[C++历练之路]C++模板还能这么玩，已经走了好多弯路，后悔没有早点学会到。-编程知识

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🍔前言：

在C++的世界里，模板是一种强大而神奇的工具，宛如编程的瑰宝匣，蕴藏着无限的可能性。它们不仅能够让我们编写通用的代码，还能够在编译时实现类型安全的抽象。然而，模板的奥秘并非易见，它们像是编码世界中的魔法咒语，需要睿智者的智慧和技巧才能真正驾驭。
在这段旅程中，我们将探索C++模板的奥秘，解锁其妙用技巧的宝藏。我们将揭开模板编程的神秘面纱，探索如何借助模板实现泛型编程、容器类、算法以及更多令人惊叹的功能。让我们一同穿越这个编程的魔法门，发现模板编程的精妙所在，探索其中隐藏的无尽可能性。准备好了吗？让我们踏上这段模板编程之旅，探寻其中的精彩和奇迹。

什么是模板

非类型模板参数

模板的特化

概念

函数模板特化

类模板特化

全特化

偏特化

模板分离编译

什么是分离编译

模板的分离编译

解决方法

模板总结

什么是模板

在C++中，模板是一种泛型编程（Generic Programming）的工具，它允许程序员编写通用的、与数据类型无关的代码。使用模板，你可以编写函数或类，使其能够适用于多种数据类型而不需要重复编写多份相似的代码。

C++模板的两种主要形式是函数模板和类模板：

函数模板： 函数模板允许你编写一个通用的函数，其中的某些类型或值可以是参数化的。例如，你可以编写一个通用的排序函数，可以对整数数组、浮点数数组或其他类型的数组进行排序，而不需要为每种类型都编写一个独立的排序函数。

template <typename T>
void swap(T &a, T &b) {T temp = a;a = b;b = temp;
}

这里，typename T 表示这是一个模板，并且 T 是一个占位符，代表了实际的数据类型。

类模板： 类模板允许你编写通用的类，其中的某些成员可以是参数化的。例如，你可以编写一个通用的栈类，可以存储不同类型的元素。

template <typename T>
class Stack {
private:std::vector<T> elements;public:void push(const T &element) {elements.push_back(element);}T pop() {if (!elements.empty()) {T top = elements.back();elements.pop_back();return top;} else {// Handle empty stack// ...}}
};

这里，template<typename T>表示这是一个类模板，T 是一个占位符，代表了实际的数据类型。

通过使用模板，可以实现更加灵活和可重用的代码，因为它使得代码可以独立于具体的数据类型。在标准库中，许多常见的数据结构和算法都是通过模板实现的。

非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。
类型形参即：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。

类型模板参数就是通过定义类型作为参数的，上面的代码都是类型形参。

而非类型模板是什么呢？

当我们定义一个数组时使用#define可以进行宏定义，当我们创建一个数组时就可以数量为20的数组。

#include <vector>
using namespace std;
#define n 20//类型模板参数//非类型模板参数 -- 整形常量
template<class T>
class Array
{
private:T _a[n];
};
int main()
{Array<int> a1;Array<double> a2;return 0;
}

但是当我们想要进行创建一个空间个数为10的数组时就无法去创建，只能重新在定义一个模板进行。

非类型模板参数可以代替宏定义！！！这时非类型模板就可以起到用处：

template<class T, size_t n = 20>
class Array
{
private:T _a[n];
};
int main()
{Array<int, 10> a1;Array<int> a;Array<double, 100> a2;return 0;
}

注意：
1. 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。

C++11中在STL中添加了新的容器，array容器。

这个容器就是数组，使用了非类型模板参数，所以在函数接口中就没有rserve与rsize了。那这个容器好不好呢？

int arr[10];
array<int, 10> a1;
//这两个是相同对标的

他们有什么区别呢？就是在越界检测方式不同，数组的检测方式是抽查写，而array是全面检测。但是这个东西不是很好，我们都可以使用vector了，为什么还要使用array呢？这里只是给大家做一个了解。

模板的特化

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，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
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
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，这就无法达到预期而错误。
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。

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
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，而不走模板生成了
return 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。

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。

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。

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{return left < right;
}
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* 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int* p3 = new int(1);int* p4 = new int(2);cout << Less(p3, p4) << endl;  // 可以比较return 0;
}

全特化是对模板一种特殊处理，因为模板中有一部分内容的比较结果与现实不符，我们必须特殊处理。所以必须有模板才能有特化类模板。

偏特化

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。比如对于以下模板类：

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};

偏特化有以下两种表现方式：
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 Data<T1, int>
{
public:
Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
int _d2;
};

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。

//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;
};
void test2 ()
{
Data<double , int> d1; // 调用特化的int版本
Data<int , double> d2; // 调用基础的模板
Data<int *, int*> d3; // 调用特化的指针版本
Data<int&, int&> d4(1, 2); // 调用特化的指针版本
}

模板分离编译

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。

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
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
Add(1, 2);
Add(1.0, 2.0);
return 0;
}

分析：

func函数是有地址的，所以我们在链接时可以找到，但是模板却没有，所以编译器在开辟函数栈帧时就不知道开多大空间，所以无法进行链接。

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其实也是可以的。推荐使用这种。

#include <vector>
using namespace std;template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);void func();
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}//声明和定义放到一起，直接就可以实例化，编译时就有地址，不需要链接

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Func.h"
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{return left + right;
}
void func()
{cout << "void func()" << endl;
}
template
double Add<double>(const double& left, const double& right);template
int Add<int>(const int& left, const int& right);

但是显示实例化只能声明一种类型，当我们需要另一种类型时就要重新实例化一个新类型。