一、模板參數(shù)

1.類型模板參數(shù)

在 Grid 示例中，Grid 模板有一個模板參數(shù)：存儲在網(wǎng)格中的類型。編寫類模板時，您需要在尖括號內(nèi)指定參數(shù)列表，例如：

template <typename T>

這個參數(shù)列表類似于函數(shù)或方法中的參數(shù)列表。與函數(shù)和方法一樣，你可以編寫具有任意多個模板參數(shù)的類。此外，這些參數(shù)不必是類型，它們可以有默認值。

2.非類型模板參數(shù)

非類型參數(shù)是普通參數(shù)，如整數(shù)和指針——這類參數(shù)你可能已經(jīng)在函數(shù)和方法中很熟悉了。然而，非類型模板參數(shù)只能是整型（char、int、long 等）、枚舉類型、指針、引用、std::nullptr_t、auto、auto& 和 auto*。C++20 還允許浮點類型和類類型的非類型模板參數(shù)。后者有很多限制，在本文中不再詳細討論。

在 Grid 類模板中，你可以使用非類型模板參數(shù)來指定網(wǎng)格的高度和寬度，而不是在構(gòu)造函數(shù)中指定。在模板列表中指定非類型參數(shù)而不是在構(gòu)造函數(shù)中指定的主要優(yōu)點是這些值在代碼編譯之前就已知?；叵胍幌?，編譯器通過在編譯之前替換模板參數(shù)來生成模板實例的代碼。因此，你可以在實現(xiàn)中使用普通的二維數(shù)組，而不是動態(tài)調(diào)整大小的向量數(shù)組。以下是帶有更改的新類定義：

export template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
class Grid {
public:
    Grid() = default;
    virtual ~Grid() = default;
    // 明確默認復(fù)制構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符。
    Grid(const Grid& src) = default;
    Grid& operator=(const Grid& rhs) = default;

    std::optional<T>& at(size_t x, size_t y);
    const std::optional<T>& at(size_t x, size_t y) const;

    size_t getHeight() const { return HEIGHT; }
    size_t getWidth() const { return WIDTH; }

private:
    void verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const;
    std::optional<T> m_cells[WIDTH][HEIGHT];
};

注意，模板參數(shù)列表需要三個參數(shù)：存儲在網(wǎng)格中的對象類型，以及網(wǎng)格的寬度和高度。寬度和高度用于創(chuàng)建存儲對象的二維數(shù)組。下面是類方法的定義：

// 類方法定義
template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
void Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::verifyCoordinate(size_t x, size_t y) const {
    if (x >= WIDTH) {
        throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", x, WIDTH) };
    }
    if (y >= HEIGHT) {
        throw std::out_of_range { std::format("{} must be less than {}.", y, HEIGHT) };
    }
}

template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
const std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) const {
    verifyCoordinate(x, y);
    return m_cells[x][y];
}

template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) {
    return const_cast<std::optional<T>&>(std::as_const(*this).at(x, y));
}

注意，之前你在哪里指定了 Grid<T>，現(xiàn)在你必須指定 Grid<T, WIDTH, HEIGHT> 來指定三個模板參數(shù)。你可以這樣實例化并使用這個模板：

Grid<int,

 10, 10> myGrid;
Grid<int, 10, 10> anotherGrid;
myGrid.at(2, 3) = 42;
anotherGrid = myGrid;
cout << anotherGrid.at(2, 3).value_or(0);

這段代碼看起來很棒，但不幸的是，存在比你最初預(yù)期的更多限制。首先，你不能使用非常量整數(shù)來指定高度或?qū)挾?。以下代碼無法編譯：

size_t height { 10 };
Grid<int, 10, height> testGrid; // 無法編譯

然而，如果你將高度定義為常量，則可以編譯：

const size_t height { 10 };
Grid<int, 10, height> testGrid; // 可編譯并工作

具有正確返回類型的 constexpr 函數(shù)也可以工作。例如，如果你有一個返回 size_t 的 constexpr 函數(shù)，你可以用它來初始化高度模板參數(shù)：

constexpr size_t getHeight() { return 10; }
...
Grid<double, 2, getHeight()> myDoubleGrid;

第二個限制可能更重要?，F(xiàn)在寬度和高度是模板參數(shù)，它們是每個網(wǎng)格類型的一部分。這意味著 Grid<int,10,10> 和 Grid<int,10,11> 是兩種不同的類型。你不能將一種類型的對象賦值給另一種類型的對象，也不能將一種類型的變量傳遞給期望另一種類型變量的函數(shù)或方法。

注意：非類型模板參數(shù)成為實例化對象類型規(guī)范的一部分。

二、類模板參數(shù)的默認值

設(shè)置高度和寬度的默認值

如果您繼續(xù)使用高度和寬度作為模板參數(shù)的方法，您可能想為 Grid<T> 類構(gòu)造函數(shù)中之前的高度和寬度非類型模板參數(shù)提供默認值。C++ 允許您使用類似的語法為模板參數(shù)提供默認值。同時，您也可以為 T 類型參數(shù)提供默認值。下面是類定義：

export template <typename T = int, size_t WIDTH = 10, size_t HEIGHT = 10>
class Grid {
    // 其余部分與之前版本相同
};

在方法定義的模板規(guī)范中，您不需要為 T、WIDTH 和 HEIGHT 指定默認值。例如，這是 at() 方法的實現(xiàn)：

template <typename T, size_t WIDTH, size_t HEIGHT>
const std::optional<T>& Grid<T, WIDTH, HEIGHT>::at(size_t x, size_t y) const {
    verifyCoordinate(x, y);
    return m_cells[x][y];
}

現(xiàn)在，您可以在沒有任何模板參數(shù)的情況下實例化 Grid，只需指定元素類型，元素類型和寬度，或元素類型、寬度和高度：

Grid<> myIntGrid;
Grid<int> myGrid;
Grid<int, 5> anotherGrid;
Grid<int, 5, 5> aFourthGrid;

請注意，如果您不指定任何類模板參數(shù)，您仍然需要指定一組空的尖括號。例如，以下代碼無法編譯！

Grid myIntGrid;

類模板參數(shù)列表中默認參數(shù)的規(guī)則與函數(shù)或方法相同；也就是說，您可以從右邊開始為參數(shù)提供默認值。

三、類模板參數(shù)推導(dǎo)（CTAD）

1.自動推導(dǎo)模板參數(shù)

類模板參數(shù)推導(dǎo)允許編譯器自動從傳遞給類模板構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)推導(dǎo)出模板參數(shù)。例如，標準庫中有一個名為 std::pair 的類模板，在 <utility> 中定義，并在第1章中介紹。pair 存儲兩個可能不同類型的值，通常需要指定為模板參數(shù)。例如：

pair<int, double> pair1 { 1, 2.3 };

為了避免編寫模板參數(shù)，可以使用一個名為 std::make_pair() 的輔助函數(shù)模板。編寫自己的函數(shù)模板的細節(jié)將在本章后面討論。函數(shù)模板一直支持基于傳遞給函數(shù)模板的參數(shù)自動推導(dǎo)模板參數(shù)。因此，make_pair() 能夠根據(jù)傳遞給它的值自動推導(dǎo)出模板類型參數(shù)。例如，編譯器為以下調(diào)用推導(dǎo)出 pair<int, double>：

auto pair2 { make_pair(1, 2.3) };

使用類模板參數(shù)推導(dǎo)（CTAD），不再需要這樣的輔助函數(shù)模板。編譯器現(xiàn)在會根據(jù)傳遞給構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)自動推導(dǎo)出模板類型參數(shù)。對于 pair 類模板，您可以簡單地編寫以下代碼：

pair pair3 { 1, 2.3 }; // pair3 的類型為 pair<int, double>

當然，這僅在類模板的所有模板參數(shù)要么具有默認值，要么用作構(gòu)造函數(shù)中的參數(shù)，從而可以推導(dǎo)出來時才有效。請注意，CTAD 要求有一個初始化器才能工作。以下是非法的：

pair pair4;

許多標準庫類支持 CTAD，例如 vector、array 等。

注意：這種類型推導(dǎo)對 std::unique_ptr 和 shared_ptr 無效。您向它們的構(gòu)造函數(shù)傳遞 T*，這意味著編譯器必須在推導(dǎo) <T> 或 <T[]> 之間選擇，如果選錯了就會很危險。因此，請記住，對于 unique_ptr 和 shared_ptr，您需要繼續(xù)使用 make_unique() 和 make_shared()。

2.用戶定義的推導(dǎo)指南

您也可以編寫自己的用戶定義推導(dǎo)指南來幫助編譯器。這些指南允許您編寫模板參數(shù)如何被推導(dǎo)的規(guī)則。這是一個高級主題，所以不會詳細討論，但會給出一個示例來展示它們的強大功能。假設(shè)您有以下 SpreadsheetCell 類模板：

template <typename T>
class SpreadsheetCell {
public:
    SpreadsheetCell(T t) : m_content { move(t) } { }
    const T& getContent() const { return m_content; }

private:
    T m_content;
};

使用自動模板參數(shù)推導(dǎo)，您可以創(chuàng)建一個 std::string 類型的 SpreadsheetCell：

string myString { "Hello World!" };
SpreadsheetCell cell { myString };

然而，如果您將 const char 傳遞給 SpreadsheetCell 構(gòu)造函數(shù)，則類型 T 被推導(dǎo)為 const char，這不是您想要的！您可以創(chuàng)建以下用戶定義的推導(dǎo)指南，當向構(gòu)造函數(shù)傳遞 const char* 作為參數(shù)時，使其將 T 推導(dǎo)為 std::string：

SpreadsheetCell(const char*) -> SpreadsheetCell<std::string>;

這個指南必須在類定義之外但在與 SpreadsheetCell 類相同的命名空間內(nèi)定義。通用語法如下。explicit 關(guān)鍵字是可選的，其行為與構(gòu)造函數(shù)的 explicit 相同。通常，這樣的推導(dǎo)指南也是模板。

explicit TemplateName(Parameters) -> DeducedTemplate;