【C++】格式与实例化操作——[模板]详解(7)

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前言

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主要内容含:
【C++】格式与实例化操作——[模板]详解(7),YY滴 《C语言系列》,c++,开发语言

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一. 模板参数与模板参数列表

模板参数分类类型形参与非类型形参:

  • 类型形参:出现在模板参数列表中,跟在class(typename)后面的参数类型名称
  • 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

1)模板参数&模板参数列表

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2)非类型模板参数

  • 非类型模板参数主要用于定义一个【静态栈】例如array
  • 要注意非类型模板参数只能用于整型 【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
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// 静态栈
// 非类型模板参数
// 1、常量
// 2、必须是整形
template<class T, size_t N>
class Stack
{
public:
	void func()
	{
		// 常量,不能修改(调用func会报错)
		N = 0;
	}
private:
	T _a[N];
	int _top;
};

二.函数模板

1)函数模板概念

  • 函数模板代表了一个函数家族,该函数模板与类型无关,在使用时被参数化, 根据实参类型产生函数的特定类型版本 ;

2)函数模板的格式

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
//可识别不同的同种类型交换(例:char与char,int与int,double与double)

PS:typename是用来定义模板参数关键字,也可以使用class(切记:不能使用struct代替class) ;

3)函数模板的实例化

引入:

  • 用不同类型的参数使用函数模板时,称为 函数模板的实例化 。模板参数实例化分为: 隐式实例化 显式实例化
  • PS:实例化实现的任务是交给编译器的

1.【隐式实例化】

引入:

  • 隐式实例化的机制是让编译器 根据实参推演模板参数的实际类型 ,而这往往会出现一些问题
  • 适用情况:其交换的两者是同一类
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  • 不适用情况:其交换的两者 不是同一类
template<class T> 
 T Add(const T& left, const T& right) 
 { 
   return left + right;
 }

int main()
 {  
   int a1 = 10;  
   double d1 = 10.0;
   Add(a1, d1); //解决方式:Add(a1, (int)d1);强制类型转换 }
 }

分析:

  • 该语句不能通过编译,因为在编译期间,当编译器看到该实例化时,需要推演其实参类型
  • 通过实参a1将T推演为int类型 ,通过实参d1将T推演为double类型 ,但模板参数列表中只有一个T,
  • 编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错

解决方式:

  • 用户自己强制类型转换Add(a1, (int)d1);
  • 显式实例化

2.【显式实例化 】

显式实例化:在函数名后的<>中 指定 模板参数的实际类型

 int main(void)
  { 
   int a = 10;  
   double b = 20.0;  
    // 显式实例化 
   Add<int>(a, b);  
   return 0;
 }

3.【模板参数的匹配原则 】

  1. 一个非模板函数可以和一个 同名 的函数模板同时存在,而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数
  2. 对于非模板函数和同名函数模板,如果其他条件都相同,在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以 产生一个具有更好匹配的函数, 那么将选择模板
  3. 模板函数不允许自动类型转换 ,但普通函数可以进行自动类型转换

4)函数模板的特化

1.【特化的使用场景】

  • 特化有其使用需求与场景,但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果,比如:实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板
  • 用于比较【整型】【日期类Date】时,可以正常比较,但要用于比较【日期类指针】指向的【日期类】的大小时,需求无法完成
// 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; // success
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // success
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 比较的是指针的大小,需求无法完成
 return 0;
}

2.【特化的步骤】

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 【当传入参数类型是特化类型时,则不走模板生成】
  4. 函数形参列表: 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)
//基础的函数模板
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;                          //步骤1:先有一个基础的函数模板
}

// 对Less函数模板进行特化
template<>                                     //步骤2:关键字template后面接一对空的尖括号
bool Less<Date*>                               //步骤3:函数名后跟一对尖括号,尖括号中指定需要特化的类型
(Date* left, Date* right)                      //步骤4:函数形参列表要和模板函数的基础参数类型完全相同
{ 
return *left < *right;
}

int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl; // success
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // success
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 比较的是指针的大小,需求无法完成
 return 0;
}

3.【结论:函数模板不建议特化】

  • 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;
}

三.类模板

1)类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class xxx//(类模板名)
{
 // 类内成员定义
}; 

2)类模板的实例化

  • 类模板实例化与函数模板实例化不同,类模板实例化需要在类模板名字后跟<>,然后将实例化的类型放在<>中即可 ,类模板名字不是真正的类,而实例化的结果才是真正的类 ;
Vector<int> s1; 
Vector<double> s2; 

3)区分"访问类模板时"用【类型】而非【类名】

【※】类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表;并用"类型"访问;

注意区分:

  • 在类中:类名等同于类型
  • 在类模板中:类型是类型,类名是类名

例如:

  • 在下面代码中,类模板中函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表;在访问类模板时,用的是Vector(类型)而不是Vector(类名);
template<class T>
 class Vector
 { 
 public :
  Vector(size_t capacity = 10)
  : _pData(new T[capacity])
  , _size(0)
  , _capacity(capacity)
  {}
  // 使用析构函数演示:在类中声明,在类外定义。
  ~Vector();
  void PushBack(const T& data)void PopBack()// ...
  size_t Size()
{
   return _size;
}
  T& operator[](size_t pos)
{
   assert(pos < _size);
   return _pData[pos];
}
private:
T* _pData;
size_t _size;
size_t _capacity;
};

// 注意:类模板中的函数放在类外进行定义时,需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()//这里是用类型访问类模板
{
if(_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

4)使用类模板内相关时的注意事项【假设场景:取类模板内的迭代器】

  • 当我们想要实现一个打印任意容器元素的print函数,我们需要遍历容器,于是设置了模板参数Container
  • 如果我们直接写成Container::const_iterator it = v.begin(); 形式,其中的const_iterator可能是静态变量,内部类名等等
  • 所以我们要在前面加上typename,确保编译器能够识别到其是类型,等模板实例化再去找
//template<typename Container>
template<class Container>
void Print(const Container& v)
{
	// 编译不确定Container::const_iterator是类型还是对象
	// typename就是明确告诉编译器这里是类型,等模板实例化再去找
	
	//  Container::const_iterator it = v.begin();  
	typename Container::const_iterator it = v.begin();
	
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

5) 类模板的特化【全特化&偏特化】

[1]简单介绍

  • 全特化即是将模板参数列表中的所有参数都确定化
  • 偏特化即是【任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本】:部分参数确定化,增加限定条件(指针/引用)
  • 特化后的类是新的类不用带上原类所有的成员变量或者函数,编译器会处理这块问题
  • 特化后的类不能独立于原类存在

[2]全特化

template<>
class Data<int, char>

[3]偏特化

  template <typename T1>
  class Data<T1, char>//部分特化——————————>特化的char模板

  template <typename T1, typename T2>
  class Data <T1*, T2*>//两个参数偏特化为指针类型
  class Data <T1&, T2&>//两个参数偏特化为引用类型

  Data<double , int> d1; // 调用特化的char模板
  Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
  Data<int *, int*> d3; //调用特化的指针模板

[4]偏特化运用场景

#include<vector>
#include <algorithm>

template<class T>
struct Less
{
   bool operator()(const T& x, const T& y) const
  {
    return x < y;
  }
};
// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
   bool operator()(Date* x, Date* y) const
  {
    return *x < *y;
   }
};

int main()
{
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 6);
 Date d3(2022, 7, 8);
 vector<Date> v1;

//场景1
 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>());
 //场景2
 vector<Date*> v2;
 v2.push_back(&d1);
 v2.push_back(&d2);
 v2.push_back(&d3);
 // 可以直接排序,结果错误日期还不是升序,而v2中放的地址是升序
 // 此处需要在排序过程中,让sort比较v2中存放地址指向的日期对象
 // 但是走Less模板,sort在排序时实际比较的是v2中指针的地址,因此无法达到预期
 sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());

 return 0;
 }

四. 模板的分离编译报错【声明定义要放在一个源(头)文件中】

1)分离编译模式

  • 定义: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。

2)程序运行步骤简述

  • 要经过:预处理–>编译–>汇编–>链接
  • 编译:对程序进行一些分析&错误检查后生成汇编代码;
  • 头文件不参与编译,编译器对工程中的多个源文件是单独分开编译【把.c文件编译成.obj文件】
  • 链接:将多个obj文件合并成一个,处理没有解决的地址问题

3)报错内容:“无法解析的外部符号”

  • 如下所示:
    【C++】格式与实例化操作——[模板]详解(7),YY滴 《C语言系列》,c++,开发语言

报错原因分析:

  • 由于模板声明和定义是分离的,模板定义部分是在.c文件中,经过编译阶段变成.obj文件
  • 在.c文件中,编译器没有看到到对模板函数的实例化,因此不会生成对应函数
  • 最后编译器在链接阶段会去找函数的地址,但是在上一步中函数没有实例化没有生成具体的代码,因此报错

4)类模板在C++11支持声明定义分离

  • 在 C++中,类模板的声明和定义必须放在一起,因为编译器在编译时需要检查类模板的具体实现。如果将声明和定义分离,编译器就无法检查类模板的具体实现,这将导致编译错误。

  • 在 C++11 中引入了模板具体化 (template specialization 的概念,允许程序员在另一个文件中声明和定义模板的一个特殊版本,但这只适用于模板具体化,对于普通的类模板而言,声明和定义仍然必须放在一起。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-713895.html

到了这里,关于【C++】格式与实例化操作——[模板]详解(7)的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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