深入淺析C++ 的模板編程

深入淺析C++ 的模板編程？針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

類型模板

類型模板包括函數模板和類模板，基本上是C++開發人員接觸模板編程的起點。

下面代碼演示了函數模板和類模板的使用方法：

// 函數模板
template<typename T>
T add(const T& a, const T& b) {
 return a + b;
}

// 類模板
template<typename T>
class Point {
private:
 T x[3];
 ...
};

類型模板以template開始聲明，尖括號內的typename關鍵字可用class替代。類型模板中typename和class具有相同含義，均表示參數類型。實踐中typename語義更廣泛，表示其后續的參數T是一個類型，不限定于類，建議使用。類型參數T可換成其他任意有意義的合法變量。

C++14新增變量模板：

// 變量模板
template<tyepename T>
constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L);

尖括號之于模板猶如小括號之于函數：函數通過小括號()定義和調用，模板使用尖括號<>定義(需template關鍵字聲明)和實例化。上面演示了類型模板定義，下面代碼介紹模板實例化：

int a = 1, b = 2;
// 實例化函數模板
std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

// 實例化類模板
auto p = Point<int>();

double radius = .5;
// 實例化變量模板
auto area = pi<double> * radius * radius;

同函數一樣，模板可以有默認值：

// 默認類型為int
template<typename T=int>
T add(const T& a, const T& b) {
 return a + b;
}

// 默認類型為double
template<typename T=double>
class Point {
private:
 T x[3];
 ...
};

與函數不同，對于函數模板，如果能從參數推斷出模板類型，則可略去尖括號模板實例化參數：

int a = 1, b = 2;
// 合法調用，編譯器能根據a b推斷出參數類型
std::cout << "add result:" << add(a, b) << std::endl;
// 等同于
std::cout << "add result:" << add<int>(a, b) << std::endl;

然而對于類模板，即使有默認參數，也不能省略尖括號(但是可以省去參數)：

template<typename T=double>
struct Point {
 T x[3];
};

// 合法聲明
auto p = Point<double>();
// 合法聲明，類型使用默認的double
auto p2 = Point<>();
// 非法聲明，缺少模板調用標志尖括號
auto p3 = Point();

類型參數模板在實際中使用最多，STL庫中vector、map等容器、algorithm中的許多算法都用到了模板。

非類型參數模板

另一類常用模板是非參數模板，用來替代某個具體的值。例如：

// N維空間向量
template<int N>
struct Vector {
 double x[N];
};

// 實例化
auto v = Vector<100>();
...其他操作

需要注意的是，非類型參數模板能使用的類型十分有限，只有(signed/unsigned)整數、char和枚舉這幾種類型可用（參考switch語法）。

同類型模板一樣，非類型參數模板也可以有默認值，但應用到類模板實例化也不能省略尖括號。

類型模板和非類型參數模板可以結合一起用：

template<typename T, int N>
struct Point {
 T x[N];
};

類型模板解決了類型問題，非類型參數模板解決了值的問題，實際中應用也十分廣泛。作為遞歸的經典場景，斐波那契數列可以用非類型模板解決：

template<int N>
struct Fib {
 static constexpr int value = Fib<N-1>::value + Fib<N-2>::value;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<1> {
 static constexpr int value = 1;
};
// 模板特化
template<>
struct Fib<0> {
 static constexpr int value = 0;
};

// 調用
std::cout << "Fib(10): " << Fib<10>::value << std::endl;

這個例子出現了”模板特化”，接下來介紹。

模板特化/偏特化

定義模板后，希望在特定條件下使用單獨的模板，這便是模板特化。上文中斐波那契數列定義的template<int N> struct Fib是母模板，接下來又定義了0和1兩個特化模板(子模板)，指示編譯器遇到Fib<0>和Fib<1>的情況，使用這兩組單獨定義。需要注意的是特化模板的template參數為空，具體模板參數放到了模板名稱處，類似于模板實例化。

對多個模板參數的情形，如果只特化某個模板參數，便是偏特化。例如：

// 泛型模板定義
template<typename T1, typename T2> struct Add; 
// 特化模板
template<> struct Add<int, int> {...};
// 偏特化模板
template<typename T> struct Add<T, long> {....};

模板特化/偏特化類似于函數重載，能針對特殊情況進行特別處理。

模板匹配與SFINAE

模板特化使得同一個模板名稱有了多個定義，代碼具體調用時會遇到模板匹配問題。理解模板匹配機制的關鍵便是SFINAE，這也是進階模板編程的必備知識點。

SFINAE是Substitution failure is not an error的縮寫，翻譯過來便是：匹配(替換)失敗不是錯誤。

怎么理解這句話呢？

對于上面的斐波那契數列數列代碼，編譯器遇到Fib<10>::value的代碼，(可能)先會嘗試匹配Fib<0>，發現匹配不上，這是一個Substitution failure，但不是error，所以編譯器繼續嘗試其他可能性。接著匹配Fib<1>，同樣發現匹配不上，忽略這個Substitution failure繼續嘗試Fib<N>，OK，這一次沒問題，編譯成功。

如果是Fib<-1>::value，編譯器達到最大遞歸深度也找不到一個合適的匹配模板，這是一個error，因此編譯失敗。

備注：理解上面的話需要對編譯過程稍加了解，編譯過程會輸出許多信息，編譯器一般只有遇到error才會終止編譯，比較常見的warning則不會。模板匹配中的Substitution可能連warning都算不上，不會影響編譯器繼續嘗試匹配

理解SFINAE是看懂稍微深奧點模板代碼的基本功，重點便是：不怕你模板多，就怕找不到合適的模板。

兩階段編譯

有了模板(元)編程，C++源碼編譯可以分為前期和后期，構成兩階段編譯。前期是模板的天下，編譯器掃描模板實例化語句，生成運算結果和具體代碼；后期編譯器介入，再編譯生成機器碼。

模板代碼運行在編譯期，因此有如下特點：

• 沒有實例化的模板代碼，即使有語法錯誤，編譯器也不會檢查和報錯。對按代碼行數考核KPI的C++碼農，這絕對是福音，新增template代碼十萬行，瞎編亂寫都可以，只要不實例化，永遠能編譯通過，編譯后的文件大小(一般)不變，也不影響現有代碼運行；
• 對于常量，編譯前期直接計算，沒有運行時開銷。上文中的斐波那契數列值在編譯期便已經計算出來了；
   
• 無法運行期動態調用代碼。例如下面的要求做不到：

template<int N>
struct Point {double x[N];};
// 根據輸入動態生成類,無法實現和編譯成功
int n;
std::cin >> n;
auto p = new Point<n>();

• 模板和多態/虛函數(理念)沖突。多態/虛函數的關鍵是運行期動態調用代碼，而模板在編譯期確定，因此兩者理念上是沖突的。所以，如果你想一個成員函數既是模板函數，又是虛函數，怎么做實現預期？
   

C/C++編譯有個預處理過程，只是做簡單字符串替換，沒有具體運算，與模板生成代碼不同

在編譯前期，除了模板代碼被解釋執行，其他代碼信息都在，因此模板代碼擁有類似反射/自省的能力，這也是C++元編程功能強大的原因之一。

C++11中的變化

C++11帶來了許多新特性和重大更新，可以認為C++11是一門新的語言。就模板來說，主要更新點如下：

1. 可以使用static constexpr int代替早期模板代碼中的enum。網上許多斐波那契數列代碼都是基于早期C++，一律使用enum方式定義字段；

2. 可以使用using代替typedef。這是using語句能力的重大更新，早期我們定義類型或者別名都需要typedef，自C++11開始，簡單使用using就可以達到相同效果。

3. C++14引入了變量模板，上文已介紹。

模板優缺點

上文根據自己理解和實踐簡要介紹了C++模板編程的相關概念，本節總結一下C++模板的優缺點：

C++模板編程優點：

• 減少代碼輸入，提高代碼重用和編程效率；
• 支持鴨子類型(Duck typing)的特性，使用便利，功能強大；
• 某些情況下能減少運行期開銷；
• 能實現元編程，C++高手必備之路；
     C++模板編程缺點：

• 語法看起來是hack黑科技，代碼可讀性差，編寫繁瑣；
• 模板代碼調試困難，生成的錯誤信息也晦澀難懂。你可以還記得剛開始使用STL模板的map等數據類型報錯的恐怖提示？

關于深入淺析C++ 的模板編程問題的解答就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關注億速云行業資訊頻道了解更多相關知識。