【C++初阶:模板进阶】非类型模板参数 | 模板的特化 | 模板分离编译 上

简介: 【C++初阶: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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【写在前面】

模板的进阶会涉及模板的一些更深入的知识。在此之前,我们可以看到模板在 C++ 中是随处可见的,它能支持 C++ 泛型编程,模板包括函数模板和类模板,注意,有些人可能会说模板函数和模板类,但严格来说这种说法是错误的。实际中类模板要比函数模板用的场景多,比如说 STL 中的 vector、list、stack 等是类模板;algorithm 中的 sort、find 等是函数模板。

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. 类型形参: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之后。
  2. 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。
#include<iostream>
using namespace std;
#define N 10
//实现一个静态的栈,这里的T叫做类型模板参数,定义的是一个类型
template<class T>
class Stack
{
private:
  _a[N];
  size_t _top;  
};
int main()
{
  Stack<int> st1;
  Stack<int> st2;
  return 0;
}

📝说明

可以看到如上问题,如果我们想更改 st1 里 _a 数组的大小,可以更改宏,但是如果希望 st1 _a 是 100,st2 _a 是 1000,只能再定义一个 Stack 类,那么分别控制 Stack 类,让它完成需求,但是如果还想要 st3 _a 是 2000、st4 _a 是 3000 呢 … …,那代码可太冗余了。针对这种问题,我们就可以使用非类型模板参数去解决。

#include<iostream>
using namespace std;
//实现一个静态的栈,这里的N叫做非类型模板参数,它是一个常量 
template<class T, size_t N>
class Stack
{
private:
  _a[N];
  size_t _top;  
};
int main()
{
  Stack<int, 100> st1;
  Stack<int, 1000> st2;
  //验证N是常量,err,VS2017中不支持C99中的变长数组
  int n;
  cin >> n;
  Stack<int, n> st2;
  return 0;
}

📝说明

  1. List item
    模板这里可以想象它跟函数参数是相似的,只不过这里不仅可以使用非类型,还可以使用类型。为什么这里的 N 认定是常量呢 —— 因为我这里的编译器是 C89 所支持的 VisualStudio2017,而 C99 才支持变长数组,而我这里依然支持 _a[N],说明 N 是常量 (已验)。
  2. List item
    非类型模板参数使用场景 ❓
    deque 里就使用到了非类型模板参数,它要传一个一个常量来控制 buff 的大小,其次 C++11 里的 array 容器也使用到了非类型模板参数。

  3. List item
    浅谈 array 容器 ❓
    array 是 C++11 所支持的,array 的结构类似于 vector,但是 array 相比 vector 它是静态的,并且没有提供头插、头删、尾插、尾删、任意位置插入删除,因为它不存在这种说法,也没必要,它可以使用 operator[]。但是 array 容器是不推荐使用的,比如明确知道需要多少空间,也不建议使用,说明它是有缺陷的。
    array 的大概结构:

    array 的缺陷:
    array 容器的底层是在栈上开辟空间的,而栈空间又是极其有限的,在 32 位机器的 Linux 下栈空间一般只有 8M,很容易造成栈溢出,所以一般开大容量的空间时,是极其不推荐使用 array 的,相比情况下就更推荐使用 vector,可以看到如果小空间还好,其实干脆一点什么场景都不用 array 了,array 相比 vector 也没啥优势,在知道要开多大空间的情况下,vector 也可以一次性开好空间,避免 vector 增容的劣势。
    这里就可以看到静态的数据结构有两大缺陷,a) 空间固定,不够灵活。 b) 消耗栈空间
    那为啥还要有 array 的存在呢 ❓
    这也是 C++ 被吐槽最多的一个角度 (你说你增加了很多无用的东西也就算了,刚需的东西却也迟迟不到,比如网络库)。你要说这个 array 有无价值,当然有,也可以这么说 array 要比 vector 要快一点,但是其实有点微乎其微,还把这门语言变 “ 重 ” 了,反而让弊大于利。
  4. List item
    浅谈 forward_list 容器 ❓
    同样没啥价值,它是单链表,也是 C++11 所提供的。
    C++11 增加了 4 个容器,其中 <array>、<forward_list> 比较鸡肋,<unordered_map>、<unordered_set> 是哈希表,比较有用,后面我们会学。

非类型模板参数补充 ❗

#include<iostream>
using namespace std;
//template<size_t N = 10, class Container = deque<T>>//不管是非类型模板参数,还是类型模板参数都可以给缺省值,且与函数参数的缺省值是完全类似的(全缺省、半缺省(从右至左))。
//template<class T, string s>//err,不支持类对象作为非类型模板参数
//template<class T, double d>//err,不支持浮点数及字符串作为非类型模板参数 
template<class T = int, size_t N = 10>//全缺省的模板参数调用方式如下
class Stack
{
private:
  _a[N];
  size_t _top;  
};
int main()
{
  //全缺省模板参数调用方式
  Stack<> s1; 
  Stack<int> s2;
  Stack<int, 100> s3;
  return 0;
}

二、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可能会得到一些错误的结果,比如:

template<class T>
bool IsEqual(const T& left, const T& right)
{
  //C/C++不支持用类型比较
  /*if(T == const char*)//string
  {}
  else//int
  {}*/
  return left == right;
}
int main()
{
  cout << IsEqual(1, 2) << endl;//ok
  char p1[] = "hello";
  char p2[] = "hello";
  cout << IsEqual(p1, p2) << endl;//err
  return 0; 
}

📝说明

可以看到对于 IsEqual 函数,它支持用 2 个整型去比较,但是它不支持字符串比较,且这里的 p1 and p2 比的是地址。大聪明们一般会判断类型,但是在 C/C++ 中不可以使用类型去比较,所以 C/C++ 里针对这种场景给出了 " 模板特化 " —— 在原模板类的基础上,针对某些类型进行特殊化处理。模板特化又分为函数模板特化和类模板特化。


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