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C++ 类模板基础进阶系列

类模板基础与实例化

类模板是一种强大的编程工具，能够通过模板参数的泛化和特化，减少代码的冗余，提高代码的可维护性和可扩展性。在 C++ 中，类模板的核心思想是通过定义模板参数，创建适用于不同数据类型的类实例。

模板参数的定义与使用

模板参数通常用 template <typename T> 的形式定义，T 表示一个模板参数，可以是任意的数据类型。例如，以下是一个简单的类模板定义：

#include 
   
    
using namespace std;
namespace _nmsp1 {
    template 
    
     
    class myvector {
    public:
        typedef T* myiterator;  // 迭代器类型定义
        myvector();
        myvector(T tmpt) {}
        myvector& operator=(const myvector&);
        void myfunc() { cout << "myfunc()被调用" << endl; }
        static void mystaticfunc() { cout << "mystaticfunc()被调用" << endl; }
        myiterator mybegin();
        myiterator myend();
    };
    template 
     
      
    myvector
      
       ::myvector() {}
}
      
     
    
   

类模板的实例化

类模板的实例化发生在以下两种情况：

_nmsp1::myvector
    
      tmpvec;
    

_nmsp1::myvector tmpvec(12);

类模板的推断指南

在 C++ 17 中，推断指南（Deduction Guide）被进一步扩展，提供了更强大的模板参数推断能力。推断指南主要用于以下场景：

例如，以下是一个带有显式推断指南的类模板定义：

template 
   
    
struct A {
    A(T val1, T val2) {}
    A(T val) {}
};
template 
    
     
A(T, T) -> A
     
      ;
     
    
   

在这种情况下，调用 A aobj(15, 16) 时，编译器会根据构造函数的参数推断出 T 为 int。

聚合类与推断指南

聚合类（Aggregate Class）是 C++ 中一个特殊的类模板，它允许用户直接访问成员变量，并且具有特殊的初始化语法。聚合类需要满足以下条件：

推断指南的作用

推断指南对于聚合类尤为重要，因为它允许用户通过简洁的语法直接构造对象。例如：

template 
   
    
struct B {
    T m_b;
    T m_b2;
};
template 
    
     
B(T) -> B
     
      ;
template 
      
       
B(T, U) -> B
       
        ;
       
      
     
    
   

在这种情况下，以下代码可以直接运行：

B bobj { 15 };
B bobj2 { 15, 20 };

推断指南的应用

在没有自定义推断指南的情况下，用户需要显式地指定模板参数。例如：

_nmsp3::B
   
     bobj3;
_nmsp3::B
    
      bobj4;
    
   

通过定义自定义推断指南，可以简化代码，提高可读性。

类模板的特化与偏特化

类模板的特化（Specialization）是指对模板参数进行特定类型的定义，生成特化版本的类实例。特化可以分为两种形式：

例如，以下是一个模板参数范围上的偏特化：

template 
   
    
struct TC {
    T m_t;
    U m_u;
};
template 
    
     
struct TC;
    
   

在这种情况下，TC 只能接受指针类型的 U。

全特化与偏特化的区别

全特化是对模板参数的全部定义生成特化版本，而偏特化只是对部分模板参数进行定义。全特化和偏特化可以结合使用，但需要注意顺序。例如：

template 
   
    
struct TC {
    TC() {}
    void functest();
};
template 
    
     
TC
     
      
{
    TC() {}
    void functest();
};
     
    
   

在这种情况下，TC<int, int*> 是一个全特化版本，TC<int, int> 是一个偏特化版本。

缺省参数与非类型模板参数

模板参数可以定义缺省值，减少用户的输入。缺省参数的定义遵循以下规则：

例如，以下是一个带有缺省参数的类模板定义：

template 
   
    
struct TC {
    TC() {}
    void functest();
};
   

在这种情况下，TC() 的 T 和 U 都会被默认定义为 int。

非类型模板参数

非类型模板参数通常用于接受编译时常量或静态数据。这些参数的类型通常是整数或指针。例如：

template 
   
    
struct TC {
    T m_arr[arrsize];
    void functest();
};
   

在这种情况下，arrsize 是一个非类型模板参数，T 是类型模板参数。

非类型模板参数的限制

非类型模板参数不能是浮点类型，因为它们需要在编译时确定大小。同时，全局指针和字符串常量不能作为非类型模板参数。

结论

类模板是 C++ 编程中的一个强大工具，它通过模板参数的泛化和特化，简化了代码的复杂性。通过合理使用推断指南、特化和缺省参数，可以进一步提高代码的可维护性和扩展性。了解和掌握类模板的使用，是一个每个 C++ 开发者必须掌握的核心技能。