当前位置：首页 > news >正文

【C++初阶】--- 模板进阶

news 来源：原创 2025/7/13 17:55:30

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。

注意：

非类型模板参数必须是整型常量(有符号/无符号：char、short、int、long、long long、bool)
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。
非类型模板参数必须要在编译期才能确认结果。

namespace wsj
{//T是类型模板参数，N是非类型模板参数template<class T,size_t N=10>class array{private://模板中可以将非类型模板参数当作常量使用T _array[N];size_t size;};
}

2.array

• 在 C++ 标准库中，std::array 是一个固定大小的容器，它可以存储一组相同类型的元素。
• array开辟空间的效率比vector要高一些，因为array开的是静态数组，是在栈上开的，而vector开的是动态数组，是在堆上开的,栈上开空间比堆上开空间效率高。
• 普通数组越界读不会检查，越界写会抽查。array越界读和写都可以检查。

老一点的编译器越界写只会检查数组最后一个元素的后两位，这两位的值为-1，如果被修改则说明越界访问了。
在这里插入图片描述

3.模板的特化

3.1特化的概念

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进行小于比较的函数模板。

#include<iostream>
using namespace std;class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 10, int day = 15):_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;
};template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}int main()
{cout << Less(1, 2) << endl;//可以比较，结果正确Date d1(2025, 4, 23);Date d2(2025, 4, 24);cout << Less(d1, d2) << endl;//可以比较，结果正确Date d3(2025, 4, 24);Date d4(2025, 4, 24);Date* p1 = &d3;Date* p2 = &d4;cout << Less(p1, p2) << endl;//可以比较，结果错误return 0;
}

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d3显然等于p2指向的d4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。

3.2函数模板特化

函数模板的特化步骤：

必须现有一个基础的函数模板
关键字template后面接一对空的尖括号<>
函数名后面跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
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位。

上方代码的特化结果如下：

//原模版
template<class T>
bool Less(const T& left, const T& right)
{return left < right;
}//函数模板特化
//const在*右边修饰的是本身，在左边修饰的是指向内容
template<>
bool Less<Date*>(Date * const& left, Date * const& right)
{return *left < *right;
}

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;
}

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，特化时特别给出，因此函数模板不建议特化。

3.3类模板特化

3.3.1全特化

全特化即将模板参数列表中的所有的参数都确定化

#include<iostream>
using namespace std;template<class T1,class T2>
class Date
{
public:Date(){cout << "Date<T1,T2>" << endl;}private:T1 _d1;T2 _d2;
};//全特化
template<>
class Date<int, char>
{
public:Date(){cout << "Date<int,char>" << endl;}private:int _d1;char _d2;
};int main()
{Date<int, int> d1;//调的模板Date<int, char> d2;//调的特化return 0;
}

3.3.2偏特化/半特化

偏特化：任何对模板参数进一步进行条件限制涉及的特化版本。比如对于以下类模板：

emplate<class T1,class T2>
class Date
{
public:Date(){cout << "Date<T1,T2>" << endl;}private:T1 _d1;T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表示方式：

部分特化：将类模板参数列表中的一部分参数特化。

//将第二个参数特化为int
template<class T1>
class Date<T1, int>
{
public:Date(){cout << "Date<T1,int>" << endl;}
private:T1 _d1;int _d2;
};

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。

注意：虽然传的是引用和指针，但T1和T2依旧是原类型，比如传的是int&和char*，则T1是int，T2是char

//两个参数偏特化为引用和指针
template<class T1, class T2>
class Date<T1&, T2*>
{
public:Date(){cout << "Date<T1&,T2*>" << endl;}
private:T1* d1;T2* d2;
};

4.模板分离编译

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。

4.1模板的分离编译

模板不支持声明和定义分离，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：

// Func.h声明
//模板函数
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
//普通函数
void func(const int& left, const int& right);// Func.cpp定义
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{cout << "T Add(const T& left, const T& right)" << endl;return left + right;
}void func(const int& left, const int& right)
{cout << "void func(const int& left, const int& right)" << endl;
}// test.cpp
#include"a.h"
int main()
{Add(1, 2);func(1, 2);return 0;
}

C/C++程序要运行，一般要经历以下步骤：
预处理—>编译—>汇编—>链接

预处理：头文件展开/宏替换/条件编译/去掉注释…，生成.i文件
编译：检查语法，生成汇编代码，生成.s文件
汇编：汇编代码转换成二进制机器码,生成.o文件(目标文件)
.o文件中包含符号表，符号表记录每个文件中定义和引用的符号（像函数名、变量名等），假如文件A中的函数调用了文件B里定义的函数，编译器就会通过符号表找到文件B中该函数的定义地址，然后文件A中的函数调用指向这个地址。
链接：将目标文件合并在一起是生成可执行程序，并且把需要的函数地址等链接上，生成.exe文件

所以上述代码中，Func.cpp中的func函数会进入符号表，而模板函数Add还没有生成具体的函数，所以不会进入符号表。
而test.cpp文件中包含声明的头文件，所以能编译过，但调用模板函数的时候会报错，因为在符号表中找不到其地址
在这里插入图片描述
为什么编译器允许有声明就能过，举个例子，就好比买房子，我们有了声明就相当于交了定金，交了定金这套房暂时就不会卖给别人，但这套房要给你的话你还需要一周后交定金，而这个定金在符号表中，而我们符号表中没有我们需要的函数地址，因此我们交不出定金，那这套房依旧不是我们的，因此链接报错

4.2解决方法

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。因为定义在头文件当中，我们包了头文件就相当于包含了模板的声明和定义，那程序编译的时候就可以将模板实例化成对应的函数。
模板定义的位置显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。

//显示实例化
template
int Add(const int& left, const int& right);