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前言

初階模板地址：點擊跳轉(zhuǎn)

一、typename和class的區(qū)別

在以前博客我們說過，定義模板參數(shù)關(guān)鍵字可以用typename，也可以用class，它們是沒有區(qū)別的，可是真的沒有區(qū)別嗎？來看看以下這個例子

假設(shè)要打印容器的數(shù)據(jù)，要封裝一個打印函數(shù)（以迭代器的方式）

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;void Print(const vector<int>& v)
{vector<int>::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << ' ';it++;}cout << endl;
}int main()
{vector<int> v{ 10,20,30,40,50 };Print(v);return 0;
}

【輸出結(jié)果】

以上代碼雖然可以正常輸出，但它只能打印vector<int>類型容器的數(shù)據(jù)，若要打印vector<double>，又或者是list容器的數(shù)據(jù)，那么這樣就寫死了，有人想可以用函數(shù)模板。

代碼如下：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 把class換成typename也是可以的
template<class Container>
void Print(const Container& v)
{Container::const_iterator it = v.begin();while (it != v.end()){cout << *it << ' ';it++;}cout << endl;
}int main()
{vector<int> v{ 10,20,30,40,50 };Print(v);return 0;
}

【輸出結(jié)果】

使用函數(shù)模板后發(fā)現(xiàn)以上代碼報錯了，提示說需要在Container前加上typename

那么為什么必須要加上typename呢？

這是因為編譯器在編譯的時候是從上往下的，當編譯到Container::const_iterator it時，Container還沒實例化，那么此時編譯器區(qū)分不了Container是類型還是類對象（靜態(tài)成員變量Container::const_iterator）。vector<int>是實例化出來的，加上域作用限定符::去找其內(nèi)嵌類型(迭代器)，所以不會報錯。因此，編譯器要求加上typename告訴Container是類型。

二、非類型模板參數(shù)

2.1 概念

模板參數(shù)分為：類型形參與非類型形參

• 類型形參：出現(xiàn)在模板參數(shù)列表中，跟在class或者typename之類的參數(shù)類型名稱。

• 非類型形參：將常量作為類(函數(shù))模板的一個參數(shù)，在類(函數(shù))模板中可將該參數(shù)當成常量來使用。

舉個例子：定義一個模板類型的靜態(tài)數(shù)組

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// size_t N = 10 - 非類型形參
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;
};

需要注意的是，非類型模板參數(shù)必須滿足以下兩點：

1. 必須是常量，不可被修改
2. 必須是整型。整型家族有：char、short、bool、int、long、long long等

因此可以得出，非類型模板參數(shù)一般是用來定義一個數(shù)組的大小的

2.2 實際例子：array容器

在C++11標準中，引入了一個容器array，它的底層使用了非類型模板參數(shù)，是一個真正意義上的泛型數(shù)組，這個是用來對標傳統(tǒng)數(shù)組的。

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;int main()
{int arr[10] = { 0 }; //傳統(tǒng)數(shù)組array<int, 10> _array; //array容器// 讀arr[12];	  _array[12];// 寫arr[12] = 0;	_array[12] = 10;return 0;
}

對比傳統(tǒng)數(shù)組：

• array也并沒有進行初始化。
• array新數(shù)組對于越界讀、寫檢查更為嚴格。傳統(tǒng)數(shù)組越界讀寫，不會發(fā)生報錯；而array數(shù)組則會報錯。

雖然對越界行為檢查嚴格 ，但在實際開發(fā)中，很少使用array容器，因為它對標傳統(tǒng)數(shù)組，連初始化都沒有，而vector也是類似于數(shù)組的容器，在功能和實用性上可以全面碾壓，并且 array使用的是棧區(qū)上的空間，會存在棧溢出問題，因此可以說array是一個雞肋的容器。

三、模板特化

3.1 概念

模板特化顧名思義就是對模板(泛型思想)的特殊化處理 。模板特化中分為函數(shù)模板特化與類模板特化。

通常情況下，使用模板可以實現(xiàn)一些與類型無關(guān)的代碼，但對于一些特殊類型的可能會得到一些錯誤的結(jié)果，需要特殊處理。

比如：實現(xiàn)一個專門用來進行小于比較的函數(shù)模板

#include <iostream>
using namespace std;template<class T>
bool Less(T x, T y)
{return x < y;
}int main()
{int a = 1;int b = 2;cout << Less(a, b) << endl; // 可以比較，結(jié)果正確int* p1 = &a;int* p2 = &b;cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比較，結(jié)果錯誤return 0;
}

【輸出結(jié)果】

上述示例中，p1指向的a顯然小于p2指向的b，但是Less內(nèi)部并沒有比較p1和p2指向的對象內(nèi)容，而比較的是p1和p2指針的地址。

因此，就需要對模板進行特化。即在原模板函數(shù)的基礎(chǔ)上，針對特殊類型所進行特殊化的實現(xiàn)方式。

3.2 函數(shù)模板特化

函數(shù)模板的特化步驟：

1. 必須要先有一個基礎(chǔ)的函數(shù)模板
2. 關(guān)鍵字template后面接一對空的尖括號<>
3. 函數(shù)名后跟一對尖括號，尖括號中指定需要特化的類型
4. 函數(shù)形參必須要和基礎(chǔ)的模板函數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)類型完全相同

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;// 必須要先有一個基礎(chǔ)的函數(shù)模板
template<class T>
bool Less(T x, T y)
{return x < y;
}// 對Less函數(shù)模板進行特化
template<> // 關(guān)鍵字template后面接一對空的尖括號<>
// 函數(shù)名后跟一對尖括號，尖括號中指定需要特化的類型
bool Less<int*>(int* x, int* y) // 函數(shù)形參必須要和基礎(chǔ)的模板函數(shù)的基礎(chǔ)參數(shù)類型完全相同
{return *x < *y;
}int main()
{int a = 1;int b = 2;cout << Less(a, b) << endl; // 可以比較，結(jié)果正確int* p1 = &a;int* p2 = &b;cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比較，結(jié)果錯誤return 0;
}

【輸出結(jié)果】

不過對于函數(shù)模板特化來說，存在一個更加方便的東西：函數(shù)重載同樣也能解決特殊需求

bool Less(int* x, int* y)
{return *x < *y;
}

3.3 類模板特化

模板特化主要用在類模板中，它可以在泛型思想之上解決大部分特殊問題，并且類模板特化還可以分為：全特化和偏特化

3.3.1 全特化

全特化指將原模板參數(shù)列表中所有的參數(shù)都確定化

注意：在進行全特化前

1. 需要存在最基本的泛型模板
2. 全特化模板中的模板參數(shù)可以不用寫
3. 需要在類名之后，指明具體的參數(shù)類型，否則無法實例化出對象

// 原模板
template<class T1, class T2>
class Test
{
public:Test(const T1& t1, const T2& t2):_t1(t1), _t2(t2){cout << "Test(const T1& t1, const T2& t2)" << endl;}private:T1 _t1;T2 _t2;
};// 全特化后的模
// 將原模板參數(shù)列表中所有的參數(shù)都確定化
template<>
class Test<int, char>
{
public:Test(const int& t1, const char& t2):_t1(t1), _t2(t2){cout << "Test<int, char>" << endl;}private:int _t1;char _t2;
};int main()
{Test<int, int> T1(1, 2);Test<int, char> T2(20, 'c');return 0;
}

調(diào)用時會優(yōu)先選擇更為匹配的類模板

3.3.2 偏特化

偏特化有以下兩種表現(xiàn)方式

• 部分特化

顧名思義只特化一部分模板參數(shù)

// 原模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }private:T1 _d1;T2 _d2;
};// 偏特化// 將第二個參數(shù)特化為int
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
private:T1 _d1;int _d2;
};

• 參數(shù)更進一步的限制

即不僅僅指特化部分參數(shù)，而是針對模板參數(shù)的更進一步的條件限制所設(shè)計出來的一個特化版本

借助偏特化解決指針無法正常比較問題

class Date
{
public:Date(int year = 1970, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}bool operator<(const Date& d)const{return (_year < d._year) ||(_year == d._year && _month < d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);}bool operator>(const Date& d)const{return (_year > d._year) ||(_year == d._year && _month > d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);}private:int _year;int _month;int _day;
};//原來的比較模板
template<class T>
class Less
{
public:bool operator()(T x, T y) const{return x < y;}
};//偏特化后的比較模板
template<class T>
class Less<T*>
{
public:bool operator()(T* x, T* y) const{return *x < *y;}
};int main()
{Date d1 = { 2018, 4, 10 };Date d2 = { 2023, 5, 10 };cout << "d1 < d2: " << Less<Date>()(d1, d2) << endl;cout << "&d1 < &d2: " << Less<Date*>()(&d1, &d2) << endl;int a = 1;int b = 2;cout << "&a < &b: " << Less<int*>()(&a, &b) << endl;return 0;
}

四、模板分離編譯問題

4.1 什么是分離編譯

一個程序（項目）由若干個源文件共同實現(xiàn)，而每個源文件單獨編譯生成目標文件，最后將所有目標文件鏈接起來形成單一的可執(zhí)行文件的過程稱為分離編譯模式。

4.2 模板的分離編譯

假如有以下場景，模板的聲明與定義分離開，在頭文件中進行聲明，源文件中完成定義：

【程序結(jié)果】

出現(xiàn)了鏈接錯誤！！！

【分析】

代碼從文本變?yōu)榭蓤?zhí)行程序所需要的步驟：

1. 預處理：頭文件展開、宏替換、條件編譯、刪除注釋，生成純凈的C/C++代碼
2. 編譯：語法/詞法/語義分析，錯誤檢查無誤后生成匯編代碼。注意：頭文件不參與編譯，編譯器對工程中的多個源文件是分離開并且單獨編譯的
3. 匯編：生成符號表，生成二進制指令
4. 鏈接：將符號表進行合并，并處理地址問題

當模板的聲明和定義分離時，在realize.cpp中，由于是 泛型，編譯器無法確定函數(shù)原型（實例化），因此無法生成函數(shù)，也就無法獲得函數(shù)地址，在進行鏈接時，無法在符號表中找到目標地址進行跳轉(zhuǎn)，導致鏈接錯誤

除了模板以外，還有一個很常見的連接錯誤，有函數(shù)聲明，卻沒有定義

4.3 解決方法

1. 將聲明和定義放到一個文件（推薦使用這種）

template<class T>
T add(const T x, const T y)
{return x + y;
}

2. 在函數(shù)定義時進行模板特化，編譯時生成地址以進行鏈接（不推薦使用）

template<>
int add(const int x, const int y)
{return x + y;
}

五、小結(jié)

模板的優(yōu)點：

1. 模板復用了代碼，節(jié)省資源，更快的迭代開發(fā)，C++的標準模板庫(STL)因此而產(chǎn)生
2. 增強了代碼的靈活性

模板的缺陷：

1. 模板會導致代碼膨脹問題，也會導致編譯時間變長
2. 出現(xiàn)模板編譯錯誤時，錯誤信息非常凌亂，不易定位錯誤