C++ 模板

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

• 偏特化
• 类模板
• 函数模板
• 形参包
• Question
  • 我记不住模板的语法，尤其是偏特化的语法，怎么办？
• 面试问题
  • • • 利用类模板和函数模板实现编译器计算斐波那契数列
      • 模板的声明和定义为什么不能分开写，要想分开写该怎么做

在模板中，我们可以声明三种类型的形参（Parameters），分别是：

1. 非类型模板形参（Non-type Template Parameters）
2. 类型模板形参（Type Template Parameters）
3. 模板模板形参（Template Template Parameters）

——C++模板元编程（零）：前言 - 知乎 的笔记，但是原文有些地方还是不太明白。

也就是说，定义模板的时候，参数不一定要写作 typename T，还可以直接写 int 之类的，如 my_template<5>()。

偏特化

偏特化的意思是：当传入的类型参数为 T 时候，我希望有一个自己重写的实现，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);
}

类模板

类模板基础的用法略过，类模板 C++11 不支持参数推导，所以使用时候一定要提供模板参数。
它的神奇之处在于：

1. 支持偏特化
2. 支持引用的偏特化，引用类型偏特化的语法也是独树一格：

// 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

更多用法参考：C++模板元编程（三）：从简单案例中学习 - 知乎

函数模板

首先要破除一些关于函数模板的迷思：

1. 函数模板的模板参数虽然可以通过函数的参数推导，但是也可以直接指定，像 foo<int>() 就是在直接指定，并非语法错误。
2. 函数模板只支持全特化。所以特化的模板一定要依赖于主模板，语法是把 template<typename T, ...> 中尖括号 <> 中所有的模板参数都列出来，一个都不能少。

函数和函数模板可以放在一起重载，看起来很烧脑，
那么发生了一次函数调用，如何确定使用哪一个函数呢？按照我的理解：

1. 函数调用时候，如果提供了模板参数列表，则显式实例化，如 foo<int>(1) 提供了 <int>，
   1. 先查找是否有特化的函数模板，类似这个格式：template<> foo<int>()
   2. 没有就找函数主模板
2. 如果没有提供模板的参数列表，则说明需要根据函数参数推导类型
3. 从全特化的模板中查找符合条件的
4. 找不到就用主模板

严谨表述参考：C++模板元编程（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> 显式提供了模板参数，故实例化第三个 bar
bar<float> 也显式提供了模板参数，确定类型 T 为 float，并且没有找到对应的特换版本的函数，故实例化第一个
bar(1) 只提供了一个函数参数，只需要检查函数签名，对于第三个模板，无法推导出类型 U；使用第二个模板。

函数模板 | 现代 C++ 模板教程

形参包

形参包 (C++11 起) - cppreference.com

• 语法：我的记忆方法是，把 ... 写在类型和包名中间，这样可以避免忘记写 ...

  template<typename ...Args>
  print(const Args& ...args) {
    int _[]{ (std::cout << args << ' ' ,0)... };
  }
  

• 包展开：和中文语法下省略号的用法一致

Question

我记不住模板的语法，尤其是偏特化的语法，怎么办？

以 remove_reference 为例：

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

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

让我们忽略 template 那一行，可以得到如下代码：

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


struct remove_ref<T &&> // specialization
{
    typedef T type;
};

1. 主模板不需要写 <args...>
2. specialization 写上自己需要实例化的时候，对应主模板的形式，最后在第一行补上未知的类型参数

template 那一行表示的是，下面要用到的未知的类型参数。

面试问题

利用类模板和函数模板实现编译器计算斐波那契数列

见 ./template-fibo.cpp

注意：类模板成员变量要用 static const 修饰

• static 允许 fib<5>::value 这样形式访问
• const static 允许编译器进行计算

模板的声明和定义为什么不能分开写，要想分开写该怎么做

因为是 C++ 是分离式编译，不会递归查找自己需要的函数。

// 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>();
}

编译到 main.cpp 中 foo<int> 时候，main.o 里会有一个 call foo_int 的指令，等待链接的时候补上。
但是编译到 foo.cpp 的时候，他不知道 main.o 里面调用了 foo<int>，所以不会实例化 foo_int 这个函数。

可以直接把 foo.h 和 foo.cpp 合并到一个文件解决这个问题，叫做 hpp。
stackoverflow 上有两种方法：

1. 在 foo.h 最后加上一行 #include"foo.cpp"，也就是合并到一块写。我看来不是从根本上解决这个问题。

2. 问题的关键是，分离式编译的时候，如何让 foo.cpp 得知需要实例化 foo<int>，修改为：

   // 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