1 参数化声明

模板分类

模板有四类：类模板、函数模板、变量模板、别名模板。其中别名模板是：

变量模板其实可以不需要 inline（但是最好加上）

C++17 中静态和全局变量都能够用 inline 来修饰。这也意味着类中的静态变量不必在类中声明、类外初始化（非头文件），而是可以在类中直接写 inline。之前笔记里面提到的问题里，inline 加不加都没有关系，因为变量模板本身可以在多个翻译单元中出现。P179

嵌套模板的非原地定义

想要给类模板中的模板在类外提供定义是比较复杂的，需要嵌套模板参数描述：

这里为了给 Handle 函数模板提供定义写了两次 template 参数列表。

构造函数模板会覆盖默认构造函数

虽然类模板的特殊函数模板不会覆盖掉类的同类函数的默认版本，但是如果提供了其他的构造函数模板，默认的构造函数也将不会被定义。这是由默认构造函数的特殊性决定的。

Union templates

函数模板默认参数

如果调用的时候提供了参数，那么 T const &=T{} 这一句不会被实例化，这意味着即便是 T 没有默认构造函数，在用户了解 fill 函数用法并传入了合法的 T 类型值时，编译也不会失败。

虚函数不支持模板

因为虚函数要写入虚表，在编译后必须大小确定，但是模板的实例化是按需进行的，只有链接完成后才能确定函数模板的特化数目。

模板的 linkage

函数模板的 linkage 只能是 C++ 类型。如果外围没有 extern "C"，这里的 extern 可以不写。

int const zero_int = int{}; 按照 const 的全局变量规定，是 internal linkage。但是 template<typename T> int const max_volume = 11; 按照变量模板的规定，是 external linkage。

原始模板（Primary template）

没有任何参数被特化的模板是原始模板；参数有偏特化就是非原始模板（但因为有参数没有被确定下来因而还是模板）。

2 模板形参（Parameters）

模板声明中参数名有时可以省略

模板声明就像函数声明，没用到参数名的时候可以省略参数名。比如 template <typename, int> class X; 就是一个完整的声明。模板中有些参数可能依赖其他参数，这个时候被依赖的参数就需要参数名。

类型参数

类型参数本身被假定为一个完整的类型，所以不能加上 class 前缀。以前我们在一个普通类中写 friend class B; 其实既声明了类型 B，又完成了友元声明。在 B 类已经声明的情况下，friend B; 也可以。

非类型参数

可能用到 typename 关键字：

因为访问了 T::Allocator 类型。

也可能用到 class 关键字：

这里附带了对类 X 的声明效果。注意 X 类看起来像个泛型参数，实际上是个具体的类。

非引用类型的非类型参数还会 decay：

这包含了数组、函数、cv 限定符等情况。

非类型参数用 auto 是值语义；用 auto && 是转发引用语义，绑定不了纯右值。

模板模板参数

在 C++17 之前要用 template<…> class 来写，C++17 之后也可以用 template<…> typename 写。

模板模板参数中的参数不能在外面使用：

Template Parameter Packs - 可变长模板参数

类模板的可变长模板参数只能放在参数列表的末尾，不能有默认值，而且一个原始模板只能有一组可变长模板参数。与此相对，类模板偏特化可以有多组可变长模板参数：

正因为可变长模板参数只能放在参数列表的末尾，同时获取一组参数的类型和值是不可能的：

template<typename... Ts, Ts... vals> struct StaticValues {}; → error

解决方案 1：可以使用 decltype(auto) 或者 auto 可变长参数表达式，然后用 decltype 再把类型推导出来。

解决方案 2：使用嵌套模板。

函数模板的可变长模板参数可以不用放在最后，定义可以通过，但是使用时会报错！下面的模板函数在使用时无法推导出参数 N。（其实相当于只能放在最后了……）

默认模板参数

类模板的默认模板参数可以分次声明，但有着从后向前的要求。作为对比，函数模板的默认参数可以从前面开始声明。

图为 Clang：

其中第二次多声明了一个 T3 的默认值。

GCC

1. 当两次声明完全一致，没有额外信息时，会视作重复定义，从而编译失败。比如把以上任意一个模板声明重复一遍。
2. 尽管声明可以多次，翻译单元中还是只能出现一个定义。如果要使用这个类模板，对于上面的代码还需要补充且仅补充一个定义。
3. 如果声明了靠前的默认参数（比如上图的第三次声明），且与后面的默认参数无法衔接，这时并不会编译失败，但该模板声明会失效（因为在使用时匹配不上）。

Clang

clang 在这里的编译检查更加严格！clang 中必须按顺序从后向前声明默认值（不允许失序），因而在上面代码中第三次提供模板声明时会编译失败。如果去掉第三次声明，交换前两次模板声明顺序，编译也会失败。可见作者使用的编译器也是 clang。

不允许默认参数的场景

类模板偏特化、可变长模板参数、类模板外函数定义、类中的友元函数模板声明（定义是允许的）。P191

3 模板实参（Arguments）

P194 非类型参数必须是几类之一。

其中整数参数可以从 class type 编译期隐式转换而来，也可以通过整数提升得到，但不允许窄化。

指针或引用参数可以从函数或者数组 decay 得到。~~在 C++17 之后，指针或引用参数还可以从子类指针/引用隐式转换到父类指针/引用，也可以从用户定义类型转换得来。~~这同样被要求必须发生在编译期。

💡 关于带有删除线的句子，书上是有说可以的。但是实测到 C++20 都不行。

模板参数不能使用字符串字面量，因为尽管两个字面量的值可能相同，其地址不一定相同。

注意看上图对指针或引用的非类型模板参数的 linkage 要求。

模板模板实参

参数列表数目匹配

就像前面章节”模板模板参数“提到的，模板模板实参在 C++17 之前要求提供的参数与使用时完全匹配：如果传入的模板有默认参数，可能会导致参数数量不一致从而编译失败。这时需要声明对应数量的模板参数，并提供相应的默认值。C++17 之后模板的默认参数也会被考虑，就没有这个问题。

如果在模板模板形参中写 template <typename… > class Cont，这样可变长参数列表就能接受多个类型，这在一定场景下可以无视类型参数数量。但是这无法匹配非类型参数。

相等性判断

如果两个模板声明除了使用的符号外完全一致，这被认为是相等（equivalent）的两次声明，编译器不会报错。但如果符号一致，形式不一致，而含义一致，这被成为功能相等（functional equivalent）。编译器不被要求找到”功能相等“的声明并报错，但我们不应该这么写。下图中 #1 和 #2 相等。而 #1 和 #3 功能相等，尽管只是交换了加号两边操作符的顺序，但编译器不一定能认得出来。

函数模板特化与函数从来不相等

函数模板特化后也和具有对应参数和返回值的函数不相等。这意味着：

1. 类中的与复制赋值、移动赋值、移动构造、复制构造形式相同的函数模板均不会遮掩对应的非模板函数。
2. 但如果定义了移动构造、复制构造函数模板，也算是声明了构造函数，默认构造函数会被隐式删除。

💡 定义赋值操作符不会遮盖默认构造函数。至少在 C++17，声明移动构造、复制构造函数 = default 也不会遮盖默认构造函数，但定义会。

1. 按照 P200 的说法，从模板实例化得到的函数从来不会是移动或复制构造函数，但可以是构造函数。

4 可变参数 aka Parameter Pack

Pack expansion

Pack expansion 指把可变参数用省略号展开成一长串参数的行为。我们能对包展开参数做出额外包装，也可以把多个包组成表达式一起展开，但当多个包一起展开时需要保证包的长度一致。

Fold expression

Fold expression 指的是以相同模式利用参数的行为，这将利用完所有参数。折叠表达式也是包展开。折叠表达式在遇到 || && , 操作符时会有默认初始值，分别是 false、true 和 void 类型。因而如果我们对运算符做出了重载时，|| 和 && 的默认初始值不一定能符合我们的表达含义。因此应该优先考虑带有初始值的折叠表达式。

可变参数模板和 C 语言可变参数函数混淆

在上图中，第一行声明的 T 不是参数包，因此 T… 会被理解成 T, ….，后面的省略号表示兼容 C 语言的 varargs 语法。因而必须小心使用省略号语法，确认前面的类型是参数包类型。

5 友元

非模板类

使用 friend class Foo; 不仅有声明友元，还有声明这个类的作用。所以，仅仅承担声明友元功能的写法是 friend Foo;。

声明友元时可以给出函数和原始模板函数的定义，这些友元将成为 hidden friends，可以在类外使用（相当于定义了类外的内联函数，可以在不同翻译单元中出现）。但是声明友元时不能给出非原始模板函数（特化的模板函数）、带有作用域限定符::类型（这个时候相当于在查找类外的函数或类型，但是找不到或者提供了重复定义）、友元类的定义。

Hidden friends 在类中定义后将不能在类外定义，否则会出现重定义错误，所以不存在 hidden friends 优先级更高的说法。但是这点表现很奇怪：如果不加声明，hidden friends 不能在外面被限定名找到，但是却能和外面的定义冲突。 如果在类中声明，类外定义，那就不是 hidden friends 了，就是普通的友元函数，因而也能被找到。

struct Foo {
    int x;
  public:
    friend bool operator<(Foo a, Foo b) {
        // std::cout << "hidden friend\n";
        return a.x < b.x;
    }
};

// 1. 不能给出定义，否则有重定义错误
// 2. 如果不声明则无法编译，因为 main 函数中用了限定名，所以禁用了 ADL
//    而这个 < 操作符重载原本又是 hidden friend
bool operator<(Foo a, Foo b);

int main() {
    std::cout << ::operator<(Foo{1}, Foo{2}) << '\n';
}

友元模板是指 friend 声明可以被模板修饰，使得一组函数、类，或模板类的特定函数成为友元，但是只有函数和原始模板函数能够给出定义（上一段）。

类模板（2023 年 5 月 15 日）

最好在类模板外定义非依赖友元，否则模板类在同一个翻译单元的多次实例化会导致友元被定义多次，从而编译错误。

不过类模板外定义非依赖友元函数又有其他问题，比如必须加上 inline，否则不能将定义包含在头文件中。或者把它的定义放在非头文件中。

事实上，如果一个函数根本不依赖这个类模板的某个实例，声明其为友元没有意义！