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【C++】第十四节—模版进阶(非类型模版参数+模板的特化+模版分离编译+模版总结)

news 2025/7/19 23:48:52

你好，我是云边有个稻草人 

C++—本文章所属专栏，欢迎订阅，持续更新中！

目录

一、非类型模板参数

【非类型模版参数的用处在哪里？ 】

【了解array 容器—array和普通数组的区别在哪里？—对越界的检查】

二、模板的特化（特殊化处理）

2.1 概念

2.2 函数模版特化

【函数模版特化可使用，但不推荐】 

2.3 类模版特化

【全特化】

【偏特化】

 【判断走哪个类模版？】

【类模版特化应用实例】

三、模版分离编译

3.1 什么是分离编译

3.2 模板的分离编译

 【分析】

3.3 解决办法

【分离定义扩展阅读】

四、模板总结

【优点】

【缺陷】

正文开始——

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：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：

  1. 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。
  2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
  3. 类型模版参数和非类型模版参数都可以用缺省值，但是非类型模版参数是有限制的，只能用整型类型，浮点型，类类型等都是不可以的！
【非类型模版参数的用处在哪里？ 】

#include<iostream>
using namespace std;//#define N 10//宏定义//只支持整型
template<class T,size_t N = 10>//非类型模版参数可以给缺省值
class Stack
{
private:T _a[N];int _top;
};////C++20以后才支持浮点数
//template<class T, double N = 10.1>//非类型模版参数可以给缺省值
//class Array
//{
//private:
//};int main()
{Stack<int,20> st1;Stack<int,200> st2;Stack<int> st3;return 0;
}
【了解array 容器—array和普通数组的区别在哪里？—对越界的检查】

二、模板的特化（特殊化处理）

2.1 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

class Date
{
public:Date(int year = 2025, int month = 7, int day = 9):_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));}private:int _year;int _month;int _day;
};//函数模版
template<class T>
bool Less(T left,T right)
{return left < right;
}int main()
{Date d1(2025, 7, 9);Date d2(2025, 9, 9);Date* p1 = new Date(2025, 8, 9);Date* p2 = new Date(2025, 10, 9);cout << Less(1, 2) << endl;//可以判断，结果正确cout << Less(d1, d2) << endl;//可以判断，结果正确cout << Less(p1, p2) << endl;//结果随机。其实这里是对new出来的地址进行比较，当然是随机，那怎么办？—特化！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。

2.2 函数模版特化

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。
class Date
{
public:Date(int year = 2025, int month = 7, int day = 9):_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));}private:int _year;int _month;int _day;
};//函数模版
template<class T>
bool Less(T left,T right)
{return left < right;
}//注意语法—模版参数是空的，下面要有Date*
//当Less的参数类型是Date*时就不会去走上面的函数模版了，而是直接走下面的函数特化
template<>
bool Less<Date* >(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}int main()
{Date d1(2025, 7, 9);Date d2(2025, 9, 9);Date* p1 = new Date(2025, 8, 9);Date* p2 = new Date(2025, 10, 9);cout << Less(1, 2) << endl;//可以判断，结果正确cout << Less(d1, d2) << endl;//可以判断，结果正确cout << Less(p1, p2) << endl;//结果随机。其实这里是对new出来的地址进行比较，当然是随机，那怎么办？—特化！见上面函数模版特化代码return 0;
}
【函数模版特化可使用，但不推荐】 

虽然函数模版特化可以解决上面出现的问题，但是不推荐使用函数模版特化，为什么？见下：

我们更多是使用引用，再用const修饰，这种的情况下该如何进行特化呢？

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

 因为left是Date*类型的，我们可能像下面一样直接将T换成Date*，但是这样写是不对的，问题出在哪里？

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

【原因】函数模版里面的 const 修饰的是引用的 left 指针本身，而下面函数模版特化的const修饰的是 left 指针指向的内容（关于const修饰指针这一点我们前面的课程里面讲过，算是一个比较迷惑的点，可以回忆一下）。我们期待修饰的是指针本身，而经过特化之后的函数与我们期待修饰的内容不符，这就是一个易错的点。正确的写法是怎样的？

将 const 放到 Date* 的后面

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

或者我们直接不用函数模版特化，直接写一个函数，这样在编译器编译的时候遇到Date*会自动匹配到下面这个函数，有现成吃现成的！

so~~~ 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。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。

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

所以函数模版特化可以玩，但是不推荐！

2.3 类模版特化
【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。

template<class T1,class T2>
class Data
{
public:Data(){cout << "Data<int,int>" << endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};//全特化
template<>
class Data<int, char>
{
public:Data(){cout << "Data<int,char>" << endl;}
private:int _d1;char _d2;
};int main()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;return 0;
}
【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。 

//偏特化，将第二个参数特化为int
template<class T1>
class Data<T1,int>
{
public:Data(){cout << "Data<T1,int>" << endl;}
};
 【判断走哪个类模版？】
//普通的类模版
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;}
private:int _d1;char _d2;
};//偏特化
template<class T1>
class Data<T1,int>
{
public:Data(){cout << "Data<T1,int>" << endl;}
};int main()
{Data<int, int> d1;Data<int, char> d2;Data<char,char> d3;Data<char,int> d4;return 0;
}

  • 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(const T1& d1, const T2& d2): _d1(d1), _d2(d2){cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;}
private:const T1& _d1;const T2& _d2;
};//既有&也有*
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1&, T2*>
{
public:Data(){cout << "Data<T1&, T2*>" << endl;}
private:
};int main()
{Data<int&, int&> d1;Data<int*, int*> d2;Data<int&, int*> d3;return 0;
}

【类模版特化应用实例】

有如下专门用来按照小于比较的类模板Less：

#include<vector>
#include<algorithm>
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& 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;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>());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;
}

通过观察上述程序的结果发现，对于日期对象可以直接排序，并且结果是正确的。但是如果待排序元素是指针，结果就不一定正确。因为：sort最终按照Less模板中方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容，此时可以使用类版本特化来处理上述问题：

// 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;}
};

特化之后，在运行上述代码，就可以得到正确的结果

三、模版分离编译

是模版专有的问题，普通函数声明和定义分离没有问题

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;
}

 【分析】

3.3 解决办法
  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。（直接定义在.h里面。原来在.h文件里面声明，在.cpp文件里面定义，test.i 知道实例化成什么类型但是它只有声明没有定义没办法实例化，如果在.h里面声明+定义，test.i 里面包含头文件就含有了函数定义，就不需要去链接了，知道类型后自己去实例化，在编译时就确定地址了，只有声明和定义分离时才需要去链接）
  2. 模板定义的位置（.cpp）显式实例化。这种方法不实用，不推荐使用。见下图：

【分离定义扩展阅读】

 为什么C++编译器不能支持对模板的分离式编译-CSDN博客

四、模板总结

【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
【缺陷】
  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

完——

南山南_张磊

静静地听

至此结束——

我是云边有个稻草人

期待与你的下一次相遇！

明天见！

http://www.lryc.cn/news/584017.html

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