C++初阶-模板进阶

模板进阶

  • 一、非类型模板参数
    • 1.1 引出
    • 1.2 非类型模板参数
  • 二、array类
    • 2.1 array类的介绍与价值
    • 2.2 array的特性
      • 2.2.1 array和vector的区别
      • 2.2.2 大小不一样
      • 2.2.3 array与vector的区别
      • 2.2.4 总结
  • 三、模板的特化
    • 3.1 概念
    • 3.2 函数模板的特化
    • 3.3 类模板的特化
      • 3.3.1 全特化
      • 3.3.2 偏特化
  • 四、模板的分离编译
    • 4.1 什么是分离编译
    • 4.2 模板的分离编译
  • 五、模板总结
    • 5.1 优点
    • 5.2 缺陷

一、非类型模板参数

1.1 引出

定义这样一个类，并且用模板泛型化

#define N 20
//类型模板参数

template<class T>
class Array
{
public:
//...
private:
	T _a[N];
};

我们会这样使用Array这个类

int main()
{
	Array<int> a1;  
	Array<double> a2;
	return 0;
}

  这里有一个缺陷，这里的Array类的大小是固定死的，每次创建出来的Array都是一样大小的。
  模板让我们实现了同时创建不同数据类型的类，但是不能实现不同数据个数的类。

1.2 非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。
类型形参即：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。

#define N 20
非类型模板参数--整形常量

template<class T,size_t N=20>
class Array
{
public:
//...
private:
	T _a[N];
};

int main()
{
    Array<int, 10> a1;
    Array<double, 20> a2;
    return 0;
}

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. 非类型模板参数必须是整形常量（整形家族的也算，比如：char，short，long，long long…）
  3. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

二、array类

2.1 array类的介绍与价值

  array类与vector、list类似，都属于内部类，而上述我们自己写的Array类就是这个类的简化，只不过只有成员变量没有别的东西。array对标的不是vector，而是C语言中的静态数组，例如array<int,20> a对标int a[N]，他们的数据都在栈上，只是前者是自定义类型，后者是内置类型。
  既然有了array替代静态数组，那么它的优势是什么？最主要的不是封装，而是对于越界的检查。之前学过C语言，对于一个普通内置类型的数组，一旦发生越界访问，就会有这么两种情况：
1.越界读，不检查
2.越界写，抽查
  由于内置类型对于越界检查的不严谨的行为，array就防止了上述越界的错误，即一旦越界无论读写都报错。

2.2 array的特性

2.2.1 array和vector的区别

1.array是一个静态的数组，不支持插入删除
2.而vector却是动态的
3.array的价值是：开法数组
4.array没有独特的地方，是C++新增的

2.2.2 大小不一样

1.vector中只存几个指针来维护数组，实际不存数据
2.而array是直接存数据

2.2.3 array与vector的区别

1.array是封装过了的原生数组–越界一定能查到（读写都能查得到）
2.array<int,100> a1
3.array是C++11新增的，相对于vector而言，没有独特的地方
4.operator[]能严格检查越界
5.而普通的数组检查越界不一定能查出来，因为是抽查
6.vector可以扩容，array不可以

2.2.4 总结

1.array对于原生数组，还有一些越界检查的优势
2.但是实际中，统一用vector更香

三、模板的特化

3.1 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，但是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;
}

//模板特化- - 某些类型特殊化处理
//全特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* 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

	int* p3 = new int(1);
	int* p4 = new int(2);
	cout << Less(p3, p4) << endl; 

	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。
  问题的解决 我们比较的是日期的大小，直接传日期类的对象可以调用日期类的运算符重载，但是如果传的是日期类对象的指针，比较的就是地址的大小，显然不是我们想要的比较日期类对象的大小。如果在我们只传指针还要解决问题的限制下，这时应用模板特化就可以很好地解决这种问题。

3.2 函数模板的特化

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.关键词template后面接一对空地尖括号<>
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。

//模板特化- - 某些类型特殊化处理
//全特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
	return *left < *right;
}

注意
1.上述三个同时存在的时候，先去匹配函数
2.函数模板不一定要特化
3.类模板就需要具体的特化了

  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。
  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，直接写一个具体类型的函数更好。

3.3 类模板的特化

3.3.1 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;
};

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;
}

注意
1.制定好了两个模板参数——写死了
2.只能固定的类型走这个函数
3.例如：只能是int和double走全特化的模板

3.3.2 偏特化

偏特化：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：

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。

// 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;
};

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 <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
}

四、模板的分离编译

4.1 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。

4.2 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;
}

//可以用显示实例化解决
template
double Add<double>(const double& left,const double& right);

分析：
C/C++程序要运行，一般要经历以下步骤：
预处理–》编译–》汇编–》链接
编译：对程序按照语言特性进行词性、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码。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。
链接：将多个obj文件合成一个，并处理没有解决的地址问题。

在这里插入图片描述

五、模板总结

5.1 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。

5.2 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。

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