模板的进阶

模板进阶

1. 非类型模板参数

1.1 引出

定义这样一个类, 并且用模板泛型化:

#define N 10
template<class T>
class Array
{
    
    
private:
	T _a[N];
};

我们会这样使用Array这个类

int main()
{
    
    
    Array<int> a1;
    Array<double> a2;
    return 0;
}

乍一看感觉没有问题，但是当有了新的需求, 要a1和a2两个数组大小不同时, 比如a1大小10，a2大小20 ; 上面代码的写法是无法实现的，此时就需要非类型模板参数来完成这个要求

1.2 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。

那么上面的要求, a1大小10， a2大小20; 就可以利用非类型模板参数来写

//非类型模板参数 -- 整型常量：灵活赋值
template<class T, size_t N=20>
class Array 
{
    
    
private:
	T _a[N];
};
int main()
{
    
    
    Array<int, 10> a1;
    Array<double, 20> a2;
    return 0;
}

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. 非类型模板参数必须是整型常量 (整型家族的也算, 比如: char, short, long, long long …)
3. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

2. array类

2.1 array类的介绍

array参考文档

头文件当然是：#include<array>

与vector、list类似，都属于内部类，而上述我们自己写的Array类就是这个类的简化，只不过只有成员变量而没有别的东西。array对标的也不是vector，而是C语言中的静态数组例如array<int， 20> a 对标int a[N]，他们的数据都在栈上，只是前者是自定义类型，后者是内置类型

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通过查看文档，发现array不支持插入，但有运算符重载：operator[]，因此就可以直接通过下标进行访问。

2.2 array的价值

既然有了array替代静态数组，那么它的优势是什么？最主要的不是封装，而是对于越界的检查。之前学过C语言，对于一个普通内置类型的数组，一旦发生越界访问，就会有这么两种情况：

1. 越界读，不检查
2. 越界写，抽查

读的时候即便越界，由于不会检查，因此也不会报错。

越界写本身就是错误的。由于是抽查，因此不同平台的抽查的方式也不一样，抽查到一定报错，没抽查到可能只有警告。

由于内置类型对于越界检查的不严谨的行为，array就防止了上述越界的错误，即一旦越界无论读写都报错。

程序会发生崩溃

3. 模板的特化

3.1 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，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

class Date
{
    
    
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
    
    }
	bool operator<(const Date& d)const
	{
    
    
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}
	bool operator>(const Date& d)const
	{
    
    
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
    
    
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// 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。

3.2 函数模板的特化

为了解决上面Date比较的问题，就需要将Date的模板进行特化，即正如模板的性质：优先找到匹配的进行转换。

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。

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
    
    
	return left < right;
}

//针对某些类型进行特殊处理
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)//这个就是模板的特化
{
    
    
	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，结果正确
	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。

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

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，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。可以写成重载的形式。

3.3 类模板特化

3.3.1 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<>      //全特化
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;
}

int main()
{
    
    
    TestVector();
    return 0;
}

3.3.2 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*>
{
    
    
public:
    Data() {
    
    cout<<"Data<T1*, T2*>" <<endl;}
private:
    T1 _d1;
    T1 _d2;
};

4. 模板分离编译

4.1 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。

4.2 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;
}

4.3 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。

[分离编译扩展阅读] http://blog.csdn.net/pongba/article/details/19130

5. 模板总结

[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

[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