【C++】模板进阶

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前言

在这篇博文中，作者会讲解C++模板的进阶内容，对模板初阶内容不熟悉的可以看一下以下这篇博文：
【C++】模板初阶

一. 非类型模板参数

模板参数分为：类型形参和非类型形参。

• 类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之后的参数类型名称。
• 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。

template<class T, size_t N = 10> //T为类型形参，N为非类型形参

在Stack类中，每次实例化出来的对象都只能存10个数据，如果我想要第一个对象存20个数据，第二个对象存100个数据，这就非常不好办了。

template<class T>
class Stack {
private:T a[10];size_t top;
};

这个时候就得使用非类型模板参数了，每次实例化对象时再传一个常量代表存储数据的个数即可。

template<class T,size_t N = 10> //用N替代数组的大小
class Stack {
private:T a[N];size_t top;
};

//实例化出存储数据个数不同的两个Stack对象
Stack<int, 20> st1;
Stack<int, 100> st2;

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。（C++20支持double类型）
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。（也就是必须显示传参或者有缺省参数）

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。

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 T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}void Test()
{Date d1(2025, 4, 1);Date d2(2025, 3, 1);cout << Less(d1, d2) << endl;Date* p1 = &d1;Date* p2 = &d2;cout << Less(p1, p2) << endl;
}

通过运行结果可以看到，Less在绝大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显然大于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：在原模版类的基础上，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。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}

第二个Less函数就调用特化之后的版本，而不走模板生成了。

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;
}

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。

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化

概念：全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data() {cout << "Data<T1,T2>" << endl;}
private:T1 _a;T2 _b;
};//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:Data() {cout << "Data<int,char>" << endl;}
private:int _a;char _b;
};

测试：

void Test()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;
}

2.3.2 偏特化

概念：任何针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如对于以下模板类：

偏特化有以下两种表现方式：

• 部分特化：将模板参数列表中的一部分参数特化。

//偏特化
//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 _a;int _b;
};//将第一个参数特化为char
template<class T2>
class Data<char, T2>
{
public:Data() {cout << "Data<char,T2>" << endl;}
private:char _a;T2 _b;
};

测试：

void Test()
{Data<double, int> d1;Data<char, double> d2;
}

• 参数更进一步的限制：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。

//将两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:Data() {cout << "Data<T1*,T2*>" << endl;}
private:T1* _a;T2* _b;
};//将两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:Data(const T1& a, const T2& b):_a(a),_b(b){cout << "Data<T1&,T2&>" << endl;}
private:const T1& _a;const T2& _b;
};

测试：

void Test()
{Data<char, char> d1; //调用偏特化的char版本Data<int, double> d2; //调用基础的模板Data<int*, int*> d5; //调用特化的指针版本Data<int&, int&> d6(1, 2); //调用特化的引用版本
}

2.3.3 类模板特化应用示例

创建一个结构体LessDate，用来比较Date对象，再创建一个偏特化版本的LessDate类模板，用来比较Date对象指针的（比较的不是指针，而是指针所指向的对象）。

template<class T>
struct LessDate {//注意：const修饰的是left和right本身bool operator()(const T& left, const T& right) const{return left < right;}
};template<>
struct LessDate<Date*> {//特别注意：const修饰的是left和right本身，而不是它们所指向的对象，因为要和主模板保持一致bool operator()(Date* const& left, Date* const& right) const{return *left < *right;}
};

测试：

void Test()
{Date d1(2025, 1, 1);Date d2(2025, 2, 1);Date d3(2025, 3, 1);Date d4(2025, 4, 1);vector<Date> v;v.push_back(d1);v.push_back(d2);v.push_back(d3);v.push_back(d4);sort(v.begin(), v.end(), LessDate<Date>());for (auto& e : v){cout << e << endl;}cout << endl;vector<Date*> vv;vv.push_back(new Date(2025, 3, 1));vv.push_back(new Date(2025, 4, 1));vv.push_back(new Date(2025, 1, 1));vv.push_back(new Date(2025, 2, 1));sort(vv.begin(), vv.end(), LessDate<Date*>()); //调用偏特化版本for (auto& e : vv){cout << *e << endl;}cout << endl;
}

三. 模板分离编译

3.1 什么是分离编译

概念：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

假如有以下场景，模板的声明与定义分离开，在头文件进行声明，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;
}

程序报了链接错误。

原因：

C++程序运行一般要经过四个步骤：预处理——>编译——>汇编——>链接

比如有 func.h、func.cpp、main.cpp 三个文件：

• 预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、去掉注释等等。
  func.h、func.cpp、main.cpp -> func.i、main.i
• 编译：语法检查，函数实例化，生成汇编 .s 文件(生成汇编代码)（注意：头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是分离开单独编译的）。
  func.i、main.i -> func.s、main.s
• 汇编：把汇编代码转成二进制机器码（CPU是不认识汇编代码的），生成 .o 目标文件。
  func.s、main.s -> func.o、main.o
• 链接：将多个 .o 目标文件合并成一个可执行目标文件，并处理没有解决的地址问题（把 main.o 里面调用函数但没有函数地址的地方，拿函数名去其它目标文件 func.o 中找，找到以后填上，替换原来的“虚假”地址，再把目标文件合并到一起，生成可执行文件）
  func.o、main.o -> a.out

注意：声明与定义分离编译的函数没有函数地址，声明和定义未分离编译的函数是有函数地址的。

分析：
在main.cpp文件中调用了Add函数，但是编译器不知道函数模板的定义，只能寄希望于链接器，希望它能够在目标文件a.o中找到Add函数的实例(地址)，而在目标文件a.o中找不到Add函数的二进制代码，所以报链接错误。

编译之后，a.cpp中不会产生Add函数的地址，因为Add函数是个函数模板，并不是具体的函数，需要实例化才能产生具体的代码和函数地址，而函数模板的实例化又需要知道具体的类型。

综上，所以编译器报了链接错误。

3.3 解决办法

1. 不分离编译：将声明和定义放到一个文件"xxx.hpp"或者"xxx.h"中。这样头文件展开后，main.cpp 中就有函数的定义，链接时就不需要去找函数的地址了，推荐使用这种。

//a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}//main.cpp
int main()
{Add(1, 2);Add(1.0, 2.0);return 0;
}

2. 在模板定义的位置显示实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

//a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);//a.cpp
#include "a.h"
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}
template<>
int Add(const int& left, const int& right)
{return left + right;
}
template<>
double Add(const double& left, const double& right)
{return left + right;
}//main.cpp
int main()
{Add(1, 2);Add(1.0, 2.0);return 0;
}

四. 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。

最后

模板的进阶内容到这里就结束了，对以上内容有异议或者需要补充的，欢迎大家来讨论！