模板技术详解
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目录
一、概念介绍
模板是泛型编程的基础泛型编程即以一种独立于任何特定类型的方式编写代码。
模板是创建泛型类或函数的蓝图或公式。库容器比如迭代器和算法它们都使用了模板技术。
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
二、函数模板
2.1 概念
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。
2.2 函数模板格式
template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型 函数名(参数列表){}注意typename是用来定义模板参数的关键字也可以使用class(切记不能使用struct代替class)
2.3 函数模板原理
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的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实例化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类型的代码对于字符类型等也是如此。
2.4 函数模板实例化
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
隐式实例化: 让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
显式实例化: 在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
#include<iostream>
template<typename T>
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
/*
该语句不能通过编译
因为在编译期间当编译器看到该实例化时需要推演其实参类型
通过实参a1将T推演为int通过实参d1将T推演为double类型
但模板参数列表中只有一个T编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错
注意:在模板中编译器一般不会进行类型转换操作因为一旦转化出问题编译器就需要背黑锅
*/
//处理方式: 1.用户自己来强制转化 2.使用显式实例化 3.设置多个模板参数
Add(a1, (int)d1);
Add<int>(a1, d1);//显式实例化
return 0;
}2.5 函数模板的匹配原则
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(需显式指定)
#include <iostream>
using namespace std;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1, 2);//与非模板函数匹配编译器不需要实例化
Add<int>(1, 2);//显示指定调用编译器实例化的版本
return 0;
}2.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。
若模板可以产生一个具有更好匹配的函数 那么将选择模板。
#include <iostream>
using namespace std;
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1, 2);//与非函数模板类型完全匹配不需要函数模板实例化
Add(1, 2.0);//模板函数可以生成更加匹配的版本编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
return 0;
}3.模板函数不允许自动类型转换但普通函数可以进行自动类型转换
三、类模板
3.1 类模板格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
//类内成员定义
};注意类模板中函数放在类外进行定义时需要加模板参数列表
3.2 类模板实例化
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。
//vector类名vector<int>才是类型
Vector<int> s1;
Vector<double> s2;四、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模板的一个参数在模板中可将该参数当成常量来使用
template<class T, size_t N = 10>
class array
{
public:
//……
private:
T _array[N];
size_t _size;
};注意
1. 浮点数、类对象以及字符串不允许作为非类型模板参数
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果
五、模板特化
5.1 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。例如下面的代码。
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
Date() :_year(0), _month(0), _day(0) {}
Date(int year, int month, int day) :_year(year), _month(month), _day(day) {}
bool operator<(const Date& d)const {
if ((_year < d._year) || (_year == d._year && _month < d._month) || (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day))
return true;
return false;
}
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(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl; // 可以比较结果正确
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较结果错误
//这里本意比较Date类型数据的大小实际比较的却是指针地址的大小
return 0;
}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。
5.2 函数模板特化
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
#include<iostream>
using std::cout;
using std::endl;
class Date
{
public:
Date() :_year(0), _month(0), _day(0) {}
Date(int year, int month, int day) :_year(year), _month(month), _day(day) {}
bool operator<(const Date& d)const {
if ((_year < d._year) || (_year == d._year && _month < d._month) || (_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day))
return true;
return false;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
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()
{
cout << Less(1, 2) << endl;
Date d1(2022, 7, 7);
Date d2(2022, 7, 8);
cout << Less(d1, d2) << endl;
Date* p1 = &d1;
Date* p2 = &d2;
cout << Less(p1, p2) << endl;//调用特化之后的版本不进行模板生成
return 0;
}但是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;
}5.3 类模板特化
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
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。
偏特化有以下两种表现方式:
(1)部分特化:将模板参数类表中的一部分参数特化
(2)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
#include<iostream>
using std::cout;
using std::endl;
template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() { cout << "Data<T1, T2>" << endl; }
};
template<>//全特化
class Data<int, char>
{
public:
Data() { cout << "Data<int, char>" << endl; }
};
template <class T1>//偏特化
class Data<T1, int>
{
public:
Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
};
template<class T1, class T2>//偏特化
class Data<T1*,T2*>
{
public:
Data() { cout << "Data<T1*, T2*>" << endl; }
};
template<class T1, class T2>//偏特化
class Data<T1&, T2&>
{
public:
Data() { cout << "Data<T1&, T2&>" << endl; }
};
int main()
{
Data<int, int> d1;//Data<T1, int>
Data<int, char> d2;//Data<int, char>
Data<double, double>d3;//Data<T1, T2>
Data<int*, int*> d4;//Data<T1*, T2*>
Data<double*, char*>d5;//Data<T1*, T2*>
Data<double&, char&>d6;//Data<T1&, T2&>
return 0;
}六、模板编译分离
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。
解决方法:
1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里或者"xxx.h"文件。
2. 模板定义的位置显式实例化。(不推荐使用类型固定)
七、可变参数模板
C++11的新特性可变参数模板能创建可以接受可变参数的函数模板和类模板
//Args是一个模板参数包args是一个函数形参参数包
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args) {}上面的参数args前面有省略号所以它就是一个可变模版参数我们把带省略号的参数称为"参数包"它里面包含了0到NN>=0个模版参数。
我们无法直接获取参数包args中的每个参数的只能通过展开参数包的方式来获取参数包中的每个参数这是使用可变模版参数的一个主要特点也是最大的难点即如何展开可变模版参数。
递归函数方式展开参数包
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
template <class T>
void ShowList(const T& t)// 递归终止函数
{
cout << "ShowList(" << t << ", " << 0 << "参数包)" << endl;
}
// 展开函数
template <class T, class ...Args>
void ShowList(const T& value, Args... args)
{
cout << "ShowList("<<value<<", " << sizeof...(args) << "参数包)" << endl;
ShowList(args...);
}
int main()
{
ShowList(1, 'A', std::string("sort"));
return 0;
}
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//template <class T>
void ShowList()// 递归终止函数
{
cout << endl;
}
template <class T, class ...Args>
void ShowList(const T& value, Args... args)
{
cout << "ShowList("<<value<<", " << sizeof...(args) << "参数包)" << endl;
ShowList(args...);
}
int main()
{
ShowList(1, 'A', std::string("sort"));
return 0;
}逗号表达式展开参数包
这种展开参数包的方式不需要通过递归终止函数是直接在expand函数体中展开的。
printarg不是一个递归终止函数只是一个处理参数包中每一个参数的函数。
这种就地展开参数包的方式实现的关键是逗号表达式。我们知道逗号表达式会按顺序执行逗号前面的表达式。
expand函数中的逗号表达式(printarg(args), 0)也是按照这个执行顺序先执行printarg(args)再得到逗号表达式的结果0。
同时还用到了C++11的另外一个特性——初始化列表通过初始化列表来初始化一个变长数组,
{(printarg(args), 0)...}将会展开成((printarg(arg1),0),(printarg(arg2),0), (printarg(arg3),0), etc... )
最终会创建一个元素值都为0的数组int arr[sizeof...(Args)]。
由于是逗号表达式在创建数组的过程中会先执行逗号表达式前面的部分printarg(args)打印出参数也就是说在构造int数组的过程中就将参数包展开了这个数组的目的纯粹是为了在数组构造的过程展开参数包
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
template<class T>
int PrintArg(const T& x)//处理每个参数的函数
{
cout << x << " ";
return 0;
}
template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
int a[] = { PrintArg(args)... };
cout << endl;
}
int main()
{
ShowList(1);
ShowList(1, 'A');
ShowList(1, 'A', std::string("sort"));
return 0;
}
八、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