【C++】模板进阶

模板进阶

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文章目录

  • 模板进阶
  • 1、非类型模板参数
  • 2、模板的特化
    • 2.1.概念
    • 2.2.函数模板特化
    • 2.3.类模板特化
      • 2.3.1.全特化
      • 2.3.2.偏特化
    • 2.4.类模板特化示例
  • 3、模板总结

1、非类型模板参数

  • 模板参数分类类型形参与非类型形参。
  • 类型模板参数：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。
  • 非类型模板参数：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。

假设我要实现一个静态数组，这里就需要用到非类型模板参数。

namespace static_array
{
	// 定义一个模板类型参数的静态数组
	template <class T, size_t N = 10> // N:非类型模板参数
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index)
		{
			return _array[index];
		}

		const T& operator[](size_t index) const
		{
			return _array[index];
		}

		const size_t size() const 
		{
			return _size;
		}

		bool empty() const
		{
			return 0 == _size;
		}
	private:
		T _array[N]; // 利用非类型模板参数指定静态数组的大小
		size_t _size;
	};
}

如果我现在想指定实例化对象中创建数组的大小，那么就需要借助非类型模板参数来完成：

int main()
{
	array<int, 10> a1; //定义一个大小为10的静态数组
	cout << a1.size() << endl; //10
	array<int, 100> a2; //定义一个大小为20的静态数组
	cout << a2.size() << endl; //20
	return 0;
}

这里非类型模板参数在C语言中是通过宏来实现的，只不过宏不能使多个对象指定大小，宏只能统一更改大小，具有单一性，这里C++的非类型模板参数刚好可以解决这一问题。

注意：

  • 1、浮点数、类对象以及字符串（字符型可以）是不允许作为非类型模板参数的（只能是整型int、short、char……）。
  • 2、非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
  • 3、非类型模板参数给出的值为常量，意味着不能修改：

image-20230218204912099

2、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。

// 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, 3) << endl; // 可以比较，结果正确

	Date d1(2023, 1, 1);
	Date d2(2024, 1, 1);
	cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较，结果正确

    /*Date* p1 = new Date(2023, 1, 1);
	Date* p2 = new Date(2024, 1, 1);*/
	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误

	return 0;
}

image-20230218210622090

可以看到，Less大多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下（比如上面比较地址）就得到错误的结果。上述示例中，p1指向值显然大于p2指向的值，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，我p1和p2都是new出来的，无法确定是谁先new的，也就无法判断大小，导致错误。

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。
// 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

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 _d1;
	T2 _d2;
};

// 全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:
	int _d1;
	char _d2;
};
int main()
{
	Data<int, int> d1; // Data<T1, T2>
	Data<int, char> d2; // Data<int, char>
	Data<int, double> d3; // Data<T1, T2>

	return 0;
}

全特化是要参数均匹配才能调用全特化，否则调用默认的模板。

2.3.2.偏特化

**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。比如对于以下模板类：

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：

  • 1、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; }
};
 
//全特化：
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
};
 
//半特化/偏特化
template <class T1>
class Data<T1, char>// 将第二个参数特化为char
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};
 
int main()
{
	Data<int, int> d1;//Data<T1, T2> 普通
	Data<int, double> d2;//Data<int, double> 全特化
	Data<char, double> d3;//Data<T1, T2> 普通
	//只要第二个参数为char都会匹配半特化（偏特化）
	Data<int, char> d4;//Data<T1, char> 偏特化
	Data<char, char> d5;//Data<T1, char>偏特化
}
  • 2、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。

两个参数偏特化为指针类型：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
};
 
//全特化：
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
};
 
//半特化/偏特化
template <class T1>
class Data<T1, char>// 将第二个参数特化为char
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
};
 
//两个参数偏特化为指针类型
template <class T1, class T2>
class Data <T1*, T2*>//只要你T1和T2是指针，就走这里
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; };
};
int main()
{
	Data<int, int> d1;//Data<T1, T2> 普通
	Data<int, double> d2;//Data<int, double> 全特化
	Data<char, double> d3;//Data<T1, T2> 普通
	//只要第二个参数为char都会匹配半特化（偏特化）
	Data<int, char> d4;//Data<T1, char> 偏特化
	Data<char, char> d5;//Data<T1, char>偏特化
    //两个参数为指针
    Data<int*, int*> d6;//Data<T1*, T2*>
	Data<int*, string*> d7;//Data<T1*, T2*>
    //只有一个参数是指针不算
	Data<int*, int> d8;//Data<T1, T2>
	Data<int*, char> d9;//Data<T1, char>
}

两个参数偏特化为引用类型：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
};
//全特化：
template<>
class Data<int, double>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, double>" << endl; }
};
 
//半特化/偏特化
template <class T1>
class Data<T1, char>// 将第二个参数特化为char
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
};
 
//两个参数偏特化为指针类型
template <class T1, class T2>
class Data <T1*, T2*>//只要你T1和T2是指针，就走这里
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; };
};
 
//两个参数偏特化为引用类型
template <class T1, class T2>
class Data <T1&, T2&>//只要你T1和T2是指针，就走这里
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; };
};
int main()
{
	Data<int, int> d1;//Data<T1, T2> 普通
	Data<int, double> d2;//Data<int, double> 全特化
	Data<char, double> d3;//Data<T1, T2> 普通
	//只要第二个参数为char都会匹配半特化（偏特化）
	Data<int, char> d4;//Data<T1, char> 偏特化
	Data<char, char> d5;//Data<T1, char>偏特化
    //两个参数为指针
    Data<int*, int*> d6;//Data<T1*, T2*>
	Data<int*, string*> d7;//Data<T1*, T2*>
    //只有一个参数是指针不算
	Data<int*, int> d8;//Data<T1, T2>
	Data<int*, char> d9;//Data<T1, char>
    //两个参数为引用
	Data<int&, char&> d10;//Data<T1&, T2&>
	Data<int, char&> d11;//Data<T1, T2>
    //指针引用混用，调用的是普通的
    Data<int*, char&> d12;//Data<T1, T2>
}

2.4.类模板特化示例

  • 全特化运用场景：
#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;
	}
};

特化之后，再运行上述代码，就可以得到正确的结果。

  • 偏特化运用场景：
#include<vector>
#include <algorithm>
template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x < y;
	}
};
// 对Less类模板按照指针方式特化
//全特化
template<>
struct Less<Date*>
{
	bool operator()(Date* x, Date* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};
//偏特化
template<class T>
struct Less<T*>//只要你是指针，都走我
{
	bool operator()(T* x, T* y) const
	{
		return *x < *y;
	}
};
int main()
{
	//偏特化运用场景
	vector<int*> v3;
	v3.push_back(new int(3));
	v3.push_back(new int(1));
	v3.push_back(new int(2));
	sort(v3.begin(), v3.end(), Less<int*>());
	return 0;
}

3、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

缺点：

  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

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