【初阶C++】模板进阶

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本节学习目标

1. 非类型模板参数

⚠️非类型模板参数使用限制

2. 模板特化

2.1 函数模板特化

2.2 类模板特化

2.2.1 全特化

2.2.2 偏特化

3. 模板的分离编译

3.1 什么是分离编译

3.2 模板分离编译报错问题

✅两种解决方案

4. 模板优缺点总结

✅模板优点

❌模板缺点

📔考点总结

本节学习目标

1. 非类型模板参数

模板参数分为两类：

示例：模拟静态数组，N是非类型模板参数，代表数组大小

namespace bite
{
// N为非类型模板参数，带默认值10
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 N;}
bool empty()const{return 0 == N;}
private:
T _array[N]; //编译期确定大小的静态数组
};
}

⚠️非类型模板参数使用限制

允许：size_t、int、指针、引用等编译期可求值的整型 / 地址常量。

2. 模板特化

基础模板实现通用逻辑，但是部分特殊类型（如指针）按照通用模板会得到错误结果。 模板特化：针对某一类特殊类型，单独定制一套实现。 分为：函数模板特化、类模板特化（全特化、偏特化）。

2.1 函数模板特化

示例：通用比较Less模板。 普通类型可以正常比较；传入指针时，通用模板比较指针地址，不是指针指向对象内容，逻辑错误。

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

//假设Date类已经定义
int main()
{
Less(1,2); //正常，比较数值
Date d1(2022,7,7);
Date d2(2022,7,8);
Less(d1,d2); //正常，比较对象
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
Less(p1,p2); //错误！比较的是指针地址，不是*p1、*p2对象内容
return 0;
}

✅函数模板特化步骤：

//基础模板
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
return left < right;
}

//针对Date*指针特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right; //解引用，比较对象内容
}

实操经验： 函数模板特化可读性一般，遇到特殊类型，优先直接写普通重载函数，比特化简单好维护。

//直接重载，替代特化，推荐写法
bool Less(Date* left, Date* right)
{
return *left < *right;
}

2.2 类模板特化

2.2.1 全特化

全特化：把模板所有参数全部指定为确定类型。

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

//全特化：T1=int，T2=char，全部确定
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data(){cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:
int _d1;
char _d2;
};

void Test()
{
Data<int,int> d1; //走通用模板
Data<int,char> d2; //走全特化版本
}

2.2.2 偏特化

偏特化不是只特化一部分参数，包含两种形式：

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

//①部分特化：第二个参数固定为int，T1仍然是模板参数
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
Data(){cout<<"Data<T1, int>"<<endl;}
private:
T1 _d1;
int _d2;
};

//②参数条件限制：两个参数限定为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
Data(){cout<<"Data<T1*, T2*>"<<endl;}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};

类模板特化实战场景：sort排序，容器存指针，需要比较指针指向对象而不是指针地址。

template<class T>
struct Less
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
return x < y;
}
};

//对指针类型特化
template<>
struct Less<Date*>
{
bool operator()(Date* x, Date* y) const
{
return *x < *y;
}
};

3. 模板的分离编译

3.1 什么是分离编译

C/C++ 工程：多个.h头文件、.cpp源文件；每个 cpp单独编译生成 obj 目标文件，最后链接器把所有 obj 合并成可执行程序。

3.2 模板分离编译报错问题

错误写法：模板声明放.h，模板实现定义放在.cpp。

// 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;
}

编译过程分析：

模板是编译期实例化：只有看到完整模板定义，编译器才会生成对应类型实例代码。

✅两种解决方案

【分离编译扩展阅读】
为什么C++编译器不能支持对模板的分离式编译-CSDN博客

4. 模板优缺点总结

✅模板优点

❌模板缺点

📔考点总结

面试简答 Q：非类型模板参数可以传 double 吗？

A：不可以，只接受编译期整型常量，浮点数、对象、字符串不允许。

Q：模板为什么不能头声明、cpp 放实现？

A：cpp 编译单元看不到调用的类型，不会实例化生成函数代码，链接找不到符号报错；建议全部写在 hpp 头文件。

Q：类模板偏特化和全特化区别？

A：全特化所有模板参数全部指定；偏特化可以只固定部分参数，或者对参数施加条件（指针、引用）。