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[C++] Template (템플릿)

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Template (템플릿)

템플릿은 타입을 매개변수처럼 받아서 함수나 클래스를 일반화할 수 있게 해주는 기능이다.

같은 로직을 int, double, std::string 등 여러 타입에 대해 반복해서 작성하는 대신, 템플릿으로 한 번만 작성하고 컴파일러가 실제로 사용되는 타입에 맞춰 코드를 생성하게 할 수 있다.

함수 템플릿 (Function Template)

template <typename T>
T myMax(T a, T b)
{
	return (a > b) ? a : b;
}

typename 대신 class 키워드를 써도 동일하게 동작한다.

template <class T>
T myMax(T a, T b) { return (a > b) ? a : b; }

템플릿 인자 추론

함수 템플릿을 호출할 때 인자의 타입을 보고 컴파일러가 T를 자동으로 추론한다. 명시적으로 타입을 지정할 수도 있다.

myMax(3, 7);        // T = int, 자동 추론
myMax(3.5, 2.1);     // T = double, 자동 추론
myMax<double>(3, 7); // T를 명시적으로 지정

두 인자의 타입이 다르면 추론에 실패해서 컴파일 에러가 발생한다.

myMax(3, 7.5); // 에러! T가 int인지 double인지 추론 불가

여러 타입 매개변수

템플릿 매개변수는 여러 개를 받을 수 있다.

template <typename T, typename U>
void printPair(T a, U b)
{
	std::cout << a << ", " << b << std::endl;
}
 
printPair(1, "hello"); // T = int, U = const char*

클래스 템플릿 (Class Template)

클래스도 템플릿으로 작성해서 여러 타입에 대해 동작하는 자료구조를 만들 수 있다.

template <typename T>
class Stack
{
public:
	void push(const T& value);
	T pop();
	bool isEmpty() const;
 
private:
	std::vector<T> mElements;
};

클래스 템플릿을 사용할 때는 타입을 명시적으로 지정해야 한다 (함수 템플릿과 달리 인자로부터 추론할 수 없기 때문).

Stack<int> intStack;
Stack<std::string> stringStack;

멤버 함수를 클래스 밖에서 정의

멤버 함수를 클래스 정의 밖에서 구현할 때는 template 선언과 Stack<T>:: 형태의 범위 지정이 매번 필요하다.

template <typename T>
void Stack<T>::push(const T& value)
{
	mElements.push_back(value);
}
 
template <typename T>
T Stack<T>::pop()
{
	T top = mElements.back();
	mElements.pop_back();
	return top;
}

기본 템플릿 인자

함수의 디폴트 인자처럼, 템플릿 매개변수에도 기본값을 지정할 수 있다.

template <typename T = int>
class Container
{
	T mValue;
};
 
Container<> c; // T = int, 기본값 사용

템플릿 특수화 (Template Specialization)

특정 타입에 대해서는 일반적인 템플릿과 다르게 동작해야 할 때 특수화를 사용한다.

전체 특수화 (Full Specialization)

template <typename T>
class Formatter
{
public:
	std::string format(T value) { return std::to_string(value); }
};
 
// bool 타입에 대한 전체 특수화
template <>
class Formatter<bool>
{
public:
	std::string format(bool value) { return value ? "true" : "false"; }
};

Formatter<bool> 을 사용하면 일반 템플릿 대신 특수화된 버전이 선택된다.

함수 템플릿도 동일한 방식으로 전체 특수화할 수 있다.

template <typename T>
void printType() { std::cout << "generic" << std::endl; }
 
template <>
void printType<int>() { std::cout << "int" << std::endl; }

부분 특수화 (Partial Specialization)

템플릿 매개변수 중 일부만 고정하는 부분 특수화는 클래스 템플릿에만 사용할 수 있다 (함수 템플릿은 불가능).

template <typename T, typename U>
class Pair
{
	// 일반적인 경우
};
 
// U가 항상 int인 경우로 부분 특수화
template <typename T>
class Pair<T, int>
{
	// T, int 조합에 대한 특수화
};
 
// 두 타입이 포인터인 경우로 부분 특수화
template <typename T, typename U>
class Pair<T*, U*>
{
	// 포인터 조합에 대한 특수화
};

Non-type 템플릿 매개변수

타입이 아니라 값을 템플릿 매개변수로 받을 수도 있다. 대표적으로 std::array 의 크기가 이 방식으로 구현되어 있다.

template <typename T, std::size_t N>
class FixedArray
{
public:
	T& operator[](std::size_t index) { return mData[index]; }
 
private:
	T mData[N];
};
 
FixedArray<int, 10> arr; // N = 10

Non-type 매개변수로는 정수, 열거형, 포인터, 참조 등 컴파일 타임에 값이 결정되는 타입만 사용할 수 있다.

헤더에 구현까지 작성해야 하는 이유

템플릿은 실제로 사용되는 타입이 정해져야 컴파일러가 코드를 생성할 수 있다 (암시적 인스턴스화). 그래서 템플릿 함수/클래스의 구현을 .cpp 파일에 분리해두면, 다른 .cpp 파일에서 그 템플릿을 사용할 때 링커가 실제 구현을 찾지 못해 링크 에러가 발생한다.

이런 이유로 템플릿은 보통 선언과 구현을 모두 헤더 파일에 작성한다.

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