C++ -- 模板进阶

非模板类型参数

模板参数分为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 或 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)模板中将该参数当成常量来使用。如果我们想定义一个静态数组的类模板，就可以使用非类型形参，示例如下：

namespace zy
{
	//定义一个模板类型的静态数组
	template<class T, size_t N = 10>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index)
		{
			return _array[index];
		}
		const T& operator[](size_t index) const
		{
			return _array[index];
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		bool empty() const
		{
			return 0 == _size;
		}
	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

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间就能确认结果。

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。代码如下：

class Date
{
public:
	//全缺省的构造函数
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
	{
		_year = year;
		_month = month;
		_day = day;
	}
	Date& operator<(const Date& d);

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};



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;
}

我们使用了之前练习过的日期类来演示，可以看到Less大多数情况下可以正常比较，但在特殊场景下得到的却是错误的结果。上述示例中，p1指向的是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，而是比较的p1和p2指针的地址，这就无法达到预期的内容比较。

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。模板特化中分函数模板特化和类模板特化。

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后面接一堆空的尖括号<>。
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。

代码演示：

//函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
//对Less的函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}


int main()
{
	cout << Less(1, 2) << endl;

	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; // 调用特化后的版本，而不走模板生成新实例了。
	return 0;
}

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，通常都是该函数直接给出。如下：

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

这种实现不仅简单明了，而且代码的可读性高、容易书写。因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时需要特别给出，没有函数简洁，因此函数模板并不建议特化。

类模板特化

全特化

全特化即将模板参数列表中所有的参数都确定化。

// 类模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public :
	Data() 
	{
		cout << "Data<T1, T2>" << endl; 
	}
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
// 类模板的全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public :
	Data()
	{ 
		cout << "Data<int, char>" << endl; 
	}
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
void TestVector()
{
	Data<int, int> d1;
	Data<int, char> d2;
}

int main()
{
	TestVector();
	return 0;
}

偏特化

偏特化：对模板部分参数进行特化或对参数进一步进行条件限制设计的版本。示例如下：

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。
参数更进一步的限制

代码如下：

// 将第二个参数特化为int(部分特化)
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public :
	Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};


//两个参数偏特化为指针类型(更进一步的条件限制)
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public :
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};
//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;
};
void test2()
{
	Data<double, int> d1; // 调用特化的int版本
	Data<int, double> d2; // 调用基础的模板
	Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本
	Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的引用版本
}

类模板特化应用实例

#include<vector>
#include<algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& 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;
	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>());
	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;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为：sort最终按照Less模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

// 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;
    }
};

模板分离编译模式

介绍

一个程序/项目由若干源文件共同实现，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。

过程

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;
}