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テンプレートの詳しい説明

非タイプのテンプレート
テンプレートの特化
- 1. 関数テンプレートの特化
- 2. クラステンプレートの特化
テンプレート別編集
- 1. 分冊とは
- 2. テンプレートの個別コンパイル
テンプレートの概要

非タイプのテンプレート

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非型テンプレート(Non-Type Template) は、C++ のテンプレートの形式であり、整数、列挙、ポインターなど、テンプレート内の型以外の他の値を渡すことができます。これらのパラメータはコンパイル時に解析でき、テンプレートのインスタンス化されたバージョンを生成するために使用できます。

非型テンプレートパラメーター(非型テンプレートパラメーター) は、型の一部ではなくパラメーターの一部としてテンプレート宣言内にあります。整数定数、列挙、ポインタ、参照などの定数式を使用できます。非型テンプレートパラメーターの値は、テンプレートの特定のインスタンスを生成するために使用されるため、コンパイル時に既知である必要があります。

テンプレートパラメーターは、型パラメーターを非型パラメーターに分類します。

タイプパラメータ: テンプレートパラメータリストに表示され、その後にやなどのパラメータタイプ名が続きますclass。非型パラメータ: クラス(関数)テンプレートのパラメータとして定数を使用することであり、クラス(関数)テンプレート内でパラメータを定数として使用することができます。非型テンプレートパラメーターを使用する典型的な例は、固定サイズの配列コンテナーを実装することです。この場合、配列のサイズはコンパイル時にテンプレートパラメーターによって指定されます。typename

たとえば、型以外のテンプレートパラメーターを使用する例を次に示します。

template <typename T, int Size>
class FixedSizeArray {
    
    
private:
    T data[Size];
public:
    // ...
};

// 实例化一个大小为 10 的 FixedSizeArray，存储 int 类型
FixedSizeArray<int, 10> intArray;

この場合、の配列のサイズをint Size決定するのは非型テンプレートパラメーターです。FixedSizeArrayコンパイル時に、intArrayのサイズは10インスタンス化時に10渡されるパラメータとして決定されますSize。

知らせ：

浮動小数点、クラスオブジェクト、文字列は非型テンプレートパラメーターとして使用できません。。
非型テンプレートパラメーターには、コンパイル時に確認された結果が必要です。

テンプレートの特化

テンプレートの特殊化( Template Specialization ) は、C++特定のタイプまたは特定の条件に対してカスタム実装を提供できるメカニズムです。テンプレートの特殊化により、特定のタイプまたは条件に対する汎用テンプレートの動作をオーバーライドする特殊なテンプレート実装を提供できます。

一般的なテンプレートでは、さまざまな種類のデータに共通のテンプレート実装を提供できます。ただし、場合によっては、特定の型に特別な処理やカスタマイズされた動作が必要になる場合があります。この時点で、テンプレートの特殊化を通じて、これらの特定の型に特別な実装を提供できます。

テンプレートの特殊化には 2 つのタイプがあります。

クラステンプレートの特殊化: 特定の型の特別な実装。
関数テンプレートの特殊化: 特定の型に対する特別な実装。

場合によっては、テンプレートの特殊化を使用しないと、コンパイラーが間違った実装を選択し、あいまいなエラーや予期しない動作が発生する可能性があります。よくある状況は、関数テンプレートのパラメーターの一致があいまいで、コンパイラーがどのテンプレート実装を使用する必要があるかを判断できないことです。この場合、特殊化により、コンパイラーが正しい実装を選択するのに役立つ明示的な情報が提供されます。

テンプレートを特殊化しないと問題が発生する可能性がある例を次に示します。

#include <iostream>

template <typename T>
void printType(T value) {
    
    
    std::cout << "Generic template" << std::endl;
}

// 模板特化版本，针对 int 类型
template <>
void printType<int>(int value) {
    
    
    std::cout << "Specialized template for int" << std::endl;
}

int main() {
    
    
    int num = 5;
    printType(num);  // 编译错误，不明确的调用

    return 0;
}

printType上記の例では、テンプレートの特殊化がなければ、関数は任意の型の引数を受け入れることができるため、コンパイラーはどのテンプレート実装を呼び出す必要があるかを判断できません。コンパイラはコンテキストに基づいて正しい実装を選択できないため、コンパイルエラーが発生します。

の特殊化を提供することでprintType<int>、型パラメーターを処理するときにどの実装を使用する必要があるかをコンパイラーに明示的に指示しますint。この場合、特殊化によりあいまいな呼び出しの問題が解決され、コンパイラーが正しい実装を選択できるようになります。

1. 関数テンプレートの特化

関数テンプレートの特殊化手順は次のとおりです。

最初に基本的な関数テンプレートが必要です
キーワードのtemplate後には空の山括弧のペアが続きます<>
関数名の後には、特殊化する型を指定する 1 対の山括弧が続きます。
関数パラメータテーブル: テンプレート関数の基本パラメータの型と完全に同じである必要があります。異なる場合、コンパイラが奇妙なエラーを報告する可能性があります。

関数テンプレートの特殊化の例:

#include <iostream>

// 通用的函数模板
template <typename T>
T add(T a, T b) {
    
    
    return a + b;
}

// 函数模板的特化版本，针对 int 类型
template <>
int add(int a, int b) {
    
    
    std::cout << "Specialized version for int" << std::endl;
    return a + b + 10;
}

int main() {
    
    
    int result1 = add(5, 3);    // 调用通用版本
    std::cout << "Result 1: " << result1 << std::endl;  // 输出: 8

    int result2 = add<int>(5, 3);  // 调用特化版本
    std::cout << "Result 2: " << result2 << std::endl;  // 输出: Specialized version for int
                                                        // Result 2: 18

    return 0;
}

上記の例では、add2 つの数値の合計を計算する関数テンプレートです。の特殊化を提供することでadd<int>、デフォルトの動作をオーバーライドし、特定のタイプに合わせてカスタマイズします。この関数ではmain、汎用バージョンと特殊バージョンを呼び出す方法と、その出力を示します。

注:一般に、関数テンプレートで処理できない型、または正しく処理されない型に遭遇した場合、通常は単純化のために関数が直接与えられます。

2. クラステンプレートの特化

C++ では、クラステンプレートの特殊化とは、特定の型または条件に合わせてクラステンプレートのカスタマイズされた実装を提供することを指します。クラステンプレートの特殊化には、完全特殊化と部分特殊化の 2 種類があります。

完全な特化: 完全な特化は、特定のタイプの完全な特化です。特定の型に完全な特殊化を提供すると、汎用クラステンプレート定義がオーバーライドされます。完全な特殊化の構文は、テンプレート名の後に追加して<>特殊化のタイプを指定します。

例：

// 通用的类模板
template <typename T>
class MyTemplate {
    
    
public:
    void print() {
    
    
        std::cout << "Generic Template" << std::endl;
    }
};

// 类模板的全特化版本，针对 int 类型
template <>
class MyTemplate<int> {
    
    
public:
    void print() {
    
    
        std::cout << "Specialized Template for int" << std::endl;
    }
};

部分的特殊化: 部分的特殊化は、特定の条件下でのテンプレートパラメーターの特殊化であり、通常はより詳細なカスタマイズを目的としています。部分的な特殊化を使用すると、すべてのタイプに完全な特殊化を行うのではなく、特定のケースに特殊化を提供できます。部分特殊化の構文は、テンプレート名の後にを追加し <>、山括弧内に特殊化するパラメーターを指定します。

例：

// 通用的类模板
template <typename T, typename U>
class Pair {
    
    
public:
    Pair(T first, U second) : first_(first), second_(second) {
    
    }
    void print() {
    
    
        std::cout << "Generic Pair: " << first_ << ", " << second_ << std::endl;
    }
private:
    T first_;
    U second_;
};

// 类模板的偏特化版本，针对两个相同类型的参数
template <typename T>
class Pair<T, T> {
    
    
public:
    Pair(T first, T second) : first_(first), second_(second) {
    
    }
    void print() {
    
    
        std::cout << "Specialized Pair for same type: " << first_ << ", " << second_ << std::endl;
    }
private:
    T first_;
    T second_;
};

上記の例では、完全特殊化は整数型の特殊化を提供し、部分特殊化は同じ型の 2 つのパラメーターの特殊化を提供します。

要約:

完全な特殊化: 特定のタイプに完全な特殊化を提供します。
部分特化: 特定のケースまたは条件に特化したバージョンを提供します。

テンプレートの特殊化を使用すると、カスタム動作が必要な場合にクラステンプレートを正確に実装でき、テンプレートの柔軟性と適用性が向上します。

クラステンプレートを使用すると、さまざまなデータ型に同じコード構造を提供して、複数の種類のニーズに対応できます。ただし、場合によっては、コンパイラが異なる型のオブジェクトを比較する方法を推測できない場合があります。。そのため、以下の例では、クラステンプレートの特殊化を使用しないとコンパイラーが Date クラスを正しく並べ替えられない可能性があります。

デフォルトでは、std::sort関数は要素<ごとの演算子を使用して要素のサイズを比較します。これは、整数などのプリミティブ型や< 演算子をサポートする型では問題ありません。しかしカスタム型 (Date クラスなど) の場合、コンパイラーは比較の実行方法を知る方法がありません。

クラステンプレートの特殊化を使用することで、さまざまな種類の日付クラスに対する明示的な比較ロジック、つまり演算子のオーバーロードを提供しますoperator<。std::sortこれにより、関数が正しく動作するように、特定の状況下で Date オブジェクトを比較する方法がコンパイラーに指示されます。

特殊なクラステンプレートを使用すると、必要に応じて特定の型のカスタム実装を提供できるため、コンパイラーが推論できない問題を解決し、プログラムを正しく実行できるようになります。

std::sort以下は、クラステンプレートの特殊化を使用して、関数でサイズを比較し、日付を並べ替える日付クラスの例です。
この例では、Dateクラステンプレートを定義し、Date日付比較を実装するクラスの特殊化を提供します。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 通用的类模板
template <typename T>
class Date {
    
    
public:
    Date(T year, T month, T day) : year_(year), month_(month), day_(day) {
    
    }

    // 比较运算符
    bool operator<(const Date& other) const {
    
    
        if (year_ != other.year_) return year_ < other.year_;
        if (month_ != other.month_) return month_ < other.month_;
        return day_ < other.day_;
    }

    void print() {
    
    
        std::cout << year_ << "-" << month_ << "-" << day_ << std::endl;
    }

private:
    T year_;
    T month_;
    T day_;
};

// 类模板的特化版本，用于 int 类型
template <>
class Date<int> {
    
    
public:
    Date(int year, int month, int day) : year_(year), month_(month), day_(day) {
    
    }

    bool operator<(const Date<int>& other) const {
    
    
        if (year_ != other.year_) return year_ < other.year_;
        if (month_ != other.month_) return month_ < other.month_;
        return day_ < other.day_;
    }

    void print() {
    
    
        std::cout << year_ << "-" << month_ << "-" << day_ << std::endl;
    }

private:
    int year_;
    int month_;
    int day_;
};

int main() {
    
    
    std::vector<Date<int>> dates = {
    
    
        {
    
    2022, 8, 15},
        {
    
    2021, 12, 25},
        {
    
    2022, 1, 1},
        {
    
    2022, 3, 20}
    };

    std::cout << "Before sorting:" << std::endl;
    for (const auto& date : dates) {
    
    
        date.print();
    }

    std::sort(dates.begin(), dates.end());

    std::cout << "After sorting:" << std::endl;
    for (const auto& date : dates) {
    
    
        date.print();
    }

    return 0;
}

上の例では、まず、年、月、日の情報を保存するための汎用Dateクラステンプレートを定義します。次に、型に基づいて日付比較演算をDate<int>実装するための特殊化を提供します。int

関数ではmain、日付を格納する配列を作成しstd::vector、std::sort関数を使用して日付を並べ替えます。Date<int>の特殊化が提供されているため、日付を比較し、正しく並べ替えます。最後に、ソート前とソート後の日付の順序をそれぞれ出力します。

テンプレート別編集

1. 分冊とは

個別コンパイル(個別コンパイル) は、大きなプログラムを複数の小さなソースコードファイルに分割するソフトウェア開発手法であり、各ファイルには 1 つ以上の関連する関数、クラス、または変数の定義と実装が含まれています。これらのソースコードファイルは、さまざまなコンパイル単位でコンパイルし、リンク段階で実行可能プログラムに結合できます。

個別コンパイルの主な目的は、コードの保守性、コンパイル速度、リソース使用率を向上させることです。個別にコンパイルすることの利点は次のとおりです。

モジュール開発: プログラムを複数のモジュールに分割し、各モジュールが特定の機能を担当します。このようにして、異なる開発者が異なるモジュールに独立して作業できるため、開発効率が向上します。
コードの再利用: さまざまなプロジェクトで、すでに作成およびテストされたモジュールを再利用できるため、開発時間とリソースが削減されます。
コンパイル速度: 変更されたモジュールのみを再コンパイルする必要があり、他の未変更のモジュールは変更しないで済みます。これにより、コンパイル時間を大幅に短縮できます。
リソース使用率: 必要なモジュールのみがコンパイルされるため、不必要なコンパイルとメモリ使用量が削減されます。

個別コンパイルの基本的なプロセスは次のとおりです。

モジュールの記述: プログラムをモジュールに分割し、各モジュールの定義と実装を記述します。
モジュールのコンパイル: 各モジュールのソースコードを個別にコンパイルし、オブジェクトファイル (ファイルなど) を生成し.objます.o 。
リンクモジュール: すべてのオブジェクトファイルをリンクし、参照関係を解決し、最終的な実行可能ファイルを生成します。

個別のコンパイルでは、通常、ヘッダーファイルは（.h 文件）関数とクラスの宣言を格納するために使用され、ソースファイルには（.cpp 文件）関数とクラスの実装が含まれます。この分割は、コンパイラーが各モジュールのインターフェイスと実装を理解するのに役立ち、異なるモジュール間に正しいリンクを確立できます。

個別のコンパイルは現代のソフトウェア開発において重要な習慣であり、複雑なプロジェクトを整理し、開発効率を向上させ、メンテナンスコストを削減するのに役立ちます。

2. テンプレートの個別コンパイル

C++ では、テンプレートの個別のコンパイルとは、テンプレートの宣言と実装を異なるファイルに配置することを指します。通常、テンプレートの宣言はヘッダーファイル (.hまたは.hppファイル) に配置され、テンプレートの実装はソースファイル (.cppファイル) に配置されます。

テンプレートを個別にコンパイルすることで、リンク時のテンプレートのインスタンス化の問題を解決できます。C++ コンパイラは、テンプレートが使用される場所でテンプレートをインスタンス化する必要がありますが、コンパイラはソースファイルのコンパイル時に現在のソースファイルの内容のみを確認でき、他のソースファイル内のテンプレートの実装の詳細を知ることはできません。したがって、テンプレートの宣言と実装がヘッダーファイルに配置され、複数のソースファイルによって参照される場合、テンプレートは複数回インスタンス化され、最終的にはリンクフェーズで複数の同一のインスタンス化が発生し、再定義エラーが発生します。

テンプレートのコンパイル定義を分離する一般的な方法は次のとおりです。

テンプレートの宣言をヘッダーファイル (例: .hfile) に記述します。
テンプレートの実装をソースファイル (例: .cppfile) に配置し、ソースファイルの最後にテンプレートの実装を含めます。

この利点は、各ソースファイルがテンプレートを 1 回だけインスタンス化し、再定義の問題を回避できることです。
ただし、テンプレートを個別に定義すると、次のような問題が発生する可能性があります。

コンパイルエラーを特定するのが難しい: テンプレートの実装にエラーがある場合、コンパイラはテンプレートが使用されている詳細なエラー情報を提供できない可能性があり、デバッグが困難になります。
コードのメンテナンスの難しさ: テンプレートの実装が複数のソースファイルに分散しているため、コードのメンテナンスが複雑になる可能性があり、各ソースファイルのテンプレートの実装が一貫していることを確認する必要があります。
可読性の低下: テンプレートの実装がソースファイルに分離されているため、コードの可読性と理解性が低下する可能性があります。

テンプレートの分離定義によって引き起こされる問題を回避するために、一部のプログラミング手法では、テンプレートが使用されている場所で完全な実装の詳細を確認できるように、テンプレートの宣言と実装の両方をヘッダーファイルに配置することを推奨しています。テンプレートの実装がより複雑な場合は、テンプレートを特化することで個別定義の問題を解決できます。

C++ でのテンプレートの個別定義の例を示します。

この例は、テンプレートの宣言と実装が異なるファイルに分離されている場合に再定義エラーが発生する可能性があることを示しています。

次の 2 つのファイルがあるとします。

Stack.h (ヘッダーファイル、テンプレート宣言が含まれます):

#ifndef STACK_H
#define STACK_H

template <typename T>
class Stack {
    
    
public:
    Stack();
    void push(const T& value);
    T pop();

private:
    T elements[10];
    int top;
};

#include "Stack.cpp"

#endif

Stack.cpp (ソースファイル、テンプレートの実装が含まれます):

#ifndef STACK_CPP
#define STACK_CPP

template <typename T>
Stack<T>::Stack() : top(-1) {
    
    }

template <typename T>
void Stack<T>::push(const T& value) {
    
    
    elements[++top] = value;
}

template <typename T>
T Stack<T>::pop() {
    
    
    return elements[top--];
}

#endif

この例では、ヘッダーファイルにソースファイルをインクルードしようとしますStack.cpp。これにより、次の問題が発生する可能性があります。

再定義エラー: 複数のソースファイルに同じヘッダーファイルが含まれている場合、各ソースファイルStack.cppにはのテンプレート実装が含まれるため、リンク時に再定義エラーが発生します。
解決策は、テンプレートの宣言と実装の両方をヘッダーファイルに含めるか、テンプレートの明示的なインスタンス化を使用して再定義エラーを回避します。。
明示的なインスタンス化は、特定の型でテンプレートをインスタンス化するようにコンパイラーに指示する方法であり、ソースファイルで次の構文を使用することで問題を回避できます。

template class Stack<int>;
template class Stack<double>;
// 等等

これにより、テンプレートは特定の型に対して 1 回だけインスタンス化されるようになり、再定義エラーが回避されます。

明示的なインスタンス化では、テンプレートを個別に定義するという問題は解決されますが、潜在的な欠点がいくつかあります。

保守が難しい: コード内で複数の異なる型をインスタンス化に使用する場合、各型をソースファイル内で一度明示的にインスタンス化する必要があります。これはかもしれないコードの冗長化につながり、メンテナンスの難易度が上昇する、特にテンプレートが広範囲に使用される大規模なプロジェクトではそうです。

可読性の低下:明示的なインスタンス化の構文は比較的複雑で、コードの可読性が低下する可能性があります。。プログラマは、この特別な構文を理解し、ソースファイル内で適切な明示的なインスタンス化を行う必要があります。

コンパイル時間に影響する: 明示的なインスタンス化により、コンパイラはコンパイル時にテンプレートの具体的なインスタンス化コードを生成するため、コンパイル時間が増加します。特にテンプレートを頻繁に使用する場合、コンパイル時間が大幅に増加する可能性があります。

制限事項:明示的なインスタンス化は、特定の型でインスタンス化されることがわかっているテンプレートにのみ適用されます。。さまざまな型で使用できる一部の汎用テンプレートでは、考えられるすべての型に対して明示的にインスタンスを作成することが非現実的である場合があります。

要約すると、明示的なインスタンス化はテンプレート分離定義の問題を解決する 1 つの方法ですが、いくつかの不便さや潜在的な問題が発生する可能性があります。したがって、一部のプロジェクトでは、これらの問題を回避するために、テンプレートの宣言と実装をヘッダーファイルに含めることを好みます。

テンプレートの概要

アドバンテージ：

多用途性と再利用性:テンプレートを使用すると、多くのデータ型やデータ構造で動作する汎用コードを作成できます。。この一般性により、コードの再利用が促進され、繰り返しコードを記述する必要性が減ります。

タイプセーフティ: テンプレートはコンパイル時に型チェックされ、テンプレートのインスタンス化時に正しいデータ型が使用されていることを確認できます。これ実行時の型エラーの回避に役立ちます。

パフォーマンス上の利点:テンプレートで生成されたコードはコンパイル時に実際の型から生成されるため、関数呼び出しのオーバーヘッドはありません。、パフォーマンスをある程度向上させることができます。

汎用アルゴリズム: C++ 標準ライブラリのアルゴリズムとコンテナの両方でテンプレートが使用されるため、開発者は一般的なソート、検索、トラバーサルなどのアルゴリズムを使用すると便利です。

抽象化とカプセル化:テンプレートは抽象データ型を実装し、データ構造と操作をカプセル化できます。、より高いレベルの抽象化を提供します。

コンパイル時のエラーチェック:テンプレートエラーは通常コンパイル時に検出されますにより、開発者が問題を早期に検出して修正できるようになります。

欠点:

コンパイル時のエラーメッセージがわかりにくい: テンプレートエラーに関するコンパイラエラーメッセージは非常に複雑で、初心者にとっては理解しにくい場合があります。これはもしかしたらデバッグの難易度の増加。

コンパイル時間が増加します:テンプレートを使用するとコンパイル時間が長くなる可能性があります特に大規模なプロジェクトでは。テンプレートをインスタンス化すると、コンパイル時に複数のバージョンのコードが生成されるため、コンパイラの時間が長くなる可能性があります。

コードの肥大化:テンプレートをインスタンス化すると、同様のコードのコピーが複数生成される可能性があります、実行可能ファイルのサイズが増加する可能性があります。

可読性の低下:一部の複雑なテンプレートコードは、読み取って理解するのが難しい場合があります。、特にメタプログラミングのトリックが関係する場合。

メンテナンスの困難さ: テンプレートの実装が別のファイルに分かれている場合、メンテナンスが困難になる可能性がある特に、明示的なインスタンス化などに関してはそうです。

すべてを考慮すると、テンプレートは多くの状況で大きな利点を提供できる強力なツールです。ただし、テンプレートを使用する場合、開発者は利点と欠点を比較検討し、特定の状況に基づいて適切な選択を行う必要があります。

C++ の基本テンプレートの詳細な説明