" << i << endl;
	}
};

void Test()
{
	B b;
	b.fun(10);
};

4.派生类的默认成员函数

这里主要讲构造，=重载和析构 ，剩下的&重载意义不大。子类这几个函数处理的时候有一条原则：把父类的部分当作整体，调用父类的函数去处理，子类的部分子类处理。

4.1构造和拷贝构造

1. 因为有初始化列表的存在，在写子类构造时即使不显示调用父类构造，父类构造也会自己调用完成初始化。
2. 需要指定初始化父类内容的话可以显示调父类构造。

class Person
{
public:
	Person(const char* name = "peter")
		: _name(name)
	{
		cout << "Person()" << endl;
	}

	Person(const Person& p)
		: _name(p._name)
	{
		cout << "Person(const Person& p)" << endl;
	}

protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	Student(const char* name, int num)
		: Person(name)
		, _num(num)
	{
		cout << "Student()" << endl;
	}

	Student(const Student& s)
		: Person(s)
		, _num(s._num)
	{
		cout << "Student(const Student& s)" << endl;
	}

protected:
	int _num; //学号
};
void Test()
{
	Student s1("jack", 18);
	Student s2(s1);
	Student s3("rose", 17);
}

4.2operator = ()

1. 遇到对象中有堆上资源存在的情况，为避免多次释放，我们可能需要自己写 operator= 。
2. 不同于构造，如果我们在子类中显示写了operator=，父类的 operator= 是不会自动调用的，必须显示调用。

class Person
{
public:
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		cout << "Person operator=(const Person& p)" << endl;
		if (this != &p)
			_name = p._name;

		return *this;
	}
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
public:
	Student& operator = (const Student& s)
	{
		cout << "Student& operator= (const Student& s)" << endl;
		Person::operator =(s);  //不会自动调用，必须显示调用
		_num = s._num;
		return *this;
	}
protected:
	int _num; //学号
};

4.3析构函数

1. 析构比较特殊，不能主动调用，必须由编译器自动调用，且调用在子类析构函数之后。你自己调不会报错，但也不会生效。
2. 至于为什么这样设计？①保持后定义的先析构这个顺序 ②子可以用父，如果父先析构了，子可能访问父的成员导致野指针访问。
3. 因此设计子类析构时只要保证自己的资源正确释放即可。

5.继承中的友元与静态成员

• 友元关系不能继承，也就是说基类友元不能访问子类私有和保护成员

class Student;
class Person
{
public:
	friend void Display(const Person& p, const Student& s);  //声明该函数是基类的友元
protected:
	string _name; // 姓名
};
class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};
void Display(const Person& p, const Student& s)
{
	cout << p._name << endl;    //你是基类的友元，访问基类对象是可以的
	cout << s._stuNum << endl;  //友元不继承你不能访问派生类对象，这里会报错，显示不可访问
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Display(p, s);
	return 0;
}

• 基类定义了static静态成员，则整个继承体系里面只有一个这样的成员。无论派生出多少个子类，都只有一个static成员实例 。

//无论继承多少层，大家用的始终是同一个变量
class Person
{
public:
	Person() { ++_count; }
protected:
	string _name; // 姓名
public:
	static int _count; // 统计人的个数。
};
int Person::_count = 0;

class Student : public Person
{
protected:
	int _stuNum; // 学号
};

class Graduate : public Student
{
protected:
	string _seminarCourse; // 研究科目
};
void TestPerson()
{
	Student s1;
	Student s2;
	Student s3;
	Graduate s4;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
	Student::_count = 0;
	cout << " 人数 :" << Person::_count << endl;
}

6.菱形继承

6.1菱形继承的概念

• 单继承：一个子类只有一个直接父类 时称这个继承关系为单继承
  
• 多继承：一个子类有两个或以上直接父类时称这个继承关系为多继承

• 菱形继承：菱形继承是多继承的一种特殊情况 。
  

6.2菱形继承的危害

菱形继承的问题：从下面的对象成员模型构造，可以看出菱形继承有数据冗余和二义性 的问题。在assistant的对象中person成员会有两份。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};

class Student : public Person
{
protected:
	int _num; //学号
};

class Teacher : public Person
{
protected:
	int _id; // 职工编号
};

class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	int _score; // 主修课程
};
void Test()
{
	// 这样会有二义性无法明确知道访问的是哪一个
	Assistant a;
	a._name = "peter";   //这个地方会报错，编译器不知道访问那个
	// 需要显示指定访问哪个父类的成员可以解决二义性问题，但是数据冗余问题无法解决
	a.Student::_name = "xxx";
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

6.3菱形继承的解决方式

1. 虚拟继承可以解决菱形继承的二义性和数据冗余的问题。如上面的继承关系，在student和teacher的继承person时使用虚拟继承，即可解决问题。需要注意的是，虚拟继承不要在其他地方去使用。
2. 虚拟继承的关键字是virtual。

class Person
{
public:
	string _name; // 姓名
};

class Student : virtual public Person
{
protected:
	int _num = 0; //学号
};

class Teacher : virtual public Person
{
protected:
	int _id = 1; // 职工编号
};

class Assistant : public Student, public Teacher
{
protected:
	int _score = 60; // 主修课程
};
void Test()
{
	Assistant a;
	a._name = "peter";   //这个时候_name其实只有一个
	a.Student::_name = "xxx";  //这里的两个显示访问其实访问的都是一个变量
	a.Teacher::_name = "yyy";
}

6.4菱形虚拟继承的实现原理

PS：下面的讨论基于上面的代码，程序是32位程序(方便看而已)。

不过student多了一个0x00cf5dd8，teacher多了0x00cf5de4，这两个变量其实是指针，指向了两个表，表中记录了偏移量，通过这个偏移量从student（teacher）位置开始找到_name。这两个指针叫虚基表指针，这两个表叫虚基表。

6.5菱形虚拟的总结

1. 实际当中尽量避免写出菱形继承，对象复杂以后再引入多态，会变得相当复杂。
2. 其次菱形继承会有时间消耗，空间消耗还好，因为所有子类对象都是共用虚基表的。

7.继承和组合

继承关系：

class Car {
protected:
	string _colour ; // 颜色
	string _num; // 车牌号
};

class BMW : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好开-操控" << endl; }
};

class Benz : public Car {
public:
	void Drive() { cout << "好坐-舒适" << endl; }
};

组合关系：

class Tire {
protected:
	string _brand = "Michelin"; //品牌
	size_t _size = 17; // 尺寸

};

class Car {
protected:
	string _colour; // 颜色
	string _num; // 车牌号
	Tire _t; // 轮胎
};

• public继承是一种is-a(B是A)的关系。也就是说每个派生类对象都是一个基类对象。
• 组合是一种has-a(B有A)的关系。假设B组合了A，每个B对象中都有一个A对象。
• 实际当中优先采用组合关系而不是继承关系。
• 继承关系是一种"白箱复用"，基类的内部细节派生类是可见的，在一定程度上破坏了封装。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高。
• 组合关系是一种"黑箱复用"，对象内部细节不可见，只对外提供对应接口。组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。
• 不过继承也有独特的优势，有的场景下继承更加符合语义，并且要实现多态必须继承。