Template 基础篇-类模板

Template所代表的泛型编程是C++语言中的重要的组成部分，我将通过几篇blog对这半年以来的学习做一个系统的总结，本文是基础篇的第二部分。

Template 基础篇-类模板

类模板定义

类模板也是公共逻辑的抽象，通常用来作为容器（例如：vector）或者行为（例如：clonable）的封装。

类模板

下面定义了一个Printer类模板，负责打印以及转化为string。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    string&& to_string();
    //定义在内部
    void print() {
        cout << t << endl;
    }
private:
    T t;
};

//定义在外部
template<typename T>
string&& Printer<T>::to_string() {
    strstream ss;
    ss << t;
    return std::move(string(ss.str()));
}

Printer p(1); //error
Printer<int> p(1); //ok

与函数模板不同，类模板不能推断实例化。所以你只能显示指定类型参数使用Printer<int> p(1)，而不能让编译器自行推断Printer p(1)。

类模板的成员函数既可以定义在内部，也可以定义在外部。定义在内部的被隐式声明为inline，定义在外部的类名之前必须加上template的相关声明。

类模板中的成员函数模板

我们还可以把类模板和函数模板结合起来，定义一个含有成员函数模板的类模板。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    //成员函数模板
    template<typename U>
    void add_and_print(const U& u);
private:
    T t;
};

//注意这里要有两层template的说明
template<typename T>
template<typename U>
void Printer<T>::add_and_print(const U& u) {
    cout << t + u << endl;
}

Printer<int> p(42);
p.add_and_print(1.1); //自动推断U为double，打印出43.1

类模板Tips

类模板中的static成员

类模板中可以声明static成员，在类外定义的时候要增加template相关的关键词。另外，需要注意的是：每个不同的模板实例都会有一个独有的static成员对象。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    static int s_value;
private:
    T t;
};

template<typename T> //注意这里的定义方式
int Printer<T>::s_value = 1;

Printer<int> pi(1);
Printer<int> pi2(1);
Printer<double> pd(1.0);
pi.s_value += 1; //pi和pi2中的改变了，pd的没改变

其实这个结论是显然的，static成员属于实例化后的类，不同的实例化当然有不同static成员。就像上面的例子一样，pi.s_value += 1只影响到了Printer<int>，而不会影响到Printer<double>。

函数模板中的static局部变量也有类似的工作方式。

类模板成员函数实例化

为了节省资源，类模板实例化时并不是每个成员函数都实例化了，而是使用到了哪个成员函数，那个成员函数才实例化。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    void print() {
        cout << t << endl;
    }
 private:
    T t;
 };

class empty{};

empty e;
Printer<empty> p(e); //ok

虽然成员函数print无法通过编译，但是因为没有使用到，也就没有实例化print，所以没有触发编译错误。

类模板别名

为了简化代码，我们可以使用typedef为类模板的某个实例定义一个别名，也可以使用using语句固定一个或多个类型参数（这有点偏特化的意思了）。

typedef std::pair<int, int> PairOfInt; //ok，为std::pair<int, int>定义了一个别名
template <typename T> using WithNum = std::pair<T, int>; //ok，相当于定义了一个std::pair的偏特化

PairOfInt poi; //实际类型，std::pair<int, int>
WithNum<std::string> strs; //实际类型，std::pair<string, int>
WithNum<int> ints; //实际类型，std::pair<int, int>

特化与偏特化

类模板的特化与偏特化

就像函数模板重载那样，你可以通过特化（偏特化）类模板来为特定的类型指定你想要的行为。类模板的特化（偏特化）只需要模板名称相同并且特化列表<>中的参数个数与原始模板对应上即可，模板参数列表不必与原始模板相同模板名称相同。一个类模板可以有多个特化，与函数模板相同，编译器会自动实例化那个最特殊的版本。

template<typename T> //基本模板
class S {
public:
   void info() {   
       printf("In base template\n"); 
   }
};

template<> //特化
class S<int> { 
public:
   void info() {
       printf("In int specialization\n");
   }
};

template<typename T> //偏特化
class S<T*> {
public:
   void info() {
       printf("In pointer specialization\n");
    }
};

template<typename T, typename U> //另外一个偏特化
class S<T(U)> {
public:
    void info() {
        printf("In function specialization\n");
    }
};

int func(int i) {
    return 2 * i;
}

S<float> s1;
s1.info();     //调用base模板                
S<int> s2;
s2.info();     //调用int特化版本
S<float*> s3;
s3.info();     //调用T*特化版本 
S<decltype(func)> s4;
s4.info();     //调用函数特化版本

提供了所有类型实参的特化是完全特化，只提供了部分类型实参或者T的类型受限（例如：T*）的特化被认为是不完整的，所以也被称为偏特化。完全特化的结果是一个实际的class，而偏特化的结果是另外一个同名的模板。

类模板成员特化

除了可以特化类模板之外，还可以对类模板中的成员函数和普通静态成员变量进行特化。

template<typename T>  
class S {
public:
    void info() {
        printf("In base template\n");
    }
    static int code;
};

template<typename T>
int S<T>::code = 10;

template<>
int S<int>::code = 100;    //普通静态成员变量的int特化

template<>
void S<int>::info() {    //成员函数的int特化
     printf("In int specialization\n");
} 

S<float> s1;
s1.info();    //普通版本
printf("Code is: %d\n", s1.code);    //code = 10

S<int> s2; 
s2.info();   //int特化版本
printf("Code is: %d\n", s2.code);   //code = 100

C++ Template 基础篇（二）：类模板