【C++】模板

薄荷冰

发布于 2024-01-22 18:37:13

1420

发布于 2024-01-22 18:37:13

文章被收录于专栏：后端学习之旅

前言

在我们平时的代码中经常会有不同类型的变量去执行效果差不多的函数。比如：swap(交换)，sort(排序)。这些函数里其实会有大部分重复的段落，在这种情况下我们会使用重载函数，但是函数重载会有如下的问题：

1. 重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数。 2. 代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。

那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

一、函数模板

1.1概念

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。

1.2函数模板格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn> 返回值类型函数名(参数列表){}

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
//可识别不同的同种类型交换（例：char与char，int与int，double与double）

注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class)

1.3函数模板的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化和显式实例化。

隐式实例化：让编译器根据实参推断模板参数的实际类型

适用环境：交换类型为同一类

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此。

不适用情况：一个模板传两种类型

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
     return left + right;
}
int main()
{
     int a1 = 10, a2 = 20;
     double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
     Add(a1, a2);
     Add(d1, d2);
     return 0;
}

分析：该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错。

注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因为一旦转化出问题，编译器就需要背黑锅。

Add(a1, d1);

此时有两种处理方式： 1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化。

显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

int main(void)
{
     int a = 10;
     double b = 20.0;
 
 // 显式实例化
     Add<int>(a, b);
     return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

1.4函数模板的匹配原则

一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数
对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板
模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换。

简单来说就是：函数先找现成的，然后再去模板匹配。

二、类模板

2.1类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
 // 类内成员定义
};

2.2类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

Vector<int> s1;
Vector<double> s2;

// Vector 类名， Vector<int> 才是类型

注意区分：

在类中：类名等同于类型
在类模板中：类型是类型，类名是类名

例如：在下面代码中，类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表；在访问类模板时，要用Vector<T>（类型），而不是Vector（类名）

三、非类型模板参数

在c语言中我们通常会使用宏，而常用类的c++中推出了非类型模板参数。比如我们在创建一个array时会在创建时确定他的大小等等。

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。

  // 定义一个模板类型的静态数组
 template<class T, size_t N = 10>
 class array
 {
 public:
     T& operator[](size_t index){return _array[index];}
     const T& operator[](size_t index)const{return _array[index];}
 
     size_t size()const{return _size;}
     bool empty()const{return 0 == _size;}
 
 private:
     T _array[N];
     size_t _size;
 }；

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。

四、模板的特化

4.1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。日期类的比较，或者传入指向数值的指针，他们的比较方式是编译器所不了解的。

// 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.

4.2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;
}

这时，就遵循优先匹配原则。而且该种实现简单明了，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。

4.3类模板的特化

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;
}

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：

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
}

五、模板分离编译

5.1什么是分离编译

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。

5.2 分离编译的方法

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。 2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。 【分离编译扩展阅读】 http://blog.csdn.net/pongba/article/details/19130