前言：这篇内容比较简单，但在学习之前要先看一下“别再手动造轮子了！一篇文章带你用透C++ string”这篇文章前面关于模板基础知识的讲解

目录

一、array讲解

二、非类型模板参数

三、模板的特化

1.概念

2.函数模板特化

3.类模板特化

（1）全特化

（2）偏特化

4.易错点

四、模板的分离编译

1. 什么是分离编译

2. 为什么会编译错误

3. 解决方法

五、模板总结

【优点】

【缺陷】

一、array讲解

        array也是stl中提供的一个容器，它和C语言的静态数组非常相似，他相比于C语言静态数组主要特点是能够严格的检查边界（C静态数组，越界读不检查，越界写抽查），能够直接使用，不用像C一样用指针转来转去。它如果和vector比就是大小固定，在栈上开空间，比在堆上高效一点点。

#include<array>
#include<iostream>
using namespace std;

void test_array()
{
	array<int, 10 > arr = { 1, 5, 2, 9, 8, 7 };
    //int代表存储的数据类型，10代表数组大小，不够用0来补充

	for (auto it = arr.begin(); it != arr.end(); it++)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
	cout << arr.size() << endl;
	// operator[] - 无边界检查
	cout << arr[0] << endl;        // 1
	arr[1] = 10;           // 修改元素

	// at() - 有边界检查，越界抛出 std::out_of_range
	cout << arr.at(2) << endl;     // 2
	// arr.at(10);         // 抛出异常

	// front() / back()
	cout << arr.front() << endl;   // 第一个元素: 1
	cout << arr.back() << endl;    // 最后一个元素: 0

	// data() - 获取底层指针
	int* ptr = arr.data();
	cout << ptr << endl;

	array<int, 3> arr1 = {8};
	arr1.fill(42);  //填充
	for(auto a: arr1)
		cout << a << " ";  //42 42 42
}
特性 C静态数组 C++ std::array C++ std::vector
内存管理 栈分配 栈分配 堆分配（动态）
大小 编译期固定 编译期固定 运行时可变
边界检查 无 可选(at()) 可选(at())
标准库支持 无 完整 完整

二、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，比如下面的“class T”。
  • 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。比如下面的“size_t N”。

#define SIZE 10
namespace DaYuanTongXue
{
    //template<class T, size_t N = SIZE>
	//template<class T, size_t N = 20> 给缺省值
	template<class T, size_t N>
	class array
	{
	public:
		T& operator[](size_t index) { return _array[index]; }
		const T& operator[](size_t index)const { return _array[index]; }

		size_t size()const { return _size; }
		bool empty()const { return 0 == _size; }

	private:
		T _array[N];
		size_t _size;
	};
}

int main()
{
	DaYuanTongXue::array<int, SIZE> a;
	DaYuanTongXue::array<int, 15> b;
	//DaYuanTongXue::array<int> c;

	return 0;
}

注意点：

  • 非类型模板参数必须是整型/bool、枚举或指针类型，不支持浮点数（C++20前）、类对象、字符串。
  • 非类型模板参数必须在编译期间确定值。

三、模板的特化

先说用法再讲坑

1.概念

想象一下，你写了个万能比较函数：

template<class T>
bool Less(T left, T right) {
    return left < right;  // 妥妥的万能选手
}

大部分时候它都很靠谱，直到遇到了指针这个"刺头"：

//假设已有日期类
Date* p1 = &d1, *p2 = &d2;
Less(p1, p2);  // 糟了！比较的是地址而不是日期！

这就好比你的万能钥匙开不了保险箱，得专门配一把特殊的钥匙！🔑

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。

2.函数模板特化

函数模板的特化步骤：

  • 必须要先有一个基础的函数模板
  • 关键字template后面接一对空的尖括号<>
  • 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型
  • 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。
// 基础模板
template<class T>
bool Less(T left, T right) {
    return left < right;
}

// 特化版本 - 处理Date*类型
template<>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right) {
    return *left < *right;
}

注意：实践中，函数重载通常比函数模板特化更简单明了

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

3.类模板特化

（1）全特化

全特化是将模板参数列表中所有参数都具体化：

// 基础类模板
template<class T1, class T2>
class Data {
public:
    Data() { std::cout << "Data<T1, T2>" << std::endl; }
};

// 全特化版本
template<>
class Data<int, char> {
public:
    Data() { std::cout << "Data<int, char>" << std::endl; }
};

void TestVector()
{
    Data<int, int> d1;
    Data<int, char> d2;
}

（2）偏特化

偏特化是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; }
	Test(int a) { cout << a << 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。

template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
	Data() { cout << "Data<T1, int>" << endl; }
    Test(int a) { cout << a << endl; }

private:
	T1 _d1;
	int _d2;
};

条件限制：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; }
	Test(int a) { cout << a << 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;
	}
	Test(int a) { cout << a << 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);   // 调用特化的引用版本

}

注意：执行Data<int*, int*> d3; 时，T1，T2被推导为int，不是int*！

当然，单独特化成员函数也可以：

template<>
void Data<double, double>::Test(int a)
{
	cout << "成员函数特化" << a << endl;
}

4.易错点

再说一遍const修饰问题

const int* p1;    ----->   p1能改，*p1不能改；

int* const p1;    ----->   p1不能改，*p1能改；

还不如重载！（前两张都是类型不完全匹配）

四、模板的分离编译

1. 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。简单说就是：声明在头文件，实现在源文件。本来是个好习惯，但对模板来说却是灾难！😱

2. 为什么会编译错误

如果要理解的非常清楚，那需要学习编译原理，如果大家之前接触过预处理的知识，也能理解，我在这里简单说一下：

// 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);        // 链接错误
    Add(1.0, 2.0);    // 链接错误
    return 0;
}

编译链接过程：

  1. 编译a.cpp时，编译器看到模板定义但未见实例化，不生成具体代码

  2. 编译main.cpp时，编译器记录需要调用Add<int>和Add<double>

  3. 链接时找不到实例化后的函数定义，导致链接错误

（在“链表奇遇记：从零揭秘C++ list的魔法世界”这篇文章里介绍了模板按需实例化的知识点，大家可以参考学习）

3. 解决方法

        怎么解决才是我们最关心的，其实没啥解决办法，最好就是不要分离编译，像我之前的代码，在下面直接写就行了。

       倒是还有一种方法，但是比较鸡肋，就是在定义后显式实例化一下，不太建议使用，具体用法如下：

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

// 显式实例化
template int Add<int>(const int&, const int&);
template double Add<double>(const double&, const double&);

五、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

后记：

到这里C++的初级部分就结束了，总结一下，我们先学习了C++比C多的一些基础语法，然后学习了类和对象，之后就是STL中的一些容器，string，vector，list，stack，queue等，这篇博客补齐了模板的知识，接下来就是C++更难得部分了，希望大家点个关注，博主会为大家持续更新哦！

# c++ # 开发语言 # 模板方法模式 # 算法
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