C++模板详解 —— 函数模板与类模板

泛型编程

 如果让你编写一个函数，用于两个数的交换。在C语言中，我们会用如下方法：

// 交换两个整型
void Swapi(int* p1, int* p2)
{
	int tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swapd(double* p1, double* p2)
{
	double tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;
}

 因为C语言不支持函数重载，所以用于交换不同类型变量的函数的函数名是不能相同的，并且传参形式必须是址传递，不能是值传递。

 而在学习了C++的函数重载和引用后，我们又会用如下方法实现两个数的交换：

// 交换两个整型
void Swap(int& x, int& y)
{
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}
// 交换两个双精度浮点型
void Swap(double& x, double& y)
{
	double tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

 C++的函数重载使得用于交换不同类型变量的函数可以拥有相同的函数名，并且传参使用引用传参，使得代码看起来不那么晦涩难懂。

但是，这种代码仍然存在它的不足之处：
 1、重载的多个函数仅仅只是类型不同，代码的复用率比较低，只要出现新的类型需要交换，就需要新增对应的重载函数。
 2、代码的可维护性比较低，其中一个重载函数出现错误可能意味着所有的重载函数都出现了错误。

 那我们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成相应的代码呢？

 就像做月饼的模子一样，我们放入不同颜色的材料，就能得到形状相同但颜色不同的月饼。
 如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具填充不同颜色的材料(类型)，从而得到形状相同但颜色不同的月饼(生成具体类型的代码)，那将会大大减少代码的冗余。巧的是前人早已将树栽好，我们只需在此乘凉。

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

函数模板的概念

 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。

函数模板的格式

template
返回类型 函数名(参数列表)
{
  //函数体
}

例如：

template<typename T>
void Swap(T& x, T& y)
{
	T tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

注意：typename是用来定义模板参数的关键字，也可以用class代替，但是不能用struct代替。

函数模板的原理

 那么函数模板的底层原理是什么呢？大家都知道，瓦特改良蒸汽机，人类开始了工业革命，解放了生产力。机器生产淘汰掉了很多手工产品。其本质就是将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！
 
马云：世界是懒人创造的

懒不是傻懒，如果你想少干，就要想出懒的方法。要懒出风格，懒出境界。

 函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数。是编译器产生特定具体类型函数的模具。所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器。

 在编译器编译阶段，对于函数模板的使用，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int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int类型，然后产生一份专门处理int类型的代码，对于double类型也是如此。

函数模板的实例化

 用不同类型的参数使用模板时，称为模板的实例化。模板实例化分为隐式实例化和显示实例化。

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

#include 
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	int c = Add(a, b); //编译器根据实参a和b推演出模板参数为int类型
	return 0;
}

特别注意：使用模板时，编译器一般不会进行类型转换操作。所以，以下代码将不能通过编译：

	int a = 10;
	double b = 1.1;
	int c = Add(a, b);

 因为在编译期间，编译器根据实参推演模板参数的实际类型时，根据实参a将T推演为int，根据实参b将T推演为double，但是模板参数列表中只有一个T，编译器无法确定此处应该将T确定为int还是double。
 此时，我们有两种处理方式，第一种就是我们在传参时将b强制转换为int类型，第二种就是使用下面说到的显示实例化。

二、显示实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

#include 
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10;
	double b = 1.1;
	int c = Add<int>(a, b); //指定模板参数的实际类型为int
	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，则编译器将会报错。

函数模板的匹配原则

一、一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这个非模板函数

#include 
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{
	return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = 10, b = 20;
	int c = Add(a, b); //调用非模板函数，编译器不需要实例化
	int d = Add<int>(a, b); //调用编译器实例化的Add函数
	return 0;
}

二、对于非模板函数和同名的函数模板，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，那么选择模板

#include 
using namespace std;
//专门用于int类型加法的非模板函数
int Add(const int& x, const int& y)
{
	return x + y;
}
//通用类型加法的函数模板
template<typename T1, typename T2>
T1 Add(const T1& x, const T2& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = Add(10, 20); //与非模板函数完全匹配，不需要函数模板实例化
	int b = Add(2.2, 2); //函数模板可以生成更加匹配的版本，编译器会根据实参生成更加匹配的Add函数
	return 0;
}

三、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

#include 
using namespace std;
template<typename T>
T Add(const T& x, const T& y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int a = Add(2, 2.2); //模板函数不允许自动类型转换，不能通过编译
	return 0;
}

 因为模板函数不允许自动类型转换，所以不会将2自动转换为2.0，或是将2.2自动转换为2。

类模板

类模板的定义格式

template
class 类模板名
{
  //类内成员声明
};

例如：

template<class T>
class Score
{
public:
	void Print()
	{
		cout << "数学:" << _Math << endl;
		cout << "语文:" << _Chinese << endl;
		cout << "英语:" << _English << endl;
	}
private:
	T _Math;
	T _Chinese;
	T _English;
};

注意：类模板中的成员函数若是放在类外定义时，需要加模板参数列表。

template<class T>
class Score
{
public:
	void Print();
private:
	T _Math;
	T _Chinese;
	T _English;
};
//类模板中的成员函数在类外定义，需要加模板参数列表
template<class T>
void Score<T>::Print()
{
	cout << "数学:" << _Math << endl;
	cout << "语文:" << _Chinese << endl;
	cout << "英语:" << _English << endl;
}

 除此之外，类模板不支持分离编译，即声明在xxx.h文件中，而定义却在xxx.cpp文件中。

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根<>，然后将实例化的类型放在<>中即可。

    //Score不是真正的类，Score和Score才是真正的类
	Score<int> s1;
	Score<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。