1.模板观念与函数模板

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课程内容

• Part1 C++模板简介(An Introduction to C++ Template)
• Part2 泛型编程(Generic Programming)
• Part3 容器(Containers)
• Part4 一些进阶问题(Some Advanced Topic)

Part1 C++模板简介

• C++模板概观(Overview)
• C++函数模板(Function Template)
• C++类模板(Class Template)
• C++操作符重载(Operator Overloading)

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C++模板概观(1)

• 模板(Templates)是C++的一种特性，允许函数或类（对象）通过泛型(generic types)的形式表现或运行
• 模板可以使得函数或类在对应不同的型别(types)的时候正常工作，而无需为每一个型别都写一份代码
• 一个简单的例子：
• 如果要写一个取两个数中较大值的函数Max，在不使用模板的情况下，我们不得不针对不同的型别（比如int,long,char）提供每一种型别的重载：

int Max(int a, int b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

long Max(long a, long b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

char Max(char a, char b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

C++模板概观(2)

• 一个简单的例子（续）
• 如果使用模板，则可以省去一堆亢余代码，从而将函数原型缩减到非常简介的表达：

template  T Max(T a, T b)
{
    return (a>b)?a:b;
}

• C++主要有两种类型的模板：
• 类模版(Class template)：使用泛型参数的类(classes with generic parameters)
• 函数模板(Function template)：使用泛型参数的函数(functions with generic parameters)

C++模板概观(3)

• 模板实例化
• 模板的声明(declaration)其实并未给出一个函数或类的完全定义(definition)，只是提供了一个函数或类的语法框架(syntactical skeletion)
• 实例化是指从模板构建出一个真正的函数或类的过程，比如
  template struct Object {...};
  可以用来构建诸如Object，Object，Object>，Object>等等不同型别的具体事例
• 实例化有两种类型：
• 显式实例化-在代码中明确指定要针对哪种型别进行实例化
• 隐式实例化-在首次使用时根据具体情况使用一种合适的型别进行实例化

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C++函数模板(1)

• 什么是函数模板？
• 函数模板是参数化的一族函数(a family of function)
• 通过函数模板，可以定义一系列函数，这些函数都基于同一套代码，但是可以作用在不同型别的参数上

template 
inline T Max(
    const T& a,
    const T& b)
{
    return (a > b) ? a:b;
}

• 定义函数模板
• 定义一个函数模板，返回两数中较大的那个，该函数有两个参数：(a,b)
• 参数型别未定，以模板参数T表示
• 模板参数由关键typename引入

C++函数模板(2)

• 定义函数模板（续）
• 也可以使用class替代typename来定义型别参数
  template inline T Max(const T& a, const T& b) {
  ...}

• 从语法上讲使用class和使用typename没有区别
• 但从语义上，class可能会导致误区，即只有类才能作为型别参数；而事实上T所表达的意思不仅仅只针对类，任何型别都可以
• 请尽量使用typename!
• class可以取代typename，但struct却不可以，以下写法语法上是错误的：
  //this is wrong!!!
  template inline T Max(const T& a, const T& b)
  {
  ...
  }

C++函数模板(3)

• 模板函数的使用
• 调用Max，用int，float，以及std::wstring作为模板参数替换T
• 对于不同的型别，都从模板实例化出不同的函数实体
• 但是不可以使用不同型别的参数来调用Max，因为编译器在编译时已经知道Max函数需要传递的型别

int i = 7, j = 30;
_tprintf(TEXT("Max(i,j) = %d\n"), Max(i,j));

double f = -1.8, g = -0.9;
_tprintf(TEXT("Max(f,g) = %f\n"), Max(f,g));

std::wstring s1 = TEXT("mathematics"), s2 = TEXT("math");
_tprintf(TEXT("Max(s1,s2) = %s\n"), Max(s1,s2).c_str());

Max(i,f);//compile error: template parameter 'T' is ambiguous  

C++函数模板(4)

• 模板实例化
• 用具体型别替代模板参数T的过程叫做实例化(instantiation)；从而产生了一个模板事例
• 一旦使用函数模板，这种实例化过程便由编译器自动触发的，不需要额外去请求模板实例化
• 如果实例化一种型别，而该型别内部并不支持函数所使用的操作，那么就会导致一个编译错误，如下所示：
• std::complex并没有重载“>”，也就是说改型别并不支持使用“>”比较大小，而Max函数使用“>”来判断c1，c2的大小，所以无法通过Max(c1,c2)得到预期的结果
  std::complex c1(1,2), c2(15,16); //编译错误！

C++函数模板(5)

• 结论：模板被编译了两次

1. 没有实例化之前，检查模板代码本身是否有语法错误
2. 实例化期间，检查对模板代码的调用是否合法

C++函数模板(6)

• 参数推导

• 模板参数是有传递给模板函数的实参决定的

• 不允许自动型别转换：每个T必须严格匹配！
  Max(1,2) //OK：两个实参的型别都是int
  Max(1,2.0) //ERROR：第一个参数型别是int，第二个参数型别是double

  • 一般有两种处理这种错误的方法：
    1. 用static_cast或强制转换参数型别以使两者匹配
       Max(static_cast(1), 2.0)
    2. 显式指定T的型别
       Max(1,2.0)

C++函数模板(7)

• 函数模板重载
• 函数模板也可以像普通函数一样被重载
• 非模板函数可以和同名的模板函数共存
• 编译器通过函数模板参数推导来决定使用调用哪个重载

//普通函数
//1
inline int const& Max(const int const& a, const int const& b)

//2
template 
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b)

//3
template 
inline T const& Max(const T const& a, const T const& b, const T const& c)

C++函数模板(8)

函数模板重载(续)

• Max(7, 42, 68)：调用接受三个参数的模板 ————3
• Max(7.0, 42.0)：调用Max （参数推导） ————2
• Max('a', 'b')：调用Max （参数推导） ————2
• Max(7, 42)：调用非模板函数，参数型别为int ————1 其他因素都相同的情况下，重载裁决过程调用非模板函数，而不是从模板产生实例
• Max<>(7, 42)：调用Max （参数推导） ————2 允许空模板参数列表
• Max(7, 42): 调用Max （无需参数推导） ————2
• Max('a', 42.7)：调用非模版函数，参数型别为int ————1 对于型别不同的 参数只能调用非模版函数（char型别'a'和double型别42.7都将转化为int型别）

C++函数模板(9)

• 总结
• 对于不同的实参型别，模板函数定义了一族函数
• 当传递模板实参的时候，函数模板依据实参的型别进行实例化
• 可以显式指定模板的实参型别
• 函数模板可以重载
• 当重载函数模板时，将改变限制在：显式指定模板参数
• 所有的重载版本的声明必须位于它们被调用的位置之前