【C++】—— 模板进阶

9毫米的幻想2024-10-27 13:24

【C++】------ 模板进阶

  • [1 非类型模板参数](#1 非类型模板参数)
    • [1.1 什么是非类型模板参数](#1.1 什么是非类型模板参数)
    • [1.2 非类型模板参数对比宏的优势](#1.2 非类型模板参数对比宏的优势)
    • [1.3 array 简单了解](#1.3 array 简单了解)
  • [2 模板的特化](#2 模板的特化)
    • [2.1 引子](#2.1 引子)
    • [2.2 函数模板特化](#2.2 函数模板特化)
    • [2.3 函数模板特化的坑](#2.3 函数模板特化的坑)
    • [2.4 类模板的特化](#2.4 类模板的特化)
      • [2.4.1 全特化](#2.4.1 全特化)
      • [2.4.2 偏特化（半特化）](#2.4.2 偏特化（半特化）)
      • [2.4.3 选择](#2.4.3 选择)
      • [2.4.4 偏特化的妙用](#2.4.4 偏特化的妙用)
  • [3 模板分离编译](#3 模板分离编译)
    • [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)
    • [3.3 为什么模板不支持分离编译](#3.3 为什么模板不支持分离编译)
    • [3.4 实现分离编译的方法](#3.4 实现分离编译的方法)
  • [4 模板总结](#4 模板总结)

1 非类型模板参数

1.1 什么是非类型模板参数

模板参数分为类型和非类型模板参数

类型形参：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 这后的参数类型名称
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

什么意思呢，我们结合代码来看一下

cpp 复制代码 
// 定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N>
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;
};

T T T 是用 c l a s s class class 或 t y p e n a m e typename typename 定义的，为类型模板参数

N N N 是直接用类型( s i z e size size_ t t t)定义的，即为非类型模板参数 ，非类型模板参数可以给缺省值

非类型模板参数有什么用呢？比如我们要定义一个静态的数组/栈

cpp 复制代码 
template<size_t N = 10>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	size_t top;
};

N N N 是常量，可以定义数组的大小。为什么是常量呢？因为模版在编译时就实例化了，所以 N N N 在编译器时就确定了

1.2 非类型模板参数对比宏的优势

那么它比宏的优点是什么呢？

cpp 复制代码 
define N 10
class stack
{
private:
	int _a[N];
	size_t top;
};

宏是写死的， N N N 只能为 10，比如我想一个栈存 5 个数据，一个存 10 个数据，宏就做不到。而非类型模板参数可以做到

cpp 复制代码 
//给了缺省值10，可以不传参
Stack<> s1;
Stack<5> s2;

注：如果非类型模板参数给了缺省值，实例化时依然要加上<>（C++20之后可不加）

当然，其底层本质还是生成了两个类，一个类 N 是 5，另一个 N 是 10。

非类型模板参数只能用于整型，其他任何类型都不行（C++20之后支持浮点数）

整型家族有： s i z e size size_ t t t、 i n t int int、 s h o r t short short、 c h a r char char、 b o o l bool bool等

1.3 array 简单了解

那非类型模板参数在 STL库 中有什么应用吗？

C++11中提供 array 容器就运用了非类型模板参数

a r r a y array array容器其实就是一个静态数组，这是它的函数接口：

它同样支持迭代器访问等，但它不支持 p u s h push push_ b a c k back back、 i n s e r t insert insert 等，因为它不支持扩容。

那么 array 和静态数组有什么区别呢？

cpp 复制代码 
//有什么区别呢？
int arr1[10];
array<int, 10> arr2;

a r r a y array array 与 静态数组 基本没有什么区别，唯一的区别是 a r r a y array array 对越界的检查非常严格

普通静态数组越界读基本检查不出来。

而对于越界写是一种抽查：普通数组一般会在数组末尾给 1~3 个标志位，标志位会给某个值（假设为-1），程序结束后看标志位是否被修改，修改了就能被检查出来，没修改就检查不出。越界访问跳过标志位修改时检查不出的。

但是 a r r a y array array 容器对越界检查就很准，越界读和越界写都能检查出来。

这里因为 a r r a y array array 是自定义类型，它里面重载的 operator[] 中加了 a s s e r t assert assert断言强制检查。他的机制和静态数组不一样

但是 a r r a y array array 还是比较鸡肋 ，我为什么不用 v e c t o r vector vector 呢？ v e c t o r vector vector 也能检查越界，还能动态增长， a r r a y array array 唯一优势是它是在栈上开辟空间， v e c t o r vector vector 是在堆上，频繁的开辟数组 a r r a y array array 效率略高（栈上开空间栈帧建立的时候一次性就开好了）

2 模板的特化

2.1 引子

现在我们实现了一个函数模板，用于实现比较功能

cpp 复制代码 
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
cpp 复制代码 
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);
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确

	Date d1(2024, 1, 1);
	Date d2(2023, 1, 1);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
	
	return 0;
}

用来比较 整型 和 日期 D a t e Date Date类对象 都是没有问题的

但是传递日期类的地址去，比较结果就出问题了

cpp 复制代码 
int main()
{
	Date d1(2024, 1, 1);
	Date d2(2023, 1, 1);
	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;
}

为什么？因为这里比较的是 d 1 d1 d1 和 d 2 d2 d2 两个地址的大小，不是比较他们的值。

我们可以使用模板的特化来解决这个问题，而模板特化又分为函数模板特化和类模板特化

2.2 函数模板特化

函数模板特化的步骤：

  • 必须先有一个基础的函数模板
  • 关键字 t e m p l a t e template template 后面接一对空的尖括号<>
  • 函数名后面跟一对尖括号<>，尖括号中指定需要特化的类型
  • 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
cpp 复制代码 
//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;
}

但除了特化，还能其他方法：直接写一个函数，这种方法更加推荐

cpp 复制代码 
bool Less(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

如果有模板和现成的类或函数，优先用现成的。

2.3 函数模板特化的坑

模板的特化其实是很坑的，上面大家可能没有感觉到，我们下面来见识一下。

cpp 复制代码 
template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}

严格来说，比较函数模板形参应该用 const引用 而不是上面的传值传参，万一是自定义类型呢

那这时 D a t e Date Date* 的函数模板特化该怎么写呢？

cpp 复制代码 
template<>
bool Less<Date*>(const Date*& left, cosnt Date*& right)
{
	return *left < *right;
}

这样写可以吗？

不行！

问题出现在 c o n s t const const

模板中的 const 修饰的是 left 和 right，即引用本身。如果传 D a t e Date Date* 类型，那 c o n s t const const 修饰的应该是 D a t e Date Date*

但特化中的 c o n s t const const 是在 * 之前，修饰的是指针所指向的内容，而不是 D a t e Date Date* 指针本身，相当于修饰 * l e f t left left 和 * r i g h t right right。如果传 D a t e Date Date* 类型，修饰的就是 D a t e Date Date

所以要 将 c o n s t const const 放到 * 的后面

cpp 复制代码 
template<>
bool Less<Date*>( Date* const& left, Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}

那如果传 c o n s t const const D a t e Date Date* ，这特化的模板还能用吗？

cpp 复制代码 
template<>
bool Less<Date*>( Date* const & left, Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}

int main()
{
	Date d1(2026, 1, 1);
	Date d2(2025, 1, 1);
	const Date* p1 = &d1;
	const Date* p2 = &d2;
	cout <<" "<< Less(p1, p2) << endl; 

	return 0;
}

不能

const Date* 和 Date* 是两个类型。 c o n s t const const D a t e Date Date* 传给 D a t e Date Date* 会造成权限放大，无法编译通过

只能再特化一个 c o n s t const const D a t e Date Date* 的函数模板

cpp 复制代码 
template<>
bool Less<const Date*>(const Date* const& left, const Date* const& right)
{
	return *left < *right;
}

这里的两个const，我们来理一下：前一个 c o n s t const const，是属于 c o n s t const const D a t e Date Date* 类型；后一个 c o n s t const const 是修饰引用对象本身。

可能小伙伴对 c o n s t const const 放在后面有些不习惯

用const修饰普通类型， c o n s t const const 既可以放在之前也可以放在之后

cpp 复制代码 
cosnt int i = 0;
int const j = 1;

引用也是如此（虽然难看了点）

cpp 复制代码 
const int& rx = i;
int const& ry = j;

这样写函数模板可能大家更容易理解一点

cpp 复制代码 
template<class T>
bool Less(T const & left, T const & right)
{
	return left < right;
}

总结：

尽量别用函数模板特化，直接用普通函数不香吗

2.4 类模板的特化

2.4.1 全特化

cpp 复制代码 
//原模版
template<class T1, class T2>
class Data
{
public :
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
cpp 复制代码 
//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public :
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
cpp 复制代码 
int main()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
	return 0;
}

2.4.2 偏特化（半特化）

偏特化就是只特化一部分参数，比如上述 D a t a Data Data 类，我只特化第二个参数为 d o u b l e double double

cpp 复制代码 
template<class T1>
class Data<T1, double>
{
public:
	Data() { cout << " Data<T1, double>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};

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

2.4.3 选择

那如果全特化和半特化都符合，编译器走谁呢？

cpp 复制代码 
template<>
class Data<int, char>
{
public :
	Data() { cout << " Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};

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

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

走全特化

我们可以认为编译器是个懒狗 。半特化的 T1 还要自己推导，烦死了，直接用全特化多香。

2.4.4 偏特化的妙用

cpp 复制代码 
//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;
};

如果传的类型是指针，就调用这个偏特化，任意类型的指针！

cpp 复制代码 
int main()
{
	Data<int*, char*> d1;
	Data<int*, int*> d2;
	return 0;
}

还可以引用特化

cpp 复制代码 
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public :
	Data() { cout << " Data<T1&, T2&>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

int main()
{
	Data<int&, char&> d1;
	Data<int&, int&*> d2;
	return 0;
}

指针和引用混在一起特化也可以

cpp 复制代码 
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2*>
{
public :
	Data() { cout << " Data<T1&, T2*>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

int main()
{
	Data<int&, char*> d1;
	Data<int&, int*> d2;
	return 0;
}

应用：

cpp 复制代码 
template<class T>
class Less
{
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};

template<class T>
class Less<T*>
{
public:
	bool operator()( T* const& x,  T* const& y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 0;
	int* pa = &a;
	int* pb = &b;
	double c = 1.0;
	double d = 2.0;

	cout << Less<int>()(a, b) << endl;
	cout << Less<int*>()(pa, pb) << endl;
	cout << Less<double*>()(&c, &d) << endl;

	return 0;
}

如果不用半特化，还要全特化出 i n t int int* 和 d o u b l e double double* 两个全特化，可见半特化还是很好用的。

3 模板分离编译

3.1 什么是分离编译

一个程序（项目）往往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

但是，模板不支持分离编译

cpp 复制代码 
//func.h
#pragma once
#include<iostream>

using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void fun(const int& left, const int& right);


//func.cpp
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"func.h"

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

void fun(const int& left, const int& right)
{
	cout << " fun(const int& left, const int& right)" << endl;
}


//test.cpp
int main()
{
	Add(1, 2);
	fun(3, 4);
	return 0;
}

可以看到，编译无法通过

3.3 为什么模板不支持分离编译

为什么模板不支持分离编译呢？要想理解这个问题，需对编译与链接有一些了解，详情大家可移步至：【C语言】 ------ 编译和链接

我们简单回忆一下：

  • 预处理
    • 头文件的展开、宏替换、条件编译、去掉注释
    • 生成 .i 文件

经过预处理后， f u n c func func. h h h 文件就在 f u n c func func. c p p cpp cpp 和 t e s t test test. c p p cpp cpp 文件展开

  • 编译
    • 检查语法，生成汇编代码（报的语法错误就是这一阶段报出的）
    • 生成 .s 文件
  • 汇编
    • 汇编代码转换成二进制机器码（CPU只认识 0 和 1），生成符号表
    • 生成 .o/.obj 目标文件
  • 链接
    • 将目标文件合并在一起生成可执行程序，并且把需要的函数地址等链接上
    • 生成 .exe 可执行程序

模板不能分离编译问题就出在 链接 这一步上：

对 func.cpp 文件，在预处理时， f u n c . h func.h func.h 文件已经展开

cpp 复制代码 
//func.cpp

//func.h 已展开
/*******************************************
#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void fun(const int& left, const int& right);
********************************************/

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

void fun(const int& left, const int& right)
{
	cout << " fun(const int& left, const int& right)" << endl;
}

编译阶段：

A d d Add Add 和 f u n c func func 都有其声明和定义， f u n c func func 可以被编译成具体的汇编指令，因为 f u n c func func 的所有东西都是确定的。但 A d d Add Add 不会生成具体的指令，因为 A d d Add Add 是个模版，不知道模版参数 T T T 是什么，只知道它声明了

对 t e s t . c p p test.cpp test.cpp 文件，在预处理时， f u n c . h func.h func.h 文件已经展开

cpp 复制代码 
//test.cpp

//func.h 已展开
/*******************************************
#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void fun(const int& left, const int& right);
********************************************/

int main()
{
	Add(1, 2);
	fun(3, 4);

	return 0;
}

编译阶段：

t e s t . c p p test.cpp test.cpp 中只有 A d d Add Add 和 f u n c func func 的声明，但符合语法，依然让他们过了。但是没有 A d d Add Add 和 f u n c func func 的地址：call Add(?)、call func(?)，因为没有他们的定义。他们的定义可能在其他文件，那什么时候去找呢？在链接阶段。

这里需要注意：在链接之前，各个文件都是相互独立的，互不影响

链接的时候，除了将两个文件合并在一起，还有一个很重要的事情：找地址。之前我只有声明没有地址，到了编译阶段我就可以用函数名去找地址了（在符号表找）

f u n c func func 去找地址，找到了 ；但是 A d d Add Add 去找，找不到。

为什么找不到呢？

因为在 f u n c . o func.o func.o 文件中， A d d Add Add 还没有实例化。
A d d Add Add 实例化的方法在 t e s t . o test.o test.o 文件中，但此时两文件并没有交集。 f u n c func func文件 中有定义和声明，但不知道T实例化成什么； t e s t test test文件 中有声明、知道实例化方法，但没有定义。

3.4 实现分离编译的方法

其实模板也不是完全不能实现分离编译，还是有方法的：显式实例化

cpp 复制代码 
//func.h
#include<iostream>

using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void fun(const int& left, const int& right);

//显式实例化
//为与特化进行区分，template后不需加尖括号<>
template
int Add(const int& left, const int& right);

但上述只显示实例化了 i n t int int， d o u b l e double double类型调用要再次显示实例化成 d o u b l e double double，因此不推荐这种方法

模板最好的解决方案是在同一个文件(.h)中进行声明和定义

为什么 . h .h .h 中同时进行声明和定义没问题呢？因为在预处理后 . c p p .cpp .cpp 将 . h .h .h 文件展开，就同时有了模版的声明、定义和实例化方式。在编译阶段就能直接将模板实例化成对应的函数，这样就有其地址，不会失败了。

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】

  3. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

  4. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

好啦，本期关于模板进阶的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在 C++ 的学习路上一起进步！

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