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【C++】模板:非类型模板参数、类模板的特化、模板的分离编译

目录

一、非类型模板参数

1.1 非类型模板参数的介绍

1.2 常见的非类型参数使用场景

二、模板的特化

2.1 特化的概念

2.2 函数模板的特化

2.3 类模板的特化

2.3.1 全特化

2.3.2 偏特化

 2.4 类模板特化实例

三、模板的分离编译

3.1 分离编译的概念

3.2 模板分离编译的实现

四、模板总结


在之前的学习中,我们简单了解了类模板和函数的格式和实例化,以及模板的原理,现在来更深入学习模板的相关知识:

一、非类型模板参数

1.1 非类型模板参数的介绍

C++中的模板除了可以使用类型参数外,还可以使用非类型参数

  • 类型参数是指模板参数列表中,定义在class 或typename之后的参数名。
  • 非类型参数是指模板中可以接受常量表达式作为实参的参数,这些参数可以是整数、布尔值、指针或者引用等数据类型。

定义非类型参数的语法格式如下:

template <typename T, int N>
class MyArray {
    // 类模板实现
};

template <typename T, int N = 10>
class MyArray {
    // 类模板实现
};

其中 T 是 类型参数,N 是非类型参数。在实例化模板时,需要给这个参数传递一个常量表达式作为参数,例如 myArray<int, 5>。

1.2 常见的非类型参数使用场景

  1. 数组长度:可以使用非类型参数指定数组的长度。
    template <typename T, int N = 10> //只支持整型
    class MyArray {
    public:
        MyArray()
        {}
        T& operator[](int i)
        {
            return _arr[i];
        }
        const T& operator[](int i)const
        {
            return _arr[i];
        }
    private:
        T _arr[N];
    };
    
    void Test1() {
        MyArray<int, 5> a;//N赋值5,若不赋值N就是缺省值10
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            a[i] = i;
        }
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            cout << a[i] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
  2. 枚举类型:枚举类型的值被视为常量表达式,因此可以作为非类型参数。
    template <typename T, T val>
    class MyValue {
    public:
        MyValue()
            : _value(val) 
        {}
        T Get() const 
        { 
            return _value; 
        }
    private:
        T _value;
    };
    
    void Test2() {
        enum class Color { Red, Green, Blue };
        MyValue<Color, Color::Red> v;
        cout << static_cast<int>(v.Get()) << endl; // 输出 0
    }

注:

  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. 非类型的模板参数必须在编译时就能确认结果。

二、模板的特化

2.1 特化的概念

在C++中,模板特化是一种机制,允许为特定的类型或参数提供定制化的实现。当通用的模板无法满足特定类型或参数的需求时,可以使用模板特化来提供特定的实现。

例如我们可以设置一个用来进行小于的函数模板,int、double类型可以很好的运算,但是在其他特殊场景下就可能得到错误的结果,比如比较日期或其他自定类型。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
    return left < right;
}
void Test2()
{
    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
}

 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类模板特化。

2.2 函数模板的特化

函数模板的特化步骤:

  1. 前提: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。
//函数模板特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
    return *left < *right;
}

此时 Less(p1, p2) 函数不走模板生成的,而是调用更匹配的特化后的版本。

注: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,编译器会使用最匹配的版本。

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

使用这种方法实现简单明了,容易书写,可读性也更高, 所以对于一些参数类型复杂的函数模板,不建议使用特化,而是使用函数重载。

2.3 类模板的特化

2.3.1 全特化

全特化是指为模板参数列表中所有的参数提供完全特定的实现。

template <class T1, class T2>
class A
{
public:
    A()
    {
        cout << "A<T1, T2>" << endl;
    }
private:
    T1 _t1;
    T2 _t2;
};

template <>
class A<int, char>
{
public:
    A()
    {
        cout << "A<int, char>" << endl;
    }
private:
    int _i1;
    char _c2;
};

void Test3()
{
    A<int, int> a1;
    A<int, char> a2;
}

2.3.2 偏特化

偏特化是指为模板参数列表的一部分参数进一步进行条件限制

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。
    template <class T1>
    class A<T1, char>
    {
    public:
        A()
        {
            cout << "A<T1, char>" << endl;
        }
    private:
        T1 _t1;
        char _c2;
    };
    
    void Test3()
    {
        A<int, int> a1;
        A<int, char> a2;
        A<char, char> a3; //打印 A<T1, char>
    }

  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。
    template <class T1, class T2>
    class A<T1*, T2*>
    {
    public:
        A()
        {
            cout << "A<T1*, T2*>" << endl;
        }
    private:
        T1* _t1;
        T2* _t2;
    };
    template <class T1, class T2>
    class A<T1&, T2&>
    {
    public:
        A(const T1& t1, const T2& t2)
            :_t1(t1)
            ,_t2(t2)
        {
            cout << "A<T1&, T2&>" << endl;
        }
    private:
        const T1& _t1;
        const T2& _t2;
    };
    
    
    void Test3()
    {
        A<int, int> a1;
        A<int, char> a2;
        A<char, char> a3;
    
        A<int*, int*> a4;
        A<int&, int&> a5(5, 5);
    }

 注:

  • 模板特化只能在命名空间范围内进行,而不能在函数内部进行。
  • 模板特化可以与模板重载结合使用,以提供更多的灵活性。
  • 特化应该谨慎使用,因为过多的特化可能导致代码复杂性增加并降低可读性。

 2.4 类模板特化实例

#include <vector>
#include <algorithm>

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

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

void Test4()
{
    Date d1(2023, 10, 1);
    Date d2(2023, 10, 2);
    Date d3(2023, 10, 3);
    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>());
    for (auto x : v1)
    {
        cout << x;
    }
    cout << endl;

    vector<Date*> v2;
    v2.push_back(&d1);
    v2.push_back(&d2);
    v2.push_back(&d3);
    sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());
    for (auto x : v2)
    {
        cout << *x;
    }
}

如果没有对 Date* 的类模板特化,存放地址的 v2 就会按照地址大小排序,无法达到预期结果。特化之后,在运行上述代码,就可以得到正确的结果。

三、模板的分离编译

3.1 分离编译的概念

  • 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。
  • 模板分离编译是将模板的声明和定义分离,以减少编译时间和二进制文件大小。

3.2 模板分离编译的实现

 以下代码会出错:a.h 存放模板的声明,a.cpp 存放模板的实现,test.cpp模板实例化。

// 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;
}

// test.cpp
#include"a.h"
int main()
{
 Add(1, 2);
 Add(1.0, 2.0);
 
 return 0;
}

原因:

  • C++程序运行需要经历预处理、编译、汇编、链接四个步骤,其中编译时头文件不参与编译,多个源文件分离开单独编译,直到链接时才将多个编译后的文件合并成一个。
  • 由于编译器遇到模板定义时并不生成实际的函数或类代码,需要一个实例化的过程,所以test.cpp中Add函数的符号表里没有确切的地址,需要连接器调用,链接时a.cpp生成的.obj文件符号表里面也没有Add函数的地址(因为没有实例化),所以链接时报错。
  • C++编译器为什么不支持类模板的分离式编译_支持类模板编译器-CSDN博客

解决方法:

  1. 将声明和定义放到一个文件里面。推荐使用这种。
    这样可以确保在使用模板时,编译器可以直接访问到模板的定义,避免了链接错误。
  2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用,不推荐使用。
    // template.h 
    template <typename T>
    class MyClass {
        // 模板的定义
    };
    
    // template.cpp 
    template class MyClass<int>;  // 显式实例化 MyClass<int>
    
    // main.cpp
    #include "template.h"
    
    int main() {
        MyClass<int> obj;  // 不再进行模板的实例化,而是使用显式实例化的代码
        // ...
        return 0;
    }
    
  3. 一个文件取名后缀为.hpp   说明文件里面大概率有模板,且声明和定义在同一个文件

四、模板总结

【优点】

  1. 模板实现代码的复用,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(需要实例化,每个实例化生成独立的代码)
  2. 出现模板编译错误时,错误信息非常凌乱,不易定位错误。
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