【C++模板进阶】带你学习非类型模板参数、模版的特化、模版的分离编译！

在前面C++模版初阶的学习中，我们已经知道函数模板和类模板能让代码变得通用而灵活，但除此之外，还有一些模板的知识需要我们在本篇文章中进行学习。

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C++模板初阶

目录

非类型模板参数

什么是非类型模板参数？

使用限制

典型的应用：静态数组——arrary

非类型模板参数必须是编译期常量

模板的特化

概念

函数模板的特化

类模板的特化

全特化

偏特化

类模板特化应用示例

模板分离编译

什么是分离编译

解决方法

模板总结

非类型模板参数

什么是非类型模板参数？

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

例如：当我们需要指定类模板中的元素的大小时：

#include<iostream> template<size_t N> //只能是整形 class Stack { private: int _arr[N]; int _top; }; int main() { //这样就可以指定大小了 Stack<5> s1; Stack<10> s2; return 0; }

这里 N 在编译期就被替换为具体数值，_arr的大小在编译时就确定了。这比在构造函数里动态分配内存更快（栈上分配）。

使用限制

非类型模板参数不是想传什么类型都行，一般只允许整型家族（包括 int、short、long、char、bool、size_t 等)，C++20 放宽了限制，允许浮点数和某些类类型，但主流环境目前仍以整型为主。

典型的应用：静态数组——arrary

C++11 引入的std::array就是一个固定大小的数组容器，它正是通过非类型模板参数来指定大小的。使用时要带上头文件<array>

template<class T, size_t N = 10> class array { public: T& operator[](size_t index) { assert(index < N); return _array[index]; } private: T _array[N]; size_t _size; };

array 的底层就是一个 C 风格数组 T _array[N]，所有元素都在栈上分配，内存连续，访问效率还不错，但它不会初始化。相比之下，vector 的实用性会更好一点，不过vector的元素存放在堆上，而栈上开辟空间比在堆上开辟空间效率要高, 不过平时用的时候还是更推荐使用vector。

对比原生数组，array 最大的优势是安全的越界检查。原生数组的越界行为是未定义的：

int a3[10]; cout << a3[10] << endl; // 越界读，不报错（未定义行为） a3[10] = 10; // 越界写，可能编译期/运行时都不报错，但属于严重错误

编译器对原生数组的越界检查是“抽查”：在数组末尾附近放几个标志位，程序结束时检查是否被修改（越界写），但不检查越界读。而 array::operator[] 内部使用了 assert（或抛出异常）来严格检查下标，让错误更容易被发现。

非类型模板参数必须是编译期常量

这是非类型模板参数最重要的性质。传递给非类型参数的值必须在编译期就能确定，不能是运行时变量。

int n = 10; Stack<n> s; // 错误！n 是运行期变量 const int m = 20; Stack<m> s2; // 正确，m 是编译期常量

这也是为什么std::array的大小必须写在<>中，而不能通过构造函数动态传入：因为数组大小直接决定了类型，而类型必须在编译期确定。

模板的特化

概念

// 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 //这里比较的是地址 return 0; }

函数模板的特化

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; }

bool Less(Date* left, Date* right) { return *left < *right; }

template<class T1, class T2> class Data { public: Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;} private: T1 _d1; T2 _d2; }; template<> class Data<int, char> { public: Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;} private: int _d1; char _d2; }; void TestVector() { Data<int, int> d1; Data<int, char> d2; }

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

// 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; };

//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 }

#include<vector> #include<algorithm> template<class 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); vector<Date> 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(), Less<Date>()); vector<Date*> 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(), Less<Date*>()); return 0; }

// 对Less类模板按照指针方式特化 template<> struct Less<Date*> { bool operator()(Date* x, Date* y) const { return *x < *y; } };

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

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：

解决方法