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欢迎来到程序员餐厅 今日主菜模板 主厨邪王真眼 主厨的主页Chef‘s blog 所属专栏c大冒险 总有光环在陨落总有新星在闪烁 本节目标 1. 泛型编程 2. 函数模板 3. 类模板 4 非类型模板参数 5. 类模板的特化 6. 模板的分离编译 1. 泛型编程 如何实现一个通用的交换函数呢 肯定有老铁要说了c不是有函数重载吗 如下 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;
} 使用函数重载虽然可以实现但是有一下几个不好的地方 1. 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 2. 代码的可维护性比较低一个出错可能所有的重载均出错 那能否 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 呢 那将会节省许多头发 。巧的是前人早已将树栽好我们只需在此乘凉。 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。 2. 函数模板
2.1 函数模板概念 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数的特定 类型版本。 2.2 函数模板格式 templatetypename T1, typename T2,......,typename Tn 返回值类型 函数名 ( 参数列表 ){} templatetypename T
void Swap( T left, T right)
{T temp left;left right;right temp;
} 注意typename是用来定义模板参数关键字也可以使用class ( 切记 不能使用struct代替class ) 2.3 函数模板的原理 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从员工变身老板 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。 2.4 函数模板的实例化 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 。 1. 隐式实例化
让编译器根据实参推演模板参数的实际类型 templateclass 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);/*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Add(a1, d1);*/// 此时有两种处理方式1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化Add(a, (int)d);return 0;
} 2. 显式实例化 在函数名后的中指定模板参数的实际类型
int main(void)
{int a 10;double b 20.0;// 显式实例化Addint(a, b);return 0;
} 如果类型不匹配编译器会尝试进行隐式类型转换如果无法转换成功编译器将会报错。 2.5 模板参数的匹配原则 1. 非模板函数可以和同名的函数模板同时存在 如果调用函数所实例化出的函数参数类型与非模板函数相同编译器就不会实例化函数模板而会直接调用现成的。如果你硬要让编译器实例化模板那就显示实例化
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return left right;
}
// 通用加法函数
templateclass T
T Add(T left, T right)
{return left right;
}
void Test()
{Add(1, 2); // 与非模板函数匹配编译器不需要特化Addint(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}
2. 对于非模板函数和同名函数模板如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数 那么将选择模板
// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{return left right;
}
// 通用加法函数
templateclass T1, class T2
T1 Add(T1 left, T2 right)
{return left right;
}
void Test()
{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
}
3. 类模板
3.1 类模板的定义格式 templateclass T1, class T2, ..., class Tn
class 类模板名
{// 类内成员定义
};
// 动态顺序表
// 注意Vector不是具体的类是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具
templateclass T
class Vector
{
public :Vector(size_t capacity 10): _pData(new T[capacity]), _size(0), _capacity(capacity){}// 使用析构函数演示在类中声明在类外定义。~Vector();void PushBack(const T data)void PopBack()// ...size_t Size() {return _size;}T operator[](size_t pos)
{assert(pos _size);return _pData[pos];}private:T* _pData;size_t _size;size_t _capacity;
};
// 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
template class T
VectorT::~Vector()
{if(_pData)delete[] _pData;_size _capacity 0;
} 3.2 类模板的实例化 类模板实例化与函数模板实例化不同 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Vectorint才是类型
Vectorint s1;
Vectordouble s2; 4. 非类型模板参数 模板参数包括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 namespace bite
{// 定义一个模板类型的静态数组templateclass T, size_t N 10class 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 _size;}bool empty()const{return 0 _size;}private:T _array[N];size_t _size;}
} 注意 1. 非类型形参必须是整型常量浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。 2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。 5. 模板的特化 5.1 概念 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 需要特殊处理比如实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板 // 函数模板 -- 参数匹配
templateclass 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return 0;
} 可以看到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d1显然小于p2指向的d2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p1和p2指针的地址的大小这就无法达到预期而错误。 此时就 需要对模板进行特化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 函数模板的特化步骤 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如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误。 // 函数模板 -- 参数匹配
templateclass T
bool Less(T left, T right)
{return left right;
}
// 对Less函数模板进行特化
template
bool LessDate*(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而不走模板生成了return 0;
} 注意 一般情况下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是将该函数直接给 出。 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。 5.3 类模板特化 5.3.1 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 templateclass T1, class T2
class Data
{
public:Data() {coutDataT1, T2 endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
};
template
class Dataint, char
{
public:Data() {coutDataint, char endl;}
private:int _d1;char _d2;
};
void TestVector()
{Dataint, int d1;Dataint, char d2;
} 5.3.2 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。 templateclass T1, class T2
class Data
{
public:Data() {coutDataT1, T2 endl;}
private:T1 _d1;T2 _d2;
}; 偏特化有两种表现方式 1.部分特化 将模板参数类表中的一部分参数特化。 // 将第二个参数特化为int
template class T1
class DataT1, int
{
public:Data() {coutDataT1, int endl;}
private:T1 _d1;int _d2;
}; 2.参数更进一步的限制 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。 //两个参数偏特化为指针类型
template typename T1, typename T2
class Data T1*, T2*
{
public:
Data() {coutDataT1*, 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){coutDataT1, T2 endl;}private:const T1 _d1;const T2 _d2; };
void test2 ()
{Datadouble , int d1; // 调用特化的int版本Dataint , double d2; // 调用基础的模板 Dataint *, int* d3; // 调用特化的指针版本Dataint, int d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
} 5.3.3 类模板特化应用示例 有如下专门用来按照小于比较的类模板 Less #includevector
#include algorithm
templateclass T
struct Less
{bool operator()(const T x, const T y) const{return x y;}
};
int main()
{Date d1(2022, 7, 7);Date d2(2022, 7, 6);Date d3(2022, 7, 8);vectorDate v1;v1.push_back(d1); v1.push_back(d2);v1.push_back(d3);// 可以直接排序结果是日期升序sort(v1.begin(), v1.end(), LessDate());vectorDate* v2;v2.push_back(d1);v2.push_back(d2);v2.push_back(d3);// 可以直接排序结果错误日期还不是升序而v2中放的地址是升序// 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sort(v2.begin(), v2.end(), LessDate*());return 0;
} 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此时可以使用类版本特化来处理上述问题 // 对Less类模板按照指针方式特化
template
struct LessDate*
{bool operator()(Date* x, Date* y) const{return *x *y;}
}; 特化之后在运行上述代码就可以得到正确的结果 注意 模板的偏特化是指对模板进行特定类型的特化以满足特定类型的需求。在C中模板的偏特化只适用于类模板而不适用于函数模板。 对于函数模板C标准并没有提供直接支持偏特化的语法。函数模板的特化只能通过完全特化来实现即为每个具体的类型提供一个独立的函数模板实现。 总结起来模板的偏特化只适用于类模板而函数模板只能通过完全特化来实现特定类型的需求。 6模板分离编译 6.1 什么是分离编译 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。 6.2 模板的分离编译 假如有以下场景模板的声明与定义分离开在头文件中进行声明源文件中完成定义 // a.h
templateclass T
T Add(const T left, const T right);
// a.cpp
templateclass T
T Add(const T left, const T right)
{return left right;
}
// main.cpp
#includea.h
int main()
{Add(1, 2);Add(1.0, 2.0);return 0;
} 分析 总结 .h中的类只是个声明无法实例化函数而.cpp中有定义可以实例化函数但前提是他知道参数是谁可是在连接之前文件之间无法沟通随意他不知道main需要什么类型的参数也无法实例化实例化不出来main里又调用了那必报错。 6.3 解决方法 1. 将声明和定义放到一个文件 xxx.hpp 里面或者 xxx.h里面只是分开写 。推荐使用这种。 2. 模板定义的位置显式实例化 。这种方法不实用不推荐使用。 7. 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 收尾 我们今天把模板的底子摸得差不多了先简单了解的如何用模板实现泛型编程接着了解了类和函数模板的特化最后学习了类的定义声明分离会报错的原因及解决方案。 ok那么我宣布模板over 注图片来自比特就业课
