【C++】12. 模板进阶

【C++】12. 模板进阶

• 一、非类型模板参数
• • [1.1 类型形参](#1.1 类型形参)
  • [1.2 非类型形参](#1.2 非类型形参)
• 二、模板的特化
• • [2.1 概念](#2.1 概念)
  • （1）解决方案一
  • （2）解决方案二
  • [2.2 函数模板特化](#2.2 函数模板特化)
  • [2.3 类模板特化](#2.3 类模板特化)
  • • [2.3.1 全特化](#2.3.1 全特化)
    • [2.3.2 偏特化](#2.3.2 偏特化)
    • • [（1） 部分特化](#（1） 部分特化)
      • [（2） 参数更进一步的限制](#（2） 参数更进一步的限制)
    • [2.3.3 类模板特化应用示例](#2.3.3 类模板特化应用示例)
• 三、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 解决办法](#3.3 解决办法)
• 四、模板总结
• • [4.1 优点](#4.1 优点)
  • [4.2 缺陷](#4.2 缺陷)

一、非类型模板参数

模板参数 分为 类型形参 与 非类型形参。

1.1 类型形参

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

// T: 类型模板参数，它是一个类型
template <class T> class A;

1.2 非类型形参

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。

// T: 类型模板参数，它是一个类型
// N: 非类型模板参数，它是一个常量
template <class T, size_t N = 10> class A;
 
template <class T, size_t N> class B; // 不推荐使用，容易导致栈溢出(栈是非常小的)

注意 ：不管哪种模板参数，都可以给缺省值。

// 现在实现了一个静态栈，可以存10个数据，实例化的每个对象都可以存10个数据
// 如果我想要第一个对象st1存100个数据，第二个对象存200个数据，这种结构就非常不好
#define N 10
template<class T> // 静态栈
class Stack {
private:
	T _a[N];
	size_t _top;
};
 
void test()
{
	Stack<int> st1; // 10
    Stack<int> st2; // 10
}
 
// 修改如下：
// 定义非类型模板参数(常量)：
void test()
{
	Stack<int, 100> st1; // 100
	Stack<int, 200> st2; // 200
    
	/* error! 必须要用常量
    int n;
    cin >> n;
    Stack<int, n> st3;
	*/
}

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。

// 交换两个元素
template <class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp(x);
    x = y;
    y = tmp;
}
 
int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	Swap(x, y);
 
	vector<int> v1 = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v2 = { 10, 20, 30, 40 };
	Swap(v1, v2); // 深拷贝式交换，代价太大，效率低
    
    return 0;
}

（1）解决方案一

函数的匹配原则，写一个专门针对 vector 类型对象交换的函数（推荐）。

void Swap(vector<int>& v1, vector<int>& v2)
{
	v1.swap(v2); // 只需要交换对象内部的几个指针即可
}

（2）解决方案二

函数模板的特化，针对 vector 类型对象的交换进行特殊化处理。

template <>
void Swap<vector<int>>(vector<int>& v1, vector<int>& v2)
{
	v1.swap(v2);
}

2.2 函数模板特化

template <class T1, class T2>  // 基础函数模板
void add(T1& x, T2& y)
{
	cout << "void add(T1& x, T2& y)" << endl;
}
 
template<>
void add<int, char>(int& x, char& y)  // 函数模板的特化
{
	cout << "void add<int, char>" << endl;
}
 
int main()
{
	int a = 1;
    int b = 2;
	add(a, b); // 走基础函数模板
 
	int c = 1;
	char d = 'a';
	add(c, d); // 走特化的void add<int, char>版本
 
    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。

void add(int& x, char& y)
{
	cout << "void add(int& x, char& y)" << endl;
}

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

全特化： 将模板参数列表中所有的参数都确定化。

template <class T1, class T2> // 基础类模板
class Data
{
public:
    Data() {cout << "Data<T1, T2>" << endl;}
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
 
// 类模板的全特化，最后还是要经过模板推演
template<>
class Data<double, double>
{
public:
    Data() {cout << "Data<double, double>" << endl;}
private:
    double _d1;
    double _d2;
};
 
void TestVector()
{
    Data<int, int> d1;  // 走基础类模板
    Data<double, double> d2; // 走特化的模板
}

2.3.2 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。

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

偏特化有以下两种表现方式：

（1） 部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化。

// 将第二个参数特化为char
template <class T1>
class Data<T1, char>
{
public:
    Data()
    {
        cout << "Data<T1, int>" << endl;
    }
private:
    T1 _d1;
    char _d2;
};
 
void test()
{
	Data<int, int> d1;  // 走基础类模板
	Data<int, char> d3; // 走特化版本
}

（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，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

// 两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*> // 两个参数偏特化为指针类型
{ 
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<int, int> d1;         // 调用基础的模板 
 
    // 不管显示实例化什么类型的指针都可以
    Data<int*, char*> d2;      // 调用特化的int版本       
    Data<int*, int*> d3;       // 调用特化的指针版本
 
    // 不管显示实例化什么类型的引用都可以
    Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
 
    return 0;
}

2.3.3 类模板特化应用示例

有如下专门用来按照小于比较的类模板 Less：

#include <vector>
#include <algorithm>
template <class T>
struct Less
{
    bool operator()(const T& x, const T& y) const
    {
        return x < y;
    }
};
 
int main()
{
    Date d1(2023, 9, 27);
    Date d2(2023, 9, 26);
    Date d3(2023, 9, 28);
 
    vector<Date> v1;
    v1.push_back(d1);
    v1.push_back(d2);
    v1.push_back(d3);
 
    // 可以直接排序，结果是日期升序
    sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());
    vector<Date*> v2;
    v2.push_back(&d1);
    v2.push_back(&d2);
    v2.push_back(&d3);
 
    // 可以直接排序，结果错误日期还不是升序，而v2中放的地址是升序
    // 此处需要在排序过程中，让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
    // 但是走Less模板，sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址，因此无法达到预期
    sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
 
    return 0;
}

// 对 Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
    bool operator()(Date* x, Date* y) const
    {
        return *x < *y;
    }
};

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

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：

// a.h
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b);
 
// a.cpp
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
    return a + b;
}
 
// main.cpp
#include "a.h"
 
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    
    return 0;
}

---

此段代码运行会报链接错误（链接错误一般是指在链接阶段找不到该函数的定义）。

无法解析的外部符号 "int __cdecl Add<int>(int const &,int const &)" (??$Add@H@@YAHABH0@Z)，函数 _main 中引用了该符号

【分析】

3.3 解决办法

// a.h
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b); // 函数模板的声明
 
// a.cpp
#include "a.h"
 
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b)  // 函数模板的实现
{
	return a + b;
}
 
template
int Add(const int& a, const int& b);          // 显示实例化函数模板
template
double Add(const double& a, const double& b); // 显示实例化函数模板
 
// main.cpp
#include "func.h"
 
int main()
{
	Add(1, 2);     // call Add<int>
	Add(1.0, 2.0); // call Add<double>
	return 0;
}

四、模板总结

4.1 优点

4.2 缺陷