【C++】模板进阶全内容，一篇搞定所有！！！

文章目录1. 非类型模板参数补充array静态数组arrayint,10 a1;和int arr[10];的区别2.模板的特化2.1 概念2.2 函数模板特化2.3 类模板特化2.3.1 全特化2.3.2 偏特化2.3.3 类模板特化应用示例3.模板分离编译3.1 什么是分离编译3.2 模板的分离编译3.3 解决方法1. 非类型模板参数模板参数分类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。现在可暂且理解成只能放整型整型指针也支持double等要到c20才开始支持templateclassT,size_t NclassStack{private:T _a[N];int_top;};intmain(){Stackint,10st1;Stackint,10000st2;return0;}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。非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。补充array静态数组不支持头插头删尾插尾删可以用下标访问namespacebit{// 定义一个模板类型的静态数组templateclassT,size_t N10classarray{public:Toperator[](size_t index){return_array[index];}constToperator[](size_t index)const{return_array[index];}size_tsize()const{return_size;}boolempty()const{return0_size;}private:T _array[N];size_t _size;};}内置类型做参数默认不会初始化intmain(){arrayint,10a1;a1[1]3;a1[3]5;for(autoe:a1){coute ;}coutendl;return0;}arrayint,10 a1;和int arr[10];的区别知道自己的大小intcarr[10];std::arrayint,10arr;// 普通数组需要额外记录大小或使用 sizeof 技巧intsize1sizeof(carr)/sizeof(carr[0]);// 容易出错// array 直接提供 size() 方法intsize2arr.size();// 清晰、安全、类型安全支持拷贝和赋值inta[5]{1,2,3,4,5};intb[5];ba;// 错误普通数组不能直接赋值std::arrayint,5a1{1,2,3,4,5};std::arrayint,5a2;a2a1;// 正确元素逐个拷贝可作为函数参数和返回值保留类型信息// 普通数组传参会退化为指针丢失长度信息voidfoo(intarr[10]){// 实际上 int* arr// sizeof(arr) 是指针大小不是数组大小}// array 不会退化类型完整保留voidbar(std::arrayint,10arr){std::coutarr.size();// 输出 10}// 甚至可以返回 arraystd::arrayint,5make_array(){return{1,2,3,4,5};}支持标准容器接口迭代器、范围 forstd::arrayint,5arr{1,2,3,4,5};// 迭代器for(autoitarr.begin();it!arr.end();it){}// 范围 for普通数组也支持但 array 更统一for(intx:arr){}// 算法支持std::sort(arr.begin(),arr.end());std::find(arr.begin(),arr.end(),3);边界检查可选std::arrayint,5arr;// at() 会抛出 std::out_of_range 异常try{arr.at(10)100;}catch(conststd::out_of_rangee){std::cout越界了\n;}// operator[] 与普通数组一样不检查保持性能arr[10]100;// 未定义行为但不会抛异常更友好的类型别名和模板编程templatetypenameT,size_t Nvoidprocess(std::arrayT,Narr){// 可以在模板中直接使用 N}// 普通数组作为模板参数需要更复杂的语法且容易退化有成员函数fill()、swap()等fill()函数可以用来初始化std::arrayint,5arr;arr.fill(42);// 全部赋值为 42arr.swap(anotherArr);// 高效交换内容8.相同点都支持sort数组支持是因为指向数组的指针是天然的迭代器sort(arr,arr10);总结对比特性普通数组std::array知道自身大小❌ 需手动计算✅.size()拷贝/赋值❌ 不支持✅ 支持不退化传参❌ 退化为指针✅ 保持类型边界检查❌ 无✅.at()迭代器支持❌ 部分指针模拟✅ 完整 STL 接口与算法协作较差需传递长度✅ 无缝核心原因std::array是一个聚合类它内部只包含一个普通数组但通过成员函数和模板参数包装提供了类型安全、大小安全、行为统一的接口而且由于编译器优化性能与普通数组完全相同。这就是它“普通数组达不到”的优势所在。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templateclassTboolLess(T left,T right){returnleftright;}intmain(){coutLess(1,2)endl;// 可以比较结果正确Dated1(2022,7,7);Dated2(2022,7,8);coutLess(d1,d2)endl;// 可以比较结果正确Date*p1d1;Date*p2d2;coutLess(p1,p2)endl;// 可以比较结果错误return0;}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。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。// 函数模板 -- 参数匹配templateclassTboolLess(T left,T right){returnleftright;}// 对Less函数模板进行特化templateboolLessDate*(Date*left,Date*right){return*left*right;}intmain(){coutLess(1,2)endl;Dated1(2022,7,7);Dated2(2022,7,8);coutLess(d1,d2)endl;Date*p1d1;Date*p2d2;coutLess(p1,p2)endl;// 调用特化之后的版本而不走模板生成了return0;}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直接写个普通函数。boolLess(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。注意//函数模板传参最好加上consttemplateclassTboolLess(constTleft,constTright){returnleftright;}template//const修饰的是指针本身而不是指向的内容boolLessDate*(Date*constleft,Date*constright){return*left*right;}2.3 类模板特化类模板特化对内部成员没有要求也就是说原模板定义的变量函数等特化版本可以不定义也可以新增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。templateclassT1,classT2classData{public:Data(){coutDataT1, T2endl;}private:T1 _d1;T2 _d2;};templateclassDataint,char{public:Data(){coutDataint, charendl;}voidfunc(){}private:int_d1;char_d2;};voidTestVector(){Dataint,intd1;Dataint,chard2;//可以调用d2.func();}2.3.2 偏特化偏特化任何针对模板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templateclassT1,classT2classData{public:Data(){coutDataT1, T2endl;}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inttemplateclassT1classDataT1,int{public:Data(){coutDataT1, intendl;}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。templateclassT1classDataT1,int{public:Data(){coutDataT1, intendl;}private:T1 _d1;int_d2;};templateclassDataint,double{public:Data(){coutDataint, doubleendl;}private:T1 _d1;int_d2;};//两个参数偏特化为指针类型templatetypenameT1,typenameT2classDataT1*,T2*{public:Data(){coutDataT1*, T2*endl;}private:T1 _d1;T2 _d2;};//两个参数偏特化为引用类型templatetypenameT1,typenameT2classDataT1,T2{public:Data(constT1d1,constT2d2):_d1(d1),_d2(d2){coutDataT1, T2endl;}private:constT1_d1;constT2_d2;};voidtest2(){Datadouble,intd1;// 调用特化的int版本Dataint,doubled2;// 优先匹配全特化Dataint*,int*d3;// 调用特化的指针版本Dataint,intd4(1,2);// 调用特化的指针版本}2.3.3 类模板特化应用示例有如下专门用来按照小于比较的类模板Less#includevector#includealgorithmtemplateclassTstructLess{booloperator()(constTx,constTy)const{returnxy;}};intmain(){Dated1(2022,7,7);Dated2(2022,7,6);Dated3(2022,7,8);vectorDatev1;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(),LessDate());vectorDate*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(),LessDate*());return0;}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templatestructLessDate*{booloperator()(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priority_queueDate*中Less函数的特化版本在 std::priority_queueDate* 中默认的 std::lessDate* 会比较指针的地址值而不是 Date 对象的内容如果根据原来的模板相当于是以下代码会发生错误templateclassTstructLessDate*{booloperator()(constDate*x,constDate*y)const{return*x*y;}};templateclassTstructGreaterDate*{booloperator()(constDate*x,constDate*y)const{return*x*y;}};两种方法templateclassTstructLessDate*{booloperator()(constDate*x,constDate*y)const{return*x*y;}};templateclassTstructGreaterDate*{booloperator()(constDate*constx,constDate*consty)const{return*x*y;}};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.htemplateclassTTAdd(constTleft,constTright);// a.cpptemplateclassTTAdd(constTleft,constTright){returnleftright;}// main.cpp#includea.hintmain(){Add(1,2);Add(1.0,2.0);return0;}分析从下面两张图理解一下3.3 解决方法将声明和定义放到一个文件xxx.h推荐使用这种。本质用的地方包含.h直接就有函数模板的定义直接实例化编译拿到函数的地址不需要链接去找地址了或者将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” 里面模板定义的位置显式实例化//a.cpptemplateclassTTTAdd(constTleft,constTright){returnleftright;}//显示实例化templatedoubleTAdd(constdoubleleft,constdoubleright);分离编译扩展阅读模板总结【优点】1.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2.增强了代码的灵活性【缺陷】1.模板会导致代码膨胀问题也会导致编译时间变长2.出现模板编译错误时错误信息非常凌乱不易定位