攻克《模版进阶》全方位了解

前言：

非类型模板参数

按需实例化

模板的特化

概念：

函数模板特化：

类模板特化：

1、全特化

2、偏特化

3、类模板特化应用示例

模板分离编译

什么是分离编译

模板的分离编译

解决方法

总结

前言：

我们在前面对于list和reverse_iterator（反向迭代器）的模拟实现中，会发现模版的神奇之处。不难发现我们先是利用了类和对象的封装，再运用了我们学习的模版这个概念，在原来的基础上进行修改和加工，打造出了一个精简高效的模版代码，这就体现出了模版的强大之处。接下来我们将模版进行进阶的展开，手把手攻克每一个有关模版的知识点。

非类型模板参数

模板参数分为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。

namespace ws
{// 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。（C++20以后就不再限制）
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

按需实例化

我们都知道模版的出现实际是作为程序员的我们的一种“偷懒”方式，但模版在底层又是怎么实现的呢？这就不得不仔仔细细的来说明一下。

模版其实是一个半成品代码 ——> 当我有需求利用模版生成指定的代码时 ——> 模版就会通知编译器，编译器则会在编译阶段自动实例化出自己所需要的那个类。

namespace ws
{// 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){ Wushuang2024_5_8 // 咱们在这里写一个语法错误，乱写一堆数据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;};
}int main()
{ws::array<int> a;cout << a.empty() << endl;
}

通过上面的例子，证明编译器也和咱们程序员一样，也是会去偷懒的，hhh。因此我们不能对编译器完全信任，在我们写模版的时候还应当小心一点为好，类和对象还有模版这种报错是不会像函数报错那样好找，有的时候模版报错错误朝气俩也是相当耗时的。

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

日期类的实现
//class Date
//{
//public:
//	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
//
//	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);
//	}
//private:
//	int _year;
//	int _month;
//	int _day;
//};// 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：
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。

// 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;
}

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。

类模板特化：

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

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;
}

我们在模板初阶的时候就曾讲述过，编译器一般使用模板喜欢“吃现成的”，当我传递Data<int, char>的时候，由于存在一个类模板class Data<int , char>那么编译器会直接实例化该类。

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。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
}

3、类模板特化应用示例

#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，就可以得到正确的结果

模板分离编译

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。

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：

// 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;
}