42 模板进阶

一、非类型形参

（一）简介

（二）非类型形参与宏的区别

（三）注意点

二、模板的特化

（一）概念

（二）函数模板的特化

（三）类模板的特化

1、全特化

2、偏特化

（1）部分特化

（2）类型限制

三、模板分离编译

（一）编译过程

四、模板总结

（一）优点

（二）缺点

一、非类型形参

（一）简介

模板参数分类类型形参与非类型形参。

① 类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

② 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，也可以给一个缺省值。

示例代码如下：

template<class T, size_t N = 10>
class Stack
{
private:
    T _a[N];
    int _top;
};

int main()
{
    Stack<int> st0;
    Stack<int, 20> st1;
    Stack<int, 2000> st2;
    return 0;
}

（二）非类型形参与宏的区别

先看一段宏的示例代码：

#define N 10
template<class T>
class Stack
{
private:
    T _a[N];
    int _top;
};

int main()
{
    Stack<int> st1;
    Stack<int> st2;
    return 0;
}

若想在以上的代码中实例化一个数组大小为20与数组大小为2000的栈是做不到的，因为宏已经定好了大小，不可改变；而非类型形参可以根据传入参数的大小来灵活改变。

（三）注意点

① 只能使用整形做非类型模板参数。浮点型要c++20才支持，但始终不支持类类型。

② 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

③ 在deque与array（静态数组类类型）中的类模板参数中有使用非类型模板参数。array（静态数组类类型）对象与数组进行对比，array（静态数组类类型）对象对越界读非常敏感（但实际没什么用，使用vector也能实现）。

二、模板的特化

（一）概念

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。

// 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
    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，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。

（二）函数模板的特化

函数模板的特化相当于创建一份特殊参数对应的函数，直接调用。

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 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。

示例代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;

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

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{}

	bool operator<(Date& d)
	{
		if (_year < d._year)
			return true;
		else if (_year == d._year && _month < d._month)
			return true;
		else if (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day)
			return true;
		else
			return false;
	}

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

// 对Less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; // 调用特化之后的版本，而不走模板生成了
	return 0;
}

注意：

不建议用特化，在一些情况下会变得复杂。如下代码所示：

因为特化后的函数模板要对应原模板中的参数，尤其是在使用const的时候，原模板使用const是修饰传入的参数，但直接把原参数换为指针，若不修改const的位置，就会直接修饰指针指向的内容，而不是指针本身，这样就违背了原模板的初衷，导致编译不过，容易混淆。如下改正则正确：

所以对于传了内容的指针但是想用内容进行比较的情况，直接写一个接收指针然后解引用后进行比较的函数即可（类似函数重载）。如下代码所示：

该种实现简单明了，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，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

（三）类模板的特化

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。如下代码所示：

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

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;
}

2、偏特化

（1）部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化。如下代码所示：

// 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;
};

若全特化的参数与偏特化的部分特化的参数匹配，则会走全特化，因为对应的参数多。

（2）类型限制

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。

如下代码所示：

//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;
};

//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 test()
{
	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); // 调用特化的指针版本
}

注意：

① 特化类的参数类型还是T。

② 类模板的特化在某些场景常用，但函数模板的特化不建议用。

三、模板分离编译

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。如以下示例：

// 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;
}

但模板的声明与定义在不同文件进行编译时会报错，这与模板的特性有关系。

接下来分析为什么会报错：

（一）编译过程

cpp文件一开始为：a.h a.cpp test.cpp

① 预处理：展开头文件，条件编译，宏替换，去掉注释...

文件变成：a.i（a.h在a.cpp中展开了，没有了） test.i

② 编译：检查语法（出现错误就是语法错误，也叫编译错误），生成汇编代码。

文件变成：a.s test.s

在函数定义的a.s文件中，一段函数体中的代码就生成一段汇编代码（函数地址本质是一串指令，某种程度上函数地址就是第一句汇编指令的地址，与数组地址类似），在函数调用的地方即test.s文件中就是 call 一个函数地址，但这个地址是不知道的，因为声明与定义分离了（没有函数的实现代码就没有函数地址），只与本文件test.s的声明进行一个参数检查，先通过编译（相当于一个承诺），不会去a.s文件找地址，因为编译时文件是单对单编译的，只有在链接时再找函数地址。（更详细来讲，会生成一个符号表来记录函数的地址，等链接的时候再填入call的地方就OK了）

③ 汇编：把汇编代码转换二进制的机器码。

文件变成：a.o test.o

④ 链接：把文件合并在一起，并且没有确定地址的函数要进行确认地址等工作，最终生成可执行程序。

链接错误是指在符号表中找到了一部分函数的地址并给了call，但是另一部分的函数地址找不到。（只声明但未定义，可以理解为许下了承诺但未兑现）

但为什么普通函数可以声明定义分离编译成功但模板不行？因为函数可以直接调用定义的函数，但函数模板不能直接调用模板，因为还没经过实例化。

因为模板中：test.i中知道Add需要实例化成int和double各一份Add函数，但是他只有声明没有定义，a.i中有Add的定义，但是不知道要实例化模板成什么类型。而函数不需要实例化，可以直接调用。

⑤ 解决：

方案一：显示实例化（在定义的地方实例化）

缺陷：新增几个类型就要实例化几次，非常麻烦，不好用。

方案二：声明和定义不要分离到两个文件，这样就不存在链接时需要找函数地址的问题。