【C++练级之路】【Lv.11】模板（你真的了解模板特化和分离编译吗？）

文章目录

• 一、泛型编程
• 二、函数模板
• • 2.1 函数模板的定义格式
  • 2.2 函数模板的原理
  • 2.3 函数模板的实例化
  • • 2.3.1 隐式实例化
    • 2.3.2 显式实例化
    • 2.4 模板参数的匹配原则
    • 三、类模板
    • • 3.1 类模板的定义格式
      • 3.2 类模板的实例化
      • 四、非类型模板参数
      • 五、模板特化
      • • 5.1 函数模板特化
        • 5.2 类模板特化
        • • 5.2.1 全特化
          • 5.2.2 偏特化
          • 六、模板分离编译
          • • 6.1 分离编译的概念
            • 6.2 模板的分离编译
            • 6.3 解决方法
            • 总结

              一、泛型编程

              首先，来看一个问题：如何实现一个通用的交换函数呢？

              有人可能会说，可以用函数重载！

              void Swap(int& left, int& right)
              {
              	int tmp = left;
              	left = right;
              	right = tmp;
              }
              void Swap(double& left, double& right)
              {
              	double tmp = left;
              	left = right;
              	right = tmp;
              }
              void Swap(char& left, char& right)
              {
              	char tmp = left;
              	left = right;
              	right = tmp;
              }
              ......
              

              但是，看看以上函数重载的代码，我们可以发现几个缺陷：

              1. 代码复用率极低，只是改变了类型
              2. 有新类型出现时，还要手动增加

              所以，C++为了应对这种情况，提出了泛型编程，并且引入了模板的概念。

              ---

              泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

              模板，又分为函数模板和类模板。

              

              二、函数模板

              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。

              2.1 函数模板的定义格式

              使用模板后，一个通用的交换函数如下：

              template
              void Swap(T& left, T& right)
              {
              	T tmp = left;
              	left = right;
              	right = tmp;
              }
              

              template

              返回值类型 函数名(参数列表){}

              注意：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)

              2.2 函数模板的原理

              函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。

              

              在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应类型的函数以供调用。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于int类型、char类型也是如此。

              2.3 函数模板的实例化

              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。

              2.3.1 隐式实例化

              隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

              template 
              T Add(const T& left, const T& right)
              {
              	return left + right;
              }
              int main()
              {
              	int a1 = 10, a2 = 20;
              	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
              	Add(a1, a2);
              	Add(d1, d2);
              	Add(a1, d1);//err
              }
              

              注意：上述第三条函数调用语句是错误的！因为编译器不知道模板参数究竟是int还是double，所以，有两种解决方式：

              1. 手动强制类型转换，比如 Add(a1, (int)d1);
              2. 显式实例化

              2.3.2 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()
              {
              	int a = 10;
              	double b = 20.0;
              	
              	// 显式实例化
              	Add(a, b);
              	return 0;
              }
              

              2.4 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。

              int Add(int left, int right)
              {
              	return left + right;
              }
              template T Add(T left, T right)
              {
              	return left + right;
              }
              void Test()
              {
              	Add(1, 2); // 与非模板函数匹配
              	Add(1, 2); // 与模板函数匹配
              }
              

              1. 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。

              int Add(int left, int right)
              {
              	return left + right;
              }
              template
              T1 Add(T1 left, T2 right)
              {
              	return left + right;
              }
              void test()
              {
              	Add(1, 2); // 与非函数模板完全匹配
              	Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本
              }
              

              三、类模板

              3.1 类模板的定义格式

              template

              class 类模板名 {};

              比如之前学习过的vector类：

              template
              class vector
              {
              private:
              	T* _start;
              	T* _finish;
              	T* _end_of_storage;
              };
              

              3.2 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。

              void test()
              {
              	vector v1;
              	vector v2;
              }
              

              四、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。

                比如，定义一个模板类型的静态数组。

                template
                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;
                };
                

                注意：非类型形参，必须是整型常量！

                五、模板特化

                通常，使用模板可以支持与类型无关的代码，但是在特殊情况下，对于某些特殊类型需要特殊处理，所以这就是模板的特化。

                比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板

                template
                bool Less(T left, T right)
                {
                	return left