C++【模板进阶】

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🌇前言

**模板是搭建

STL

的基本工具，同时也是泛型编程思想的代表，模板用好了可以提高程序的灵活性，以便进行更高效的迭代开发，模板除了最基本的类型替换功能外，还有更多高阶操作：非类型模板参数、全特化、偏特化等，以及关于模板声明与定义不能分离（在两个不同的文件中）的问题，都将在本文中进行介绍**

🏙️正文

1、非类型模板参数

之前所使用的模板参数都是用来匹配不同的类型，如

int

、

double

、

Date

等，模板参数除了可以匹配类型外，还可以匹配常量（非类型），完成如数组、位图等结构的大小确定

1.1、使用方法

**在定义模板参数时，不再使用

class

或

typename

，而是直接使用具体的类型，如

size_t

**，此时称为 非类型模板参数

注：非类型模板参数必须为常量，即在编译阶段确定值

利用 非类型模板参数 定义一个大小可以自由调整的 整型数组 类

template<size_t N>classarr{public:int&operator[](size_t pos){assert(pos >=0&& pos < N);return _arr[pos];}

    size_t size()const{return N;}private:int _arr[N];//创建大小为 N 的整型数组};

再加入一个模板参数：类型，此时就可以得到一个 泛型、大小可自定义 的数组

template<classT, size_t N>classarr{public:
    T&operator[](size_t pos){assert(pos >=0&& pos < N);return _arr[pos];}

    size_t size()const{return N;}private:
    T _arr[N];//创建大小为 N 的整型数组};

非类型模板参数支持缺省，因此写成这样也是合法的

template<classT, size_t N =10>//缺省大小为10

1.2、类型要求

非类型模板参数要求类型为 整型家族，其他类型是不行的

比如下面这些 非类型模板参数 都是标准之内的

//整型家族（部分）template<classT,int N>classarr1{/*……*/};template<classT,long N>classarr2{/*……*/};template<classT,char N>classarr3{/*……*/};

而一旦使用其他家族类型作为 非类型模板参数，就会引发报错

//浮点型，非标准template<classT,double N>classarr4{/*……*/};

因此可以总结出，非类型模板参数 的使用要求为

• 只能将 整型家族 类型作为非类型模板参数，其他类型不在标准之内
• 非类型模板参数必须为常量（不可被修改），且需要在编译阶段确定结果

**整型家族：

char

、

short

、

bool

、

int

、

long

、

long long

等**

1.3、实际例子：array

在

C++11

标准中，引入了一个新容器

array

，它就使用了 非类型模板参数，为一个真正意义上的 泛型数组，这个数组是用来对标传统数组的

注意：部分老编译器可能不支持使用此容器

array

的第二个模板参数就是 非类型模板参数

#include<iostream>#include<cassert>#include<array>usingnamespace std;intmain(){int arrOld[10]={0};//传统数组
    array<int,10> arrNew;//新标准中的数组//与传统数组一样，新数组并没有进行初始化//新数组对于越界读、写检查更为严格

    arrOld[15];//老数组越界读，未报错
    arrNew[15];//新数组则会报错

    arrOld[12]=0;//老数组越界写，不报错，出现严重的内存问题
    arrNew[12]=10;//新数组严格检查return0;}

array

是泛型编程思想中的产物，支持了许多

STL

容器的功能，比如 迭代器 和 运算符重载 等实用功能，最主要的改进是 严格检查越界行为

**实际开发中，很少使用

array

，因为它对标传统数组，连初始化都没有，

vector

在功能和实用性上可以全面碾压，并且

array

使用的是

栈区

上的空间，存在栈溢出问题，可以说

array

是一个鸡肋的容器**

**

array

如何做到严格的全面检查？**

• 这个很简单，得益于类的封装，在进行下标相关操作前，先将传入的下标 pos 进行合法性检验即可，如 assert(pos >= 0 && pos < N)

2、模板特化

模板除了可以根据传入的类型进行实例化外，还可以指定实例化，这就好比普通汽车只能在公路上行驶，但我们也可以将车进行特殊改装，让其能在山川泥潭中驰骋；模板特化的用意就在于此，通过对 泛型思想的特殊化处理 ，更好的符合我们的使用需求

2.1、概念

通常情况下，模板可以帮我们实现一些与类型无关的代码，但在某些场景中，【泛型】无法满足调用方的精准需求，此时会引发错误，比如使用 日期类对象指针 构建优先级队列后，若不编写对应的仿函数，则比较结果会变为未定义

详见 《C++ STL学习之【优先级队列】》

原因：泛型思想无法满足特殊场景

解决方案：利用模板的特化制定更加精准的比较逻辑

综上所述，所谓模板的特化，就是在原模板的基础之上，对原模板进行特殊化处理，创造出另一个 “特殊” 的模板，完成需求

2.2、函数模板特化

函数也可以使用模板，因此支持 模板的特化

比如在下面这个比较函数中，假若不进行特化，则会出现错误的结果

template<classT>boolisEqual(T x, T y){return x == y;}intmain(){int x =10;int y =20;
    cout <<"x == y: "<<isEqual(x, y)<< endl;char str1[]="Haha";char str2[]="Haha";//此时泛型比的是地址，实际内容是相等的！
    cout <<"str1 == str2: "<<isEqual(str1, str2)<< endl;return0;}

原因：字符串比较时，比较的是地址，而非内容

解决方案：利用模板的特化，为字符串的比较构建一个特殊模板

//函数模板特殊，专为 char* 服务template<>boolisEqual<char*>(char* x,char* y){returnstrcmp(x, y)==0;}

此时比较的结果正常，成功解决了问题

不过对于函数模板特化来说，存在一个更加方便的东西：函数重载，同样也能解决特殊需求，同时写法没这么怪，不过既然存在 函数模板特化 这个语法，那么我们还是得学习下的

2.3、类模板特化

模板特化主要用在类模板中，它可以在泛型思想之上解决大部分特殊问题，并且类模板特化还可以分为：全特化和偏特化，适用于不同场景

后续举例时需要用到

Date

日期类，这里先把代码放出来

classDate{public:Date(int year =1970,int month =1,int day =1):_year(year),_month(month),_day(day){}booloperator<(const Date& d)const{return(_year < d._year)||(_year == d._year && _month < d._month)||(_year == d._year && _month == d._month &&_day< d._day);}booloperator>(const Date& d)const{return(_year > d._year)||(_year == d._year && _month > d._month)||(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);}private:int _year;int _month;int _day;};

2.3.1、全特化

全特化指 将所有的模板参数特化为具体类型，将模板全特化后，调用时，会优先选择更为匹配的模板类

//原模板template<classT1,classT2>classTest{public:Test(const T1& t1,const T2& t2):_t1(t1),_t2(t2){
        cout <<"template<class T1, class T2>"<< endl;}private:
    T1 _t1;
    T2 _t2;};//全特化后的模板template<>classTest<int,char>{public:Test(constint& t1,constchar& t2):_t1(t1),_t2(t2){
        cout <<"template<>"<< endl;}private:int _t1;char _t2;};intmain(){
    Test<int,int>T1(1,2);
    Test<int,char>T2(20,'c');return0;}

对模板进行全特化处理后，实际调用时，会优先选择已经特化并且类型符合的模板，这就好比虽然你家冰箱里有菜，但你还是想点外卖，因为外卖对于你来说更加合适

**可以使用全特化，解决之前优先级队列中，类型为 日期类指针

Date*

的比较问题**

注：这里只是举例说明，完整代码参考优先级队列相关文章

//对比较的仿函数进行全特化处理template<>structless<Date*>{//比较 是否小于booloperator()(Date* x, Date* y){return*x <*y;}};template<>structgreater<Date*>{//比较 是否大于booloperator()(Date* x, Date* y){return*x >*y;}};

注意：

• 在进行全特化前，需要存在最基本的泛型模板
• 全特化模板中的模板参数可以不用写
• 需要在类名之后，指明具体的参数类型，否则无法实例化出对象

2.3.2、偏特化

偏特化，指 将泛型范围进一步限制，可以限制为某种类型的指针，也可以限制为具体类型

//原模板---两个模板参数template<classT1,classT2>classTest{public:Test(){
        cout <<"class Test"<< endl;}};//偏特化之一：限制为某种类型template<classT>classTest<T,int>{public:Test(){
        cout <<"class Test<T, int>"<< endl;}};//偏特化之二：限制为不同的具体类型template<classT>classTest<T*, T*>{public:Test(){
        cout <<"class Test<T*, T*>"<< endl;}};intmain(){
    Test<double,double> t1;
    Test<char,int> t2;
    Test<Date*, Date*> t3;return0;}

偏特化（尤其是限制为某种类型）在 泛型思想 和 特殊情况 之间做了折中处理，使得 限制范围式的偏特化 也可以实现 泛型

• 比如偏特化为 T*，那么传 int*、char*、Date* 都是可行的

借助偏特化解决指针无法正常比较问题（也是可以偏特化为引用类型的）

//原来的比较模板template<classT>classLess{public:booloperator()(T x, T y)const{return x < y;}};//偏特化后的比较模板template<classT>classLess<T*>{public:booloperator()(T* x, T* y)const{return*x <*y;}};intmain(){
    Date d1 ={2018,4,10};
    Date d2 ={2023,5,10};

    cout <<"d1 < d2: "<<Less<Date>()(d1, d2)<< endl;
    cout <<"&d1 < &d2: "<<Less<Date*>()(&d1,&d2)<< endl;int a =1;int b =2;
    cout <<"&a < &b: "<<Less<int*>()(&a,&b)<< endl;return0;}

**当然也可以使用 偏特化 解决

Date*

的比较问题，这里就不再演示**

注意：

• 在进行偏特化前，需要存在最基本的泛型模板
• 偏特化与全特化很像，注意区分

3、模板的分离编译问题

早在 模板初阶 中，我们就已经知道了 模板不能进行分离编译，会引发链接问题

下面就来谈谈为什么会出现这个问题

3.1、失败原因

声明与定义分离后，在进行链接时，无法在符号表中找到目标地址进行跳转，因此链接错误

下面是 模板声明与定义写在同一个文件中时，具体的汇编代码执行步骤

Test.h

#pragmaonce//声明template<classT>
T add(const T x,const T y);//定义template<classT>
T add(const T x,const T y){return x + y;}

main.cpp

#include<iostream>#include"Test.h"usingnamespace std;intmain(){add(1,2);return0;}

声明与定义在同一个文件中时，可以直接找到函数的地址

代码从文本变为可执行程序所需要的步骤：

1. 预处理：头文件展开、宏替换、条件编译、删除注释，生成纯净的C代码
2. 编译：语法 / 词法 / 语义 分析、符号汇总，生成汇编代码
3. 汇编：生成符号表，生成二进制指令
4. 链接：合并段表，将符号表进行合并和重定位，生成可执行程序

当模板的 声明 与 定义 分离时，因为是 【泛型】，所以编译器无法确定函数原型，即 无法生成函数，也就无法获得函数地址，在符号表中进行函数链接时，必然失败

简单举个例子：抛开模板这个东西，在头文件中声明函数，但不定义，调用函数时，报的就是链接错误

Test.h

#pragmaonce//只声明，不定义voidsub(int x,int y);

main.cpp

#include<iostream>#include"Test.h"usingnamespace std;intmain(){//add(1, 2);sub(2,1);return0;}

3.2、解决方法

解决方法有两种：

1. 在函数定义时进行模板特化，编译时生成地址以进行链接
2. 模板的声明和定义不要分离，直接写在同一个文件中

//定义//解决方法一：模板特化（不推荐，如果类型多的话，需要特化很多份）template<>intadd(constint x,constint y){return x + y;}

//定义//解决方法二：声明和定义写在同一个文件中template<classT>
T add(const T x,const T y){return x + y;}

这也就解释了为什么涉及 模板 的类，其中的函数声明和定义会写在同一个文件中 （

.h

），著名的

STL

库中的代码的声明和定义都是在一个

.h

文件中

为了让别人一眼就看出来头文件中包含了 声明 与 定义，可以将头文件后缀改为

.hpp

，著名的

Boost

库中就有这样的命名方式

4、模板小结

**模板是

STL

的基础支撑，假若没有模板、没有泛型编程思想，那么恐怕

"STL"

会变得非常大**

模板的优点

• 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

模板的缺点

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

总之，模板 是一把双刃剑，既有优点，也有缺点，只有把它用好了，才能使代码 更灵活、更优雅

🌆总结

**以上就是有关 C++【模板进阶】的全部内容了，在本文中，我们学习了非类型模板参数，认识了

C++11

中的新容器

array

；然后学习了模板的特化，见识了模板特化的各种场景；最后明白了模板声明与定义不能分离的根本原因，总之，模板很强，但想要用好还得多练**

**

C++

初阶系列文章到此就正式结束了，后续将会继续更新

C++

进阶内容，比如

继承

、

多态

、

高阶二叉树

等等高能知识点，敬请期待吧**

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