【C++】模板（函数、类模板/非类型模板参数/特化）

目录1、函数模板基本用法函数模板的实现原理函数模板的实例化模板参数的匹配原则2、类模板类模板的定义格式类模板的实例化3、非类型模板参数4、模板的特化函数模板特化类模板特化5、模板分离编译1、函数模板基本用法template typename T 返回值类型 函数名(参数列表){}template 是模板的意思typename是用来定义模板参数关键字也可以是 classT 是模板参数。可以一次性定义多个模板参数templatetypename T1, typename T2,......,typename TnT1、T2 实例化后的实际类型可以相同也可以不同。模板参数也可以作为返回值。示例templatetypename T void Swap( T left, T right) { T temp left; left right; right temp; }定义模板参数的各种情况typename 和 class 的区别void Print(const vectorint v) { vectorint::const_iterator it v.begin(); while (it ! v.end()) { cout *it ; it; } cout endl; }将以上代码进行范型编程使它可以打印任意容器的值//templatetypename Container templateclass Container // 这里既可以使用 typename 也可以使用 class void Print(const Container v) { // 编译不确定Container::const_iterator是类型还是对象(静态变量) // 如果 Container::const_iterator 是对象就不符合语法规则 // typename就是明确告诉编译器这里是类型等模板实例化再去找 //typename Container::const_iterator it v.begin(); // 必须要加 typename // class 不行 auto it v.begin(); // 这种方式更简便auto 一定是类型 while (it ! v.end()) { cout *it ; it; } cout endl; }也就是说在模板函数里只要模板参数后跟了: :域作用限定符去取模板参数里的类型一定要在前面声明 typename或者使用 auto。函数模板的实现原理函数模板是一个蓝图它本身不是函数是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器函数模板的实例化在编译器编译阶段对于模板函数的使用编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。比如当用double类型使用函数模板时编译器通过对实参类型的推演将T确定为double类型然后产生一份专门处理double类型的代码对于自定义类型类、指针类型也是如此。模板参数实例化分为隐式实例化和显式实例化。1.隐式实例化让编译器根据实参推演模板参数的实际类型。templateclass T T Add(const T left, const T right) { return left right; } int main() { int a1 10, a2 20; double d1 10.0, d2 20.0; Add(a1, a2); Add(d1, d2); Add(a1, d1); /* Add(a1, d1);不能通过编译因为在编译期间当编译器看到该实例化时需要推演其实参类型 通过实参a1将T推演为int通过实参d1将T推演为double类型但模板参数列表中只有一个T 编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错 注意在模板中编译器一般不会进行类型转换操作因为一旦转化出问题编译器就需要背黑锅 Add(a1, d1); */ // 此时有两种处理方式 //1. 用户自己来强制转化 Add(a1, (int)d1); Add((double)a,d1); //2. 使用显式实例化 Addint(a1,b1);// b1 隐式类型转换 Adddouble(a1,b1);// a1 隐式类型转换不管是隐式类型转换还是显式类型转换都会产生临时变量临时变量具有常性要传递给常引用的函数参数const 类型名Add 函数的形参应该写成templateclass T T Add(const T left, const T right) { return left right; }2.显式实例化在函数名后的中指定模板参数的实际类型int main() { int a 10; double b 20.0; // 显式实例化 Addint(a, b); return 0; }使用显式实例化的场景templateclass T T* Alloc(int n) { return new T[n]; } int main() { double* p Allocdouble(10); return 0; }函数模板在类内声明在类外定义时仍要加 template typename T模板参数的匹配原则1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数// 专门处理int的加法函数 int Add(int left, int right) { return left right; } // 通用加法函数 templateclass T T Add(T left, T right) { return left right; } void Test() { Add(1, 2);// 与非模板函数匹配编译器不需要实例化 Addint(1, 2); // 调用编译器实例化的Add版本 }2. 对于非模板函数和同名函数模板如果模板产生的实例与非模板函数匹配度一样在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配度函数 那么将选择模板产生的实例。void Test() { Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配不需要函数模板实例化 Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本编译器根据实参生成更加匹配的函数 }2、类模板类模板的定义格式templateclass T1, class T2, ..., class Tn class 类模板名 { // 类内成员定义 };示例// 动态顺序表 // 注意Vector不是具体的类是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具 templateclass T class Vector { public : Vector(size_t capacity 10) : _pData(new T[capacity]) , _size(0) , _capacity(capacity) {} // 使用析构函数演示模板函数在类中声明在类外定义。 ~Vector(); void PushBack(const T data) void PopBack() // ... size_t Size() {return _size;} T operator[](size_t pos) { assert(pos _size); return _pData[pos]; } private: T* _pData; size_t _size; size_t _capacity; };类模板函数在类内声明在类外定义// 注意类模板中函数放在类外进行定义时需要加模板参数列表 template class T VectorT::~Vector() { if(_pData) delete[] _pData; _size _capacity 0; }对于普通的类类名就是类型如 Date 类类名是 Date类型名也是 Date对于类模板类名模板名不是类型如上面的 Vector 类名是 Vector但类型名不是 Vector类型名是 vectorT如 Vector int 在使用 :: 指定访问的域时:: 左边必须是类型名 VectorT::~Vector() 。除此之外还要再声明一下模板参数。template class T类模板的实例化类模板实例化与函数模板实例化不同类模板实例化需要在类模板名字后跟 然后将实例化的类型放在 中即可类模板不是真正的类而实例化的结果才是真正的类。// Vector类名Vectorint才是类型 Vectorint s1; //存储 int 类型数据的顺序表 Vectordouble s2; //存储 double 类型数据的顺序表类模板实例化的特殊情况在 vector 类有 resize 函数用来指定类对象的大小函数原型resize(size_t n, const T T());T() 是缺省参数是一个 T 类型的匿名对象T() 会调用 T 实例化后的类的默认构造函数但是问题来了如果 T 实例化后是内置类型呢比如说 int难道 int 类型有默认构造函数。为了针对这种情况C 规定 int 类型等内置类型也有默认构造函数int a int(); int b int(1); // 等价于 int b 1;按需实例化如果在程序中实例化了一个类但该类的一个模板成员函数从未使用过编译器就不会生成该模板成员函数实例化后的代码也不会该检查模板成员函数的语法。3、非类型模板参数模板参数分为类型形参与非类型形参。类型形参出现在模板参数列表中跟在class或者typename之后的参数类型名称。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 My_program { // 定义一个模板类型的静态数组 templateclass 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; }; }使用这个数组int mian() { arrayint,10 arr1; // 容量为 10存储int类型的数组 arraydouble,100 arr1; // 容量为 100存储double类型的数组 return 0; }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。2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。并且不能在程序中修改。4、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 templateclass 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。// 函数模板 -- 参数匹配 templateclass T bool Less(T left, T right) { return left right; } // 对Less函数模板进行特化 template bool LessDate*(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。类模板特化类模板的特化步骤1. 必须要先有一个基础的类模板2. 关键字template后面的里面写不需要特化的模板参数3. 类名名后跟一对尖括号尖括号中写模板参数和特化的类型相对顺序与基础的类模板声明的模板参数顺序一致。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。// 基础的类模板 templateclass T1, class T2 class Data { public: Data() {coutDataT1, T2 endl;} private: T1 _d1; T2 _d2; }; // 如果 T1 实例化为 intT2 实例化为 char假设要特殊处理 template class Dataint, char { public: Data() {coutDataint, char endl;} private: int _d1; 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// 基础的类模板 templateclass T1, class T2 class Data { public: Data() {coutDataT1, 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 // 如果 T2 实例化为 int假设要特殊处理 template class T1 class DataT1, int { public: Data() {coutDataT1, 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。// 如果两个模板参数都实例化为指针类型假设要特殊处理 //两个参数偏特化为指针类型 template typename T1, typename T2 class Data T1*, T2* { public: Data() {coutDataT1*, T2* endl;} private: T1 _d1; T2 _d2; }; // 如果两个模板参数都实例化为引用类型假设要特殊处理 //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) { coutDataT1, T2 endl; } private: const T1 _d1; const T2 _d2; }; void test2 () { Datadouble , int d1; // 调用特化的int版本 Dataint , double d2; // 调用基础的模板 Dataint *, int* d3; // 调用特化的指针版本 Dataint, int d4(1, 2); // 调用特化的指针版本 }5、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。在 C 中如果将模板的声明和定义分离到不同的文件例如.h声明.cpp定义通常会导致链接错误Linker Error原因如下1. 模板的编译机制两阶段查找C 模板采用两阶段编译Two-Phase Lookup机制阶段 1模板定义时检查模板本身的语法是否正确如templatetypename T是否合法。阶段 2模板实例化时在调用点检查模板参数是否合法如T是否支持operator。由于模板代码必须在使用时实例化如果定义和实现分离编译器在编译调用代码时看不到模板的实现导致无法生成具体的实例化代码。2. 为什么分离.h和.cpp会报错假设我们有以下文件结构// mytemplate.h templatetypename T void myFunc(T x); // 声明 // mytemplate.cpp #include mytemplate.h templatetypename T void myFunc(T x) { // 定义 std::cout x std::endl; } // main.cpp // 由于各个文件是分开编译的 // 编译器在编译 main.cpp 时展开 mytemplate.h // 编译器只看到函数模板的声明无法生成具体的函数。 #include mytemplate.h int main() { myFunc(42); // 调用 }编译过程分析mytemplate.cpp编译编译器看到templatetypename T void myFunc(T x) { ... }但没有实际调用所以不会生成任何实例化代码myFuncint不会生成。main.cpp编译编译器看到myFunc(42)知道需要myFuncint但mytemplate.cpp里没有实例化所以它期望链接器在其他地方找到myFuncint的实现。链接阶段链接器发现myFuncint没有实现报错无法解析的外部符号3. 如何解决(1) 推荐方法直接在头文件定义模板// mytemplate.h templatetypename T void myFunc(T x) { // 声明 定义都在头文件 std::cout x std::endl; }✅优点编译器在调用点能直接看到定义可以正确实例化。❌缺点可能导致头文件变大编译时间增加但现代编译器优化后影响不大。(2) 显式实例化Explicit Instantiation如果坚持分离.h和.cpp可以在.cpp里显式实例化需要的类型// mytemplate.h templatetypename T void myFunc(T x) { // 声明 定义都在头文件 std::cout x std::endl; }✅优点保持分离链接时能找到实现。❌缺点必须提前知道所有可能的T不够灵活。