【C++笔记】模版的特化及其编译分离

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了容器适配器和deque。今天我们来讲一下模版进阶。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

一.模版

1.1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。

非类型参数是个常量。
非类型参数通常用于定义静态数组或其他容器的大小。

// 定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
class array
{
private:T _array[N];size_t _size;
};

• 对比宏
  宏也可以实现类似的效果.
  但是宏的定义是写死的，而我们的非类型参数可以是任意大小。
  
  例如这里宏定义就只能实现5个大小的容器。

• 原理
  非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
  非类型参数的原理还是生成了多个类。
  N是5就是实例化出_array[5]的类

• 指定整形
  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。C++20才支持。
  因为非类型参数数主要是为了方便固定值去定义容器的大小。

• 缺省值
  非类型参数可以给缺省值。
  
  那如果没有模版参数且非类型参数有缺省值。我们是不是可以什么都不用传。
  

但是不支持，C++20之后才支持什么都不传。
C++20之前需要加上<>。

同时非类型参数可以有多个，同时bool也是属于整形家族
所以这里bool也可以做非类型模版参数

namespace qcj
{// 定义一个模板类型的静态数组template<size_t N = 10, bool flag=1>class array{private:int _array[N];size_t _size;};
}

• array和静态数组
  

库里的array就是用到了非类型模版参数。
array和静态数组有什么优势呢？
array在越界检查方面更严格。
同时array开空间效率更高。

二.模板的特化

2.1特化的定义

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行小于比较的函数模板

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。

换句话说就是特化对某些情况进行特殊处理。

2.2 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。

例如我们这里想让日期类按照日期比较
那我们就可以这样写

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}

所以特化就是特殊处理，例如这里T是Data*时就走下面的模版,其他情况就正常走上面的模版。

bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}

但是我们更推荐写一个函数来特殊处理，因为编译器在模版和现有的函数中会优先选择现有的函数。

2.3底层const

为什么前面我们不推荐用特殊解决呢？

template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{return left < right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(const Date*& left,  const Date*& right)
{return *left < *right;
}

这里我们特化的参数列表明明和原来的模版一模一样会什么还会报错呢？


所以当T是指针类型时，特化版本const要放在指针的右边。

同时如果是const指针我们的特化模版也匹配不上。

我们还需要特化一个const Date*的版本。

所以我们不太推荐函数模板的特化，更推荐直接写函数处理。

2.4 类模板特化

• 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。
  格式如下：

template<class T1, class T2>//原模版
class Data
{
public:Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
private:T1 _d1;T2 _d2;
};
template<>//全特化
class Data<int, char>
{
public:Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
private:int _d1;char _d2;
};

这里下面的就会走全特化。

• 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>
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>
class Data<T1, int>
{
public:Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:T1 _d1;int _d2;
};

需要注意的是，全特化和半特化都可以匹配时。
编译器会优先选择最匹配的，也就是全特化。

• 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。

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
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>
class Data <T1&, T2&>
{
public:Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; }
private:T1 _d1;T2 _d2;
};

这里的两个偏特化就是针对指针类型和引用类型的特化。
也就是说只要是指针或引用就会匹配这两个特化版本。

同时指针和引用混在一起特化也可以。

所以之前我们deque日期类的指针比较仿函数就可以特化指针类型的。
这样就不需要传仿函数进去了。只要是特化就会自动走指针类型的比较

需要注意的是指针或引用的特化是按照特化版本的参数匹配而非原模版。
这样是为了更方便我们在类模版里面使用类型。

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

模版声明和定义会报链接错误。

这里模版声明和定义分离报错主要是没有实例化就不会生成汇编，就不会进入符号表。

• 显示实例化
  所以我们向声明和定义分离时就显示实例化即可。

//显示实例化int类型
template//不需要<>
int Add(const int& left, const int& right);

但是我们更推荐将声明和定义都放在.h这种。

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
• 缺点
  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

后言

这就是模版的特化及其编译分离。大家自己好好消化。今天就分享到这！感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~