【C++】模板进阶—非类型模板参数、模板特化及模板的分离编译-Toy模板网

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非类型模板参数

模板参数可分为类型形参和非类型形参。
类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或typename关键字之后的参数类型名称。
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。

我们可以使用define定义一个宏常量，使用宏常量定义一个定长数组：

#include <iostream>
using namespace std;
#define N 10
template<class T>
class Arr {
private:
	T _arr[N];
};
int main()
{
	Arr<int> a1;
	Arr<double> d1;
	return 0;
}

但是当我们想让a1的空间为10，d1的空间为20的时候，依靠宏常量是无法办到的，这个和之前typedef重定义类型一样，只能typedef一次，所以我们可以使用非类型模板参数来达到需求。

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T,size_t N = 10>
class Arr {
private:
	T _arr[N];
};
int main()
{
	Arr<int,10> a1;
	Arr<double,20> d1;
	return 0;
}

同样的，非类型模板参数也可以给缺省值：template<class T, size_t N = 10>。

非类型模板参数只能是整形常量（char、bool和int等）。常量就是不可修改，主要是想让他做数组的大小或者是简单的标识。

template <class T ,bool flag = true>
void func(const T& a)
{

}

注意：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。

C++11里搞了一个新容器array：一个静态数组（固定大小的顺序容器），包含在头文件<array>中。

【C++】模板进阶—非类型模板参数、模板特化及模板的分离编译,C++,c++,开发语言,后端

对标的是C语言的静态数组。这个容器没有初始化（随机值），他真正的优势是越界的检查更严格，C语言中的静态数组是抽查，而对于array容器来说，读写全面检查，访问的位置必须合法。

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
int main()
{
	int a1[10];
	array<int, 10> a2;
	a2[5]++;

	a1[10];//不报错
	//a1[10] = 10;//报错
	a1[15] = 10;//不报错

	a1[10];//报错
	a1[15] = 10;//报错
    return 0;
}

但是平时不会去用array容器，因为有vector容器。相比array是在栈上，而vector是在堆上。

模板特化

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
    
    //假设日期类中已经实现了<运算符重载
    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绝大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即在特化之前已经定义了一个函数模板
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。

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

//函数模板特化
//对Less函数进行函数模板特化
template<>
bool Less<int*>(int* left, int* right)
{
	return *left < *right;
}

当我们实现了函数模板特化之后，直接调用函数模板特化，就不用再进行函数模板生成了。

#include <iostream>
using namespace std;
//函数模板：参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
//函数模板特化
//对Less函数进行函数模板特化，特化为int*
template<>
bool Less<int*>(int* left, int* right)
{
	return *left < *right;
}
int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;//输出1
	int a = 20;
	int b = 10;
	cout << Less(&a, &b) << endl;//调用特化函数模板
}

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。即上面的函数模板特化可以直接写成函数：

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

使用函数实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别给出（或者通过函数实现），因此函数模板不建议特化。

类模板特化

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，全特化必须在原模板的基础之上。

实现全特化后，有和全特化类型匹配的优先调用全特化类模板。

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

如下我们将上面的类全特化为两个int类型：

#include <iostream>
using namespace std;
//类模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

//全特化-特化为int和double
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
private:
	int _d1;
	double _d2;
};

int main()
{
	Data<int, int> d1;//调用全特化为int的类模板
	Data<int, double> d2;//调用全特化为int和double的类模板
	Data<int,char> d2;//调用未特化的类模板，类模板实例化
    return 0;
}

打印结果：

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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。

偏特化不针对具体的类型，针对泛类。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;
    T2 _d2;
};

//偏特化-进一步限制为引用类型
//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;
};

测试：

int main()
{
	Data<int, char> d1;//调用未特化的类模板，类模板实例化
	Data<char,int> d2;//调用偏特化第二个参数为int的类
	Data<int*, int*> d3;//调用偏特化进一步限制为指针的类
	Data<int&, int&> d4(4,5);//调用偏特化进一步限制为引用的类
}

打印结果：

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类实例化时优先级：全特化 > 偏特化 > 类模板参数。

模板的分离编译

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。

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：

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但是当我们运行的时候报错，发生链接错误：

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我们知道程序要运行起来要经过下面四个步骤：

预处理：头文件的展开，宏替换，条件的编译，去掉注释…… 生成Func.i和main.i文件，.h文件被展开了，所以此时没有.h文件

编译：检查语法，生成汇编代码…… 生成Func.s和main.s文件

汇编：将汇编代码转换二进制机器码生成Func.o和main.o

链接：合并生成可执行文件。

Func.i生成Func.o的时候，生成一堆汇编指令，但是只能生成func函数的指令，生不成Add函数的指令。

func会被编译成一堆指令，所以在Func.o中有func函数的地址，但是没有Add的地址，因为Add没有实例化（编译器没有看到对Add模板函数的实例化，因此不会生成具体的加法函数），没办法确定T。

main.cpp文件中有声明，所以能够通过编译，但是生成的符号表中Add函数的地址未给出，而Func.cpp生成的符号表中有func函数的地址，但Add函数的地址也未给出，编译器在链接时才会从两个文件的符号表中找对应的地址，但是这个模板函数没有实例化没有生成具体的代码，因此找不到Add的地址，所以链接时报错。

解决方法：

1、可以在.cpp定义的时候显示示例化，但是只能在int类型时使用，显示实例化带有局限性一般不采用。

//Func.cpp文件
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
//显式实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);

2、可以声明和定义分离，但是要在同一个文件中

//Func.h文件
//声明
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

//定义
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}