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C++【模板进阶】
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?前言
模板是搭建 STL 的基本工具，同时也是泛型编程思想的代表，模板用好了可以提高程序的灵活性，以便进行更高效的迭代开发，模板除了最基本的类型替换功能外，还有更多高阶操作：非类型模板参数、全特化、偏特化等，以及关于模板声明与定义不能分离（在两个不同的文件中）的问题，都将在本文中进行介绍
?️正文
1、非类型模板参数
之前所使用的模板参数都是用来匹配不同的类型，如 int、double、Date 等，模板参数除了可以匹配类型外，还可以匹配常量（非类型），完成如数组、位图等结构的大小确定
1.1、使用方法
在定义模板参数时，不再使用 class 或 typename，而是直接使用具体的类型，如 size_t，此时称为 非类型模板参数
注：非类型模板参数必须为常量，即在编译阶段确定值
利用 非类型模板参数 定义一个大小可以自由调整的 整型数组 类
template<size_t N>
class arr
{
public:
int& operator[](size_t pos)
{
assert(pos >= 0 && pos < N);
return _arr[pos];
}
size_t size() const
{
return N;
}
private:
int _arr[N]; //创建大小为 N 的整型数组
};
再加入一个模板参数：类型，此时就可以得到一个 泛型、大小可自定义 的数组
template<class T, size_t N>
class arr
{
public:
T& operator[](size_t pos)
{
assert(pos >= 0 && pos < N);
return _arr[pos];
}
size_t size() const
{
return N;
}
private:
T _arr[N]; //创建大小为 N 的整型数组
};
非类型模板参数支持缺省，因此写成这样也是合法的
template<class T, size_t N = 10> //缺省大小为10
1.2、类型要求
非类型模板参数要求类型为 整型家族，其他类型是不行的
比如下面这些 非类型模板参数 都是标准之内的
//整型家族（部分）
template<class T, int N>
class arr1 { /*……*/ };
template<class T, long N>
class arr2 { /*……*/ };
template<class T, char N>
class arr3 { /*……*/ };
而一旦使用其他家族类型作为 非类型模板参数，就会引发报错
//浮点型，非标准
template<class T, double N>
class arr4 { /*……*/ };
因此可以总结出，非类型模板参数 的使用要求为
- 只能将 整型家族 类型作为非类型模板参数，其他类型不在标准之内
- 非类型模板参数必须为常量（不可被修改），且需要在编译阶段确定结果
整型家族：
char、short、bool、int、long、long long等
1.3、实际例子：array
在 C++11 标准中，引入了一个新容器 array，它就使用了 非类型模板参数，为一个真正意义上的 泛型数组，这个数组是用来对标传统数组的
注意： 部分老编译器可能不支持使用此容器
array 的第二个模板参数就是 非类型模板参数
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <array>
using namespace std;
int main()
{
int arrOld[10] = { 0 }; //传统数组
array<int, 10> arrNew; //新标准中的数组
//与传统数组一样，新数组并没有进行初始化
//新数组对于越界读、写检查更为严格
arrOld[15]; //老数组越界读，未报错
arrNew[15]; //新数组则会报错
arrOld[12] = 0; //老数组越界写，不报错，出现严重的内存问题
arrNew[12] = 10; //新数组严格检查
return 0;
}
array 是泛型编程思想中的产物，支持了许多 STL 容器的功能，比如 迭代器 和 运算符重载 等实用功能，最主要的改进是 严格检查越界行为
实际开发中，很少使用
array，因为它对标传统数组，连初始化都没有，vector在功能和实用性上可以全面碾压，并且array使用的是栈区上的空间，存在栈溢出问题，可以说array是一个鸡肋的容器
array如何做到严格的全面检查？
- 这个很简单，得益于类的封装，在进行下标相关操作前，先将传入的下标
pos进行合法性检验即可，如assert(pos >= 0 && pos < N)
2、模板特化
模板除了可以根据传入的类型进行实例化外，还可以指定实例化，这就好比普通汽车只能在公路上行驶，但我们也可以将车进行特殊改装，让其能在山川泥潭中驰骋；模板特化的用意就在于此，通过对 泛型思想的特殊化处理 ，更好的符合我们的使用需求
2.1、概念
通常情况下，模板可以帮我们实现一些与类型无关的代码，但在某些场景中，【泛型】无法满足调用方的精准需求，此时会引发错误，比如使用 日期类对象指针 构建优先级队列后，若不编写对应的仿函数，则比较结果会变为未定义
原因：泛型思想无法满足特殊场景
解决方案：利用模板的特化制定更加精准的比较逻辑
综上所述，所谓模板的特化，就是在原模板的基础之上，对原模板进行特殊化处理，创造出另一个 “特殊” 的模板，完成需求
2.2、函数模板特化
函数也可以使用模板，因此支持 模板的特化
比如在下面这个比较函数中，假若不进行特化，则会出现错误的结果
template<class T>
bool isEqual(T x, T y)
{
return x == y;
}
int main()
{
int x = 10;
int y = 20;
cout << "x == y: " << isEqual(x, y) << endl;
char str1[] = "Haha";
char str2[] = "Haha";
//此时泛型比的是地址，实际内容是相等的！
cout << "str1 == str2: " << isEqual(str1, str2) << endl;
return 0;
}
原因：字符串比较时，比较的是地址，而非内容
解决方案：利用模板的特化，为字符串的比较构建一个特殊模板
//函数模板特殊，专为 char* 服务
template<>
bool isEqual<char*>(char* x, char* y)
{
return strcmp(x, y) == 0;
}
此时比较的结果正常，成功解决了问题
不过对于函数模板特化来说，存在一个更加方便的东西：函数重载，同样也能解决特殊需求，同时写法没这么怪，不过既然存在 函数模板特化 这个语法，那么我们还是得学习下的
2.3、类模板特化
模板特化主要用在类模板中，它可以在泛型思想之上解决大部分特殊问题，并且类模板特化还可以分为：全特化和偏特化，适用于不同场景
后续举例时需要用到 Date 日期类，这里先把代码放出来
class Date
{
public:
Date(int year = 1970, 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);
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
2.3.1、全特化
全特化指 将所有的模板参数特化为具体类型，将模板全特化后，调用时，会优先选择更为匹配的模板类
//原模板
template<class T1, class T2>
class Test
{
public:
Test(const T1& t1, const T2& t2)
:_t1(t1)
,_t2(t2)
{
cout << "template<class T1, class T2>" << endl;
}
private:
T1 _t1;
T2 _t2;
};
//全特化后的模板
template<>
class Test<int, char>
{
public:
Test(const int& t1, const char& t2)
:_t1(t1)
, _t2(t2)
{
cout << "template<>" << endl;
}
private:
int _t1;
char _t2;
};
int main()
{
Test<int, int> T1(1, 2);
Test<int, char> T2(20, 'c');
return 0;
}
对模板进行全特化处理后，实际调用时，会优先选择已经特化并且类型符合的模板，这就好比虽然你家冰箱里有菜，但你还是想点外卖，因为外卖对于你来说更加合适
可以使用全特化，解决之前优先级队列中，类型为 日期类指针 Date* 的比较问题
注：这里只是举例说明，完整代码参考优先级队列相关文章
//对比较的仿函数进行全特化处理
template<>
struct less<Date*>
{
//比较 是否小于
bool operator()(Date* x, Date* y)
{
return *x < *y;
}
};
template<>
struct greater<Date*>
{
//比较 是否大于
bool operator()(Date* x, Date* y)
{
return *x > *y;
}
};
注意：
- 在进行全特化前，需要存在最基本的泛型模板
- 全特化模板中的模板参数可以不用写
- 需要在类名之后，指明具体的参数类型，否则无法实例化出对象
2.3.2、偏特化
偏特化，指 将泛型范围进一步限制，可以限制为某种类型的指针，也可以限制为具体类型
//原模板---两个模板参数
template<class T1, class T2>
class Test
{
public:
Test()
{
cout << "class Test" << endl;
}
};
//偏特化之一：限制为某种类型
template<class T>
class Test<T, int>
{
public:
Test()
{
cout << "class Test<T, int>" << endl;
}
};
//偏特化之二：限制为不同的具体类型
template<class T>
class Test<T*, T*>
{
public:
Test()
{
cout << "class Test<T*, T*>" << endl;
}
};
int main()
{
Test<double, double> t1;
Test<char, int> t2;
Test<Date*, Date*> t3;
return 0;
}
偏特化（尤其是限制为某种类型）在 泛型思想 和 特殊情况 之间做了折中处理，使得 限制范围式的偏特化 也可以实现 泛型
- 比如偏特化为
T*，那么传int*、char*、Date*都是可行的
借助偏特化解决指针无法正常比较问题（也是可以偏特化为引用类型的）
//原来的比较模板
template<class T>
class Less
{
public:
bool operator()(T x, T y) const
{
return x < y;
}
};
//偏特化后的比较模板
template<class T>
class Less<T*>
{
public:
bool operator()(T* x, T* y) const
{
return *x < *y;
}
};
int main()
{
Date d1 = { 2018, 4, 10 };
Date d2 = { 2023, 5, 10 };
cout << "d1 < d2: " << Less<Date>()(d1, d2) << endl;
cout << "&d1 < &d2: " << Less<Date*>()(&d1, &d2) << endl;
int a = 1;
int b = 2;
cout << "&a < &b: " << Less<int*>()(&a, &b) << endl;
return 0;
}
当然也可以使用 偏特化 解决 Date* 的比较问题，这里就不再演示
注意：
- 在进行偏特化前，需要存在最基本的泛型模板
- 偏特化与全特化很像，注意区分
3、模板的分离编译问题
早在 模板初阶 中，我们就已经知道了 模板不能进行分离编译，会引发链接问题
下面就来谈谈为什么会出现这个问题
3.1、失败原因
声明与定义分离后，在进行链接时，无法在符号表中找到目标地址进行跳转，因此链接错误
下面是 模板声明与定义写在同一个文件中时，具体的汇编代码执行步骤
Test.h
#pragma once
//声明
template<class T>
T add(const T x, const T y);
//定义
template<class T>
T add(const T x, const T y)
{
return x + y;
}
main.cpp
#include <iostream>
#include "Test.h"
using namespace std;
int main()
{
add(1, 2);
return 0;
}
声明与定义在同一个文件中时，可以直接找到函数的地址
代码从文本变为可执行程序所需要的步骤：
- 预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、删除注释，生成纯净的C代码
- 编译：语法 / 词法 / 语义 分析、符号汇总，生成汇编代码
- 汇编：生成符号表，生成二进制指令
- 链接：合并段表，将符号表进行合并和重定位，生成可执行程序
当模板的 声明 与 定义 分离时，因为是 【泛型】，所以编译器无法确定函数原型，即 无法生成函数，也就无法获得函数地址，在符号表中进行函数链接时，必然失败
简单举个例子：抛开模板这个东西，在头文件中声明函数，但不定义，调用函数时，报的就是链接错误
Test.h
#pragma once
//只声明，不定义
void sub(int x, int y);
main.cpp
#include <iostream>
#include "Test.h"
using namespace std;
int main()
{
//add(1, 2);
sub(2, 1);
return 0;
}
3.2、解决方法
解决方法有两种：
- 在函数定义时进行模板特化，编译时生成地址以进行链接
- 模板的声明和定义不要分离，直接写在同一个文件中
//定义
//解决方法一：模板特化（不推荐，如果类型多的话，需要特化很多份）
template<>
int add(const int x, const int y)
{
return x + y;
}
//定义
//解决方法二：声明和定义写在同一个文件中
template<class T>
T add(const T x, const T y)
{
return x + y;
}
这也就解释了为什么涉及 模板 的类，其中的函数声明和定义会写在同一个文件中 （.h），著名的 STL 库中的代码的声明和定义都是在一个 .h 文件中
为了让别人一眼就看出来头文件中包含了 声明 与 定义，可以将头文件后缀改为
.hpp，著名的Boost库中就有这样的命名方式
4、模板小结
模板是 STL 的基础支撑，假若没有模板、没有泛型编程思想，那么恐怕 "STL" 会变得非常大
模板的优点
- 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
- 增强了代码的灵活性
模板的缺点
- 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
- 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误
总之，模板 是一把双刃剑，既有优点，也有缺点，只有把它用好了，才能使代码 更灵活、更优雅
?总结
以上就是有关 C++【模板进阶】的全部内容了，在本文中，我们学习了非类型模板参数，认识了 C++11 中的新容器 array；然后学习了模板的特化，见识了模板特化的各种场景；最后明白了模板声明与定义不能分离的根本原因，总之，模板很强，但想要用好还得多练
C++ 初阶系列文章到此就正式结束了，后续将会继续更新 C++ 进阶内容，比如 继承、多态、高阶二叉树 等等高能知识点，敬请期待吧
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