【C++学习】模板进阶——非类型模板参数 | 模板的特化 | 分离编译

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《C++学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

模板我们之前一直都在使用，尤其是在模拟STL容器的时候，可以说，模板给类增加了更多的可能性，是C++最重要的部分之一。下面本喵来更深入的讲解一下模板。

📕非类型模板参数

#define N 10
namespace wxf
{template<class T>class array{public:T& operator[](size_t index){assert(index < _size);return _array[index];}const T& operator[](size_t index) const{assert(index < _size);return _array[index];}private:T _array[N];size_t _size;};
}

在上面代码中，创建了一个数组的模板类，它相比于C语言中的数组，可以自动进行越界检查。

wxf::array<int> a1;
wxf::array<double> a2;

我们可以创建不同类型的对象，数组中的元素可以是int，也可以是double类型。但是，它们的大小都是一样的，都被define定义的N限制了。

如果此时我想让int类型的数组大小是10个元素，而double类型的数组大小是100个元素，该怎么办？

此时就用到了非类型模板参数，我们之前使用的模板，它的参数都是类型模板参数，也就是它的参数都是类型，可以是内嵌类型，也可以是自定义类型。

• 非类型模板参数：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。

在模板中，加入第二个参数，不使用class或者typename关键字来修饰，表面它是一个非类型模板参数。并且将这个参数应用在定义数组的大小上，如上图所示。

• 模板参数可以使用缺省值。

wxf::array<int, 10> a3;
wxf::array<double, 100> a4;

此时再创建类对象，就可以在实例化类型的同时，指定数组的大小。指定数组大小的这个模板参数就是非类型模板参数。

• 非类型模板参数必须是整形家族的常量，比如char类型，int类型等等，不能是double以及float类型。

如上图所示，将非类型模板参数的类型改成float以后就会报错，现在不支持这样，以后不一定。

• 在实例化时，传模板参数必须传常量，不能传变量。

如上图所示，当实例化传给非类型模板参数的值是一个变量的时候，就会报错。

📗std::array

在C++11的STL中，官方同样给我们提供了array容器。

它就使用了非类型模板参数，下面看看它有什么接口。

这些接口和我们之前学习string，vector，list以及stack和queue中的接口非常相似，但是，array中没有push_back。

• STL中的array是一个静态的，它的大小在创建时候就指定了，并不会发生扩容。
• 它对标的是C语言中的数组，只是比C语言中数组多了越界检查。

C语言数组越界：

int a1[10];
cout << a1[11] << endl;

越界访问并没有报错。

int a1[10];
a1[11] = 5;

越界写也没有报错。

无论是写还是读，越界的时候都不会报错。不同的编译器对越界的处理不同，有的是采取抽查的策略。总得的来说，C语言的数组在越界检查上面存在缺陷。

std::array越界：

std::array<int, 10> a1;
cout << a1[11] << endl;
a1[11] = 10;

使用STL中的array容器就会进行越界检查。

📕模板的特化

📗函数模板的特化

namespace wxf
{template<class T>bool less(T left, T right){return left < right;}
}

定义一个函数模板，进行比较大小，当左值小于右值时返回真。

比较结果符合我们的预期。

当传递的参数是两个变量的地址时，比较的结果就和刚刚的截然相反。

• 模板函数推断出来的类型是int*，按照函数模板的实现逻辑，比较的是两个地址的大小。
• 但是我们希望的是，即使传入的是地址，但是比较的仍然是两个数的大小。

此时我们就可以使用模板特化。

• 模板参数给空。
• 函数名后<>内放入要特化的类型，函数形参同样使用特化的类型。
• 改变特化后函数内部的逻辑。

可以看到此时就符合我们的预期了，即使传入的是地址，但是比较的仍然是两个数的大小。

• 模板特化必须在原模版的基础上进行特化。
• 其他类型仍然会实例化原模版，需要特别处理的类型就会走特化后的模板。

但是：

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。

就像上面的比较函数，在处理指针类型的变量时，完全可以写一个具体的函数而不用函数模板。

bool less(int* left, int* 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。

📗类模板的特化

全特化

template<class T1,class T2>
class Data
{
public:Data(){cout << "Data<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _a1;T2 _a2;
};

定义个这样的数据类，类型模板参数有两个。

此时无论是用什么类型进行实例化，编译器都会按照上面的类模板去推演，去实例化。

• 如果此时我想让int和char类型对象进行特殊化处理，不按照原理的类进行创建呢？

此时就可以将原本的类模板进行特化处理，对类型模板参数是int和char类型进行特殊化处理。

可以看到，用的类模板都不一样了，因为构造函数中打印的内容不一样。

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。

偏特化

还是使用最初的Data数据类模板进行特化。偏特化有有两种：

• 部分特化

当两个模板参数中的第二个是double类型的时候，进行特殊处理。

无论第一个参数是什么类型，只要第二个是double类型的，就会按照这个部分特化后的模板进行实例化。

• 参数更进一步的限制

无论是什么类型，只有是指针类型，就进行特化处理。

此时特化后的模板就限制在了只处理指针类型。

还可以对引用类型进行特化。但是引用类型必须进行初始化。

此时特化后的模板就只限制在了引用类型。

从模板特化中也可以看出来编译器在实例化时推演的规则：

• 有现成的就用现成的，不进行推演。
• 有全特化的就用全特化的。
• 有偏特化的就用偏特化的。
• 实在没办法才全部进行推演。

总得来说，编译器也是懒狗，能少干事就少干，能不推演就不推演，能少推演就少推演。

类模板特化应用示例

template<class T>
struct less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};

写一个两个数相比较的仿函数，左数小于右数的时候返回真。

将vector中的数据按照升序进行排列。

• 使用的是算符库中的sort函数，需要使用到我们定义的仿函数。

同样，如果vector中放入的不是数据，而是数据的地址，但是我们又想按照升序排列。

可以看到，此时排序后的结果和排序前是一样的。

• 数组中的地址是连续的，而且后面元素的地址比前面元素的地址大。
• 此时使用仿函数less还是按照之前逻辑，比较的是地址值，而不是地址指向数据的值。

所以我们需要将less仿函数进行特化处理：

//特化处理
template<class T>
struct less<T*>
{bool operator()(T* const& x, T* const& y){return *x < *y;}
};

此时传的是地址，但是仍然按照升序重新排列好了。

说明：

看红色框中的参数类型，来复习一下const的用法。

• 通常情况下const T& x，目的是防止x被修改。
• 此时是T*类型的变量，仍然需要防止变量被修改。
• T* const& x，也是防止x被修改。
• const T*& x，防止的是指针x指向的内容被修改。

📕分离编译

通常我们会将定义的类，函数声明等等放在一个头文件中，具体的实现放在源文件中，采用声明和定义分离的方式。

同样，模板类也可以这样。以vector举例。

头文件中代码：

#include <iostream>namespace wxf
{template<class T>class vector{public:vector(int capacity = 10);int size();private:T* _arr;int _size;};
}

源文件中代码：

#include "myvector.h"namespace wxf
{template<class T>vector<T>::vector(int capacity):_arr(nullptr),_size(capacity){std::cout << "成功创建" << std::endl;}template<class T>int vector<T>::size(){return _size;}
}

此时对于我们实现的这个vector模板类，就是采用的声明和定义分离的方式。

但是在使用的时候，报的是链接错误。

原因分析

首先回忆一下编译链接的过程，它有如下几步：

1. 预处理

myvector.h		myvector.cpp 	test.cpp

• 将头文件在两个源文件中展开
• 去注释
• 宏替换
• 条件编译

2. 编译

myvector.i		test.i

• 两个.i文件分别进行编译，互相独立。
• 进行词法分析，语法分析，生成中间代码，优化(生成汇编语言)。
• 形成符号表，错误表等。

3. 汇编

myvector.s		test.s

• 两个.s文件分别进行汇编，相互独立。
• 生成二进制机器码。

4. 链接

myvector.o		test.o

• 多个.o文件进行链接。
• 合并符号表。
• 生成可执行文件。

两个源文件进行编译链接的过程是独立的。

对于myvctor.cpp：

• 在编译的时候会形成符号表。
• 由于此时只有模板类的声明和定义，并没有实例化，所以不能形参一个完整的类。
• 所以在最后生成的.o中，没有生成符号表。

对于test.cpp：

• 同样在编译的时候会形成符号表。
• 由于此时只有模板类的实例化和声明，但是没有定义。
• 所以生成暂时的符号表，等链接时候去寻找定义。

链接过程：

• 当test.o根据自己的符号表去myvector.o的符号表中寻找相同符号的具体定义时。
• 发现myvector.o中没有生成符号表，所以无法找到定义，也就是无法完成链接。
• 所以报链接错误。

解决方案一：

我们知道在myvector.cpp中确实模板类的实例化，所以给它加上实例化：

此时创建成功。

解决方案二：

我们知道，在test.cpp中确实模板类的定义，所以我们给它加上定义：

同样创建成功。

虽然两种方案都可以解决，但是第一种使用的非常别扭，所以我们常常使用第二种方案的改进版本。

• 在预处理的时候，myvector.h被复制展开到了test.cpp中，所以有了模板类的声明。
• 在test.cpp中增加模板类的定义后，相比于最开始的test.cpp，既有了声明又有了定义。
• 所以我们将声明定义都放在myvector.h中，在预处理后，test.cpp中自然就又有了声明，也有了定义。

• 若将模板类的定义放在实例化之前，那么就可以不要模板类的声明。
• 因为编译器是从下往上找，所以从实例化处向上寻找之间可以找到定义，声明和没有必要了。

通常将同时有模板类的声明和定义的文件，取后缀为.hpp。

此时同样创建成功，而且和我们之前写类模板的方式一样，用起来和看起来都很舒服。

强烈不建议使用声明和定义分离的方式，要使用.hpp的方式。

📕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：

• 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。

以上便是模板进阶的全部内容，未涉及到的细节，在后面使用到的时候再详细介绍。