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C++ 模板进阶

2023-08-31 45
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简介： 我们之前已经简单学习过模板使用，今天我们针对模板更多特性具体来说一说。

 

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💬<4>前言：我们之前已经简单学习过模板使用，今天我们针对模板更多特性具体来说一说。

目录

一.非类型模板

二.模板特化

1.概念

2.函数模板特化

3.类模板特化

3.1全特化

3.2偏特化

三. 模板分离编译

1.什么是分离编译

2.模板的分离编译

3.解决方法

一.非类型模板

模板参数分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。

    定义一个模板类型的静态数组：

    不使用非类型模板的情况下我们最常用的方法是使用宏。

    template<class T>
  class array
  {
  public:
    #define N 10
    T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
    const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }
    size_t size()const { return _size; }
    bool empty()const { return 0 == _size; }
  private:
    T _array[N];
    size_t _size;
  };

    image.gif

    如果我们此时需要同时有不同大小的静态数组，我们又该怎么办呢，如果我们继续使用宏来解决，那么我们就必须实现很多的静态数组类。如果我们使用非类型模板，就很好的简单的就解决了。主要的原理是，我们利用类模参数可以传常量。

    template<class T, size_t N = 10>
class array
{
public:
  T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
  const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }
  size_t size()const { return _size; }
  bool empty()const { return 0 == _size; }
private:
  T _array[N];
  size_t _size;
};
int main()
{
  //容量为20的静态数组
  ikun::array<int, 20> arr1;
  //容量为30的静态数组
  ikun::array<int, 30> arr2;
  return 0;
}

    image.gif

    注意：非类型模板参数类型只能是整形，例如：int ，short，long，longlong，char，size_t等。

    二.模板特化

    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。

    class Date
{
public:
  Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)
    : _year(year)
    , _month(month)
    , _day(day)
  {}
  bool operator<(const Date& date) const 
  {
    if (_year != date._year) { return _year < date._year; }
    if (_month != date._month) { return _month < date._month; }
    if (_day != date._day) { return _day < date._day; }
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(const T& left,const T& right)
{
  return left < right;
}
int main()
{
  cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
  Date d1(2022, 7, 9);
  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;
}

    image.gif

    image.gif编辑

    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.函数模板特化

    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。

    // 函数模板 -- 参数匹配，必须要有，作为基础模板
template<class T>
bool Less( T left, T right)
{
  return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化,特化成专门处理Date*类型的比较
template<>
bool Less<Date*>( Date* left,  Date* right)
{
  return *left < *right;
}

    image.gif

    有了特化以后就能对Data*的比较提供了特殊的比较方法马，我们再次看上次的数据的比较结果。

    image.gif编辑

    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：

    // 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,特化成专门处理Date*类型的比较
template<>
bool Less<Date*>( Date* left,  Date* right)
{
  return *left < *right;
}
// 直接给出针对具体类型实现的函数
bool Less(Date* left, Date* right)
{
  return *left < *right;
}

    image.gif

    当有了特化还有了直接给出的函数时，他们两个是不会冲突的，因为他们可以构成函数重载。那么问题来了那再调用的时候，到底是调用特化版本，还是调用针对具体类型实现的函数呢？

    // 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,特化成专门处理Date*类型的比较
template<>
bool Less<Date*>( Date* left,  Date* right)
{
  cout << "bool Less<Date*>( Date* left,  Date* right)" << endl;
  return *left < *right;
}
//直接给出具体实现的函数
bool Less(Date* left, Date* right)
{
  cout << "bool Less(Date* left, Date* right)" << endl;
  return *left < *right;
}
int main()
{
  //cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
  Date d1(2022, 7, 9);
  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，结果也正确
  return 0;
}

    image.gif

    直接给出具体实现的函数，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。

    image.gif编辑

    3.类模板特化

    3.1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：

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

    image.gif

    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。比如对于以下模板类：

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

    image.gif

    偏特化有以下两种表现方式：

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

      image.gif

        • 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。
        //类模板---全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
  Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
  int _d1;
  char _d2;
};
// 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;
};
//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;
};
void test2()
{
  Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
  Data<int, double> d2; // 调用基础的模板
  Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
  Data<int&, int&> d4(int(1), int(2)); // 调用特化的引用版本
}

        image.gif

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        类模板的特化，从基础的模板到偏特化到全特化。其实就是一个画圈的过程，一步一步的缩小范围针对特殊的类型，做出特殊的处理。

        就像 基础模板：男人；偏特化：帅气的男人；全特化：给出三连的你；

        image.gif编辑

        三. 模板分离编译

        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。

        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：

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

        image.gif

        image.gif编辑

        image.gif编辑

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        3.解决方法

        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。

        //TEST.h
//声明
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
//定义
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}

        image.gif

        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。

        template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
//显示实例化
template
double Add<double>(const double& left, const double& right);
//显示实例化
template
int Add<int>(const int& left, const int& right);

        image.gif

        注意：显示实例化有非常大的局限性，如果下次有一个新的类型，我们又得写一份新的显示实例化，这也就违背了模板的本质，所以不推荐使用。

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        C++
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