C++入门模板（进阶）

非类型模板参数

模板的特化

概念

函数模板特化

非类型模板参数

在了解模板进阶之前，先看一个特性：例如我们要搞一个可以变化容量大小的栈，在C语言中是这样定义的：

#define N 100

// 静态的栈
template<class T>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int> st1;		// 10
	Stack<int> st2;		// 100
	return 0;
}

通过修改宏的值来修改容量大小，在C++中我们不这样操作，我们在模板上直接增加一个非类型模板参数。例如以下代码所示：

// 静态的栈
template<class T, size_t N = 10>
class Stack
{
public:
	void func()
	{
		// N是常量
		N++;
	}
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int> st1;				// 10
	Stack<int, 100>  st2;		// 100
	Stack<int, 1000> st3;		// 1000

	// 按需实例化
	//st1.func();
	return 0;
}

以上的size_t N就是一个非类型模板参数（C++20之前，只允许整形做非类型模板参数，而C++20之后，可以支持double等其他内置类型）

为什么这里N++不调用func就不会报错呢？原因如下：编译器只会对模板大体有一个检验，它不会去查看类内容是否正确，只有在main函数中将它实例化后，才会发生编译错误。

类模板没实例化时，不去里面查细节东西,无法确认时类型还是静态变量，我们再浅看一下类类型形参，类类型形参就是跟在typename后面的参数：

void PrintVector(const vector<int>& v)
{
	vector<int>::const_iterator it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

template<class T>
void PrintVector(const vector<T>& v)
{
	// 加typename明确告诉是类型
	//typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7 };
	vector<double> v2 { 1.1,2.2,3.3,4.4,5.5,6.6,7.7 };
	PrintVector(v1); //调用第一个
	PrintVector(v2); //调用第二个
	return 0;
}

简单介绍一下模板参数分为：类类型形参与非类型形参。

类类型形参：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。另外注意以下两点：

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。

模板的特化

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：

// 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。

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

必须要先有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
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。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}

 //特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}


int main()
{
	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;
}

如果是const修饰的变量就要注意const放的位置，如下代码所示：

template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}

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

在模板中const修饰的是变量，而不是指向的内容，所以特化后的模板也要修饰相同内容，如果放在Date*之前则表示指向的内容不可修改，而本身可修改，与原模版权限相违背。

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。比如日期的比较，模板不如函数可读性高，能用函数尽量用函数。

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。

类模板特化

特化：针对某些特殊类型，进行特殊化处理。

 //类模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>-原模板" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

假如我们有这样一个模板，我们需要了解全特化，偏特化和原模版的区别。

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。

// 全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>- 全特化" << endl; }
};

可以看到T1，T2都被给了明确的类型，这就是全特化。

偏特化

偏特化：也叫半特化，任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

偏特化有以下两种表现方式：

1、部分特化：将模板参数类表中的一部分参数特化。

// 偏特化/半特化
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, int>-偏特化" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

根据上述概念，我们用一些实例进行测试，进一步区分三者区别：

int main()
{
	Data<int, int> d1; //Data<T1, int>-偏特化
	Data<int, char> d2;//Data<int, char>-全特化
	Data<int, double> d3;//Data<T1, T2>-原模版
	return 0;
}

d1由于只有第二个参数符合偏特化，优先调用，d2两个参数类型都符合全特化，先调用准备好的，d3两个参数都与全特化和偏特化不同，只能调用原模板。

2、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。

// 限定模版的类型
// 两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
	Data() { 
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1*, T2*>" << endl << endl;
	}
};

//两个参数偏特化为引用类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2&>
{
public:
	Data()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1&, T2&>" << endl << endl;
	}
private:
};

template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1&, T2*>" << endl << endl;
	}
private:
};

我们依旧用几个例子来看偏特化的区别：

int main()
{
	//int
	//double
	//Data<T1*, T2*>-偏特化
	Data<int*, double*> d4;
	//int
	//int* 
	//Data<T1*, T2*>-偏特化
	Data<int*, int**> d5;
	//int
	//int
	//Data<T1&, T2&>
	Data<int&, int&> d6;
	//int
	//int
	//Data<T1&, T2*>
	Data<int&, int*> d7;
	return 0;
}

虽然模板上为引用或指针，但是模板类型依旧为内置类型，原因是为了处理多种情况而不只是应对指针或者引用。

例如我们要排序一个优先级队列，push的是每个元素的地址，单纯比较无法得出正确答案，因为比较的是元素的地址。这时候就要偏特化出一个指针类型，比较的是指针指向的内容。

模板分离编译

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。简单理解就是.h和.cpp两个文件分别存放定义和声明。

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：

// Func.h
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

void func();

// Func.cpp
#include"Func.h"

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;
	return left + right;
}

void func()
{
	cout << "void func()" << endl;
}

以上声明和定义分离，如果我们要调用add函数模板能够成功吗？

#include"Func.h"

int main()
{
	// 函数模版链接找不到
	Add(1, 2);     // call Z3Addii()
	Add(1.0, 2.0); // call Z3Adddd()
	Add('x', 'y'); // call Z3Addcc()


	// 普通函数可以链接找到
	func();

	return 0;
}

可以看到我们无法使用函数模板，原因有以下几点：

由于模板没有被实例化，add去.h文件中查找，虽然有声明但是没有定义，不知道如何实例化，而.cpp中有定义，但是main函数不会进里面找，不知道实例化成什么，但是func函数由于不要实例化，直接生成地址放在符号表里，需要调用时直接使用即可。

当然应对这种情况也有解决办法，最佳解决方案：不要分离到两个文件，写到一个文件（原理：调用的地方，就有定义，就直接实例化）比如以上的add函数模板，我们把声明和定义都放在.h文件中。

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;
	return left + right;
}

如果是类模板，长的成员函数，声明和定义分离，写到当前文件夹外面，短的直接定义在类里面（声明和定义依旧保证在同一个文件里.h）

另外一种方法是将模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

// Func.cpp
#include"Func.h"

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;
	return left + right;
}

// 显示实例化，这种解决方式很被动，需要不断添加显示实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);

template
double Add(const double& left, const double& right);

void func()
{
	cout << "void func()" << endl;
}

模板总结

优点缺点
模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，STL因此而产生模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
增强了代码的灵活性出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

优点	缺点
模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，STL因此而产生	模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长
增强了代码的灵活性	出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误