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C++模板元編程詳細(xì)教程（之一）
C++模板元編程詳細(xì)教程（之二）

創(chuàng)新互聯(lián)建站服務(wù)項(xiàng)目包括安平網(wǎng)站建設(shè)、安平網(wǎng)站制作、安平網(wǎng)頁(yè)制作以及安平網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷策劃等。多年來(lái)，我們專注于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，利用自身積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、深度合作伙伴關(guān)系等，向廣大中小型企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)等提供互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的解決方案，安平網(wǎng)站推廣取得了明顯的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前，我們服務(wù)的客戶以成都為中心已經(jīng)輻射到安平省份的部分城市，未來(lái)相信會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大服務(wù)區(qū)域并繼續(xù)獲得客戶的支持與信任！模板特化

有了前兩篇的基礎(chǔ)，相信大家對(duì)模板編程已經(jīng)有一點(diǎn)初步的感覺(jué)了。趁熱打鐵，這一篇我們主要來(lái)介紹一下模板特化。

首先來(lái)看一下下面的例子：

templatevoid add(T &t1, const T &t2) {t1 += t2;
}

上面是一個(gè)簡(jiǎn)單的模板函數(shù)，用于把第二個(gè)參數(shù)的值加到第一個(gè)參數(shù)中去。這個(gè)模板函數(shù)對(duì)于基本數(shù)據(jù)類型的實(shí)例化都是沒(méi)什么問(wèn)題的，但是如果是字符串的話，那將會(huì)有問(wèn)題：

void Demo() {int a = 1, b = 3;
  add(a, b); // add，調(diào)用符合預(yù)期
  
  char c1[16] = "abc";
  char c2[] = "123";

  add(c1, c2); // add， 調(diào)用不符合預(yù)期
}

這里的問(wèn)題就在于，對(duì)于字符串類型（這里指原始C字符串，而不是std::string）來(lái)說(shuō)，「相加」并不是簡(jiǎn)單的+=，因?yàn)樽址饕怯米址羔榿?lái)承載的，指針相加是不合預(yù)期的。我們希望的是字符串拼接。

因此，我們希望，單獨(dú)針對(duì)于char *的實(shí)例化能夠擁有不同的行為，而不遵從「通用模板」中的定義。這種語(yǔ)法支持就叫做「特化」，或「特例」。可以理解為，針對(duì)于模板參數(shù)是某種特殊情況下進(jìn)行的特殊實(shí)現(xiàn)。

因此，我們?cè)谕ㄓ媚０宓亩x基礎(chǔ)上，再針對(duì)char *類型定義一個(gè)特化：

#includetemplatevoid add(T &t1, const T &t2) {t1 += t2;
}

template<>// 模板特化也要用模板前綴，但由于已經(jīng)特化了，所以參數(shù)為空
void add(char *&t1, char *const &t2) {// 特化要指定模板參數(shù)，模板體中也要使用具體的類型
  std::strcat(t1, t2);
}

void Demo() {int a = 1, b = 3;
  add(a, b); // add是通過(guò)通用模板生成的，因此本質(zhì)是a += b，符合預(yù)期

  char c1[16] = "abc";
  char c2[] = "123";

  add(c1, c2); // add有定義特化，所以直接調(diào)用特化函數(shù)，因此本質(zhì)是strcat(c1, c2)，符合預(yù)期
}

上例簡(jiǎn)單展示了一下模板特化目標(biāo)解決的問(wèn)題，和其基本的語(yǔ)法。但其實(shí)模板特化遠(yuǎn)不止如此，它有著巨大的潛力。

模板的特化分兩種情況，一種是全特化（有的地方也叫特例），一種是偏特化（有的地方也叫部分特化）。全特化相對(duì)簡(jiǎn)單一些，筆者會(huì)先來(lái)介紹。而偏特化會(huì)伴隨SFINAE理論，它將會(huì)成為模板元編程最核心的理論基礎(chǔ)。

全特化與模板的鏈接方式

首先復(fù)習(xí)一下我們?cè)陂_(kāi)篇時(shí)候所提到的一個(gè)非常重要的概念。**模板本身不是可使用的代碼，而是一種代碼的升成方法。需要經(jīng)過(guò)實(shí)例化后才能成為實(shí)際可用的代碼。**比如說(shuō)模板函數(shù)需要指定模板參數(shù)（可以是顯式指定，也可以是編譯器自動(dòng)推導(dǎo)）實(shí)例化后，才能成為函數(shù)，同理，模板類也需要實(shí)例化后才能成為類。

然而「全特化」就是說(shuō)，當(dāng)所有模板參數(shù)都指定了的時(shí)候，才叫「全」。那么上一節(jié)中add的示例就是一個(gè)全特化，因?yàn)樗局挥幸粋€(gè)模板參數(shù)，把它特化了自然是「完全」特化的。

而要談到全特化，就不得不談到一個(gè)非常容易踩坑的點(diǎn)，那就是模板的鏈接方式。在一個(gè)單獨(dú)的.cpp文件中使用模板并不會(huì)有什么鏈接性問(wèn)題，但如果在多個(gè)文件中都要使用呢？自然要通過(guò)「頭文件聲明+鏈接」的方式來(lái)完成了。

但模板本身又很特殊，它本身不是可用的代碼，而是代碼生成器，因此編譯器會(huì)在編譯期用模板來(lái)生成代碼，注意，這個(gè)時(shí)候還沒(méi)有開(kāi)始鏈接！所以問(wèn)題就產(chǎn)生了，假如我們按照直覺(jué)和習(xí)慣，把模板的聲明和定義分文件來(lái)寫(xiě)，會(huì)怎么樣呢？請(qǐng)看下面示例：

tmp.h

#pragma once

templatevoid f(const T &t); // 聲明

tmp.cpp

#include "tmp.h"

templatevoid f(const T &t) {} // 實(shí)現(xiàn)

main.cpp

#include "tmp.h"

int main() {f(1); // ff(1.0); // freturn 0;
}

如果我們真的這么做了，你會(huì)發(fā)現(xiàn)鏈接時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。原因是這樣的，我們?cè)趖mp.h中的這種寫(xiě)法，并不是「聲明了一個(gè)模板函數(shù)」，模板函數(shù)本不是函數(shù)，是不需要聲明的，大家記住模板永遠(yuǎn)是生成代碼的工具。所以tmp.h中的寫(xiě)法是「聲明了一組函數(shù)」，包括我們?cè)?code>main函數(shù)中使用的f和f，之所以能通過(guò)編譯，就是因?yàn)閠mp.h中存在它們的聲明。換句話說(shuō)，templatevoid f(const T &);相當(dāng)于void f(const int &);,void f(const double &);,void f(char *const &);……這一系列的「函數(shù)聲明」。

所以，編譯是沒(méi)問(wèn)題的，但是鏈接的時(shí)候會(huì)報(bào)找不到f和f的實(shí)現(xiàn)。這是為什么呢？明明我在tmp.cpp中實(shí)現(xiàn)了呀！那我們來(lái)「換位思考一下」，假如你是編譯器，我們知道「編譯」過(guò)程是單文件行為，那么你現(xiàn)在來(lái)編譯main.cpp，首先進(jìn)行預(yù)處理，把#include替換成對(duì)應(yīng)頭文件內(nèi)容，那么main.cpp就變成了:

templatevoid f(const T &t);

int main() {f(1); // ff(1.0); // freturn 0;
}

上面的f是函數(shù)聲明，下面編譯主函數(shù)的時(shí)候，根據(jù)參數(shù)推導(dǎo)出了f和f，于是，通過(guò)上面的「模板函數(shù)聲明」生成了2條實(shí)際的「函數(shù)聲明」語(yǔ)句，也就是：

void f(const int &);
void f(const double &);

調(diào)用都是符合聲明的，OK，結(jié)束編譯，我們得到了main.o。

好了，下面我們來(lái)編譯tmp.cpp。同理，先做預(yù)處理，得到了：

templatevoid f(const T &t);

templatevoid f(const T &t) {}

這時(shí)，問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)了！，這個(gè)模板函數(shù)f在當(dāng)前這個(gè)編譯單元中，并沒(méi)有任何實(shí)例化，那么你自然就不知道應(yīng)當(dāng)按這個(gè)模板來(lái)生成哪些實(shí)例。所以，你只能什么都不做，很無(wú)奈地生成了一個(gè)空白的tmp.o。

最后，main.o和tmp.o鏈接，main.o中的f和f都找不到實(shí)現(xiàn)，所以鏈接報(bào)錯(cuò)。

這就是模板的鏈接方式問(wèn)題，由于模板都是編譯期進(jìn)行實(shí)例化，因此，必須在編譯期就得知道需要哪些實(shí)例化，然后把這些實(shí)例化后的代碼編譯出來(lái)，再去參與鏈接，才能保證結(jié)果正確。

所以，要保證編譯期能知道所有需要的實(shí)例，我們只能把模板實(shí)現(xiàn)放在頭文件里。這樣，每一個(gè)編譯單元都能根據(jù)自己需要的實(shí)例來(lái)生成代碼。也就是說(shuō)，上面的代碼應(yīng)該改造成：

tmp.h

#pragma once
templatevoid f(const T &t);

templatevoid f(const T &t) {} // 當(dāng)然，文件內(nèi)部沒(méi)有聲明依賴關(guān)系的時(shí)候，聲明和實(shí)現(xiàn)可以合并

main.cpp

#include "tmp.h"

int main() {f(1);
  f(1.0);

  return 0;
}

這時(shí)，在編譯main.cpp時(shí)，就會(huì)把f和f的實(shí)例都編譯出來(lái)，這樣就不會(huì)鏈接報(bào)錯(cuò)了。

但這樣會(huì)引入另一個(gè)問(wèn)題，如果多個(gè).cpp引入同一個(gè)含有模板的.h文件，并做了相同的實(shí)例化，會(huì)不會(huì)生成多份函數(shù)實(shí)現(xiàn)呢？這樣鏈接的時(shí)候不是也會(huì)報(bào)錯(cuò)嗎？

設(shè)計(jì)編譯器的大佬們自然也想到這個(gè)問(wèn)題了，那么解決方法就是，通過(guò)模板實(shí)例出的內(nèi)容，會(huì)打上一個(gè)全局標(biāo)記，最終鏈接時(shí)只使用一份（畢竟是從同一份模板生成出來(lái)的，每一份自然是相同的）。再換句更通俗易懂的說(shuō)法就是模板實(shí)例一定是inline的，編譯器會(huì)給每個(gè)模板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打上inline標(biāo)記，確保鏈接時(shí)全局唯一。

現(xiàn)在我們?cè)倩仡^看一下全特化模板，全特化模板已經(jīng)是實(shí)例化過(guò)的了，因此并不會(huì)出現(xiàn)編譯期不知道要怎么實(shí)例化的問(wèn)題。如果這時(shí)我們還把實(shí)現(xiàn)放在頭文件中會(huì)怎么樣？

tmp.h

#pragma once
templatevoid f(T t) {} // 通用模板

template<>void f(int t) {} // 針對(duì)int的全特化

t1.cpp

#include "tmp.h"

void Demo1() {f(1); // f}

t2.cpp

#include "tmp.h"

void Demo2() {f(1); // f}

我們?cè)賮?lái)當(dāng)一次編譯期。首先編譯t1.cpp，預(yù)處理展開(kāi)，得到了f的實(shí)現(xiàn)，所以把f編譯過(guò)來(lái)，輸出t1.o。同理，編譯t2.cpp后，也會(huì)有一份f的實(shí)現(xiàn)在t2.o中。最后鏈接的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)f重定義了！

因此我們發(fā)現(xiàn)，全特化的模板其實(shí)已經(jīng)不是模板了，在這里f會(huì)按照普通函數(shù)一樣來(lái)進(jìn)行編譯和鏈接。所以直接把實(shí)現(xiàn)放在頭文件中，就有可能在鏈接時(shí)重定義。解決方法有兩種，第一種就是我們手動(dòng)補(bǔ)上inline關(guān)鍵字，提示編譯期要打標(biāo)全局唯一。

tmp.h

#pragma once
templatevoid f(T t) {} // 通用模板，編譯器用通用模板生成的實(shí)例會(huì)自動(dòng)打上inline

template<>inline void f(int t) {} // 針對(duì)int的全特化，必須手動(dòng)用inline修飾后才能在編譯期打標(biāo)保證鏈接全局唯一

第二種方法就是，當(dāng)做普通函數(shù)處理，我們把實(shí)現(xiàn)單獨(dú)抽到一個(gè)編譯單元中獨(dú)立編譯，最后在鏈接時(shí)才能保證唯一：

tmp.h

#pragma once
templatevoid f(T t) {} // 通用模板

template<>void f(int t); // 針對(duì)int的全特化聲明（函數(shù)聲明）

tmp.cpp

#include "tmp.h"

template<>void f(int t) {} // 函數(shù)實(shí)現(xiàn)

之后，f會(huì)隨著tmp.cpp的編譯，單獨(dú)存在在tmp.o中，最后鏈接時(shí)就是唯一的了。

另外，對(duì)于特化的模板函數(shù)來(lái)說(shuō)，參數(shù)必須是按照通用模板的定義來(lái)寫(xiě)的（包括個(gè)數(shù)、類型和順序），但對(duì)于模板類來(lái)說(shuō)，則沒(méi)有任何要求，我們可以寫(xiě)一個(gè)跟通用模板壓根沒(méi)什么關(guān)系的一種特化，比如說(shuō)：

templatestruct Test {// 通用模板中有2個(gè)成員變量，1個(gè)成員函數(shù)
  T a, b;
  void f();
};

template<>struct Test{// 特化的內(nèi)部定義可以跟通用模板完全不同
  double m;
  static int ff();
}

偏特化

偏特化又叫部分特化，既然是「部分」的，那么就不會(huì)像全特化那樣直接實(shí)例化了。偏特化的模板本質(zhì)上還是模板，它仍然需要編譯期來(lái)根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)例化的，所以，在鏈接方式上來(lái)說(shuō)，全特化要按普通函數(shù)/類/變量來(lái)處理，而偏特化模板要按模板來(lái)處理。

先明確一個(gè)點(diǎn)：模板函數(shù)不支持偏特化，因此偏特化討論的主要是模板類。

我們先來(lái)看一個(gè)最簡(jiǎn)單的偏特化的例子：

templatestruct Test {};

templatestruct Test{};

上面代碼就是針對(duì)Test模板類，第一個(gè)參數(shù)為int時(shí)的「偏特化」，那么只要是第一個(gè)參數(shù)為int的時(shí)候，就會(huì)按照偏特化模板來(lái)進(jìn)行實(shí)例化，否則會(huì)按照通用模板進(jìn)行實(shí)例化。為了方便說(shuō)明，我們?cè)谕ㄓ媚０搴推鼗０逯屑右恍┯糜隍?yàn)證性的代碼：

#includetemplatestruct Test {};

templatestruct Test{static void f();
};

templatevoid Test::f() {std::cout<< "part specialization"<< std::endl;
}

void Demo() {Test::f(); // 按照偏特化實(shí)例化，有f函數(shù)
  Test::f(); // 按照偏特化實(shí)例化，有f函數(shù)
  Test::f(); // 按照通用模板實(shí)例化，不存在f函數(shù)，編譯報(bào)錯(cuò)
}

偏特化模板本身仍然是模板，仍然需要經(jīng)歷實(shí)例化。但偏特化模板可以指定當(dāng)一些參數(shù)滿足條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照指定方式進(jìn)行實(shí)例化而不是通用模板定義的方式來(lái)實(shí)例化。

那如果偏特化和全特化同時(shí)存在呢？比如下面的情況：

templatestruct Test {}; // 【0】通用模板

templatestruct Test{}; // 【1】偏特化模板

template<>struct Test{}; // 【2】全特化模板

void Demo() {Testt; // 按照哪個(gè)實(shí)例化？
}

先說(shuō)答案，上面的實(shí)例會(huì)按照【2】的方式，也就是直接調(diào)用全特化。大致上來(lái)說(shuō)，全特化優(yōu)先級(jí)高于偏特化，偏特化高于通用模板。

對(duì)于函數(shù)來(lái)說(shuō)，模板函數(shù)不支持偏特化，但支持重載，并且重載的優(yōu)先級(jí)高于全特化。比如說(shuō)：

void f(int a, int b) {} // 重載函數(shù)

templatevoid f(T1 a, T2 b) {} // 通用模板

template<>void f(int a, int b) {} // 全特化

void Demo() {f(1, 2); // 會(huì)調(diào)用重載函數(shù)
  f<>(1, 2); // 會(huì)調(diào)用全特化函數(shù)ff(2.5, 2.6); // 會(huì)用通用模板生成f}

回到模板類的偏特化上，除了上面那種制定某些參數(shù)的偏特化以外，還有一種相對(duì)復(fù)雜的偏特化，請(qǐng)看示例：

templatestruct Tool {}; // 這是另一個(gè)普通的模板類

templatestruct Test {}; // 【0】通用模板

templatestruct Test>{}; // 【1】偏特化

void Demo() {Testt1; // 使用【0】實(shí)例化TestTest>; // 使用【1】實(shí)例化Test>Test>; // 使用【1】實(shí)例化Test>}

有的資料會(huì)管上面這種特化叫做「模式特化」，用于區(qū)分普通的「部分特化」。但它們其實(shí)都屬于偏特化的一種，因?yàn)槠鼗际窍喈?dāng)于特化了參數(shù)的范圍。在上面的例子中，我們是針對(duì)于「參數(shù)是Tool的實(shí)例類型」這種情況進(jìn)行了特化。

所以，偏特化并不一定意味著模板參數(shù)數(shù)量變小，它有可能不變，甚至有可能是增加的，比如說(shuō)：

templatestruct Tool {}; // 這是另一個(gè)普通的模板類

templatestruct Test {}; // 【0】通用模板

templatestruct Test>{}; // 【1】偏特化模板

templatestruct Test>{}; // 【2】偏特化模板

void Demo() {Testt1; // 【0】
  Test>t2; // 【2】
  Test>t3; // 【1】
}

所以偏特化的引入，讓模板編程這件事有了爆炸性的顛覆，因?yàn)槠渲械慕M合可以隨意發(fā)揮想象。但這里就引入了另一個(gè)問(wèn)題，就比如上例中，【1】和【2】都是偏特化的一種，但為什么Test>選擇了【2】而不是【1】呢？這么說(shuō)，看來(lái)不僅僅是跟全特化和通用模板存在優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，多種偏特化之間也仍然存在優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，那么編譯器究竟是按照什么方式來(lái)進(jìn)行偏特化匹配的呢？這就是我們下一篇要著重研究的問(wèn)題了。

小結(jié)

這一篇我們主要介紹了模板的鏈接方式和模板的特化，重點(diǎn)希望讀者理解和掌握的是模板類的偏特化，因?yàn)镃++的模板元編程其實(shí)就是一系列模板的偏特化來(lái)實(shí)現(xiàn)各種靜態(tài)功能的。

下一篇會(huì)介紹偏特化的優(yōu)先級(jí)匹配法則和SFINAE特性。
C++模板元編程詳細(xì)教程（之四）

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文章起源：http://www.rwnh.cn/article46/dciieg.html

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