12.C++模板进阶 | 代码膨胀

mit6.8242024-07-17 22:55

目录

0.引入

函数模板

类模板

[1. 非类型模板参数](#1. 非类型模板参数)

[运用 array](#运用 array)

[2. 函数模板的特化](#2. 函数模板的特化)

[2.1 概念](#2.1 概念)

[2.2 类模板的特化](#2.2 类模板的特化)

全特化

偏特化

[3. 模板不可以分离编译](#3. 模板不可以分离编译)

回顾类和对象

[3.1 什么是分离编译](#3.1 什么是分离编译)

[3.2 模板的分离编译](#3.2 模板的分离编译)

[4. 模板总结](#4. 模板总结)

代码膨胀

代码膨胀的影响：

代码膨胀的应对方法：

0.引入

函数模板

模板类型感悟：

template<class T>
void Swap(T& rx, T& ry) {
	T tmp = rx;

测试：

template<class T>
void Swap(T& rx, T& ry) {
	T tmp = rx;
	rx = ry;
	ry = tmp;
}
 
int main(void)
{
	int a = 0, b = 1;
	double c = 1.1, d = 2.2;
	char e = 'e', f = 'f';
 
	Swap(a, b);
	Swap(c, d);
	Swap(e, f);
 
	return 0;
}

运行：

类模板

函数模板传的是类型，类模板传的是模板

类模板要实例化

template<class Container>
void Print(const Container& v)
{//传&可以进行修改，传的是模板类
    // typename Container::const_iterator it = v.begin();
    auto it = v.begin();
    while (it != v.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
}

为什么要考虑这样写 typename Container::const_iterator it = v.begin();

编译不确定Container::const_iterator是类型还是对象，typename就是明确告诉编译器这里是类型，等模板实例化再去找，因为静态的也可以这样写，存在混淆

测试：

int main()
{
    vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    v.push_back(4);

    for (auto e : v)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    Print(v);

    list<int> lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);

    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    Print(lt);

    return 0;
}

1. 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。

特点：还传了 size_t N

  1. 整型
  2. 常量

刚好也一般都是用来定义数组

template<class T, size_t N>
class Stack
{
public:
	void func()
	{
		// 常量，不能修改
		N = 0;
	}
private:
	T _a[N];
	int _top;
};

在实际场景中，运行结果如下：

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。

运用 array

和数组有什么区别呢？

貌似没有...（C++11 更新出来的）

对越界检查非常的严格~

 //C++11
	// 
	// 鸡肋
	//int a[10];
	array<int, 10> a;
	a[0] = 0;
	for (auto e : a)
	{
		cout << e << " ";
	}

 //array对越界的检验非常严格，越界读写都能检查
	// 普通数组，不能检查越界读，少部分越界写可以检查
	//a[10];

//vector<int> v(10, 0);

array 挺少用的，了解一下就好啦

因为话说这样写

v[10] vector检查不香吗？还可以初始化

2. 函数模板的特化

2.1 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

// 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;
}

模板无法对指针进行比较，怎么办呢？--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
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

//针对某些类型进行的特化 ---Date*
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;//比较解引用的值
}

2.2 类模板的特化

全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都是确定化。

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

//全特化
template<>
class Data<double, int>//参数匹配上了，就走这条
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<double,int>" << endl;
	}
};

int main()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<double, double> d2;
	//特化
	Data<double, int> d3;//直接走特化
	return 0;
}
偏特化

偏特化：针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

1.部分特化

将模板参数表中的一部分参数特化

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

不管第一个参数是什么，只要第二个参数是我需要的特化，就去走那个特化。

2.参数进一步限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，也有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<class T1, class T2>
class Data<T1*,T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1*,T2*>" << endl;
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};


//两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1&,T2&>" << endl;
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

3. 模板不可以分离编译

回顾类和对象

可见往期文章2.C++类和对象（上）

  1. 大型项目：类声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::

类的命名规则：

一般在成员变量前加_，来区分赋值，例如 _year= year，这样就区分开了

  1. 类的访问限定符及封装

访问限定符

用类将对象的属性与方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限选择性的将其接口提供给外部的用户使用，以此来对程序进行保护，防止其被破坏

  1. public修饰的成员在类外可以直接被访问
  2. protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问(此处protected和private是类似的)

例如

#include <iostream>
using namespace std;

class Example {
private:
    int privateVar;

    void privateMethod() {
        cout << "This is a private method." << endl;
    }

public:
    int publicVar;

    void publicMethod() {
        cout << "This is a public method." << endl;
    }

    // Public method to set the private variable
    void setPrivateVar(int value) {
        privateVar = value;
    }

    // Public method to get the private variable
    int getPrivateVar() {
        return privateVar;
    }
};

int main() {
    Example obj;
    
    // Accessing public member variable
    obj.publicVar = 10;
    cout << "Public variable: " << obj.publicVar << endl;

    // Accessing public member method
    obj.publicMethod();

    // Accessing private member variable through public method
    obj.setPrivateVar(20);
    cout << "Private variable (accessed through public method): " << obj.getPrivateVar() << endl;

    // Error: Accessing private member variable directly
    // obj.privateVar = 30; // Uncommenting this line will cause a compilation error

    // Error: Accessing private member method directly
    // obj.privateMethod(); // Uncommenting this line will cause a compilation error

    return 0;
}

解释

  • 正确的调用：
    • obj.publicVar = 10;：设置公共变量的值。
    • obj.publicMethod();：调用公共方法。
    • obj.setPrivateVar(20);和obj.getPrivateVar()：通过公共方法间接访问私有变量。
  • 错误的调用：
    • obj.privateVar = 30;：直接访问私有变量会导致编译错误，因为privateVar是私有的。
    • obj.privateMethod();：直接调用私有方法会导致编译错误，因为privateMethod是私有的。

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：

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;
}

分析：

修改：

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。

#ifndef ADD_HPP
#define ADD_HPP

// 模板函数声明和定义
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right) {
    return left + right;
}

#endif // ADD_HPP

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

代码膨胀

代码膨胀（Code Bloat）是指软件中的代码量过大，且可能包含许多冗余、重复或不必要的代码，从而导致程序变得庞大且效率低下。代码膨胀通常在以下几种情况下发生：

1. 模板和泛型编程：

  • 在使用C++模板时，如果同一个模板被实例化为多个类型，那么编译器会为每个实例生成独立的代码。这会导致二进制文件的体积增加。例如，std::vector<int> 和 std::vector<double> 会生成两套不同的代码。

2. 宏和预处理器指令：

  • 使用大量的宏定义和预处理器指令会生成许多重复的代码片段，增加了代码的体积和复杂性。

3. 过度使用设计模式：

  • 一些设计模式（如工厂模式、单例模式等）如果过度使用或滥用，可能会引入许多额外的代码，增加了程序的复杂性。

4. 缺乏代码优化和重构：

  • 在软件开发过程中，缺乏代码优化和重构可能会导致大量冗余代码的累积。例如，重复的函数、无效的变量声明和不必要的对象创建。

5. 库和框架的使用：

  • 使用大型库或框架时，往往会引入许多不必要的功能和代码，导致程序体积膨胀。

代码膨胀的影响：

1.性能：

  • 代码膨胀会导致程序的加载时间增加，运行速度变慢，内存占用增大，影响整体性能。

2.维护性：

  • 过多的冗余代码使得代码的可读性和可维护性降低，增加了维护的难度和成本。

3.编译时间：

  • 大量的代码会显著增加编译时间，影响开发效率。

代码膨胀的应对方法：

1.模板优化：

  • 使用模板元编程技巧来减少不必要的模板实例化。
  • 使用类型擦除（type erasure）技术来减少模板代码膨胀。

2.宏定义的合理使用：

  • 尽量减少宏定义的使用，使用内联函数或常量表达式替代。

3.适度使用设计模式：

  • 在适当的场景下使用设计模式，不滥用设计模式。

4.定期进行代码重构：

  • 定期进行代码重构，删除冗余代码，优化代码结构，提高代码质量。

5.选择合适的库和框架：

  • 使用轻量级的库和框架，根据需求选择合适的第三方工具，避免引入过多的无关功能。
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