【C++】模板进阶

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目录

📌 模板初 阶

📌 非 类 型模板参数

📌 类 模板的特化

🎏 类 模板特化的概念

🎏 函数模板的特化

🎏 类 模板的特化

🕹️ 全特化

🕹️ 偏特化

📌 模板的分离 编译

🎏 什么是分离 编译

🎏 模板的分离 编译

📌 模板 总结

结语

📌模板初阶

        我们在实现模拟实现STL前期就粗浅的了解了模板的基础相关概念,已经初步了解了什么是模板,还不了解的朋友可以先移步(文章目录如下图):【C++】初 阶 模板 https://blog.csdn.net/weixin_72357342/article/details/137910913?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22137910913%22%2C%22source%22%3A%22weixin_72357342%22%7D ​编辑

        通过对STL成员的实现,我们也慢慢总结和发现了更多的模板的特性,故总结在此:

📌非类型模板参数

        模板参数分类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

        这个特性可以很好的帮助我们解决定义静态STL容器时的尴尬情况,如:

        假设我们想定义两个静态数组来分别存放一年12个月的总数据和一个月每天的具体数据:我们定义了如下两个静态数组模板来完成这个需求,代码如下:

#define CAPACITY_DAY 31

#define CAPACITY_MONTH 12




// 静态数组

template<class T>

class Vector_Day

{

private:

    T _a[CAPACITY_DAY];

    size_t _size;

};




template<class T>

class Vector_Month

{

private:

    T _a[CAPACITY_MONTH];

    size_t _size;

};




int main()

{

    Vector_Day<int> day; //存31个数据

    Vector_Month<int> month; //存12个数据




    return 0;

}

        可以看到,静态数组模板的类型参数虽然可以模板化,但是定义静态数组大小时我们还得借助宏定义来定义常量,以便作为数组大小参数.并且因为静态数组不同的大小模板还得写成两个,,很麻烦也很枯燥.

        但是模板是可以定义非类型模板参数的,我们就可以利用这一条件,合并两个静态数组模板,达到简化的效果, 代码如下:

// 静态数组

template<class T,size_t CAPACITY = 10>

class Vector

{

private:

    T _a[CAPACITY];

    size_t _size;

};




int main()

{

    Vector<int,31> day; //存31个数据

    Vector<int,12> month; //存12个数据




    return 0;

}

        注意:

• 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.

• 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果

        验证非类型模板参数是否是常量的办法:

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📌类模板的特化

🎏类模板特化的概念

        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:

#include<iostream>

using namespace std;




// 函数模板 -- 参数匹配

template<class T>

bool Less(T left, T right)

{

    return left < right;

}




int main()

{

    cout << Less(2, 1) << endl; // 可以比较，结果正确

    

    int a = 5;

    int b = 3;

    cout << Less(a, b) << endl;// 可以比较，结果正确

    

    cout << Less(&a, &b) << endl; // 可以比较，结果错误

                    //传地址就会直接按地址的值比较大小




    return 0;

}

        运行程序,可以看到:

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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，&b指向的b显然小于&a指向的a对象，但是Less内部并没有比较&a和&b指向的对象内容，而比较的是&a和&b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。

🎏函数模板的特化

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。

        我们根据函数模板特化将前面出现问题的函数模板特化一下,得到:

// 函数模板 -- 参数匹配

template<class T>

bool Less(T left, T right)

{

    return left < right;

}




template<>

bool Less<int*>(int* left, int* right)

{

    return *left < *right;

}




int main()

{

    cout << Less(2, 1) << endl; // 可以比较，结果正确




    int a = 5;

    int b = 3;

    cout << Less(a, b) << endl;// 可以比较，结果正确




    cout << Less(&a, &b) << endl; // 可以比较，结果正确,会走特化版本




    return 0;

}

        再次运行,就会发现调用时会走特化的版本而非之前的模板:

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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。
 

// 函数模板 -- 参数匹配

template<class T>

bool Less(T left, T right)

{

    return left < right;

}

bool Less(int* left, int* right)//直接给出重载版本

{

    return *left < *right;

}

int main()

{

    cout << Less(2, 1) << endl; // 可以比较，结果正确

    int a = 5;

    int b = 3;

    cout << Less(a, b) << endl;// 可以比较，结果正确

    cout << Less(&a, &b) << endl; // 可以比较，结果正确,会重载实现版本

    return 0;

}

        运行查看结果:​编辑        该种实现简单明了，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。

🎏类模板的特化

🕹️全特化

        类模板的全特化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;

};

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;//特化类会去调用更匹配的特化版本

    return 0;

}

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🕹️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;

};

• 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。

• template<class T1, class T2>

• class Data

• {

• public:

•     Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }

• private:

•     T1 _d1;

•     T2 _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(1, 2); // 调用特化的指针版本

}

📌模板的分离编译

🎏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:

Stack.h

#pragma once

#include<deque>

namespace mfc

{

    template<class T, class Container = std::deque<T>>

    class stack

    {

    public:

        void push(const T& x); //声明

        void pop(); //声明

        T& top() //定义

        {

            return _con.back();

        }

        size_t size() //定义

        {

            return _con.size();

        }

        bool empty() //定义

        {

            return _con.empty();

        }

    private:

        Container _con;

    };

    class A

    {

    public:

        void func1(int i); //声明

        void func2(); //声明

    };

}

Stack.cpp

#include"Stack.h"

namespace mfc

{

    template<class T, class Container>

    void stack<T, Container>::push(const T& x)

    {

        _con.push_back(x); //无法生成函数地址,因为根本不知道T是什么类型!

    }

    template<class T, class Container>

    void stack<T, Container>::pop()

    {

        _con.pop_back();

    }

    void A::func1(int i)

    {}

//声明了,实际也定义了

//后期可以链接时找到,因为它不是模板

    //void func2();

//声明了,但实际没有定义

}

Test.cpp

#include"Stack.h"

int main()

{

    mfc::stack<int> st; // call xxstackxx(0x324242)

    st.push(1); // call xxpushi(?)

    st.pop();

    st.size(); // call xxsizexx(0xdadada)

    st.top();

    mfc::A aa;

    aa.func1(1); // call xxfunc1xx(?)

    //aa.func2(); // call xxfunc2xx(?)

    mfc::stack<double> st1; // call xxstackxx(0x324242)

    st1.push(1); // call xxpushi(?)

    st1.pop();

    return 0;

}

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        这里的问题主要是链接的时候test.o文件在stack.o文件符号表里找不到修饰后的调用函数名和其地址, 原因是stack.o里的函数根本没有实例化,因为它根本不知道该实例化一个什么样的函数出来.

        对于这种问题的一种解决方式是: 直接在函数定义文件将模板显式实例化。但这种方式的缺点是我们每实例化一个新的模板,就要在这里加上一个显示实例化, 非常的麻烦。

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         解决类模板的分离编译最好的方法就是在同一文件声明和定义分离,即将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h :

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📌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

缺点:

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

结语

希望这篇关于 C++模板进阶 的博客能对大家有所帮助,欢迎大佬们留言或私信与我交流.

学海漫浩浩,我亦苦作舟!关注我,大家一起学习,一起进步!

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