【C++干货基地】C++模板深度解析：进阶技巧与高级特性掌握（按需实例化、全特化与偏特化）

鸽芷咕
187 阅读6分钟

引入

  哈喽各位铁汁们好啊，我是博主鸽芷咕《C++干货基地》是由我的襄阳家乡零食基地有感而发，不知道各位的城市有没有这种实惠又全面的零食基地呢？C++ 本身作为一门篇底层的一种语言，世面的课程大多都没有教明白。所以本篇专栏的内容全是干货让大家从底层了解C++，把更多的知识由抽象到简单通俗易懂。

@TOC

一、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。

🔥 ==简单来讲就是模版也支持缺省参数==

1.1 非类型模板参数的使用示例

当我们想要定义一个模板类型的静态数组的时候，需要一个缺省参数来为我们确定默认开辟空间的大小。而又要符合我们开辟时根据我们形参的效果去接受参数就可以使用默认

namespace gugu
{
	// 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;
	};
}

这样当我们不给参数默认创建这类的时候，N 就会默认为10.而我们还可以去给他传参数就和函数的缺省参数一个用法。

在这里插入图片描述

1.2 非类型模板参数的使用注意规则

🔥 ==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。== 🔥 ==也就就是模版参数只支持整形==

二、模板的特化

2.1 函数模板的特化

什么是模版的特化呢？其实模版的特化就是针对一些特殊类型特殊处理比如，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板，普通情况下是进行比较是完全没问题的但是如果使用指针进行比较呢？

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
	return left < right;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 9;

	cout << Less(a, b) << endl; // 可以比较，结果正确
	int* p1 = &a;
	int* p2 = &b;
	cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果错误
	return 0;
}
  • 这个时候就需要对这个场景进行特殊处理了

函数模板特化的语法

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。==

实战代码


// 函数模板
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
   cout << "bool Less(T left, T right)" << endl;

   return left < right;
}

// 特化，针对某些特殊类型可以进行特殊处理
template<>
bool Less(Date* left, Date* right)
{
   return *left < *right;
}

//函数模版特化重载
template<class T>
bool Less(T* left, T* right)
{
   cout << "bool Less(T* left, T* right)" << endl;
   return *left < *right;
}

int main()
{

   int a = 10, b = 20;
   int* pa = &a;
   int* pb = &b;
   cout << Less(1, 2) << endl;

   cout << Less(pa, pb) << endl;

   Date d1(2022, 7, 7);
   Date d2(2022, 7, 8);
   cout << Less(d1, d2) << endl; 

   Date* p1 = new Date(2022, 7, 7);
   Date* p2 = new Date(2022, 7, 8);
   cout << Less(p1, p2) << endl; 

   int* p3 = new int(3);
   int* p4 = new int(4);
   cout << Less(p3, p4) << endl;

   return 0;
}

函数模板总结(不建议使用，一般使用函数重载)

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。

2.1 类模板的特化

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。
// 类模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:
	T1 _d1;
	T2 _d2;
};

// 全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
};

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：

// 半特化/偏特化
template<class T1>
class Data<T1, char>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, char>" << endl; }
};

// 半特化/偏特化，不一定是特化部分参数，可能是对参数的进一步限制
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
};

template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2*>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1&, T2*>" << endl; }
};

三、模板的按需实例化

前面我们说了模板这个东西就类似生活中的模具，但是C++模板是把所有场景的内容生成嘛？这样无疑是太浪费空间了

  • 在C++中模板是按需求实例化的，如果我们用不上模板里面的函数那么它就不会去实例化。

3.1 按需实例化的证明

这里我们故意在 operator[] 这里写了一个错误的函数调用但是 当我们只要没有使用这个函数是编译器就不会为我们实例化所以也就不会报错。

在这里插入图片描述

四、模板分离编译的问题

当模板按需实例化时进行编译时就会发生一个问题，我们函数编译要经过 4各阶段预处理-> 编译-> 汇编-> 链接

在这里插入图片描述 预处理：

  • 这个时候还没有任何问题语法检查也过了

但是编译时：

  • Array.c 文件中 size() 不知道 T 和 N 的类型就无法完成实例化 导致没有生成函数地址到符号表里，就导致报错
  • fun() 函数在头文件 Array.h 展开到 Array.c 文件中 就有了声明，所以会直接生成函数地址到符号表
  • 而 Array.h 文件中 是被在 test.c 调用了的 // 构造函数 gugu::array a1; 所以知道 T 和 N 的类型完成实例化没有报错

4.1 解决方法

  1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。
  2. 模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用

📝文章结语：

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