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C++ - 模板进阶

ds 2025/7/26 13:51:02

一、非类型模板参数

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 或者 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)模板中可将该参数当成常 量来使用。
注意：
1. 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。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
3. 类型形参和非类型形参都可以给缺省值。

非类型形参有什么用？

用宏定义的N 实现的静态栈对比：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;#define N 20template<class T>
class Stack
{
private:T _a[N];int _top;
};int main()
{Stack<int> st1;  //20 return 0;
}

此时建立的Stack 的大小只能为N ， N如果为 20 ，仅能建立大小为 20 的静态栈。如果借助非类型形参， 则静态栈建立的大小就变得灵活了 。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;template<class T,size_t N>
class Stack
{
private:T _a[N];int _top;
};int main()
{Stack<int,20> st1;  //20 Stack<int, 2000> st2;   //2000return 0;
}

非类型的形参一般来说，给整型常量，其他的可能不支持，浮点常量在C++20支持。

二、模板的特化

2.1 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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}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);}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);}friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}// 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。

2.2 函数模板特化

函数模板特化的步骤：

必须要有一个基础的函数模板
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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}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);}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);}friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
// 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 : 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函数直接给出。

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

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 ，特化时会比较复杂。 因此函数模板不建议特化。

2.3 类模板特化

2.3.1 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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}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);}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);}friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}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;
}

2.3.2 偏特化

1）任何针对模版参数进一步进行 条件限制 设计的特化版本。：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:T1 _d1;T2 _d2;
};//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 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); // 调用特化的指针版本
}

2）部分特化：将模板参数类表中的 一部分参数 特化

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

三、模板分离编译

3.1 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 。

3.2 模板的分离编译

模板的声明和定义不分离！！！

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;
}