【C++】模板进阶 - 构建高效泛型代码

_孙同学

发布于 2024-12-29 09:22:33

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模板

1. 模板参数

模板参数分为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： 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。

例如：实现一个栈，如果写成宏定义就把栈的大小给限制死了，这里我们可以给一个非类型模板参数。

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

int main()
{
	Stack<int, 20> st1; //20
	Stack<int, 2000> st2; //2000

	return 0;
}

非类型模板参数也可以给缺省值。

template<class T,size_t N = 10>
class Stack
{
private:
	T _a[N];
	int _top;
};
int main()
{
	Stack<int> st0; //10
	Stack<int, 20> st1; //20
	Stack<int, 2000> st2; //2000

	return 0;
}

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。（浮点数在c++20开始支持。）
非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

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, 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在多数情况下是可以比较的，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。

2.2 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。 代码演示：

#include<iostream>
using namespace std;
//函数模板
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
//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 = new Date(2023,5,2);
	Date* p2 = new Date(2023,4,22);
	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在这里插入代码片函数直接给出。

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

该种实现简单明了，代码的可读性高，并且容易书写，因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时特别容易出错，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。 代码演示：

template<class T1,class T2>
class Date
{
	Date() { cout << "Date<T1,T2>" << endl; }

private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

//全特化
template<>
class Date<int, char>
{
public:
	Date() { cout << "Date<int,char>" << endl; }

};

int main()
{
	Date<int,int> d1;
	Date<int,char> d2;

	return 0;
}

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。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。 代码演示：

// 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;
};

如果即符合全特化，又符合偏特化呢？答案：走全特化

参数的进一步限制： 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。 代码演示：

//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
}

2.3.3 类模板特化应用示例

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, 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;
 }
};

特化之后在运行上述代码，结果就正确了

3. 模板分离编译

3.1 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。

3.2 模板的分离编译

假如有下面的场景，模板的声明和定义分开，在头文件中声明，在源文件中定义。 代码演示：

// a.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
void Func(int x);

// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
 return left + right;
}
void Func(int x)
{
	cout << "void Func(int x)" << endl;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
 Add(1, 2);
 Add(1.0, 2.0);
 Func(1);
 
 return 
}

运行结果：

这里的LNK erroe表示链接错误。 分析： c/c++程序要运行一般要经历一下步骤： 预处理 -> 编译 -> 链接 预处理： 展开头文件，条件编译，宏替换，去掉注释… 将a.cpp -> a.i，test.cpp -> test.i 编译： 检查语法，生成汇编代码。将a.i -> a.s，test.i -> test.s 汇编： 汇编代码转化成二进制的机器码。将a.s -> a.o，test.s -> test.o 链接： 将多个.obj(.o)文件合并在一起，并且没有确定地址的函数，要确认地址等工作（动静态库），生成可执行程序。

再回过头来看上述代码链接错误的原因：链接时，Func可以链接成功，而Add无法链接成功，因为test.i知道Add需要实例化成int，double函数各一份Add函数，但是它只有声明，没有定义。a.i中有Add的定义，但是不知道要实例化成什么类型。

3.3 解决方法

不要将声明和定义分离在两个文件。
模板定义的位置显示实例化。但是用一种新的类型就得增加实例化，不实用。

//显示实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);

4. 模板总结

【优点】：

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
增强了代码的灵活性

【缺点】: 3. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长 4. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

如果这篇文章对你有帮助，记得点赞，评论+收藏，最后别忘了关注作者，作者将带领你探索更多关于C++方面的问题。

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原始发表：2024-12-26，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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