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【C++】模板进阶--保姆级解析（什么是非类型模板参数？什么是模板的特化？模板的特化如何应用？）

news 来源：原创 2024/9/23 13:21:57

一、前言

二、什么是C++模板？

💦泛型编程的思想

💦C++模板的分类

三、非类型模板参数

⚡问题引入⚡

⚡非类型模板参数的使用⚡

🔥非类型模板参数的定义

🔥非类型模板参数的两种类型

🔥非类型模板参数的使用规则

⚡问题的解决⚡

⚡非类型模板参数的实例应用⚡

四、模板的特化

💧 概念

💧 函数模板特化

💧 类模板特化

🔥全特化🔥

🔥偏特化🔥

💧模板特化的应用示例

五、总结

六、共勉

一、前言

在我们学习C++时，常会用到函数重载。而函数重载，通常会需要我们编写较为重复的代码，这就显得臃肿，且效率低下。重载的函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数。此外，代码的可维护性比较低，一个出错可能会导致所有的重载均出错。

那么，模板的出现，就让这些问题有了解决方案，在之前的文章中已经详细的讲解了C++的 ----- 模板初阶，所以本次博客将为大家详细的讲解C++的模板进阶！！

二、什么是C++模板？

程序设计中经常会用到一些程序实体：它们的实现和所完成的功能基本相同，不同的仅仅是所涉及的数据类型不同。而模板正是一种专门处理不同数据类型的机制。

模板------是泛型程序设计的基础（泛型generic type——通用类型之意）。

函数、类以及类继承为程序的代码复用提供了基本手段，还有一种代码复用途径——类属类型（泛型），利用它可以给一段代码设置一些取值为类型的参数（注意：这些参数的值是类型，而不是某类型的数据），通过给这些参数提供一些类型来得到针对不同类型的代码。

💦泛型编程的思想

首先我们来看一下下面这三个函数，如果学习过了C++函数重载和 C++引用的话，就可以知道下面这三个函数是可以共存的，而且传值会很方便

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

但是真的很方便吗？这里只有三种类型的数据需要交换，若是我们需要增加交换的数据呢？再CV然后写一个函数吗？
这肯定是不现实的，所以很明显函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增加对应的函数
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错

那是否能做到这么一点，告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码

⭐总结：

所以，总结上面的这么一个技术，C++的祖师爷呢就想到了【模版】这个东西，告诉编译器一个模子，然后其余的工作交给它来完成，根据不同的需求生成不同的代码

这就是👉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

💦C++模板的分类

1️⃣: 函数模板（function tempalte）：使用泛型参数的函数（function with generic parameters）
2️⃣:类模板（class template）：使用泛型参数的类（class with generic parameters）

更加具体模板初阶知识 大家这一去看看之前的文章 ----- 模板初阶

本篇文章主要讲解 模板的高阶操作：非类型模板参数、全特化、偏特化等，以及关于模板声明与定义不能分离（在两个不同的文件中）的问题。

三、非类型模板参数

之前所使用的模板参数都是用来匹配不同的类型，如 int、double、Date 等，模板参数除了可以匹配类型外，还可以匹配常量（非类型），完成如数组、位图等结构的大小确定

⚡问题引入⚡

问题：

假设我现在自定义了一个静态栈，栈的大小设置为100。然后我构建了一个int 的类型的栈st1,和一个double 类型的栈st2。那么我希望stl 的大小为100，st2 的大小为500，能不能实现呢?

-------------- 肯定是不能的! ! !

如下面这个例子所示：

#define N 100// 静态栈
template<class T>
class Stack
{
private:int _a[N];int _top;
};int main()
{Stack<int> st1;Stack<double> st1;return 0;
}

从上图可以发现，栈的两个对象的大小都为 100。

那有什么办法可以解决这个问题呢？

这个时候，就要引出 ---- 非类型模板参数

⚡非类型模板参数的使用⚡

我们知道模板参数分为 : 类型形参 与 非类型形参

类型模板形参 : 出现在模板参数列表中，跟在 class 或者 typename 类之后的参数类型名称。

template <class T>  // T 为模板参数中的 ---------- 类型模板形参

非类型模板形参 : 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。

template <size_t N>  // N 为模板参数中的 ------- 非类型模板形参

🔥非类型模板参数的定义

在定义模板参数时，可以不再使用 class 或 typename，而是直接使用具体的类型，如 size_t，此时称为 非类型模板参数

注：非类型模板参数必须为常量，即在编译阶段确定值

🔥非类型模板参数的两种类型

1️⃣: 利用 非类型模板参数 定义一个大小可以自由调整的 整型数组 类

template<size_t N>
class arr
{
public:T& operator[](size_t pos){assert(pos >= 0 && pos < N);return _arr[pos];}size_t size() const{return N;}private:int _arr[N];	//创建大小为 N 的整型数组
};int main()
{arr<10> a1;   // 大小为 10arr<20> a2;   // 大小为 20arr<100> a3;  // 大小为 100cout << "a1.size(): " << a1.size() << endl;cout << "a2.size(): " << a2.size() << endl;cout << "a3.size(): " << a3.size() << endl;
}

2️⃣:可以再加入一个模板参数：类型，此时就可以得到一个 泛型、大小可自定义 的数组

template<class T, size_t N>
class arr
{
public:T& operator[](size_t pos){assert(pos >= 0 && pos < N);return _arr[pos];}size_t size() const{return N;}private:int _arr[N];	//创建大小为 N 的整型数组
};int main()
{arr<int , 10> a1;   // 大小为 10arr<double , 20> a2;   // 大小为 20arr<char , 100> a3;  // 大小为 100// 输出它们的 类型cout << typeid(a1).name() << endl;cout << typeid(a2).name() << endl;cout << typeid(a3).name() << endl;
}

非类型模板参数支持缺省，因此写成这样也是合法的

template<class T, size_t N = 10>	//缺省大小为10

🔥非类型模板参数的使用规则

非类型模板参数要求类型为整型家族，其他类型是不行的

比如下面这些 非类型模板参数 都是标准之内的

//整型家族（部分）
template<class T, int N>
class arr1 { /*……*/ };template<class T, long N>
class arr2 { /*……*/ };template<class T, char N>
class arr3 { /*……*/ };

而一旦使用其他家族类型作为 非类型模板参数，就会引发报错

//浮点型，非标准
template<class T, double N>
class arr4 { /*……*/ };

因此可以总结出，非类型模板参数 的使用要求为

只能将整型家族类型作为非类型模板参数，其他类型不在标准之内
非类型模板参数必须为常量（不可被修改），且需要在编译阶段确定结果

整型家族：char、short、bool、int、long、long long 等

⚡问题的解决⚡

此时我们已经知道的非类型模板参数的用法，只需要给上面的栈添加非类型模板参数，这样就实现了 st1 和 st2 构造不同的大小。

// 静态栈
template<class T, size_t N>
class Stack
{
private:int _a[N];int _top;
};int main()
{Stack<int, 100> st1;Stack<double, 500> st2;return 0;
}

⚡非类型模板参数的实例应用⚡

在 C++11 标准中，引入了一个新容器 array，它就使用了 非类型模板参数，为一个真正意义上的 泛型数组，这个数组是用来对标传统数组的

array 的第二个模板参数就是 非类型模板参数

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <array>using namespace std;int main()
{int arrOld[10] = { 0 };	//传统数组array<int, 10> arrNew;	//新标准中的数组//与传统数组一样，新数组并没有进行初始化//新数组对于越界读、写检查更为严格arrOld[15];	//老数组越界读，未报错arrNew[15];	//新数组则会报错arrOld[12] = 0;	//老数组越界写，不报错，出现严重的内存问题arrNew[12] = 10;	//新数组严格检查return 0;
}

array 是泛型编程思想中的产物，支持了许多 STL 容器的功能，比如 迭代器 和 运算符重载 等实用功能，最主要的改进是 严格检查越界行为

实际开发中，很少使用 array，因为它对标传统数组，连初始化都没有，vector 在功能和实用性上可以全面碾压，并且 array 使用的是 栈区 上的空间，存在栈溢出问题，可以说 array 是一个鸡肋的容器

四、模板的特化

💧 概念

通常情况下，模板可以帮我们实现一些与类型无关的代码，但在某些场景中，【泛型】无法满足调用方的精准需求，此时会引发错误。

比如使用 日期类 ，实现一个专门用来进行小于比较的函数模板

// 日期类
class Date
{//友元函数friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Date& d); // 标准流输出 --> printffriend std::istream& operator>>(std::istream& in, Date& d); // 标准流插入 --> scanfpublic:// 构造函数Date(int year = 1970,int month = 1,int day = 1):_year(year),_month(month),_day(day){}// 运算符重载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);}// 打印日期void Printf(){cout << _year << " / " << _month << " / " << _day << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
// 流插入
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Date& d) {out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;return out;
}// 流提取
std::istream& operator>>(std::istream& in, Date& d) {in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}int main()
{cout << Less(1, 2) << endl;Date d1(2024, 7, 6);Date d2(2024, 7, 8);cout << Less(d1, d2) << endl;return 0;
}

可以看到，不管是内置类型,还是自己实现的日期类，都可以通过Less函数模板来比较大小，而且结果都是正确的

那如果我们要比较指针类型呢？

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}int main()
{Date* p1 = new Date(2024, 7, 6);Date* p2 = new Date(2024, 7, 8);cout << Less(p1, p2) << endl; return 0;
}

我们运行发现，结果是正确滴呀，6 确实小于 8 哦！

如果我们再运行一次，可以看到，竟然变成了 0 了，也就是说 6 小于 8 为 false ！！

也就是说，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 指向的对象显然小于p2指向的对象，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pl和p2指针地址，这就无法达到预期，而错误。

此时，就需要对 -------------- 模板进行特化处理。

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。

💧 函数模板特化

函数模板的特化步骤:

必须要先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误。

代码示例

// 函数模板 -- 参数匹配
template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}// 对Less函数模板进行特化
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{return *left < *right;
}int main()
{Date* p1 = new Date(2024, 7, 6);Date* p2 = new Date(2024, 7, 8);cout << Less(p1, p2) << endl;Date* p3 = new Date(2024, 7, 8);Date* p4 = new Date(2022, 7, 6);cout << Less(p3, p4) << endl;return 0;
}

此时，就会调用特化之后的版本，而不走模板生成得啦！

注意：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

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

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易泻。因为对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时才会特别给出，因此函数模板不建议特

💧 类模板特化

模板特化主要用在 --- 类模板，它可以在泛型思想之上解决大部分特殊问题，并且类模板特化还可以分为：全特化和偏特化，适用于不同场景

🔥全特化🔥

全特化指 将所有的模板参数特化为具体类型，将模板全特化后，调用时，会优先选择更为匹配的模板类。
简单一点来说：全特化就是将模板参数列表中所有的参数都确定话

全特化的特化步骤：

首先必须要有一个基础的类模板
关键字template后接一对空的尖括号<>
『类名后跟一对尖括号』，尖括号中指定需要特化的类型

假设有下面这样一个 Data 类，我希望 构造函数 打印出来的 d2 对象里面 Tl 是 int , T2 是 double，有什么办法吗?

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data(){cout << "Data<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};int main()
{Data<int, int> d1;Data<int, double> d2;return 0;
}

我们实例化 dl 和 d2 对象时，编译器会自动调用其默认构造函数，当我们打印的时候，可以看到实际上d2 对象里面还是 T1 和 T2 并不是我们想要的 int 和 double。

那么这个时候，我们就可以对 T1 和 T2 进行模板的特化

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, double>
{
public:Data(){cout << "Data<int, double>" << endl;}
private:int _d1;double _d2;
};int main()
{Data<int, int> d1;Data<int, double> d2;return 0;
}

当我们运行以后，可以看到 d2 对象就去调用刚刚写好的特化类模板

总结：

对模板进行全特化处理后，实际调用时，会优先选择已经特化并且类型符合的模板，这就好比虽然你家冰箱里有菜，但你还是想点外卖，因为外卖对于你来说更加合适

🔥偏特化🔥

偏特化是指任何针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

偏特化又可分为以下两种表现形式：『部分特化』、『参数更进一步的限制』。

偏特化的特化步骤：

首先必须要有一个基础的类模板
关键字template后接一对尖括号，尖括号中指定特定类型
『类名后跟一对尖括号』，尖括号中指定需要特化的类型

『部分特化』：

将模板参数类表中的一部分参数特化。

比如我们对 Tl 类型进行特化处理，固定其类型为 double

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data(){cout << "Data<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};// 部分特化 -- 将第一个参数特化为double
template<class T2>
class Data<double, T2>
{
public:Data(){cout << "Data<double, T2>" << endl;}
private:double _d1;T2 _d2;
};int main()
{Data<int, int> _d1;Data<double, double> _d2;Data<double, char> _d3;return 0;
}

可以看到，当我们指定T1 为 double 的时候，才会调用这个部分特化的类模板。

『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。

// 基础模板
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:Data(){cout << "Data<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};// 部分特化 -- 将第一个参数特化为double
template<class T2>
class Data<double, T2>
{
public:Data(){cout << "Data<double, T2>" << endl;}
private:double _d1;T2 _d2;
};//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;
};// 主函数
int main()
{Data<int, int> d1; // 调用基础的版本Data<double, double> d2; // 调用部分特化的double版本Data<int*, int*> d3; // 调用特化的指针版本Data<int&, int&> d4(2, 4); // 调用特化的引用版本return 0;
}

运行以后可以看到，当我们实例化的对象为指针类型或者引用类型的时候，就会去调用这两个特化模板。

💧模板特化的应用示例

我们还是拿日期类来举例，假设我现在要对3个实例化对象进行排序


// Less模板 --- 比较小于
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};int main()
{Date d1(2024, 7, 7);Date d2(2024, 7, 6);Date d3(2024, 7, 8);vector<Date> v1;v1.push_back(d1);v1.push_back(d2);v1.push_back(d3);// 排序sort(v1.begin(), v1.end(), Less<Date>());// 打印for (auto e : v1){cout << e;}return 0;
}

可以看到，此时是能直接排序的，结果是日期升序。

那如果我将 vector 里面存放的是 Date* 类型的数据，还能排序吗？

// Less模板 --- 比较小于
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};int main()
{Date d1(2024, 7, 7);Date d2(2024, 7, 6);Date d3(2024, 7, 8);vector<Date*> v2;v2.push_back(&d1);v2.push_back(&d2);v2.push_back(&d3);// 排序sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());// 打印for (auto e : v2) {cout << *e << endl;}return 0;
}

因为，v2 当中存放的地址，所以我们打印的时候要解引用，打印以后看到，日期还不是升序呀,那么我们排序的到底是什么呢?

如果我们不解引用，直接打印v2的每个元素可以看到，v2 中放的地址是升序的。因为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，但是走了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。

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模板中的方式比较，所以只会比较指针，而不是比较指针指向空间中内容。

那么此时可以使用类版本特化来处理上述问题:

全特化处理：

// Less模板 --- 比较小于
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};// 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;}
};int main()
{Date d1(2024, 7, 7);Date d2(2024, 7, 6);Date d3(2024, 7, 8);vector<Date*> v2;v2.push_back(&d1);v2.push_back(&d2);v2.push_back(&d3);// 排序sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());// 打印for (auto e : v2) {cout << *e;}return 0;
}

特化之后，再运行就可以得到正确的排序结果了

偏特化处理：

// Less模板 --- 比较小于
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}
};//偏特化后的比较模板
template<class T>
class Less<T*>
{
public:bool operator()(T* x, T* y) const{return *x < *y;}
};int main()
{Date d1(2024, 7, 7);Date d2(2024, 7, 6);Date d3(2024, 7, 8);vector<Date*> v2;v2.push_back(&d1);v2.push_back(&d2);v2.push_back(&d3);// 排序sort(v2.begin(), v2.end(), Less<Date*>());// 打印for (auto e : v2) {cout << *e;}return 0;
}

特化之后，再运行就可以得到正确的排序结果了