✨个人主页： 北 海
所属专栏： C++修行之路
操作环境： Visual Studio 2019 版本 16.11.17

文章目录

  • 前言
  • ️正文
    • 1、非类型模板参数
      • 1.1、使用方法
      • 1.2、类型要求
      • 1.3、实际例子：array
    • 2、模板特化
      • 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
    • 3、模板的分离编译问题
      • 3.1、失败原因
      • 3.2、解决方法
    • 4、模板小结
  • 总结

前言

模板是搭建 STL 的基本工具，同时也是泛型编程思想的代表，模板用好了可以提高程序的灵活性，以便进行更高效的迭代开发，模板除了最基本的类型替换功能外，还有更多高阶操作：非类型模板参数、全特化、偏特化等，以及关于模板声明与定义不能分离（在两个不同的文件中）的问题，都将在本文中进行介绍

️正文

1、非类型模板参数

之前所使用的模板参数都是用来匹配不同的类型，如 int、double、Date 等，模板参数除了可以匹配类型外，还可以匹配常量（非类型），完成如数组、位图等结构的大小确定

1.1、使用方法

在定义模板参数时，不再使用 class 或 typename，而是直接使用具体的类型，如 size_t，此时称为 非类型模板参数

注：非类型模板参数必须为常量，即在编译阶段确定值

利用 非类型模板参数 定义一个大小可以自由调整的 整型数组 类

template<size_t N>class arr{public:int& operator[](size_t pos){assert(pos >= 0 && pos < N);return _arr[pos];}size_t size() const{return N;}private:int _arr[N];//创建大小为 N 的整型数组};

再加入一个模板参数：类型，此时就可以得到一个 泛型、大小可自定义 的数组

template<class T, size_t N>class arr{public:T& operator[](size_t pos){assert(pos >= 0 && pos < N);return _arr[pos];}size_t size() const{return N;}private:T _arr[N];//创建大小为 N 的整型数组};

非类型模板参数支持缺省，因此写成这样也是合法的

template<class T, size_t N = 10>//缺省大小为10

1.2、类型要求

非类型模板参数要求类型为 整型家族，其他类型是不行的

比如下面这些 非类型模板参数 都是标准之内的

//整型家族（部分）template<class T, int N>class arr1 { /*……*/ };template<class T, long N>class arr2 { /*……*/ };template<class T, char N>class arr3 { /*……*/ };

而一旦使用其他家族类型作为 非类型模板参数，就会引发报错

//浮点型，非标准template<class T, double N>class arr4 { /*……*/ };

因此可以总结出，非类型模板参数 的使用要求为

  • 只能将 整型家族 类型作为非类型模板参数，其他类型不在标准之内
  • 非类型模板参数必须为常量（不可被修改），且需要在编译阶段确定结果

整型家族：char、short、bool、int、long、long long 等

1.3、实际例子：array

在 C++11 标准中，引入了一个新容器 array，它就使用了 非类型模板参数，为一个真正意义上的 泛型数组，这个数组是用来对标传统数组的

注意： 部分老编译器可能不支持使用此容器

array 的第二个模板参数就是 非类型模板参数

#include #include #include using namespace std;int main(){int arrOld[10] = { 0 };//传统数组array<int, 10> arrNew;//新标准中的数组//与传统数组一样，新数组并没有进行初始化//新数组对于越界读、写检查更为严格arrOld[15];//老数组越界读，未报错arrNew[15];//新数组则会报错arrOld[12] = 0;//老数组越界写，不报错，出现严重的内存问题arrNew[12] = 10;//新数组严格检查return 0;}

array 是泛型编程思想中的产物，支持了许多 STL 容器的功能，比如 迭代器 和 运算符重载 等实用功能，最主要的改进是 严格检查越界行为

实际开发中，很少使用 array，因为它对标传统数组，连初始化都没有，vector 在功能和实用性上可以全面碾压，并且 array 使用的是 栈区 上的空间，存在栈溢出问题，可以说 array 是一个鸡肋的容器

array 如何做到严格的全面检查？

  • 这个很简单，得益于类的封装，在进行下标相关操作前，先将传入的下标 pos 进行合法性检验即可，如 assert(pos >= 0 && pos < N)

2、模板特化

模板除了可以根据传入的类型进行实例化外，还可以指定实例化，这就好比普通汽车只能在公路上行驶，但我们也可以将车进行特殊改装，让其能在山川泥潭中驰骋；模板特化的用意就在于此，通过对 泛型思想的特殊化处理 ，更好的符合我们的使用需求

2.1、概念

通常情况下，模板可以帮我们实现一些与类型无关的代码，但在某些场景中，【泛型】无法满足调用方的精准需求，此时会引发错误，比如使用 日期类对象指针 构建优先级队列后，若不编写对应的仿函数，则比较结果会变为未定义


详见 《C++ STL学习之【优先级队列】》

原因：泛型思想无法满足特殊场景

解决方案：利用模板的特化制定更加精准的比较逻辑

综上所述，所谓模板的特化，就是在原模板的基础之上，对原模板进行特殊化处理，创造出另一个 “特殊” 的模板，完成需求

2.2、函数模板特化

函数也可以使用模板，因此支持 模板的特化

比如在下面这个比较函数中，假若不进行特化，则会出现错误的结果

template<class T>bool isEqual(T x, T y){return x == y;}int main(){int x = 10;int y = 20;cout << "x == y: " << isEqual(x, y) << endl;char str1[] = "Haha";char str2[] = "Haha";//此时泛型比的是地址，实际内容是相等的！cout << "str1 == str2: " << isEqual(str1, str2) << endl;return 0;}


原因：字符串比较时，比较的是地址，而非内容

解决方案：利用模板的特化，为字符串的比较构建一个特殊模板

//函数模板特殊，专为 char* 服务template<>bool isEqual<char*>(char* x, char* y){return strcmp(x, y) == 0;}


此时比较的结果正常，成功解决了问题

不过对于函数模板特化来说，存在一个更加方便的东西：函数重载，同样也能解决特殊需求，同时写法没这么怪，不过既然存在 函数模板特化 这个语法，那么我们还是得学习下的

2.3、类模板特化

模板特化主要用在类模板中，它可以在泛型思想之上解决大部分特殊问题，并且类模板特化还可以分为：全特化和偏特化，适用于不同场景

后续举例时需要用到 Date 日期类，这里先把代码放出来

class Date{public:Date(int year = 1970, 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);}private:int _year;int _month;int _day;};
2.3.1、全特化

全特化指 将所有的模板参数特化为具体类型，将模板全特化后，调用时，会优先选择更为匹配的模板类

//原模板template<class T1, class T2>class Test{public:Test(const T1& t1, const T2& t2):_t1(t1),_t2(t2){cout << "template" << endl;}private:T1 _t1;T2 _t2;};//全特化后的模板template<>class Test<int, char>{public:Test(const int& t1, const char& t2):_t1(t1), _t2(t2){cout << "template" << endl;}private:int _t1;char _t2;};int main(){Test<int, int> T1(1, 2);Test<int, char> T2(20, 'c');return 0;}

对模板进行全特化处理后，实际调用时，会优先选择已经特化并且类型符合的模板，这就好比虽然你家冰箱里有菜，但你还是想点外卖，因为外卖对于你来说更加合适

可以使用全特化，解决之前优先级队列中，类型为 日期类指针 Date* 的比较问题

注：这里只是举例说明，完整代码参考优先级队列相关文章

//对比较的仿函数进行全特化处理template<>struct less<Date*>{//比较 是否小于bool operator()(Date* x, Date* y){return *x < *y;}};template<>struct greater<Date*>{//比较 是否大于bool operator()(Date* x, Date* y){return *x > *y;}};

注意：

  • 在进行全特化前，需要存在最基本的泛型模板
  • 全特化模板中的模板参数可以不用写
  • 需要在类名之后，指明具体的参数类型，否则无法实例化出对象
2.3.2、偏特化

偏特化，指 将泛型范围进一步限制，可以限制为某种类型的指针，也可以限制为具体类型

//原模板---两个模板参数template<class T1, class T2>class Test{public:Test(){cout << "class Test" << endl;}};//偏特化之一：限制为某种类型template<class T>class Test<T, int>{public:Test(){cout << "class Test" << endl;}};//偏特化之二：限制为不同的具体类型template<class T>class Test<T*, T*>{public:Test(){cout << "class Test" << endl;}};int main(){Test<double, double> t1;Test<char, int> t2;Test<Date*, Date*> t3;return 0;}

偏特化（尤其是限制为某种类型）在 泛型思想 和 特殊情况 之间做了折中处理，使得 限制范围式的偏特化 也可以实现 泛型

  • 比如偏特化为 T*，那么传 int*、char*、Date* 都是可行的

借助偏特化解决指针无法正常比较问题（也是可以偏特化为引用类型的）

//原来的比较模板template<class T>class Less{public:bool operator()(T x, T y) const{return x < y;}};//偏特化后的比较模板template<class T>class Less<T*>{public:bool operator()(T* x, T* y) const{return *x < *y;}};int main(){Date d1 = { 2018, 4, 10 };Date d2 = { 2023, 5, 10 };cout << "d1 < d2: " << Less<Date>()(d1, d2) << endl;cout << "&d1 < &d2: " << Less<Date*>()(&d1, &d2) << endl;int a = 1;int b = 2;cout << "&a < &b: " << Less<int*>()(&a, &b) << endl;return 0;}

当然也可以使用 偏特化 解决 Date* 的比较问题，这里就不再演示

注意：

  • 在进行偏特化前，需要存在最基本的泛型模板
  • 偏特化与全特化很像，注意区分

3、模板的分离编译问题

早在 模板初阶 中，我们就已经知道了 模板不能进行分离编译，会引发链接问题

下面就来谈谈为什么会出现这个问题

3.1、失败原因

声明与定义分离后，在进行链接时，无法在符号表中找到目标地址进行跳转，因此链接错误

下面是 模板声明与定义写在同一个文件中时，具体的汇编代码执行步骤

Test.h

#pragma once//声明template<class T>T add(const T x, const T y);//定义template<class T>T add(const T x, const T y){return x + y;}

main.cpp

#include #include "Test.h"using namespace std;int main(){add(1, 2);return 0;}

声明与定义在同一个文件中时，可以直接找到函数的地址

代码从文本变为可执行程序所需要的步骤：

  1. 预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、删除注释，生成纯净的C代码
  2. 编译：语法 / 词法 / 语义 分析、符号汇总，生成汇编代码
  3. 汇编：生成符号表，生成二进制指令
  4. 链接：合并段表，将符号表进行合并和重定位，生成可执行程序

当模板的 声明 与 定义 分离时，因为是 【泛型】，所以编译器无法确定函数原型，即 无法生成函数，也就无法获得函数地址，在符号表中进行函数链接时，必然失败

简单举个例子：抛开模板这个东西，在头文件中声明函数，但不定义，调用函数时，报的就是链接错误

Test.h

#pragma once//只声明，不定义void sub(int x, int y);

main.cpp

#include #include "Test.h"using namespace std;int main(){//add(1, 2);sub(2, 1);return 0;}

3.2、解决方法

解决方法有两种：

  1. 在函数定义时进行模板特化，编译时生成地址以进行链接
  2. 模板的声明和定义不要分离，直接写在同一个文件中
//定义//解决方法一：模板特化（不推荐，如果类型多的话，需要特化很多份）template<>int add(const int x, const int y){return x + y;}
//定义//解决方法二：声明和定义写在同一个文件中template<class T>T add(const T x, const T y){return x + y;}

这也就解释了为什么涉及 模板 的类，其中的函数声明和定义会写在同一个文件中 （.h），著名的 STL 库中的代码的声明和定义都是在一个 .h 文件中

为了让别人一眼就看出来头文件中包含了 声明 与 定义，可以将头文件后缀改为 .hpp，著名的 Boost 库中就有这样的命名方式

4、模板小结

模板是 STL 的基础支撑，假若没有模板、没有泛型编程思想，那么恐怕 "STL" 会变得非常大

模板的优点

  • 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

模板的缺点

  • 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

总之，模板 是一把双刃剑，既有优点，也有缺点，只有把它用好了，才能使代码 更灵活、更优雅

总结

以上就是有关 C++【模板进阶】的全部内容了，在本文中，我们学习了非类型模板参数，认识了 C++11 中的新容器 array；然后学习了模板的特化，见识了模板特化的各种场景；最后明白了模板声明与定义不能分离的根本原因，总之，模板很强，但想要用好还得多练

C++ 初阶系列文章到此就正式结束了，后续将会继续更新 C++ 进阶内容，比如 继承、多态、高阶二叉树 等等高能知识点，敬请期待吧

相关文章推荐

STL 之 适配器

C++ STL学习之【优先级队列】

C++ STL学习之【反向迭代器】

C++ STL学习之【容器适配器】

===============

STL 之 list

C++ STL学习之【list的模拟实现】

C++ STL学习之【list的使用】

===============

STL 之 vector

C++ STL学习之【vector的模拟实现】

C++ STL学习之【vector的使用】