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【C++】模板进阶

2023-02-08 82
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简介： 【C++】模板进阶

👉非类型模板参数👈


模板参数分为类型参数和非类型参数。类型参数：出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 后的参数类型名称。非类型参数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。


// N个空间的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
class Array
{
private:
  T _a[N];
};
int main()
{
  Array<int, 10> a1;
  Array<double, 100> a2;
  return 0;
}


有了非类型模板参数，我们就可以根据需求来调整静态数组的大小。


C++ 11 也新增了静态数组array，其大小是固定的。它没有头插和尾插的函数接口，也不像 vector 那样要求数据连续，其数据可以不连续。array是通过operator[]来插入数据的，它和 C 语言中的数组进行对比的，它们的数据都是在栈上的。array和 C 语言的数组的区别就是对越界访问的检查。C 语言的越界读不检查，越界写是抽查；而array越界就会报错。


#include <iostream>
using namespace std;
#include <array>
int main()
{
  // 注意:一下代码为演示代码
  int a1[10];
  array<int, 10> a2;
  // 普通数组越界读不检查,越界写抽查:数组后几个位置
  cout << a1[10] << endl;
  cout << a1[11] << endl;
  a1[100] = 0;
  // array只要是越界,就会报错
  cout << a2[10] << endl;
  a2[10] = 0;
  return 0;
}


array 的相关接口

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演示使用 array


#include <iostream>
using namespace std;
#include <array>
int main()
{
  array<int, 10> arr1 = { 1,2,3,4,5 };
  for (auto e : arr1)
  {
    cout << e << " ";
  }
  cout << endl;
  return 0;
}


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C++ 11 除了增加了静态数组array，还增加了单链表forward_list。单链表forward_list是不支持push_front的，因为效率比较低。


forward_list 的相关接口

0b1406055d6c4ea0863e77571d2575c2.png


那么，我们来看一下使用非类型参数需要注意的事情。


注意：


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。

2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

3. 局部变量不能用作非类型参数。

4. 整型常量可以作为非类型参数。

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👉模板的特化👈


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。


// 注：日期类相关代码已省略
// 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;
}

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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。


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。


#include <iostream>
using namespace std;
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)
  {
    _cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
    return _cout;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
// 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; // 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; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
  return 0;
}

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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。


bool Less(Date* left, Date* right)
{
  return *left < *right;
}


类模板特化


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。


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;
}

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注：全特化的类和模板类并不是同一个类，全特化类的成员变量和成员函数可以和模板类完全不一样。特化并不会针对 vector 和 list 等进行特化，而是针对仿函数等简单类进行特化。


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：


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


偏特化有两种表现方式：

  • 部分特化，将模板参数类表中的一部分参数特化。
  • 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。


部分特化


// 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;
};


参数更进一步的限制


//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;
};

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注：偏特化的两个形参类型可以一个是引用，另一个是指针。


类模板特化应用示例

#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
  bool operator()(const T& x, const T& y) const
  {
    return x < y;
  }
};
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)
  {
    _cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
    return _cout;
  }
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
int main()
{
  Date d1(2022, 7, 7);
  Date d2(2022, 7, 6);
  Date d3(2022, 7, 8);
  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>());
  for (auto& e : v1)
  {
    cout << e << "  ";
  }
  cout << endl;
  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*>());
  for (auto& e : v2)
  {
    cout << *e << "  ";
  }
  cout << endl;
  return 0;
}


24188819ecaf491684969a2f686b0b46.png


通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为 sort 最终按照 Less 模板中方式比较，所以只会比较指针而不是比较指针指向空间中内容。此时可以使用类模板特化来处理上述问题：


// 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;
  }
};

7c39d8a6a0d14f5599abd0c164a00181.png


模板分离编译👈


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。


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：


// Add.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// Add.cpp
#include "Add.h"
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
// Test.cpp
#include "Add.h"
int main()
{
  int ret = Add(3, 4);
  cout << ret << endl;
  return 0;
}


出现链接错误：


38a2a0ff60f64a29bde706328ab94a6d.png

9ccce534d6f1405db1e310aa8d095d92.png

d57f4bb0c15746fc8ba2b2450d1a0a2d.png


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。
  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。

显式实例化


// Add.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// Add.cpp
#include "Add.h"
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
// 显式实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);
// Test.cpp
#include "Add.h"
int main()
{
  int ret = Add(3, 4);
  cout << ret << endl;
  return 0;
}


声明和定义不分离


// Add.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right);
template <class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
  return left + right;
}
// Test.cpp
#include "Add.h"
int main()
{
  int ret = Add(3, 4);
  cout << ret << endl;
  return 0;
}

7b2d270985b14c79ab5a80d1a72ed1e3.png


声明和定义不分离就不需要在链接时去找函数的地址了，因为头文件展开就有了函数声明和定义。不推荐显式实例化，因为换个类型就要再多写一次。


👉模板总结👈


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：

1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长。

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误。



👉总结👈


本篇博客主要讲解了非类型模板参数、函数模板特化、类模板的全特化和偏特化以及模板的分离编译等。那么以上就是本篇博客的全部内容了，如果大家觉得有收获的话，可以点个三连支持一下！谢谢大家！💖💝❣️

文章标签：
C++
C语言
编译器
关键词：
C++模板
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