c++ 模板编程

c++ 模板编程

C++中模板分为函数模板和类模板

函数模板：是一种抽象函数定义，它代表一类同构函数。

类模板：是一种更高层次的抽象的类定义。

优缺点

优点

1. 代码复用
     模板允许编写与具体数据类型无关的代码，从而实现代码复用。你可以针对不同的数据类型使用相同的模板函数或模板类，而无需为每种数据类型重复编写代码。
2. 类型安全
     模板是在编译时生成代码的，编译器会对模板实例化的代码进行严格的类型检查，从而确保类型安全，避免运行时类型错误。
3. 性能优化
     模板在编译时会生成具体类型的代码，相当于为每种使用的类型生成了定制的函数或类。这种机制避免了运行时多态的开销，性能接近手动为每种类型编写的代码。
4. 支持泛型编程
     模板是 C++ 泛型编程的核心工具，使得开发者能够以声明性和抽象的方式定义算法和数据结构。例如，标准模板库（STL）中的容器和算法就是基于模板实现的。
5. 灵活性强
     模板支持元编程（template metaprogramming），允许在编译时执行复杂的计算和逻辑。这为高级编程提供了强大的能力，比如静态多态和编译时优化。
6. 消除冗余代码
     使用模板可以大大减少重复代码，降低维护成本。例如，可以为不同类型的数据结构（如 std::vector 和 std::vector）使用相同的模板定义，而无需单独实现。

缺点

1. 编译时间长
     模板会在每次实例化时生成具体的代码，这可能导致编译时间显著增加，尤其是在大型项目中使用了大量模板时。
2. 可读性和可维护性差
     模板代码往往较为复杂，尤其是涉及到嵌套模板、模板元编程或 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）时，代码的可读性和可调试性会大大降低。
3. 代码膨胀（Code Bloat）
     模板会为每种使用的类型生成一份实例化代码，可能导致最终的二进制文件体积显著增加。虽然现代编译器可以通过模板共享（template pooling）来优化，但这个问题仍然存在。
4. 错误信息复杂
     模板相关的编译错误通常非常复杂且难以理解，尤其是当涉及到深度嵌套的模板或复杂的模板元编程时。这会增加调试和排错的难度。
5. 二进制接口（ABI）兼容性问题
     模板代码是基于实例化生成的，不同编译器或编译器版本可能会生成不同的二进制代码，导致模板类或函数难以在动态链接库（DLL/so）之间共享。
6. 限制动态多态
     模板实例化的代码在编译时就确定了具体的类型，因此不支持运行时的动态类型分派（如虚函数机制）。这使得模板更适合静态多态，而不适合动态多态。
7. 缺乏显式约束（在 C++20 前）
     在 C++20 之前，模板参数的约束依赖隐式的接口契约，编译器只在实例化时检查是否满足接口要求，这可能导致错误信息迟滞且难以定位。
     C++20 引入了 Concepts，显著改善了这一问题，但在旧版本中，约束模板的机制仍显不足。
8. 调试困难
     模板代码在调试工具中可能表现为一大堆展开后的代码片段，使得调试过程变得复杂且耗时。
9. 潜在的库升级问题
     如果一个库的大量接口通过模板实现，那么升级库可能导致用户代码的重新编译，因为模板实例化通常是内联的。

模版特化

需要对某些参数的模版进行特殊处理，此时可以用特化

全特化

  通过全特化一个模板，可以对一个特定参数集合自定义当前模板，类模板和函数模板都可以全特化。 全特化的模板参数列表应当是空的，并且应当给出"模板实参"列表：

// 全特化类模板
template <>
class A<int, double>{
    int data1;
    double data2;
};

// 函数模板
template <>
int max(const int lhs, const int rhs){   
    return lhs > rhs ? lhs : rhs;
}

  注意类模板的全特化时在类名后给出了"模板实参"，但函数模板的函数名后没有给出"模板实参"。 这是因为编译器根据int max(const int, const int)的函数签名可以推导出来它是T max(const T, const T)的特化。

特化的歧义

  上述函数模板不需指定"模板实参"是因为编译器可以通过函数签名来推导，但有时这一过程是有歧义的：

template <class T>
void f(){ T d; }

template <>
void f(){ int d; }

此时编译器不知道f()是从f()特化来的，编译时会有错误：

error: no function template matches function template specialization 'f'

这时我们便需要显式指定"模板实参"：

template <class T>
void f(){ T d; }

template <>
void f<int>(){ int d; }

偏特化

类似于全特化，偏特化也是为了给自定义一个参数集合的模板，但偏特化后的模板需要进一步的实例化才能形成确定的签名。 值得注意的是函数模板不允许偏特化

template <class T2>
class A<int, T2>{
    ...
};

函数模板是不允许偏特化的，下面的声明会编译错：

template <class T1, class T2>
void f(){}

template <class T2>
void f<int, T2>(){}

但函数允许重载，声明另一个函数模板即可替代偏特化的需要：

template <class T2>
void f(){}              // 注意：这里没有"模板实参"

多数情况下函数模板重载就可以完成函数偏特化的需要，一个例外便是std命名空间。 std是一个特殊的命名空间，用户可以特化其中的模板，但不允许添加模板（其实任何内容都是禁止添加的）。 因此在std中添加重载函数是不允许的，在Effective C++: Item 25中给出了一个更详细的案例。

使用总结

• 模板类的成员函数要和类放在同一个文件内

继承模板类调用父类的函数要加 this 或者 base:: 显示指定，或者用 using base::xxfunc; bast:: 如果是虚函数会破会多态性

模板函数要声明为inline,可以节省内存

事实上类型T::const_iterator依赖于模板参数T， 模板中依赖于模板参数的名称称为从属名称（dependent name）， 当一个从属名称嵌套在一个类里面时，称为嵌套从属名称（nested dependent name）。 其实T::const_iterator还是一个嵌套从属类型名称（nested dependent type name）。

嵌套从属名称是需要用typename声明的，其他的名称是不可以用typename声明的。