C++ - 模版（template）

2019-10-30 编程 cpp 0 评论

C++ 学习笔记

C++ tepmlate

简介

Template所代表的 泛型编程 是C++语言中的重要的组成部分，本文是基础篇的第一部分。

为什么要有泛型编程

C++是一门强类型语言，所以无法做到像动态语言（python javascript）那样子，编写一段通用的逻辑，可以把任意类型的变量传进去处理。泛型编程弥补了这个缺点，通过把通用逻辑设计为模板，摆脱了类型的限制，提供了继承机制以外的另一种抽象机制，极大地提升了代码的可重用性。
注意：模板定义本身不参与编译，而是编译器根据模板的用户使用模板时提供的类型参数生成代码，再进行编译，这一过程被称为模板实例化。用户提供不同的类型参数，就会实例化出不同的代码。

函数模版

函数模板定义

把处理不同类型的公共逻辑抽象成函数，就得到了函数模板。

1	函数模板可以声明为inline或者constexpr的，将它们放在template之后，返回值之前即可。

普通函数模板

下面定义了一个名叫compare的函数模板，支持多种类型的通用比较逻辑。

template<typename T>
int compare(const T& left, const T& right) {
    if (left < right) {
        return -1; 
    }
    if (right < left) {
        return 1; 
    }
    return 0;
}

compare<int>(1, 2); //使用模板函数

成员函数模板

不仅普通函数可以定义为模板，类的成员函数也可以定义为模板。

class Printer {
public:
    template<typename T>
    void print(const T& t) {
        cout << t <<endl;
    }
};

Printer p;
p.print<const char*>("abc"); //打印abc

template 中不仅仅可以是一个 typename, 也可以是具体类型的变量

template<typename T, int N>
class Array {
private:
    T m_Array[N];
public:
    void ShowSize()
    {
        std::cout << N <<  std::endl;
    }
};


Array<int, 2> p;
// Array<std::string, 2> p;
p.ShowSize(); //打印 2

为什么成员函数模板不能是虚函数(virtual)？

这是因为c++ compiler在parse一个类的时候就要确定vtable的大小，如果允许一个虚函数是模板函数，那么compiler就需要在parse这个类之前扫描所有的代码，找出这个模板成员函数的调用（实例化），然后才能确定vtable的大小，而显然这是不可行的，除非改变当前compiler的工作机制。

实参推断

为了方便使用，除了直接为函数模板指定类型参数之外，我们还可以让编译器从传递给函数的实参推断类型参数，这一功能被称为模板实参推断。

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compare(1, 2); //推断T的类型为int
compare(1.0, 2.0); //推断T的类型为double
p.print("abc"); //推断T的类型为const char*

有意思的是，还可以通过把函数模板赋值给一个指定类型的函数指针，让编译器根据这个指针的类型，对模板实参进行推断。
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int (*pf) (const int&, const int&) = compare; //推断T的类型为int

当返回值类型也是参数时

当一个模板函数的返回值类型需要用另外一个模板参数表示时，你无法利用实参推断获取全部的类型参数，这时有两种解决办法：
返回值类型与参数类型完全无关，那么就需要显示的指定返回值类型，其他的类型交给实参推断。
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注意：此行为与函数的默认实参相同，我们必须从左向右逐一指定。

template<typename T1, typename T2, typename T3>
T1 sum(T2 v2, T3 v3) {
    return static_cast<T1>(v2 + v3);
}

auto ret = sum<long>(1L, 23); //指定T1, T2和T3交由编译器来推断

template<typename T1, typename T2, typename T3>
T3 sum_alternative(T1 v1, T2 v2) {
    return static_cast<T1>(v1 + v2);
}
auto ret = sum_alternative<long>(1L, 23); //error，只能从左向右逐一指定
auto ret = sum_alternative<long,int,long>(1L,23); //ok, 谁叫你把最后一个T3作为返回类型的呢?

返回值类型可以从参数类型中获得，那么把函数写成尾置返回类型的形式，就可以愉快的使用实参推断了。

template<typename It>
auto sum(It beg, It end) -> decltype(*beg) {
    decltype(*beg) ret = *beg;
    for (It it = beg+1; it != end; it++) {
       ret  = ret + *it;
    }
    return ret;
}

vector<int> v = {1, 2, 3, 4};
auto s = sum(v.begin(), v.end()); //s = 10

实参推断时的自动类型转换

编译器进行模板实参推断时通常不会对实参进行类型转换，只有以下几种情况例外：
- 普通对象赋值给const引用 int a = 0; -> const T&
- 数组名转换为头指针 int a[10] = {0}; -> T*
- 函数名转换为函数指针 void func(int a){…} -> T*

函数模板重载

函数模板之间，函数模板与普通函数之间可以重载。编译器会根据调用时提供的函数参数，调用能够处理这一类型的最特殊的版本。在特殊性上，一般按照如下顺序考虑：
- 1.普通函数
- 2.特殊模板（限定了T的形式的，指针、引用、容器等）
- 3.普通模板（对T没有任何限制的）
对于如何判断某个模板更加特殊，原则如下：如果模板B的所有实例都可以实例化模板A，而反过来则不行，那么B就比A特殊。

template<typename T>
void func(T& t) { //通用模板函数
    cout << "In generic version template " << t << endl;
}

template<typename T>
void func(T* t) { //指针版本
    cout << "In pointer version template "<< *t << endl;
}

void func(string* s) { //普通函数
    cout << "In normal function " << *s << endl;
}

int i = 10;
func(i); //调用通用版本，其他函数或者无法实例化或者不匹配
func(&i); //调用指针版本，通用版本虽然也可以用，但是编译器选择最特殊的版本
string s = "abc";
func(&s); //调用普通函数，通用版本和特殊版本虽然也都可以用，但是编译器选择最特化的版本
func<>(&s); //调用指针版本，通过<>告诉编译器我们需要用template而不是普通函数

模板函数特化

有时通用的函数模板不能解决个别类型的问题，我们必须对此进行定制，这就是函数模板的特化。函数模板的特化必须把所有的模版参数全部指定。
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template<>
void func(int i) {
cout << "In special version for int "<< i << endl;
}

int i = 10;
func(i); //调用特化版本

类模板

函数模板定义

类模板也是公共逻辑的抽象，通常用来作为容器（例如：vector）或者行为（例如：clonable）的封装。

类模板

下面定义了一个Printer类模板，负责打印以及转化为string。

template<typename T>
class Printer {
public:
    // explicit 修饰单个形式参数的构造函数，指定改函数只能显示的调用
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    string&& to_string();
    //定义在内部
    void print() {
        cout << t << endl;
    }
private:
    T t;
};

//定义在外部
template<typename T>
string&& Printer<T>::to_string() {
    strstream ss;
    ss << t;
    return std::move(string(ss.str()));
}

Printer p(1); //error
Printer<int> p = 1; //error, 因为构造函数有explicit进行修饰
Printer<int> p(1); //ok

与函数模板不同，类模板不能推断实例化。所以你只能显示指定类型参数使用Printer p(1)，而不能让编译器自行推断Printer p(1)。

1	类模板的成员函数既可以定义在内部，也可以定义在外部。定义在内部的被隐式声明为inline，定义在外部的类名之前必须加上template的相关声明。

类模板中的成员函数模板

我们还可以把类模板和函数模板结合起来，定义一个含有成员函数模板的类模板。

template<typename T>
class Printer {
public:
    // explicit 修饰单个形式参数的构造函数，指定改函数只能显示的调用
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    //成员函数模板
    template<typename U>
    void add_and_print(const U& u);
private:
    T t;
};

//注意这里要有两层template的说明
template<typename T>
template<typename U>
void Printer<T>::add_and_print(const U& u) {
    cout << t + u << endl;
}

Printer<int> p(42);
p.add_and_print(1.1); //自动推断U为double，打印出43.1

类模板Tips

类模板中的static成员

类模板中可以声明static成员，在类外定义的时候要增加template相关的关键词。另外，需要注意的是：每个不同的模板实例都会有一个独有的static成员对象。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    static int s_value;
private:
    T t;
};

template<typename T> //注意这里的定义方式
int Printer<T>::s_value = 1;

Printer<int> pi(1);
Printer<int> pi2(1);
Printer<double> pd(1.0);
pi.s_value += 1; //pi和pi2中的改变了，pd的没改变

其实这个结论是显然的，static成员属于实例化后的类，不同的实例化当然有不同static成员。就像上面的例子一样，pi.s_value += 1只影响到了Printer，而不会影响到Printer。

1	函数模板中的static局部变量也有类似的工作方式。

类模板成员函数实例化

为了节省资源，类模板实例化时并不是每个成员函数都实例化了，而是使用到了哪个成员函数，那个成员函数才实例化。

template<typename T>
class Printer {
public:
    explicit Printer(const T& param):t(param){}
    void print() {
        cout << t << endl;
    }
 private:
    T t;
 };

class empty{};

empty e;
Printer<empty> p(e); //ok

虽然成员函数print无法通过编译，但是因为没有使用到，也就没有实例化print，所以没有触发编译错误。

类模板别名

为了简化代码，我们可以使用typedef为类模板的某个实例定义一个别名，也可以使用using语句固定一个或多个类型参数（这有点偏特化的意思了）。

typedef std::pair<int, int> PairOfInt; //ok，为std::pair<int, int>定义了一个别名
template <typename T> using WithNum = std::pair<T, int>; //ok，相当于定义了一个std::pair的偏特化

PairOfInt poi; //实际类型，std::pair<int, int>
WithNum<std::string> strs; //实际类型，std::pair<string, int>
WithNum<int> ints; //实际类型，std::pair<int, int>

特化与偏特化

类模板的特化与偏特化

就像函数模板重载那样，你可以通过特化（偏特化）类模板来为特定的类型指定你想要的行为。类模板的特化（偏特化）只需要模板名称相同并且特化列表<>中的参数个数与原始模板对应上即可，模板参数列表不必与原始模板相同模板名称相同。一个类模板可以有多个特化，与函数模板相同，编译器会自动实例化那个最特殊的版本。

template<typename T> //基本模板
class S {
public:
   void info() {   
       printf("In base template\n"); 
   }
};

template<> //特化
class S<int> { 
public:
   void info() {
       printf("In int specialization\n");
   }
};

template<typename T> //偏特化
class S<T*> {
public:
   void info() {
       printf("In pointer specialization\n");
    }
};

template<typename T, typename U> //另外一个偏特化
class S<T(U)> {
public:
    void info() {
        printf("In function specialization\n");
    }
};

int func(int i) {
    return 2 * i;
}

S<float> s1;
s1.info();     //调用base模板                
S<int> s2;
s2.info();     //调用int特化版本
S<float*> s3;
s3.info();     //调用T*特化版本 
S<decltype(func)> s4;
s4.info();     //调用函数特化版本

提供了所有类型实参的特化是完全特化，只提供了部分类型实参或者T的类型受限（例如：T）的特化被认为是不完整的，所以也被称为偏特化。完全特化的结果是一个实际的class，而偏特化的结果是另外一个同名的模板。*

类模板成员特化

除了可以特化类模板之外，还可以对类模板中的成员函数和普通静态成员变量进行特化。

template<typename T>  
class S {
public:
    void info() {
        printf("In base template\n");
    }
    static int code;
};

template<typename T>
int S<T>::code = 10;

template<>
int S<int>::code = 100;    //普通静态成员变量的int特化

template<>
void S<int>::info() {    //成员函数的int特化
     printf("In int specialization\n");
} 

S<float> s1;
s1.info();    //普通版本
printf("Code is: %d\n", s1.code);    //code = 10

S<int> s2; 
s2.info();   //int特化版本
printf("Code is: %d\n", s2.code);   //code = 100

本文链接： https://overtalk.site/2019/10/30/cpp-template/

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