“突破 C++ 模板界限:提升代码复用性和可维护性“

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发布于 2024-07-16 08:04:00

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发布于 2024-07-16 08:04:00

文章被收录于专栏：学习C/++学习C/++

非类型模版参数

模版参数分类为两种：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型（函数）模版的一个参数，在类（函数）模版中可将该参数当做常量来使用。

例如：

#define N 100

//静态的栈
template<class T>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int> st1;
	Stack<int> st2;
}

用宏定义来定义一个数组的大小，无法开出根据需求开出大小不同的栈，因此，非类型形参，用一个常量N来作为类型（函数模版）的一个参数。与类的构造函数的给缺省值做函数形参。

template<class T, size_t N = 10>
class Stack
{
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

模版实例化：

Stack<int> st1; //栈大小 10
Stack<int,100> st2;// 100
Stack<int, 1000> st3;// 1000

形同于array数组：

//非类型模版参数
template<class T, size_t N = 10>
class array
{
	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;

};

array<int , 100> aa1;
array<int , 1000>aa2;

总结： T是一个类型模版参数代表你需要的类型，N非类型模版参数，代表数组的大小。

注意：

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。
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果（在使用非类型模板参数时,其实现需要在编译时确定下来,这意味着不能使用动态计算的值或运行时才能得知的值作为非类型模板参数）。

第二点可能有点模糊，举个例子：

// 数组容器类模板,大小由非类型模板参数决定
template <typename T, int size>
class Array {
private:
    T data[size];

public:
    // 构造函数
    Array() {
        std::cout << "Array of size " << size << " created." << std::endl;
    }

    // 访问元素的操作
    T& operator[](int index) {
        return data[index];
    }

    // 其他数组操作的成员函数
};

// 获取用户输入的数组大小
int getUserInputSize() {
    int size;
    std::cout << "Enter the size of the array: ";
    std::cin >> size;
    return size;
}

int main() {
    // 使用编译时确定的大小创建数组
   /* Array<int, 10> intArray;
    intArray[0] = 42;
    std::cout << "intArray[0] = " << intArray[0] << std::endl;*/

    // 试图使用运行时确定的大小创建数组,会导致编译错误
    int runTimeSize = getUserInputSize();
    Array<int, runTimeSize> runtimeArray; // 编译错误

    return 0;
}

正常使用：

Array<int, 10> intArray; // 可以正常工作,因为 10 是一个编译时可确定的值

但是我们不能这样做:

int runTimeSize = getUserInputSize(); // 用户在运行时输入数组大小
Array<int, runTimeSize> intArray; // 错误!runTimeSize 是在运行时才能确定的

这样会导致编译错误,因为编译器无法在编译时就知道 runTimeSize 的具体值,无法为 Array 模板生成正确的代码。

结论：非类型模板参数只能使用编译时就能确定下来的值,像整型字面量、枚举值、指针或引用等。动态计算或运行时确定的值是无法作为非类型模板参数的。

🌉模版按需实例化

上面谈到模版实例化时参数使用的情况，现在我们学习一下模板的重要特性。在 C++ 中,模板是在使用时才被实例化的。也就是说,只有当程序中真正使用某个特定的模板实例时,编译器才会为它生成具体的代码。这个过程被称为"按需实例化"。

基本数据类型的实例化:

template <typename T>
T add(T a, T b) 
{
    return a + b;
}

int main() 
{
    std::cout << add<int>(1, 2) << std::endl; // 实例化 add<int>
    std::cout << add<double>(3.4, 5.6) << std::endl; // 实例化 add<double>
    return 0;
}

在这个例子中,add 函数模板只有在被实际调用时才会实例化。当程序调用 add<int> 和 add<double> 时,编译器会分别生成 add<int> 和 add<double> 的具体实现。

自定义类型的实例化:

template <typename T, int size>
class Array 
{
private:
    T data[size];
public:
    void set(int index, T value) 
    {
        data[index] = value;
    }

    T get(int index) 
    {
        return data[index];
    }
};

int main() 
{
    Array<int, 5> intArray;
    intArray.set(0, 10);
    std::cout << intArray.get(0) << std::endl; // 实例化 Array<int, 5>

    Array<std::string, 3> stringArray;
    stringArray.set(0, "hello");
    std::cout << stringArray.get(0) << std::endl; // 实例化 Array<std::string, 3>

    return 0;
}

在这个例子中,Array 类模板只有在被实际使用时才会实例化。当程序创建 intArray 和 stringArray 对象时,编译器会分别生成 Array<int, 5> 和 Array<std::string, 3> 的具体实现。

编译时错误排查:

template<class T, size_t N = 10>
class Stack
{
public:
	void func()
	{
		N++;
	}
private:
	int _a[N];
	int _top;
};

int main()
{
	Stack<int,100> st1;
	//Stack<int,100> st2;
	//Stack<int, 1000> st3;

	//按需实例化
	//	不调用，不报错，没有使用就没有实例化
	st1.func();

	return 0;
}

调用fun1()时，N++，会导致数组，越界，但是你不调用它，他就不报错，没有使用就咩有实例化，即使写了在模版里面，即使错了，不使用，正常编译就不会出错。

这个错误只有在实例化时才会被发现,而不是在程序编译时就被发现。

🌉实例化的打印

template<class T>
void PrintVector(const vector<T>& v)
{
	//类模版没实例化时，不去里面差细节东西，无法确定
	//加typename明确告诉是类型
	typename vector<T>::const_iterator it = v.begin();
	//auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	cout << endl;
}

int main()
{
	vector<int> v1 = { 1,2,3,4,5,6,7 };
	vector<double> v2{ 1.1,2.2,3.3,4.4,5.5 };

	PrintVector(v1);
	PrintVector(v2);

}

🌠模板的特化

🌉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, 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。

🌉 函数模板特化

函数模板的特化步骤：

必须要先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。

//函数模版 -- 参数模版
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; //可以比较，结果正确

	Date d1(2024, 7, 7);
	Date d2(2004, 7, 9);
	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
	//调用特化后的版本，就不走模版生成了

}

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;
}

现在我们只需加上类就可以比较了：

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(const T& left, const T& right)
{
	return left < right;
}

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

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

int main()
{

	Date d1(2022, 7, 8);
	Date d2(2022, 7, 9);
	cout << Less(d1, d2) << endl;

	Date* p1 = &d1;
	Date* p2 = &d2;

	cout << Less(p1, p2) << endl;
	return 0;
}

🌠类模板特化

🌉 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。

///全特化
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Date<T1 , T2> " << endl;
	}

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

void Testvector()
{
	Data<int, char> 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：

//偏特化
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 T>
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。

//两个参数偏特化为引用类型
template<typename T1,typename T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << "Data<T1* ,T2*> " << endl;
	}

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

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

};

void test2()
{
	Data<double, int> d1;
	Data<int, double> d2;
	Data<int*, int*> d3;
	Data<int&, int&> d4;
}

测试一下：

//类模版
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;
	}
};

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

//限定版本的类型
template <typename T1,typename T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1* ,T2*>- 限定模版偏特化" << endl;

		//T1 x1;
		//T2* p1;
	}
};

template <typename T1,typename T2>
class Data<T1&, T2&>
{
public:
	Data()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1& ,T2&>- 限定模版偏特化" << endl;

	}
};

template <typename T1, typename T2>
class Data<T1&, T2*>
{
public:
	Data()
	{
		cout << typeid(T1).name() << endl;
		cout << typeid(T2).name() << endl;
		cout << "Data<T1& ,T2*>- 限定模版偏特化" << endl;

	}
};

int main()
{
	Data<int, int>d1;
	Data<int, char> d2;
	Data<int, double> d3;
	Data<int*, double*> d4;
	Data<int*, int**>d5;
	Data<int&, int&> d6;
	Data<int&, int*>d7;

	return 0;
}

🌉 类模板特化应用示例

有如下专门用来按照小于比较的类模板Less：

#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, 8);
	Date d3(2022, 7, 9);

	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模版，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*>());
}

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，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

🌠 模板分离编译

🌉 什么是分离编译

分离编译（Separate Compilation）是编译过程的一种模式，它允许将一个大型程序拆分成多个较小的、独立的编译单元，每个单元分别编译成目标文件（通常是 .obj 或 .o 文件），最后再通过链接器将这些目标文件组合成一个单一的执行文件。

首先是头文件 Calculator.h，它包含了类的声明：

// Calculator.h
#ifndef CALCULATOR_H
#define CALCULATOR_H

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b);
    int subtract(int a, int b);
};

#endif // CALCULATOR_H

然后是源文件 Calculator.cpp，它实现了头文件中声明的类和成员函数：

// Calculator.cpp
#include "Calculator.h"

int Calculator::add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int Calculator::subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

最后是主程序文件 main.cpp，它使用了 Calculator 类：

// main.cpp
#include <iostream>
#include "Calculator.h"

int main() {
    Calculator calc;
    int a = 10;
    int b = 5;

    std::cout << "The sum of " << a << " and " << b << " is " << calc.add(a, b) << std::endl;
    std::cout << "The difference of " << a << " and " << b << " is " << calc.subtract(a, b) << std::endl;

    return 0;
}

在 C 和 C++ 中，分离编译是通过头文件==（.h 或 .hpp）==来管理的，头文件包含了函数和类的声明，而源文件包含了它们的实现。这样，当多个源文件需要使用相同的函数或类时，它们只需要包含相应的头文件即可，而不需要重复实现代码。

🌠 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：

1.编写头文件：a.h

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

编写模版定义源文件：a.cpp

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
 return left + right;
}

3.定义主函数main.cpp，包含a.h

#include"a.h"
int main()
{
 	Add(1, 2);
 	Add(1.0, 2.0);
 	
   return 0;
}

编译器在遇到模板函数调用时,会根据具体的模板实参进行类型推导和函数实例化。头文件中没有包含模板定义：如果 a.h 中只包含了模板函数的声明，而没有包含模板的定义（就像代码那样），那么编译器在编译 main.cpp 时将无法实例化 Add 函数，因为它不知道如何实现它。

我们知道，源文件.cpp在编译时，是先经过单独编译的，而编译main.cpp，即使包含了add的声明，但是无法找到add的定义进行编译，因此在链接时，当链接时，add(int，int)，将会导致链接错误，找不到add的地址

🌉 解决方法

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。

定义和声明，都放在一个头文件里面

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;
	return left + right;
}

模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

头文件.h

#include<iostream>
using namespace std;

template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

源文件.cpp

#include "Func.h"
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;

	return left + right;
}

//显示实例化 ，这种解决方式很被动 ，需要不断添加实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);

template
double Add(const double& left, const double& right);

. 模板总结【优点】