C++之进阶模板

模板进阶

1. 非类型模板参数

模板参数分为：类型形参 与 非类型形参。
类型形参：出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之后的参数类型名称。
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。

//定义一个模板类型的静态数组
template<class T, size_t N = 10>
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;
};

注意： 浮点数、类对象以及字符串不允许作为非类型模板参数；非类型模板参数必须在编译期就能确认结果。

2.模板的特化

2.1 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，如：

template<class T>
bool IsEuqal(T& left, T& right)
{
	return left == right;
}

void test()
{
	char* p1 = "hello";
	char* p2 = "world";

	if (IsEqual(p1, p2))
		cout << p1 << endl;
	else
		cout << p2 << endl;
}

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。

2.2 函数模板特化

步骤：

1. 必须要有一个基础的函数模板
2. 关键字template后面接一对<>
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。

template<>
bool IsEqual<char*>(char* &left, char* &right)
{
	if (strcmp(left, right) > 0)
		return true;
	return false;
}

2.3 类模板特化

2.3.1 全特化
全特化是将模板参数列表中所有的参数都确定化

//类模板
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;

}

2.3.2 偏特化
任何针对模板参数进一步进行条件限制设计的特化版本。比如针对以下模板类：

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

偏特化有以下两种方式：

· 部分特化：将模板参数列表中的一部分参数特化

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

· 参数更进一步限制：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

//将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;
};

//两个参数偏特化成引用类型
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 test()
{
	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
}

3.类模板特化应用之类型萃取

问题引入：如何实现一个通用的拷贝函数？下面的代码实现有问题吗？
3.1 使用memcpy拷贝

template<class T>
void Copy(T* dst, const T* src, size_t size)
{
	memcpy(dst, src, sizeof(T)* size);
}
int main()
{
	string str1[3] = { "11", "12", "13" };
	string str2[3];
	Copy(str2, str1, 3);
	return 0;
}

上述代码虽然对于任意类型的空间都可以进行拷贝，但是如果拷贝自定义类型对象就可能会出错，因为自定义类型对象有可能会涉及到深拷贝（比如string），而memcpy属于浅拷贝。 如果对象中涉及到资源管理，就只能用赋值。
3.2 使用赋值方式拷贝

template<class T>
void Copy(T* dst, const T* src, size_t size)
{
	for (size_t i = 0; i < size; ++i)
	{
		dst[i] = sre[i];
	}
}

此方法虽然可以，但是效率低下。C/C++程序最大的优势就是效率高。那能否遇到内置类型就用memcpy来拷贝，遇到自定义类型就用循环赋值方式来做呢？

template<class T>
void Copy(T* dst, const T* src, size_t size, bool IsPODType)
{
	if (IsPODType)
		memcpy(dst, src, sizeof(T)* size);
	else
	{
		for (size_t i = 0; i < size; ++i)
			dst[i] = src[i];
	}
}

通过多增加一个参数，就可以将两种拷贝的优势体现结合起来。但缺陷是： **用户需要根据所拷贝元素的类型去传递第三个参数，那出错的可能性就增加。**那能否让函数自动去识别所拷贝的类型是内置类型还是自定义类型呢？

这里我们引入类型萃取

3.3 类型萃取
为了将内置类型与自定义类型区分开，给出两个类分别代表内置类型和自定义类型。

//代表内置类型
struct TrueType
{
	static bool Get()
	{
		return true;
	}
};
//代表自定义类型
struct FalseType
{
	static bool Get()
	{
		return false;
	}
};

给出以下类模板，将来用户可以按照任意类型实例化该类模板

template<class T>
struct TypeTraits
{
	typedef FalseType IsPODType;
};

对上述的类模板进行以下方式的特化：

template<class T>
struct TypeTraits<char>
{
	typedef FalseType IsPODType;
};

template<class T>
struct TypeTraits<short>
{
	typedef FalseType IsPODType;
};

template<class T>
struct TypeTraits<int>
{
	typedef FalseType IsPODType;
};
...
//所有内置类型都特化一下

请看以下代码片段：

/* T为int: TypeTraits<int> 已经特化过，程序运行时就会使用已经特化过的TypeTraits<int>,该类中的
	IsPODType刚好为类TrueType，而TrueType中的Get函数返回为true，内置类型使用memcpy拷贝

	T为string: TypeTraits<string>没有特化过，程序运行时使用TypeTraits类模板，该类模板中的
	IsPODType刚好为类FalseType，而FalseType中Get返回false，自定义类型使用赋值方式拷贝

*/

template<class T>

void Copy(T* dst, const T* src, size_t size)
{
	if (TypeTraits<T>::IsPODType::Get())
		memcpy(dst, src, sizeof(T)* size);
	else
	{
		for (size_t i = 0; i < size; ++i)
			dst[i] = src[i];
	}
}