【C++模版】模版进阶 {非类型模版参数； 模版的特化； 模版的分离编译； 模版总结}

一、非类型模版参数

1. 模板参数分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。
2. C++11新增了array容器，array实际上就是模板类型的静态数组：

//array的部分底层实现等效于以下代码：
template<class T, size_t N = 10> //不管是类型参数还是非类型参数都可以给默认值
class array
{
public:T& operator[](size_t index){assert(index < _size); //会对访问范围进行检查return _array[index];}const T& operator[](size_t index)const{assert(index < _size);return _array[index];}size_t size()const{return _size;}bool empty()const{return 0 == _size;}
private:T _array[N]; //静态数组size_t _size = N;
}；

array VS 普通数组

• array对比普通数组的优势在于：array对访问范围进行严格的检查，基本不会出现越界访问的问题。

• 而普通数组只对范围后的部分空间进行抽查；且只检查越界写，不检查越界读；

#include <iostream>    
#include <array>    
using namespace std;    int main()    
{    array<int, 10> a1;    //a1[10];  //严格检查，运行崩溃    //a1[15];  //严格检查，运行崩溃  int a2[10];cout << a2[10] << endl;   //越界读，正常运行 cout << a2[15] << endl;   //越界读，正常运行 //a2[10] = 1;  //越界写，部分抽查，运行崩溃  a2[20] = 1; //越界写，部分抽查，正常运行  cout << a2[20] << endl;                                                    
}

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. 非类型模板参数必须传常量（const变量也行），不能传变量。

3. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

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二、模版的特化

2.1 概念

模版的特化，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 函数模版的特化

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。

//1. 基础函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}// 对Less函数模板进行特化
template<> //2.
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right) //3.4.
{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。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，特化时比较复杂，因此函数模板不建议特化。

2.3 类模版的特化

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。

template<class T1, class T2> //基础模版
class Data
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};template<>
class Data<int, char> //全特化模版
{
public:Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:int _d1;char _d2;
};void TestVector()
{Data<int, int> d1; //调用基础模版Data<int, char> d2; //调用特化模版
}

2.3.2 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> //基础模版
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
template <class T1> //部分特化模版
class Data<T1, int>
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:T1 _d1;int _d2;
};

• 参数限制特化：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> //限制特化模版
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> //限制特化模版
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——部分特化Data<int , double> d2; // 调用基础的模板Data<int *, int*> d3; // 调用特化的指针版本——限制特化Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的引用版本——限制特化
}

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三、模版的分离编译

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.h
template<class T> //声明
T Add(const T& left, const T& right); // a.cpp
template<class T> //定义
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{Add(1, 2); //调用Add(1.0, 2.0);return 0;
}

像这样模版的分离编译会发生链接错误，原因如下：

错误原因：编译过程中，a.cpp中定义的函数模版未能完成实例化。由于类型不明确，其代码也就没有编译成指令，该函数也就没有进入符号表。链接时自然就找不到了。

3.3 解决方法

1. 将模版的声明和定义放到一个.hpp 或者.h文件中其实也是可以的。推荐使用这种方法。

   • 头文件在预处理阶段展开，使模版的定义和调用在同一文件下。模版的实例化能够正常进行，且函数的地址在编译阶段就可以确定。

   • 模版的声明和定义在同一个文件中但可以分开来写：简单函数直接在类中定义，默认内联；复杂函数在类外定义，需要写明类域。声明和定义分离能使模版的结构更清晰，代码的可读性更高。

注意：当指定一个没有经过实例化的类模版其中的内嵌类型(内部类或typedef)时，需要在类型前加typename；告诉编译器，后面这一串是类型不是静态成员。

2. 在模板定义的位置使用template + 类型显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

   • 每调用一种新类型的模版，就需要在源文件中（模板定义的位置）手动进行一次显式的实例化，不实用。

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四、模版总结

【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，不易定位错误