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【C++】模板下(泛型编程)

news 来源：原创 2025/5/22 12:04:28

写在前面

在阅读本篇笔记前，请各位看官先有泛型编程的基础，具体可以看不才前面写的博客：【C++】模板上(泛型编程) —— 函数模板与类模板

文章目录

写在前面
一、非类型模板参数
二、模板的特化
- 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
三、模板的分离编译
模板优缺点

一、非类型模板参数

模板参数可分为类型形参和非类型形参。

类型形参：出现在模板参数列表中，跟在 class或typename关键字之后的参数类型名称。
非类型形参： 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。

其作用与宏相似，不过宏的作用域加粗样式是整个程序的生命周期，而非类型模板参数的只作用在模板的生命周期中

非类型模板参数的定义也是和类型形参一样在模板的<>中，但是其类型就是需要程序猿显示的写内置类型了
在这里插入图片描述

template<class T, size_t N> //N：非类型模板参数
class StaticArray
{
public:size_t arraysize(){return N;}
private:T _array[N]; //利用非类型模板参数指定静态数组的大小
};

其中class T：是类型模板参数，其类型是由编译器自动推导
size_t N：是非类型模板参数，其类型为size_t

非类型模板参数可以直接在类中做为常数使用，所以可以用来定义数组。

使用非类型模板参数后，我们就可以在实例化对象的时候指定所要创建的静态数组的大小了。

int main()
{StaticArray<int, 10> a1; //定义一个大小为10的静态数组cout << a1.arraysize() << endl; //10StaticArray<int, 100> a2; //定义一个大小为100的静态数组cout << a2.arraysize() << endl; //100return 0;
}

这时候需要程序猿显示实例化类，才是正确的使用非类型模板参数的泛型编程

注意：

非类型模板参数只允许使用整型家族，浮点数、类对象、字符串是不允许 作为非类型模板参数的。
非类型的模板参数在编译期就需要确认结果，因为编译器在编译阶段就需要根据传入的非类型模板参数生成对应的类或函数。

二、模板的特化

这里举一个简单的例子来说明什么是特化，下面是用于比较两个任意相同类型的数据是否相等的函数模板。
在这里插入图片描述

template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{return x == y;
}

我们大概会这样使用该函数模板：

cout << IsEqual(1, 1) << endl; //1
cout << IsEqual(1.1, 2.2) << endl; //0

这样使用是没有问题的，它的判断结果也是我们所预期的，但是我们也可能会这样去使用该函数模板：

char a1[] = "你干嘛~~哎哟";
char a2[] = "你干嘛~~哎哟";
cout << IsEqual(a1, a2) << endl; //0

判断结果是这两个字符串不相等，这很好理解，因为我们希望的是该函数能够判断两个字符串的内容是否相等，而该函数实际上判断是确实这两个字符串所存储的地址是否相同，这是两个字符串数组是在栈区定义的，那其地址显然是不同的

类似于上述实例，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊的类型可能会得到一些错误的结果，此时就需要对模板进行特化，即在原模板的基础上，针对特殊类型进行特殊化的实现方式。

模板的特化其核心的思想其实和函数的重载是一样的

2.1、函数模板特化

函数模板的特化步骤：

首先必须要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，否则不同的编译器可能会报一些奇怪的错误。

在这里插入图片描述

对于上述实例，我们知道当传入的类型是char*时，应该依次比较各个字符的ASCII码值进而判断两个字符串是否相等，或是直接调用strcmp函数进行字符串比较，那么此时我们就可以对char*类型进行特殊化的实现。

//基础的函数模板
template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{return x == y;
}//对于char*类型的特化
template<>
bool IsEqual<char*>(char* x, char* y)
{return strcmp(x, y) == 0;
}

注意：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（即函数重载）。例如，上述实例char*类型的特化还可以这样给出：

//基础的函数模板
template<class T>
bool IsEqual(T x, T y)
{return x == y;
}//对于char*类型的特化
bool IsEqual(char* x, char* y)
{return strcmp(x, y) == 0;
}

2.2、类模板特化

不仅函数模板可以进行特化，类模板也可以针对特殊类型进行特殊化实现，并且类模板的特化又可分为全特化和偏特化（半特化）。

类模板的特化步骤：

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

2.2.1、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。

在这里插入图片描述

template<class T1, class T2> //正常的类模板
class Dragon
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};

假设T1和T2分别是double和int时，我们若是想对实例化的类进行特殊化处理，那么我们就可以对T1和T2分别是double和int时的模板进行全特化。

//对于T1是double，T2是int时进行的全特化
template<>
class Dragon<double, int>
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<double, int>" << endl;}
private:double _D1;int _D2;
};

我们程序运行结果：
在这里插入图片描述

2.2.2、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。

我们还是使用上面的类做为例子

1、部分特化
我们可以仅对模板参数列表中的部分参数进行确定化。
在这里插入图片描述
例如，我们可以对T1为int类型的类进行特殊化处理。

//对T1为int的类进行特化
template<class T2>
class Dragon<int, T2>
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<int, T2>" << endl;}
private:int _D1;T2 _D2;
};

程序运行结果：
在这里插入图片描述

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，而是针对模板参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。
在这里插入图片描述
我们还是以上面的例子做为主类。例如，我们还可以指定当T1和T2为某种类型时，使用我们特殊化的类模板。

template<class T1, class T2>//主类
class Dragon
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};//两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Dragon<T1*, T2*>
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<T1*, T2*>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};//两个参数偏特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Dragon<T1&, T2&>
{
public://构造函数Dragon(){cout << "Dragon<T1&, T2&>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};

程序运行结果：

在这里插入图片描述

三、模板的分离编译

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。

在分离编译模式下，我们一般创建三个文件，一个头文件用于进行函数声明，一个源文件用于对头文件中声明的函数进行定义，最后一个源文件用于调用头文件当中的函数。
在这里插入图片描述
按照此方法，我们若是对一个加法函数模板进行分离编译，其三个文件当中的内容大致如下：

但是使用这三个文件生成可执行文件时，却会在链接阶段产生报错。

下面我们对其进行分析：
我们都知道，程序要运行起来一般要经历以下四个步骤：

预处理：头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等。
编译：检查代码的规范性、是否有语法错误等，确定代码实际要做的工作，在检查无误后，将代码翻译成汇编语言。
汇编：把编译阶段生成的文件转成目标文件。
链接：将生成的各个目标文件进行链接，生成可执行文件

详细内容可以查看不才之前写的笔记：C/C++程序的编译+链接

以上代码在预处理阶段需要进行头文件的包含以及去注释操作。如下图：
在这里插入图片描述
这三个文件经过预处理后实际上就只有两个文件了，若是对应到Linux操作系统当中，此时就生成了 Add.i 和 main.i 文件了。如下图：

预处理后就需要进行编译，虽然在 main.i 当中有调用Add函数的代码，但是在 main.i 里面也有Add函数模板的声明，因此在编译阶段并不会发现任何语法错误。之后便顺利将 Add.i 和 main.i 翻译成了汇编语言，对应到Linux操作系统当中就生成了 Add.s 和 main.s 文件。