C++要笑着学：函数模板 - 哦哟谢天谢地了
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写在前面
我是柠檬叶子C，首先要说的是 —— 我们的《C++要笑着学》排版升级了！阅读体验更上一层楼，强烈建议电脑端阅读！本章将正式开始介绍C++中的模板，为了能让大家更好地体会到用模板多是件美事！我们将会举例说明，大家可以试着把自己带入到文章中，跟着思路去阅读和思考，真的会很有意思！如果你对网络流行梗有了解，读起来将会更有意思！
Ⅰ. 泛型编程
0x00 引入 - 通用的交换函数
在C语言中，我们实现两数交换，不用花的方法（异或啥的），中规中矩的写法是通过 tmp 交换。
比如我们这里想交换 变量a 和 变量b 的值，我们可以写一个 Swap 函数：
void Swap(int* px, int* py) {
int tmp = *px; // 创建临时变量，存储a的值
*px = *py; // 将b的值赋给a
*py = tmp; // 让b从tmp里拿到a的值
}
int main(void)
{
int a = 0, b = 1;
Swap(&a, &b); // 传址
return 0;
}
变量a 和 变量b 是整型，如果现在有了是浮点型的 变量c 和 变量d，
还可以用我们这个整型的 Swap 函数交换吗？
void Swap(int* px, int* py) {
int tmp = *px;
*px = *py;
*py = tmp;
}
int main(void)
{
int a = 0, b = 1;
double c = 1.1, d = 2.2; // 浮点型
Swap(&a, &b);
Swap(&c, &d);
return 0;
}
似乎不太行，因为我们实现的 Swap 函数接受的是整形数据，这里传的是浮点数了。
我们可以再写一个浮点数版本的 Swap 函数…… 叫 SwapDouble
void SwapDouble(double* px, double* py) {
double tmp = *px;
*px = *py;
*py = tmp;
}不错，问题是解决了。但是我现在又出现了字符型的 变量e 和 变量f 呢？
……
那我现在又出现了各种乱七八糟的类型呢？
SwapInt、SwapDouble、SwapChar 真是乱七八糟的，
❓ 能不能实现一个通用的 Swap 函数呢？
那我们不用C语言了！我们用C++，C++里面不是有 函数重载 嘛！
用C++我们还能用引用的方法交换呢，直接传引用，取地址符号都不用打了，多好！
test.cpp：
于是咔咔咔，改成了C++之后 ——
void Swap(int& rx, int& ry) {
int tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
void Swap(double& rx, double& ry) {
double tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
void Swap(char& rx, char& ry) {
char tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
int main(void)
{
int a = 0, b = 1;
double c = 1.1, d = 2.2;
char e = 'e', f = 'f';
Swap(a, b);
Swap(c, d);
Swap(e, f);
return 0;
}
场面一度尴尬……
好像靠函数重载来调用不同类型的 Swap，只是表面上看起来 "通用" 了 ，
实际上问题还是没有解决，有新的类型，还是要添加对应的函数……
❌ 用函数重载解决的缺陷：
① 重载的函数仅仅是类型不同，代码的复用率很低，只要有新类型出现就需要增加对应的函数。
② 代码的可维护性比较低，一个出错可能导致所有重载均出错。
哎！要是能像做表情包那样简单就好了……
你看我做表情，有些是可以靠模板去制作的，比如这种 "狂粉举牌" 表情：
链接： 鹏哥C语言从入门到精通（视频教程） 
这就是模板！如果在C++中也能够存在这样一个模板该有多好？
就像这里，只要在板子上写上名字（类型），
就可以做出不同的 "举牌表情"（生成具体类型的代码）。
那将会节省很多头发！
巧妙的是！C++里面有这种神器！
而且大佬已经把神器打造好了，你只要学会如何使用就能爽到飞起！
下面让我们开始函数模板的学习！在这之前我们再来科普一下什么是泛型编程。
0x01 什么是泛型编程
泛型，就是针对广泛的类型的意思。
泛型编程： 编写与类型无关的调用代码，是代码复用的一种手段。 模板是泛型编程的基础。
Ⅱ. 函数模板
0x00 函数模板的概念
上面我们提到了 "神器" ，现在我们来学会如何去使用它，我们先来介绍一下概念。
函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，
在使用时被参数化，根据实参类型产生函数的特定类型版本。
0x01 函数模板格式
template
返回值类型 函数名(参数列表){}
① template 是定义模板的关键字，后面跟的是尖括号 < >
② typename 是用来定义模板参数的关键字
③ T1, T2, ..., Tn 表示的是函数名，可以理解为模板的名字，名字你可以自己取。
就像这个表情包模板，我给他取名为 "狂粉举牌" 表情。
解决刚才的问题：
① 我们来定义一个叫 Swap 的函数，我们这不给具体的类型：
void Swap();② 然后在它的前面定义一个具体的类型：
template // template +
void Swap(); ③ 这时候，我们就可以用这个模板名来做类型了：
template // 模板参数列表 ———— 参数类型
void Swap(T& rx, T& ry) { // 函数参数列表 ———— 参数对象
T tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
这，就是函数模板！虽然参数的名字我们可以自己取 （你写成 TMD 也没人拦你
）
但是我们一般喜欢给它取名为 T，因为 T 代表 Type（类型），
有些地方也会叫 TP、TY、X ，或者 KV结构（key-value-store）我们还会给它取名为 KING，
当然，如果你需要多个类型，也是可以定义多个类型的：
template注意事项：
① 函数模板不是一个函数，因为它不是具体要调用的某一个函数，而是一个模板。就像 "好学生"，主体是学生，"好" 是形容 "学生" 的；这里也一样，"函数模板" 是模板，所以 函数模板表达的意思是 "函数的模板" 。所以，我们一般不叫它模板函数，应当叫作函数模板。
"函数模板不是一个实在的函数，编译器不能为其生成可执行代码。定义函数模板后只是一个对函数功能框架的描述，当它具体执行时，将根据传递的实际参数决定其功能。" —— 《百度百科》
② 我们在用 template< > 定义模板的时候，尖括号里的 typename 其实还可以写成 class：
template // 使用class充当typename （具体后面会说）
void Swap(T& rx, T& ry) {
T tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
现在我们把完整的代码跑一下看看：
template
void Swap(T& rx, T& ry) {
T tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
int main(void)
{
int a = 0, b = 1;
double c = 1.1, d = 2.2;
char e = 'e', f = 'f';
Swap(a, b);
Swap(c, d);
Swap(e, f);
return 0;
} 
（代码成功运行）
调试，打开监视看看是否都成功交换了：
搞定！我们使用模板成功解决了问题，实现了通用的 Swap 函数！
如果是自定义类型，函数里面就要是拷贝构造，你要实现好就行。
因为 T 没有规定是什么类型，所以任意类型都是可以的，内置类型和自定义类型都可以的。
真是太香了！这，就是模板！
0x02 模板函数的原理
❓ 思考：这下面三个调用调用的是同一个函数吗？
不是同一个函数。这三个函数执行的指令是不一样的，你可以这么想，
它们都需要建立栈帧，栈帧里面是要开空间的，你就要给 rx 开空间，
rx 的类型都不一样（double int char）。所以当然调用的不是同一个函数了。
我们来思考一下模板函数的原理是什么。
比如说我现在想把杜甫写的《登高》做出一万份出来，怎么做？
最后我们传递出去的也不是印诗的模具，而是印出来的纸，
不管是手抄还是印刷，传递出去的都是纸。
所以我们再来看这里的代码：
template
void Swap(T& rx, T& ry) {
T tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
}
int main(void)
{
int a = 0, b = 1;
double c = 1.1, d = 2.2;
char e = 'e', f = 'f';
Swap(a, b);
Swap(c, d);
Swap(e, f);
return 0;
}
和上面说的一样，我们不会把印诗的模具传递出去，而是印出来的纸，
所以这里调用的当然不是模板，而是这个模板造出来的东西。
而函数模板造出 "实际要调用的" 的过程，叫做模板实例化。
编译器在调用之前会干一件事情 —— 模板实例化。
我们下面就来探讨一下模板实例化。
Ⅱ. 函数模板实例化
0x00 引入：这些不同类型的Swap函数是怎么来的
int a = 0, b = 1;
Swap(a, b);编译器在调用 Swap(a, b) 的时候，发现 a b 是整型的，编译器就开始找，
虽然没有找到整型对应的 Swap，但是这里有一份模板 ——
template // 大家好我是模板，飘过~
void Swap(T& rx, T& ry) {
T tmp = rx;
rx = ry;
ry = tmp;
} 这里要的是整型，编译器就通过这个模板，推出一个 T 是 int 类型的函数。
这时编译器就把这个模板里的 T 都替换成 int，生成出一份 T 是 int 的函数。
char e = 'e', f = 'f';
Swap(e, f);一样的，如果要调用 Swap(e, f) ，e f 是字符型，编译器就会去实例化出一个 char 的。
你调的函数还是那些函数，只是你写一份模板出来，让编译器去用模板生成那些函数。
前面注意事项那里我们说过，函数模板本身不是函数。
它是是编译器使用方式产生特定具体类型函数的模具，在编译器编译阶段，
对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演，生成对应类型的函数以供调用。
比如：当用 double 类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，
将 T 确定为 double 类型，然后产生一份专门处理 double 类型的代码，对于字符类型也是如此。
0x01 转到反汇编观察
我们刚才调试的时候在监视窗口已经看到了，它们的值成功交换了。
现在我们再调试一次，这次转到反汇编，去验证一下编译器通过模板生成函数这件事：
0x01 模板实例化的定义
模板将我们本来应该要重复做的活，交给了编译器去做。
编译器不是人，它不会累，让编译器拿着模板实例化就完事了。
用手搓衣服舒服，还是用洗衣机洗舒服？
自己手写舒服，还是编译器自己去生成舒服？
用不同类型的参数使用模板参数时，成为函数模板的实例化。
模板参数实例化分为：隐式实例化 和 显式实例化 ，下面我们来分别讲解一下这两种实例化。
0x02 模板的隐式实例化
定义：让编译器根据实参，推演模板函数的实际类型。
我们刚才讲的 Swap 其实都是隐式实例化，就是让编译器自己去推。
现在我们再举一个 Add 函数模板做参考：
#include
using namespace std;
template
T Add(const T& x, const T& y) {
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
cout << Add(a1, a2) << endl;
cout << Add(d1, d2) << endl;
return 0;
}
❓ 现在思考一个问题，如果出现 a1 + d2 这种情况呢？实例化能成功吗？
Add(a1, d2);
这必然是失败的， 因为会出现冲突。一个要把它实例化成 int ，一个要把它实例成 double，
解决方式
① 传参之前先进行强制类型转换，非常霸道的解决方式：
template
T Add(const T& x, const T& y) {
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
cout << Add(a1, a2) << endl;
cout << Add(d1, d2) << endl;
cout << Add((double)a1, d2) << endl;
return 0;
} 
② 写两个参数，那么返回的参数类型就会起决定性作用：
#include
using namespace std;
template
T1 Add(const T1& x, const T2& y) { // 那么T1就是int，T2就是double
return x + y; // 范围小的会像范围大的提升，int会像double "妥协"
} // 最后表达式会是一个double，但是最后返回值又是T1，是int，又会转
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
cout << Add(a1, d2) << endl; // int，double
return 0;
} 
当然，这种问题严格意义上来说是不会用多个参数来解决的，
这里只是想从语法上演示一下，我们还有更好地解决方式，我们继续往下看。
③ 我们还可以使用 "显式实例化" 来解决：
Add(a1, d2); // 指定实例化成int
Add(a1, d2) // 指定实例化成double 
我们下面先来详细介绍一下显式实例化，然后再回来看看它是如何解决的。
0x03 模板的显式实例化
定义：在函数名后的 < > 里指定模板参数的实际类型。
简单来说，显式实例化就是在中间加一个尖括号 < > 去指定你要实例化的类型。
（在函数名和参数列表中间加尖括号）
函数名 <类型> (参数列表);代码：解决刚才的问题
template
T Add(const T& x, const T& y) {
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
double d1 = 10.1, d2 = 20.2;
cout << Add(a1, a2) << endl;
cout << Add(d1, d2) << endl;
cout << Add(a1, d2) << endl; // 指定T用int类型
cout << Add(a1, d2) << endl; // 指定T用double类型
return 0;
}
运行结果：
解读：
像第一个 Add<int>(a1, a2) ，a2 是 double，它就要转换成 int 。
第二个 Add<double>(a1, a2)，a1 是 int，它就要转换成 double。
这种地方就是类型不匹配的情况，编译器会尝试进行隐式类型转换。
像 double 和 int 这种相近的类型，是完全可以通过隐式类型转换的。
如果无法成功转换，编译器将会报错。
总结：
函数模板你可以让它自己去推，但是推的时候不能自相矛盾。
你也可以选择去显式实例化，去指定具体的类型。
0x04 模板参数的匹配原则
我们还是用刚才的 Add 函数模板来举例，现在我需要对整型的 a1 和 a2 进行加法操作：
template
T Add(const T& x, const T& y) {
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
cout << Add(a1, a2) << endl;
return 0;
} 
我们是通过这个 Add 函数模板，生成 int 类型的加法函数的。
如果我们有一个现成的、专门用来处理 int 类型加法的函数：
// 专门处理int的加法函数
int Add(int x, int y) {
return x + y;
}
// 通用加法函数
template
T Add(const T& x, const T& y) {
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
cout << Add(a1, a2) << endl;
return 0;
} ❓ 思考：如果你是编译器，当 Add(a1, a2) 时你会选择用哪一个？
是用函数模板印一个 int 类型的 Add 函数，还是用这现成的 Add 函数呢？
我们继续往下看……
匹配原则：
① 一个非模板函数可以和一个同名的模板函数同时存在，
而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数：
// 专门处理int的加法函数
int Add(int x, int y) {
cout << "我是专门处理int的Add函数: ";
return x + y;
}
// 通用加法函数
template
T Add(const T& x, const T& y) {
cout << "我是模板参数生成的: ";
return x + y;
}
int main(void)
{
int a1 = 10, a2 = 20;
cout << Add(a1, a2) << endl; // 默认用现成的，专门处理int的Add函数
cout << Add(a1, a2) << endl; // 指定让编译器用模板，印一个int类型的Add函数
return 0;
} 
② 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，
在调用时会优先调用非模板函数，而不会从该模板生成一个实例。
如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模板。
// 专门处理int的加法函数
int Add(int x, int y) {
cout << "我是专门处理int的Add函数: ";
return x + y;
}
// 通用加法函数
template
T1 Add(const T1& x, const T2& y) {
cout << "我是模板参数生成的: ";
return x + y;
}
int main(void)
{
cout << Add(1, 2) << endl; // 用现成的
//（与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化）
cout << Add(1, 2.0) << endl; // 可以，但不是很合适，自己印更好
//（模板参数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生产更加匹配的Add函数）
return 0;
} 
Ⅳ. 类模板
0x00 引入：和本篇开头本质上是一样的问题
就比如 Stack，如果我们定它是 int，那么它就是存整型的栈：
class Stack {
public:
Stack(int capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new int[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
private:
int* _arr;
int _top;
int _capacity;
};❓ 如果我想改成存 double 类型的栈呢？
当时我们在讲解数据结构的时候，是用 typedef 来解决的。
typedef int STDataType;
class Stack {
public:
Stack(STDataType capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new int[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
private:
STDataType* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
如果需要改变栈的数据类型，直接改 typedef 那里就可以了。
这依然是治标不治本，虽然看起来就像是支持泛型一样，
它最大的问题是不能同时存储两个类型，你就算是改也没法解决：
int main(void)
{
Stack st1; // 存int数据
Stack st2; // 存double数据
return 0;
}你只能做两个栈，如果需要更多的数据类型……
那就麻烦了，你需要不停地CV做出各种数据类型版本的栈：
class StackInt {...};
class StackDouble {...};
……这和文章开头提到的问题（Swap）本质上是一个问题，就是不支持泛型。
它们类里面的代码几乎是完全一样的，只是类型的不同。
函数我们可以使用模板，类也是可以的，我们下面就来讲解一下类模板。
0x01 类模板的定义格式
定义：和函数模板的定义方式是一样的，template 后面跟的是尖括号 < > ：
template
class 类模板名 {
类内成员定义
} 代码：解决刚才的问题
template
class Stack {
public:
Stack(T capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new T[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
private:
T* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
int main(void)
{
Stack st1; // 存储int
Stack st2; // 存储double
return 0;
} 
但是我们发现，类模板他好像不支持自动推出类型，
它不像函数模板，不指定它也可以根据传入的实参去推出对应的类型的函数以供调用。
函数模板之所以能推，是因为有实参传形参这么一个 "契机" ，让编译器能帮你推。
你定义一个类，它能推吗？没这个能力你知道吧！
所以这里只支持显示实例化，我们继续往下看。
0x02 类模板实例化
基于上面的原因，我们想要对类模板实例化，我们可以使用显示实例化。
类模板实例化在类模板名字后跟 < >，然后将实例化的类型放在 < > 中即可。
类名 <类型> 变量名;代码演示：解决刚才的问题
template
class Stack {
public:
Stack(T capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new T[capacity];
}
~Stack() {
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
private:
T* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
int main(void)
{
Stack st1; // 指定存储int
Stack st2; // 指定存储double
return 0;
} 注意事项：
① Stack 不是具体的类，是编译器根据被实例化的类型生成具体类的模具。
template
class Stack {...}; 类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。
② Stack 是类名，Stack<int> 才是类型：
Stack s1;
Stack s2; 0x03 类外定义类模板参数
❓ 思考问题：下面的 Push 为什么会报错？
template
class Stack {
public:
Stack(T capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new T[capacity];
}
// 这里我们让析构函数放在类外定义
void Push(const T& x);
~Stack();
private:
T* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
/* 类外 */
void Stack::Push(const T& x) { ❌
...
} 解答：
① Stack 是类名，Stack
② 类模板中的函数在类外定义，没加 "模板参数列表" ，编译器不认识这个 T 。类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表。
这段代码第一个问题是没有拿 Stack<T> 去指定类域，
最大问题其实是编译器压根就不认识这个T！
即使你用拿类型 Stack<T> 指定类域，编译器也一样认不出来：
我们拿析构函数 ~Stack 来演示一下：
template
class Stack {
public:
Stack(T capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new T[capacity];
}
// 这里我们让析构函数放在类外定义
~Stack();
private:
T* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
/* 类外 */
Stack::~Stack() { ❌ // 即使是指定类域也不行
...
}
代码演示：我们现在来看一下如何添加模板参数列表！
template
class Stack {
public:
Stack(T capacity = 4)
: _top(0)
, _capacity(capacity) {
_arr = new T[capacity];
}
// 这里我们让析构函数放在类外定义
~Stack();
private:
T* _arr;
int _top;
int _capacity;
};
// 类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
template
Stack::~Stack() { // Stack是类名，不是类型！ Stack 才是类型，
delete[] _arr;
_arr = nullptr;
_capacity = _top = 0;
}
这样编译器就能认识了。
本章完！
文章信息
[ 笔者 ] 王亦优
[ 更新 ] 2022.4.8
❌ [ 勘误 ] 暂无
[ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
参考资料
Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .
. C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/.
百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]. .