文章目录
- C++模板的优势
- C++模板的主要优势包括：
- 编写你的第一个模板
- 函数模板的使用
- 理解模板术语
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- 模板由一个或多个形参参数化(到目前为止，我们看到的例子都只有一个形参)。这些形参称为模板形参，可以分为3类。
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- 可以通过提供替代实现来特化模板。这些实现可以依赖于模板形参的性质特点。特化的目的是实现优化或减少代码膨胀。特化有以下两种形式。
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- 编译器通过将模板定义中的模板形参替换成实参，从而自模板生成代码的过程称为**模板实例化【template instantiation】** 。模板实例化有以下两种形式。
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- 模板的优缺点
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- 优点：
- 缺点：
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C++模板的优势
c++是一门支持多种编程范式的语言，包括：
- 过程式编程(Procedural Programming)：基于函数和过程的结构化编程。
- 面向对象编程(OOP)：通过类、继承和多态实现模块化与复用。
- 泛型编程(Generic Programming）：借助模板编写类型无关的代码，提高代码复用性和灵活性。
- 函数式编程(Functional Programming)：使用不可变数据和高阶函数，提升代码可测试性和并发能力。
- 元编程(Metaprogramming)：利用编译期计算优化程序，提高运行效率。在这些范式中，模板技术是C++的核心特性，它赋予C++强大的泛型编程能力，使代码适用于多种数据类型，而不需要冗余编写。例如，标准模板库(STL)的容器（如std:：vector、std:map)和算法（(如std：：sort、std:：find)均依赖模板实现。
C++模板的主要优势包括：
- 编译时多态(Compile-time Polymorphism)：相比运行时多态(如继承与虚函数)，模板允许编译期进行类型推导和优化，从而提高执行效率。
- 编译时计算(Compile-time Computation)：利用模板元编程(TMP),C++能在编译期执行计算，减少运行时开销。例如，std:：integral_constant 和std：：conditional可用于选择编译期代码路径。
- 代码复用：模板减少了重复代码，提高了通用性。例如，std：enableif可用于 SFINAE（替换失败非错误)，实现条件编译。
模板的强大使其在现代C++开发中占据重要地位，特别是在高性能计算、游戏开发、底层系统编程等领域。掌握模板不仅能提升代码质量，还能帮助程序员深入理解C++语言的底层机制。
编写你的第一个模板
- 这是一个比较两个值大小的函数模板
cpp
//函数模板
template<typename T>
T max(T const &a， T const &b)
{
return a > b ? a : b;
}
//类模板
template<typename T>
struct vector
{
vector();
void push_back(T const &value);
private:
T* data;
}
//变量模板
template<typename T>
constexpr T NewLine = T('\n');- T成为类型模板形参，由语法template< typename T >或者template< class T >引入。请记住T是形参，因此它可以有任何名称。【在后续的文章中我们会了解更多关于模板形参的内容】
函数模板的使用
cpp
struct foo{};
int main
{
foo f1,f2;
max(1,2); //正确，比较int
max(1.0,2.0); //正确，比较double
max(f1,f2); //错误，foo没有重载operator>
}- 在以上代码片段中，首先传入两个整数来调用max，这是可以的，因为int 类型有operator>。这将生成一个重载int max(int const a, int const b)。之后，传入两个double 来调用max，这也是正确的，因为double类型支持operator>。因此，编译器将生成另一个重载 double max(double const a, double const b)。但是，对max的第三次调用将生成一个编译错误，因为foo类型没有重载operator>。
- 需要指出，调用max函数的完整语法如下。
- max< int >(1,2);
- max< double >(1.0, 2.0);
- max< foo >(f1,f2);
- 这里编译器推导出模板形参类型，写出类型反而变得多余。但是，在某些情况下编译器无法进行推导，那你就需要用以上语法明确指定类型。
理解模板术语
到目前为止，我们用的都是通用术语"模板"。其实，上文编写的模板可以用4个不同的术语分别描述。
- 函数模板(function template)是指模板化的函数。之前看到的max模板就是一个例子。
- 类模板(class template)是指模板化的类(（可以使用关键字class、struct或union 定义)。
- 变量模板(variable template)是指模板化的变量。
- 别名模板(alias template)是指模板化的类型别名。
模板由一个或多个形参参数化(到目前为止，我们看到的例子都只有一个形参)。这些形参称为模板形参，可以分为3类。
- 类型模板形参(type template parameters),如template< typename T>, 形参表示的是使用模板时指定的类型。
- 非类型模板形参(non-type template parameters)，如template< size_t N>或template< auto N>,每个形参必须有结构化类型，包括整型、浮点型(C++20支持)、指针类型、枚举类型、左值引用类型等。
- 模板模板形参(template template parameters),如template< typename K, typename V, template< typename> typename C>,形参的类型是另一个模板。
可以通过提供替代实现来特化模板。这些实现可以依赖于模板形参的性质特点。特化的目的是实现优化或减少代码膨胀。特化有以下两种形式。
- 部分特化(partial specialization)： 只为部分模板形参提供替代实现。
- (显示)完全特化[(explicit)full specialization]： 为所有模板形参提供特化实现。
编译器通过将模板定义中的模板形参替换成实参，从而自模板生成代码的过程称为模板实例化【template instantiation】 。模板实例化有以下两种形式。
- 隐式实例化(implicit instantiation)： 编译器由于代码中用到了模板而对其进行实例化。只会为实际使用到的组合或者实参进行实例化。
- 显式实例化(explicit instantiation)： 这种方式要显式地告诉编译器需要实例化哪些模板，即便这些实例化在代码中没有显式使用。这在创建库文件很有用，因为未实例化的模板不会被放入目标文件中。
模板的优缺点
优点：
- 模板可以帮助我们避免编写重复的代码。
- 模板有利于创建提供算法和类型的泛型库，如标准C++库（有时被错误地称为STL)，这些库可以在许多应用程序中使用，不拘类型。
- 使用模板可以产生更少且更好的代码。例如使用标准库中的算法可以帮助编写更短小的代码，这些代码往往更易于理解和维护，此外，由于这些算法在开发和测试中投入了大量精力，它们通常会更加健壮。
缺点：
- 语法被认为很复杂而笨拙，尽管稍加练习就不会真正成为开发和使用模板的障碍。
- 与模板相关的编译错误常常长且晦涩，很难找出错误的原因。较新版本的C++编译器在简化这类错误方面有所进步，但通常仍然是一个重要的问题。C++20标准中引入的概念(concepts)也被看作一种努力，旨在提供更好的编译错误诊断。它们会增加编译时间，因为模板完全在头文件中实现。每当对模板进行更改时，包含该头文件的所有翻译单元都必须重新编译。
- 模板库作为一个或多个头文件的集合提供，必须与使用它们的代码一起编译。模板在头文件中实现的另一个缺点是缺乏信息隐藏。整个模板代码都在头文件中可读。库开发者通常会使用诸如detail或details等名空间来包含应放在库内部的代码，它们不应该被使用库的人直接调用。由于未使用的代码不会被编译器实例化，这些代码就可能更难验证。因此，在编写单元测试时，务必确保良好的代码覆盖率。对于库尤其如此。
- 注：尽管缺点列表看起来更长，但使用模板并非坏事，也不应该被回避。相反，模板是C++语言的一个强大特性。模板并不总是被正确理解，有时也会被误用或滥用。但是,请审慎地使用，模板确实有不可否认的优点。