【c++】模板详解(2)

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前言

一、非类型模板参数

二、模板的特化

1. 概念

2. 场景举例

3. 函数模板的特化

4. 类模板的特化

全特化

偏特化

1. 部分特化

2. 对参数的限制

三、模板的分离编译

四、模板优缺点总结

优点

缺点

总结

前言

之前我们深入探讨了模板的概念、重要性及其在C++编程中的应用：

【c++】模板详解(1)-CSDN博客

通过模板，我们实现了代码的复用，并且初步理解了泛型编程。本篇文章，我们将继续学习模板的相关知识，进一步加深对模板的理解。

一、非类型模板参数

之前我们在定义模板时，模板参数都是类型，而实际上模板参数可分为类型参数和非类型参数，非类形参数在模板实例化时需要被具体的值所替代。通常情况下，非类型参数都是常量表达式。所以在模板当中，我们就可以将非类型参数当作一个常量来使用。

代码示例：

#include <iostream>
using namespace std;template<class T, size_t N = 10>
class A
{
public:size_t size(){return N;}//...
private:T _arr[N] = { 0 };//创建一个固定大小的数组
};int main()
{A<int> arr;cout << arr.size() << endl;return 0;
}

这里需要注意：

1. 与类型参数相同，非类型参数可以在参数列表中指定默认值，也可以不指定。但是这个值必须在编译阶段就能确认其结果。例如：
int main()
{int a = 5;A<int, a> arr1;//编译报错A<int, 5> arr2;//正确return 0;
}
2. 在c++20之前，非类型参数只能是整形、枚举类型或指针类型的值。c++20之后，才可以使用其他类型的值作为参数。

二、模板的特化

1. 概念

模板的特化指的是在模板的基础上，我们针对某些特定的类型或值，提供一种特殊的实现方式。当模板被实例化为这种特定类型时，就会根据新的实现方式进行推演，就像是“私人定制”。

2. 场景举例

例如我们现在要实现一个函数模板，用于通用类型的大小比较：

template<class T>
bool less(T v1, T v2)
{return v1 < v2;
}

这种实现方式，对于内置类型和具有比较运算符重载的类类形而言，都可以达到预期效果。但是如果我们传入指针类型呢？

如果传入指针类型，那么我们的原本期望应该是将两指针指向的数据进行比较，但是该模板推演的结果会将两个指针进行大小比较，是没有意义的。此时我们就可以实现一个针对指针类型的特化版本（只能针对特定指针进行特化）。

3. 函数模板的特化

接下来，我们就针对刚才的例子，写一个特化版本的函数模板：

#include <iostream>
using namespace std;//基础版本
template<class T>
bool Less(T v1, T v2)
{return v1 < v2;
}//针对指针类型的特化版本
//注意：只能针对特定的指针类型进行特化，这里使用int*
template<>
bool Less<int*>(int* v1, int* v2)
{return *v1 < *v2;
}int main()
{int a = 0, b = 1;int* pa = &a, * pb = &b;cout << Less(pa, pb) << endl;return 0;
}

运行结果：

这里要注意以下几点：

1. 函数模板特化时，必须要先有一个基础的函数模板存在。

2. 函数名之前的“template<>”不能省略。

3. 特化版本的函数参数必须和基础版本一一对应（例如该示例当中，基础版本v1、v2的类型都是T，针对int*类型的特化版本中v1、v2的类型都必须是int*），否则会出现编译错误。

虽然这里的实现方式看起来比较高大上，但了解模板参数匹配原则的小伙伴们都应该知道，我们可以直接实现一个同名函数来解决问题：

bool Less(int* v1, int* v2)
{return *v1 < *v2;
}

所以说一般情况下，在函数模板中，我们需要针对特定类型执行特殊操作时，为了保证代码的可读性和简洁性，直接实现一个同名函数即可，不建议特化。相比函数模板的特化，类模板的特化更为常用。

4. 类模板的特化

类模板的特化可以分为全特化和偏特化。

全特化

全特化指的是将模板参数列表中所有的参数都确定下来。例如：

//基础版本
template<class T1,class T2>
class A
{
public://...
private:T1 _a;T2 _b;
};//全特化版本
template<>
class A<int,char>//特化为int、char类型
{
public://...
private:int _a;char _b;
};

注意：只有当传入的所有模板参数都符合全特化场景时，类模板才会根据全特化版本进行实例化。

A<int, int> a;//调用基础版本
A<int, char> a;//调用全特化

偏特化

偏特化有两种表现形式：

1. 部分特化

顾名思义，部分特化就是将模板参数中的一部分参数进行特化。例如：

//基础版本
template<class T1,class T2>
class A
{
public://...
private:T1 _a;T2 _b;
};//部分特化
template<class T1>//没有特化的部分
class A<T1, int>//将T2特化为int类型
{
public://...
private:T1 _a;int _b;
};

注意：只要部分特化中特化的参数与传入的模板参数完全匹配，就根据部分特化版本进行实例化。

A<int, double>;//调用基础版本
A<int, int> a;//调用部分特化

2. 对参数的限制

除了部分特化之外，对参数的某些条件限制也可以称为偏特化。例如：

//基础版本
template<class T1, class T2>
class A
{
public://...
private:T1 _a;T2 _b;
};//偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class A<T1*, T2*>
{
public://...
private:T1 _a;T2 _b;
};//偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class A<T1&, T2&>
{
public:A(const T1& a,const T2& b):_a(a),_b(b){}//...
private:const T1& _a;const T2& _b;
};

A<int*, int*> a1; //调用指针偏特化
A<int&, int&> a2(1, 2); //调用引用偏特化

另外需要注意：当传入的模板参数同时满足全特化和偏特化的条件时，优先选择全特化。

三、模板的分离编译

首先讲讲什么是分离编译：

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。

之前我们在 “模板详解(1)” 中提到： 声明和定义不应分离到两个文件，否则会出现链接错误。今天我们来探讨一下出现链接错误的原因：

假设现在有一个函数模板，它的声明和定义分别在头文件和源文件中：

//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;
}

那么在程序执行之前就会出现这样的情况：

当我们传参之后，源文件中的函数模板并不知道要实例化为什么类型，所以会发生链接错误。

解决方案：

1. 将声明和定义放在同一头文件当中（推荐）

2. 在定义位置进行显式实例化的声明（不推荐，很不实用）

四、模板优缺点总结

最后，我们总结一下c++中模板的优点和缺点：

优点

1. 提高代码复用性：可以在不同的数据类型上生成相同的代码，减少重复代码的编写，提高了代码的可维护性和可读性。
2. 类型安全：模板在编译时会进行类型检查，确保类型的正确。
3. 灵活性：模板可以适应不同的数据类型和数据结构，提供灵活的编程方式。通过特化操作，模板可以针对不同的需求生成特定的代码，满足不同的应用场景。
4. 可扩展性：模板提供了一种扩展C++语言的机制，可以通过在模板中添加特定的功能来扩展语言的能力（如STL），满足了复杂的应用需求。

缺点

1. 编译时间开销：由于模板在编译时需要实例化多个版本，增加编译时间（特别在大型项目中）。
2. 代码膨胀：模板在编译时生成大量代码，这可能会增加可执行文件的体积，占用更多的内存资源。
3. 复杂性：模板代码可能比直接编写的代码更复杂和难以理解。特别是当模板涉及多个参数和复杂的特化时，代码的可读性会降低。
4. 调试困难：由于模板代码在编译时生成，调试时不容易找到到原始模板代码的位置。此外，错误信息凌乱，不易定位错误。