【C++】格式与实例化操作——[模板]详解（7）

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前言

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主要内容含：

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一. 模板参数与模板参数列表

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(typename)后面的参数类型名称
• 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

1)模板参数&模板参数列表

2)非类型模板参数

• 非类型模板参数主要用于定义一个【静态栈】例如array
• 要注意非类型模板参数只能用于整型 【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
  

// 静态栈
// 非类型模板参数
// 1、常量
// 2、必须是整形
template<class T, size_t N>
class Stack
{
public:
	void func()
	{
		// 常量，不能修改(调用func会报错)
		N = 0;
	}
private:
	T _a[N];
	int _top;
};

二.函数模板

1)函数模板概念

• 函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化， 根据实参类型产生函数的特定类型版本 ;

2)函数模板的格式

​template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
 T temp = left;
 left = right;
 right = temp;
}
//可识别不同的同种类型交换（例：char与char，int与int，double与double）

PS:typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替class) ;

3)函数模板的实例化

引入：

• 用不同类型的参数使用函数模板时，称为 函数模板的实例化 。模板参数实例化分为： 隐式实例化 和 显式实例化
• PS:实例化实现的任务是交给编译器的

1.【隐式实例化】

引入：

• 隐式实例化的机制是让编译器 根据实参推演模板参数的实际类型 ，而这往往会出现一些问题

• 适用情况：其交换的两者是同一类
  

• 不适用情况：其交换的两者 不是同一类

template<class T> 
 T Add(const T& left, const T& right) 
 { 
   return left + right;
 }

int main()
 {  
   int a1 = 10;  
   double d1 = 10.0;
   Add(a1, d1); //解决方式：Add(a1, (int)d1);强制类型转换 }
 }

分析：

• 该语句不能通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型
• 通过实参a1将T推演为int类型 ，通过实参d1将T推演为double类型 ，但模板参数列表中只有一个T，
• 编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错

解决方式：

• 用户自己强制类型转换Add(a1, (int)d1);
• 显式实例化

2.【显式实例化 】

显式实例化：在函数名后的<>中 指定 模板参数的实际类型

 int main(void)
  { 
   int a = 10;  
   double b = 20.0;  
    // 显式实例化 
   Add<int>(a, b);  
   return 0;
 }

3.【模板参数的匹配原则 】

1. 一个非模板函数可以和一个 同名 的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数
2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以 产生一个具有更好匹配的函数， 那么将选择模板
3. 模板函数不允许自动类型转换 ，但普通函数可以进行自动类型转换

4)函数模板的特化

1.【特化的使用场景】

• 特化有其使用需求与场景，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板
• 用于比较【整型】【日期类Date】时，可以正常比较，但要用于比较【日期类指针】指向的【日期类】的大小时，需求无法完成

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;
}
int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl; // success
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // success
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 比较的是指针的大小，需求无法完成
 return 0;
}

2.【特化的步骤】

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 【当传入参数类型是特化类型时，则不走模板生成】
4. 函数形参列表: 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)

//基础的函数模板
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
 return left < right;                          //步骤1：先有一个基础的函数模板
}

// 对Less函数模板进行特化
template<>                                     //步骤2：关键字template后面接一对空的尖括号
bool Less<Date*>                               //步骤3：函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
(Date* left, Date* right)                      //步骤4：函数形参列表要和模板函数的基础参数类型完全相同
{ 
return *left < *right;
}

int main()
{
 cout << Less(1, 2) << endl; // success
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 8);
 cout << Less(d1, d2) << endl; // success
 Date* p1 = &d1;
 Date* p2 = &d2;
 cout << Less(p1, p2) << endl; // 比较的是指针的大小，需求无法完成
 return 0;
}

3.【结论：函数模板不建议特化】

• 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

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

三.类模板

1)类模板的格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class xxx//(类模板名)
{
 // 类内成员定义
}; 

2)类模板的实例化

• 类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可 ，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类 ;

Vector<int> s1; 
Vector<double> s2; 

3)区分访问类模板时用【类型】而非【类名】

注意区分：

• 在类中：类名等同于类型
• 在类模板中：类型是类型，类名是类名

例如：

• 在下面代码中，类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表；在访问类模板时，用的是Vector（类型），而不是Vector（类名）;

template<class T>
 class Vector
 { 
 public :
  Vector(size_t capacity = 10)
  : _pData(new T[capacity])
  , _size(0)
  , _capacity(capacity)
  {}
  // 使用析构函数演示：在类中声明，在类外定义。
  ~Vector();
  void PushBack(const T& data)；
  void PopBack()；
// ...
  size_t Size()
{
   return _size;
}
  T& operator[](size_t pos)
{
   assert(pos < _size);
   return _pData[pos];
}
private:
T* _pData;
size_t _size;
size_t _capacity;
};

// 注意：类模板中的函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template <class T>
Vector<T>::~Vector()//这里是用类型访问类模板
{
if(_pData)
delete[] _pData;
_size = _capacity = 0;
}

4)使用类模板内相关时的注意事项【假设场景：取类模板内的迭代器】

• 当我们想要实现一个打印任意容器元素的print函数，我们需要遍历容器，于是设置了模板参数Container
• 如果我们直接写成Container::const_iterator it = v.begin(); 形式，其中的const_iterator可能是静态变量，内部类名等等
• 所以我们要在前面加上typename，确保编译器能够识别到其是类型，等模板实例化再去找

//template<typename Container>
template<class Container>
void Print(const Container& v)
{
	// 编译不确定Container::const_iterator是类型还是对象
	// typename就是明确告诉编译器这里是类型，等模板实例化再去找
	
	//  Container::const_iterator it = v.begin();  
	typename Container::const_iterator it = v.begin();
	
	auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

5) 类模板的特化【全特化&偏特化】

[1]简单介绍

• 全特化即是将模板参数列表中的所有参数都确定化
• 偏特化即是【任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本】：部分参数确定化，增加限定条件（指针/引用）
• 特化后的类是新的类，不用带上原类所有的成员变量或者函数，编译器会处理这块问题
• 特化后的类不能独立于原类存在

[2]全特化

template<>
class Data<int, char>

[3]偏特化

  template <typename T1>
  class Data<T1, char>//部分特化——————————>特化的char模板

  template <typename T1, typename T2>
  class Data <T1*, T2*>//两个参数偏特化为指针类型
  class Data <T1&, T2&>//两个参数偏特化为引用类型

  Data<double , int> d1; // 调用特化的char模板
  Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
  Data<int *, int*> d3; //调用特化的指针模板

[4]偏特化运用场景

#include<vector>
#include <algorithm>

template<class T>
struct Less
{
   bool operator()(const T& x, const T& y) const
  {
    return x < y;
  }
};
// 对Less类模板按照指针方式特化
template<>
struct Less<Date*>
{
   bool operator()(Date* x, Date* y) const
  {
    return *x < *y;
   }
};

int main()
{
 Date d1(2022, 7, 7);
 Date d2(2022, 7, 6);
 Date d3(2022, 7, 8);
 vector<Date> v1;

//场景1
 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(), Less<Date>());
 //场景2
 vector<Date*> 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(), Less<Date*>());

 return 0;
 }

四. 模板的分离编译报错【声明定义要放在一个源（头）文件中】

1）分离编译模式

• 定义：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。

2）程序运行步骤简述

• 要经过：预处理–>编译–>汇编–>链接
• 编译：对程序进行一些分析&错误检查后生成汇编代码；
• 头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是单独分开编译【把.c文件编译成.obj文件】
• 链接：将多个obj文件合并成一个，处理没有解决的地址问题

3）报错内容：“无法解析的外部符号”

• 如下所示：
  

报错原因分析:

• 由于模板声明和定义是分离的，模板定义部分是在.c文件中，经过编译阶段变成.obj文件
• 在.c文件中，编译器没有看到到对模板函数的实例化，因此不会生成对应函数
• 最后编译器在链接阶段会去找函数的地址，但是在上一步中函数没有实例化没有生成具体的代码，因此报错

4）类模板在C++11支持声明定义分离

• 在 C++中，类模板的声明和定义必须放在一起，因为编译器在编译时需要检查类模板的具体实现。如果将声明和定义分离，编译器就无法检查类模板的具体实现，这将导致编译错误。

• 在 C++11 中引入了模板具体化 (template specialization 的概念，允许程序员在另一个文件中声明和定义模板的一个特殊版本，但这只适用于模板具体化，对于普通的类模板而言，声明和定义仍然必须放在一起。

文章来源:https://blog.csdn.net/YYDsis/article/details/133700854
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