C++知识点梳理：C++ templates

抓饼先生2023-11-17 17:40

  1. c++模板包括：类模板、类（非模板类和模板类）方法模板、函数模板、别名模板、变量模板。

    类模板模板参数列表说明：

    1）类定义

    仅模板参数列表声明，template<>行。

    类名后无需参数说明<>。

    2）类方法定义

    在类外面定义方法时，方法名前需要类型限定：类名后面需要类型说明<>。包括所有未特化模板参数和特化模板参数。

    可能：全都是未特化参数、全部特化参数、特化参数+未特化参数

    同时在首行需要template<>类型声明。

    3）类实例化

    不需要template<>声明。

    只需要类名和后面的类型说明<>，和定义时不同，此时需要提供具体的类型。

    4）template<>中只包含未特化、未实例化参数。

    类名后的参数列表<>中可包含：未实例化参数和特化参数

cpp 复制代码 
// 1. 类模板
// TempClass temp(1, 2);
template <typename T, typename U>
class TempClass {
pulibc:
	TempClass(T a, U b) {
		cout << "basic template\n";
	}
}
cpp 复制代码 
// 2. 类方法模板
// 2.1 非模板类的模板方法
// NonTempClass non_temp;
// non_temp.func1(123);
// non_temp.func2(456);
class NonTempClass {
public:
	// 在类中直接定义模板方法
	template<typename T>
	void func1(T t) {
		cout << "NonTempClass::func1: " << t << endl;
	}

	// 在类中仅声明模板方法，在类外面实现
	template<typename T> void func2(T t);
}
// 在类外面实现模板方法
template<typename T>
void NonTempClass::func2(T t) {
	cout << "NonTempClass::func2: " << t << endl;
}

// 2.2 模板类的模板方法
template<typename T, typename U>
class TempClass {
public:
	// 在类内部实现模板方法
	template<typename N>
	void func1(N n) {
		cout << "TempClass::func1: " << n << endl;
	}
	// 仅声明方法
	template<typename N> void func2(N n);
}

// 在类外部定义模板方法，注意需要两个template关键字，第一个是模板类的，第二个是函数模板
template<typename T, typename U>	// <----- 类模板的类型参数，第一个template关键字
template<typename N>				// <----- 函数模板的类型参数，第二个template关键字
void TempClass::func2(N n) {
	cout << "TempClass::func2: " << n << endl;
}
cpp 复制代码 
// 3. 函数模板
template<typename T, typename U>
void temp_func(T t, U u) {
	cout << "temp_func: " << t << "&" << u << endl;
}

别名模板：

（1）用于为类模板定义别名。函数模板不可用，只能为类型定义别名，typedef不能用于函数。

（2）如果类模板完全特化，所有参数都明确，则不需要提供模板参数声明template<>，就不用别名模板。

（3）如果类模板偏特化，部分参数不确定，需要提供模板参数声明：template<>，此时用模板别名。

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// 4. 别名模板 alias template
// 为上面定义的TempClass模板声明一个别名模板，类似模板偏特化的语法
template<typename U>
using AliasClass = TempClass<string, U>;
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// 5. 变量模板
template<typename T>
constexpr T pi { T {3.1415} };

float fPi { pi<float> };
auto ldPi { pi<long double> };
  1. 编译器处理模板和选择性实例化
    1）编译器不编译 模板，会检查语法错误。
    2）在模板实例化时，用具体类型替换类型参数，生成实际代码。
    3）选择性实例化：编译器不会生成所有方法的代码。
    （1）所有虚方法都会生成。
    （2）非虚方法，只有被调用的才会生成。
    4）选择性实例化缺点：忽略错误，不能及时发现。
    5）解决：显式模板实例化
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Grid<int> grid;		// 选择性实例化

template class Grid<int>;	// 显示实例化

  1. 3种模板参数：类型参数、非类型参数、template template参数

    这3种参数是不同维度的，尤其是类型参数和template template参数，容易混淆，在实例化时需要区分模板参数和普通类型参数，如果定义为模板参数则只能提供模板名（不能用具体类型实例化，如vector，不是vector< int >）

    1）类模板和函数模板都可以使用非类型参数。

    2）非类型参数支持有限类型：整型 / 枚举、指针 / 引用 / nullptr_t、auto / auto& / auto*、float、class（后2种在C++支持，有限制）

    3）非类型参数需要使用constexpr，可编译时求值的数值或表达式。所有模板参数都需要在编译器确定。

    4）类型参数和非类型参数都可以提供默认值。

    注意：匿名模板参数也可以设置默认值，类型或非类型参数都可以。

    5）模板非类型参数，其类型可以使用模板的类型参数指定的类型

    6）匿名参数，在模板参数列表中定义匿名参数，这些参数在模板定义中没有用到，仅用于静态分发（通过类型选择不同的模板），或者为了应用SFINAE规则（阻止生成不符合某些规则的模板）。同时，匿名模板参数可以提供默认值。

cpp 复制代码 
constexpr int a = 100;
constexpr int b = 200;
// 类模板，提供模板参数默认值，constexpr
template<typename T=int, int n=a+b>
struct NonTypeArgClass {
    NonTypeArgClass() {
        cout << "NonTypeArg: n=" << n << endl;
    }
};

// 函数模板，提供模板参数默认值
template<typename T=int, int n=2>
void NonTypeArgFunc() {
    cout << "NonTypeArgFunc: n=" << n << endl;
}

NonTypeArgClass<string, 10> nonTypeArg1;	// 实例化时提供全部参数
NonTypeArgClass<string> nonTypeArg2;		// 只提供类型参数，非类型参数使用默认值
// NonTypeArgClass<15> nonTypeArg2; 		// comiplation error，如果一个参数使用非默认值，它前面的参数也不能使用默认值，和函数参数默认值一致
NonTypeArgClass<> nonTypeArg3;				// 都使用默认值
NonTypeArgClass nonTypeArg4;				// nonTypeArg3和nonTypeArg4完全相同

NonTypeArgFunc<string, 20>();				// 实例化时提供全部参数
NonTypeArgFunc<string>();					// 只提供类型参数，非类型参数使用默认值
// NonTypeArgFunc<25>(); 					// compilation error
NonTypeArgFunc();							// 和下面的调用效果完全相同
NonTypeArgFunc<>();

//    NonTypeArg: n=10			// nonTypeArg1
//    NonTypeArg: n=300			// nonTypeArg2，在类定义中没有用到T，结果中体现不出差别
//    NonTypeArg: n=300			// nonTypeArg3
//    NonTypeArg: n=300			// nonTypeArg4

//    NonTypeArgFunc: n=20		// NonTypeArgFunc<string, 20>();
//    NonTypeArgFunc: n=2		// NonTypeArgFunc<string>();
//    NonTypeArgFunc: n=2		// NonTypeArgFunc<>();
//    NonTypeArgFunc: n=2		// NonTypeArgFunc();
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// 类模板，
// 第一个参数是类型参数，第二个参数是非类型参数
// 第二个参数的类型使用的类型是模板参数指定的类型，并且设置为T的默认值T()或T{ }
template<typename T, const T defaultVal = T()>
class Grid {...}
cpp 复制代码 
// template template 参数，模板的类型参数是另一个模板
// c++17后，class可用typename
template<..., template<parameter-list> class ParameterName, ...>

// 如下实例化，类型重复，且没有约束，可能错误写成不同类型
Grid<int, vector<optional<int>>> grid;

// 以下语法不能通过编译，vector是模板，不是类型，编译器不知道需要用int实例化vector
Grid<int, vector> grid;

// vector容器定义原型
// vector模板的类型，是除去名称vector外，剩余的部分，这些可作为模板类型参数使用
template<typename E, typename Allocator = std::allocator<E>>
class vector {...}

// 类模板定义
// 复制模板声明，把模板名称（vector）改为类型参数名，作为模板参数template<>
// c++17后，模板类型参数中的class可换为typename（class Container -> typename Container），
// 在模板类型中只使用关键字typename即可
// 模板参数默认类型为vector，不是vector<T>，Container是一个模板名，不是类型名，所以要对应vector
template<typename T,
		template<typename T, typename Allocator = std::allocator<E>> class Container = std::vector>
class Grid {
private:
	// 定义中使用template template参数
	// Container是模板的模板类型参数，它用optional<T>进行实例化
	// 模板Container用另一个类型参数T（相关类型）进行实例化
	vector<Container<optional<T>>> mData;
}

// 模板方法定义
// 只需更新template<>参数列表，其他部分不变，包括方法前的类型限定，例如：
template<typename T,
		template<typename E, typename Allocator = std::allocator<E>> Container = std::vector>
optional Grid<T, Container>::at(int x, int y) {...}

// 实例化，和其他参数类型模板相同，注意区分template template参数，只能提供模板名
// Grid模板第二个参数（Container）是模板类型，实例化时需要提供vector/deque（模板名）
// 不能是vector<int>或deque<int>，这些是具体的类型名
Grid<int, vector> grid1;
Grid<int, deque> grid2;

// template template参数可多层嵌套（纯属好奇心驱动的尝试）
template<typename U, // 类型参数U
		// GridType的模板类型
        template<typename T, template<typename E, typename Allocator = std::allocator<E>> class Container = std::vector>
        class GridType // 类型参数GridType
        >
class Foo {
    
};
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// 匿名类型参数 和 匿名非类型参数，都有默认值
// 貌似提供具体的默认值没有意义，定义中用不到所以才匿名，默认值也不会被引用
// 只有使用trait提供编译时的动态值，应用SFINAE规则，控制模板在符合条件时生成，参见下面的示例。
template<typename = int, size_t = 12>
struct funcAnonymousDefault { };

// 匿名模板参数，编译期默认值
// 函数模板，比较两个值是否相等，只有两个值的类型相同时才能实例化这个模板
// typename = enable_if< is_same_v<T, U> >::type 匿名参数，默认值为enable_if<>::type
//		注意：要用enable_if::type，如果没有type则无法应用SFINAE，因为enable_if<>总是一种类型；
//		错误：typename = enable_if< is_same_v<T, U> >  （末尾缺少::type）
// enable_if<arg1, arg2=void>，
//	（1）如果arg1为true，则enable_if<>::type值为arg2；
//	（2）如果arg1为false，则enable_if<>::type值为空，导致模板语法不合规，SFINAE阻止模板实例化
template<typename T, typename U,
        typename = enable_if< is_same_v<T, U> >::type
        >
bool isSameValue(T t, U u) {
    return t == u;
}

int a = 3;
int b = 3;
double b = 3; // 编译错误，参见下面错误信息

cout << "is same? : " << isSameValue(a, b) << endl;
// 输出结果
// is same? : 1

// 编译错误信息：
error: no matching function for call to 'isSameValue(int&, int&)'
   23 |     cout << "is same? : " << isSameValue(a, b) << endl;
      |                              ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~~~~
note: candidate: 'template<class T, class U, class> bool isSameValue(T, U)'
   15 | bool isSameValue(T t, U u) {
      |      ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
note:   template argument deduction/substitution failed:
error: no type named 'type' in 'struct std::enable_if<false, void>'
   13 |         typename = enable_if< !is_same_v<T, U> >::type
      |         ^~~~~~~~
  1. CTAD（class template argument deduction）自动推导类型参数
    1）函数模板天生支持类型推导。
    2）在较新版本c++中，类模板支持类型推导。需要构造函数中使用模板参数，在初始化过程中可以推断类型和值参数。
    如果模板参数在初始化过程中使用不到，则无法完成类型推导。
    3）通过辅助模板函数，在内部实例化模板类，支持类型自动推导。
    4）特殊：unique_ptr，shared_ptr不支持类型推导，需要用make_unique() make_shared()。
    原因：传入T*时，编译器无法确定是类型T还是T[ ]。
    5）自定义推导规则：可以自定义推导规则，规避上面的歧义。
    （1）必须定义在类定义外面。
    （2）必须和类定义在同一个namespace。
    （3）可选使用explicit关键字，规则和应用在构造函数上一样。
    6）函数模板中，返回类型不能自动推导。可让编译器推导部分参数：
cpp 复制代码 
// 自定义推导规则
template<typename T>
struct DeductionRule {
    explicit DeductionRule(T t) {
        cout << "DeductionRule: T=" << typeid(T).name() << endl;
    }

	template<typename Iter>
	DeductionRule(Iter iter) {}
};

// 自定义规则语法：构造函数 -> 实例化类型;
DeductionRule(int) -> DeductionRule<double>;
DeductionRule(const char*) -> DeductionRule<string>;

template<typename T>
DeductionRule(Iter) -> DeductionRule<typename iterator_traits<Iter>::value_type>;

// Output: 无自定义推导规则
// DeductionRule: T=i
// DeductionRule: T=PKc

// Output: 添加自定义推导规则后
// DeductionRule: T=d
// DeductionRule: T=NSt7__cxx1112basic_stringIcSt11char_traitsIcESaIcEEE
cpp 复制代码 
// 部分参数推导
template<typename R, typename T, typename S>
R func(T t, S s);

// 以下2种调用方式等效，
// 第二种省略了部分类型参数，由编译器自动推导，返回类型需明确指出
auto ret = func<long, int, int>(1, 2);
auto ret = func<long>(1, 2);
auto ret = func(1, 2); // compilation error

// 不能自动推导的类型参数，通过提供默认值，可以使调用时省略全部参数
// 本质上：部分由编译器推导，部分使用默认值，都不需要手动指定
template<typename R=long, typename T, typename S>
R func(T t, S s);
auto ret = func(1, 2);
  1. 模板特化：全特化、偏特化
    1）类模板：支持全特化、偏特化
    2）函数模板：只能全特化
    （1）函数有重载机制，本质上根据不提供的类型，提供不同的实现。和模板机制类似。
    （2）在函数重载解析时，函数模板不参与重载解析。
    （3）函数模板特化不常用 ，可能遇到非"预期"行为。模板特化和函数重载可能误用。
    3）特化语法：
    （1）在模板参数列表（template<>）中，去掉特化的（类型/非类型）参数。（因为这个参数已经确定，不再需要占位符"变量"）
    在全特化时，只保留template<>，里面没有任何参数。
    （2）类似模板实例化的语法，在类名称或者函数名称后，增加参数列表<>，列出所有 类型/非类型参数。
    （3）一种"半实例化"状态，template<>告诉编译器这是一个模板，所有参数都在类定义 中类名后面列出。
    偏（部分）特化 < ---- > 偏/部分 实例化
cpp 复制代码 
template <typename T, typename S>
struct TempClass {
    TempClass(T t, S s) {
        cout << "basic temp class\n";
    }
};

// 类模板偏特化：用int特化第二个参数S
template <typename T>
struct TempClass<T, int> {
    TempClass(T t, int s) {
        cout << "specialize S\n";
    }
};
// 类模板偏特化：用int特化第一个参数T
template <typename S>
struct TempClass<int, S> {
    TempClass() = default;

    TempClass(int t, S s) {
        cout << "specialize T\n";
    }
};
// 类模板全特化
template<>
struct TempClass<bool, bool> {
    TempClass(bool a, bool b) {
        cout << "TempClass<bool, bool>\n";
    }
};

TempClass temp1 {1.0, 2.0};
TempClass temp2 {1, 2.0};
TempClass temp3 {1.0, 2};
TempClass temp4 {false, true};

// Output:
//    basic template class
//    TempClass<int, S>
//    TempClass<T, int>
//    TempClass<bool, bool>
cpp 复制代码 
// 非类型参数特化
// 语法和类型参数特化一样，可用于模板递归中，作为递归结束条件
template<int i>
struct TempClass2 {
    TempClass2() {
        cout << "TempClass2: basic template, i=" << i << endl;
    }
};

template<>
struct TempClass2<10> {
    TempClass2() {
        cout << "TempClass2: specialized template for i=10" << endl;
    }
};

TempClass2<666> temp2_1;
TempClass2<10> temp2_2;

// Output:
// TempClass2: basic template, i=666
// TempClass2: specialized template for i=10
cpp 复制代码 
// 函数模板全特化
template<typename T, typename S>
void TempFunc(T t, S s) {
    cout << "TempFunc(T t, S s)\n";
}

template<>
void TempFunc<double, double>(double t, double s) {
    cout << "TempFunc<double, double>(double t, double s)\n";
}

// 实例化函数模板并调用
TempFunc(1, 2);
TempFunc(3.0, 4);
TempFunc(5.0, 6.0);

// Output:
// TempFunc(T t, S s)
// TempFunc(T t, S s)
// TempFunc<double, double>(double t, double s)

  1. 模板继承

  2. 友元 friend：类模板的友元模板函数和友元模板类

    关键：operator+后面的< T >

cpp 复制代码 
// 前向声明
template<typename T> class Grid;

// operator+ 声明
// 运算符+用到了模板类Grid，也要定义为模板，template<typename T>
// 其中用到的类型都为模板类型Grid<T>
template<typename T>
Grid<T> operator+ (const Grid<T>& left, const Grid<T>& right);

// 1. friend关键字声明友元。
// 2. operator+后面<T>告诉编译器此operator是模板。
// 3. 在Grid模板内部，使用Grid或Grid<T>是等效的（CLion验证）。
template<typename T>
class Grid {
public:
	friend Grid<T> operator+ <T> (const Grid& left, const Grid& right);
};

// android: StrongPointer.h
template<typename T>
class sp {
	// ...
private:
	// 把sp自身和wp类声明为sp类的友元
	// sp和wp都是模板类，friend关键字挨着class，在class前面（位于template<>之后）
	template<typename Y> friend class sp;
	template<typename Y> friend class wp;
}

  1. 函数模板返回类型和简化的函数模板语法

    如果让编译器自动推导函数返回类型，可使用以下几种方式：

    1）auto // 去掉const和&

    2）decltype(auto) // 不会去掉const和&

    3）decltype( func() )

    4）auto add(T t, S s) -> decltype(t+s)

cpp 复制代码 
// Error，在前面decltype使用t和s时，尚未定义
template<typename T, typename S>
decltype(t + s) add(const T& t, const S& s)
{ return t+s; }

template<typename T, typename S>
auto add(const T& t, const S& s) -> decltype(t+s)
{ return t+s; }

简化的函数模板

1）所有类型都用auto（或const auto&），省略了template<typename ...>声明。

2）使用auto是编译器语法糖，效果和使用template<typename...>声明一致。

3）局限性 1：使用auto的类型每个都不同，如果需要指定多个入参为同一种类型，需要使用template的方式声明。

局限性 2： 因为auto没有类型名，在函数体内无法直接使用对应的类型，可使用decltype。

cpp 复制代码 
template<typename T, typename S>
decltype(auto) func(const T& t, contst S& s) { 
	return t + s;
}

decltype(auto) func(const auto& t, const auto& s) { 
	return t + s;
}
  1. c++20 concept
    1）concept由constraints-expression（约束表达式）构成。
    2）concept表达式（concept expression），应用已有concept
    3）constraints-expression组成：
    （1）一个简单的常量表达式，返回bool值。
    （2）一种新的特殊的常量表达式，require表达式。
    4）require表达式由requirement构成
    5）requirement分为4种：简单、类型、复合、嵌套。
    6）concept repression可使用&&或||组合使用。
cpp 复制代码 
// concept定义语法
template<parameter-list>
concept concept-name = constraints-expressions;

// concept表达式
// 应用已有的概念，例如：Incrementable<T>, convertible_to<bool>
// 类似于调用已定义函数：func(arg);
concept-name<argument-list>


// 约束表达式
template<typename T>
concept C = sizeof(T) == 4;

// require表达式定义语法
requires (parameter-list) { requirements; }

// requirement分为4种：
// 1. simple requirement （不以requires开头，相对嵌套requirement来说）
//		可以是任意表达式，不求值，只验证编译通过（验证语法和语义功能）
template<typename T>
concept Incremental = requires(T x) {
	x++;
	++x;
}

// 2. type requirement
template<typename T>
concept C = requires {
	typename T::value_type;		// 验证T是否有类型value_type
	typename SomeTemplate<T>;	// 是否可以用T实例化SomeTemplate
}

// 3. 复合 requirement	compound requirement
// 验证不会抛出异常，或者返回某种类型
// noexcept, 或->type-constraint可选的，可验证某一种或同时验证
// { }是必须的，即使一个语句，也需要有。
{ expression } noexcept -> type-constraint;

template<typename T>
concept C = requires(const T x, const T y) {
	{ x.swap(y) } noexcept;					// noecept验证时，{}不能省略
	{ x.size() } -> convertible_to(size_t);	// 验证返回值时，一个语句时，{}也不可省略
	{ x==y } -> convertible_to<bool>;		// 不可省略{}
}

// 4. 嵌套 requirement
template<typename T>
concept C = requires (T t) {
	// 这里不能省略requires，只用sizeof(T) == 4是不行的，不会实际校验，感觉requires类似assert
	requires sizeof(T) == 4;
//	sizeof(T) == 4;  // 错误，可编译通过，逻辑不对
	++t;
	t++;
}

// 5. 组合概念表达式，不是-不是-不是requirement，combined CONCEPT expression
// 使用&&，||组合
template<typename T>
concept MyConcept = Incrementable<T> && Decrementable<T>;

  1. 模板递归

  2. 可变参数模板

    1）< typename... Tn >表示0个或多个参数。

    2）...展开其左侧的'表达式'，根据参数个数重复多次，用逗号分隔。

    3）...前后的空格可选。

    4）可变参数没有直接的遍历方式，只能通过模板递归遍历。

cpp 复制代码 
template<typename... Tn>
class Temp {...}

// 可变参数函数模板

// typename... Tn，声明可变类型个数

// Tn... args，声明可变参数个数

// args...，使用可变参数

// 使用完美转发perfect forward，避免参数复制和使用字面量

// 使用确定类型参数T1和可变参数结合的方式，递归分离、解析可变参数

cpp 复制代码 
void handleValue(int v) { cout << "int: " << v << endl; }
void handleValue(double v) { }
void handleValue(string_view v) { }

// 递归终止case
void processValues() { }

template<typename T1, typename... Tn>
void processValues(T1 arg1, Tn... args) {
	handleValue(arg1);
	processValues(args...);
}

template<typename T1, typename... Tn>
void processValues(T1&& arg1, Tn&&... args) {
	handleValue(std::forward<T1>(arg1));
	processValues(std::forward<Tn>(args)...); // 注意此处...，在每个参数上执行forward
}

// sizeof...操作符，和sizeof是不同的操作符
int count { sizeof...(args) }

使用可变参数模板实现Mixin模板类

cpp 复制代码 
struct Base1 {
    int mValue;

    Base1(int i): mValue(i) { }
    void func1() {
        cout << "Base1: value=" << mValue << endl;
    }
};

struct Base2 {
    int mValue;

    Base2(int i): mValue(i) { }
    void func2() {
        cout << "Base2: value=" << mValue << endl;
    }
};

template<typename... Cn>								// 1. 声明可变参数：typename... Cn
struct Mixin: public Cn... {							// 2. 继承可变参数：public Cn...
    Mixin(const Cn&... classes): Cn {classes} ... {}	// 3. 可变参数作为函数参数：Cn&... cls，
    virtual ~Mixin() = default;							//    以及初始化可变参数成员变量：Cn{classes}...
};

// 调用
Mixin<Base1, Base2> mix { Base1{123}, Base2{456}}; // 初始化方式1

auto b1 = Base1{123};
auto b2 = Base2{456};
Mixin<Base1, Base2> mix {b1, b2};  // 初始化方式2

mix.func1();
mix.func2();

// output:
// Base1: value=123
// Base2: value=456
  1. constexpr if
  2. 折叠表达式：folld expressions
  3. 元编程
cpp 复制代码 
// 模板递归，计算阶乘
template<size_t n>
struct Factorial {
    constexpr static int value = n * Factorial<n -1>::value;
};

template<>
struct Factorial<0> {
    constexpr static int value = 1;
};

cout << "fact: " << Factorial<1000>::value << endl;
cpp 复制代码 
// 模板递归，循环
template<size_t n>
struct Loop {
    template<typename Func>
    static void run(Func func) {
    	// Loop::run和func()的执行顺序，决定是正序循环还是逆序循环
        Loop<n-1>::run(func);
        func(n);
    }
};

template<>
struct Loop<0> {
    template<typename Func>
    static void run(Func func) {}
};

Loop<5>::run([](int i){
    cout << "run: " << i << endl;
});
  1. traits
  2. 在一个声明中多次使用template的场景
    1）模板类的模板方法定义
    2）模板的template template参数
cpp 复制代码 
// 顺序并列使用2个template关键字
template<typename ClassArgType>
template<typename MethodArgType>
void Temp<ClassArgType>::func(MethodArgType data) { ... }

// template中嵌套template
// 可嵌套多层，参见上面template template参数中的例子
template<typename T,
		template<typename E, typename Allocator<E> = std::allocator<E>> Container = std::vector>
class Grid { ... }
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