C++模板初阶——函数模板与类模板
文章目录
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- 泛型编程
- 函数模板
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- 函数模板概念
- 函数模板格式
- 函数模板的原理
- 函数模板的实例化
- 模板参数的匹配原则
- 类模板
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- 类模板的定义格式
- 类模板的实例化
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泛型编程
如果说现在要我们实现一个函数用于交换两个数的值。
在C语言中我们一般是这样来实现的：
void Swapi(int* p1, int* p2)
{
int temp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = temp;
}
void Swapd(double* p1, double* p2)
{
double temp = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = temp;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
Swapi(&a, &b);
double c = 1.1, d = 2.2;
Swapd(&c, &d);
return 0;
}
因为C语言不支持函数重载，因此实现的不同类型的交换函数不能够同名，而C++支持函数重载，因此就不需要像C语言那样去修改函数名。并且我们在前面学习了引用之后，也就不需要像上面那样必须传地址，我们还可以传引用。因此我们就可以向下面这样来实现交换函数：
void Swap(int& p1, int& p2)
{
int temp = p1;
p1 = p2;
p2 = temp;
}
void Swap(double& p1, double& p2)
{
double temp = p1;
p1 = p2;
p2 = temp;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
Swap(a, b);
double c = 1.1, d = 2.2;
Swap(c, d);
return 0;
}
使用函数重载虽然可以实现，但是有以下几个不好的地方：
1.重载的函数仅仅只是类型不同，代码复用率比较低，代码的冗余度比较高，只要有新类型出现时，就需要增加对应的函数
2.代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。
那么能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生产代码呢？
如果在C++中，也能够存在这样的一个模具，通过给这个模具中填充不同的材料(类型)，来获得不同的铸件(生成具体类型的代码)，那对于调用像Swap这种经常会用的函数就会方便很多。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在次乘凉。
泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。
函数模板
函数模板概念
函数模板代表了一个函数的家族，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。
函数模板格式
template
函数值类型 函数名(参数列表){}
下面我们通过代码来看一下函数模板吧
//函数模板
template<class T> //Type
//template //定义模板参数T可以用typename，也可以用class，都一样
void Swap(T& x1, T& x2)
{
T temp = x1;
x1 = x2;
x2 = temp;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
cout << "a:" << a << " ";
cout << "b:" << b << endl;
Swap(a, b);
cout << "a:" << a << " ";
cout << "b:" << b << endl;
return 0;
}
注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct来代替class)
函数模板的原理
我们都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。本质是什么？重复的工作交给了机器去完成。有人给出了论调：懒人创造世界。
函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。所以模板的本质就是将本来应该我们左的重复的事情交给了编译器去做。
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。
函数模板的实例化
用不同类型的参数使用函数模板时，称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。
一、隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
return left + right;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
double c = 1.1, d = 2.2;
//编译器会通过实参推形参的类型T分别是int和double
//这种方式是隐式实例化
cout << Add(a, b) << endl;
cout << Add(c, d) << endl;
return 0;
}
上面两个调用Add函数的地方是调的同一个函数还是两个函数？怎么查看？
答案是两个，通过反汇编来看他们的地址
需要注意的是：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作，因此下面这段代码就会编译不通过。
int main()
{
int a = 1, b = 2;
double c = 1.1, d = 2.2;
int ret = Add(a,c);
return 0;
}
为什么呢？这是因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型。通过实参a将T推演为int，通过实参c将T推演为double类型，但是模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处到底该将T确定为int还是double类型而报错。
那么像上面的这种问题有没有什么解决方式呢？
方式1：通过用户自己来强制转化
int main()
{
int a = 1, b = 2;
double c = 1.1, d = 2.2;
int ret = Add(a,(int)c);
return 0;
}
方式2：使用显示实例化
二、显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型
int main()
{
int a = 1, b = 2;
double c = 1.1, d = 2.2;
//不让编译器推演类型，显式指定类型
//这种方式叫做显示实例化
cout << Add<int>(a, c) << endl;
cout << Add<double>(a,c) << endl;
return 0;
}
**注意：**使用显示实例化时，如果传入的参数类型与模板参数类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。
模板参数的匹配原则
- 一个非模板函数可以和一个同名的模板函数同时存在，而且该模板函数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 left, int right)
{
return left + right;
}
//通用加法函数
template<class T1>
T1 Add(T left, T right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1,2); 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
Add<int>(1,2);//调用编译器特化的Add版本
}
- 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，而不会从该模板产生出一个实例。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。
讲得通俗一点就是：如果家里做饭了就吃家里面的饭，如果家里面没做饭但是家里面还有其他吃的比如泡面等等就吃泡面。家里面没做饭又没泡面等其他吃的，并且外卖的味道还可以那么我们就点外卖吃。
//专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
//通用加法函数
template<class T1,class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
return left + right;
}
//一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在
//模板调用，有现成匹配函数，绝对不去实例化模板
//有更匹配的，优先匹配类型最合适的
int main()
{
Add(1, 2);//与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
Add(1, 2.0);//模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
}
- 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换
typename<typename T>
T Add(const T& x,const T& x)
{
return x+y;
}
int main()
{
int ret = Add(2,2.2);//模板函数不允许自动类型转换，不能够通过编译
return 0;
}
类模板
类模板的定义格式
template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
//类内成员定义
};
下面我们来看看类模板的代码
//类模板
namespace mlf
{
// 注意：Vector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 T>
class vector
{
public:
vector()
:_a(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{}
~vector()
{
delete[] _a;
_a = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
void push_back(const T& x)
{
if (_size == _capacity)
{
int newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
T* tmp = new T[newcapacity];
if (_a)
{
memcpy(tmp, _a, sizeof(T)*_size);
delete[] _a;
}
_a = tmp;
_capacity = newcapacity;
}
_a[_size] = x;
++_size;
}
private:
T* _a;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
**注意：**类模板中函数放在类外进行定义时，需要加模板参数列表
//类模板
namespace mlf
{
template<class T>
class vector
{
public:
vector()
:_a(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{}
~vector()
{
delete[] _a;
_a = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
void push_back(const T& x)
{
if (_size == _capacity)
{
int newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
T* tmp = new T[newcapacity];
if (_a)
{
memcpy(tmp, _a, sizeof(T)*_size);
delete[] _a;
}
_a = tmp;
_capacity = newcapacity;
}
_a[_size] = x;
++_size;
}
//读+写
T& operator[](size_t pos);
size_t size();
private:
T* _a;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
// 模板不支持分离编译，也就是声明在.h ,定义在.cpp
// 建议就是定义在一个文件 xxx.h xxx.hpp
// 在类外面定义
template<class T>
T& vector<T>::operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _a[pos];
}
template<class T>
size_t vector<T>::size()
{
return _size;
}
}
类模板的实例化
类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后面跟<>，然后将实例化的类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。
//Stack不是真正的类，Stack和Stack才是真正的类
Stack<int>s1;
Stack<double>s2;
**注意：**类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。