【C++】模板进阶

1. 非类型模板参数

2. 模板的特化

2.1 概念

2.2 函数模板特化

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

2.3.2 偏特化

2.3.3 类模板特化应用示例

3 模板分离编译

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

模板参数分为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 bite
{// 定义一个模板类型的静态数组//template<class T, size_t N>给不给缺省值都可以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;};
}

通过上述的代码，我们发现非类型的模板参数就是当做常量使用的，只不过比起宏定义的常量来时，我们使用非类型模板参数更方便自由，并且这个常量是根据模板实例化的传递值确定，实例化是传的值不同，不同的值可以同时存在。

template<size_t N = 10>
class Stack
{
private:int _a[N];int _top;
};int main()
{//Stack s0;//不传值的写法,C++20以后支持Stack<> s0;//不传值的写法Stack<5> s1;//常量N为5Stack<10> s2;//常量N为10return 0;
}

像上述的代码，我们就可以同一时间创建大小不同的静态stack。需要注意的是如果参数有缺省值，我们外部不传值创建对象是以类型<>的形式，C++20之后支持直接以类型的形式创建。

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。（浮点数在C++20之后支持作为非类型模板参数，但是类对象、字符串还是不允许）
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。（我们提到过非类型模板参数常作为常数使用，用来作为数组的大小，部分编译器是不支持变长数组的，因此必须在编译器确认非类型模板参数，确定数组的大小）

3.底层跟整形有关的如char、bool等，我们也可以作为非类型模板参数。

template<size_t N = 10, bool flag = false>
class Stack
{
private:int _a[N];int _top;
};

2. 模板的特化

2.1 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或者这样的结构并不符合我们的预期，那我们就需要对这些特殊的类型做特殊处理，这就叫做模板的特化。

// 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;
}

比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板，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，地址的选取并不是按照内容的大小来选取的，那这就会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。

2.2 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。

特化是对模板的一些特殊情况的特殊处理，因此，原模板是基础，必须先有原模板才能。此外我们是在原模板的基础上对一些特殊类型处理，因此参数要与原模板一致。

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}
int main()
{cout << Less(1, 2) << endl;Date d1(2022, 7, 7);Date d2(2022, 7, 8);cout << Less(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。

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
//bool LessFunc(T const & left, T const & right)
bool LessFunc(const T& left, const T& right)
{return left < right;
}//特化
template<>
bool LessFunc<const Date*>(const Date* const& left, const Date* const& right)
{return *left < *right;
}

上述的代码中，我们LessFunc的愿意是比较两个数据的大小，但是对于指针类型的数据，我们比较的是地址，因此我们需要特化一下。但是对于不能修改的const对象来说，我们在T&前加入const保护数据，但是对于特化的指针类型来书，我们在指针Data*的左边加上const意思是指针的指向不能修改，而不是指针指向的数据不能修改，这就与我们的预期不符。

template<>
bool LessFunc<Date*>(Date* const& left, Date* const& right)
{return *left < *right;
}

正确的写法如上述代码，但是比较原模板与特化，我们发现参数的实际意义一样，但形式并不一样

上文我们说过特化是对特殊情况的处理，特化参数应该与原模板对应，但是这里却不一致，总的来说，函数的特化并不推荐使用。对应函数特殊情况的处理推荐直接给出函数，因为因为模板需要实例化，所以有现成选择的情况下，编译器不会再使用模板。（函数模板、模板特化、函数在三者同时存在情况下编译器选择参数更符合，需要的操作更少的）

bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}

直接给出函数该种实现简单明了，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，特化时难以给出，因此函数模板不建议特化。

2.3 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

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<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;
};
void TestVector()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;
}

2.3.2 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。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。

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>//如果传入的是二级指针，那T1、T2就对应是一级指针
{
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
}

//两个参数一个偏特化为引用类型，一个偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2*>
{
public:Data(){cout << "Data<T1&, T2*>" << endl;int a = 0;T1& x = a;T2* y = &a;T1 z = a;cout << typeid(x).name() << endl;cout << typeid(y).name() << endl;}void Push(const T1& x){}
};

上述的这种偏特化设计，我们除了可以处理特殊情况，我们原先像T1、T2这些类型也可以使用。

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<vector>
#include<algorithm>
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};
int main()
{Date d1(2022, 7, 7);Date d2(2022, 7, 6);Date d3(2022, 7, 8);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;}
};

特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

3 模板分离编译

3.1 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。

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：