【浅尝C++】使用模板实现泛型编程第二弹=＞非类型模板参数/模板特化/模板分离编译详解

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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。非类型形参必须为整型家族类型（如char、unsigned char、bool、int、long等）。

★ps：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。非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

#include <iostream>

//大小为5的静态数组
template<class T, size_t N = 5>
class MyArray
{
public:
	MyArray(int n)
		:_arr(new T[N])
		, _size(n)
	{}
	T& operator[](const int& index)
	{
		return _arr[index];
	}
private:
	T* _arr;
	size_t _size;
};

int main()
{
	MyArray<int> arr(10);
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		arr[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

非类型模板参数的数值默认数值必须是常量：如宏定义常量、字面常量、枚举常量。但不可以const修饰的常变量，如const int、const char等。

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

比如下方代码：实现了一个专门用来进行大于比较的函数模板↓↓↓

#include <iostream>
using namespace std;

template<class T>
bool Greater(T left, T right)
{
	return left > right;
}

class A
{
public:
	A(int n)
		:_a(n)
	{}
	int _a;
};

int main()
{	
	cout << Greater(2, 1) << endl;
	A* a1 = new A(999);
	A* a2 = new A(9);
	cout << Greater(a1, a2) << endl;
	return 0;
}

上面代码中Greater(2,1)的比较结果是正确的，但Greater(a1,a2)的比较结果是错误（Greater对a1和a2指向的地址进行比较，而这里希望对A类内的_a进行比较）。

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. 必须要先有一个常规的函数模板
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。

上面给出的示例无法正确比较自定义类型A，下面代码给出了特化示例↓↓↓

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int n)
		:_a(n)
	{}
	int _a;
};

template<class T>
bool Greater(T left, T right)
{
	return left > right;
}

//特化版本
template<>
bool Greater<A*>(A* left, A* right)
{
	cout << "Special!" << endl;
	return left->_a > right->_a;
}

int main()
{	
	cout << Greater(2, 1) << endl;
	A* a1 = new A(999);
	A* a2 = new A(9);
	//调用特化版本，不调用自动生成的函数模板
	cout << Greater(a1, a2) << endl;
	return 0;
}

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，而不是使用模板特化。我们可以实现一个与模板函数名相同的普通函数，在普通函数能够匹配的情况下，将会优先使用普通函数

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	A(int n)
		:_a(n)
	{}
	int _a;
};

template<class T>
bool Greater(T left, T right)
{
	return left > right;
}

//普通函数
bool Greater(A* left, A* right)
{
	cout << "Normal Function is called" << endl;
	return left->_a > right->_a;
}

int main()
{	
	A* a1 = new A(999);
	A* a2 = new A(9);
	//优先匹配普通函数
	//如果匹配普通函数时，无法匹配或需要隐式类型转换，则会使用模板生成
	cout << Greater(a1, a2) << endl;
	return 0;
}

使用与函数模板同名的普通函数实现，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。

下面的类模板有2个参数，在类模板之后又实现了一个第一个参数类型为int，第二个参数类型为char的特化版本，由于特化版本将类模板的两个参数都确定化，故这种特化称为全特化。

#include <iostream>
using namespace std;

//类模板
template<class T1, class T2>
class Two
{
public:
	Two(T1 t1, T2 t2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};

//特化版本
template<>
class Two<int, char>
{
public:
	Two(T1 t1, T2 t2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << "I am Special " << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};

int main()
{
	Two<int, int>obj1(1, 2);
	Two<int ,char>obj2(1, 'C');
	obj1.Print();
	obj2.Print();
	return 0;
}

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。比如对于下面类模板：

template<class T1, class T2>
class Test
{
public:
	PP(T1 t1, T2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};

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。

template<class T1>
class Test<T1, char>//将T2特化为char类型
{
public:
	PP(T1 t1, T2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};

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。

//特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class Test<T1*, T2*>
{
public:
	PP(T1 t1, T2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};
//特化为引用类型
template<class T1, class T2>
class Test<T1&, T2&>
{
public:
	PP(T1 t1, T2)
		:_t1(t1)
		,_t2(t2)
	{}
	void Print()
	{
		cout << _t1 << " " << _t2 << endl;
	}
private:
	T1 _t1;
	T2 _t2;
};

模板分离编译

分离编译概念

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。

模板分离编译存在问题的原因

如果我将Add函数模板声明于test.h，实现于test.cpp，并在main.cpp中调用，则会出现链接错误。

//test.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

//test.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

//main.cpp
#include "test.h"
int main()
{
	Add(1, 2);//链接错误
	return 0;
}

我们先来复习一下源文件如何编程可执行文件的↓↓↓

预处理阶段会执行的操作有：头文件展开、条件编译、宏替换、去除注释。
编译阶段会执行的操作有：词法分析、语法分析、语义分析（如果出现语法错误，将在编译阶段报错），在该阶段还会生成将函数名与函数所在地址映射到一起的符号表。
汇编阶段会执行的操作是：将汇编语言转化为二进制语言。
链接阶段：从符号表中获取信息，将函数声明与函数定义链接到一起。

由于各个文件是分开编译的，add.cpp无法确定Add的函数类型，在编译阶段并没有生成对应类型的Add函数。因而，在链接时，无法找到int参数类型的Add函数地址，导致链接错误。

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。

//test.hpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

//main.cpp
#include "test.hpp"
int main()
{
	Add(1, 2);//链接错误
	return 0;
}

★ps：建议采用这种解决方案。将声明和定义写在同一个hpp或h文件后缀的文件中。

2. 模板定义的位置显式实例化。

//test.h
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right);

//test.cpp
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}

template int Add<int>(const int&, const int&);

//main.cpp
#include "test.h"
int main()
{
	Add(1, 2);//链接错误
	return 0;
}

★ps：这种方式也可以实现分离编译，但相对繁琐，不推荐使用这种解决方案。

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

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