[C++] 模板进阶（非类型模板参数，特化，分离编译）

1、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。
我们举例来看一下：

// 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：
1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。
2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

2、模板的特化

2.1 什么是模板特化

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，需要特殊处理，比如：实现了一个专门用来进行小于比较的函数模板，代码如下：

// 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
    
    return 0;
}

我们这里也可以比较之前我们写的日期类对象：

我们再来看下面这种：

Date d1(2023, 1, 1);
Date d2(2023, 2, 2);
cout << Less(d1, d2) << endl;

Date* pd1 = &d1;
Date* pd2 = &d2;
cout << Less(pd1, pd2) << endl;

可以看到，Less绝对多数情况下都可以正常比较，但是在特殊场景下就得到错误的结果。上述示例中，p1指向的d1显然小于p2指向的d2对象，但是Less内部并没有比较p1和p2指向的对象内容，而比较的是p1和p2指针的地址，这就无法达到预期而错误。
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

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。

我们现在按照此步骤来处理一下刚才我们出错的问题

template<class T>
bool Less(T left, T right)
{
    return left < right;
}
// 日期类指针比较的模板特化
template <>
bool Less<Date*>(Date* left, Date* right)
{
    return *left < *right;
}

int main()
{
    Date d1(2023, 1, 1);
    Date d2(2023, 2, 2);
    cout << Less(d1, d2) << endl;

    Date* pd1 = &d1;
    Date* pd2 = &d2;
    cout << Less(pd1, pd2) << endl;

    return 0;
}

特化后的函数模板再去比较就是正确的了。
注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

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

该种实现简单明了，代码的可读性高，容易书写，但是对于一些参数类型复杂的函数模板，特化时要特别给出，因此函数模板不建议特化。

2.3 类模板的实例化

2.3.1 全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化。
我们以自定义的Date类的全特化来切入：

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

private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

此时我们不管实例化什么类型的对象，模板都可以帮我们实例化出来，但是我现在想要准确的匹配 int 和 char 类型的 Data 对象，这时我们必须特化一份int，char版本的 Data 类出来，此时就是需要全特化。

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

private:
    int _d1;
    char _d2;
};

2.3.2 偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本。

偏特化有一下两种表现形式：

1. 部分特化 – 将模板参数类表中的一部分参数特化
2. 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。

1.部分特化
假设我需要将 Data 类的第二个参数特化为 int

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

private:
    T _d1;
    int _d2;
};

2.参数更进一步限制
两个参数偏特化为指针类型

template <class T1, class 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 <class T1, class 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;
};

注：优先级：全特化 > 半特化 > 默认

3、模板分离编译

3.1 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。

3.2 模板的分离编译

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：C/C++程序要运行，一般要经历以下步骤：预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接
编译：对程序按照语言特性进行词法、语法、语义分析，错误检查无误后生成汇编代码，注意头文件不参与编译，编译器对工程中的多个源文件是分离开单独编译的。

链接：将多个obj文件合并成一个，并处理没有解决的地址问题。

3.3 解决方法

1. 将声明和定义放到一个文件 “xxx.hpp” 里面或者xxx.h其实也是可以的。 推荐使用这种。
2. 模板定义的位置显式实例化。 这种方法不实用，不推荐使用。

将声明和定义放在 .h/.hpp 中，在预处理的时候 main.c 文件中会展开头文件，此时就将模板实例化了。

4、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

缺点：

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