C++模板进阶 - 技术栈

非类型模板参数

模板的特化

概念

函数模板特化

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。

我们来对比一下define宏和非类型模板参数

cpp 复制代码

#define N 20
template<class T>
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int>       st1;//20
	Stack<int>       st2;//2000?
	return 0;
}

define确实可以修改_a的大小，但做不到定义一个栈大小20，另一个栈大小2000，这时我们就可以利用非类型模板参数

cpp 复制代码

template<class T, size_t N = 10>//可以给缺省值
class Stack
{
public:
	size_t capacity()
	{
		return N;
	}

private:
	T _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int,20> st1;
	cout << st1.capacity() << endl;//20
	Stack<int, 2000> st2;
	cout << st2.capacity() << endl;//2000

	return 0;
}

注意：

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。

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

以Date类来举例

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;
}

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;
}

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：

必须要先有一个基础的函数模板

关键字template后面接一对空的尖括号<>

函数名后跟一对尖括号，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。

上述例子的正确模板特化

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;
}

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;   // 调用特化之后的版本，而不走模板生成
	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

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

不仅函数模板可以进行特化，类模板也可以针对特殊类型进行特殊化实现，并且类模板的特化又可分为全特化和偏特化（半特化）。

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。

例如，对于以下类模板：

cpp 复制代码

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

当T1和T2分别是int和char时，我们若是想对实例化的类进行特殊化处理，那么我们就可以对T1和T2分别是int和char时的模板进行特化。

cpp 复制代码

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


int main()
{
	Data<int, int> d1;//Data<T1, T2>
	Data<int, char> d2;//Data<int, char>
	return 0;
}

偏特化

偏特化是指任何针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

还是以Date类为例

cpp 复制代码

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

偏特化又可分为以下两种表现形式：
1、部分特化

我们可以仅对模板参数列表中的部分参数进行确定化。

例如，我们可以对T2为int类型的类进行特殊化处理。

cpp 复制代码

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

此时只要实例化对象时指定T2为int，就会使用这个特化的类模板来实例化对象。

2、参数更进一步的限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

例如，我们还可以指定当T1和T2为某种类型时，使用我们特殊化的类模板。

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;
};
//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data(const T1& d1, const T2& d2)
		: _d1(d1)
		, _d2(d2)
	{
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
	}
private:
	const T1& _d1;
	const T2& _d2;
};

int main()
{
	Data<double, int> d1;
	Data<int, double> d2;
	Data<int*, int*> d3;
	// 调用特化的int版本
	// 调用基础的模板    
	// 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4(1, 2);  // 调用特化的指针版本

	return 0;
}