【C++模板详解 —— 函数模板与类模板】
C++模板详解 —— 函数模板与类模板
- 1.非类型模板参数
- 2.模板的特化
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- 2.1 概念
- 2.2 函数模板特化
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- 2.2.1 全特化
- 2.2.2 偏特化
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- 2.3 类模板特化
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- 2.3.1 全特化
- 2.3.2 偏特化
- 2.3.3 类模板特化应用示例
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- 3 模板分离编译
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- 3.1什么是分离编译
- 3.2 模板的分离编译
- 3.3 解决方法
- 4.模板总结
1.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。
namespace qq
{
// 定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
class array
{
public:
T& operator[](size_t index)
{
return _array[index];
}
const T& operator[](size_t index)const
{
return _array[index];
}
size_t size()const
{
return _size;
}
bool empty()const
{
return 0 == _size;
}
private:
T _array[N];
size_t _size;
}；
}
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。
2.模板的特化
2.1 概念
模板的特化（Template Specialization） 是 C++ 中一种重要的模板技术，允许针对特定类型或特定条件提供定制化的模板实现。通常情况下，泛型模板（Generic Template） 可以处理多种类型的数据，但在某些情况下，我们可能需要针对特定类型或特定条件编写特定的实现，这时就需要使用模板的特化。
模板的特化分为两种：
- 全特化（Full Specialization）：对模板中的所有模板参数都进行特化。
- 偏特化（Partial Specialization）：只对模板中的部分模板参数进行特化。
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，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板
// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}
int main()
{
cout << Less(1, 2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
return 0;
}
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，p1指
向的d1 显然小于 p2 指向的 d2 对象，但是 Less内部并没有比较 p1 和p2指向的对象内容，而比较的是p1 和 p2 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。
在这里插入代码片
2.2 函数模板特化
2.2.1 全特化
//泛化的函数模板
template<typename T>
void myFunction(T value)
{
//泛化的实现
}
//对特定类型的全特化
template<>
void myFunction<int>(int value)
{
//对 int 类型的特化实现
}
对于上面Date类的sort函数排序问题，我们可以全特化处理：
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}
cout << Less(1, 2) << endl; // 1
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 1
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 1
// 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
当然也可以使用后面的类的特化来解决这个问题(使用仿函数)
template<class T>
struct Less
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
return x < y;
}
};
template<>
struct Less<Date*>
{
bool operator()(Date* d1, Date* d2)
{
return *d1 < *d2;
}
};
//cout << Less(1,2) << endl; 错误
cout << Less<int>()(1, 2) << endl;
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
//cout << Less(d1, d2) << endl; 错误
cout << Less<Date>()(d1, d2) << endl;
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
//cout << Less(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了 错误
cout << Less<Date*>()(p1, p2) << endl; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
注意：
在 C++ 中，函数模板的调用必须显式指定模板参数，这与类模板的默认类型推导不同。因此，在调用函数模板时，必须通过模板名后面的 ()明确指定模板参数。
对于类模板的成员函数调用运算符 ()，是针对类的实例进行调用的。而函数模板本身是一个模板，需要实例化成具体的函数，然后才能调用。
当写 Less 时，表示实例化了一个 Less 类型的模板，并传递 int作为模板参数，但这只是创建了一个模板实例，并没有进行函数调用。要调用函数，需要在后面加上 ()，这样才能触发函数调用。
在特化的情况下，需要将特化的模板实例化为一个类对象，并调用该对象的函数调用运算符。因此，在特化的调用时，也需要在模板名后面加上 ()。
2.2.2 偏特化
函数模板的偏特化与类模板的偏特化有所不同。函数模板的偏特化通常通过函数重载来实现。
// 泛化的函数模板
template<typename T>
void myFunction(T value) {
// 泛化的实现
}
// 对特定条件的偏特化，通过函数重载实现
template<typename T>
void myFunction(T* ptr) {
// 对指针类型的偏特化实现
}
// 可以偏特化其他条件
2.3 类模板特化
2.3.1 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<typename T>
class MyClass {
// 泛化的实现
};
template<>
class MyClass<int> {
// int 类型的特化实现
};
// 可以特化其他类型
在上面的示例中，MyClass 是一个模板类，我们为 MyClass 进行了全特化，为 int 类型提供了定制化的实现。
全特化Date
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() {cout<<"Data" <<endl;}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data() {cout<<"Data" <<endl;}
private:
int _d1;
char _d2;
};
void TestVector()
{
Data<int, int> d1;
Data<int, char> d2;
}
2.3.2 偏特化
template<typename T, typename U>
class MyClass {
// 泛化的实现
};
template<typename U>
class MyClass<int, U> {
// 对第一个模板参数为 int 类型的偏特化实现
};
template<typename T>
class MyClass<T, double> {
// 对第二个模板参数为 double 类型的偏特化实现
};
// 可以偏特化其他条件
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" <<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" <<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
//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" << 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" << endl;
}
private:
const T1& _d1;
const T2& _d2;
};
void test2()
{
Data<double, int> d1;
Data<int, double> d2;
Data<int*, int*> d3;
// 调用特化的int版本
// 调用基础的模板
// 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}
2.3.3 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;
}
};
3 模板分离编译
3.1什么是分离编译
模板的分离编译（Separate Compilation of Templates） 是指将模板的声明和定义分别放在不同的文件中，然后在需要使用模板的源文件中包含相应的声明，并在链接时将模板的定义与使用处进行链接。这样做的目的是为了减少编译时间和避免模板的多次实例化。
然而，在进行模板分离编译时，可能会遇到一些问题：
- 链接错误（Linker Errors）：如果模板的定义没有被正确链接到使用处，可能会导致链接错误，表现为找不到模板的定义。
- 隐式实例化失败（Implicit Instantiation Failure）：在模板分离编译中，编译器只会在需要时进行模板的实例化，如果模板的定义没有被正确包含或链接到使用处，可能会导致隐式实例化失败，表现为编译错误。
3.2 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& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}
分析：
3.3 解决方法
- 将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
- 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。
4.模板总结
【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
【缺陷】
- 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