C++ 模板深入进阶

2.1 非类型模板参数的用法

定义固定大小的模板栈

传统实现通常用宏定义大小，但不够灵活。利用非类型模板参数，可以在编译期确定数组大小。

// 非类型模板参数必须是整形家族 (size_t, int 等)，且必须是常量
template <class T, size_t N>
class Stack {
public:
    void func() {
        // N = 20; // 错误：N 是常量，不可修改
    }
private:
    T _array[N];
    int _top;
};

int main() {
    Stack<int, 10> st1;
    Stack<int, 20> st2;
    return 0;
}

注意事项：

• 浮点数、类对象及字符串不允许作为非类型模板参数。
• 一旦定义，函数或类中不能修改该参数值。
• 部分编译器支持按需实例化，未调用的函数可能不会检查其中的逻辑错误。

2.2 非类型模板参数的应用——array 容器

std::array 是 C++11 引入的静态数组，底层使用了非类型模板参数。虽然功能上 vector 也能胜任，但 array 提供了严格的越界检查（配合调试器）以及标准库的重载支持。

不过在实际开发中，vector 更加通用。除非对性能有极致要求且不需要动态扩容，否则 vector 往往是更好的选择。

模板的特化

当某些特殊类型需要特殊处理时，就需要用到模板特化。这分为函数模板特化和类模板特化。

3.1 概念

通常情况下，泛型代码适用于大多数情况，但在特殊场景下（如指针比较）可能会得到错误结果。此时需要针对特定类型编写特定的实现。

3.2 函数模板特化

函数模板特化的步骤如下：

1. 先有一个基础的函数模板。
2. 关键字 template 后接空尖括号 <>。
3. 函数名后跟尖括号指定特化类型。
4. 形参表必须与基础模板一致。

// 基础模板
template <class T>
bool Less(T left, T right) {
    return left < right;
}

// 特化版本
template <>
bool Less<int*>(int* left, int* right) {
    return *left < *right;
}

建议： 对于函数模板，如果只是为了处理特定类型，通常直接使用函数重载更为简单明了，能有效避免代码膨胀。例如直接定义 bool Less(int*, int*) 即可。

3.3 类模板特化

类模板特化同样分为全特化和偏特化。

3.3.1 全特化

将模板参数列表中所有参数都确定化。

template <class T1, class T2>
class Data { /* ... */ };

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

3.3.2 偏特化

针对部分参数进行限制，或者针对指针/引用类型进行特化。

// 偏特化部分参数
template <class T>
class Data<T, double> { /* ... */ };

// 偏特化为指针类型
template <class T1, class T2>
class Data<T1*, T2*> { /* ... */ };

3.3.3 类模板特化的应用

以排序为例，如果我们自定义了一个比较器 Less，默认情况下传入指针会按地址比较。若希望按指针指向的值比较，就需要对 Less 类模板进行特化。

// 普通版：按值比较
template <class T>
class Less {
public:
    bool operator()(const T& x, const T& y) const {
        return x < y;
    }
};

// 特化版：按指针指向的值比较
template <>
class Less<Date*> {
public:
    bool operator()(Date* x, Date* y) const {
        return *x < *y;
    }
};

这样在使用 sort 时，传入 Date* 的向量就能正确按日期值排序了。

模板的分离编译

4.1 什么是分离编译？

程序由多个源文件组成，每个文件单独编译生成目标文件，最后链接成可执行文件的过程。

4.2 模板的分离编译问题

如果将模板类的声明放在 .h 头文件中，定义放在 .cpp 源文件中，链接时会报错：无法解析的外部符号。

这是因为模板函数只有在实例化后才会生成具体的地址。在 .cpp 文件中，由于没有实例化模板（例如 Stack<int>），编译器无法为该模板函数生成符号表中的地址，导致链接器找不到定义。

4.3 解决方法

1. 显式实例化：在 .cpp 中手动实例化需要的类型（如 template class Stack<int>;）。但这治标不治本，每增加一种类型都要改代码。
2. 推荐方案：将模板的声明和定义都放在同一个头文件（.hpp 或 .h）中。这样在包含头文件的每个 .cpp 文件中，编译器都能看到完整的模板定义并进行实例化。

// Stack.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <deque>

namespace m_stack {
template <class T, class Container = std::deque<T>>
class stack {
public:
    void push(const T& ele);
    void pop();
    // ... 其他成员函数
private:
    Container _con;
};

// 定义写在头文件中
template <class T, class Container>
void stack<T, Container>::push(const T& ele) {
    _con.push_back(ele);
}
}

模板的总结

优点

• 代码复用：编写与类型无关的通用代码，减少重复。
• 类型安全：编译期检查类型，避免运行时错误。
• 性能优化：生成的代码接近手写专用代码，无虚函数开销。
• 灵活性：支持模板元编程，可在编译期完成计算。

缺点

• 编译时间：大量实例化会显著增加编译时间。
• 代码膨胀：多类型实例化可能导致二进制体积增大。
• 调试困难：编译错误信息冗长晦涩。
• 跨平台限制：不同编译器 ABI 可能存在差异。

应用建议

• 适用于通用库开发、高性能算法及需要静态多态的场景。
• 注意控制实例化范围，合理管理编译时间。

结语

模板是 C++ 最强大的特性之一，它支撑起了泛型编程和 STL 的基石。理解 typename 的用法、掌握特化机制、解决分离编译问题，能让我们写出更健壮、高效的 C++ 代码。在实际开发中，权衡模板带来的便利与编译成本，选择合适的抽象层次，才是成熟的工程实践。