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C++之模板进阶

🕗 发布于 2024-12-29 15:45 c++  开发语言  程序人生  考研  学习方法  

文章目录

1. 引言

  • 之前的文章中介绍了模板初阶这一概念，可C++中的模板远没有那么简单，它还有着一些奇特的语法规则和用法，那么在这篇文章中，将进一步对模板进行学习。
  • 主要内容为：(1) 非类型模板参数 (2) 模板的特化 (3) 模板的分离编译。

2. 非类型模板参数

2.1 概念及使用

  • 模板参数分为类型形参与非类型形参。
  • 类型形参即：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename关键字之后的参数类型名称。
template<class T>//只有类型形参
T Add(const T& t1, const T& t2)
{
return t1 + t2;
}
  • 非类型形参即：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。

注意：

  1. 非类型模板参数只支持整型家族，如：int，char，bool等。
  2. 浮点数(C++20之后才可以支持)、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
  3. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

用非类型形参定义一个静态数组类

template<class T,size_t N = 10>//既有非类型也有类型形参
class Array
{
public:
T& operator[](size_t pos) { return a[pos]; }
size_t size() { return N; }
private:
T a[N];
};

为什么C++要引入非类型模板参数呢？其实观察上述代码不难发现，我们在类模板定义的时候，有时需要用到一个常量去完成一些特殊的工作，并在实例化对象时，想要自由传递这个常量的值。

2.2 与#define定义宏的对比

  • 我们知道#define定义宏也可以定义一个常量，那为什么还要在类模板定义时弄个非类型模板参数去指定常量呢？

我们这里用宏和非类型模板参数分别定义两个静态数组类，来看看它们的区别

template<class T,size_t N = 10>
class Array1
{
public:
T& operator[](size_t pos) { return a[pos]; }
size_t size() { return N; }
private:
T a[N];
};
#define N 10
template<class T>
class Array2
{
public:
T& operator[](size_t pos) { return a[pos]; }
size_t size() { return N; }
private:
T a[N];
};
void main()
{
Array1<size_t, 20> a1;
Array2<size_t> a2;
cout << a1.size() << endl;//输出20
cout << a2.size() << endl;//输出10
Array1<size_t, 100> a3;
Array2<size_t> a4;
cout << a3.size() << endl;//输出100
cout << a4.size() << endl;//输出10
}

在这里插入图片描述
显然从上述代码来看，无论我们怎么用Array2去实例化对象，这个静态数组对象的大小只能是宏定义的值，但我们用Array1去实例化对象，只要我们在传递模板参数时，对非类型模板参数传递不同的值，就能实例化出不同的大小的静态数组对象。

总结来看：用宏来实现这里的类模板，会把某部分写死，导致实例化出来的对象不具有可变性，各个对象之间千篇一律，但用非类型模板参数来定义类模板时，只要传递不同的值，就能实例化出不同的对象，这种更能体现出模板实现泛型编程的功能。

3. 模板的特化

3.1 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情况下可能会得到一些错误的结果，这时就需要特殊处理。

比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

template<class T>
bool Less(T t1, T t2)
{
return t1 < t2;
}
void test2()
{
string s1("hello");
string s2("abcde");
cout << Less(s1, s2) << endl;//预期输出0，结果输出0
string* ps1 = &s1;
string* ps2 = &s2;
cout << Less(ps1, ps2) << endl;//预期输出0，结果输出1
}

在这里插入图片描述
按理来说，根据字典序进行比较，两个结果都应该是0才对，可为什么结果会不一样呢？进一步分析可知：

  • 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，ps1指向的s1显然小于ps2指向的s2对象，但是Less内部并没有比较ps1和ps2指向的对象内容，而比较的是ps1和ps2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。

3.2 函数模板特化

函数模板的特化步骤：

  1. 必须要先有一个基础的函数模板
  2. 特化部分是关键字template后面接一对空的尖括号<>
  3. 特化部分的函数名后跟一对尖括号,尖括号中指定需要特化的类型
  4. 特化部分的函数形参表: 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>//基础函数模板
bool Less(T t1, T t2)
{
return t1 < t2;
}
template<>//函数模板的特化
bool Less<string*>(string* ps1, string* ps2)
{
return *ps1 < *ps2;
}
void test2()
{
string s1("hello");
string s2("abcde");
cout << Less(s1, s2) << endl;//预期输出0,结果输出0
string* ps1 = &s1;
string* ps2 = &s2;
cout << Less(ps1, ps2) << endl;//预期输出0,结果输出0
}

在这里插入图片描述
这样通过函数模板的特化，就能处理上面示例中的错误，从而输出正确结果。

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。因为对于一些参数类型复杂的函数模板，进行特化往往可读性差，且不易书写，不进行特化反而具体给出则是一种更好的代码书写方式(如下所示)，因此函数模板不建议特化。

bool Less(string* ps1, string* ps2)//具体给出，更推荐使用这种
{
return *ps1 < *ps2;
}

3.3 类模板特化

类模板的特化步骤：

  1. 必须要先有一个基础的类模板
  2. 全特化部分是关键字template后面接一对空的尖括号<>，而偏特化(也叫半特化)部分的关键字template后面接一对非空尖括号，其内非空内容即为不需要特化的推导类型
  3. 特化部分的类名后跟一对尖括号,尖括号中指定需要特化的类型
  4. 特化部分中对基础类模板中的需要推导的类型要与指定的特化类型一一对应，即全特化就全部对应，偏特化就部分对应

3.3.1 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。如下所示：
template<class T1, class T2>//基础类模板
struct A
{
A() { cout << "A<class T1, class T2>" << endl; }
T1 a;
T2 b;
};
template<>
struct A<int, char>//全特化
{
A() { cout << "A<int, char>" << endl; }
int a;
char b;
};
void test3()
{
A<double, double> a1;
A<int, char> a2;
}

在这里插入图片描述

3.3.2 偏特化(也称半特化)

  • 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。

偏特化有两种表现形式：
(1) 部分特化：将模板参数列表中的一部分参数特化。如下所示：

template<class T1,class T2,class T3>//基础类模板
struct B
{
B() { cout << "B<class T1,class T2,class T3>" << endl; }
T1 a;
T2 b;
T3 c;
};
template<class T1,class T3>
struct B<T1, int, T3>//偏特化的部分特化,只要第二个模板参数传int，就走这个，否则就走基础类模板
{
B() { cout << "B<class T1, int ,class T3>" << endl; }
T1 a;
int b;
T3 c;
};
void test4()
{
B<double, double,double> b1;
B<double, char,int> b2;
B<double, int, double> b3;
B<double, int, char> b4;
}

在这里插入图片描述
(2) 参数更进一步的限制的特化(只针对指针和引用类型)。如下所示：

template<class T1,class T2>//基础类模板
struct C
{
C() { cout << "C<class T1,class T2>  "; }
T1 a;
T2 b;
void PrintType() { cout << typeid(T1).name() << " " << typeid(T2).name() << endl; }
};
template<class T1,class T2>
//偏特化的参数更进一步的限制---两个参数偏特化为指针类型
struct C<T1*, T2*>
{
C() { cout << "C<T1*, T2*>  "; }
T1 a;
T2 b;
void PrintType() { cout << typeid(T1).name() << " " << typeid(T2).name() << endl; }
};
template<class T1, class T2>
//偏特化的参数更进一步的限制---两个参数偏特化为引用类型
struct C<T1&, T2&>
{
C() { cout << "C<T1&, T2&>  "; }
T1 a;
T2 b;
void PrintType() { cout << typeid(T1).name() << " " << typeid(T2).name() << endl; }
};
void test5()
{
C<double, double> c1; c1.PrintType();
C<double*, double*> c2; c2.PrintType();
C<double&, double&> c3; c3.PrintType();
}

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(如指针和引用类型)所设计出来的一个特化版本。但这种偏特化，推导出来的类型都是普通类型。

在这里插入图片描述

3.3.3 类模板特化应用示例

我们以日期类为例，要求利用类模板偏特化，解决传递Date类型和Date*类型时，排序后输出结果不一致问题，要求按日期升序排序并输出。

struct Date
{
friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
Date(int y = 0, int m = 0, int d = 0) 
:year(y), month(m), day(d) {}
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);
}
int year;int month;int day;
};
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
out << d.year << "-" << d.month << "-" << d.day;
return out;
}
void Print(const vector<Date>& t)//打印Date类型
{
for (auto& e : t)
cout << e << endl;
}
void Print(const vector<Date*>& t)//打印Date*类型
{
for (auto& e : t)
cout << *e << endl;
}
template<class T>
struct Less
{
bool operator()(const T x, const T y) const {
return x < y;
}
};
void test6()
{
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 6);
Date d3(2022, 7, 8);
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>());
Print(v1); cout << endl;
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
// 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*>());
Print(v2); cout << endl;
}

在这里插入图片描述
对上述代码进行改造，利用类模板偏特化中的参数更进一步的限制的特化，加入如下代码。

template<class T>
struct Less<T*>
{
bool operator()(const T* x, const T* y) const {
return *x < *y;
}
};

输出正确结果如下：
在这里插入图片描述

4. 模板的分离编译(了解)

概况来说：模板的分离编译在编写代码过程中是不会被编译器所检查出来的，只有在运行程序前的编译链接过程，编译器才会报出链接错误。

解决方法

  1. 将声明和定义放到一个文件 “xxx.cpp” 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
  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。

4.1 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。

4.2 模板的分离编译

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：

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

分析：

在这里插入图片描述

5. 模板总结

【优点】

  1. 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
  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
  2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

模板是泛型编程的基础，它的出现才让C++这个面向对象的编程真正出现在大众视野里面，并被大众所广泛接受。总的来说模板的优点是大于缺陷的。


原文地址：https://blog.csdn.net/2401_84420653/article/details/144773273

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