C++模板设计 包看不包会，看了不后悔

模板

• 模板 Template是代码重用机制的重要工具
• 泛型技术：与数据类型无关的程序设计技术，是概念级的通用程序方法
• 模板将算法设计从具体数据类型中分离，设计出独立于数据类型的通用模板程序
• 模板有函数模板和类模板

C++模板

• 在C中，可以使用宏定义来泛化设计函数，但是不进行类型检查，容易出错
• 使用template关键字定义模板，在<>中用typename或class声明模板类型
• <>中的参数被称为模板参数，可以是类型参数（用typename和class声明）和非类型参数（确定的数据类型）
• 非类型模板参数必须是整数类型（包括枚举）、对象、函数指针，或者是指向外部变量的指针
• 与普通函数与类的接口实现分离的分文件存放方式不同，模板类和函数必须将定义和声明放在同一文件内
• 编译模板时，编译器必须知道模板的确切定义，模板函数和类的定义通常（对于大多数编译器而言）保存在同一头文件中（.hpp）
• 编译器有两种模式，包含和分离编译模式，其中分离模式中模板定义会有一个export参数告知编译器该模板实例在生成时定义必须可见，但并不是所有编译器都支持该模式
• 大部分编译器使用包含模式，此时编译器一次只能处理一个cpp

函数模板

• 函数模板由编译器在其调用时确定模板类型的具体类型
• 模板类型可以用来定义函数的返回值、形参、局部变量
• 在遇到函数模板定义时，编译器不会生成对应代码，直到调用时进行代码生成
• 编译器只生成一次同类型的函数定义，第二次遇到相同类型直接调用
• 每个模板类型在函数被调用时必须能够被推导（根据参数类型判断或直接显式指定）
• 如果不能进行推导，编译器会无法得知应该生成的函数定义，产生错误
• 模板定义后需紧跟函数声明，一个模板可以有多个类型参数
• 与一般函数参数传递不同，模板函数在调用时不会进行隐式类型转换，可能引发类型不明确的错误
• 如：函数有多个参数为T类型，调用时参数接收了1（int）和1.0（double），无法明确模板类型

template void fn2(T t1, T t2);
// 模板参数不进行隐式类型转换，类型不明确
    // fn2(1, 1.0);
    // fn2(1, 1.0);            // 可能丢失精度的操作
    fn2(1, 1.0);
    fn2(double(1), double(1.0));

• 可以通过对参数进行显式转换，或在调用时显式指定模板类型解决这一问题
• 小技巧：将函数赋值为delete，可以禁用对该函数的调用，通常可以用来避免隐式类型转换

void fn(int a){...}
void fn(double a) = delete;
fn(1.0);    // 该调用将被阻止

• 非类型模板参数只能是整数类型（包括枚举）、对象、函数指针和指向外部变量的指针

template void fn3(T t1);

• 在调用函数时，只能向非类型模板参数传递常值，不能传递变量，并且非类型模板参数必须接受值（包括默认值）

template void fn3(T t1);
// 不能向模板参数传递变量
    int i = 0;
    // fn3(i);
    fn3(i);

• 模板参数遵循一般的作用域规则，但是不能在函数内重用模板参数名

template void fn3(T t1)
{
    // 编辑器不会报错，注意
    // 不能重用模板参数名
    int i = 0;
    int T = 0;
}

类模板

• 类模板用来处理机构和成员函数相同，但成员具体数据类型不同的类型
• 类模板的定义必须紧跟模板定义，中间不能有其他代码

// 抽象类MyStack
template
class MyStack
{
private:
    T value;
    T* top;
public:
    virtual void init() = 0;
    virtual void push(T v) = 0;
    virtual T pop() = 0;
};

• 如果类模板有一个非类型模板参数，必须在使用（包括实例化与成员对象、派生类负责基类初始化）时对其传递值，或使用默认值

template
class MyStack
{
    ...
};

• 在用类外用模板声明成员函数时，必须将模板声明放在函数名前，类作用域限定符后
• 等于需要再声明一次模板参数列表，以告知编译器成员函数所属的类是一个模板类
• 且模板类的声明和定义都必须在同一个.h或.hpp中，防止实例化时编译器出错

template
void MyStack::fn()
{
}

• 类模板实例化包括模板实例化和成员函数实例化
• 类模板在实例化对象时必须为所有模板参数显式指定类型，如使用STL的vector

// 必须为模板类指定模板参数的类型
    vector iv;

• 编译器在实例化对象时才会处理类模板参数，所做的操作等同于将代码中所有类型参数替换成推导的参数，将所有非类型参数替换为指定的值，但是不会实例化模板成员函数

可变参数函数模板

• C++11提供了一种可变参数的模板函数，其参数类型和个数都可不确定
• 可变参数函数模板只能用于模板函数，对于普通函数需要引入头文件stdarg.h或cstdarg并进行相关操作
• 可变参数模板函数必须有两个模板参数，其中第二个需要用省略号...args书写，调用时使用后缀形式args...
• 可变参数模板函数实质上是一种递归，首先执行函数，接收所有参数中的第一个参数
• 然后将剩余参数...args中的第一个参数在调用函数时传入
• 因此，为了结束递归，通常需要有一个只有一个模板参数的普通模板函数作为递归结束的函数
• 这个普通的模板函数是对可变参数模板函数的重载，因此需要在可变参数模板函数之前被定义，否则无法结束递归

// 此函数将在...args只剩下一个参数时被调用，参数个数1与之匹配
template
void fn(T a)
{
    cout << a << endl;
}

// 此函数在...args的参数个数>=2时被调用
template
void fn(T a,TR ...args)     // 声明函数原型时使用前缀
{
    cout << a << endl;
    // 必须在内部递归，否则只会使用第一个参数
    fn(args...);                // 调用时使用后缀
}

模板特化

• 在一些情况下，部分类型可能因为有不同的运算符或其他函数定义而导致模板函数中的运行过程出现问题
• 此时，可以为这些特定的类型定义特殊的模板，称为模板特化
• 模板特化是一种重载，在声明特化模板时，将需要特化的模板参数从<>移除，并在使用的位置用具体类型说明
• template<>在其中没有模板参数时也需要保留，声明其为模板特化

template
void fn(T t)
{
    cout << "normal type" << endl;
}
template<>              // 移出模板参数列表
void fn(char t)     // 在原来使用模板参数的地方使用具体类型
{
    cout << "T is char" << endl;
}

int main()
{
    fn(1);          // normal type
    fn('c');        // T is char
}

模板设计常见注意点

• 对于内联的模板函数和模板成员函数，inline和constexpr要放在模板定义之后

template inline void fn(T t1);
template constexpr void fn(T t1);

• C++11后可以为模板参数指定默认值，且其右侧其他模板参数都应该有默认值

template void fn3(T t1);

• 用模板定义的类的成员函数称为成员模板，成员模板不能是虚函数，虚函数的个数需要在编译时就确定
• 模板函数可以被重载，重载规则与一般函数重载相同，要有不同的参数列表（包括模板参数列表）
• 模板参数并不一定在所有类型下都可正常运行，此时可以用普通函数对其重载，确保功能正常（注意声明顺序）
• 模板参数调用有特定顺序：
  1. 普通函数
  2. 特化模板函数
  3. 普通模板函数
• C++的函数在调用时会尝试匹配最佳的函数，并可能发生参数的隐式类型转换，对于模板函数，只会发生如下两种：
  1. 非const类型的实参传递给const类型的形参
  2. 数组或引用类型的实参转换成指针类型的形参，如数组名或其引用会转换成数组首地址