C++模板进阶操作 —— 非类型模板参数、模板的特化以及模板的分离编译

2024-03-31 17:04

本文主要是介绍C++模板进阶操作 —— 非类型模板参数、模板的特化以及模板的分离编译,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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。

例如,我们要实现一个静态数组的类,就需要用到非类型模板参数。

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
};

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;
}

注意:

1.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。
2.非类型的模板参数在编译期间就需要确认结果,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。

模板的特化

概念

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。

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;
cout << IsEqual(1.1, 2.2) << endl;

这样使用是没有问题的,但是我们也有可能会按照下面这样使用模板

char a1[] = "hello 2023";
char a2[] = "hello 2023";
cout << IsEqual(a1, a2) << endl;

判断结果是这两个字符串不相等,这是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,而该函数实际上是判断这两个字符串的首元素的地址(函数传入的参数为数组名,数组名为数组首元素的地址)是否相同,这是两个存在于栈区的字符串,其地址显然是不同的。
对于上述实例,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.

函数模板特化

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。

函数模板的特化步骤

1.首先必须要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,否则不同的编译器可能会报一些奇怪的错误。

对于上述实例char*类型的特化如下:

//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。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;
}

类模板的特化

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)。

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。

例如,对于以下类模板

template<class T1, class T2>
class A
{
public:A(){cout << "A<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};

当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时的模板进行特化。

函数模板的特化步骤:

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

对于T1是double,T2是int的特化如下:

template<class T1, class T2>
class A
{
public:A(){cout << "A<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};template<>
class A<double, int>
{
public:A(){cout << "A<double, int>" << endl;}
private:double _D1;int _D2;
};

那么如何证明当T1是double,T2是int时,使用的就是我们自己特化的类模板呢?

当我们实例化一个对象时,编译器会自动调用其构造函数,我们若是在构造函数当中打印适当的提示信息,那么当我们实例化对象后,通过观察控制台上打印的结果,即可确定实例化该对象时调用的是不是我们自己特化的类模板了。 

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。

例如,对于以下类模板:

template<class T1, class T2>
class A
{
public:A(){cout << "A<T1, T2>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};

偏特化又可分为以下两种表现形式:
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。
例如,我们可以对T1为int类型的类进行特殊化处理。

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

此时只要实例化对象时指定T1为int,就会使用这个特化的类模板来实例化对象。

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。
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。

//两个参数偏特化为指针类型
template<class T1, class T2>
class A<T1*, T2*>
{
public:A(){cout << "A<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 A<T1&, T2&>
{
public:A(){cout << "A<T1&, T2&>" << endl;}
private:T1 _D1;T2 _D2;
};

此时,当实例化对象的T1和T2同时为指针类型或同时为引用类型时,就会分别调用我们特化的两个类模板。

模板的分离编译

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

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。
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:

  1. 预处理: 头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等。
  2. 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。
  3. 汇编: 把编译阶段生成的文件转成目标文件。
  4. 链接: 将生成的各个目标文件进行链接,生成可执行文件。

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。

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。

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。

之后就到达了汇编阶段,此阶段利用 Add.s 和 main.s 这两个文件分别生成了两个目标文件,对应到Linux操作系统当中就是生成了 Add.o 和 main.o 两个目标文件。

前面的预处理、编译和汇编都没有问题,现在就需要将生成的两个目标文件进行链接操作了,但在链接时发现,在main函数当中调用的两个Add函数实际上并没有被真正定义,主要原因是函数模板并没有生成对应的函数,因为在全过程中都没有实例化过函数模板的模板参数T,所以函数模板根本就不知道该实例化T为何类型的函数。

模板分离编译失败的原因:
在函数模板定义的地方(Add.cpp)没有进行实例化,而在需要实例化函数的地方(main.cpp)没有模板函数的定义,无法进行实例化。

解决方法

解决类似于上述模板分离编译失败的方法有两个,第一个就是在模板定义的位置进行显示实例化。
例如,对于上述代码解决方案如下:

在函数模板定义的地方,对T为int和double类型的函数进行了显示实例化,这样在链接时就不会找不到对应函数的定义了,也就能正确执行代码了。

虽然第一种方法能够解决模板分离编译失败的问题,但是我们这里并不推荐这种方法,因为我们需要用到一个函数模板实例化的函数,就需要自己手动显示实例化一个函数,非常麻烦。

现在就来说说解决该问题的第二个方法,也是我们所推荐的,那就是对于模板来说最好不要进行分离编译,不论是函数模板还是类模板,将模板的声明和定义都放到一个文件当中就行了。

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。

这篇关于C++模板进阶操作 —— 非类型模板参数、模板的特化以及模板的分离编译的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/864849

相关文章

Java编译生成多个.class文件的原理和作用

《Java编译生成多个.class文件的原理和作用》作为一名经验丰富的开发者,在Java项目中执行编译后,可能会发现一个.java源文件有时会产生多个.class文件,从技术实现层面详细剖析这一现象... 目录一、内部类机制与.class文件生成成员内部类(常规内部类)局部内部类(方法内部类)匿名内部类二、

SpringBoot实现数据库读写分离的3种方法小结

《SpringBoot实现数据库读写分离的3种方法小结》为了提高系统的读写性能和可用性,读写分离是一种经典的数据库架构模式,在SpringBoot应用中,有多种方式可以实现数据库读写分离,本文将介绍三... 目录一、数据库读写分离概述二、方案一:基于AbstractRoutingDataSource实现动态

Spring Boot + MyBatis Plus 高效开发实战从入门到进阶优化(推荐)

《SpringBoot+MyBatisPlus高效开发实战从入门到进阶优化(推荐)》本文将详细介绍SpringBoot+MyBatisPlus的完整开发流程,并深入剖析分页查询、批量操作、动... 目录Spring Boot + MyBATis Plus 高效开发实战:从入门到进阶优化1. MyBatis

Spring Boot 配置文件之类型、加载顺序与最佳实践记录

《SpringBoot配置文件之类型、加载顺序与最佳实践记录》SpringBoot的配置文件是灵活且强大的工具,通过合理的配置管理,可以让应用开发和部署更加高效,无论是简单的属性配置,还是复杂... 目录Spring Boot 配置文件详解一、Spring Boot 配置文件类型1.1 applicatio

Mysql表的简单操作(基本技能)

《Mysql表的简单操作(基本技能)》在数据库中,表的操作主要包括表的创建、查看、修改、删除等,了解如何操作这些表是数据库管理和开发的基本技能,本文给大家介绍Mysql表的简单操作,感兴趣的朋友一起看... 目录3.1 创建表 3.2 查看表结构3.3 修改表3.4 实践案例:修改表在数据库中,表的操作主要

C# WinForms存储过程操作数据库的实例讲解

《C#WinForms存储过程操作数据库的实例讲解》:本文主要介绍C#WinForms存储过程操作数据库的实例,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录一、存储过程基础二、C# 调用流程1. 数据库连接配置2. 执行存储过程(增删改)3. 查询数据三、事务处

Java使用Curator进行ZooKeeper操作的详细教程

《Java使用Curator进行ZooKeeper操作的详细教程》ApacheCurator是一个基于ZooKeeper的Java客户端库,它极大地简化了使用ZooKeeper的开发工作,在分布式系统... 目录1、简述2、核心功能2.1 CuratorFramework2.2 Recipes3、示例实践3

Java利用JSONPath操作JSON数据的技术指南

《Java利用JSONPath操作JSON数据的技术指南》JSONPath是一种强大的工具,用于查询和操作JSON数据,类似于SQL的语法,它为处理复杂的JSON数据结构提供了简单且高效... 目录1、简述2、什么是 jsONPath?3、Java 示例3.1 基本查询3.2 过滤查询3.3 递归搜索3.4

springboot security之前后端分离配置方式

《springbootsecurity之前后端分离配置方式》:本文主要介绍springbootsecurity之前后端分离配置方式,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的... 目录前言自定义配置认证失败自定义处理登录相关接口匿名访问前置文章总结前言spring boot secu

C++ 中的 if-constexpr语法和作用

《C++中的if-constexpr语法和作用》if-constexpr语法是C++17引入的新语法特性,也被称为常量if表达式或静态if(staticif),:本文主要介绍C++中的if-c... 目录1 if-constexpr 语法1.1 基本语法1.2 扩展说明1.2.1 条件表达式1.2.2 fa