C++：模板进阶

2301_789015622025-12-12 10:19
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前言

一非类型模板参数

1.1模板参数分类

1.2非类型模板参数

二 模板的特化

2.1概念

2.2 函数模板特化

2.2.1函数模板的特化步骤

2.2.2【示例】上面的比较函数要实现比较两个指针指向的内容

2.3 类模板特化

2.3.1类模板全特化

2.3.2类模板偏特化

2.3.2.1 偏特化：将模板参数列表中的一部分参数特化。

2.3.2.2偏特化:对参数进行限制：偏特化不仅仅是指特化部分参数，而是针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本

2.4特化总结

三模板分离编译

3.1什么是分离编译

3.2 模板的分离编译

3.3解决办法

四 总结

前言

在我的主页中C++：模板初阶已经讲了模板的语法/基本用法，接下来讲着重讲解模板特化等问题。

一 非类型模板参数

1.1模板参数分类

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。

1.2非类型模板参数

在实际代码中我们可能要定义一个静态stack(栈)等一些静态对象，那我们看一看下面这个代码是否能实现。

cpp 复制代码 
#define N 10
template<class T>
class stack
{
private:
   T _a[N];
   size_T _top;
};

int main()
{

  stack<int> st1;
  stack<int> st2;
  return 0
}

上面代码实现一个静态栈显然是成立的，但如果我们实际需要st1大小是10，st2大小是1000呢？对于这个问题前面只能改变N的大小或者在建一个，但是如果将N改为1000，此时st1就浪费了空间。如果在新建一个又太麻烦。为此C++引入**非类型模板参数(即在模板参数中，用一个常量[注意是常量，其他类型一般不行]作为类(函数)模板的一个参数，**这时我们就可以根据常量的大小来确定变量空间大小。

cpp 复制代码 
//使用非类型模板参数创建不同大小的静态栈
template<class T,size_t N=10>
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	size_t _top;
};

int main()
{
	Stack<int, 10> st1;//10
    Stack<int> st2;//10使用默认值
	Stack<int, 100>st3;//100
}

小问题

  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(要到C++20之后才支持)。
  2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。(即非类型的模板参数不可以是变量，因为编译时编译器无法确定大小）

二 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。

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);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return _cout;
}

struct PDateCompare
{
	bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
	{
		return *p1 < *p2;
	}
};

struct StringCompare
{
	bool operator()(const string& s1, const string& s2)
	{
		return s1.size() < s2.size();
	}
};
/////////////////////////////////////////////////////////////////
//上述为日期类实现，下面时具体需求
//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;//能正确比较
	Date d1(2025, 1, 7);
	Date d2(2025, 1, 6);
	cout << Less(d1, d2) << endl;//能正确比较
    
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl;//想比较指针指向的内容是不能正确比较，
//这里是比较两个指针，这时候如果想比较指针指向的内容就要使用函数特化
}

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

2.2 函数模板特化

2.2.1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。
2.2.2【示例】上面的比较函数要实现比较两个指针指向的内容
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;
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; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
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。(即函数模板特化很少用[有很多坑] 比如上面实现比较两个指针指向的内容，我们可以直接给出相应的函数如下面代码：， 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。）

比较两个指针指向的内容直接给出函数

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

2.3 类模板特化

C++类模板特化分为：全特化和偏特化。

2.3.1类模板****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。
【示例】

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

结果：

2.3.2类模板****偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。作用：不仅仅是特化部分模板参数，还可以限制参数类型。

2.3.2.1 偏特化：将模板参数列表中的一部分参数特化。
cpp 复制代码 
template<class T1,class T2>
class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << "Date<T1,T2>" << endl;
	   }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//偏特化（特化部分参数)
template<class T1>
class Date<T1, char>//将第二个参数特化为char
{
public:
	Date()
	{
		cout << "Date<T1,char>" << endl;
	}
};
2.3.2.2偏特化:对参数进行限制：偏特化不仅仅是指特化部分参数，而是针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本
cpp 复制代码 
template<class T1,class T2>
class Date
{
public:
	Date()
	{
		cout << "Date<T1,T2>" << endl;
	   }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

// 特化--偏特化（用于参数限制
// 实例化模板参数只要是指针就会走这个版本
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>//（两个参数偏特化指针类型两个参数都是指针类型就匹配这个）
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>//（两个参数偏特化引用类型两个参数都是引用类型就匹配这个）
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2&>//（一个参数偏特化为指针类型一个参数偏特化为引用类型一个参数都是指针类型一个是引用类型就匹配这个）
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2&>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

2.4特化总结

对于函数模板：函数模板<=>普通函数：对于函数有模板函数和普通函数之分，两者都可以通过参数进行匹配调用，使用我们一般不用使用函数模板特化，而是直接形参相应的函数。

二对于类模板：类模板<=>没有普通模板：对于类就没有模板和普通之分，使用模板相要相应类型就必须进行模板特化

三 模板分离编译

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

【示例】 以下场景，将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：

cpp 复制代码 
// a.h
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：

3.3解决办法

  1. 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。推荐使用这种。
  2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。
    【分离编译扩展阅读】
    分离编译模式

四 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

本篇文章就到此结束，欢迎大家订阅我的专栏，欢迎大家指正，希望有所能帮到读者更好理解C++相关知识 ，觉得有帮助的还请三联支持一下~后续会不断更新C/C++相关知识，我们下期再见。

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