【C++】模板进阶 -- 详解

一、非类型模板参数

模板参数 分为类型形参与非类型形参。

• 类型形参：出现在模板参数列表中，跟在 class / typename 之后的参数类型名称。

  // T: 类型模板参数，它是一个类型
  template <class T> class A;

• 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。

  // T: 类型模板参数，它是一个类型
  // N: 非类型模板参数，它是一个常量
  template <class T, size_t N = 10> class A;
  
  template <class T, size_t N> class B; // 不推荐使用，容易导致栈溢出(栈是非常小的)
  

注意：不管哪种模板参数，都可以给缺省值。

// 现在实现了一个静态栈，可以存10个数据，实例化的每个对象都可以存10个数据
// 如果我想要第一个对象st1存100个数据，第二个对象存200个数据，这种结构就非常不好
#define N 10
template<class T> // 静态栈
class Stack {
private:
	T _a[N];
	size_t _top;
};

void test()
{
	Stack<int> st1; // 10
    Stack<int> st2; // 10
}

// 修改如下：
// 定义非类型模板参数(常量)：
void test()
{
	Stack<int, 100> st1; // 100
	Stack<int, 200> st2; // 200
    
	/* error! 必须要用常量
    int n;
    cin >> n;
    Stack<int, n> st3;
	*/
}

 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。

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⚪拓展

1. C++ 的缺点之一：后期 C++11 等标准增加了不少鸡肋的语法，比如 array 和 forward_list，让语言变得很臃肿，学习成本增加。而一些刚需的东西，姗姗来迟，甚至还没来（比如官方的网络库）。
2. C++ 的难点之一：C++ 的语法细节比较复杂。

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二、模板的特化 

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。

// 交换两个元素
template <class T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp(x);
    x = y;
    y = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1, y = 2;
	Swap(x, y);

	vector<int> v1 = { 1, 2, 3, 4 };
	vector<int> v2 = { 10, 20, 30, 40 };
	Swap(v1, v2); // 深拷贝式交换，代价太大，效率低
    
    return 0;
}

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（1）解决方案一

函数的匹配原则，写一个专门针对 vector 类型对象交换的函数（推荐）。

void Swap(vector<int>& v1, vector<int>& v2)
{
	v1.swap(v2); // 只需要交换对象内部的几个指针即可
}

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（2）解决方案二

函数模板的特化，针对 vector 类型对象的交换进行特殊化处理。

template <>
void Swap<vector<int>>(vector<int>& v1, vector<int>& v2)
{
	v1.swap(v2);
}

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。

模板特化分为：函数模板特化与类模板特化。

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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。

template <class T1, class T2>  // 基础函数模板
void add(T1& x, T2& y)
{
	cout << "void add(T1& x, T2& y)" << endl;
}

template<>
void add<int, char>(int& x, char& y)  // 函数模板的特化
{
	cout << "void add<int, char>" << endl;
}

int main()
{
	int a = 1;
    int b = 2;
	add(a, b); // 走基础函数模板

	int c = 1;
	char d = 'a';
	add(c, d); // 走特化的void add<int, char>版本

    return 0;
}

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。

void add(int& x, char& y)
{
	cout << "void add(int& x, char& y)" << endl;
}

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3、类模板特化

类模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的类模板。
2. 关键字 template 后面接一对空的尖括号 <>
3. 类名后跟一对尖括号 <>，尖括号中指定需要特化的类型。

类模板的特化分为：全特化和偏特化。

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

// 类模板的全特化，最后还是要经过模板推演
template<>
class Data<double, double>
{
public:
    Data() {cout << "Data<double, double>" << endl;}
private:
    double _d1;
    double _d2;
};

void TestVector()
{
    Data<int, int> d1;  // 走基础类模板
    Data<double, double> d2; // 走特化的模板
}

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（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。

template <class T1, class T2> // 基础类模板
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：

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

void test()
{
	Data<int, int> d1;  // 走基础类模板
	Data<int, char> d3; // 走特化版本
}

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b. 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。

// 两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*> // 两个参数偏特化为指针类型
{ 
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; 
};

int main()
{
    Data<int, int> d1;         // 调用基础的模板 

    // 不管显示实例化什么类型的指针都可以
    Data<int*, char*> d2;      // 调用特化的int版本       
    Data<int*, int*> d3;       // 调用特化的指针版本

    // 不管显示实例化什么类型的引用都可以
    Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本

    return 0;
}

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（3）类模板特化应用示例

有如下专门用来按照小于比较的类模板 Less：

#include <vector>
#include <algorithm>
template <class T>
struct Less
{
    bool operator()(const T& x, const T& y) const
    {
        return x < y;
    }
};

int main()
{
    Date d1(2023, 9, 27);
    Date d2(2023, 9, 26);
    Date d3(2023, 9, 28);

    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>());
    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*>());

    return 0;
}

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，此时可以使用类版本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;
    }
};

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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。

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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：

// a.h
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b);

// a.cpp
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b)
{
    return a + b;
}

// main.cpp
#include "a.h"

int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    
    return 0;
}

此段代码运行会报链接错误（链接错误一般是指在链接阶段找不到该函数的定义）。

无法解析的外部符号 "int __cdecl Add<int>(int const &,int const &)" (??$Add@H@@YAHABH0@Z)，函数 _main 中引用了该符号

 【分析】

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3、解决办法

1. 推荐：将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者 "xxx.h" 里其实也是可以的。
2. 不推荐：模板定义的位置显式实例化。（不实用）

// a.h
template <class T>
T Add(const T& a, const T& b); // 函数模板的声明
 
// a.cpp
#include "a.h"

template <class T>
T Add(const T& a, const T& b)  // 函数模板的实现
{
	return a + b;
}

template
int Add(const int& a, const int& b);          // 显示实例化函数模板
template
double Add(const double& a, const double& b); // 显示实例化函数模板

// main.cpp
#include "func.h"

int main()
{
	Add(1, 2);     // call Add<int>
	Add(1.0, 2.0); // call Add<double>
	return 0;
}

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四、模板总结 

1、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。

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2、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。