【C++模板进阶】——【非类型模板参数 / 模板的特化 / 模板分离编译】

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索引与导读

[1. 非类型模板参数](#1. 非类型模板参数)
- 1.1）类型形参
- 1.2）非类型形参
[2. 模板的特化](#2. 模板的特化)
[3. 模板分离编译](#3. 模板分离编译)
[💻结尾--- 核心连接协议](#💻结尾— 核心连接协议)

🔗Lucy的空间骇客裂缝： C++ 模板初阶

1. 非类型模板参数

1.1）类型形参

cpp 复制代码

template <typename T> 
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 使用时：
add<int>(5, 3);       // T 被替换为 int
add<double>(1.2, 3.4); // T 被替换为 double

1.2）非类型形参

非类型形参不代表类型，而代表一个常量值。你可以把它看作是在编译期确定的"常数变量"

cpp 复制代码

namespace bite
{
    // 定义一个模板类型的静态数组
    // T: 类型形参，决定数组存储什么
    // N: 非类型形参，决定数组的大小（编译期常量）
    template<class T, size_t N = 10>
    class array
    {
    public:
        // 下标引用操作符（支持修改）
        T& operator[](size_t index) {
            return _array[index];
        }

        // 下标引用操作符（常函数，仅供读取）
        const T& operator[](size_t index) const {
            return _array[index];
        }

        // 获取数组大小
        size_t size() const {
            return _size;
        }

        // 判空
        bool empty() const {
            return 0 == _size;
        }

    private:
        T _array[N];        // 利用非类型形参 N 开辟空间
        size_t _size = N;   // 初始化大小为 N
    };
}

╔═█▓▒░ CODE CORE 🔥
┌─────────────┐
│ 代码关键点 │namespace bite
└─────────────┘

作用： 定义一个名为 bite 的命名空间。
目的： 防止类名 array 与标准库中的 std::array 产生冲突（即"命名污染"）。

╔═█▓▒░ CODE CORE 🔥
┌─────────────┐
│ 代码关键点 │template<class T, size_t N = 10>
└─────────────┘

template： 告诉编译器，接下来的代码是一个模板。
class T： 类型形参。代表数组要存储的数据类型（如 int，double）。
size_t N = 10： 非类型形参。
- size_t 是无符号整型，常用于表示大小。
- N 代表数组的长度。
- = 10 是缺省值。如果用户不指定大小，默认创建长度为 10 的数组

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

2. 模板的特化

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

// 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;
}

详细代码解析

当你写下 Less(d1, d2) 时，编译器并不会直接运行这个函数

类型推导： 编译器看到d1和d2的类型是Date

生成代码： 编译器会根据你之前定义的template<class T>，自动生成一份专门为 Date 类型服务的函数代码

生成的底层伪代码：
cpp 复制代码
bool Less(Date left, Date right) {
   return left < right; 
}

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 和类模板特化

2.1）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。

cpp 复制代码

```cpp
// 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。

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

2.2）类模板特化

2.2.1）全特化

全特化是指为模板参数提供一组具体的类型。一旦进行了全特化，原来的"模板"就不再具有通用性，而是变成了一个针对特定类型的"具体类"

语法特点

必须先声明基础模板。
使用 template <> 开头（不带任何参数）。
在类名后的角括号中指定具体的类型

cpp 复制代码

// 1. 基础模板 (Primary Template)
template <typename T>
class Storage {
public:
    void print() { cout << "通用模板：存储普通数据" << endl; }
};

// 2. 全特化版本：专门处理 char* 类型
template <>
class Storage<char*> {
public:
    void print() { cout << "全特化模板：专门处理字符串指针" << endl; }
};

2.2.2）偏特化

偏特化（也叫部分特化） 是指在不完全确定所有模板参数的情况下，对满足某种特定模式的参数进行定制

注意： 只有类模板支持偏特化，函数模板不支持偏特化（只能全特化或通过重载解决）

偏特化通常分为两种形式：

A. 参数个数上的偏特化

当模板有多个参数时，只固定其中的一部分。

cpp 复制代码

// 基础模板
template <typename T1, typename T2>
class Data { };

// 偏特化：将第二个参数固定为 int
template <typename T1>
class Data<T1, int> { };

B. 参数范围上的偏特化（模式匹配）

不固定具体的类型，但限制类型的形态（例如从 T 缩小为 T*、T& 或 vector）

cpp 复制代码

// 基础模板
template <typename T>
class Handler { };

// 偏特化：只处理指针类型
template <typename T>
class Handler<T*> { };

// 偏特化：只处理常量引用类型
template <typename T>
class Handler<const T&> { };

3. 模板分离编译

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 ------------分离编译模式

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：

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;
}

代码分析：
C/C++ 程序要运行，一般要经历以下步骤：
预处理 → 编译 → 汇编 → 链接

编译：对程序按照语言特性进行词法、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码。

注意： 头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是分离开单独编译的

链接：将多个 .obj 文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题

解决方法：

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
模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用

💻结尾--- 核心连接协议

警告： 🌠🌠正在接入底层技术矩阵。如果你已成功破解学习中的逻辑断层，请执行以下指令序列以同步数据：🌠🌠

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