C++ 表情包趣味教程 👉 《C++要笑着学》
💭 写在前面
我们之前讲过C++的模板，考虑到当时还没有将 STL，所以并没有一次性讲完，我们把剩余的部分放到了讲完部分 STL 容器的后面去讲，这样比较方去讲解。比如我们本章我们会通过 STL 的 array 去讲解非类型模板参数。本章还会重点讲解模板的特化，最后简单的探讨一下C++引入模板的优缺点。
未上榜
Ⅰ. 非类型模板参数（Nontype Template Parameters）
0x00 引入：什么是非类型模板参数？
" 对于函数模板和类模板，模板参数并不局限于类型，普通值也可以作为模板参数 "
STL 的 array 就有一个非类型模板参数。
注意看，我们普通定义的 T 是类型，而 N 这里并不是类型，而是一个常量！
类型模板参数定义的是虚拟类型，注重的是你要传什么，而 非类型模板参数定义的是常量。
"非类型模板参数"
👇
template<class T, size_t N> class array;
👆
"类型模板参数"
0x01 非类型模板参数的使用场景
💭 举例：假设我们要定义一个静态栈：
#define N 100
template<class T>
class Stack {
private:
int _arr[N];
int _top;
};
❓ 思考：我现在想定义两个容量不一样的栈，一个容量是100 另一个是 500，能做到吗？
这就像 typedef 做不到一个存 int 一个存 double，而使用模板可以做到 st1 存 int，st2 存 double。
这里你的 #define
对应的，这里使用非类型模板参数就可以做到 s1 存 100，s2
💡 解决方案：定义一个常量 N
// #define N 100
template<class T, size_t N>
class Stack {
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main(void)
{
Stack<int, 100> st1; // 我期望它的大小是100
Stack<double, 500> st2; // 我期望它的大小是500
return 0;
}
这里我们在模板这定义一个常量 N，派遣它去做数组的大小。
于是我们就可以在实例化 Stack
这比宏更爽！它能传一个常量过去，定义不同的对象可以传不同的常量过去。
0x02 一些值得注意的点
📌 注意事项 ①：非类型模板参数是是常量，是不能修改的。
template<class T, size_t N>
class Stack {
public:
void f() { // 修改常量试试看
N = 10;
}
private:
int _arr[N];
int _top;
};
int main(void)
{
Stack<int, 100> st1;
st1.f();
return 0;
}
🚩 运行结果：（报错）
test1711.cpp:10:15: error: lvalue required as left operand of assignment
N = 10;
~~^~~~
📌 注意事项②：有些类型是不能作为非类型模板参数的，比如浮点数、类对象以及字符串。
非类型模板参数基本上都是整型，实际上也只有整型是有意义和价值的（可以这么理解）。
（char 也算整型，只不过是一个字节的整型，你不能因为它一个字节就歧视它）
📌 注意事项③：非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。
0x03 顺便介绍一下 STL 的 array
" 我们对 STL 的 array 安排的场次如此潦草，在这里穿插下随便讲讲好啦 "
🔍 官方文档：array - C++ Reference
现在学了非类型模板参数了，我们现在再来回头看 array：
array 是 C++11 新增的，它有什么独特的地方吗？
很可惜，基本没有，并且 vector 可以完全碾压 array……
而且就算说它有，那也不是优势反而是劣势，这就是为什么我们没有这么积极的讲解 array。
#include <iostream>
#include <array>
#include <vector>
using namespace std;
int main(void)
{
vector<int> v1(100, 0);
array<int, 100> a1;
cout << "size of v1: " << sizeof(v1) << endl;
cout << "size of a1: " << sizeof(a1) << endl;
return 0;
}
🚩 运行结果：
vector 是开在空间大的堆上的而 array 是开在寸土寸金的栈上的，堆可比栈的空间大太多太多了。
最尴尬的是 array 能做的操作几乎 vector 都能做，因为 vector 的存在 array
所以我们拿 array 去对标 vector 是不对的，拿去和原生数组比还是可以对比的。
但是 array 也只是封装过的原生数组罢了，是真的菜：
array<int, 100> a1; // 封装过的原生数组
int a2[100]; // 原生数组
比起原生数组，array 的最大优势也只是有一个越界的检查，读和写都可以检查到是否越界。
要对比的话也只能欺负一下原生数组，然而面对强大的 vector，array 完全没有招架之力。
如何评价 array？在 C++11 增加完 array 后备受吐槽，从简化的角度来说完全可以不增加 array。
我的评价是 ——
" 十年磨一剑，但磨的是十年前的技术 "
🔺 总结：array 相较于原生数组，有越界检查之优势，实际中建议直接用 vector。
Ⅱ. 模板的特化（Template Specialization）
0x01 引入：给特殊类型准备特殊模板
通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码
但是，对于一些特殊类型，可能我们就要对其进行一些 "特殊的处理" 。
💭 举例：如果不对特殊类型进行特殊处理就可能会出现一些问题，比如：
#include <iostream>
#include "Date.h" /* 引入自己实现的日期类 */
using namespace std;
/* 判断左数是否比小于右数 */
template<class T>
bool Less(T left, T right) {
return left < right;
}
int main(void)
{
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 = new Date(2022, 7, 16);
Date* p2 = new Date(2022, 7, 15);
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果正确
return 0;
}
❓ 运行结果：（我们运行几次发现，其结果不稳定，对于 Date* 一会是真一会是假）
问题出在没传指针，传的是 p1 和 p2，这里传 *p1 和 *p2 就能解决。但是……
这时候冲出个土匪拿炸弹强迫你：不让你传星号，就必须传 p1 和 p2，怎么办？
不慌，我们还可以用一种特殊的方式 —— 模板的特化，针对某些类型要进行特殊化处理。
0x01 模板特化的步骤
首先，必须要先有一个基础的函数模板。
其次，关键字 template 后面接上一对空的 <> 尖括号。
然后，函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的内容。
最后，函数形参表必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，不同编译器会恶心人。
💬 代码演示：模板的特化
#include <iostream>
#include "Date.h"
using namespace std;
// 必不可少的原本
template<class T>
bool Less(T left, T right) {
return left < right;
}
// 针对某些类型要特殊化处理 ———— 使用模板的特化解决
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right) {
return *left < *right;
}
int main(void)
{
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 = new Date(2022, 7, 16);
Date* p2 = new Date(2022, 7, 15);
cout << Less(p1, p2) << endl; // 可以比较，结果正确
return 0;
}
🚩 运行结果：（运行多次后发现结果正常，每次都一致）
💡 解读：对于普通类型，它还是会调正常的模板。对于 Date* 编译器就会发现这里有个专门为 Date* 而准备的特化版本，编译器会优先选择该特化版本。这，就是模板的特化。
当然了，函数内你可以自己设计如何去处理你想要处理的特殊情况，这都是你说的算：
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right) {
// 这里面你可以做各种处理
}
❓ 思考：现在我们加一个普通函数，Date* 会走哪个版本？
// 原模板
template<class T>
bool Less(T left, T right) {
return left < right;
}
// 对模板特化的
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right) {
return *left < *right;
}
// 直接匹配的普通函数
bool Less(Date* left, Date* right) {
return *left < *right;
}
🔑 答案：函数重载，会走直接匹配的普通函数版本，因为是现成的，不用实例化。你可以这么理解：原模板是生肉，模板特化是半生不熟的肉，直接匹配的普通函数是熟肉。
🔺 结论：函数模板不一定非要特化，因为在参数里面就可以处理，写一个匹配参数的普通函数也更容易理解。
0x02 类模板的特化
刚才函数模板不一定非要特化，因为可以写一个具体实现的函数。
但是类模板我们没法实现一个具体的实际类型，就必须要特化了。
💭 比如这里 d2 需要接收一个 int 和 一个 double
#include <iostream>
#include "Date.h"
using namespace std;
template<class T1, class T2>
class Data {
public:
Data() {
cout << "Data<T1, T2>" << endl;
}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
int main(void)
{
Data<int, int> d1;
Data<int, double> d2; // 需要特化解决
return 0;
}
💬 代码演示：类模板的特化
template<class T1, class T2>
class Data {
public:
Data() {
cout << "Data<T1, T2>" << endl;
}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
// 类模板的特化
template<>
class Data<int, double> {
public:
Data() {
cout << "Data<int, double>" << endl;
}
};
int main(void)
{
Data<int, int> d1;
Data<int, double> d2;
return 0;
}
🚩 运行结果：
0x03 全特化和半特化
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。
（我们刚才写的就是全特化）
...
// 全特化
template<>
class Data<int, double> {
public:
Data() {
cout << "Data<int, double>" << endl;
}
};
半特化（又称偏特化）：将部分参数类表中的一部分参数特化。
（半特化并不是特化一半，就像半缺省并不是缺省一半一样）
...
// 半特化（偏特化）
template<class T1>
class Data<T1, char> {
public:
Data() {
cout << "Data<T1, char>" << endl;
}
};
int main(void)
{
// 只要第二个值是 char 都会匹配到半特化
Data<int, char> d3;
Data<char, char> d4;
return 0;
}
半特化还有一种表现方式，半特化可以用来对参数进行更进一步的限制。
💬 代码演示：限制两个参数都是指针
...
// 半特化还可以对参数进行进一步限制
template<class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*> {
public:
Data() {
cout << "Data<T1*, T2*>" << endl;
}
};
int main(void)
{
// 只要你两个参数都是指针，就匹配
Data<int*, char*> d5;
Data<char*, string*> d6;
Data<char**, void*> d7;
return 0;
}
🚩 运行结果：
💬 代码演示：限制两个参数都是引用
template<class T1, class T2>
class Data<T1&, T2&> {
public:
Data() {
cout << "Data<T1&, T2&>" << endl;
}
};
int main(void)
{
// 只要你两个参数都是引用，就匹配
Data<int&, int&> d8;
Data<char&, string&> d9;
return 0;
}
🚩 运行结果：
Ⅲ. 模板的优缺点
0x00 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。
0x01 缺点
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。
📌 [ 笔者 ] 王亦优
📃 [ 更新 ] 2022.8.1
❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */
📜 [ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
📜 参考资料 C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/. 比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]. |
