C++ 模板

dutrmp19發表於2024-11-17
C++

C++ 模板

  • Created: 2024-03-24T20:24+08:00
  • Published: 2024-11-17T16:37+08:00
  • Categories: CPP

目錄
  • 偏特化
  • 類别範本
  • 函式模板
  • 形參包
  • Question
    • 我記不住模板的語法，尤其是偏特化的語法，怎麼辦？
  • 面試問題
        • 利用類别範本和函式模板實現編譯器計算斐波那契數列
        • 模板的宣告和定義為什麼不能分開寫，要想分開寫該怎麼做

在模板中，我們可以宣告三種型別的形參（Parameters），分別是：

  1. 非型別模板形參（Non-type Template Parameters）
  2. 型別模板形參（Type Template Parameters）
  3. 模板模板形參（Template Template Parameters）

——C++模板超程式設計（零）：前言 - 知乎 的筆記，但是原文有些地方還是不太明白。

也就是說，定義模板的時候，引數不一定要寫作 typename T，還可以直接寫 int 之類的，如 my_template<5>()。

偏特化

偏特化的意思是：當傳入的型別引數為 T 時候，我希望有一個自己重寫的實現，如：

#include <iostream>
template <typename T>
void print(T x)
{
    std::cout << x << std::endl;
}

template <>
void print<int>(int x)
{
    std::cout << "print(" << x << ")" << std::endl;
}

template <>
void print(double x)
{
    std::cout << "print(" << x << ")" << std::endl;
}

int main()
{
    print(1);
    print(1.1);
}

類别範本

類别範本基礎的用法略過，類别範本 C++11 不支援引數推導，所以使用時候一定要提供模板引數。
它的神奇之處在於：

  1. 支援偏特化
  2. 支援引用的偏特化，引用型別偏特化的語法也是獨樹一格：
// example from https://zhuanlan.zhihu.com/p/384826036
template <typename T> struct is_reference      { static constexpr bool value = false; };    // #1
template <typename T> struct is_reference<T&>  { static constexpr bool value = true; };     // #2
template <typename T> struct is_reference<T&&> { static constexpr bool value = true; };     // #3

std::cout << is_reference<int>::value << std::endl;    // 0
std::cout << is_reference<int&>::value << std::endl;   // 1
std::cout << is_reference<int&&>::value << std::endl;  // 1

更多用法參考：C++模板超程式設計（三）：從簡單案例中學習 - 知乎

函式模板

首先要破除一些關於函式模板的迷思：

  1. 函式模板的模板引數雖然可以透過函式的引數推導，但是也可以直接指定，像 foo<int>() 就是在直接指定，並非語法錯誤。
  2. 函式模板只支援全特化。所以特化的模板一定要依賴於主模板，語法是把 template<typename T, ...> 中尖括號 <> 中所有的模板引數都列出來，一個都不能少。

函式和函式模板可以放在一起過載，看起來很燒腦，
那麼發生了一次函式呼叫，如何確定使用哪一個函式呢？按照我的理解：

  1. 函式呼叫時候，如果提供了模板引數列表，則顯式例項化，如 foo<int>(1) 提供了 <int>，
    1. 先查詢是否有特化的函式模板，類似這個格式：template<> foo<int>()
    2. 沒有就找函式主模板
  2. 如果沒有提供模板的引數列表，則說明需要根據函式引數推導型別
  3. 從全特化的模板中查詢符合條件的
  4. 找不到就用主模板

嚴謹表述參考：C++模板超程式設計（四）：深入模板 - 知乎

template<typename T>
void bar(T v) {
    std::cout << "1 template param" << std::endl;
    return;
}

template<>
void bar(int v) {
    std::cout << "1 template param specialization" << std::endl;
    return;
}

template<typename T, typename U>
void bar(T v) {
    std::cout << "2 template param" << std::endl;
    return;
}

int main()
{
    bar<int, float>(1);     // 2 template param
    bar<float>(1);          // 1 template param
    bar(1);                 // 1 template param specialization
    return 0;
}

bar<int, float> 顯式提供了模板引數，故例項化第三個 bar
bar<float> 也顯式提供了模板引數，確定型別 T 為 float，並且沒有找到對應的特換版本的函式，故例項化第一個
bar(1) 只提供了一個函式引數，只需要檢查函式簽名，對於第三個模板，無法推匯出型別 U；使用第二個模板。

函式模板 | 現代 C++ 模板教程

形參包

形參包 (C++11 起) - cppreference.com

  • 語法：我的記憶方法是，把 ... 寫在型別和包名中間，這樣可以避免忘記寫 ...
    template<typename ...Args>
print(const Args& ...args) {
  int _[]{ (std::cout << args << ' ' ,0)... };
}
  • 包展開：和中文語法下省略號的用法一致

Question

我記不住模板的語法，尤其是偏特化的語法，怎麼辦？

以 remove_reference 為例：

template <typename T> // line 1
struct remove_ref
{
    typedef T type;
};

template <typename T> // line 1
struct remove_ref<T &>
{
    typedef T type;
};

讓我們忽略 template 那一行，可以得到如下程式碼：

struct remove_ref // primary template does not need args
{
    typedef T type;
};


struct remove_ref<T &&> // specialization
{
    typedef T type;
};
  1. 主模板不需要寫 <args...>
  2. specialization 寫上自己需要例項化的時候，對應主模板的形式，最後在第一行補上未知的型別引數

template 那一行表示的是，下面要用到的未知的型別引數。

面試問題

利用類别範本和函式模板實現編譯器計算斐波那契數列

見 ./template-fibo.cpp

注意：類别範本成員變數要用 static const 修飾

  • static 允許 fib<5>::value 這樣形式訪問
  • const static 允許編譯器進行計算

模板的宣告和定義為什麼不能分開寫，要想分開寫該怎麼做

因為是 C++ 是分離式編譯，不會遞迴查詢自己需要的函式。

// foo.h
template<typename T>
void foo(T a);

// foo.cpp
template<typename T>
void foo(T a) {
    std::cout << a << std::endl;
}

// main.cpp
#include"foo.h"
int main() {
    foo<int>();
}

編譯到 main.cpp 中 foo<int> 時候，main.o 裡會有一個 call foo_int 的指令，等待連結的時候補上。
但是編譯到 foo.cpp 的時候，他不知道 main.o 裡面呼叫了 foo<int>，所以不會例項化 foo_int 這個函式。

可以直接把 foo.h 和 foo.cpp 合併到一個檔案解決這個問題，叫做 hpp。
stackoverflow 上有兩種方法：

  1. 在 foo.h 最後加上一行 #include"foo.cpp"，也就是合併到一塊寫。我看來不是從根本上解決這個問題。

  2. 問題的關鍵是，分離式編譯的時候，如何讓 foo.cpp 得知需要例項化 foo<int>，修改為：

    // foo.cpp
template<typename T>
void foo(T a) {
    std::cout << a << std::endl;
}

template void foo<int>; // tell the compiler to instantiation this function

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